光纤传输新方向：空分复用光纤技术

光纤传输新方向：空分复用光纤技术

在多媒体和数据应用程序快速扩展以及驱动骨干网带宽需求量迅速增长的网络背景下，互联网流量以每十年100 倍的速度迅速增长，并且在可预见的未来，这种趋势有望持续。由于传输带宽扩展以及频谱效率的提升，传统单模光纤传输容量在过去十几年里呈指数型增长。

互联网流量急剧增长（图片来自网络）

近年来，单模光纤传输系统容量已经达到了100 Tb/s 并且传输容量距离乘积已超过 100 Pb/s?km。然而，由于受到非线性噪声、光纤熔合损伤现象和放大器带宽的限制，标准单模光纤已接近香农定理所限定的物理极限，很难继续支撑持续增长的容量要求。可以预测当下的互联网流量增速必将在不远的将来导致容量危机。因此，如何满足持续飞速增长的互连需求，已经成为光纤通信技术研究的核心问题。

为了进一步增加光纤的通信容量，最直接的方法即为增加纤芯或模式的空间利用率。因此，空分复用技术（SDM）为光纤传输系统提供了一个新的发展方向，有可能使系统容量增加一个数量级。

空分复用光纤关键技术

空分复用技术顾名思义是通过增加纤芯或模式的空间利用率来进一步增加光纤的通信容量。目前，SDM技术有三种增加空间信道的实现方法，分别是多芯光纤（MCF）、少模光纤（FMF）或多模光纤（MMF）以及少模多芯光纤（FM-MCF）。图1中详细展示了上述三种空分复用技术方案的概念图、已报道的光纤横截面图及折射率分布图。

图1 三种空分复用技术方案的概念图、已报道的光纤横截面图及折射率分布图

2.1多芯光纤：如何调控多芯光纤中纤芯间的能量耦合

对于弱耦合多芯光纤来说，重要的课题即为如何减小纤芯间的能量耦合，有效控制芯间串扰。图2中光纤A为典型的七芯同质光纤，其纤芯1和纤芯7之间的串扰（XT）对于弯曲半径（R）的依赖关系如右上角曲线图中蓝色实线所示，随着弯曲半径的增加，同质芯间XT逐渐增大。图2中光纤B为七芯异质光纤，纤芯1和纤芯7之间的XT对于R的依赖关系如右上角曲线图中红色实线所示，随着R的增加，异质纤芯XT先增加，当R达到阈值Rpk时，XT逐渐减小并最终收敛。因此，在弯曲程度不大时，异质多芯光纤可以获得比同质多芯光纤更小的芯间串扰并且串扰值对弯曲程度不敏感。另外，通过在纤芯外围加上低折射率结构也进一步可以有效束缚光场从而减小芯间串扰。例如图2中光纤C的低折射率沟道辅助式七芯异质光纤与七芯异质光纤相比，可以获得更低的芯间串扰（如图2右下角图所示）。

图2 弱耦合同质多芯光纤、弱耦合异质多芯光纤以及沟道辅助式弱耦合多芯光纤的串扰特性对比

此外，如果纤芯间距逐渐缩小，弱耦合多芯光纤将演变成强耦合多芯光纤。强耦合多芯光纤的芯间串扰将增加芯间能量耦合从而导致超模的产生，因此强耦合多芯光纤其实是一种少模/多模光纤（如图3所示）。对于强耦合多芯光纤，模式的群时延展宽（GDS）的量级将直接决定多入多出数字信号处理（MIMO-DSP）复杂度，因此，强耦合多芯光纤的研究重点为如何减小模式的GDS。对于强耦合多芯光纤，相邻纤芯的模式耦合系数大约为10-1 m-1量级并且芯间距小于30 μm。然而，芯间距并不是越小越好，在设计超模光纤时，需要分析合理的芯间距范围来保证超模中奇偶模式的强耦合状态，以及分析外界扰动对于随机耦合的影响程度。

图3 强耦合3模2芯光纤中独立LP模式及每个LP模式强耦合形成的超模

2.1少模/多模光纤：如何调控少模/多模光纤中纤芯内多个模式的耦合状态

对于传统的阶跃少模光纤来说，从图4可以看出，LP02是第一个出现的径向高阶模式，它与LP21模的有效折射率非常靠近。在设计弱耦合LP少模光纤和弱耦合 OAM 径向一阶少模光纤时，最重要的是调控径向一阶模式与径向高阶模式的隔离程度以减小模式串扰。设计弱耦合LP少模光纤时，可以利用纤芯中间下限结构来拉开 LP02 和 LP21 模的 Δneff 间隔；设计OAM少模光纤时，可以利用具有纤芯包层高折射率差的环形纤芯来抑制径向高阶模式以减小其在复用解复用时对于径向一阶模式的干扰。

图4 环芯光纤模式调控机理。（a）阶跃光纤横截面图及色散曲线；（b）中心下陷环芯光纤横截面图及色散曲线

对于低差分模式群时延（DMGD）少模/多模光纤（或称为全MIMO少模/多模光纤）来说，最重要的是设计光纤折射率分布以使DMGD最小。可以通过调控例如图5（a）和5（b）的双层阶跃和渐变折射率分布来控制DMGD及其在C+L波段上的斜率，或者采用如图5（c）正负DMGD光纤补偿的方法来减小全MIMO的计算复杂度。

图5 减小模间DMGD的三种光纤解决方案。（a）低折射率沟槽辅助式双层阶跃光纤；（b）低折射率沟槽辅助式渐变折射率光纤；（c）按一定长度比例熔接+DMGD光纤与-DMGD光纤以达到0DMGD的补偿方法

2.3空分复用光纤性能对比

在制备方面，MCF的研究和制备技术积累较为成熟，损耗与SMF接近，但芯数受到包层尺寸上限约束；FMF需要控制纤芯预制棒掺杂浓度和厚度，制备较复杂，FMF的损耗主要来自高阶模式。目前等离子体化学气相沉积（PCVD）技术可以较为准确控制掺杂浓度；FM-MCF设计与制备相对而言复杂度更高。

在对准方面，MCF、FM-MCF需要采用Marker标识来辅助对准熔接，还需要有端面观测功能的熔接机；FMF则可以直接兼容使用现有设备熔接，但是熔接时的纤芯的主轴偏离容易导致熔接损耗以及模式串扰。

在复用方面，MCF有商用的扇入扇出设备，FMF有基于相位模板空间光耦合器，光子灯笼波导耦合器等不同解决方案，都有商业化产品；FM-MCF需要先扇入扇出再耦合模式，现在尚处于实验室研究阶段。在放大方面，MCF有芯区和包层泵浦，其中包层泵浦集成度高，但是泵浦效率较低增益控制困难；FMF同样有芯区和包层泵浦两种，需要进行模间增益控制；FM-MCF主要为包层泵浦，同样需要控制模间增益差。

在数字信号处理方面，MCF如果考虑偏振态，单个纤芯需要2×2简单的MIMIO-DSP；全MIMO的FMF或FM-MCF光纤单芯则需要2Ncore×2Ncore量级的计算，因此模式数越多，计算量越复杂。

上述多芯光纤、少模光纤及少模多芯光纤在应用与系统方面均尚未完全成熟，日后何种光纤能成为空分复用商用技术主要取决于光纤周边器件及工程问题的解决。

表1 SDM光纤方案的对比

总结与展望

空分复用技术作为提升光纤通信系统的关键技术，被认为是继波分复用技术之后的光纤传输技术的第二次技术革命。近年来，世界各国科研机构都开展了关于SDM相关技术的深入研究。虽然SDM技术在标准化方面尚不明确，研究发展和推广应用也存在着诸多瓶颈。但是世界各国研究团队仍然在积极探索可行可靠的技术路线以推动SDM的发展。2019年日本住友电工与拉奎拉大学合作在意大利拉奎拉市的地下隧道首次铺设了包含18根多芯光纤的6.29 km光缆。现场测试得知空分复用光纤部署在现实环境后仍然具有非常低的损耗和空间模式色散，这标志着空分复用传输从实验室理想环境走向了更复杂的现场实时传输。因此，可以预想未来随着SDM相关技术的不断发展，SDM将成为下一代超大容量光纤通信的重要解决方案。