超低损耗光纤—超长站距光通信的新选择
刘源1，黄丽艳2，雷学义1
(1.国网信息通信有限公司，北京 100761；2.武汉光迅科技股份有限公司，湖北 武汉 430074)
摘要：文章介绍了一种单模超低损耗G.652光纤，其与普通G.652D光纤的实验对比表明，这种光纤在损耗、受激布里渊散射阀值、偏振模色散等方面具有较大优势，而其他指标则处于相当水平。另外文章分析表明，在一定条件下这种光纤也具有相对的经济性优势。在“十二五”智能电网大发展的时期，这种光纤无疑将是延长配套光纤通信传输距离的另一有效解决方案。
关键词：ULL光纤；超长站距；PMD
中图分类号：TN929.11
超长站距光通信技术已被成功应用于国家电网的多个跨区和示范工程中，超长站距光通信技术延长了中继距离，减少了中继站的数量，在提高通信系统可靠性的同时也节约了大量建设和维护资金，在实际投产的项目中，2.5 Gbit/s速率下采用双向喇曼的通信段的单跨距离已经达到了321 km。现有的理论研究及实际工程中，主要倾向于通过提高光功率预算的方式来延长光信号的传输距离，但所能获得的光功率总预算已几乎达到了极限水平[1]，因此，在保证其他性能指标的前提下，选择衰耗更低的光纤成为延长光传输距离的另一途径。
本文所指的超低损耗光纤是康宁公司生产的SMF-28 ULL（Ultra Low Loss，超低损耗）新型光纤，这种光纤于2008年正式投入商用，国网信息通信有限公司于2009年联合康宁公司和武汉光迅公司在国内率先对该种光纤做了比较系统的测试和传输实验（以下简称“联合实验”）。2010年，国内几家光缆制造企业用该种光纤做了OPGW成缆实验，中国电信、康宁和华为也对该种光纤进行了联合测试。2010年底，受国家电网公司委托，国网信通公司对这种光纤进行了出国考察。下面将从该种光纤的衰减特性、受激布里渊散射阈值、偏振模色散特性及其他特性进行介绍。
超低损耗光纤为G.652标准光纤，使用了纯硅纤芯，在1550 nm处的衰减值为0.17～0.18 dB/km，比普通G.652光纤的0.2 dB/km指标低0.02～0.03 dB/km，典型值为0.168 dB/km。在联合实验中，其实测值为0.169 dB/km，而在2010年通光公司的成缆实验中，其实测值则达到了0.166 dB/km[2]。
严格来讲，超低损耗光纤属于G.652B光纤，属非低“水峰”光纤，但由于“水峰”所在的E波段在通信中几乎没有实际的使用，所以并不影响它在通信系统中的应用。根据实际测试，除了在E波段大部分频点上的衰减值高于G.652D光纤外，超低损耗光纤在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波段的衰减均明显低于G.652D光纤[2]。
对于短距离传输，衰耗从0.2 dB/km降低到0.166 dB/km（即每千米损耗降低0.034 dB），效果不会很明显，因为以80 km计算，总的衰耗值降低了2.72 dB，可以延长传输距离16 km。但是对于超长站距而言，以321 km来计算，总的衰耗值降低了10.914 dB，则可以延长传输距离65 km。相同衰耗条件下普通G.652光纤与ULL光纤所能传输的距离对比如图1所示。
word/media/image1_1.png
图1相同衰耗下，普通G.652光纤与ULL光纤传输距离的对比
Fig.1 the comparison of transmission distance between using common G.652 fiber and ULL fiber under the same loss
从图1可以看出，在光纤衰减一定的情况下，ULL光纤可以比普通G.652光纤传输更远的传输距离，而且随着衰减值的增加，ULL光纤比G.652光纤传输距离的增加效果更明显，因此对于超长站距，ULL光纤更能体现其价值。
相同传输距离条件下接收测OSNR的对比如图2所示（以17 dBm入纤计算）。
word/media/image2_1.png
图2 相同传输距离下，接收侧OSNR的对比
Fig.2 the comparison of receiving OSNR under the same transmission distance
从图2中可以看出，在相同传输距离的条件下（在100 km以后），利用ULL光纤传输比G.652光纤传输在接收侧可以获得更好的光信噪比，从而使信号质量更好。
根据联合实验的测试，超低损耗光纤比普通G.652D光纤具有更高的受激布里渊散射（SBS，stimulated Brillouin scattering）阈值，可以获得更高的入纤功率，从而能将信号传输更远。
在2.5 Gbit/s速率下，利用直调激光器，对于单波长传输普通G.652D光纤受激布里渊阈值一般在17 dBm左右，常规的单波长传输，入纤功率一般在17～19 dBm。通过增加受激布里渊抑制器（受激布里渊抑制器通过展宽光谱的方法实现）可以在一定程度上提高受激布里渊阈值，可以提高到22～23 dBm的入纤功率。而超低损耗光纤在增加受激布里渊抑制器的情况下，最大可以支持的入纤功率可以达到25 dBm，因此，超低损耗光纤的对2.5 G系统SBS阈值可以提高2～3 dB。
在10 Gbit/s速率利用EA外调制的情况下，普通G.652D光纤在增加受激布里渊抑制器时可以支持的入纤功率为17～18 dBm，而利用超低损耗光纤可以支持的入纤功率为19 dBm，因此超低损耗光纤对10 G系统SBS阈值可以提高1～2 dB。
因此，ULL光纤相对普通G.652光纤有更高的受激布里渊阈值，可提到1~3 dB左右。
对于基于10 Gbit/s以上和DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分复用）的高速大容量系统来说，限制光通信系统发展的主要因素已由衰耗受限转变为色散受限和非线性受限，随着传输速率的提高，偏振模色散（PMD，Polarization Mode Dispersion）对通信系统的影响愈来愈明，而且越来越不可低估。
超低损耗光纤除具有低损耗的特性外，还具有比普通G.652D更低的偏振模色散，PMDQ可以达到0.04 ps/km1/2，远低于G.652D光纤的0.2 ps/km1/2标准，从而，超低损耗光纤与G.652D光纤相比更适合于高速率系统的传输。
在2010年中国电信、华为和康宁公司所完成的100 G超长距离WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）传输实验中，使用超低损耗光纤“实现了超过3000 km的超长传输距离，创造了全球陆地光缆传输系统100 G WDM传输距离的最新记录”[3]。
除上述性能外，超低损耗光纤的其他特性（包括模场直径和色散性能）与G.652D光纤几乎一致，根据实际测试，超低损耗光纤的接头熔接损耗约为0.013 dB/个，与其他单模光纤光纤的对接损耗约在0.01～0.05 dB/个之间，并不能对通信链路产生实质性影响，也就是说，超低损耗光纤与普通G.652光纤是可以对接兼容的，成缆附加损耗在1550 nm处约为0.01 dB/km，在-40℃～+65℃之间的温度附加衰减也在±0.02 dB以内[2]。
综上所述，超低损耗光纤更为适合超长站距及高速大容量长距离传输。
在2009年的联合实验中，采用随路遥泵技术实现了2.5 Gbit/s速率下514 km和10 Gbit/s速率下432 km的超长站距光传输，实验结果见表1所列。
表1 采用超低损耗光纤在实验室实现的传输距离
Table 1 the transmission distance achieved by using ULL fiber in the lab
随后，又实现了2.5 Gbit/s系统无中继521 km的超长站距传输，这是目前所报道过的使用前置随路遥泵技术传输的最远距离[4]。
为考验ULL光纤的兼容性，国网信通公司在考察期间在实验室环境下使用ULL光纤搭建了100 Gbit/s的传输系统，该实验使用EDFA和喇曼放大器实现了293 km的无中继传输，配置如图3所示[5]。
word/media/image3_1.png
图3 293 km无中100 Gbit/s传输系统
Fig.3 293 km non-relay transmission system by using ULL fiber at 100 Gbit/s
光纤组成情况如图4所示。
word/media/image4_1.png
图4 293 km无中100 Gbit/s传输系统光纤使用情况
Fig.4 the use of fiber in 293 km non-relay transmission system at 10 Gbit/s
而后，将最后25 km的ULL光纤换成普通G.652D光纤，经过测试，信号的误码性能基本都在E-005这一数量级上，没有出现本质性的劣化。
随着信息化应用和智能电网的发展，电力系统通信的带宽需求越来越大，目前大量使用的G.652D光纤在一些情况下对于高速率（如40 Gbit/s及以上）的通信需求可能无能为力，根据以上实验结果，在这种情况下超低损耗光纤也将是一个更好的选择。
超低损耗光纤已在阿联酋、美国、澳大利亚、阿尔及利亚等国家被实际使用。考虑到其优良的特性，国家电网公司将在2011年投产的青藏交直流联网工程配套通信工程中使用超低损耗光纤，用以完成沱沱河—安多的300 km的超长距离光传输，这也是超低损耗光纤在国内的首次使用。
超低损耗光纤较普通G.652D光纤低的衰耗按0.02 dB/km计算，根据《光通信系统典型配置报告》[6]分析如下。
1）当中继距离＞267 km时需要使用反向喇曼设备。设需要中继的距离为270 km，此时使用正向喇曼设备和使用超低损耗光纤均可实现超长站距的光传输，设普通G.652D光纤的价格为X元/km，超低损耗光纤的价格为Y元/km，反向喇曼的价格为C，则对于每一芯纤芯来说：
使用反向喇曼设备需要增加的费用 = C；使用超低损耗光纤需要增加的费用 = 270×(Y-X)；
令C = 270×(Y-X)，得Y = X+C/270。
即当超低损耗光纤的价格 < (普通G.652D光纤价格+反向喇曼设备价格/270)时，对于270 km的中继距离，采用超低损耗光纤是更经济的。
2）一般情况下，OPGW光缆特别是新建成OPGW光缆的纤芯并不会被全部用完，同样条件下，OPGW光缆的总纤芯数为N，被使用的纤芯数为M，则：使用反向喇曼设备需要增加的费用 = C×M，使用超低损耗光纤需要增加的费用 = 270×(Y-X)×N；令C×M = 270×(Y-X)×N；得M/N = 270×(Y-X)/C。
即当纤芯使用率 = 被使用的纤芯数/OPGW光缆的总纤芯数 > [(270×(超低损耗光纤每千米价格－普通G.652D光纤每千米价格)/反向喇曼设备价格]时，使用超低损耗光纤是更经济的。
3）使用同样的方法还可对需要使用正向喇曼的情况进行分析，此处略。
综上分析，使用超低损耗光纤是延长光传输距离的另一种途径，可以进一步减少中继站的建设，减少和优化光路子系统（如喇曼放大器等）的配置从而减少故障点，进一步提高系统的可靠性，也有利于通信系统向更高速率和波分系统的扩容升级，另外，从经济上讲也是可以接受的，且随着应用规模的增加，超低损耗的价格应该还有下降的空间和趋势。考虑到“十二五”期间输电工程的大规模建设，在必要的情况下应积极、适度使用超低损耗光纤。
参考文献：
[1] 夏江珍, 谢同林, 贾小铁, 等. 507 km超长站距无中继光传输系统[J]. 电力系统通信, 2009, 30(03): 10-12.
[2] 黄俊华, 林光, 周峰, 等. 首条采用超低损耗光纤的超低衰减OPGW[J]. 电力系统通信, 2010, 31(10): 6-11.
[3] 中国信息产业网，http://www.cnii.com.cn/zz/content/2010-12/08/content_817443.htm，2010
[4] 董振华, 印新达, 黄丽艳, 等. 521 km超长站距无中继光传输系统研究[J]. 光通信研究, 2011, 37(01): Page 5
[5] 国网信息通信有限公司. 超低损耗光纤在智能电网中的应用考察报告[R]. 2010.
[6] 国电通信中心. 特高压电网超长站距光传输关键技术应用的研究—光通信系统典型配置报告[R]. 2007.
ULL Optical Fiber - the New Choice of Ultra-long Span Optical Communication
LIU yuan1, HUANG li-yan2, LEI xue-yi1
(1. State Grid Information & Telecommunication CO., LTD. Beijing 100761, China;
2. Accelink Technologies Co., Ltd. Wuhan 430074, China)
Abstract：This paper introduces a single-mode ultra-low loss optical fiber, which complies with the industry's standard ITU-T Recommendation G.652. The experimental comparison between this fiber and G.652D fiber shows that it has greater advantages in loss, stimulated brillouin scattering threshold, and polarization mode dispersion, while other indicators at a considerable level. In addition, the article analyzes that under certain conditions, this fiber also has a relative economic advantage. In the "twelfth Five-Year" period of great development of smart grid, this fiber will undoubtedly be another effective solution to extend transmission distance.
Key words: ULL optical Fiber; ultra-long span; PMD
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/18fe84551cb91a37f111f18583d049649b660ea7.html
文档为doc格式