超低損耗光纖—超長(zhǎng)站距光通信的新選擇

劉源1，黃麗艷2，雷學(xué)義1

　　(1.國(guó)網(wǎng)信息通信有限公司，北京 100761;2.武漢光迅科技股份有限公司，湖北 武漢 430074)

　　摘要：文章介紹了一種單模超低損耗G.652光纖，其與普通G.652D光纖的實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，這種光纖在損耗、受激布里淵散射閥值、偏振模色散等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，而其他指標(biāo)則處于相當(dāng)水平。另外文章分析表明，在一定條件下這種光纖也具有相對(duì)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。在“十二五”智能電網(wǎng)大發(fā)展的時(shí)期，這種光纖無(wú)疑將是延長(zhǎng)配套光纖通信傳輸距離的另一有效解決方案。

　　關(guān)鍵詞：ULL光纖;超長(zhǎng)站距;PMD

　　中圖分類號(hào)：TN929.11

　　0 引言

　　超長(zhǎng)站距光通信技術(shù)已被成功應(yīng)用于國(guó)家電網(wǎng)的多個(gè)跨區(qū)和示范工程中，超長(zhǎng)站距光通信技術(shù)延長(zhǎng)了中繼距離，減少了中繼站的數(shù)量，在提高通信系統(tǒng)可靠性的同時(shí)也節(jié)約了大量建設(shè)和維護(hù)資金，在實(shí)際投產(chǎn)的項(xiàng)目中，2.5 Gbit/s速率下采用雙向喇曼的通信段的單跨距離已經(jīng)達(dá)到了321 km?，F(xiàn)有的理論研究及實(shí)際工程中，主要傾向于通過(guò)提高光功率預(yù)算的方式來(lái)延長(zhǎng)光信號(hào)的傳輸距離，但所能獲得的光功率總預(yù)算已幾乎達(dá)到了極限水平[1]，因此，在保證其他性能指標(biāo)的前提下，選擇衰耗更低的光纖成為延長(zhǎng)光傳輸距離的另一途徑。

　　1 超低損耗光纖及其特性

　　本文所指的超低損耗光纖是康寧公司生產(chǎn)的SMF-28 ULL(Ultra Low Loss，超低損耗)新型光纖，這種光纖于2008年正式投入商用，國(guó)網(wǎng)信息通信有限公司于2009年聯(lián)合康寧公司和武漢光迅公司在國(guó)內(nèi)率先對(duì)該種光纖做了比較系統(tǒng)的測(cè)試和傳輸實(shí)驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱“聯(lián)合實(shí)驗(yàn)”)。2010年，國(guó)內(nèi)幾家光纜制造企業(yè)用該種光纖做了OPGW成纜實(shí)驗(yàn)，中國(guó)電信、康寧和華為也對(duì)該種光纖進(jìn)行了聯(lián)合測(cè)試。2010年底，受國(guó)家電網(wǎng)公司委托，國(guó)網(wǎng)信通公司對(duì)這種光纖進(jìn)行了出國(guó)考察。下面將從該種光纖的衰減特性、受激布里淵散射閾值、偏振模色散特性及其他特性進(jìn)行介紹。

　　1.1衰減特性

　　超低損耗光纖為G.652標(biāo)準(zhǔn)光纖，使用了純硅纖芯，在1550 nm處的衰減值為0.17～0.18 dB/km，比普通G.652光纖的0.2 dB/km指標(biāo)低0.02～0.03 dB/km，典型值為0.168 dB/km。在聯(lián)合實(shí)驗(yàn)中，其實(shí)測(cè)值為0.169 dB/km，而在2010年通光公司的成纜實(shí)驗(yàn)中，其實(shí)測(cè)值則達(dá)到了0.166 dB/km[2]。

　　嚴(yán)格來(lái)講，超低損耗光纖屬于G.652B光纖，屬非低“水峰”光纖，但由于“水峰”所在的E波段在通信中幾乎沒(méi)有實(shí)際的使用，所以并不影響它在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，除了在E波段大部分頻點(diǎn)上的衰減值高于G.652D光纖外，超低損耗光纖在1310 nm所在的O波段、1480 nm所在的S波段、1550 nm所在的C波段、L波段及U波段的衰減均明顯低于G.652D光纖[2]。

　　對(duì)于短距離傳輸，衰耗從0.2 dB/km降低到0.166 dB/km(即每千米損耗降低0.034 dB)，效果不會(huì)很明顯，因?yàn)橐?0 km計(jì)算，總的衰耗值降低了2.72 dB，可以延長(zhǎng)傳輸距離16 km。但是對(duì)于超長(zhǎng)站距而言，以321 km來(lái)計(jì)算，總的衰耗值降低了10.914 dB，則可以延長(zhǎng)傳輸距離65 km。相同衰耗條件下普通G.652光纖與ULL光纖所能傳輸?shù)木嚯x對(duì)比如圖1所示。

圖1相同衰耗下，普通G.652光纖與ULL光纖傳輸距離的對(duì)比

　　Fig.1 the comparison of transmission distance between using common G.652 fiber and ULL fiber under the same loss

　　從圖1可以看出，在光纖衰減一定的情況下，ULL光纖可以比普通G.652光纖傳輸更遠(yuǎn)的傳輸距離，而且隨著衰減值的增加，ULL光纖比G.652光纖傳輸距離的增加效果更明顯，因此對(duì)于超長(zhǎng)站距，ULL光纖更能體現(xiàn)其價(jià)值。

　　相同傳輸距離條件下接收測(cè)OSNR的對(duì)比如圖2所示(以17 dBm入纖計(jì)算)。

圖2 相同傳輸距離下，接收側(cè)OSNR的對(duì)比

　　Fig.2 the comparison of receiving OSNR under the same transmission distance

　　從圖2中可以看出，在相同傳輸距離的條件下(在100 km以后)，利用ULL光纖傳輸比G.652光纖傳輸在接收側(cè)可以獲得更好的光信噪比，從而使信號(hào)質(zhì)量更好。

　　1.2 受激布里淵散射閾值

　　根據(jù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，超低損耗光纖比普通G.652D光纖具有更高的受激布里淵散射(SBS，stimulated Brillouin scattering)閾值，可以獲得更高的入纖功率，從而能將信號(hào)傳輸更遠(yuǎn)。

　　在2.5 Gbit/s速率下，利用直調(diào)激光器，對(duì)于單波長(zhǎng)傳輸普通G.652D光纖受激布里淵閾值一般在17 dBm左右，常規(guī)的單波長(zhǎng)傳輸，入纖功率一般在17～19 dBm。通過(guò)增加受激布里淵抑制器(受激布里淵抑制器通過(guò)展寬光譜的方法實(shí)現(xiàn))可以在一定程度上提高受激布里淵閾值，可以提高到22～23 dBm的入纖功率。而超低損耗光纖在增加受激布里淵抑制器的情況下，最大可以支持的入纖功率可以達(dá)到25 dBm，因此，超低損耗光纖的對(duì)2.5 G系統(tǒng)SBS閾值可以提高2～3 dB。

　　在10 Gbit/s速率利用EA外調(diào)制的情況下，普通G.652D光纖在增加受激布里淵抑制器時(shí)可以支持的入纖功率為17～18 dBm，而利用超低損耗光纖可以支持的入纖功率為19 dBm，因此超低損耗光纖對(duì)10 G系統(tǒng)SBS閾值可以提高1～2 dB。

　　因此，ULL光纖相對(duì)普通G.652光纖有更高的受激布里淵閾值，可提到1~3 dB左右。

　　1.3 偏振模色散

　　對(duì)于基于10 Gbit/s以上和DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分復(fù)用)的高速大容量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，限制光通信系統(tǒng)發(fā)展的主要因素已由衰耗受限轉(zhuǎn)變?yōu)樯⑹芟藓头蔷€性受限，隨著傳輸速率的提高，偏振模色散(PMD，Polarization Mode Dispersion)對(duì)通信系統(tǒng)的影響愈來(lái)愈明，而且越來(lái)越不可低估。

　　超低損耗光纖除具有低損耗的特性外，還具有比普通G.652D更低的偏振模色散，PMDQ可以達(dá)到0.04 ps/km1/2，遠(yuǎn)低于G.652D光纖的0.2 ps/km1/2標(biāo)準(zhǔn)，從而，超低損耗光纖與G.652D光纖相比更適合于高速率系統(tǒng)的傳輸。

　　在2010年中國(guó)電信、華為和康寧公司所完成的100 G超長(zhǎng)距離WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分復(fù)用)傳輸實(shí)驗(yàn)中，使用超低損耗光纖“實(shí)現(xiàn)了超過(guò)3000 km的超長(zhǎng)傳輸距離，創(chuàng)造了全球陸地光纜傳輸系統(tǒng)100 G WDM傳輸距離的最新記錄”[3]。

　　1.4 其他特性

　　除上述性能外，超低損耗光纖的其他特性(包括模場(chǎng)直徑和色散性能)與G.652D光纖幾乎一致，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，超低損耗光纖的接頭熔接損耗約為0.013 dB/個(gè)，與其他單模光纖光纖的對(duì)接損耗約在0.01～0.05 dB/個(gè)之間，并不能對(duì)通信鏈路產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，也就是說(shuō)，超低損耗光纖與普通G.652光纖是可以對(duì)接兼容的，成纜附加損耗在1550 nm處約為0.01 dB/km，在-40℃～+65℃之間的溫度附加衰減也在±0.02 dB以內(nèi)[2]。

　　綜上所述，超低損耗光纖更為適合超長(zhǎng)站距及高速大容量長(zhǎng)距離傳輸。

　　2 ULL光纖的實(shí)驗(yàn)和使用情況

　　在2009年的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)中，采用隨路遙泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了2.5 Gbit/s速率下514 km和10 Gbit/s速率下432 km的超長(zhǎng)站距光傳輸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所列。

　　表1 采用超低損耗光纖在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的傳輸距離

　　隨后，又實(shí)現(xiàn)了2.5 Gbit/s系統(tǒng)無(wú)中繼521 km的超長(zhǎng)站距傳輸，這是目前所報(bào)道過(guò)的使用前置隨路遙泵技術(shù)傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離[4]。

　　為考驗(yàn)ULL光纖的兼容性，國(guó)網(wǎng)信通公司在考察期間在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用ULL光纖搭建了100 Gbit/s的傳輸系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)使用EDFA和喇曼放大器實(shí)現(xiàn)了293 km的無(wú)中繼傳輸，配置如圖3所示[5]。

圖3 293 km無(wú)中100 Gbit/s傳輸系統(tǒng)

　　Fig.3 293 km non-relay transmission system by using ULL fiber at 100 Gbit/s

　　光纖組成情況如圖4所示。

圖4 293 km無(wú)中100 Gbit/s傳輸系統(tǒng)光纖使用情況

　　Fig.4 the use of fiber in 293 km non-relay transmission system at 10 Gbit/s

　　而后，將最后25 km的ULL光纖換成普通G.652D光纖，經(jīng)過(guò)測(cè)試，信號(hào)的誤碼性能基本都在E-005這一數(shù)量級(jí)上，沒(méi)有出現(xiàn)本質(zhì)性的劣化。

　　隨著信息化應(yīng)用和智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)通信的帶寬需求越來(lái)越大，目前大量使用的G.652D光纖在一些情況下對(duì)于高速率(如40 Gbit/s及以上)的通信需求可能無(wú)能為力，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在這種情況下超低損耗光纖也將是一個(gè)更好的選擇。

　　超低損耗光纖已在阿聯(lián)酋、美國(guó)、澳大利亞、阿爾及利亞等國(guó)家被實(shí)際使用。考慮到其優(yōu)良的特性，國(guó)家電網(wǎng)公司將在2011年投產(chǎn)的青藏交直流聯(lián)網(wǎng)工程配套通信工程中使用超低損耗光纖，用以完成沱沱河—安多的300 km的超長(zhǎng)距離光傳輸，這也是超低損耗光纖在國(guó)內(nèi)的首次使用。

　　3 經(jīng)濟(jì)性分析

　　超低損耗光纖較普通G.652D光纖低的衰耗按0.02 dB/km計(jì)算，根據(jù)《光通信系統(tǒng)典型配置報(bào)告》[6]分析如下。

　　1)當(dāng)中繼距離>267 km時(shí)需要使用反向喇曼設(shè)備。設(shè)需要中繼的距離為270 km，此時(shí)使用正向喇曼設(shè)備和使用超低損耗光纖均可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)站距的光傳輸，設(shè)普通G.652D光纖的價(jià)格為X元/km，超低損耗光纖的價(jià)格為Y元/km，反向喇曼的價(jià)格為C，則對(duì)于每一芯纖芯來(lái)說(shuō)：

　　使用反向喇曼設(shè)備需要增加的費(fèi)用 = C;使用超低損耗光纖需要增加的費(fèi)用 = 270×(Y-X);

　　令C = 270×(Y-X)，得Y = X+C/270。

　　即當(dāng)超低損耗光纖的價(jià)格 < (普通G.652D光纖價(jià)格+反向喇曼設(shè)備價(jià)格/270)時(shí)，對(duì)于270 km的中繼距離，采用超低損耗光纖是更經(jīng)濟(jì)的。

　　2)一般情況下，OPGW光纜特別是新建成OPGW光纜的纖芯并不會(huì)被全部用完，同樣條件下，OPGW光纜的總纖芯數(shù)為N，被使用的纖芯數(shù)為M，則：使用反向喇曼設(shè)備需要增加的費(fèi)用 = C×M，使用超低損耗光纖需要增加的費(fèi)用 = 270×(Y-X)×N;令C×M = 270×(Y-X)×N;得M/N = 270×(Y-X)/C。

　　即當(dāng)纖芯使用率 = 被使用的纖芯數(shù)/OPGW光纜的總纖芯數(shù) > [(270×(超低損耗光纖每千米價(jià)格-普通G.652D光纖每千米價(jià)格)/反向喇曼設(shè)備價(jià)格]時(shí)，使用超低損耗光纖是更經(jīng)濟(jì)的。

　　3)使用同樣的方法還可對(duì)需要使用正向喇曼的情況進(jìn)行分析，此處略。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　綜上分析，使用超低損耗光纖是延長(zhǎng)光傳輸距離的另一種途徑，可以進(jìn)一步減少中繼站的建設(shè)，減少和優(yōu)化光路子系統(tǒng)(如喇曼放大器等)的配置從而減少故障點(diǎn)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，也有利于通信系統(tǒng)向更高速率和波分系統(tǒng)的擴(kuò)容升級(jí)，另外，從經(jīng)濟(jì)上講也是可以接受的，且隨著應(yīng)用規(guī)模的增加，超低損耗的價(jià)格應(yīng)該還有下降的空間和趨勢(shì)?？紤]到“十二五”期間輸電工程的大規(guī)模建設(shè)，在必要的情況下應(yīng)積極、適度使用超低損耗光纖。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2] 黃俊華, 林光, 周峰, 等. 首條采用超低損耗光纖的超低衰減OPGW[J]. 電力系統(tǒng)通信, 2010, 31(10): 6-11.

　　[3] 中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)，http://www.cnii.com.cn/zz/content/2010-12/08/content_817443.htm，2010

　　[4] 董振華, 印新達(dá), 黃麗艷, 等. 521 km超長(zhǎng)站距無(wú)中繼光傳輸系統(tǒng)研究[J]. 光通信研究, 2011, 37(01): Page 5

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　　[6] 國(guó)電通信中心. 特高壓電網(wǎng)超長(zhǎng)站距光傳輸關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的研究—光通信系統(tǒng)典型配置報(bào)告[R]. 2007.