多芯光纖制備技術(shù)與應用的新進展

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

多芯光纖與空分復用技術(shù)的興起

        根據(jù)貝爾實驗室、思科公司等業(yè)界巨頭對現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡不同應用的流量增長趨勢統(tǒng)計結(jié)果，當前光纖通信網(wǎng)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(xiàn)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(jié)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(nóng)極限，即通過提高信噪比來提高高頻譜效率信號的傳輸質(zhì)量會產(chǎn)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(zhì)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(shù)，如時分復用、波分復用、偏振復用以及利用相干探測技術(shù)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(shù)(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(shù)(SDM)作為提升光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)得到了眾機構(gòu)科研學者的認同，被視作繼波分復用技術(shù)之后的光纖傳輸技術(shù)的第二次技術(shù)革命。WDM之父厲鼎毅先生對SDM給予很高的評價。

        自SDM技術(shù)被提出之后，6年來得到了歐美日等國科研機構(gòu)的高度重視，其中日本情報通信研究機構(gòu)(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(gòu)參與的EXAT項目提出2020年實現(xiàn)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(shù)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(shù)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(chǎn)業(yè)化。在美國，貝爾實驗室等科研機構(gòu)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(jié)果，并實現(xiàn)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(xiàn)場實時傳輸。

多芯光纖及其復用器件的制備技術(shù)新進展

        由于基于少模光纖的空分復用技術(shù)需要在相干接收機采用極其復雜的DSP算法，且模式相關(guān)損耗會顯著降低傳輸性能等本質(zhì)特征（且這些特征隨著傳輸距離的增加，模式復用數(shù)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(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)容量瓶頸的多芯光纖空分復用技術(shù)。

        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(wǎng)絡工程研究團隊合作，率先在國內(nèi)拉制了同質(zhì)型弱耦合7芯單模光纖。通過對7芯波導結(jié)構(gòu)的仿真計算，拉制了兩種同質(zhì)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(shù)的測試，不斷優(yōu)化工藝，最終實現(xiàn)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(nèi)在該特種光纖領域的技術(shù)空白，在產(chǎn)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(guān)重要，因為在收發(fā)兩端及網(wǎng)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(shù)的利弊之后，結(jié)合自身條件，選擇了光纖束冷接工藝的技術(shù)方法來實現(xiàn)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(xiàn)。具體流程如圖4所示。經(jīng)過不斷的工藝優(yōu)化，最終實現(xiàn)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(zhì)量的多芯光纖復用/解復用器，一方面很快打開了國內(nèi)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(wǎng)距離短、速率低、調(diào)制格式低級，普遍采用時分復用的研究現(xiàn)狀，搭建了多芯光纖傳輸平臺，由光頻梳作為下行光源，調(diào)制高階格式信號，經(jīng)過6個外層芯傳輸?shù)絆NU端；在ONU端，上行采用可調(diào)激光器作為光源，調(diào)制OOK信號，同樣經(jīng)過6個外層芯傳輸。為了降低成本，對上下行信號采用直調(diào)直檢技術(shù)。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(xiàn)兼容移動業(yè)務的新型大容量波分/空分接入網(wǎng)架構(gòu)（如圖5所示）。初步實現(xiàn)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(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 新型波分/空分接入網(wǎng)架構(gòu)

圖6 下行傳輸結(jié)果

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

　　其次，在此架構(gòu)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(xiàn)低成本無色ONU，另一方面采用更高級調(diào)制格式以及自適應調(diào)制增加系統(tǒng)容量。在新的架構(gòu)中，下行信號在調(diào)制后經(jīng)過外層5個芯傳輸?shù)絆NU端，對于上行信號的載波，通過外層第六個芯單獨進行傳輸?shù)絆NU端進行RSOA再調(diào)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(wǎng)架構(gòu)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(diào)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(xiàn)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(jié)果如圖10、圖11所示。

圖8 波分/空分接入網(wǎng)架構(gòu)示意圖

圖9 實驗示意圖
 

圖10 下行傳輸實驗結(jié)果圖
 

圖11 上行信號經(jīng)過RSOA自適應調(diào)制結(jié)果示意圖

未來發(fā)展方向與展望

        空分復用光纖通信技術(shù)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(shù)的潛能繼續(xù)挖掘，也會包括彼此之間的博弈，權(quán)衡取舍。

        從空分復用技術(shù)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(guān)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(jīng)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(shù)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(shù)、連接器、放大器都日臻完善。另一方面，空分復用技術(shù)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(shù)據(jù)中心的應用。

        隨著云計算的風靡，互聯(lián)網(wǎng)巨頭規(guī)劃建設了越來越多的大型數(shù)據(jù)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(shù)的發(fā)展，基于移動通信網(wǎng)絡的豐富應用帶動了移動數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的頻譜效率和能量效率都需要在4G標準上提高一個數(shù)量級。而未來5G通信中關(guān)鍵技術(shù)之一就是大規(guī)模陣列天線多輸入多輸出技術(shù)（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(shù)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(shù)將是未來移動通信傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。目前國際上關(guān)于5G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)開展的如火如荼，而空分復用技術(shù)將會豐富其技術(shù)方案的選擇，甚至有潛力成為其中的關(guān)鍵技術(shù)。