光纖損耗機理及優化策略

王 錚

（92429部隊通信站，山東 青島 266102）

0 引言

光纖通信作為當今發展最為迅猛的通信技術之一，以其優異的性能成為信息傳播的主力軍。隨著通信需求急劇增加，系統設備井噴式更新，對傳輸載體提出了更高要求，光纖損耗問題作為制約光纖通信系統發展的重要因素，時刻影響著系統的穩定性和可靠性。因此，必須加強對光導纖維知識的學習和降損措施的研究，找尋最佳解決方案，將光纖通信的優勢最大化。

1 光纖按照ITU-T建議分類

根據ITU-T規定，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光纖目前在我國的敷設率達到了70%，其零色散點位于1.3 μm窗口低損耗區，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，衰減和色散兩個性能達到最佳。

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

（4）G.655光纖。由于G.653光纖在1.55 μm波長處色散為零，不同波長相互作用后產生四波混頻，影響系統性能，不利于多波長傳輸的WDM系統。經研究表明，如果光纖中存在輕微色散，FWM干擾會減少，根據這一發現，研制出G.655光纖，將零色散點移至1570 nm以上，消減色散效應和四波混頻效應。

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

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

2 光纖的損耗機理及衰減系數

2.1 光纖的損耗機理

光纖損耗是指因光纖中某些物質或因某種原因，導致光信號無法完全通過。當光穿過光纖時，強度發生弱化。光纖的損耗是制約光傳輸系統性能指標的關鍵參數，計算方法如下：

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，人為無法干預。吸收損耗分為以下三種。

①紫外吸收：光纖中傳輸的光子流將低能級電子激發到高能級，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：紅外區材料分子震動，光波與光纖晶格互相作用，吸收能量，引起損耗。在波長等于1.55 μm時，紅外吸收造成的損耗小于0.01 dB/km。

③雜質吸收：經研究表明，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，在光照射下，這些雜質吸收光能，造成能量損耗。

（2）散射損耗。任何材料的內部結構都不是完全均勻的，在光纖成纖過程中，溫度達到2000℃以上，分子結構進行無規則運動，當光纖離開拉絲爐時，溫度急劇下降，導致光纖內部應力得不到有效釋放，造成折射率不均。當不均勻級別達到分子級別，在光波經過時，就會造成瑞利散射。

（3）彎曲損耗。彎曲損耗根據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，隨著光導纖維制造技術日趨成熟，已經可以把微彎損耗計算在光纖出廠時給出的總衰減中。

2.2 衰減系數

作為衡量光纖損耗的重要指標，衰減系數決定了光纖通信的中繼距離，表示方式為穩定狀態中一根均勻光纖在單位長度上的衰減，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 降低光纖損耗的優化策略

3.1 超低損耗光纖的應用

隨著光傳送系統容量越來越大，速率越來越高，對光信號的信噪比提出了更高要求，傳統的G.652光纖需使用大量中繼設備延長通信距離。使用超低損耗光纖進行連接，則可以輕易達到提高OSNR，減少中繼設備數量，節約系統建設成本的目的。在跨洋海底光纜系統中，復用段最遠距離可達14 000 km以上，傳統光纖難以勝任。200 Gbps、400 Gbps以及Tbps超高速傳輸作為未來通信的必然方向，超低損耗光纖的研制成為行業最迫切的需求。以長飛光纖光纜股份公司G.654E光纖產品為例，在陜北-湖北±800 kV特高壓直流工程中，單跨距467 km無中繼遠距離傳輸得以實現。根據實驗表明，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,承載同速率系統時，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在同等環境下，G.654E試驗結論如表1所示[1]。

表1 G.654E光纖外場試驗主要結論

3.2 光放大技術

傳統光中繼器對光信號采取O/E/O轉換，導致網絡臃腫，建設成本提高。光放大技術的飛速發展，使得光信號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已實用化。

在光纖制作中將鉺離子摻入光纖芯中，采用泵浦光對光信號進行直接放大，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的主要優點表現在高增益、低噪聲、寬頻帶、低損耗。同時，EDFA也存在一些缺點：制造成本較高、飽和輸出功率有限，如果要使輸出功率進一步提升，需要使用鉺鐿共摻雙包層光纖放大器來解決。

拉曼光纖放大器分為分立式RFA和分布式RFA。主要有以下3個優點：一是增益響應依賴泵浦光波長及其帶寬，選用適合的泵浦光，就能實現任意波長的光信號放大；二是大量鋪設的G.652和G.655光纖可作為增益介質，對光信號實行分布式放大；三是放大作用時間短，可對超短脈沖進行放大。在DWDM系統中使用分布式RFA，可在降低信號入射功率的同時維持適當的OSNR[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明斬獲了第21屆中國專利獎銀獎，成果指標達到國際領先水平。

3.3 色散補償技術

光纖色散包括模式色散、材料色散、波導色散和偏振膜色散。本文重點介紹4種色散補償方案。

3.3.1 偏振膜色散（PDM）補償

在理想狀態下，光信號沿光纖以相同速度傳播，同時到達接收端，不存在正交偏振態速度差異產生群時延，導致極化色散的現象。由于工藝原因，纖芯截面不可避免地形成一定的橢圓度，加之成纖時殘存的內部應力，導致光纖表現出雙折射性，使得兩個垂直分量之間產生傳播延遲，引起信號脈沖展寬。經實踐證明，偏振模色散的影響在10 Gbps以上碼率傳輸時變得尤為突出，目前用于PDM補償的方法概括起來分為電補償、光補償和光電補償三種方法。華為公司在WDM 100Gbps傳輸系統中，采用偏振復用正交四進制相位調制結合相干接收和數字處理技術，在波分系統設計時，不再單獨使用色散補償模塊（DCM），在電域進行偏振模色散補償，來消除對色散補償器和低PDM光纖的依賴。

3.3.2 色散補償光纖DFC應用

作為針對現在廣泛使用的G.652光纖而設計研制的單模光纖，G.652光纖在1550 nm波長處色散非零，并且具有正色散斜率，為達成傳輸目的，抑制色散效應，可在該波長區域加接具有負色散系數的光纖進行補償。在制造DFC光纖時，光纖內徑較小，提高相對折射率Δ，在1.55 μm處得到較大負色散，當兩者級聯時，正負色散被抵消。色散補償條件如下，連接關系如圖3所示。

圖3 DCF應用圖

式中，Dt（λ）為傳輸光纖在波長處的色散系數；Lt為傳輸光纖長度；Dc（λ）為色散補償光纖在波長入處的色散系數；Lc為色散補償光纖的長度

3.3.3 預啁啾技術PCH

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

3.3.4 光相位共軛（OPC）色散補償

光學相位共軛主要是利用四波混頻效應實現對光波陣面或位相的反轉，獲取信號光的共軛光，即相位共軛脈沖，在光纖鏈路后半段傳輸，用于補償前半段的非線性損傷。常用的方案有前置補償、后置補償和對稱補償三種，經實驗表明，采用對稱補償與OPC補償方案相結合，可有效減小光纖非線性效應影響，獲取最佳補償效果[3]。

4 結束語

隨著光纖通信技術的不斷發展，光纖制造技術及功率降損成為不可忽視的重要問題，為了保證光纖通信系統穩定運行，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，希望在設備選擇、系統搭建、網絡維護和故障排除中對相關專業人員有所啟發。