空分復(fù)用，新一代大容量光纖通信技術(shù)

  大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)傳輸已成為社會經(jīng)濟發(fā)展的重要紐帶。隨著國家“寬帶中國”、“三網(wǎng)融合”的政策驅(qū)動，以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展等，使得數(shù)據(jù)傳輸需求量呈現(xiàn)出持續(xù)高速增長的態(tài)勢。當前，家庭網(wǎng)絡(luò)帶寬從2010年4M發(fā)展到2021年的千兆，10年時間傳輸速率增長了近250倍，光纖作為光物理傳輸?shù)闹匾浇?，在其中發(fā)揮著舉足輕重的作用。截至2020年，中國已累計鋪設(shè)5169萬公里光纜，總長度可繞地球1292圈。

為滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求，光纖通信技術(shù)在不斷的完善和發(fā)展。通過時分、波分、偏振復(fù)用和多級調(diào)制等技術(shù)手段，單根常規(guī)單模光纖已實現(xiàn)100Tb／s的高容量傳輸，但受到非線性噪聲、光纖熔合損傷現(xiàn)象和放大器帶寬的限制，已接近其傳輸?shù)奈锢順O限。如何進一步提高光纖的傳輸容量，已成為當前光纖通信技術(shù)研究的核心問題。

提高傳輸容量較直接的方式是增加通信線路中光纖的數(shù)量（即芯數(shù)），光纜中的光纖高密度化、小型化是有效的解決辦法。目前，纖芯密度較高的光纜結(jié)構(gòu)，已實現(xiàn)在外徑僅為26.5mm的光纜中放置3456根200um的細徑光纖，將管道和光纜內(nèi)部空間利用率幾乎發(fā)揮到了極致。雖然這種結(jié)構(gòu)的光纜將纖芯密度增加了2倍，但受到現(xiàn)有線路資源限制，仍將難以支撐未來五年內(nèi)近10倍的數(shù)據(jù)傳輸增長需求。

空分復(fù)用技術(shù)

在光纖傳輸其他維度已無法突破的情況下，空分復(fù)用技術(shù)為光纖傳輸系統(tǒng)容量提升提供了新的發(fā)展方向，將使系統(tǒng)傳輸容量提升一個數(shù)量級?？辗謴?fù)用技術(shù)，通過在“同一條路”增加“車道”數(shù)量的方式，達到數(shù)倍承載“車”流量的效果。空分復(fù)用技術(shù)目前可分為以下三種信道處理方式：

（1）多芯光纖技術(shù)。在同一根光纖包層結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)計多個纖芯，每個纖芯相當于一個獨立的傳輸單元，實現(xiàn)在同一根光纖內(nèi)，多個信號沿著不同的纖芯獨立傳輸。中國信科集團旗下烽火通信的19芯單模光纖，單根光纖實現(xiàn)了1.06Pbit/s的系統(tǒng)傳輸，傳輸容量是常規(guī)單模光纖的10倍以上。

烽火19芯單模光纖及其系統(tǒng)傳輸

（2）少模光纖技術(shù)。在同一根纖芯范圍內(nèi)增加光纖芯徑，光信號在較大芯徑的纖芯內(nèi)傳輸時，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的空間模式傳輸。少模光纖的主要思路是在纖芯結(jié)構(gòu)中設(shè)計多環(huán)折射率結(jié)構(gòu)，對激發(fā)的不同模式進行調(diào)整，使所激發(fā)的模式實現(xiàn)信號傳輸，每個模式相當于一個信號組。通過該種方式，單根光纖的傳輸容量可增大數(shù)十倍。

（3）多芯少模光纖技術(shù)，是將前兩者進行組合。將空間復(fù)用和模式復(fù)用兩種維度集中到一根光纖上，在同一根光纖上實現(xiàn)更多的信號傳輸通道。例如，烽火與國內(nèi)高校合作開發(fā)出的7芯4模光纖，單根光纖的通道數(shù)量相當于常規(guī)單模光纖的28倍，可以極大提高光纖通信容量。

烽火7芯4模多芯少模光纖及LP11模式傳輸3km后模斑

空分復(fù)用技術(shù)面臨的問題及解決辦法

空分復(fù)用技術(shù)，理論上通過空間與模式的多維度復(fù)用，可以在原來的基礎(chǔ)上將單根光纖的傳輸容量提升數(shù)十倍，有望解決未來數(shù)據(jù)傳輸容量危機，是超大容量光纖技術(shù)的發(fā)展方向，但該技術(shù)目前仍然面臨著許多問題亟需解決。

（1）多芯光纖芯間串擾問題。由于多個信號通過不同的纖芯在同一個包層結(jié)構(gòu)中傳輸，某個纖芯中的信號易發(fā)生橫向耦合，進入到相鄰的纖芯中，造成傳輸信號的干擾，導(dǎo)致光信號傳輸質(zhì)量的劣化。目前，國內(nèi)外已有相當多的研究，較為常見的解決辦法是在纖芯周圍設(shè)計空氣孔或者較深的折射率下陷溝槽，通過纖芯周圍的折射率深下陷或者空氣孔結(jié)構(gòu)，提升纖芯對光信號的束縛能力，減小光信號的橫向傳輸，從而抑制纖芯信號干擾。通過溝槽輔助，烽火的7芯光纖芯間串擾已達到≤-45dB/(100km)的水平，對實際鏈路傳輸?shù)挠绊戄^小。

空氣孔型光纖                 烽火溝槽輔助型多芯光纖

（2）熔接損耗問題。對多芯光纖或者少模光纖而言，光纖熔接過程中各纖芯之間的模場直徑、折射率存在差異，纖芯截面不圓、位置偏差等因素，都會導(dǎo)致光纖在熔接過程中存在較大的熔接損耗。對于該問題，較為有效的解決辦法，一是通過提升光纖結(jié)構(gòu)尺寸精度以及一致性，增加熔接過程中纖芯位置的對準精度，減小熔接損耗；二是通過多芯光纖專用熔接機進行熔接，該熔接機采用側(cè)面成像方式，將多芯光纖端面成像，通過兩端光纖位置定位，計算并通過對軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)纖芯與纖芯的高精度對準，可進一步減小光纖的熔接損耗。

（3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信號處理問題。多芯光纖在使用過程中需要將多芯光纖與多根單模光纖進行連接，實現(xiàn)多路信號的接收。解決方式為通過扇入扇出的耦合器件，一端為多芯光纖，另一端為對應(yīng)芯數(shù)的多根常規(guī)單模光纖進行互連。目前，國內(nèi)已有部分高校及企業(yè)具備該種耦合器件的制備能力，單芯損耗可控制在1.0dB左右。

結(jié)語

空分復(fù)用技術(shù)符合光纖通信發(fā)展趨勢，是光纖通信技術(shù)領(lǐng)域的一次重大創(chuàng)新，是下一代光通信技術(shù)的發(fā)展方向之一。烽火積極響應(yīng)國家政策，依托數(shù)十年的技術(shù)積累，先后承接了國家“863”、“973”項目，國家重大研發(fā)計劃項目，湖北省科技計劃項目等，對空分復(fù)用技術(shù)展開系統(tǒng)專項研究，致力于推進多芯、多芯少模光纖的大容量通信技術(shù)發(fā)展。未來，烽火將持續(xù)創(chuàng)新，持續(xù)加大研發(fā)投入，繼續(xù)深挖光纖潛力，為我國和全球光通信事業(yè)的發(fā)展，作出新的貢獻。

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