400Gbit/s骨干網用超低損耗超大有效面積光纖的開發(fā)

陳偉,袁健,賀作為,宋君

(江蘇亨通光纖科技有限公司,江蘇蘇州 215200)

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400Gbit/s骨干網用超低損耗超大有效面積光纖的開發(fā)

陳偉,袁健,賀作為,宋君

(江蘇亨通光纖科技有限公司,江蘇蘇州 215200)

摘要:損耗和非線性是影響超100 Gbit/s高速光通信系統(tǒng)性能最為關鍵的因子。文章設計并研制了一種適合400 Gbit/s高速傳輸用的新型單模光纖,該光纖具備超低損耗與超大有效面積特性,在1550nm波長處衰減為0.165dB/km,在1625nm波長處衰減為0.179dB/km;在1550nm波長的模場直徑為13.96μm,有效面積為153μm2。該光纖具備優(yōu)良的抗彎曲性能,其關鍵技術指標優(yōu)于當前國際技術水平,可為下一代高速光纖通信提供關鍵基礎材料支撐。

關鍵詞:400Gbit/s系統(tǒng);高速光通信;超低損耗光纖;大有效面積光纖;大容量

0　引 言

隨著大數(shù)據(jù)與云計算的迅速發(fā)展,人們對光纖通信的帶寬與速率需求迅速提高。我國的光纖通信系統(tǒng)從10 Gbit/s跨過40 Gbit/s中間階段直接構建100 Gbit/s,乃至400 Gbit/s高速光纖通信網絡。而高速光纖通信的編碼方式從傳統(tǒng)的RZ(歸零)碼和NRZ(非歸零)碼發(fā)展到100 Gbit/s采用QPSK(正交相移鍵控)[1-2],400 Gbit/s采用QAM(正交幅度調制)或DP-QPSK(雙偏振正交相移鍵控)的方式[3-4]。調制方式的變化對光纖的波長色散和偏振模色散冗余度較大,對光纖的損耗卻要求極高。光纖的損耗和非線性成為限制高速大容量光纖通信系統(tǒng)OSNR(光信噪比)的關鍵因素。

國內外科學工作者開展了光纖的低損耗制作技術和有效面積提升技術的研究[5-12],但是未能很好地解決有效面積增大與彎曲損耗增加的矛盾,目前的低損耗大有效面積單模光纖在1 550 nm波長損耗為0.185 d B/km,有效面積為110μm2,難以滿足400 Gbit/s高速光纖通信的技術需求。本文分析了400 Gbit/s通信系統(tǒng)對光纖的要求和實現(xiàn)途徑,設計了一種新型超低損耗超大有效面積單模光纖的波導結構,并研制開發(fā)出該新型光纖,以滿足我國高速大容量光纖通信系統(tǒng)對光纖的新需求。

1　400 Gbit/s通信系統(tǒng)對光纖的要求

100 Gbit/s光纖通信系統(tǒng)采用DP-QPSK編碼調制格式[13-14],系統(tǒng)的背靠背OSNR要求在9.8～ 12.2 dB之間,光纖在1 550 nm波長的衰減系數(shù)小于0.21 dB/km;400 Gbit/s系統(tǒng)采用DP-QPSK、DP-16QAM和DP-256QAM調制技術[15-16],相對于100 Gbit/s系統(tǒng),OSNR代價分別為6、10和20 dB以上,這些增加的OSNR代價需要從光端機的注入光功率或光纖鏈路損耗兩個方面進行解決。因此, 400 Gbit/s通信系統(tǒng)對光纖的要求主要體現(xiàn)在兩個方面:較低的衰減系數(shù)和非線性系數(shù)[17-18]。

可以看出,影響通信系統(tǒng)FOM的光纖參數(shù)有:光纖的有效面積Aeff、光纖的衰減系數(shù)αdB/km和光纖的非線性長度Leff。

我們以80 km長度的跨段進行通信鏈路FOM研究,重點研究αdB/km、Leff和Aeff對FOM的影響。圖1所示為光纖衰減對鏈路FOM的影響。由圖可知,當αdB/km分別為0.185、0.175和0.165 dB/km 時,鏈路FOM分別為1.2、2.0和2.8 d B,可見降低αdB/km對通信系統(tǒng)鏈路的FOM貢獻非常顯著。但光纖衰減的降低隨之帶來光纖的非線性效應增強, 而Leff增大對通信鏈路的FOM會產生負面貢獻,如圖2所示。當αdB/km為0.175 dB/km時,Leff為23.83 km,80 km的通信跨段將產生0.651 dB的負貢獻;當αdB/km為0.165 dB/km時,Leff為25.06 km的通信跨段將產生0.661 dB的負貢獻。

圖1　光纖衰減對通信鏈路FOM的影響

圖2　光纖非線性長度對通信鏈路FOM的影響

為了降低光纖非線性導致通信鏈路FOM值降低與OSNR的惡化,需要提升Aeff。圖3所示為Aeff對鏈路FOM的影響。當Aeff增加20%達到96μm2時,通信系統(tǒng)入纖功率可增大0.792 d Bm,對鏈路FOM貢獻0.792 dB,等效于降低光纖衰減0.009 9 dB/km;當Aeff增加40%達到110μm2時,通信系統(tǒng)入纖功率可增大1.461 dBm,等效于降低光纖衰減0.018 3 dB/km,鏈路FOM貢獻1.46 dB; 當Aeff增加70%達到135μm2時,通信系統(tǒng)入纖功率可增大2.3 dBm,等效于降低光纖衰減0.028 8 d B/km,鏈路FOM貢獻2.3 d B。

圖3　有效面積Aeff對通信鏈路FOM的影響

光纖的光學衰減系數(shù)、非線性效應和有效面積這3個關鍵參數(shù)對光纖等效衰減的影響如圖4所示。當αdB/km為0.165 d B/km、Aeff為110μm2時,光纖的等效衰減系數(shù)為0.155 dB/km;當αdB/km為0.165 dB/km、Aeff為135μm2時,光纖的等效衰減系數(shù)為0.144 d B/km。因此,超100 Gbit/s及400 Gbit/s高速大容量通信系統(tǒng)要求光纖具備較低的衰減和較大的有效面積。

圖4　光纖參數(shù)對等效衰減的影響

2　超低損耗超大有效面積單模光纖的設計與制備

光纖的波導結構不僅決定光纖的損耗特性,而且直接決定其有效面積Aeff,因此光纖波導結構的設計對于超低損耗超大有效面積光纖的綜合性能至關重要。光纖屬于圓形對稱波導,在弱導近似下, Ψ(R)滿足標量波動方程[21]:

和邊界條件:

式中,k0為真空波數(shù),R=r/a為光纖歸一化半徑,r為徑向坐標,a為纖芯半徑,n(R)為徑向折射率分布,β為軸向傳播常數(shù),Ψcore(R)為光纖芯區(qū)的基模場分布,Ψcl(R)為包層的基模場分布。對于任意折射率剖面光纖,只要計算出Ψ(R),便可代入式(2)計算出Aeff[21]:

本項目設計的超低損耗超大有效面積單模光纖的折射率剖面結構如圖5所示。圖6所示為Aeff隨波長變化關系曲線圖。該折射率結構不僅可以獲得超大有效面積,其在1 550 nm波長的Aeff為150μm2,而且該結構還可以降低光纖的二氧化鍺含量,優(yōu)化界面材料的粘度匹配,大幅度降低光纖的光損耗。同時在芯周邊引入折射率下凹的結構可以有效調節(jié)基模模場分布,大大提高了大有效面積光纖的抗彎曲損耗。

圖5　超低損耗超大有效面積光纖的折射率剖面設計

圖6　有效面積Aeff隨波長變化關系曲線

3　光纖性能測試與試驗結果分析

按照上述波導結構,我們采用CCVD(連續(xù)化學氣相沉積)工藝完成了光纖預制棒的制造,在2 120℃的高溫拉絲塔上,將光纖預制棒拉制成石英包層直徑為125μm、涂層直徑為245μm的石英玻璃光纖。該光纖的測試數(shù)據(jù)如表1所示。該光纖不僅損耗低于國際水平,而且Aeff大于當前國際商用水平的130μm2。同時,該光纖具備良好的抗彎曲能力,將光纖繞在彎曲半徑為30 mm的芯軸上,彎曲100圈,測得光纖在1 550 nm的彎曲附加損耗為0.032 d B,在1 625 nm的彎曲附加損耗為0.093 dB,二者均優(yōu)于當前國際技術水平。

表1　研制的光纖樣品關鍵性能指標測試值

4　結束語

本文分析了400 Gbit/s通信系統(tǒng)調制格式及其對光纖的要求,得出損耗和非線性是影響未來高速光通信系統(tǒng)最為關鍵的因素的結論,然后設計了具備低損耗和大有效面積的光纖折射率剖面結構。采用CCVD工藝技術研制了超低損耗超大有效面積光纖,該光纖在1 550 nm波長的模場直徑為13.96μm,有效面積為153μm2,1 550 nm波長的衰減為0.165 d B/km,1 625 nm波長的衰減為0.179 dB/km,并且具備優(yōu)良的抗彎曲性能,關鍵技術指標優(yōu)于當前國際技術水平。該新型光纖技術可望滿足“寬帶中國戰(zhàn)略”基礎設施建設對光纖的需求,為我國下一代高速光通信“提網速、降網費”提供關鍵的基礎材料。

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光纖光纜技術與應用

Development of the Ultra-Low-Loss Super-Large-Area Optical Fibers for 400 Gbit/s Backbone Networks

CHEN Wei,YUAN Jian,HE Zuo-wei,Song Jun (Jiangsu Heng Tong Optical Fiber Technologies Co.Ltd.,Suzhou 215200,China)

Abstract:Loss and nonlinearity are the most critical factors affecting the performances of 100 Gbit/s optical communication systems.This letter designs and develops a novel single-mode fiber for 400 Gbit/s high-rate transmissions.With ultra-low-loss and super-large effective area characteristics,its attenuation coefficients are reduced to 0.165 dB/km at 1 550 nm and 0.179 dB/km at 1 625 nm respectively.The mode-field-diameter is 13.96μm at 1 550 nm,and the effective area is 153μm2. Moreover,this fiber has outstanding anti-bending performance and its key technological specifications are superior to the current international technological level and can provide the key fundamental material support to the next generation high-rate fiber-optic communications.

Key words:400 Gbit/s system;high-rate communication;ultra-low-loss optical fiber;large effective area fiber;large capacity

中圖分類號:TN818

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0025-04

收稿日期:2015-10-13

基金項目:江蘇省重點研發(fā)基金資助項目(BE2015078);姑蘇創(chuàng)新基金資助項目(ZXL2014107)

作者簡介:陳偉(1976-),男,湖北大悟人。教授級高工,博士,主要研究方向為光纖通信及光電子材料的研究與開發(fā)。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.008