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专题
2021/9/23 22:55

空分复用,新一代大容量光纤通信技术

中国信科  

大数据时代,数据传输已成为社会经济发展的重要纽带。随着国家“宽带中国”、“三网融合”的政策驱动,以及互联网技术的快速发展等,使得数据传输需求量呈现出持续高速增长的态势。当前,家庭网络带宽从2010年4M发展到2021年的千兆,10年时间传输速率增长了近250倍,光纤作为光物理传输的重要媒介,在其中发挥着举足轻重的作用。截至2020年,中国已累计铺设5169万公里光缆,总长度可绕地球1292圈。

为满足日益增长的数据传输需求,光纤通信技术在不断的完善和发展。通过时分、波分、偏振复用和多级调制等技术手段,单根常规单模光纤已实现100Tb/s的高容量传输,但受到非线性噪声、光纤熔合损伤现象和放大器带宽的限制,已接近其传输的物理极限。如何进一步提高光纤的传输容量,已成为当前光纤通信技术研究的核心问题。

提高传输容量较直接的方式是增加通信线路中光纤的数量(即芯数),光缆中的光纤高密度化、小型化是有效的解决办法。目前,纤芯密度较高的光缆结构,已实现在外径仅为26.5mm的光缆中放置3456根200um的细径光纤,将管道和光缆内部空间利用率几乎发挥到了极致。虽然这种结构的光缆将纤芯密度增加了2倍,但受到现有线路资源限制,仍将难以支撑未来五年内近10倍的数据传输增长需求。

空分复用技术

在光纤传输其他维度已无法突破的情况下,空分复用技术为光纤传输系统容量提升提供了新的发展方向,将使系统传输容量提升一个数量级。空分复用技术,通过在“同一条路”增加“车道”数量的方式,达到数倍承载“车”流量的效果。空分复用技术目前可分为以下三种信道处理方式:

(1)多芯光纤技术。在同一根光纤包层结构内设计多个纤芯,每个纤芯相当于一个独立的传输单元,实现在同一根光纤内,多个信号沿着不同的纤芯独立传输。中国信科集团旗下烽火通信的19芯单模光纤,单根光纤实现了1.06Pbit/s的系统传输,传输容量是常规单模光纤的10倍以上。

烽火19芯单模光纤及其系统传输

(2)少模光纤技术。在同一根纤芯范围内增加光纤芯径,光信号在较大芯径的纤芯内传输时,能够实现不同的空间模式传输。少模光纤的主要思路是在纤芯结构中设计多环折射率结构,对激发的不同模式进行调整,使所激发的模式实现信号传输,每个模式相当于一个信号组。通过该种方式,单根光纤的传输容量可增大数十倍。

(3)多芯少模光纤技术,是将前两者进行组合。将空间复用和模式复用两种维度集中到一根光纤上,在同一根光纤上实现更多的信号传输通道。例如,烽火与国内高校合作开发出的7芯4模光纤,单根光纤的通道数量相当于常规单模光纤的28倍,可以极大提高光纤通信容量。

烽火7芯4模多芯少模光纤及LP11模式传输3km后模斑

空分复用技术面临的问题及解决办法

空分复用技术,理论上通过空间与模式的多维度复用,可以在原来的基础上将单根光纤的传输容量提升数十倍,有望解决未来数据传输容量危机,是超大容量光纤技术的发展方向,但该技术目前仍然面临着许多问题亟需解决。

(1)多芯光纤芯间串扰问题。由于多个信号通过不同的纤芯在同一个包层结构中传输,某个纤芯中的信号易发生横向耦合,进入到相邻的纤芯中,造成传输信号的干扰,导致光信号传输质量的劣化。目前,国内外已有相当多的研究,较为常见的解决办法是在纤芯周围设计空气孔或者较深的折射率下陷沟槽,通过纤芯周围的折射率深下陷或者空气孔结构,提升纤芯对光信号的束缚能力,减小光信号的横向传输,从而抑制纤芯信号干扰。通过沟槽辅助,烽火的7芯光纤芯间串扰已达到≤-45dB/(100km)的水平,对实际链路传输的影响较小。

(2)熔接损耗问题。对多芯光纤或者少模光纤而言,光纤熔接过程中各纤芯之间的模场直径、折射率存在差异,纤芯截面不圆、位置偏差等因素,都会导致光纤在熔接过程中存在较大的熔接损耗。对于该问题,较为有效的解决办法,一是通过提升光纤结构尺寸精度以及一致性,增加熔接过程中纤芯位置的对准精度,减小熔接损耗;二是通过多芯光纤专用熔接机进行熔接,该熔接机采用侧面成像方式,将多芯光纤端面成像,通过两端光纤位置定位,计算并通过对轴旋转,实现纤芯与纤芯的高精度对准,可进一步减小光纤的熔接损耗。

(3)网络节点的信号处理问题。多芯光纤在使用过程中需要将多芯光纤与多根单模光纤进行连接,实现多路信号的接收。解决方式为通过扇入扇出的耦合器件,一端为多芯光纤,另一端为对应芯数的多根常规单模光纤进行互连。目前,国内已有部分高校及企业具备该种耦合器件的制备能力,单芯损耗可控制在1.0dB左右。

结语

空分复用技术符合光纤通信发展趋势,是光纤通信技术领域的一次重大创新,是下一代光通信技术的发展方向之一。烽火积极响应国家政策,依托数十年的技术积累,先后承接了国家“863”、“973”项目,国家重大研发计划项目,湖北省科技计划项目等,对空分复用技术展开系统专项研究,致力于推进多芯、多芯少模光纤的大容量通信技术发展。未来,烽火将持续创新,持续加大研发投入,继续深挖光纤潜力,为我国和全球光通信事业的发展,作出新的贡献。

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