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          G654E光纖光纜的有關指標及地面應用性能

          發布時間:2021-12-27 14:30:57作者:oufu optical cable knowledge人氣:

          探討了G654E光纖的有關指標及地面應用性能,并對中國聯通在哈密-巴里坤、濟南-青島兩個試驗段進行了建設。約150km光纜架空敷設,工作溫度在-40℃-70℃之間,最大風力12級,海拔從800m處上升到天山山口的2900m處,再降至1500m的巴里坤草原,由康寧、長飛、住友、烽火、OFS、亨通提供G654光纖,西古光通負責光纜生產。

          由海到陸,工作環境要求更加嚴格,甚至可能影響主干光纜的結構。探討了G.654E光纖的有關指標及地面應用性能,并對中國聯通在哈密-巴里坤、濟南-青島兩個試驗段進行了建設。

          1.1常規用途G.654。

          在越洋G.654海底電纜系統中,可以最大限度達到14000km/h,充分發揮其損耗小、傳輸距離長的優勢。相對于陸地電纜,海纜結構設計和作業環境的差異主要體現在以下幾個方面。

          (a)越洋海纜一般為4~6纖芯對,并采用不銹鋼中心管型結構,但其外層仍有聚乙烯護套及鋼絲鎧裝等硬保護,在正常工作時海纖基本不受外部應力的影響。

          b)海纜光纖一般采用幾十公里大直徑的設計,以盡可能少的接頭,提高系統性能。

          (c)海底電纜的工作環境通常在海洋底部,其溫度不變,終年不變,溫度不變;而陸地光纜受晝夜溫差(中國北方地區冬夏溫差可達70℃以上)、拉拉和側壓等影響不變。

          鑒于海纜與地面電纜之間的以上差異,目前傳輸系統升級至400Gbit/s及以上的要求越來越迫切,對G.654光纖進行陸地環境論證,可保護工程投資,使光通信技術得以穩健發展。

          G654E光纖光纜

          1.2G.654E的進步和標準化

          在400Gbit/s技術中,最大的挑戰是高頻譜效率與遠距離傳輸的平衡。從物理極限和實際傳輸距離來看,400G的頻譜效率是100G(2bit/s/Hz)的4倍,但仍然需要有明顯的提升。高階QAM調制是最簡單的提高頻譜效率的方法,它要求較高的OSNR,并且對激光的相位噪聲和光纖非線性效應更加敏感(比如16QAM比QPSK對相位噪聲的敏感度高4倍),因此造成傳輸距離降低。

          根據光發射接收OSNR和光纖質量等因素,可以看出,減小衰減系數、增加有效面積是延長傳輸距離的主要手段,這也是目前新光纖技術發展的兩大方向。

          當前提高400G系統的傳輸性能主要有以下3個解決方案。

          (a)設備性能的進一步提高,包括降低后OSNR容限,提高FEC的極限糾錯能力,這既有技術難度,又會增加成本。

          b)在已有的純EDFA放大技術的基礎上,引入新的光放放技術,包括拉曼/EDFA混合放大器,這也會帶來成本和安全問題。

          c)將衰減系數更小、非線性更小的光纖引入到現有G.652/G.655干線光纖網絡中。

          目前,方案c非常簡明可行。增加有效面積,可以降低光纖的能量密度,實現低非線性;同時超低損耗降低了因光放而引起的ASE噪聲累積,使得傳統上用于海底通信的G.654光纖進入地面應用環境。

          現在各個廠家所生產的陸地光纖模場直徑都不一樣,相應的有效面積范圍為110~130微m2甚至150微m2。另外,光纖的衰減系數也可以大致分為2類,一類為0.190dB/km,接近G.652D光纖;另一類是用純硅纖芯達到0.170dB/km。

          關于國際標準,從2013年7月起,ITU-T開始討論G.654E光纖地面傳輸系統。當前,中國聯通牽頭組織開發的G.654行標“截止波長位移單模光纖特性”已經獲得批準,其中G.654E子類將主要用于長距離傳輸干線,指標對比見表1。采用中國標準的G.654E具有相同的宏彎和偏振模散度,有效面積增加了40%~60%,色散略大于G.652D,但在相干傳輸系統中,其負荷不大。

          過寬的MFD的標稱值和容差范圍可能造成較大的連接損耗,不利于實際推廣。以后G.654.E光纖的成熟和完善以后,還需要進一步的收縮指標。2外場試驗概述2016年起,中國聯通安排8家企業的G.654E產品參加同一條光纜試制項目,分別進行架空和管道敷設試驗,提出新型光纖的成纜工藝和施工規范,并開展400G及以上速率WDM系統性能測試,驗證傳輸距離和性能提升能力。與此同時,建立了長時間光纖性能監測系統,研究環境變化,如溫濕度、機械載荷等,對G.654E工作環境的普適性進行分析。

          2.1環境選擇。

          與海床相比,地面敷設環境較為復雜,溫度范圍變化大、光纜周期性受力大、陸纜結構脆弱、施工工藝差異大等因素,中國聯通主要考慮對上述特殊性進行選擇。

          針對中國西部地區年平均氣溫偏低、日數較差、風較大等特點,新疆哈密—巴里坤二級光纜工程引進G.654E光纖,驗證了光纖的使用環境和力學性能。約150km光纜架空敷設,工作溫度在-40℃-70℃之間,最大風力12級,海拔從800m處上升到天山山口的2900m處,再降至1500m的巴里坤草原,由康寧、長飛、住友、烽火、OFS、亨通提供G.654光纖,西古光通負責光纜生產。

          與此同時,還選取濟南—青島一級干線,進行人工敷設和風道法試驗,并對400GWDM系統的傳輸性能進行測試比較。該管線鋪設約430km光纜,由康寧、長飛、住友、烽火、OFS提供G.654光纖,亨通光電負責光纜生產。

          以上兩種典型應用環境能夠充分驗證這種新型光纖在陸地上的適應性,為海纜登陸奠定了堅實的基礎。

          2.2Hamily-Barrisk測試段及光纜監控系統。

          巴里坤段哈密-巴里坤段為省際干線,使用48芯G.652+16芯G.654E光纖作為省際干線,是高海拔高寒地區的第一條光纖,為省干線。此工程跨越海拔4000米,山口附近區域十月至來年四月冰雪封路,積深超過1m。建設者克服高原高寒、低含氧、強風等困難爭搶工期,完全靠人工完成100多公里桿路施工,無大型機械協助。

          該項目自2016年中光路建成后,通過對同一時期建立的光纜自動監測系統數據的統計分析,截至2019年,G.654E光纖經歷了3個冬季和夏季的環境交替,衰減指標未發生明顯變化(不超過0.01dB/km)。當前,光纖監控系統的運行狀況充分證明了它的長期適應性。

          G654E光纖光纜

          2.3濟南-青島試驗段高速傳輸測試系統。

          濟南-青島段高速公路用硅芯管敷設光纜,主要采用氣吹法敷設,對匝道互通、收費站等場區采用牽引法施工。工程中沒有對G.654E型光纖的特殊要求,以驗證其在目前施工條件下的適用性。

          該項目建成后,5臺傳輸設備包括華為、烽火、中興、上海貝爾、科銳安、12芯G.654E光纖(6個型號)和2芯G.652.D光纖上進行400G傳輸系統的循環測試,每一種設備都在7種不同光纖上進行,以充分對比新型光纖與新型傳輸系統的相互適應能力。在光纖技術方面,通過對G.652和G.654兩種光纖的最佳入纖光功率和不同類型G.654光纖傳輸性能的差異,對光纖指標的標準化及歸一化提供指導;對于400G技術,驗證了400G技術在G.652和G.654光纖上的傳輸性能,指導后續400G線路設計和建設。

          在實驗的基礎上,系統的傳輸特性與光纖的有效面積(非線性效應)及光纖的衰減系數(跨越衰減)密切相關。最后得出,增大有效面積可以在一定程度上彌補衰減系數的不足。而當400G光傳輸技術的波道間隔分別取37.5GHz和50GHz時,在傳輸性能方面存在差異,主要體現在Q值和傳輸成本方面,50GHz頻段的頻譜更寬,而50GHz頻段的400G信號的性能稍好。

          G.654標準規定,光纖電纜的截止波長小于1530nm,而拉曼泵浦源的波長為1425nm及1455nm,截止波長太高可能對泵浦激光器的工作產生影響。G.654光纖的大有效面積減小了光纖中的功率密度,在一定程度上降低了拉曼放大器的增益效率。3光纜的制造和運輸本試驗要求各廠家按約定色譜法提供著色后的光纖,統一完成后續工序。為此,本文重點研究了套塑和成纜對光纖光學性能的影響。

          圖1中介紹了新一代光纖試驗臺的工作內容,主要包括光纖入廠試驗、光纜生產制造、產品輸送、敷設、系統測試和長期監測。

          圖1新型光纖試驗工作流程和內容。

          光纖電纜生產過程中,相關人員需要檢測和檢查,對G.654E光纖的測試方法見表2。在測試中,主要對染色后的裸纖、塑件、成盤廠驗試驗和到廠數據進行對比,從而分析了生產工藝對G.654E光纖光學性能的影響。光纖衰減指數在每一工序后的測試結果見表3。

          通過全面對比分析,認為目前生產過程中G.654E光纖和G.652D光纖的光纖衰減指數變化基本一致,因此,認為松套層絞盤制造工藝也適用于新型光纖;而且,在考慮到運輸振動、溫度變化等外部因素的影響下,G.654E光纖仍保持著對G.652D光纖的衰減優勢。

          受到試驗條件和工程進度等因素的影響,考慮到折射率剖面設計以及G.654E光纖的模場直徑等特點,今后還需要對其進行工藝適應性研究,特別是對PMD、光纖應力變化比較敏感的參數,如PMD、彎曲損耗等,充分論證其適應現有工藝條件。4工程應用問題4.1光纜結構與施工技術。

          對哈密-巴里坤、濟南-青島光纜均采用層絞式松套管結構,通過走訪施工現場及檢查監理記錄,發現這2個項目的安裝工藝較為規范,未受過過層絞式松套筒結構的影響,并對其進行了詳細檢查,發現這2個項目的安裝工藝比較規范,未受過多套松套筒的影響,并不影響其正常使用。

          表4、表5顯示了以上2項工程施工后實測數據與生產光纖資料的對比。

          項目熔接時,施工單位均采用同一光纖熔接設備,由于G.654E光纖與普通G.652D光纖的有效面積不同,關鍵是光纖端面光滑,無毛刺或缺陷,熔接機可以正常確認。

          本試驗在常規敷設方式下,經歷了倒管、牽引、纜索、吹掃、牽引等作業過程,其傳輸特性與G.652D光纖在敷設后初期的變化規律相似。以上結果表明,傳統的光纜結構和常規敷設方式仍然適合大面積、低損耗的新型光纖。

          與此同時,由于這2項工程都是長距離傳輸干線,受到高度重視,光纜結構比局域網級光纜得到了加強,施工單位素質優良,因此沒有經歷極端條件下的野蠻施工,也沒有驗證其在不規范安裝操作環境中的健壯性。

          G654E光纖光纜

          4.2熔接法探析

          熔接法是G.654E光纖走向陸地電纜工程應用不可避免的一項作業,與海底電纜工程相比,大、大、大、大、大、小等特點,陸纜工程中考慮到光纜的裝盤、運輸、施工等環節的方便,一般設置2~4km的光纜盤長,因此在陸纜工程中考慮到了大量的熔融損耗,在一般2~4km范圍內敷設光纜時,考慮到了光纜熔接損耗的重要性。

          4.2.1自熔接。

          首先,對G.654E裸纖進行了西古公司和亨通公司的接合試驗,每件產品分別進行了6項測試。

          熔接儀采用藤倉式60S熔接機,在Auto方式下自動完成熔接,沒有人工設定熔接參數,測試儀表為EXFOFTB-400。因受操作水平(切割斷面是否整齊等)、熔接器等影響,不計測試誤差和人為因素,平均6個熔接點損失的平均值為0.01~0.04dB,而652D與G.652D熔接器的特性基本相同。

          在亨通和西古工廠試驗中,采用不同熔接機進行成纜后光纖318個熔接點,在不同人員操作的情況下,其雙向衰減平均值見圖2。

          圖2成纜后光纖熔接測試結果分布(同類型光纖互熔)

          盡管所有G.654E光纖制造商都表示,在熔接時沒有必要專門對熔接機進行參數設定,但是,由于折射率分布的設計不一致,一些光纖熔接機在使用Auto方式時,少數幾個G.654E光纖無法準確地識別其纖芯和包層,因此需要設置為包層甚至多模模式才能熔接,對熔接損耗有潛在影響。

          當G.654E光纖被大規模使用前,各個光纖制造商應該提出針對其G.654E產品的完整熔接解決方案,或在熔接機中加入用于大有效截面積G.654E光纖的選項。

          4.2.2互熔連接。

          目前G.654E光纖標準正在制定中,產品規格尚未統一,各廠家對G.654光纖在陸地電纜上的應用和支持400G技術的發展有著不同的認識。

          本研究對G.654光纖互熔(含同生產廠商的異色纖芯)實際測試了78個熔接點,平均為0.039dB;對G.654+G.652熔接實際測試24個熔接點,平均值0.119dB。對亨通G.652光纖自熔接3個熔點進行了比較試驗,平均值0.037dB。

          試驗表明,在110μm2至130μm2之間,有的可達到0.2dB左右,難以推廣應用于不同廠家G.654E光纖互熔應用。此外,G.652D光纖和G.654E光纖在折射率剖面設計和模場直徑上也有明顯的差別,G.652D光纖和G.654E光纖互熔也存在熔接損耗過大、反射明顯等問題,因此不建議工程中互熔。



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