新型光纖助力光網絡邁入400G時代
雙擊滾屏 發表日期:2016-10-18   閱讀次數:4105    字體[        ]

       近年來,移動互聯網、家庭寬帶、云計算、視頻、VR等業務快速發展,2016年我國4G用戶已經超過5.5億,家庭寬帶用戶超過2.5億戶,此外市場廣闊的集團客戶專線帶寬需求不斷增長,為此運營商需要在光傳輸網上加快建設以滿足日益增加的帶寬需求。

  光纖是通信產業繁榮的基石,所有通信業務的承載都離不開這一最基礎的物理媒介。業務的發展促進光傳輸網技術不斷變革,光傳輸容量和距離也在不斷刷新。目前超100G光傳輸系統受到傳輸距離的限制,新型光纖技術有望助力下一代光傳輸系統升級換代。

  新型光纖有助于延長400G系統傳輸距離

  光傳輸系統需要保持系統容量和傳輸距離之間的平衡,在長距離光傳輸系統中,普遍采用高階調制方式提高頻譜利用率,同時通過低損耗、新型放大器等方法來保持所需的傳輸距離。

  目前400G光傳輸系統有多種實現方式,包括四載波PM-QPSK、雙載波PM-16QAM等。其中雙載波PM-16QAM為業界的主流實現方式,PM-16QAM調制格式系統和PM-QPSK調制格式系統相比,具有更高的頻譜效率。理論上,PM-16QAM的背靠背OSNR容限比PM-QPSK差約6.7dB,因此PM-16QAM的傳輸距離不到PM-QPSK的四分之一。一方面設備廠家正在研究更高階的FEC技術和新型放大技術(如拉曼放大器)提高系統OSNR,提升系統傳輸距離;另一方面,作為系統傳輸的物理層媒介,新型光纖也能提升系統OSNR,滿足400G系統長距傳輸的需求。

  在400G系統無電中繼傳輸距離達到1000km的場景中,根據骨干網光纜現狀和400G PM-16QAM傳輸系統的性能,如果使用普通的EDFA放大器,則需要光纖的損耗達到0.14dB/km,目前的光纖技術達不到這樣的損耗。如果使用普通的EDFA放大器加上大有效面積光纖,則需要光纖的損耗達到0.153dB/km,目前的光纖技術也達不到這樣的損耗。如果使用拉曼放大器,則需要光纖的損耗達到0.17dB/km。如果使用拉曼放大器加上大有效面積光纖,光纖的損耗可以放寬到0.183dB/km。

  在400G系統無電中繼傳輸距離為600km的場景中,如果使用普通的EDFA放大器,則需要光纖的損耗達到0.165dB/km,超低損光纖基本能夠滿足性能要求。如果使用普通的EDFA放大器加上大有效面積光纖,則需要光纖的損耗達到0.178dB/km。如果使用拉曼放大器,則需要光纖的損耗放寬到0.195dB/km。

  為了評估100G和400G傳輸系統在新型光纖上的傳輸性能,早在2014年,中國移動便在國內率先開展了實驗室測試和現網試點。實驗室中,100G和400G信號分別在G.652、超低損光纖和大有效面積光纖上進行傳輸性能測試:超低損光纖熔接后的損耗為0.175dB/km,大有效面積光纖熔接后的損耗為0.165dB/km。

  系統方面,100G系統采用PM-QPSK調制格式,400G系統采用雙載波的PM-16QAM調制格式。根據實驗結果結合理論分析,采用PM-QPSK調制格式的100G系統的背靠背OSNR容限約為10dB,能夠在G.652光纖上傳輸約3000km(5dB OSNR余量);采用PM-16QAM調制格式的400G系統的背靠背OSNR容限約為18.5dB,能夠在G.652光纖上傳輸約450km(5dB OSNR余量),測試性能結果如表1所示。對于超低損光纖和大有效面積光纖,400G的傳輸距離可以被延長到約600km和900km(5dB OSNR余量)。因此超低損光纖和大有效面積光纖對于延長400G系統的傳輸距離幫助非常大。

表1 100G和400G傳輸性能比較

  新型光纖技術發展現狀

  1970年光纖損耗做到了20dB/km,到今天,光纖損耗可以突破到0.146dB/km。近期對新型光纖技術的關注主要集中在低損光纖LL(low loss)、超低損光纖ULL(ultra low loss)和大有效面積光纖LEAF(large effective area fiber)3類,如圖 所示。普通G.652光纖的纖芯材料為摻鍺二氧化硅,有效面積為85μm2,典型損耗為0.19~0.20dB/km。低損光纖的纖芯材料也是摻鍺二氧化硅,有效面積為85μm2,典型損耗為0.185dB/km。超低損光纖的纖芯材料為純二氧化硅,通過純二氧化硅來降低損耗,有效面積為85μm2,典型損耗為0.17dB/km。大有效面積光纖的有效面積為110~130μm2,典型損耗可以降低到0.16dB/km以下。

 新型光纖截面圖

  低損耗G.652光纖(low loss fiber,LL)和普通G.652光纖區別不大,纖芯由摻鍺的二氧化硅制成。低損耗單模光纖不改變現有G.652D光纖的波導結構,其工藝主要是通過改善光纖內部的應力,從而優化瑞利散射來降低損耗。超低損耗、純硅芯單模光纖是通過改進光纖的折射率和制造工藝,在芯層中沒有摻雜鍺元素,減小了瑞利散射損耗,進一步降低了光纖損耗;大有效面積單模光纖在低損、超低損光纖的技術上,再通過增加光纖的模場直徑、調整折射率差來實現較大的有效面積,兼有低損耗并能抑制光纖非線性效應的優點。

  摻鍺纖芯的標準單模光纖和純SiO2纖芯單模光纖在折射率分布上有明顯的區別。為了保持纖芯和包層直接的折射率差,需要降低包層的折射率,這主要通過在包層中摻雜氟等元素來實現。通過純硅纖芯的技術,石英光纖的衰減可以進一步降低到理論的最低值0.15dB/km。應用于陸上長途傳輸的超低損光纖,在降低衰減的同時還需要考慮和現有大量鋪設的G.652光纖兼容,采用與傳統G.652光纖一致的有效面積和模場直徑,給工程施工和客戶應用帶來便利。

  超低損光纖呈現兩大發展趨勢

  超低損耗光纖的傳輸性能已經在實驗室和現網測試得到了驗證,并且在國家電網及國外運營商規模使用,產品的可靠性和優異的衰減特性得到充分驗證。為了更好地滿足運營商大規模應用,助力400G系統的部署。超低損光纖主要有兩個發展趨勢。

  ● 光纖衰減進一步降低:隨著預制棒制造技術和拉絲技術的不斷進步,ULL光纖的衰減可以從現在的0.17dB/km繼續降低到0.16dB/km。光纖衰減越低,跨段損耗越小,可以提升更多的OSNR,幫助系統傳輸更遠的距離。

  ● 光纖成本進一步優化:目前超低損耗光纖由于采用純硅纖芯技術,光纖價格較高,是普通G.652光纖的3~4倍,是G.655光纖的1.5倍左右。隨著工藝的改進,供應商的增加和生產規模的擴大,超低損耗光纖的成本和價格也會不斷降低。

  另外,光纜工程的投資大部分是施工、管道租賃等費用,光纖在整個光纜工程中的投資占比較小,但對于提升傳輸系統意義重大。采用性能優異的光纖,可以延長光復用段的傳輸距離,減少系統設備的投資。

  對于大有效面積光纖,能夠有效降低非線性效應帶來的系統損傷,可以提高400G系統的OSNR,延長傳輸距離,但考慮到工程中使用大有效面積光纖與常規光纖的對接,存在成纜和熔接,以及工程施工帶來的附加損耗,實際傳輸效果需要通過實際工程進行進一步驗證。

  超低損光纖的應用主要和其延伸傳輸距離的功效密不可分,近期可以在以下場景中使用:

  ● 400G在一些場景傳輸距離不足,新型超低損光纖可以增加400G的傳輸距離。

  ● 新型超低損光纖還有望用于長距離直達鏈路。以從北京到廣州為例,如果鋪設超低損光纖,則有望用100G光傳輸系統實現3000km的直達鏈路而不需要電再生。

  ● 此外,遠期還可以用于光電混合交叉場景。由于光交叉不能進行信號電再生,所以需要通過新型低損耗光纖延長信號的傳輸距離。

  小結

  升級光纖、光放大器等基礎資源是增加400G系統傳輸距離的有效手段。其中骨干光纜敷設成本巨大,需要提前2~3年統一規劃。雖然超低損光纖自身成本較高,但是隨之帶來傳輸距離的增加和中繼節點的減少,能夠使系統總成本大幅降低。超低損耗光纖是未來干線傳輸系統演進的根基,可提前做好布局和準備,隨著超低損耗光纖應用的擴大和更多廠家對研發的投入,超低損耗光纖的產業鏈日趨強大,規模應用指日可待

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