空分復(fù)用，新一代大容量光纖通信技術(shù)

  大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)傳輸已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要紐帶。隨著國(guó)家“寬帶中國(guó)”、“三網(wǎng)融合”的政策驅(qū)動(dòng)，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(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。當(dāng)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(shí)間傳輸速率增長(zhǎng)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(guó)已累計(jì)鋪設(shè)5169萬(wàn)公里光纜，總長(zhǎng)度可繞地球1292圈。

為滿足日益增長(zhǎng)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(guò)時(shí)分、波分、偏振復(fù)用和多級(jí)調(diào)制等技術(shù)手段，單根常規(guī)單模光纖已實(shí)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(jìn)一步提高光纖的傳輸容量，已成為當(dāng)前光纖通信技術(shù)研究的核心問(wèn)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(shí)現(xiàn)在外徑僅為26.5mm的光纜中放置3456根200um的細(xì)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(lái)五年內(nèi)近10倍的數(shù)據(jù)傳輸增長(zhǎng)需求。

空分復(fù)用技術(shù)

在光纖傳輸其他維度已無(wú)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(gè)數(shù)量級(jí)?？辗謴?fù)用技術(shù)，通過(guò)在“同一條路”增加“車道”數(shù)量的方式，達(dá)到數(shù)倍承載“車”流量的效果?？辗謴?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(jì)多個(gè)纖芯，每個(gè)纖芯相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的傳輸單元，實(shí)現(xiàn)在同一根光纖內(nèi)，多個(gè)信號(hào)沿著不同的纖芯獨(dú)立傳輸。中國(guó)信科集團(tuán)旗下烽火通信的19芯單模光纖，單根光纖實(shí)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(hào)在較大芯徑的纖芯內(nèi)傳輸時(shí)，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(jì)多環(huán)折射率結(jié)構(gòu)，對(duì)激發(fā)的不同模式進(jìn)行調(diào)整，使所激發(fā)的模式實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，每個(gè)模式相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)組。通過(guò)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(jìn)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(shí)現(xiàn)更多的信號(hào)傳輸通道。例如，烽火與國(guó)內(nèi)高校合作開(kāi)發(fā)出的7芯4模光纖，單根光纖的通道數(shù)量相當(dāng)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(wèn)題及解決辦法

空分復(fù)用技術(shù)，理論上通過(guò)空間與模式的多維度復(fù)用，可以在原來(lái)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(lái)數(shù)據(jù)傳輸容量危機(jī)，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(wèn)題亟需解決。

（1）多芯光纖芯間串?dāng)_問(wèn)題。由于多個(gè)信號(hào)通過(guò)不同的纖芯在同一個(gè)包層結(jié)構(gòu)中傳輸，某個(gè)纖芯中的信號(hào)易發(fā)生橫向耦合，進(jìn)入到相鄰的纖芯中，造成傳輸信號(hào)的干擾，導(dǎo)致光信號(hào)傳輸質(zhì)量的劣化。目前，國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)多的研究，較為常見(jiàn)的解決辦法是在纖芯周圍設(shè)計(jì)空氣孔或者較深的折射率下陷溝槽，通過(guò)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(duì)光信號(hào)的束縛能力，減小光信號(hào)的橫向傳輸，從而抑制纖芯信號(hào)干擾。通過(guò)溝槽輔助，烽火的7芯光纖芯間串?dāng)_已達(dá)到≤-45dB/(100km)的水平，對(duì)實(shí)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(wèn)題。對(duì)多芯光纖或者少模光纖而言，光纖熔接過(guò)程中各纖芯之間的模場(chǎng)直徑、折射率存在差異，纖芯截面不圓、位置偏差等因素，都會(huì)導(dǎo)致光纖在熔接過(guò)程中存在較大的熔接損耗。對(duì)于該問(wèn)題，較為有效的解決辦法，一是通過(guò)提升光纖結(jié)構(gòu)尺寸精度以及一致性，增加熔接過(guò)程中纖芯位置的對(duì)準(zhǔn)精度，減小熔接損耗；二是通過(guò)多芯光纖專用熔接機(jī)進(jìn)行熔接，該熔接機(jī)采用側(cè)面成像方式，將多芯光纖端面成像，通過(guò)兩端光纖位置定位，計(jì)算并通過(guò)對(duì)軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)纖芯與纖芯的高精度對(duì)準(zhǔn)，可進(jìn)一步減小光纖的熔接損耗。

（3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理問(wèn)題。多芯光纖在使用過(guò)程中需要將多芯光纖與多根單模光纖進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的接收。解決方式為通過(guò)扇入扇出的耦合器件，一端為多芯光纖，另一端為對(duì)應(yīng)芯數(shù)的多根常規(guī)單模光纖進(jìn)行互連。目前，國(guó)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(yǔ)

空分復(fù)用技術(shù)符合光纖通信發(fā)展趨勢(shì)，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(guó)家政策，依托數(shù)十年的技術(shù)積累，先后承接了國(guó)家“863”、“973”項(xiàng)目，國(guó)家重大研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，湖北省科技計(jì)劃項(xiàng)目等，對(duì)空分復(fù)用技術(shù)展開(kāi)系統(tǒng)專項(xiàng)研究，致力于推進(jìn)多芯、多芯少模光纖的大容量通信技術(shù)發(fā)展。未來(lái)，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(guó)和全球光通信事業(yè)的發(fā)展，作出新的貢獻(xiàn)。

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