光纖損耗機(jī)理及優(yōu)化策略

王 錚

（92429部隊(duì)通信站，山東 青島 266102）

0 引言

光纖通信作為當(dāng)今發(fā)展最為迅猛的通信技術(shù)之一，以其優(yōu)異的性能成為信息傳播的主力軍。隨著通信需求急劇增加，系統(tǒng)設(shè)備井噴式更新，對(duì)傳輸載體提出了更高要求，光纖損耗問(wèn)題作為制約光纖通信系統(tǒng)發(fā)展的重要因素，時(shí)刻影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，必須加強(qiáng)對(duì)光導(dǎo)纖維知識(shí)的學(xué)習(xí)和降損措施的研究，找尋最佳解決方案，將光纖通信的優(yōu)勢(shì)最大化。

1 光纖按照ITU-T建議分類(lèi)

根據(jù)ITU-T規(guī)定，目前常用的單模光纖包括G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖、G.656光纖、G.657光纖等。

（1）G.652光纖。G.652光纖目前在我國(guó)的敷設(shè)率達(dá)到了70%，其零色散點(diǎn)位于1.3 μm窗口低損耗區(qū)，適用于1.31 μm和1.55 μm窗口工作。

（2）G.653光纖。G.653光纖最小衰減窗口為1.55 μm，在此窗口工作時(shí)，衰減和色散兩個(gè)性能達(dá)到最佳。

（3）G.654光纖。G.654光纖采用純SiO_2纖芯來(lái)降低損耗，在1.55 μm波長(zhǎng)損耗最小，用于長(zhǎng)距離的海底光纜系統(tǒng)。

（4）G.655光纖。由于G.653光纖在1.55 μm波長(zhǎng)處色散為零，不同波長(zhǎng)相互作用后產(chǎn)生四波混頻，影響系統(tǒng)性能，不利于多波長(zhǎng)傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)。經(jīng)研究表明，如果光纖中存在輕微色散，F(xiàn)WM干擾會(huì)減少，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，研制出G.655光纖，將零色散點(diǎn)移至1570 nm以上，消減色散效應(yīng)和四波混頻效應(yīng)。

（5）G.656光纖。G.656光纖在1460～1624 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有大于非零值的正色散系數(shù)值，能有效抑制WDM系統(tǒng)的非線性效應(yīng)。與G.652和G.655光纖相比，支持更小的色散系數(shù)和更寬的工作波長(zhǎng)。

（6）G.657光纖。G.657光纖是為實(shí)現(xiàn)FTTH目標(biāo)，特別研制的一種光纖，其曲率半徑不足G.652光纖的一半。

2 光纖的損耗機(jī)理及衰減系數(shù)

2.1 光纖的損耗機(jī)理

光纖損耗是指因光纖中某些物質(zhì)或因某種原因，導(dǎo)致光信號(hào)無(wú)法完全通過(guò)。當(dāng)光穿過(guò)光纖時(shí)，強(qiáng)度發(fā)生弱化。光纖的損耗是制約光傳輸系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算方法如下：

造成光纖傳輸損耗的因素很多，主要包括吸收損耗、散射損耗和彎曲損耗三種。

（1）吸收損耗。光纖制造材料本身可吸收光能，屬于石英光纖的固有屬性，人為無(wú)法干預(yù)。吸收損耗分為以下三種。

①紫外吸收：光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒌湍芗?jí)電子激發(fā)到高能級(jí)，其中的能量將被電子吸收，造成了入射光的能量損耗。

②紅外吸收：紅外區(qū)材料分子震動(dòng)，光波與光纖晶格互相作用，吸收能量，引起損耗。在波長(zhǎng)等于1.55 μm時(shí)，紅外吸收造成的損耗小于0.01 dB/km。

③雜質(zhì)吸收：經(jīng)研究表明，氫氧根作為石英光纖的吸收源之一，在0.95 μm、1.39 μm、1.24 μm處存在三個(gè)吸收峰。在石英玻璃中還含有鐵離子、銅離子、錳離子、鎳離子等金屬雜質(zhì)，在光照射下，這些雜質(zhì)吸收光能，造成能量損耗。

（2）散射損耗。任何材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都不是完全均勻的，在光纖成纖過(guò)程中，溫度達(dá)到2000℃以上，分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，當(dāng)光纖離開(kāi)拉絲爐時(shí)，溫度急劇下降，導(dǎo)致光纖內(nèi)部應(yīng)力得不到有效釋放，造成折射率不均。當(dāng)不均勻級(jí)別達(dá)到分子級(jí)別，在光波經(jīng)過(guò)時(shí)，就會(huì)造成瑞利散射。

（3）彎曲損耗。彎曲損耗根據(jù)光纖彎曲半徑分為宏彎損耗和微彎損耗。微彎損耗不可避免，隨著光導(dǎo)纖維制造技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)可以把微彎損耗計(jì)算在光纖出廠時(shí)給出的總衰減中。

2.2 衰減系數(shù)

作為衡量光纖損耗的重要指標(biāo)，衰減系數(shù)決定了光纖通信的中繼距離，表示方式為穩(wěn)定狀態(tài)中一根均勻光纖在單位長(zhǎng)度上的衰減，單位是dB/km。圖1為光纖在不同波段的衰減特性。

圖1 光纖在不同波段的衰減特性

3 降低光纖損耗的優(yōu)化策略

3.1 超低損耗光纖的應(yīng)用

隨著光傳送系統(tǒng)容量越來(lái)越大，速率越來(lái)越高，對(duì)光信號(hào)的信噪比提出了更高要求，傳統(tǒng)的G.652光纖需使用大量中繼設(shè)備延長(zhǎng)通信距離。使用超低損耗光纖進(jìn)行連接，則可以輕易達(dá)到提高OSNR，減少中繼設(shè)備數(shù)量，節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)成本的目的。在跨洋海底光纜系統(tǒng)中，復(fù)用段最遠(yuǎn)距離可達(dá)14 000 km以上，傳統(tǒng)光纖難以勝任。200 Gbps、400 Gbps以及Tbps超高速傳輸作為未來(lái)通信的必然方向，超低損耗光纖的研制成為行業(yè)最迫切的需求。以長(zhǎng)飛光纖光纜股份公司G.654E光纖產(chǎn)品為例，在陜北-湖北±800 kV特高壓直流工程中，單跨距467 km無(wú)中繼遠(yuǎn)距離傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，G.654E光纖相較于G.652D光纖，鏈路衰減平均改善約0.02 dB/km，光纜自身衰減平均改善約0.02 dB/km,承載同速率系統(tǒng)時(shí)，OSNR（光信噪比）余量提升1.82～2.78 dB，入纖功率提升約1 dB。G.654E與G.652D在同等環(huán)境下，G.654E試驗(yàn)結(jié)論如表1所示[1]。

表1 G.654E光纖外場(chǎng)試驗(yàn)主要結(jié)論

3.2 光放大技術(shù)

傳統(tǒng)光中繼器對(duì)光信號(hào)采取O/E/O轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)臃腫，建設(shè)成本提高。光放大技術(shù)的飛速發(fā)展，使得光信號(hào)的中繼放大有了更好的選擇。光放大器主要有EDFA、PDFA、TDFA，SOA和FRA以及FBA布里淵放大器。目前EDFA和FRA已實(shí)用化。

在光纖制作中將鉺離子摻入光纖芯中，采用泵浦光對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大，提供光增益，是EDFA的工作方式。具體有同向泵浦、反向泵浦以及雙向泵浦三種方式，如圖2所示。三種泵浦方式性能比較如表2所示。

圖2 EDFA三種泵浦方式連接示意圖

表2 三種泵浦方式性能比較

EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在高增益、低噪聲、寬頻帶、低損耗。同時(shí)，EDFA也存在一些缺點(diǎn)：制造成本較高、飽和輸出功率有限，如果要使輸出功率進(jìn)一步提升，需要使用鉺鐿共摻雙包層光纖放大器來(lái)解決。

拉曼光纖放大器分為分立式RFA和分布式RFA。主要有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是增益響應(yīng)依賴泵浦光波長(zhǎng)及其帶寬，選用適合的泵浦光，就能實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)的光信號(hào)放大；二是大量鋪設(shè)的G.652和G.655光纖可作為增益介質(zhì)，對(duì)光信號(hào)實(shí)行分布式放大；三是放大作用時(shí)間短，可對(duì)超短脈沖進(jìn)行放大。在DWDM系統(tǒng)中使用分布式RFA，可在降低信號(hào)入射功率的同時(shí)維持適當(dāng)?shù)腛SNR[2]。

光迅科技公司提出的拉曼增益鎖定的方法及其拉曼光纖放大器的發(fā)明斬獲了第21屆中國(guó)專(zhuān)利獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)，成果指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

3.3 色散補(bǔ)償技術(shù)

光纖色散包括模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散和偏振膜色散。本文重點(diǎn)介紹4種色散補(bǔ)償方案。

3.3.1 偏振膜色散（PDM）補(bǔ)償

在理想狀態(tài)下，光信號(hào)沿光纖以相同速度傳播，同時(shí)到達(dá)接收端，不存在正交偏振態(tài)速度差異產(chǎn)生群時(shí)延，導(dǎo)致極化色散的現(xiàn)象。由于工藝原因，纖芯截面不可避免地形成一定的橢圓度，加之成纖時(shí)殘存的內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致光纖表現(xiàn)出雙折射性，使得兩個(gè)垂直分量之間產(chǎn)生傳播延遲，引起信號(hào)脈沖展寬。經(jīng)實(shí)踐證明，偏振模色散的影響在10 Gbps以上碼率傳輸時(shí)變得尤為突出，目前用于PDM補(bǔ)償?shù)姆椒ǜ爬ㄆ饋?lái)分為電補(bǔ)償、光補(bǔ)償和光電補(bǔ)償三種方法。華為公司在WDM 100Gbps傳輸系統(tǒng)中，采用偏振復(fù)用正交四進(jìn)制相位調(diào)制結(jié)合相干接收和數(shù)字處理技術(shù)，在波分系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不再單獨(dú)使用色散補(bǔ)償模塊（DCM），在電域進(jìn)行偏振模色散補(bǔ)償，來(lái)消除對(duì)色散補(bǔ)償器和低PDM光纖的依賴。

3.3.2 色散補(bǔ)償光纖DFC應(yīng)用

作為針對(duì)現(xiàn)在廣泛使用的G.652光纖而設(shè)計(jì)研制的單模光纖，G.652光纖在1550 nm波長(zhǎng)處色散非零，并且具有正色散斜率，為達(dá)成傳輸目的，抑制色散效應(yīng)，可在該波長(zhǎng)區(qū)域加接具有負(fù)色散系數(shù)的光纖進(jìn)行補(bǔ)償。在制造DFC光纖時(shí)，光纖內(nèi)徑較小，提高相對(duì)折射率Δ，在1.55 μm處得到較大負(fù)色散，當(dāng)兩者級(jí)聯(lián)時(shí)，正負(fù)色散被抵消。色散補(bǔ)償條件如下，連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 DCF應(yīng)用圖

式中，Dt（λ）為傳輸光纖在波長(zhǎng)處的色散系數(shù)；Lt為傳輸光纖長(zhǎng)度；Dc（λ）為色散補(bǔ)償光纖在波長(zhǎng)入處的色散系數(shù)；Lc為色散補(bǔ)償光纖的長(zhǎng)度

3.3.3 預(yù)啁啾技術(shù)PCH

光信號(hào)所含高頻成分與低頻成分傳播速度不同，導(dǎo)致脈沖前沿與脈沖后端的高低頻成分時(shí)延差越來(lái)越大，脈沖展寬也就越來(lái)越寬。在發(fā)送端引入和光纖本身因色散產(chǎn)生的相反啁啾，抵消光纖色散引起的啁啾。

3.3.4 光相位共軛（OPC）色散補(bǔ)償

光學(xué)相位共軛主要是利用四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光波陣面或位相的反轉(zhuǎn)，獲取信號(hào)光的共軛光，即相位共軛脈沖，在光纖鏈路后半段傳輸，用于補(bǔ)償前半段的非線性損傷。常用的方案有前置補(bǔ)償、后置補(bǔ)償和對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償三種，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，采用對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償與OPC補(bǔ)償方案相結(jié)合，可有效減小光纖非線性效應(yīng)影響，獲取最佳補(bǔ)償效果[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖制造技術(shù)及功率降損成為不可忽視的重要問(wèn)題，為了保證光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，有效降低光纖在傳輸中由于各種原因造成的損耗，本文深入分析了損耗成因以及降損策略，希望在設(shè)備選擇、系統(tǒng)搭建、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和故障排除中對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員有所啟發(fā)。