長飛少模光纖簡述

50年前，高錕博士在PIEE雜志上發(fā)表了題為《光頻率的介質纖維表面波導》的論文，從理論上分析證明了用光纖作為傳輸媒介以實現(xiàn)光通信的可能性，開啟了一場人類通信方式的劃時代革命。短短幾十年間，光纖網絡遍布全球，在性能、份額等方面全面超越DSL成為全球寬帶市場的領先技術。面向未來，光纖是否能夠承載幾何級增長的用戶帶寬需求？下一代光纖傳輸系統(tǒng)光纖又會向哪個方向邁進？

過去的20多年是我國光通信技術發(fā)展最為迅速的一段時間。在市場需求和技術進步的“雙馬達”驅動下，骨干網先后經歷了2.5G、10G等不同發(fā)展階段，而今，100G技術已經成為主導，400G開始逐步鋪開，更快的1T、2T技術也已進入預研。接入網方面，雖然ADSL率先登場，但隨著PON技術的大規(guī)模采用，F(xiàn)TTH得到了快速發(fā)展。尤其近幾年，在“寬帶中國”等國家戰(zhàn)略的推動下，我國已在光接入方面處于世界前列。短短20年間，普通居民的家庭網絡接入帶寬已從幾十K變?yōu)?0M、100M，千兆寬帶也開始在部分發(fā)達地區(qū)試點推廣。

網絡帶寬的快速提升離不開光通信技術的持續(xù)進步。這其中，波分復用技術的不斷完善起到了主要的推動作用。同時，高階調制、相干檢測、DSP等一系列射頻通信技術的引入也成為光通信發(fā)展的巨大助力，成就了現(xiàn)在100G商用傳輸系統(tǒng)。

然而，作為光通信的載體，光纖在發(fā)展上卻碰到了“天花板”。從光信號的本質出發(fā)，其物理復用維度包括五個方面，分別為時間、偏振、頻率、正交及空間。光纖通信系統(tǒng)中高速信號正在采用多種復用技術，如時分復用、波分復用、偏振復用以及利用相干探測技術的振幅-相位正交復用。由于非線性效應的存在，光傳輸系統(tǒng)中時間、頻率、偏振等各個物理維度的復用正在接近香農極限，此外，基于單模光纖的光傳輸系統(tǒng)的能耗增長也成為不得不考慮的問題。而在光纖物理層中唯一未被深入研究的空間維度—空分復用技術(SDM)成為了突破光纖通信系統(tǒng)容量限制的必然選擇。

2010年在歐洲光通信會議上，以少模光纖和多芯光纖為基礎的空分復用技術作為提升光纖通信系統(tǒng)的關鍵技術得到了眾機構科研學者的認同，被視作繼波分復用技術之后的光纖傳輸技術的第二次技術革命。WDM之父厲鼎毅先生對SDM給予很高的評價。

少模光纖的研究是全球通信技術研究，特別是光纖通信研究的熱點之一。每年全球最主要的光通信會議如OFC、ECOC等論壇上，都會涌現(xiàn)出大量少模光纖的研究報告，在少模光纖的傳輸實驗、設計制造以及相關器件和應用等方面均有涉及。目前，在僅采用摻鉺光纖放大器（EDFA）放大器的情況下，少模光纖的傳輸實驗已經達到256Gb/s，100km/span，已接近單模光纖的傳輸記錄。在少模光纖的制備上，已有商用的少模光纖產品出現(xiàn)，主要提供給高校和研究所進行相關的實驗研究。而在少模器件方面，也已經有商用的EDFA少模光纖放大器，放大的模式數(shù)目達到6個以上。除傳輸外，國內的很多高校和研究所還在積極探索少模光纖在傳感等更多領域的應用。光通信領域的國際巨頭康寧、OFS、普林斯曼等，也在不斷發(fā)表光纖設計、制備等方面的文章，并積極申請相關專利，為未來發(fā)展蓄力。

作為國內光纖光纜領域的領軍企業(yè)，長飛公司努力保持與世界先進水平的同步發(fā)展，從2014年就開始關注并進行少模光纖的研究，在少模光纖的設計、制造和傳輸應用上開展了一系列工作。目前，長飛公司已經進行了包括低串擾和低時延等多個少模光纖產品的研究開發(fā)，并聯(lián)合國內外科研單位開展了應用實驗，在近年的國際、國內會議上發(fā)表了相關研究成果。

長飛低串擾少模光纖

隨機模式耦合導致的串擾會嚴重影響模式復用的性能。如果模式耦合不能被控制得相當小，則差分群延遲（differential group delay，DGD）應該保持足夠小，這樣在接收端才能進行補償。如果這兩個條件都不能滿足，模式復用就無法實現(xiàn)。

在理想的少模光纖中，不同的空間模式保持正交并且在傳播過程中不發(fā)生模式耦合。偏振模色散（PMD）是由2個偏振模的強耦合導致的。與之相似，光纖彎曲、外形缺陷等會導致空間模式耦合。與PMD不同的是，若少模光纖中的不同空間模式間的有效折射率差較大，空間模式耦合較弱。

低串擾是通過減弱空間模式的耦合實現(xiàn)的，而后者只需設計有效折射率差較大的少模光纖。猶如木桶的容量由其最短的一塊木板決定，一個系統(tǒng)的性能最終取決于它最差的一部分。若少模光纖中存在n個模式，就存在（n-1）個有效折射率差，這里說的有效折射率差較大，是指這（n-1）個有效折射率差的最小值盡可能大。這樣設計出來的少模光纖各個模式之間的串擾總體上才趨于極小。

長飛公司基于現(xiàn)有的PCVD平臺和特種拉絲平臺進行低串擾少模光纖的制備，包括光纖設計，原材料準備，PCVD沉積，芯棒熔縮，接管套棒，上塔拉絲等步驟。低串擾階躍型光纖的結構包括玻璃部分和涂料部分。玻璃部分的結構分為芯層、內包層、下陷層和外包層四層。玻璃部分外敷兩層丙烯酸酯涂料以確保較高的機械強度。其包層直徑為125，涂覆層直徑為245，工作波長為1450-1700nm。經少模光纖測試平臺分模測試后可得，低串擾少模光纖各模式的衰耗均≤0.20dB/km，其模式間串擾較小，利于分模傳輸信號，且模場面積較大可抑制非線性效應。其DGD測試結果如圖1所示

圖1. 低串擾少模光纖DGD測試結果

長飛低群差分時延少模光纖

利用模分復用技術，少模光纖可以實現(xiàn)多個獨立的導模的傳輸。適合應用于模分復用系統(tǒng)的高性能的少模光纖的研究與設計目前已成為光纖通信領域的又一研究熱點，差分群時延(DGD)是評判少模光纖傳輸性能的重要參數(shù)。少模光纖中，不同的模式具有不同的有效折射率，導致模式間存在時延。DGD需要利用多輸入多輸出均衡來補償，從而增加均衡復雜性。為減小均衡復雜性，方法有兩個：使用具有小DGD的少模光纖和使用具有正負DGD的光纖來補償DGD。而正負DGD補償會增加光纖熔接損耗，因此，設計和制備低DGD的少模光纖成為當前少模光纖的必然選擇。

圖2 低DGD少模光纖剖面設計

長飛公司在光纖芯層采用漸變型折射率剖面來設計少模光纖來達到降低DGD的目的。如圖2所示，可以通過改變各結構參數(shù)可以達到最小的DGD。實際的光纖制備中，模式群差分延時 ≤0.3ps/m，已充分滿足多入多出（MIMO）的需求，如圖3所示。低時延少模光纖各模式的衰耗均≤0.20dB/km。

圖3 低時延少模光纖測試結果圖

長飛低衰減少模光纖

隨著光放大技術的進一步發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)正想著更高傳輸功率和更長傳輸距離的方向發(fā)展。作為光纖通信系統(tǒng)中的重要傳輸媒質。光纖的衰減性能也必須有進一步的提升，以滿足光纖通信系統(tǒng)實際發(fā)展的需要。光纖的衰減越小，光信號在媒質中的傳輸距離越長，光通信系統(tǒng)的無中繼距離也越長，從而顯著減少中繼站數(shù)量，在提高通信系統(tǒng)可靠性的同時使得建設和維護的成本大幅降低。

在光纖預制棒的制造過程中一般可以采用以下幾種方法來降低光纖衰減。比如，采用更高純度的原材料，提高生產環(huán)境和設備密封性能，降低外界雜質引入的幾率。或者采用更大外徑的預制棒制造工藝，通過大尺寸預制棒的稀釋效應來降低光纖的整體衰減。另外，在光纖制造過程中，裸光纖表面涂層的涂覆工藝也是影響光纖衰減性能的一個重要原因。但是，無論從了理論上還是實際光纖制備中的成本和工藝控制上來講，降低光纖的摻雜并優(yōu)化光纖的剖面是最簡單有效的降低光纖衰減的方法。一般來說，摻雜的濃度越低，則瑞利散射所引起的損耗越小。通過優(yōu)化芯層直徑和摻雜濃度等參數(shù)，不僅可以增大光纖的有效面積，而且可以有效的降低光纖中瑞利散射等造成的損耗，是一種有效可靠的降低光纖衰減的方法。此外，摻雜特殊材料降低芯層粘度的方法亦可降低光纖的衰減。長飛公司制備的低衰減少模光纖，其基模最低衰減達到0.164dB/km，模式群差分延時 DGD≤5ps/m，光纖有著良好的性能。

長飛Ring-core少模光纖

對于少模光纖來說，目前研究和商用化的少模光纖產品主要是兩模、四模、六模等，其光纖結構，特別是芯層結構與普通單模、多模光纖類似，這種結構的優(yōu)勢是與傳統(tǒng)的光纖兼容性好，但這種模式所形成的光傳輸模式中，很容易形成模式之間的串擾。雖然有降低串擾的少模光纖設計，但是仍然難以將部分模式間的串擾降到一個較低的水平。實驗表明，使用少模光纖結合MIMO技術能夠很好的解決少模光纖的串擾問題，然而隨著光纖中模式的增加，在傳統(tǒng)光纖中，MIMO的過程將迅速的變得復雜，這將導致對于高階模式的復用的成本和難度大大增加。

圖4 Ring-core少模光纖模場圖

采用Ring-core結構的少模光纖，限制了纖芯中間模式的傳導，使得光纖中的傳導模僅為基模LP01，以及LPX1等高階模式，如圖4所示，而與LPX1有效折射率相近的其他模式則被禁止傳導，從而解決了高階模式之間容易耦合的問題。

圖5 （a）剖面設計（b）模式分布

Ring-core少模光纖的剖面設計如圖5（a）所示，其對應的模式分布如圖5（b）所示。長飛公司基于PCVD平臺制備該Ring-core少模光纖，嚴格控制各項參數(shù)，成功制備了低衰減且支持四個模式的Ring-core少模光纖，其衰減系數(shù)小于0.3dB/km。且在制備的過程中很好的解決了光纖幾何、圓度、摻雜等工藝問題，其差分群延時如圖6所示。

圖6 Ring-core少模光纖DGD測試結果

以少模光纖為代表的空分復用光纖通信技術成為業(yè)界主流的選擇將是一個漫長的過程，期間既有運營商、系統(tǒng)供應商對現(xiàn)有單模光纖通信技術的潛能繼續(xù)挖掘，也會包括彼此之間的博弈，權衡取舍。從空分復用技術自身角度來講，一方面需要不斷改善空分復用器件性能，盡快制定相關標準。目前基于少模光纖和多芯光纖的空分復用系統(tǒng)不斷得到完善，復用/解復用器日益集成化、小型化，多芯光纖熔接技術、連接器、放大器都日臻完善。另一方面，為了使空分復用效率達到最高，空分復用技術應向著更多模式數(shù)目、更低衰耗、更多芯數(shù)的多芯少模方向發(fā)展。長飛公司將不遺余力的繼續(xù)開展少模光纖相關前沿技術的研究工作，致力于少模光纖朝著應用化、實用化和產業(yè)化方向發(fā)展。

生成海報

免責聲明：本網站內容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網站將盡力確保所提供信息的準確性及可靠性，但不保證有關資料的準確性及可靠性，讀者在使用前請進一步核實，并對任何自主決定的行為負責。本網站對有關資料所引致的錯誤、不確或遺漏，概不負任何法律責任。任何單位或個人認為本網站中的網頁或鏈接內容可能涉嫌侵犯其知識產權或存在不實內容時，應及時向本網站提出書面權利通知或不實情況說明，并提供身份證明、權屬證明及詳細侵權或不實情況證明。本網站在收到上述法律文件后，將會依法盡快聯(lián)系相關文章源頭核實，溝通刪除相關內容或斷開相關鏈接。