专题
用于下一代陆地干线传输网络的新型超低衰减大有效面积单模光纤
发布时间:2016-08-01发布者:
 

                                                                                            研发中心   张磊

中国目前陆地干线网主要以普通G.652.D光纤为主,而90年代铺设的光缆已经达到预期20-25年的使用寿命,所以今后几年将逐步面临着对主干网络进行升级换代的要求。因此,如何为长距离陆地干线光缆选择合适的光纤,对于网络运营商和光通信公司来说都是一个急需解决的问题。为了获得最佳的系统性能,如果将超低衰减和大有效面积的特性融合到一根光纤中去,这种光纤将会是下一代通信光纤中最完美的光纤。

    

1.    G.654.E 建议指标

下表中给出了目前正在讨论中的G.654.E光纤指标和长飞超低衰减大有效面积光纤的性能指标范围,长飞公司的超低衰减大有效面积光纤(远贝®超强)能够满足甚至优于现有最严格的G.654.E标准建议。

参数名称

G.654.E 讨论稿

YOFC

产品手册范围

建议1

建议2

E1

E2

光学参数

*模场直径@1550nm (um)

名义范围

11.5-13.0

11.0-12.0

12.0-13.0

11.4-12.2 Typical: 11.8

正负偏差

±0.7

±0.7

±0.7

有效面积典型值@1550nm (um2)

\

\

\

110

*光缆截止波长 (nm)

≤1510

≤1530

≤1530

≤1530

典型值 1440nm

*衰减系数 @1550nm (dB/km)

≤0.20

≤0.20-0.25

≤0.174

*宏弯 (R30mm×100 turns)

1550nm (dB)

TBD

TBD

TBD

≤0.1

1625nm (dB)

≤0.2

≤0.5

≤0.5

≤0.2

*色散系数 @1550nm (ps/nm/km)

≤22

≤22

≤22

≤22

色散斜率 @1550nm (ps/nm2/km)

≤0.070

≤0.070

≤0.070

≤0.070

PMD (ps/km1/2)

≤0.2

≤0.2

≤0.2

≤0.2

几何参数

包层外径 (um)

125±1

125±1

125±1

125±1

芯包同心度 (um)

≤0.8

≤0.8

≤0.8

≤0.8

包层圆度 (%)

≤1.0

≤1.0

≤1.0

≤1.0

*仍然在讨论中, ITU-T Q5小组未有明确建议。

2.    光纤设计和制造

                                         光纤折射率剖面结构示意图

和传统的掺氟外包层结构的超低衰减大有效面积光纤相比,长飞采用纯二氧化硅(SiO2)作为光纤的外包层,由于减少了氟掺杂材料的使用量,无论从材料制备成本,制备技术难度以及环保等角度,我们的超低衰减大有效面积光纤产品在成本上更具有竞争力。

 

3.    光纤和光缆性能

3.1    光纤衰减

无论从理论还是实际角度,更低的衰减可以减少中继站的数量并降低长距离通信网络的维护成本,因此不断地降低光纤衰减系数是光纤研发的长期目标。对于光纤研发和制造企业,如果我们可以在理论上,对衰减组成的各个部分进行定性和定量的分析,就可以有效的帮助我们找到降低衰减的最优途径,在实际工作中指导我们的工作方向。

下表给出了超低衰减大有效面积光纤和标准G.652.D光纤在1550nm处各损耗贡献因素的具体对比数值。目前长飞公司正在研发第二代超低衰减光纤技术,并已经取得关键性突破,预计在2016年初将释放第二代超低衰减大有效面积光纤产品,其有效面积将更大,典型衰减值也将更低。

标准G.652.D 和超低衰减光纤的衰减谱分解

Standard G.652.D

Ultra low loss & Large Aeff. fiber

瑞利散射贡献

0.162 dB/km

0.136 dB/km

红外吸收贡献

0.014 dB/km

0.014 dB/km

其他

0.016 dB/km

0.012 dB/km

总衰减

0.192 dB/km

0.162 dB/km

3.2    熔接性能

选择超低衰减大有效面积光纤作为下一代长距离通信用光纤,光纤的熔接性能是一个非常关键的参数。G654光纤的熔接可以分为两方面:第一是G654光纤的自熔损耗;第二是其与现网中大量使用的G.652.D光纤互熔时的损耗。

影响熔接损耗的因素有很多,但模场直径失配是最关键的因素。如下图所示,有效面积为110μm2的超低衰减大有效面积光纤和标准G652光纤的典型熔接损耗值明显低于有效面积为130μm2的大有效面积光纤同标准G652光纤的典型熔接损耗值。一般认为,光纤接头热熔损耗必须小于等于0.08dB,而有效面积为130μm2的光纤同标准G652熔接时,熔接损耗明显大于0.08dB。这也是我们选择110μm2作为下一代通信光纤最优有效面积的主要原因。

                                                           标准G652光纤和不同有效面积(110μm2130μm2)光纤的熔接性能 对比

需要注意的是,在现网部署中需要对光纤进行熔接的情况有2种:第一个就是光缆与光缆之间的熔接,这部分主要是同种光纤的互熔,不可能出现较大的模场直径失配;第二种就是光缆与各种有源和无源设备之间的连接,对于这种情况我们可以通过把设备跳线换为G654光纤跳线的方法,避免模场直径失配,所有在实际部署中G654光纤同G652光纤的熔接接头数量非常少,不会影响整体链路衰减。

G652G654光纤自熔接损耗对比:G652典型值0.035dBG654典型值为0.15dB

如上图所示,我们测试并比较了有效面积为110μm2的超低衰减大有效面积光纤自熔损耗和标准G.652.D 光纤的自熔损耗。相对于传统的G652单模光纤,由于有效面积相对较大可以减少模场直径失配的影响,有效面积为110μm2的超低衰减光纤的自熔接损耗低于标准G.652.D 光纤,典型值在0.15dB左右。考虑到长距离通信网络中的大部分熔接为同一种光纤的自熔接,因此使用超低衰减大有效面积光纤作为下一代通信光纤可以显著地减小因熔接损耗造成链路损耗增加。

3.3    宏弯损耗

另一个影响大有效面积光纤在陆地使用的因素是陆地缆的安装和应用环境比海缆更复杂,经常需要经过一些转角或需要在分线盒内留有余长盘纤,因此我们必须保证陆地干线光纤比海缆光纤有更好的抗宏观弯曲性能。

影响宏弯的主要因素是光纤的剖面设计。辅助下陷内包层结构是弯曲不敏感G.657光纤所使用的主要设计方案,而在我们的超低衰减大有效面积光纤设计中,我们使用类似的结构,将下陷内包层的体积优化至一个合理的值来获得更好的抗弯曲性能。如下图所示,我们的超低衰减大有效面积光纤较标准G.652.D单模光纤有着更优异的抗弯曲性能,完全满足并优于G.657.A1标准,从而满足陆地干线实际部署中各种苛刻复杂苛刻环境的要求。

                                          宏弯损耗对比

3.4    微弯损耗

                                          超低衰减大有效面积光纤同普通G652光纤的微弯损耗对比

目前对大有效面积光纤在陆地使用的最大担心就是微弯性能。微弯是影响成缆设计和成缆过程的重要因素,优异的微弯性能可以减小成缆设计和成缆过程的难度,并且可以改进光缆在不同应用条件下,尤其是极端环境中的性能稳定性。但目前主流的增大光纤有效面积的方法是增加芯层直径或降低芯层相对折射率,这两种设计都会对光纤的微弯带来负面影响。对于长飞公司的超低衰减大有效面积光纤,我们通过特殊优化设计的下陷内包层结构,并结合特殊的光纤涂覆工艺,有效的降低了超低衰减大有效面积光纤的微弯损耗。上图给出了我们的有效面积为110μm2的超低衰减光纤和标准G.652.D 单模光纤的微弯性能对比,可见我们的光纤具有优异的微弯性能,在全波段范围内的典型微弯损耗低于0.5dB/km

3.5    光缆TCT性能

如上文讨论,由于陆地干线光缆的使用环境较海洋光缆使用环境更为复杂苛刻,陆地缆需要在经历更剧烈的温度变化的条件下仍然保持链路损耗的稳定性。为了进一步验证我们光纤在成缆后的性能,我们进行相关成缆实验。在相关标准汇总,通常使用光缆温度循环测试来检测衰减随温度的变化。在实验中,我们将12芯超低衰减大有效面积(110μm2)光纤置于一个GYTA 的光缆管内进行TCT实验,下图为我们的光缆结构示意图

                                                       光缆结构示意图

由下图我们可以发现,当温度在-40摄氏度到+70摄氏度的范围内变化时,我们的超低衰减大有效面积(110μm2)光缆的衰减变化小于0.01dB/km,远远优于IECITU-T标准规定的0.05dB/km

                                          光纤衰减随温度的变化:12个颜色代表12芯光纤的衰减变化

3.6    成缆过程中的衰减变化

下图为长飞超低衰减大有效面积光纤在成缆各个工序中衰减的变化,同组不同颜色的彩色柱状图代表了一根光纤在成缆不同工艺过程中光纤衰减的变化。每组最左边的蓝色彩条是成缆前光纤在光纤盘上时的原有衰减值, 最右侧橙色彩条是光纤成缆后的衰减值;12组代表在同一根套管中的12根不同光纤。从实验我们可以发现,由于我们的光纤拥有优异的宏弯和微弯性能,在成缆后光纤在1550nm波长处的衰减值较成缆前光纤原有衰减在同一水平,甚至更低。因此,长飞的超低衰减大有效面积光纤增加了光缆设计的灵活性,且成缆过程不需要其他特殊工艺控制,减少了成缆的时间和成本。

                                        在同一套管中的12芯光纤在成缆过程中的光纤衰减伴随成缆工艺流程的变化

长飞超低衰减大有效面积光纤具有超低的衰减系数、较大的有效面积、优异宏弯和微弯性能和良好的成缆适应性,并且可以兼容现有的G652光纤,是下一代400G和超400G 陆地干线通信系统的最优选择。

 

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