光纖的主要特性有很多，主要包括光纖損耗、色散以及非線性等。這些特性與光纖系統(tǒng)的容量息息相關(guān)，決定了光纖傳輸容量的大小。

下面這個公式，相信大家都比較熟悉。我們可以用其評估光纖傳輸?shù)娜萘俊２⒂纱酥笇?dǎo)我們研究光纖演進(jìn)的方向。

其中：

藍(lán)色框是一種線性的增益表達(dá)：

B代表的是頻譜資源，如今已經(jīng)開發(fā)到S+C+L波段，能否再擴(kuò)展主要取決于放大器以及硅光纖在各個波段上的光纖衰減的大小，目前來看，還是比較困難的。N則是空間路線，通過諸如多芯光纖、少模光纖等手段來實現(xiàn)光纖容量的提升。

紅色框則是一種非線性增益的體現(xiàn)：

SNR表示的是信噪比，主要是通過發(fā)展大有效面積低損耗光纖以及中空光纖來提高。

結(jié)合公式，我們可以總結(jié)出兩大路線來提升光纖的容量：較成熟的路線如降低光纖損耗、增大有效面積、減小光纖尺寸；創(chuàng)新路線如使用多芯光纖、少模光纖以及中空光纖等。

下面我們先來看看傳統(tǒng)路線的三個方面：低損耗，大有效面積以及較小尺寸光纖。

低損耗

從光纖在上個世紀(jì)發(fā)明以來，每公里的衰減的降低已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。由1970年代的20dB/km降低到2017年記錄的1550nm窗口下的0.1419dB/km。那么光纖的損耗由哪些方面決定？我們以摻鍺石英G.652光纖示例，主要包括光纖的固有損耗、雜質(zhì)吸引損耗和波導(dǎo)缺陷導(dǎo)致的損耗等。

固有損耗是由于用于構(gòu)建光纖纖芯和包層的玻璃材料的基本特性，包括瑞利散射、紅外吸收和紫外吸收。雜質(zhì)吸收包括OH離子和TM（過渡金屬）引起的吸收、波導(dǎo)缺陷引起的散射以及光纖彎曲效應(yīng)引起的損耗。 低損耗光纖的研究主要基于硅芯光纖，這是因為純硅光纖沒有GeO2，瑞利散射的影響比較小，但這樣的硅芯光纖需要氟來實現(xiàn)芯包層折射率的差異。當(dāng)然還有其他方面，如纖芯與包層粘度以及優(yōu)化光纖的拉伸，都可以減小光纖的損耗。 在未來，我們想進(jìn)一步降低光纖的衰減將是非常困難的，但這并不是說不可能。從上面的分析，基本套路還是基于如下幾點：

減少瑞利散射

提高原材料純度

減少纖纖中的應(yīng)力

引入新的摻雜劑

大有效面積

首先我們要明白有效面積（Aeff）的定義是怎樣的，它表示光纖透光區(qū)域的橫截面積的大小，這是因為光能量不完全集中在纖芯中傳輸，部分能量在包層中傳輸。

這個有效面積體現(xiàn)光纖本身的物理參數(shù)MFD（模場直徑：Mode Field Diameter）息息相關(guān)。

可以看出，有效面積Aeff與MFD可以通過如下公式評估：

大有效面積的一個關(guān)鍵好處是可以減少非線性的影響，并使得我們可以盡可能的提高入纖功率，而較高的入纖功率也就意味著更好的OSNR，同時在同樣入纖功率條件下，系統(tǒng)可以獲得更低的誤碼率。

另外，有效面積、截止波長和彎曲性能之間存在良好的相互作用。隨著截止波長的增加，有效面積增加，同時光纖在1625nm處的彎曲損耗也增加。但是，當(dāng)截止波長超過C波段以后，C波段以下的光纖傳輸將不再呈現(xiàn)單模特性。

有效面積從80μm2增加到150μm2需要放松對截止波長和彎曲性能的要求

有效面積超過150μm2需要做出進(jìn)一步的妥協(xié)，并帶來新的挑戰(zhàn)

較小尺寸光纖

我們知道，光纖一般由中間的纖芯，內(nèi)層的包層和外層的涂覆層，其中包層的折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件。

一般來說，多模光纖的纖芯直徑一般為50μm/62.5μm，單模光纖的纖芯直徑一般為8.5或9.5μm。在我們當(dāng)前比較常用的光纖中，其包層的直徑為125μm，裸纖的涂層在最外層，直徑一般為250μm左右。

考慮單模和多模對纖芯的要求，在其傳輸模式用途確定的情況下，很難改變纖芯直徑的大小。因此，為了實現(xiàn)更小尺寸光纖，我們只有在包層和涂覆層上下功夫。即減小涂覆層可以最終減小光纖尺寸，比如說200μm涂覆層光纖已用于長距離陸地網(wǎng)絡(luò)，并將在下一代海底網(wǎng)絡(luò)中使用。涂覆層直徑可能會進(jìn)一步減小至180-190μm。但這些改變需要滿足強(qiáng)度和微彎損耗的要求。

另外，減小光纖的包層，則可以增加光纖的抗彎曲能力，現(xiàn)在抗彎光纖的直徑已經(jīng)從125μm減小到80μm，甚至出現(xiàn)60μm的光纖。

小貼士

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審核編輯：湯梓紅