多芯光纖制備技術與應用的新進展

       ICCSZ訊 近年來，長飛公司特種產品事業(yè)部聯(lián)合華中科技大學光通信與光網絡工程研究團隊率先在國內拉制了同質型弱耦合7芯單模光纖，填補了國內在該特種光纖領域的技術空白。

多芯光纖與空分復用技術的興起

        根據貝爾實驗室、思科公司等業(yè)界巨頭對現有光纖網絡不同應用的流量增長趨勢統(tǒng)計結果，當前光纖通信網絡的流量正以20%~60%高速增長。如圖1所示，考慮到2010年商用光通信系統(tǒng)實現端口速率100Gb/s，系統(tǒng)容量10Tb/s，在未來十年，光纖通信系統(tǒng)容量將達到100Tb/s左右。然而目前光纖通信系統(tǒng)存在著若干限制：首先，結合低損耗傳輸窗口和放大器帶寬，有用頻譜約為10THz；其次，信號在光纖傳輸中會面臨著放大器的自發(fā)輻射噪聲(ASE)帶來的光信噪比惡化，以及由光纖非線性克爾效應帶來的非線性損傷，使得系統(tǒng)容量存在非線性香農極限，即通過提高信噪比來提高高頻譜效率信號的傳輸質量會產生非常嚴重的非線性畸變。

圖1 光纖通信系統(tǒng)容量增長趨勢 

圖2 光信號物理復用維度

　　從光信號的本質出發(fā)，其物理復用維度包括五個方面（如圖2所示），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。而在光纖物理層中唯一未被深入研究的空間維度(space)—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，以多芯光纖和少模光纖為基礎的空分復用技術(SDM)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。

        自SDM技術被提出之后，6年來得到了歐美日等國科研機構的高度重視，其中日本情報通信研究機構(NICT)、日本電話電報公司(NTT)牽頭，東北大學、北海道大學、大阪大學、住友公司及藤倉公司等多家機構參與的EXAT項目提出2020年實現光纖通信系統(tǒng)容量千倍躍升的目標。在短短幾年的時間里就完成了多批次低損耗、低串擾多芯光纖的設計、拉制以及測試，制作了多種低損耗低串擾的復用/解復用器，并多次在OFC、ECOC等國際會議上報導英雄傳輸實驗。在歐洲，歐盟針對空分復用技術的研究建立了MODE-GAP項目，聯(lián)合了包括南安普頓大學、阿斯頓大學、埃因霍溫理工大學等多家大學和公司，重點開展基于少模光纖的空分復用技術的研究，尤其是基于少模光纖的復用/解復用器件的制作和開發(fā)，并迅速地將其產業(yè)化。在美國，貝爾實驗室等科研機構利用康寧公司、OFS公司研制的多芯光纖、少模光纖，報導了大量的傳輸實驗結果，并實現了空分復用實時傳輸實驗，標志著空分復用傳輸從實驗室理想環(huán)境走向了更復雜的現場實時傳輸。

多芯光纖及其復用器件的制備技術新進展

        由于基于少模光纖的空分復用技術需要在相干接收機采用極其復雜的DSP算法，且模式相關損耗會顯著降低傳輸性能等本質特征（且這些特征隨著傳輸距離的增加，模式復用數目的增加而急劇劣化），我們選擇了應用前景更為明朗，更有利于在中短期解決現有光纖通信系統(tǒng)容量瓶頸的多芯光纖空分復用技術。

        長飛光纖光纜股份有限公司，通過與華中科技大學光通信與光網絡工程研究團隊合作，率先在國內拉制了同質型弱耦合7芯單模光纖。通過對7芯波導結構的仿真計算，拉制了兩種同質型多芯光纖，即非低串擾與低串擾的7芯光纖，其電鏡圖如圖3所示。通過對光纖衰減譜、截止波長、彎曲損耗、串擾、色散、PMD等性能參數的測試，不斷優(yōu)化工藝，最終實現低串擾、低損耗的7芯光纖。光纖在1550nm的為衰減0.20dB/km左右，串擾低于-40dB/100km，填補了國內在該特種光纖領域的技術空白，在產品性能上與國際領先的OFS、康寧、藤倉等眾多光纖廠商接近。

                                           
(a)                                                                                                             (b)
圖3 7芯光纖端面電鏡圖

　　另一方面，適用于多芯光纖的空間復用/解復用器至關重要，因為在收發(fā)兩端及網絡節(jié)點，仍然是基于單模光纖的器件，因此有必要將多路單模光纖中的信號復用進多芯光纖，并將多芯光纖中的多路并行信號解復用到多路單模光纖中。針對多芯光纖復用/解復用器，在綜合比較了國際上主流技術的利弊之后，結合自身條件，選擇了光纖束冷接工藝的技術方法來實現復用/解復用器。

在復用/解復用器的制備上，主要通過光纖預處理→光纖束預組裝→在線空間對準→封裝等工藝步驟來實現。具體流程如圖4所示。經過不斷的工藝優(yōu)化，最終實現插入損耗<1.5dB，串擾<-45dB，回波反射<-50dB，在綜合性能指標上達到了國際先進水平。

       
圖4 (a)腐蝕光纖束顯微照片；(b)光纖束端面顯微照片；(c)六維對準平臺；(d)紫外固化過程；（e）多芯光纖復用/解復用器實物圖

　　憑借高質量的多芯光纖復用/解復用器，一方面很快打開了國內國際市場，得到了客戶的青睞，并受到了清華大學、暨南大學、北京科技大學、香港理工大學、瑞典查爾姆斯大學、以及美國Chiral Photonics公司等的一致好評。

多芯光纖的應用試驗

        基于上述多芯光纖及復用器件，我們在通信傳輸方面做了一些應用的試驗工作。

        首先，針對當前空分復用大容量接入網距離短、速率低、調制格式低級，普遍采用時分復用的研究現狀，搭建了多芯光纖傳輸平臺，由光頻梳作為下行光源，調制高階格式信號，經過6個外層芯傳輸到ONU端；在ONU端，上行采用可調激光器作為光源，調制OOK信號，同樣經過6個外層芯傳輸。為了降低成本，對上下行信號采用直調直檢技術。為了兼容移動回傳業(yè)務，在中間芯傳輸移動回傳信號，并在OLT端進行相干接收，從而實現兼容移動業(yè)務的新型大容量波分/空分接入網架構（如圖5所示）。初步實現在58公里多芯光纖下行傳輸容量300Gb/s，支持60個用戶，每個用戶5Gb/s。實驗結果如圖6、圖7所示。

圖5 新型波分/空分接入網架構

圖6 下行傳輸結果

圖7 上行傳輸結果 (a) 在上行傳輸存在的條件下的下行信號傳輸結果； (b) 上行信號傳輸結果； (c) -8dBm和-15dBm接收功率時的眼圖。

　　其次，在此架構基礎上進行了優(yōu)化改進，一方面通過在接收端采用RSOA實現低成本無色ONU，另一方面采用更高級調制格式以及自適應調制增加系統(tǒng)容量。在新的架構中，下行信號在調制后經過外層5個芯傳輸到ONU端，對于上行信號的載波，通過外層第六個芯單獨進行傳輸到ONU端進行RSOA再調制后，從中間芯進行傳輸。另外，對于移動回傳信號，采用偏振復用以增加容量，速率達到48Gb/s。該接入網架構如圖8所示。實驗示意圖如圖9所示。在實驗中，由于RSOA帶寬有限，采用注水算法對其進行自適應調制OFDM信號，使其在1.25G帶寬下傳輸速率達到3.12Gb/s。最終實現下行50個用戶，單個用戶接入速率5Gb/s，系統(tǒng)容量達到250Gb/s。上行速率達到3.12Gb/s，且兼容移動回傳業(yè)務，容量達到48Gb/s。實驗結果如圖10、圖11所示。

圖8 波分/空分接入網架構示意圖

圖9 實驗示意圖
 

圖10 下行傳輸實驗結果圖
 

圖11 上行信號經過RSOA自適應調制結果示意圖

未來發(fā)展方向與展望

        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。目前基于多芯光纖的空分復用系統(tǒng)不斷得到完善，日本住友公司已經拉制出超低損耗多芯光纖，藤倉公司也拉制出22芯、30芯等更多數目的多芯光纖。復用/解復用器日益的集成化、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，空分復用技術需要找到更適合自己特點的應用場景，譬如，多芯光纖的特點之一就是空間利用率高，性能近似于多根單模光纖的同時可以節(jié)省更多空間，那么這一特點就非常適用于對空間敏感的數據中心的應用。

        隨著云計算的風靡，互聯(lián)網巨頭規(guī)劃建設了越來越多的大型數據中心，多芯光纖具有非常大的潛能，發(fā)揮用武之地。隨著移動通信技術的發(fā)展，基于移動通信網絡的豐富應用帶動了移動數據業(yè)務的大幅度增長，為了在大幅度擴容時同時滿足綠色和低成本的運營要求，5G無線網絡的頻譜效率和能量效率都需要在4G標準上提高一個數量級。而未來5G通信中關鍵技術之一就是大規(guī)模陣列天線多輸入多輸出技術（Massive MIMO），假設陣列天線由128根天線組成，信號帶寬100MHz，采用16bits量化和8b/10b編碼，則其與基帶池鏈路的數字復合速率將高達786Gbps。因此基于光纖的光載無線（RoF）傳輸技術將是未來移動通信傳輸的關鍵技術。目前國際上關于5G關鍵技術的研發(fā)開展的如火如荼，而空分復用技術將會豐富其技術方案的選擇，甚至有潛力成為其中的關鍵技術。