光纤的容量及未来的演进方向

易飞扬

光纤的主要特性有很多，主要包括光纤损耗、色散以及非线性等。这些特性与光纤系统的容量息息相关，决定了光纤传输容量的大小。

下面这个公式，相信大家都比较熟悉。我们可以用其评估光纤传输的容量。并由此指导我们研究光纤演进的方向。

其中：

• 蓝色框是一种线性的增益表达：
• B代表的是频谱资源，如今已经开发到S+C+L波段，能否再扩展主要取决于放大器以及硅光纤在各个波段上的光纤衰减的大小，目前来看，还是比较困难的。N则是空间路线，通过诸如多芯光纤、少模光纤等手段来实现光纤容量的提升。
• 红色框则是一种非线性增益的体现：
• SNR表示的是信噪比，主要是通过发展大有效面积低损耗光纤以及中空光纤来提高。
  

结合公式，我们可以总结出两大路线来提升光纤的容量：较成熟的路线如降低光纤损耗、增大有效面积、减小光纤尺寸；创新路线如使用多芯光纤、少模光纤以及中空光纤等。

下面我们先来看看传统路线的三个方面：低损耗，大有效面积以及较小尺寸光纤。

低损耗

从光纤在上个世纪发明以来，每公里的衰减的降低已经取得了长足的进步。由1970年代的20dB/km降低到2017年记录的1550nm窗口下的0.1419dB/km。那么光纤的损耗由哪些方面决定？我们以掺锗石英G.652光纤示例，主要包括光纤的固有损耗、杂质吸引损耗和波导缺陷导致的损耗等。

固有损耗是由于用于构建光纤纤芯和包层的玻璃材料的基本特性，包括瑞利散射、红外吸收和紫外吸收。杂质吸收包括OH离子和TM（过渡金属）引起的吸收、波导缺陷引起的散射以及光纤弯曲效应引起的损耗。

低损耗光纤的研究主要基于硅芯光纤，这是因为纯硅光纤没有GeO2，瑞利散射的影响比较小，但这样的硅芯光纤需要氟来实现芯包层折射率的差异。当然还有其他方面，如纤芯与包层粘度以及优化光纤的拉伸，都可以减小光纤的损耗。

在未来，我们想进一步降低光纤的衰减将是非常困难的，但这并不是说不可能。从上面的分析，基本套路还是基于如下几点：

• 减少瑞利散射
• 提高原材料纯度
• 减少纤纤中的应力
• 引入新的掺杂剂
  

大有效面积

首先我们要明白有效面积（Aeff）的定义是怎样的，它表示光纤透光区域的横截面积的大小，这是因为光能量不完全集中在纤芯中传输，部分能量在包层中传输。

这个有效面积体现光纤本身的物理参数MFD（模场直径：Mode Field Diameter）息息相关。

可以看出，有效面积Aeff与MFD可以通过如下公式评估：

大有效面积的一个关键好处是可以减少非线性的影响，并使得我们可以尽可能的提高入纤功率，而较高的入纤功率也就意味着更好的OSNR，同时在同样入纤功率条件下，系统可以获得更低的误码率。

另外，有效面积、截止波长和弯曲性能之间存在良好的相互作用。随着截止波长的增加，有效面积增加，同时光纤在1625nm处的弯曲损耗也增加。但是，当截止波长超过C波段以后，C波段以下的光纤传输将不再呈现单模特性。

有效面积从80μm2增加到150μm2需要放松对截止波长和弯曲性能的要求
有效面积超过150μm2需要做出进一步的妥协，并带来新的挑战

较小尺寸光纤

我们知道，光纤一般由中间的纤芯，内层的包层和外层的涂覆层，其中包层的折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件。

一般来说，多模光纤的纤芯直径一般为50μm/62.5μm，单模光纤的纤芯直径一般为8.5或9.5μm。在我们当前比较常用的光纤中，其包层的直径为125μm，裸纤的涂层在最外层，直径一般为250μm左右。

考虑单模和多模对纤芯的要求，在其传输模式用途确定的情况下，很难改变纤芯直径的大小。因此，为了实现更小尺寸光纤，我们只有在包层和涂覆层上下功夫。即减小涂覆层可以最终减小光纤尺寸，比如说200μm涂覆层光纤已用于长距离陆地网络，并将在下一代海底网络中使用。涂覆层直径可能会进一步减小至180-190μm。但这些改变需要满足强度和微弯损耗的要求。

另外，减小光纤的包层，则可以增加光纤的抗弯曲能力，现在抗弯光纤的直径已经从125μm减小到80μm，甚至出现60μm的光纤。