下一代长途通信单模光纤

• 瑞利散射和λ4成反比
αR =
1 ∫ A(r ) P(r ) r dr λ4 P (r ) r dr
• 和掺杂浓度成正比
A = A 0 (1 + 0.44 ∆ )
1. M. Ohashi, J. Lightwave Tech. 10, p. 539 (1992).
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超低损耗光纤的设计和一些问题：
1530
1555
1580
1605
1630
signal wavelength (nm)
位数/标记
1 4 8 2x8 8
波特 速率 [Gbaud]
10 25 25 25 50
信噪比要求
0 dB(参考） ~6.5dB ~13dB ~13dB ~16dB
10
100G及更高相干系统和光纤的主要关系
10/40-Gb/s 零壹 直接检测 色散必须得到补偿，非线性效 应和色散需要综合考虑。 PMD 只能是传输1个比特的周 期的1小部分, 对长距离通信是 很大的挑战 100-Gb/s 和更高 相干检测 采用电子技术补偿色散。 需要高色散减小非线性。 PMD可以通过电子技术实 现补偿 用于100G & 和更高系统 光纤的考虑 不需要管控色散
目前的技术路线： 纯硅芯 ＋ 下陷包层
（深度掺氟）
问题1 问题1：制备困难
→ 氟硅烷极易挥发，高速率深度掺氟非常困难 → 采用在芯层掺羟基，碱金属等方法降低纯硅的粘度 → 拉丝工艺需要平衡张力，炉温和拉丝速度 → 成本至少增加三倍
（几乎不掺锗）
普通G.652
问题2 问题2：环境污染
→ 产生大量含氟废料，环保上公认的较难处理的物质 → 要彻底消除氟化物的带来的综合影响，成本可能会 超出给运营商带来的预期效益
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芯层（体积约1%） 决定着光纤预制棒的性能
外包层（体积约99%） 决定着光纤预制棒的成本
中天的工艺路线兼具 高性能和低成本优势。
合资方
工艺路线 国内主要企业 芯层 企业1 企业2 企业3 企业4 企业5 中天 PCVD VAD VAD 外购 VAD VAD 外包层 外购 OVD 外购 OVD VAD OVD 中方
高级调制 16QAM, 64QAM (正交振幅调制）和更高的波特 （baud ）速率。 脉冲整形 高光谱效率(>6b/s/Hz) 对非线性更敏感
信号速率
10G 100G 200G 400G 400G
编码格式
NRZ/RZ PDM-QPSK PDM-16QAM DC-PDM-16QAM PDM-16QAM
• 根据机械接续损耗理论，两种不同光纤对接时的损 耗将有所增加
– 两种成熟的技术（过度和拉锥）可以减小两种ＭＦＤ 不同光纤之间的接续损耗。
过度光纤
•
批量接续实验结果：
– LAF和LAF对接 • 平均损耗 0.04 dB – LAF和SMMF对接 • 平均损耗 0.15 dB
拉锥
• •
单纯的长途通信网络，有很多接入接出点。这是一 个LAF最大的问题。 光电混合缆和海缆基本不是问题
微弯损耗是涂层的扰动对光纤传输性能的影响。
光纤折射率剖面设计和涂料对微弯都有影响
γ micro
• • • •
a4 ∝ 6 3 E 3/ 2 b ∆
D2 D1 2a 2b 一次涂覆：软, 二次涂覆：硬
a = 芯径 b = 外包直径 ∆ =芯层折射率 E =杨氏模量
采用低杨氏模量可以改进微弯损耗
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实际应用考虑: 大有效面积光纤和普通光纤接续损耗
14
与普通G652光纤兼容，双向平均接续损耗结果绝大部分在0.04dB以下。
接续损耗散点图
0.050 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0 0.1 0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
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应用分析
光纤类型
普通G652
448Gbs @80GHz
1980
1990
NZDSF: 非零色散位移 LAF/LLF: 大面积 /低损耗 EDFA：掺铒放大器
Year
2000
2010
2020
XDM：X分割复用 T：时间，W：波长，P：偏振，S：空间, M:模式 8
单模光纤的传输能力开始接近极限
技术成熟 时间 1995 1998 2007 2009 2011 2013 下一步
股份比例 外方 37.5% 普睿司曼（意） 藤仓（日） OFS（美） 住友（日） 信越（日） ——
62.5%
40% 49% 49% 25%
60% 51% 51% 75%
——
100%
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二、通信光纤的回顾和展望
在过去40年中，在新技术和市场需求的推动下，出现了以下几种 通信光纤产品。
• G.651
50/125um多模光纤 非色散位移单模光纤
下一代长途通信单模光纤
汇报提纲
一．光纤预制棒的制造工艺 二．通信光纤的回顾和展望 三．光纤设计要点和应用考虑 四．光纤性能对系统性能的影响 五．大有效面积光纤发展现状 六．总结
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一、光纤预制棒的制造工艺
光纤的核心技术是预制棒制造技术。从上世纪 70 年代末 期开始规模生产光纤以来， 对光纤预制棒制造技术的研 究和完善改进就从来没有间断过。
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光纤传输技术的发展
108
趋势: 每4年增加10倍 SDM ，MDM 相干/PDM 非线性香农极限 WDM
C-band 光纤容量 (Gbps)
106 104 102 1 10-2 10-4
多心, 少模
非线性 LAF/LLF
EDFA
TDM
色散管控 NZDSF 损耗改进 单模光纤
112Gbs @50GHz
日本 NT&T 在 OVD 的基础上进行改进，推出了汽相轴向沉积法 （ VAD）工艺； 荷兰 Philips 则开发了等离子体化学（PCVD） 工艺，成功地在 生产中加以应用。
是唯一不存在中心缺陷技术。
PCVD 具有高效原材料利 用效率；能实现精细波导 结构
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MCVD和PCVD：粉尘沉积和玻璃烧结是同时完成。 VAD和OVD，粉尘沉积和玻璃烧结分两步完成， 在玻璃烧结过程中，可以有效地将玻璃中粉末水分去除，这两 种工艺可以制备出水峰极低的光纤预制棒。
0.33~0.35dB/km 0.33~0.35dB/km 0.19~0.20dB/km 0.20~0.23dB/km 9.2±0.4um
ZTT-ALF
≤0.325dB/km ≤0.300dB/km
≤0.183dB/km
≤0.20dB/km 9.2±0.4um
普通G.652
ZTT-ALF
光纤折射率剖面对比示意图
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大有效面积光纤对拉曼放大器系统影响
大有效面积(e.g. Aeff=125um2)
多路径干涉引起的二次瑞利散射较低，非线性效应低，传输性能高。 X 拉曼效率低, 需要较高的泵浦功率
高色散，低零色散波长
避免泵浦－泵浦和泵浦－信号之间由于缺陷引起的相互作用
Raman gain coef.[(1/W.km)]
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 1480 TeraWave SLA+ LAF SSMF
LAF 100-km 跨距，Raman/EDFA混合放 大器所需的泵浦功率 泵浦 λ 1429nm 1447nm 总功率 Gon-off =10 dB 160 mW 470 mW 630 mW
1505
12
对100Gb的系统，中天认为低损耗光纤可以满足要求
⇒ 0.18dB/km（比常规G.652光纤低0.02dB/km） ⇒ 制造技术：调整和优化波导结构（适当减少锗的掺杂量）， 改进预制棒制造和拉丝过程中退火工艺，可以降低衰减。 理论衰减＝0.15＋0.074×相对折射率%
当相对折射率小于0.40%时，可以获得小于0.1Байду номын сангаасdB/km的衰减
ZTT-ALF
ATTN1550nm （典型值）
0.195 dB/km
0.183 dB/km
对于100km跨距的传输系统来说，采用ZTT-ALF光纤可以减少1.2dB损耗：
⇒ 跨距不变，跨段数可增加32%； ⇒ 跨段数不变，单跨距可延长6.6%；
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三、光纤设计要点和应用考虑
G.652（SMMF）: 1550nm, 衰减: 0.195dB/km, 有效面积：83µm2
超低损耗光纤
问题3 问题3：指标缺陷
→ 1383nm 衰 减 达 到 1dB/km 以 上 （ G.652D 光 纤 为 0.30dB/km），与目前骨干网络大量铺设的G.652D光 纤兼容存在问题，给未来网络扩容带来障碍
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衰减值
1.25 1.15 1.05 0.95 0.85 0.75 0.65 0.55 0.45 0.35 0.25 0.15
单通道速率 （Gb/s) 10 10.7 46 112 224 448 1000
通道宽度 （GHz) 1 50 50 50 50 80 170
通道数 1 80 80 80 80 50 25
单光纤Cband 速率（Tbps) 0.01 0.856 3.68 8.96 17.92 22.4 25
9
100G及更高系统的特点
11
长途干线网 （采用G.652 光纤设计）
40G
典型再生距离 (公里） 系统要求OSNR 成缆后允许 光纤最大衰减 允许光纤最大衰减
100G 3200 14.5 0.20 0.18
400G < 1300 21 0.19以下 0.17
6000 11.5 0.22 0.20
现有的G.652和G.655光 纤可以满足使用要求
• G.652 (A/B/C/D) • G.653 (A/B) ITU-T
色散位移单模光纤 截止波长位移单模光纤 非零色散位移单模光纤
• G.654 (A/B/C)
• G.655 (A/B/C/D/E) • G.656
宽波带非零色散位移单模光纤 弯曲不敏感单模光纤
• G.657 (A1/A2/B2/B3)
• • • 常规G.652D 光纤相对折射率即在0.35%左右， 因此现有设计无需做大的改动, 只需要改进制造工艺即可实现低损耗光纤的制造。
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中天达远低损耗光纤（ZTT-ALF）主要指标
关键指标
ATT1310nm ATT1383nm ATT1550nm ATT1625nm MFD@1310
普通G.652
脱水与导热气体 脱水与导热气体
4
不同预制棒制造工艺的对比
沉积速率 沉积效率
灵活性
光纤性能
制备各种设计 的光纤 高速率 水峰值低 水峰值低 无中心缺陷 剖面精细 对原料纯度要 求极高
MCVD OVD VAD
★☆☆
★★☆
★★★
★★★
★☆☆
★★☆
★★☆
★☆☆
★☆☆
PCVD
★★☆
★★★
★★☆
VAD、OVD是目前国际上的主流单模技术， 具有最优的性价比。
美国 AT&T发明了改进的化学汽相沉积法（MCVD）工艺；
OVD 可以实现最高的沉积速
MCVD 是 制 备 特 种 光 纤 的 最 佳技术
美国 Corning 公司随后开发了适合光纤大规模生产的管外汽相 沉积法（OVD）工艺，其后 OVD 工艺又有不断改进；
率，兼具产品尺寸大的特点
VAD 具有较高的沉积速率，
不需要改进PMD
10G，零壹误码率=10-3 对非线性效应敏感 的系统 要求的 OSNR（信噪比）100G PDM-QPSK系统的 是~8.5dB ， OSNR 需要 ~ 14.5dB 400G 系统需要21dB
要求非常低非线性效应 （大面积）和低损耗
[1]: G. Charlet, OFC2009 NthB4
现有超低损耗光纤与G652D光纤的衰减对比 超低损耗光纤
现有G652光纤
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低损耗大有效面积光纤设计的考虑和限制（I）
单模的要求 2 λ
2
弯曲损耗的要求 2.4 – 折射率主要受到宏弯损耗的限制 – 压低包层折射，或采用凹陷设计对 弯曲损耗 有一定改善。
λ
1.4
2Δ
λSig
– 芯径主要受到截止波长限制, i.e
λcutoff<λSig
• e.g. λcutoff < 1530nm （ ITU-T G.654 光纤）
D. Peckham, OFC2008 NtuC3 M. Bigot-Astruc, et al.,OFC2012, OTh4I.1.
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低损耗大有效面积光纤设计的考虑和限制（II）
大Aeff也影响微弯损耗
超低损耗G.652（ULL）：1550nm 衰减: 0.165dB/km 有效面积：83µm2
大有效面积G.654（LAF）:1550nm 衰减: 0.182dB/km 有效面积：125 µm2
17
降低光纤衰减的考虑
损耗随掺杂浓度和应力增大而增大
瑞利散射是1550nm损耗的主要来源
纯硅芯对减小散射有益处。 纯硅芯比外包层（通常掺Ｆ）的粘 度高。拉丝过程中将产生很高应力 从而增加光纤损耗。