​多芯光纤的特性及关键技术 | 光电通信

摘要：随着多媒体、5G和大数据等业务的飞速发展，光纤通信网作为数据传输的主干线，扩展其系统容量，提升带宽以及光网络智能化进程势在必行。以空分复用技术为基础的多芯光纤的研究和配套系统的发展被认为是解决目前系统容量限制，构建下一代光通信网络的关键。本文分析了多芯光纤结构参数对传输性能的影响，阐述了多芯光纤用于空分复用系统传输的研究现状，并指明了未来多芯光纤研究的关键技术应集中在降低芯间串扰、提升系统容量，以及增加系统兼容性等方面。

关键词：空分复用；多芯光纤；芯间串扰；系统容量

一、引言

近年来，随着超清视频、云计算和5G等业务的蓬勃发展，网络带宽需求的增长日益加速。根据Cisco公司预测，2015至2020年全球 IP 流量将增长3倍，并在2020年达到每月194 EB，其中移动终端数据流量的年均复合增长率更高达53%。光纤通信技术和光网络作为支撑整个互联网的核心技术与基础设施，从20世纪 80年代开始,经历了时分复用、波分复用和相干光通信等数代发展，目前的商用光通信系统能够实现基于双偏振复用、正交相移键控（quadrature phase shift keying，QPSK）调制和相干检测的单波长100 Gbit/s速率和单纤约10 Tbit/s传输容量。

未来，随着400 Gbit/s和1 Tbit/s等超100 Gbit/s高速光传输技术的演进和发展，通过提高电信号波特率，引入高阶调制格式，例如正交幅度调制（quadrature amplitude modulation，QAM）以及扩展光纤 C+L 波段传输窗口等方式，可以进一步提高单纤传输容量。但是，单芯光纤（SCF）的传输容量正在迅速趋近其物理极限，未来数年内，光网络传输能力的增长乏力与互联网业务的带宽饥渴之间的矛盾将导致带宽危机（capacity crunch），这已经成为光通信业界亟待解决的一个重要问题。而基于空分复用的多芯光纤（multi-core fiber， MCF）可在不增加光缆铺设空间和费用的情况下实现对光纤的扩容，能很好地克服SCF 传输容量的限制。同时，通过改进调制格式和增大光纤的有效面积还能进一步提高多芯光纤的传输容量，这将对未来的光传输系统产生巨大影响。 

文中从多芯光纤特性、多芯光纤用于空分复用系统传输以及未来多芯光纤研究的关键技术等三个方面对多芯光纤的特性及关键技术进行探讨分析。

二、多芯光纤特性

1、多芯光纤结构参数对传输性能的影响

多芯光纤的结构参数设计和性能是影响光纤传输性能的关键因素。当多芯光纤的芯间距较大时，芯子间的耦合较弱，多芯光纤的多个芯子可用作相对独立的信道，传输不同的光信息，这种光纤称为弱耦合多芯光纤，多用于空分复用光传输系统。然而，该类型多芯光纤用于长距离传输时，芯间串扰不可避免地成为制约其传输效率的主要因素。当串扰较大时，光纤传输距离受限，而且在接收端信号损伤严重，难以恢复，影响通信质量。研究表明，只有当芯间串扰值低于-30 dB/100 km 时，才能满足大容量长距离光纤传输系统的要求。因此，如何降低芯间串扰成为传输型多芯光纤必须解决的重要问题。根据功率耦合理论，多芯光纤的芯间串扰定义为:

                                                         

  （1）

式中：h_mn为m、n两个芯子的平均功率耦合系数；L为传输距离。当纤芯为同质结构时：

                               

（2）

式中：R为弯曲半径；Λ为芯间距；k_mn为两芯子的耦合系数；β_m为芯子中模式的传输常数。由公式（2）可知，降低芯间串扰，需要增大芯间距和增加芯子之间的差异性来减小耦合系数。

除了抑制芯间串扰之外，多芯光纤的设计还要考虑其他参数。例如，光纤模场面积（Aeff）以及纤芯复用因子。研究表明，对于传输型光纤，模场面积的增加可以有效减小非线性效应，从而提升系统的光信噪比，具有大模场面积的多芯光纤有利于更长距离的传输且增加了传输系统基带的宽度。光纤模场面积的计算公式为:

                             （3）

式中:E为基模的电场强度。

此外，在实际应用中，研究者希望在一定的光缆铺设体积内能容纳尽可能多的芯子以提升传输容量。因此，在设计传输型多芯光纤时，不能单独为了降低芯间串扰而大幅度增加芯间距。纤芯复用因子（CMF）用于定义单位面积内光纤模场的大小，是衡量多芯光纤空间复用度的重要参数。其计算公式表示为[9]:

                              （4）

式中:N为芯子的个数; D为包层直径。

由上述分析可知，当各纤芯参数相同时，更小的芯间串扰与更大的纤芯复用因子往往是不可兼得的。因此，在设计传输型多芯光纤的过程中，需要在芯间串扰、模场面积以及纤芯复用因子三者间做相应的权衡，根据实际需要来设计并优化多芯光纤。

图1  典型的多芯光纤纤芯结构分布

典型的MCF 纤芯结构分布如图 1所示，主要包括中心密集对称型、单环型、双环型和四边形等。通过新型MCF 结构设计，能够在控制芯间串扰的条件下增加纤芯复用数量，但提升纤芯数量和芯间距将导致包层直径的增加，降低多芯光纤的机械性能与制造可靠性。因此，目前可实用化MCF 的最大纤芯复用数量为30~50 芯。通过在MCF 折射率设计中采用沟道辅助或者空气孔辅助结构，能够大幅降低 MCF 的芯间串扰，从而减小芯间距，提高 MCF 的纤芯密度。

2、沟槽辅助型多芯光纤

以七芯光纤为例，其折射率剖面如图 2所示。设计了一种包层直径为 215 μm，芯间距离为 40 μm的实心型多芯光纤，并通过实验得知只要增大其截止波长，保持光纤宏弯曲损耗不变，即可在不增加芯间串扰的情况下增大光纤的有效面积。实验结果证实，通过对结构进行适当的设计，使多芯光纤的宏弯曲损耗保持在1.6 dB/m （弯曲半径为10 mm），并将其截止波长设定为 1.52 μm，就可使光纤获得 104 〖μm〗^2的有效模场面积，从而提高其 纤芯整体的密集度。

图2 一种沟槽辅助型七芯光纤折射率剖面图

证实了多芯光纤的串扰与光纤结构和弯曲半径都有关。 因此，该研究团队在其设计的多芯光纤中应用槽助型折射率剖面，并利用光纤的弯曲进一步降低串扰。实验表明，沟槽辅助型折射率剖面能有效地减少芯间光耦合，可以同时实现小芯间距离和低串扰；在光纤弯曲半径为140 mm，截止波长为1.625 μm时，经过17.6 km传输后光纤的芯间串扰低于-55.5dB。

Katsuhiro Takenaga等人通过优化结构参数，设计出一种有效面积为112.4 μm²，芯间距离为43 μm，包层厚度为47.7 μm的多芯光纤，并通过实验证实了该光纤可有效避免外围纤芯的附加损耗。其衰减在1.625 μm波长时为0.21 dB/km，而在弯曲半径为10 mm 时弯曲损耗低至1.5 dB/m。此外该研究还探讨了包层厚度的减小对弯曲损耗的影响。 结果表明，当包层厚度减小为30 μm时，其弯曲损耗也不会有十分明显的增大，但这可能会使外围纤芯的附加损耗有所增加。

3、空气孔辅助型多芯光纤

空气孔辅助型多芯光纤是在纤芯四周的包层中安排了多圈空气孔而成，其截面如图3所示。调节孔的直径和排列位置就能够对光纤的有效折射率进行调整。包层中的孔使得光纤具有较高的折射率差而显著减小弯曲损耗，弯曲损耗随着孔直径的增加而按指数规律减小。在相同的截止波长下，空气孔辅助型MCF比实心MCF能实现大的有效面积和小的芯间距，使光纤具有高芯密度，并能减少芯间串扰。7芯MCF的空气孔直径d与孔间距Λ之比d/Λ设置为0.43，可实现宽带单模传输；若芯间距在5层空气孔以上，则7芯的传输损耗在1550 nm可小于0.01 dB/km。在Λ= 5 μm时可实现500至1700 nm的宽带单模传输，并具有低的弯曲损耗，每芯的有效面积在35 μm²至42 μm²之间。经实验测试，1 km传输后两芯之间的串扰低于-60 dB，预计经100 km传输后，串扰可低于-35 dB。

图 3  一种空气孔辅助型多芯光纤界截面示意图

三、多芯光纤用于空分复用系统

近年来，利用基于空分复用技术的多芯光纤性能已在超高容量长距离传输中得到验证。采用具有低芯间串扰的MCF，可以使空间信道的解复用不再需要采用额外的信号处理技术，从而达到简化链路复杂度和系统扩容的目的。

在ECOC 2011上，美国OFS实验室报导采用两段总长为76.8 km的7芯单模MCF，每波长传输速率为107 Gbit/s的PDM-QPSK（偏分复用-正交相移键控）信号，传输总容量56 Tbit/s （7×80×107 Gbit/s），如图4所示。后将复用波长数翻倍，每芯注入160个波长，波长间隔50 GHz覆盖C+L带，总容量达到112 Tbit/s，频谱总效率达到了14（bit/s）/Hz的新高。

图 4  16.8 km七芯光纤SDM传输109 Tbit/s示意图[10]

设计和制造的大模场面积MCF能匹配目前的多模光纤并有宽广的带宽。在中心直径 62.5 μm区域有许多单模纤芯，呈密集对称型分布。芯包有效折射率差2.5%，为保持单模工作，芯径小于5 μm。发现单模纤芯之间的间距阈值为20 μm，如果大于该值，则芯间耦合系数非常小，可终止高阶模在该光纤中传输。并且制造了三种类型MCF：单环，芯间距28.75 μm，共7芯；双环，芯间距14.375 μm，共19芯；以及三环，芯间距9.583 μm，共37芯。实验证明，37芯MCF模式耦合最强，带宽最小，带宽距离积仅1.1 GHz.km。在实际系统链路中，19芯光纤相对是一个更好的选择，它有大到3.3 GHz.km的带宽距离积，是传统变折射率多模光纤的6.5倍。

介绍了一种密集对称型排列的7芯渐变折射率多模MCF应用于空分复用系统，如图5所示。用多模TMC和850 nm VCSEL光源，7芯传输70 Gbit/s（7×10 Gbit/s）超过100 m。其中，每个纤芯具有相似的折射率剖面，芯径为26 μm，并且支持少模，芯间距为39 μm，包层直径125 μm。精确的折射率剖面和小芯径，使多模MCF具有大的带宽和小的模式噪声，允许高速传输。

图5 7芯多模MCF用于空分复用系统[17]

用7芯密集对称型排列的单模MCF建立了适于PON的平行传输架构，双向平行传输7个1310 nm上行和7个1490 nm下行2.5 Gbit/s信号11.3 km后，将多芯光纤的每个纤芯连接1×64光纤分路器，共实现接入448个用户的目标。其中，每个纤芯半径为8 μm，芯间距为38 μm，包层直径130 μm，丙烯酸树脂涂覆层直径250 μm。当所有纤芯工作在误码率（BER）小于10-11时，光纤在1490 nm处的串扰功率代价为外层芯0.8 dB，中心芯1.7 dB；当6个外层芯同时工作时，中心芯的串扰为-17.4 dB；而在仅中心芯子工作时，外层芯的串扰约为-24 dB。

采用10波长50 GHz间隔，每波长承载128 Gbit/s PDM-QPSK信号，并利用SDM技术在76.8 km长的低串音7芯单模光纤上采用35次循环实现多跨距共2 688 km的信号传输，其总的频谱效率-距离积为40 320 km·（bit/s）/Hz，循环传输框图如图6所示。

图 6  76.8 km七芯光纤35次循环SDM传输2688 km示意图[19]

四、未来多芯光纤研究的关键技术

多芯光纤的设计优化以及在空分复用系统中的应用在近年来发展迅速并取得了很多突破。不过，未来多芯光纤实际应用于光网络链路中仍面临许多问题。其中，以降低多芯光纤芯间串扰、提升系统容量以及增加系统兼容性为主要研究目标。

1、降低芯间串扰

由于多芯光纤的芯间距离一般很小，因此纤芯里的光信号会发生较强的光耦合而产生噪声串扰，这会严重影响光纤的传输性能。要降低芯间串扰，最直接的方法是增大芯间距离，但这会使纤芯密集度和传输容量变小，而且考虑到制造工艺和成本，通过增大芯间距离来降低串扰这种方法并非最佳选择。在研究芯间串扰时，所用方法应要能同时兼顾芯间串扰、传输损耗和容量等问题，并能很好地应用到长距离高容量的多芯光纤数据通信中。

目前，已有不少可用于降低芯间串扰的方法，如使用 MIMO 技术对光信号进行处理以解决串扰问题。不过，MIMO 技术需占用较多计算资源，而且在一个含有大量光分插复用器的全光网络中，不同传输链路会产生不同的芯间串扰分量，接收信号会受到各个串扰分量的共同影响，这会使利用 MIMO 技术解决芯间串扰的过程变得十分困难。

另外，有研究指出通过求解耦合模方程，并利用同步多信道光时域反射仪，可获得多芯光纤的光耦合情况，以计算出整体芯间串扰的分布结果。基于这种方法，在未来的芯间串扰研究中人们可以根据精确计算得到的芯间串扰分布结果，提出更有效、更具针对性的串扰解决方案。

2、提升系统容量及兼容性

提升空分复用系统传输容量最直接的方法是提高多芯光纤的纤芯数目以及每个纤芯的传输模式等。利用少模光纤与多芯光纤相结合的技术，可以研制出少模-多芯光纤（Few-mode Multi-core fiber， FM-MCF）。少模-多芯光纤可以通过每个纤芯传输几个模式来增加多芯光纤的复用度，从而提升系统容量。在增加系统兼容性方面，利用多芯光纤传输光信号时，需对每个纤芯进行光耦合。根据多芯光纤的结构特性，若采用空间直接对准的方法来实现光耦合，会在耦合过程中产生很大的耦合损耗。因此有必要采用其它合适的方法来实现多芯光纤的光耦合，从而减小耦合损耗，增加空分复用系统的兼容性。对此有研究指出利用扇入扇出（fan-in and fan-out）器件，可实现多芯光纤较高效率的光耦合。具体做法是在同一涂覆层下将多根包层很薄的SMF捆绑起来，并令它们分别对准多芯光纤的每个纤芯，通过一根SCF对应多芯光纤中一个纤芯的方式将光信号耦合进每个纤芯中。另外，在制作扇入扇出器件时，每根SMF都通过刻蚀来使包层直径与多芯光纤的芯间距离相当，以进一步降低耦合过程中的损耗。

与空间直接对准的方法相比，利用扇入扇出器件对多芯光纤进行光耦合，可获得更高的耦合效率和更低的耦合损耗。不过，在该方法中每根SMF与多个纤芯之间都要精确对准，否则就会因纤芯对不准而产生较大的耦合损耗。另外，当纤芯数目增多时，扇入扇出器件所需的SMF数目也会增多，而且每根SMF的包层直径需要做得更小，这会同时增大纤芯对准和制作工艺的难度，从而降低扇入扇出器件的优势。

五、结论

空分复用技术是提升光网络系统容量以及构建下一代光通信网络的关键技术，作为空分复用技术的主要载体，多芯光纤将是未来高速率大容量光网络发展的重要方向。研究表明，通过优化多芯光纤结构参数，可以有效提高其传输性能。结合多级调制、模分复用和密集波分复用等技术，能使多芯光纤传输容量得到进一步提高。另外，多芯光纤的研究仍面临巨大挑战，主要集中在降低芯间串扰、提升系统容量，以及增加系统兼容性等方面。这些问题的解决，可为多芯光纤实现超大容量超高速率光网络传输提供有力支持。