长飞少模光纤简述
长飞少模光纤简述
来源: CCTIME飞象网 发布时间: 2017-05-25

     50年前,高锟博士在PIEE杂志上发表了题为《光频率的介质纤维表面波导》的论文,从理论上分析证明了用光纤作为传输媒介以实现光通信的可能性,开启了一场人类通信方式的划时代革命。短短几十年间,光纤网络遍布全球,在性能、份额等方面全面超越DSL成为全球宽带市场的领先技术。面向未来,光纤是否能够承载几何级增长的用户带宽需求?下一代光纤传输系统光纤又会向哪个方向迈进?

过去的20多年是我国光通信技术发展最为迅速的一段时间。在市场需求和技术进步的“双马达”驱动下,骨干网先后经历了2.5G、10G等不同发展阶段,而今,100G技术已经成为主导,400G开始逐步铺开,更快的1T、2T技术也已进入预研。接入网方面,虽然ADSL率先登场,但随着PON技术的大规模采用,FTTH得到了快速发展。尤其近几年,在“宽带中国”等国家战略的推动下,我国已在光接入方面处于世界前列。短短20年间,普通居民的家庭网络接入带宽已从几十K变为50M、100M,千兆宽带也开始在部分发达地区试点推广。

网络带宽的快速提升离不开光通信技术的持续进步。这其中,波分复用技术的不断完善起到了主要的推动作用。同时,高阶调制、相干检测、DSP等一系列射频通信技术的引入也成为光通信发展的巨大助力,成就了现在100G商用传输系统。

然而,作为光通信的载体,光纤在发展上却碰到了“天花板”。从光信号的本质出发,其物理复用维度包括五个方面,分别为时间、偏振、频率、正交及空间。光纤通信系统中高速信号正在采用多种复用技术,如时分复用、波分复用、偏振复用以及利用相干探测技术的振幅-相位正交复用。由于非线性效应的存在,光传输系统中时间、频率、偏振等各个物理维度的复用正在接近香农极限,此外,基于单模光纤的光传输系统的能耗增长也成为不得不考虑的问题。而在光纤物理层中唯一未被深入研究的空间维度—空分复用技术(SDM)成为了突破光纤通信系统容量限制的必然选择。

2010年在欧洲光通信会议上,以少模光纤和多芯光纤为基础的空分复用技术作为提升光纤通信系统的关键技术得到了众机构科研学者的认同,被视作继波分复用技术之后的光纤传输技术的第二次技术革命。WDM之父厉鼎毅先生对SDM给予很高的评价。

少模光纤的研究是全球通信技术研究,特别是光纤通信研究的热点之一。每年全球最主要的光通信会议如OFC、ECOC等论坛上,都会涌现出大量少模光纤的研究报告,在少模光纤的传输实验、设计制造以及相关器件和应用等方面均有涉及。目前,在仅采用掺铒光纤放大器(EDFA)放大器的情况下,少模光纤的传输实验已经达到256Gb/s,100km/span,已接近单模光纤的传输记录。在少模光纤的制备上,已有商用的少模光纤产品出现,主要提供给高校和研究所进行相关的实验研究。而在少模器件方面,也已经有商用的EDFA少模光纤放大器,放大的模式数目达到6个以上。除传输外,国内的很多高校和研究所还在积极探索少模光纤在传感等更多领域的应用。光通信领域的国际巨头康宁、OFS、普林斯曼等,也在不断发表光纤设计、制备等方面的文章,并积极申请相关专利,为未来发展蓄力。

作为国内光纤光缆领域的领军企业,长飞公司努力保持与世界先进水平的同步发展,从2014年就开始关注并进行少模光纤的研究,在少模光纤的设计、制造和传输应用上开展了一系列工作。目前,长飞公司已经进行了包括低串扰和低时延等多个少模光纤产品的研究开发,并联合国内外科研单位开展了应用实验,在近年的国际、国内会议上发表了相关研究成果。

长飞低串扰少模光纤

随机模式耦合导致的串扰会严重影响模式复用的性能。如果模式耦合不能被控制得相当小,则差分群延迟(differential group delay,DGD)应该保持足够小,这样在接收端才能进行补偿。如果这两个条件都不能满足,模式复用就无法实现。

在理想的少模光纤中,不同的空间模式保持正交并且在传播过程中不发生模式耦合。偏振模色散(PMD)是由2个偏振模的强耦合导致的。与之相似,光纤弯曲、外形缺陷等会导致空间模式耦合。与PMD不同的是,若少模光纤中的不同空间模式间的有效折射率差较大,空间模式耦合较弱。

低串扰是通过减弱空间模式的耦合实现的,而后者只需设计有效折射率差较大的少模光纤。犹如木桶的容量由其最短的一块木板决定,一个系统的性能最终取决于它最差的一部分。若少模光纤中存在n个模式,就存在(n-1)个有效折射率差,这里说的有效折射率差较大,是指这(n-1)个有效折射率差的最小值尽可能大。这样设计出来的少模光纤各个模式之间的串扰总体上才趋于极小。

长飞公司基于现有的PCVD平台和特种拉丝平台进行低串扰少模光纤的制备,包括光纤设计,原材料准备,PCVD沉积,芯棒熔缩,接管套棒,上塔拉丝等步骤。低串扰阶跃型光纤的结构包括玻璃部分和涂料部分。玻璃部分的结构分为芯层、内包层、下陷层和外包层四层。玻璃部分外敷两层丙烯酸酯涂料以确保较高的机械强度。其包层直径为125,涂覆层直径为245,工作波长为1450-1700nm。经少模光纤测试平台分模测试后可得,低串扰少模光纤各模式的衰耗均≤0.20dB/km,其模式间串扰较小,利于分模传输信号,且模场面积较大可抑制非线性效应。其DGD测试结果如图1所示

图1. 低串扰少模光纤DGD测试结果

长飞低群差分时延少模光纤

利用模分复用技术,少模光纤可以实现多个独立的导模的传输。适合应用于模分复用系统的高性能的少模光纤的研究与设计目前已成为光纤通信领域的又一研究热点,差分群时延(DGD)是评判少模光纤传输性能的重要参数。少模光纤中,不同的模式具有不同的有效折射率,导致模式间存在时延。DGD需要利用多输入多输出均衡来补偿,从而增加均衡复杂性。为减小均衡复杂性,方法有两个:使用具有小DGD的少模光纤和使用具有正负DGD的光纤来补偿DGD。而正负DGD补偿会增加光纤熔接损耗,因此,设计和制备低DGD的少模光纤成为当前少模光纤的必然选择。

图2 低DGD少模光纤剖面设计

长飞公司在光纤芯层采用渐变型折射率剖面来设计少模光纤来达到降低DGD的目的。如图2所示,可以通过改变各结构参数可以达到最小的DGD。实际的光纤制备中,模式群差分延时 ≤0.3ps/m,已充分满足多入多出(MIMO)的需求,如图3所示。低时延少模光纤各模式的衰耗均≤0.20dB/km。

图3 低时延少模光纤测试结果图

长飞低衰减少模光纤

随着光放大技术的进一步发展,光纤通信系统正想着更高传输功率和更长传输距离的方向发展。作为光纤通信系统中的重要传输媒质。光纤的衰减性能也必须有进一步的提升,以满足光纤通信系统实际发展的需要。光纤的衰减越小,光信号在媒质中的传输距离越长,光通信系统的无中继距离也越长,从而显著减少中继站数量,在提高通信系统可靠性的同时使得建设和维护的成本大幅降低。

在光纤预制棒的制造过程中一般可以采用以下几种方法来降低光纤衰减。比如,采用更高纯度的原材料,提高生产环境和设备密封性能,降低外界杂质引入的几率。或者采用更大外径的预制棒制造工艺,通过大尺寸预制棒的稀释效应来降低光纤的整体衰减。另外,在光纤制造过程中,裸光纤表面涂层的涂覆工艺也是影响光纤衰减性能的一个重要原因。但是,无论从了理论上还是实际光纤制备中的成本和工艺控制上来讲,降低光纤的掺杂并优化光纤的剖面是最简单有效的降低光纤衰减的方法。一般来说,掺杂的浓度越低,则瑞利散射所引起的损耗越小。通过优化芯层直径和掺杂浓度等参数,不仅可以增大光纤的有效面积,而且可以有效的降低光纤中瑞利散射等造成的损耗,是一种有效可靠的降低光纤衰减的方法。此外,掺杂特殊材料降低芯层粘度的方法亦可降低光纤的衰减。长飞公司制备的低衰减少模光纤,其基模最低衰减达到0.164dB/km,模式群差分延时 DGD≤5ps/m,光纤有着良好的性能。

长飞Ring-core少模光纤

对于少模光纤来说,目前研究和商用化的少模光纤产品主要是两模、四模、六模等,其光纤结构,特别是芯层结构与普通单模、多模光纤类似,这种结构的优势是与传统的光纤兼容性好,但这种模式所形成的光传输模式中,很容易形成模式之间的串扰。虽然有降低串扰的少模光纤设计,但是仍然难以将部分模式间的串扰降到一个较低的水平。实验表明,使用少模光纤结合MIMO技术能够很好的解决少模光纤的串扰问题,然而随着光纤中模式的增加,在传统光纤中,MIMO的过程将迅速的变得复杂,这将导致对于高阶模式的复用的成本和难度大大增加。

图4 Ring-core少模光纤模场图

采用Ring-core结构的少模光纤,限制了纤芯中间模式的传导,使得光纤中的传导模仅为基模LP01,以及LPX1等高阶模式,如图4所示,而与LPX1有效折射率相近的其他模式则被禁止传导,从而解决了高阶模式之间容易耦合的问题。

图5 (a)剖面设计(b)模式分布

Ring-core少模光纤的剖面设计如图5(a)所示,其对应的模式分布如图5(b)所示。长飞公司基于PCVD平台制备该Ring-core少模光纤,严格控制各项参数,成功制备了低衰减且支持四个模式的Ring-core少模光纤,其衰减系数小于0.3dB/km。且在制备的过程中很好的解决了光纤几何、圆度、掺杂等工艺问题,其差分群延时如图6所示。

图6 Ring-core少模光纤DGD测试结果

以少模光纤为代表的空分复用光纤通信技术成为业界主流的选择将是一个漫长的过程,期间既有运营商、系统供应商对现有单模光纤通信技术的潜能继续挖掘,也会包括彼此之间的博弈,权衡取舍。从空分复用技术自身角度来讲,一方面需要不断改善空分复用器件性能,尽快制定相关标准。目前基于少模光纤和多芯光纤的空分复用系统不断得到完善,复用/解复用器日益集成化、小型化,多芯光纤熔接技术、连接器、放大器都日臻完善。另一方面,为了使空分复用效率达到最高,空分复用技术应向着更多模式数目、更低衰耗、更多芯数的多芯少模方向发展。长飞公司将不遗余力的继续开展少模光纤相关前沿技术的研究工作,致力于少模光纤朝着应用化、实用化和产业化方向发展。

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