用于大容量光傳輸系統(tǒng)的新型光纖

李明軍，陳 皓

（1.康寧股份有限公司科學(xué)技術(shù)部SP-AR-02-2 美國紐約州康寧 14831；2.康寧光通信中國公司 上海 200233）

1 引言

自1970年第一根損耗低于20 dB/km的光纖面世以來[1]，光纖和傳輸系統(tǒng)在過去的40多年得到迅速發(fā)展。光纖、器件和系統(tǒng)技術(shù)都極大地增加了傳輸容量。數(shù)據(jù)顯示，單根光纖的傳輸容量每4年就會增加大約10倍[2]。

長距離傳輸系統(tǒng)經(jīng)歷了4個發(fā)展階段。第一代光纖通信系統(tǒng)采用多模光纖（MMF）和波長為850 nm的LED光源[3]。多模光纖的優(yōu)點是纖芯較大且數(shù)值孔徑較高，可以方便地把信號光源耦合進光纖，光纖直接連接和熔接相對容易。但多模光纖的模間色散限制了傳輸帶寬。

消除模間色散的一種方法是用單模光纖代替多模光纖。20世紀70年代后，隨著半導(dǎo)體激光器的發(fā)展[4,5]，光纖長波長傳輸窗口的應(yīng)用[6,7]以及單模光纖熔接技術(shù)的進步[8,9]使得單模光纖傳輸系統(tǒng)成為可能。第二代光纖通信系統(tǒng)采用標準單模光纖和1 310 nm波長的單模激光器，標準單模光纖在1 310 nm波長區(qū)域的衰減比850 nm波長小，它的另一個優(yōu)勢是色散幾乎為0[10～14]。

單模光纖的工作窗口中衰減最低在1 550 nm波長，但該波長窗口中的色散非常大（+17 ps/(km·nm)），限制了高速率系統(tǒng)的傳輸距離。為充分利用該窗口衰減最低這一優(yōu)勢，光纖廠商開發(fā)了一種新型光纖，即色散位移光纖（DSF），該光纖實現(xiàn)了1 550 nm波長區(qū)域最小的色散值[15～21]，可以使用光譜寬度為數(shù)納米的激光器，從而實現(xiàn)了工作波長為1 550 nm的第三代光纖傳輸系統(tǒng)。

色散位移光纖在1 550 nm附近優(yōu)化了色散參數(shù)以滿足單信道傳輸要求。在該光纖被廣泛應(yīng)用于實際通信系統(tǒng)之前（20世紀80年代后期），摻鉺光纖放大器（EDFA）[22,23]和波分復(fù)用（WDM）[24]技術(shù)的出現(xiàn)使多信道傳輸?shù)牡?代大容量光纖傳輸系統(tǒng)成為可能。很快人們就發(fā)現(xiàn)，色散位移光纖的色散值在1 550 nm時不適合波分復(fù)用傳輸[25]，這是因為四波混頻的非線性效應(yīng)在色散為零時最強[26]，導(dǎo)致兩個相鄰信道間的串話干擾非常強烈。為減少四波混頻效應(yīng)，需要有一定數(shù)量的色散。另一方面，色散應(yīng)該盡量小，以減少色散對傳輸?shù)南拗?，因此提出了非零色散位移光纖（NZDSF）的概念[27～30]。非零色散位移光纖在1 550 nm處的典型色散值為3～8 ps/(km·nm)，有效面積約 50μm2。由于非線性效應(yīng)與光纖有效面積成反比，增加光纖有效面積可減少非線性效應(yīng)，因此光纖廠商通過優(yōu)化光纖折射率分布，設(shè)計開發(fā)出有效面積約為72μm2的大有效面積光纖[31～34]。目前，非零色散位移光纖已經(jīng)被廣泛敷設(shè)在全球高容量波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中。

波分復(fù)用技術(shù)通過增加波長信道數(shù)量來增加傳輸容量，提供了一種擴展系統(tǒng)容量的新方法。在波分復(fù)用技術(shù)發(fā)展的同時，信道速率也在不斷提高以滿足日益增長的帶寬需求。使用強度調(diào)制和直接檢測技術(shù)，信道速率可以從2.5 Gbit/s提高到10 Gbit/s，最高可以實現(xiàn)40 Gbit/s。隨著信道速率的不斷提高，相干通信技術(shù)近年來受到大量關(guān)注[35]。相干檢測允許進行兩個自由度的信息編碼，從而增加每個信道的信息量。它還把數(shù)字信號處理（DSP）功能集成到相干接收機中成為數(shù)字接收機?；谙喔蓹z測技術(shù)，發(fā)展出很多先進的調(diào)制格式[36]，如二進制相移鍵控（BPSK）、正交相移鍵控（QPSK）、8位相移鍵控（8PSK）、16位正交振幅調(diào)制（16QAM）和更高等級的調(diào)制格式，實現(xiàn)單信道容量超過100 Gbit/s。數(shù)字信號處理和相干檢測可以補償對色散和偏振模色散帶來的損傷，該技術(shù)已經(jīng)改變了光纖設(shè)計方向，使光纖向更低損耗和更大有效面積的方向發(fā)展，以減少非線性傳輸損傷。

短期內(nèi)可以通過改進傳統(tǒng)光纖技術(shù)來增加系統(tǒng)容量，但研究表明，單模光纖的傳輸容量正在接近香農(nóng)理論極限[37]。采用空分復(fù)用（SDM）技術(shù)可克服這一限制，為未來光纖的容量增長提供新的解決方案[2]。實現(xiàn)空分復(fù)用的方法有兩種：一種是使用多芯光纖（MCF），另一種是使用少模光纖（FMF）?？辗謴?fù)用為光纖傳輸系統(tǒng)提供了一個新的發(fā)展方向，有可能使系統(tǒng)容量增加一個數(shù)量級。用于空分復(fù)用系統(tǒng)的多芯光纖和少模光纖是當前光纖研究的熱點。

雖然多模光纖在長距離傳輸中被單模光纖所取代[38]，但它仍然是短距離數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的首選，因為多模光纖降低了光源成本，提供了光纖熔接和連接之間的高效耦合。在過去的10多年中，多模光纖和850 nm的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）已成為短距離高速率數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)[39,40]中的主導(dǎo)技術(shù)。多模光纖一般應(yīng)用于局域網(wǎng)（LAN）和數(shù)據(jù)中心，提供比銅纜更高的傳輸數(shù)據(jù)速率或更遠的傳輸距離，同時，價格便宜的VCSEL光源使整個系統(tǒng)的成本降低。多模光纖應(yīng)用的快速增長得益于計算機連接、數(shù)據(jù)存儲和本地通信的發(fā)展，包括鏈接到互聯(lián)網(wǎng)的高速率數(shù)據(jù)要求。目前，服務(wù)器虛擬化、云計算和速度更高的端口使數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)速率達到40/100 Gbit/s，甚至?xí)_到400 Gbit/s。多模光纖一直在改善其帶寬性能，以滿足更高速率和更長傳輸距離的需求。

本文將主要研究新型光纖在增加長途和短途傳輸系統(tǒng)容量方面的發(fā)展情況。首先討論超低損耗和大有效面積光纖在高容量長途波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用，然后介紹多模光纖在大容量短途應(yīng)用中的最新發(fā)展，最后討論使用空分復(fù)用技術(shù)增加光纖容量的新型多芯光纖和少模光纖。

2 用于長途系統(tǒng)的超低損耗和大有效面積光纖

相干檢測和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展可補償光纖色散引起的傳輸損傷，使得光纖衰減和有效面積成為大容量長途傳輸光纖的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，這也極大地簡化了光纖的設(shè)計。

光纖的衰減包括本征損耗（如瑞利散射αRS、紅外吸收αIR以及紫外吸收αUR）和附加損耗（如過渡金屬吸收αTM、OH離子吸收αOH以及波導(dǎo)缺陷導(dǎo)致的散射αIM和光纖彎曲導(dǎo)致的損耗αBL），計算式表示如下：

光纖預(yù)制棒生產(chǎn)過程中使用高純化學(xué)材料的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，可以基本消除過渡金屬導(dǎo)致的污染，使用氯氣干燥可以將OH離子的濃度降至最低。波導(dǎo)缺陷損耗是由纖芯和包層邊界的幾何尺寸波動引起的，此波動主要來自制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。而殘余應(yīng)力又取決于纖芯和包層之間的粘度差異以及光纖拉絲過程中的張力，減小纖芯和包層之間的粘度差異可以降低應(yīng)力[41]。對于光纖的本征損耗，最重要的是瑞利散射損耗。瑞利散射損耗αRS與密度波動αρ和濃度波動αc二者相關(guān)[42]：

密度波動αρ取決于假設(shè)溫度Tf（假設(shè)溫度是指玻璃和過冷卻液二者結(jié)構(gòu)相同時的溫度），計算如下：

其中，λ為入射光波長，p為光彈系數(shù)，n為折射率，kB為玻耳茲曼常數(shù)，βT為等溫壓縮系數(shù)。濃度波動αc用式（4）表示：

由于瑞利散射主要由冷卻時的密度波動引起，與假設(shè)溫度Tf成正比。需要盡可能減少Tf以減小瑞利散射，增加結(jié)構(gòu)弛豫。因為瑞利散射損耗與GeO2濃度成正比，降低纖芯處的GeO2摻雜水平可以減少濃度波動，因此纖芯最好使用純二氧化硅材料[43,44]。

光纖宏彎和微彎損耗是影響光纖衰減的重要因素，對于大有效面積的光纖更為明顯。為在增加有效面積的同時保持良好的彎曲性能，需要精心設(shè)計纖芯折射率剖面。有效面積、光纜截止波長和彎曲損耗是光纖設(shè)計時需主要考慮的3個因素。圖1顯示了可用于低損耗和大有效面積光纖的3個剖面結(jié)構(gòu)。

首先通過最簡單的階躍折射率設(shè)計來理解這些參數(shù)的相互關(guān)系，該設(shè)計的大致思路如圖1(a)所示。階躍折射率剖面結(jié)構(gòu)主要有兩個參數(shù)：相對折射率變化（纖芯）和纖芯半徑。為增加有效面積，需要增加纖芯半徑，但同時必須減少纖芯，以保持光纜截止波長低于最小工作波長，如1 550 nm工作窗口的截止波長為1 530 nm。由于光纜截止波長的限制，當有效面積增大時，彎曲損耗也會增加。宏彎損耗通常會指定一個上限，如直徑60 mm的光纖繞100圈時附加損耗小于0.5 dB，或者根據(jù)特定需求的其他彎曲直徑下的彎曲損耗。對于階躍折射率結(jié)構(gòu)而言，受光纜截止波長和宏彎損耗的限制，可以實現(xiàn)的光纖最大有效面積約為 110 μm2。

為了進一步增加有效面積，可采用如圖1(b)和圖1(c)所示結(jié)構(gòu)，在光纜截止波長低于1 530 nm的同時，采用下陷包層或低折射率溝槽（trench）以抑制宏彎損耗。圖2所示為圖1(b)所示結(jié)構(gòu)在1 550 nm時測得的彎曲損耗與有效面積的關(guān)系。當彎曲直徑為30 mm時，彎曲損耗在有效面積大于130μm2時開始迅速增加，而對于40 mm的彎曲直徑，有效面積達到175μm2時彎曲損耗才會開始增加。

微彎損耗是限制光纖有效面積的另一個因素[45]。如果使用標準單模光纖（G.625）的涂層，根據(jù)參考文獻[46]，由于微彎損耗增加，有效面積最大只能為120μm2。微彎損耗是波導(dǎo)上高頻縱向擾動引起的衰減，這種擾動使纖芯中基模的能量耦合達到包層高階模，并消失在外部介質(zhì)中[47]。Olshansky把玻璃和涂層作為一個復(fù)合系統(tǒng)，總結(jié)出微彎損耗與如下因素相關(guān)[48]：

其中，a為纖芯半徑，b為包層半徑，Δ為纖芯的相對折射率，E為玻璃外面涂層的彈性模量。前面提到纖芯Δ和纖芯半徑是由有效面積和截止波長決定的，這兩個變量并不完全獨立，加在一起對微彎靈敏度的降低作用有限。因此內(nèi)涂層的模量成為減小大有效面積光纖微彎靈敏度的關(guān)鍵因素。使用更軟的內(nèi)涂層可改善外部擾動對玻璃部分的緩沖，提高微彎性能。

涂層模量對微彎的緩沖作用已通過實驗得到證實。在實驗中，不同有效面積的光纖都試驗兩個涂層，內(nèi)涂層模量分別為0.43和0.13（涂層A和B）。測得的光纖衰減值如圖3所示。當有效面積為110～115μm2時，兩個涂層的光纖衰減值是相同的。這表明，當有效面積小于115μm2時為本征衰減。當有效面積大于120μm2時，涂層A中的微彎損耗開始增加，而對于涂層B，直到有效面積達到135μm2，其微彎損耗幾乎仍保持在0的水平。因此對于大有效面積光纖，要獲得超低的衰減，需要采用模量優(yōu)化的內(nèi)涂層以減少微彎損耗。據(jù)測算，通過內(nèi)涂層的進一步優(yōu)化，有效面積將有可能達到約150μm2。

傳輸系統(tǒng)中的光信噪比（OSNR）受光纖有效面積和衰減的影響。系統(tǒng)鏈路中的光信噪比取決于各信道發(fā)射功率、光學(xué)放大器的噪聲因數(shù)、每跨距損耗以及鏈接中的跨距總數(shù)。與光纖參數(shù)直接相關(guān)的是信道發(fā)射功率和跨距損耗。信道發(fā)射功率受光纖非線性損傷的限制，和光纖有效面積Aeff與非線性折射率n2的比值相關(guān)?？缇鄵p耗與光纖衰減值系數(shù)α直接相關(guān)。為了量化大有效面積和低損耗優(yōu)點給OSNR帶來的優(yōu)勢，引入光纖品質(zhì)因數(shù)（FOM），定義如下[49]：

其中，Aeff、α、n2和 Leff分別為光纖的有效面積、衰減系數(shù)、非線性折射率和有效長度，而和 Leff,ref則分別為參考光纖的有效面積、衰減系數(shù)、非線性折射率和有效長度，L為跨距。

圖4顯示了跨距為75 km時，與有效面積Aeff與衰減系數(shù)α關(guān)聯(lián)的光纖品質(zhì)因數(shù)等高線圖[49]。圖4中的灰色小圓圈代表參考光纖的參數(shù)。此處的參考光纖為典型的標準單模光纖，其衰減值為0.2 dB/km，有效面積為80μm2。從圖4中可觀察到，在0.179 dB/km和0.178 dB/km之間出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，這是因為只有純硅纖芯光纖，而不是傳統(tǒng)的摻鍺光纖才能實現(xiàn)衰減值小于或等于0.178 dB/km，這兩種光纖的非線性折射率n2不同。圖4表明，通過增加光纖有效面積或減小光纖衰減值可實現(xiàn)較高的光纖品質(zhì)因數(shù)。以這個75 km跨距為例，降低衰減值至0.162 dB/km、增大有效面積至145μm2的超低損耗光纖可實現(xiàn)品質(zhì)因數(shù)增加超過5 dB。對于較長的跨距或無中繼長鏈路，超低損耗顯得更為重要。分析表明，相對于有效面積為80μm2的參考光纖，衰減值減少量為-0.035 dB/km，等效于跨距分別為50 km、75 km及100 km所對應(yīng)光纖的有效面積需要分別增加 34 μm2、55 μm2和 83 μm2。

光纖品質(zhì)因數(shù)可以量化超低損耗和大有效面積光纖的優(yōu)勢，近年一些100 Gbit/s的傳輸實驗也演示了這些光纖的性能[49～55]。表1總結(jié)了7個實驗。在這些實驗中，所用光纖的衰減值為0.16～0.17 dB/km，有效面積為80～146μm2。參考文獻[49]中研究了跨距為365 km的無中繼通信系統(tǒng)，在其他實驗中，跨距為50～200 km。參考文獻[50,52]使用了有效面積管理方法，將有效面積較大的光纖放在各跨距的輸入端以減少非線性，將較小有效面積光纖放在各跨距的輸出端以提高拉曼放大的效率。最大長度為3 000～10 200 km的傳輸距離在實驗中得到了驗證，該鏈路長度可滿足陸地和海底傳輸?shù)男枨?。這些實驗結(jié)果展示了光纖性能對提高系統(tǒng)傳輸距離和系統(tǒng)性能的重要作用。

表1 低損耗和大有效面積的光纖傳輸實驗

3 用于短距離通信的新型多模光纖

快速增長的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)流量要求通過數(shù)據(jù)中心、超級計算機和電子消費產(chǎn)品對海量信息進行高速傳輸和存儲。這些應(yīng)用的距離較短，從幾米到幾百米不等，多模光纖是低系統(tǒng)成本解決方案的首選。日益增加的數(shù)據(jù)流量對多模光纖的帶寬需求也越來越高，同時，系統(tǒng)又要求多模光纖具有較低的彎曲損耗，以提高功耗冗余、空間利用率、散熱效率和整體連接以及線纜管理。在本節(jié)中，將回顧多模光纖的發(fā)展并討論高速率多模光纖新趨勢[40]。

3.1 850 nm的高帶寬多模光纖

多模光纖設(shè)計采用Δ剖面以減少模式群時延，實現(xiàn)高帶寬：

其中，r0為纖芯半徑，Δ0為纖芯的最大相對折射率變化，可以表示如下：

其中，n0為纖芯的中心折射率，n1為包層的折射率。

當選擇合適的α值時，多模光纖的模式帶寬可以在一定波長范圍內(nèi)進行優(yōu)化[56]。圖5所示為50μm多模光纖在850 nm波長α值變化1%時的帶寬分布。對于這種光纖，其理論峰值帶寬超過13 GHz·km。然而如圖5所示，帶寬對α值非常敏感。在制造過程中纖芯剖面存在的各種缺陷會限制實際帶寬。

由于光纖制造工藝和設(shè)計方面的進步，多模光纖的帶寬得到了大幅提升，以滿足新的帶寬需求。表2為不同類型的標準多模光纖。62.5μm的多模光纖具有較高的數(shù)值孔徑和較大的纖芯，可使更多發(fā)光二極管光源耦合進光纖，在短距離應(yīng)用中，可以支持10 Mbit/s乃至100 Mbit/s的速率下2 km的數(shù)據(jù)傳輸，相當于20世紀90年代初的“快速以太網(wǎng)”標準。在20世紀90年代中期，隨著1 Gbit/s的光纖以太網(wǎng)標準和低成本的850 nm VCSEL的發(fā)展，芯徑為50μm光纖的多模光纖更受歡迎。該光纖的折射率差更低，因此具有更低的模式色散和更高的帶寬，由于VCSEL具有更小的光斑尺寸和更低的數(shù)值孔徑，將激光耦合到50μm光纖不再是一個難題。因此，50μm光纖已成為1 Gbit/s和10 Gbit/s以太網(wǎng)應(yīng)用的首選光纖。50μm多模光纖從OM2（500 MHz·km）發(fā)展至 OM3（2 000 MHz·km），現(xiàn)在已發(fā)展為OM4（4 700 MHz·km）。通過更嚴格的剖面控制可以實現(xiàn)帶寬的改善，這需要進一步優(yōu)化光纖制造過程。

纖芯Δ0對可以實現(xiàn)的最大帶寬也有影響，因為帶寬與1/Δ2成正比，如圖6所示。當纖芯Δ0從1%降至0.75%時，帶寬將會加倍。但是，降低纖芯Δ0會加大彎曲損耗。這個問題可以通過減小纖芯直徑并在包層中使用低折射率溝槽來解決，下節(jié)將詳細討論這個問題。

對于使用850 nm多模VCSEL的傳輸系統(tǒng)而言，超過OM4多模光纖帶寬的意義不大，因為該系統(tǒng)會受到色散的限制。對于多模VCSEL，可以通過設(shè)計略微向左傾斜的差分模式時延（DMD）多模光纖補償部分色散[57]，或利用短的多模光纖跳線補償差分模時延傾斜[58]，后者靈活性更好，可適用于不同色散特性的VCSEL。為獲得比OM4更高的帶寬，可以使用850 nm單模VCSEL[59]或工作在色散更低的長波長區(qū)域。

3.2 彎曲不敏感多模光纖

數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用中，更傾向于使用彎曲不敏感多模光纖，因為它可以改善電源功耗冗余，優(yōu)化設(shè)計光纜、硬件和設(shè)備，以節(jié)約更多的空間，頻繁更換時更便捷，具有更好的冷卻效率以及更方便的整體連接和線纜管理。

如圖7所示為一個彎曲不敏感多模光纖的折射率剖面設(shè)計[60]。纖芯為漸變折射率，包層有一個低折射率溝槽。溝槽減小了包層區(qū)域模式的光功率，從而提高了其彎曲性能。纖芯Δ和溝槽大小都經(jīng)過精心設(shè)計，以平衡彎曲性能及與標準多模光纖的兼容性。溝槽的位置對實現(xiàn)高帶寬非常重要，合適的位置可以糾正外模群時延。通過合理設(shè)計纖芯和溝槽，高帶寬OM4多模光纖可以實現(xiàn)低彎曲損耗。如圖8所示為850 nm波長處測得的彎曲損耗對比，彎曲不敏感多模光纖的彎曲損耗比不加溝槽的標準多模光纖低了10倍以上。

表2 不同類型多模光纖的帶寬和鏈路距離

3.3 長波多模光纖

隨著850 nm多模光纖的帶寬達到OM4水平，因光收發(fā)器使用的VCSEL的線寬較大，色散成為高速率和長鏈路的限制因素。有兩種方法可以增加速率或距離：使用單模光纖，或仍使用850 nm多模光纖，但采用長波長單模激光器，以限制進入850 nm多模光纖的模式[61]。缺點是激光到光纖的耦合過程需要高對準精度，將導(dǎo)致高封裝成本，提高了光學(xué)收發(fā)器的成本。

一種解決方案是使用長波長優(yōu)化的高帶寬多模光纖（980 nm/1 060 nm或1 310 nm）與長波光源結(jié)合（如長波VCSEL），集成為硅光子（SiPh）收發(fā)器。長波多模光纖系統(tǒng)保留了常規(guī)850 nm多模光纖低耦合損耗和無源對準的優(yōu)點。同時該光纖的色散和衰減值在長波長處更低。圖9更明顯地展示了這一點，展示了色散和損耗隨波長的變化。在1 060 nm波長處色散和損耗都減少了2倍以上；1 310 nm時色散幾乎為0，而損耗僅是850 nm時的1/5。低損耗和低色散的高帶寬光纖可實現(xiàn)更高的速率和更長的傳輸距離。近年來已經(jīng)實現(xiàn)了多個25 Gbit/s的傳輸系統(tǒng)，通過850 nm多模光纖與1 310 nm硅光子收發(fā)器結(jié)合（820 nm）[62]，或通過多模光纖與1 060 nm VCSEL收發(fā)器的結(jié)合（超過500 m）[63]而實現(xiàn)，這些都表明了長波多模光纖的傳輸優(yōu)點。

3.4 多模光纖的用戶應(yīng)用和短距離網(wǎng)絡(luò)

光纖到戶（FTTH）的日益發(fā)展，給光通信帶來了短距離消費電子連接或家庭網(wǎng)絡(luò)方面的新機會。對于光纖設(shè)計而言，用戶互聯(lián)是一種全新的應(yīng)用領(lǐng)域，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心之類的應(yīng)用相比有很多不同的要求。此類應(yīng)用除了帶寬外，光纖的總損耗即使在未完全對準的情況下也能保證最小，這樣可以使用廉價的光學(xué)元件和低成本裝配過程，因此要求光纖進一步降低彎曲損耗，并在小半徑彎曲條件下也能保證有較高的機械可靠性。

增加光纖的纖芯直徑和數(shù)值孔徑有利于提供失配容限。通過對850 nm VCSEL的10 Gbit/s[64]的高速連接的大量分析（如圖10所示），當數(shù)值孔徑增加到約0.3且纖芯直徑增加到約80μm時，連接損耗發(fā)生明顯改善。進一步增加纖芯直徑或數(shù)值孔徑的作用卻非常小，這是因為，雖然發(fā)射機和連接器中的耦合得到改進，但當聚焦光會聚于光電二極管接收機上時，耦合效率會降低。當纖芯直徑為80μm且數(shù)值孔徑為0.3時，總鏈路損耗約為6.2 dB；而使用50μm纖芯直徑和0.2數(shù)值孔徑的標準多模光纖，其總鏈路損耗則為11.5 dB。

為了使光纖能承受用戶操作要求，尤其是在約3 mm直徑瞬態(tài)短期急彎條件下，小直徑的光纖設(shè)計可以減小彎曲處施加的應(yīng)力，增加幾個量級的使用壽命。研究表明，彎曲直徑為3 mm時，100μm光纖的使用壽命相比125μm光纖提高了約4個量級。

高數(shù)據(jù)傳輸速率需要光纖具有漸變的折射率纖芯，因為階躍折射率纖芯不能達到足夠高的帶寬和支持大于10 Gbit/s的長距離傳輸。在包層中加入一個低折射率溝槽有利于同時實現(xiàn)高帶寬和低彎曲性能，如第3節(jié)討論所示。2%的纖芯Δ結(jié)合低折射率溝槽，可實現(xiàn)3 mm彎曲直徑的損耗降低到1 dB量級，已經(jīng)實現(xiàn)在50 m鏈路上10 Gbit/s的傳輸功率損失小于1 dB[64]。

4 光纖的空分復(fù)用系統(tǒng)

空分復(fù)用（SDM）是滿足未來容量增長的重要方式。然而，傳統(tǒng)的單?；蚨嗄９饫w并不適合于這種應(yīng)用。需要開發(fā)如多芯光纖（MCF）和少模光纖（FMF）的新型光纖。本節(jié)將討論兩種類型的光纖，總結(jié)應(yīng)用這種光纖的空分復(fù)用技術(shù)的最新進展。

4.1 少模光纖

多模光纖的模分復(fù)用（MDM）不是一個新概念。在光纖發(fā)展初期，就已經(jīng)認識到使用不同模式進行獨立信道傳輸?shù)目赡苄?。首次模分?fù)用的展示是通過常規(guī)多模光纖進行了10 m的短距離傳輸，這么短的距離主要是受到模式耦合的限制[65]。無線通信中多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的成功應(yīng)用，推動了MIMO在光纖通信中的研究進展[66]。多輸入多輸出技術(shù)能夠解決模式耦合問題，增加傳輸距離和容量，但需要更復(fù)雜的解碼技術(shù)和數(shù)字信號處理能力。傳統(tǒng)50μm纖芯直徑1%纖芯Δ的多模光纖有100多個模式，如進行長距離傳輸需要復(fù)雜的數(shù)字信號處理。目前研究工作一直集中在少模光纖傳輸系統(tǒng)上。對于少模光纖傳輸，差分模式群時延（DMGD）越小越好，以降低解碼復(fù)雜度。同時使用大有效面積光纖也可以減小非線性影響。

如圖11所示為少模光纖的折射率剖面結(jié)構(gòu)。圖11(a)為階躍折射率結(jié)構(gòu)，圖11(b)為漸變折射率結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)可以通過式(7)所述的α剖面函數(shù)進行說明。對于階躍折射率剖面，α值趨于無限。階躍折射率的設(shè)計很簡單，模數(shù)由纖芯Δ0和纖芯半徑r0確定，但很難把一根光纖的C波段和L波段設(shè)計成小DMGD。漸變折射率剖面具有形狀因子α，增加了一個自由度。通過控制α值，可獲得較低的DMGD[67]。為了改善光纖的彎曲性能，可以在包層中加入低折射率溝槽，如圖11(c)所示。低折射率溝槽不僅可以降低光纖的彎曲損耗，如果對溝槽位置進行優(yōu)化，也可以減少外部模式群時延，其原理和參考文獻[60]中所述的彎曲不敏感多模光纖一樣。

采用漸變折射率剖面設(shè)計結(jié)構(gòu)，理論上可以得到非常低的DMGD，如圖12所示為不同纖芯Δ值下最優(yōu)α剖面設(shè)計對應(yīng)的DMGD的均方根值（RMS）。由圖可見，在整個C+L波段，WDM窗口差分模式群時延還不到10 ps/km。舉例來說，表3中列出的光纖0，波長為1 500～1 600 nm時，DMGD低于1 ps/km。對于3-LP模式的光纖，其DMGD低至 50 ps/km[69,70]，而對于 6-LP模式的光纖，報道的 DMGD低于85 ps/km[71,72]。

除了非常低的時延外，從表3還可以看出，LP01和LP11的有效面積都非常大。LP01的有效面積為177μm2，LP11的有效面積為238μm2。盡管有效面積比單模光纖大得多，在實際應(yīng)用中卻具有理想的彎曲特性，因為LP11的截止波長大約為4μm，對于長距離傳輸，大的有效面積有利于降低非線性效應(yīng)。

在少模光纖鏈路中實現(xiàn)低DMGD的另一種方法是采用如圖13所示的DMGD管理方式，將具有正DMGD和負DMGD的少模光纖串聯(lián)，以獲取超低的DMGD。通過更改漸變折射率剖面設(shè)計的α值設(shè)計正DMGD和負DMGD。

表3 光纖光學(xué)特性設(shè)計實例

如圖14所示為兩種光纖對應(yīng)的差分模式群時延和波長的關(guān)系。表3列出了這兩種光纖的光學(xué)特性（光纖1和光纖2）。這兩種光纖具有相反的時延和時延斜率。通過將兩種光纖的長度比例選擇為 1.2∶1的方式，可構(gòu)建一個時延幾乎為0的光纖鏈路。例如，如果將光纖1的長度設(shè)為552 km，將光纖2的長度設(shè)為460 km，這個長度大約為1 000 km的光纖鏈路，在整個波長為1.5～1.6μm范圍可實現(xiàn)低于0.5 ps/km的凈時延。

差分模式集群時延補償也可進行實驗驗證[68]。如圖15所示為4種不同折射率結(jié)構(gòu)的光纖（A至D）的DMGD值。4種光纖的長度分別為10 km、18 km、22 km和50 km。光纖A和B具有正的DMGD和負的DMGD斜率，光纖C有負的DMGD和正的DMGD斜率，光纖D的目標是實現(xiàn)DMGD值為零，但測量該光纖的DMGD為-20～0 ps/km，比設(shè)計目標稍大。為演示DMGD補償，將18 km、10 km和22 km的3種光纖熔接成50 km光纖段，與D光纖構(gòu)建一個100 km的鏈路，測量總的DMGD。從圖16可以看出，在1 530～1 565 nm的C波段范圍，DMGD平均值的變化范圍為-6～+5 ps/km。測得LP01和LP11在鏈路中的衰減大致相同，都是0.25 dB/km。

已經(jīng)有多個系統(tǒng)實驗演示了基于少模光纖的模分復(fù)用傳輸。表4總結(jié)了最新報道的幾個實驗，它們代表著該領(lǐng)域的最高水平。傳輸實驗中采用的光纖模數(shù)是3或6，要求進行6×6或12×12的多輸入多輸出處理。當然也可以實現(xiàn)更高的模數(shù)，但會大大增加多輸入多輸出的復(fù)雜度和處理時間。實驗中采用了特殊的少模EDFA，通過設(shè)計摻雜的剖面分布來均衡模式增益，今后可以進一步優(yōu)化提高少模EDFA性能，以應(yīng)用至更大的模數(shù)。對于復(fù)用/解多路復(fù)用的設(shè)備，實驗采用的是具有相位板、3D波導(dǎo)和自由空間光學(xué)器件的設(shè)備。其中，3D波導(dǎo)方法更易于實現(xiàn)擴展模數(shù)的數(shù)量以及實現(xiàn)器件集成。

表4 利用少模光纖的模分復(fù)用傳輸實驗

4.2 多芯光纖

多芯光纖是另一種可用于空間復(fù)用的光纖。可設(shè)計成不同的多芯光纖結(jié)構(gòu)，如圖17所示為某些多芯光纖設(shè)計結(jié)構(gòu)，圖17(a)為六邊形設(shè)計，該設(shè)計具有最高的密度。但由于這種設(shè)計具有6個相鄰的纖芯，故中央纖芯的串擾也是最嚴重的。為避免這個問題，可采用如圖17(b)所示的單環(huán)設(shè)計。圖17(c)是一種線性陣列設(shè)計。一個線性陣列可有n×m個纖芯，可將其設(shè)計成與半導(dǎo)體收發(fā)器匹配的陣列。圖17的前3種設(shè)計中，光纖包層是圓形的。圓形光纖包層中的光纖芯數(shù)受包層直徑的制約，因為如果包層直徑過大，光纖會失去韌性。為克服這一限制可采用如圖17(b)的帶狀多芯光纖設(shè)計。帶狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是在一個方向上可擴展光纖的芯數(shù)，在另一個方向上保持較小尺寸以保證光纖韌性。

多芯光纖設(shè)計最重要的一點是考慮芯間串擾。串擾與纖芯折射率結(jié)構(gòu)和相鄰纖芯之間的距離有關(guān)。串擾可利用耦合模式理論進行分析[78]?？紤]芯間距離為D的兩個完全相同的纖芯，根據(jù)耦合模式理論，如果向纖芯1發(fā)送光信號，則在兩個纖芯中傳輸?shù)哪芰縋1和P2將按正弦變化。能量串擾可利用式(9)計算：

其中，z是傳播距離，κ是耦合系數(shù)，Δβ是兩纖芯分別傳輸時傳輸常數(shù)的失配，g是依賴于κ和Δβ的參數(shù)，表示如下：

串擾強度依賴于耦合系數(shù)κ和Δβ，其中耦合系數(shù)和纖芯的結(jié)構(gòu)及兩纖芯間的距離相關(guān)，Δβ和兩纖芯間的折射剖面的差異有關(guān)。盡管更加復(fù)雜的模型可以更精確地確定多芯光纖的芯間串擾，可是這種簡單的兩纖芯模型更容易理解，對設(shè)計多芯光纖具有指導(dǎo)意義。根據(jù)式(8)，降低串擾最重要的是減小耦合系數(shù)。耦合系數(shù)取決于相鄰兩纖芯基模電場的重疊部分。增大兩纖芯間的距離可減小耦合系數(shù)，但會降低傳輸密度。在纖芯周圍設(shè)計低折射率溝槽可以把電場限制在纖芯周圍區(qū)域，從而抑制串擾。串擾的另一個因素是兩纖芯間傳輸常數(shù)失配。很小的失配就可有效減少從一個纖芯傳至另一個纖芯的最大功率。因此，異種纖芯設(shè)計相比同種纖芯設(shè)計，具有較低的串擾。

式（9）表示功率轉(zhuǎn)換效率隨耦合長度L=2π/g呈正弦振蕩，如果光纖長度遠小于耦合長度的一半，式（9）便可用于計算串擾。但光纖長度一般比耦合長度大得多，有報道稱測得的同種多芯光纖串擾不按式（9）所示的方式振蕩，而是沿光纖長度方向線性增加[79]。另外，也有報道說，測試的異種多芯光纖的串擾比功率轉(zhuǎn)換效率大40 dB[80]。這種差異可能是由芯間差異及光纖彎曲效應(yīng)引起的?？紤]到光纖的彎曲和串擾的統(tǒng)計特性，可用式(11)表示平均串擾[81]：

其中，κ是耦合系數(shù)，β是傳輸常數(shù)，R是彎曲半徑，下一行是芯間距離，L為光纖長度。式（11）表示平均串擾與光纖長度成正比，這可以解釋實驗中串擾的線性關(guān)系。

為設(shè)計出低串擾的多芯光纖，降低相鄰兩芯間兩種模式傳輸?shù)碾妶鲋丿B是很重要的。研究人員詳細研究了多芯光纖的階躍折射率和溝槽結(jié)構(gòu)實現(xiàn)纖芯密度最大化[82]。圖18給出了串擾與芯間間距的關(guān)系 （階躍折射率和帶溝槽兩種結(jié)構(gòu)）。該串擾利用式（11）通過參考文獻[82]中得出的耦合系數(shù)近似算出。式（11）中的彎曲半徑是50 mm，光纖長度是100 km。計算結(jié)果表明，對于有效面積為80μm2的階躍折射率的剖面設(shè)計，芯距應(yīng)大于45μm以保證經(jīng)過100 km的傳輸后串擾低于-30 dB；對帶溝槽的剖面結(jié)構(gòu)，相同有效面積的芯距可降低至37μm；有效面積為100μm2的帶溝槽結(jié)構(gòu)光纖，其芯距比有效面積80μm2階躍折射率的光纖還小。

多芯光纖的包層直徑還可增大以容納更多的纖芯，但光纖直徑受限于機械可靠性要求。最大光纖直徑應(yīng)小于230μm，以確保彎曲半徑小于50 mm時失效率低于一定比例[83]。這種直徑的多芯光纖在滿足傳輸100 km串擾容許條件下可容納的最大芯數(shù)約為19。

利用空分復(fù)用的低損耗、低串擾多芯光纖已在傳輸實驗中獲得驗證。表5總結(jié)了采用多芯光纖的空分復(fù)用傳輸?shù)淖钚聦嶒灒矶嘈竟饫w傳輸目前的最高水平。參考文獻[84,85]演示的傳輸系統(tǒng)的光譜效率約為100 bit/Hz，總傳輸容量超過1 Pbit/s；參考文獻[86]利用多芯摻餌光纖放大器實現(xiàn)了超過6 000 km的長距離傳輸；參考文獻[87]實現(xiàn)了含有19個纖芯的多芯光纖制作并用于傳輸實驗。

多芯光纖對高密并行短距離數(shù)據(jù)連接也有很大吸引力。參考文獻[88]中推薦利用VCSEL陣列和多芯光纖實現(xiàn)多信道傳輸，演示了通過線性VCSEL陣列直接耦合2×2多芯光纖以1 Gbit/s速率傳輸。參考文獻[89]報道了六邊形7芯多模多芯光纖采用錐形多芯接頭和VCSEL進行傳輸。另外，參考文獻[90,91]還提議將硅光子線性陣列收發(fā)器用于多芯光纖，并制造出具有多芯光纖的1×4和2×4線性陣列纖芯。研究表明，纖芯間隔為47μm的階躍折射率結(jié)構(gòu)的多芯光纖，傳輸200 m后兩個相鄰纖芯間的串擾低于-45 dB，非常適用于短距離傳輸。參考文獻[92]報道了帶狀矩形低串擾的多芯光纖。

4.3 實際應(yīng)用中空分復(fù)用系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)

盡管少模和多芯光纖及空分復(fù)用傳輸系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)取得重大的進步，但空分復(fù)用在用于實際網(wǎng)絡(luò)之前，光纖和器件仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。就光纖來講，制造商必須理解多芯和少模光纖系統(tǒng)的光纖設(shè)計理念，并確定關(guān)于串擾、模數(shù)耦合、多路干擾和衰減的最優(yōu)設(shè)計方案。最重要的是必須開發(fā)低成本的工藝進行多芯和少模光纖的批量生產(chǎn)。

從器件發(fā)展的角度，需要制造商支持開發(fā)空分復(fù)用系統(tǒng)光器件，包括收發(fā)器陣列、低成本的復(fù)用和解復(fù)用元件、能同時放大多模和多芯信號的光放大器、精密耦合元件和連接器。器件開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)甚至大于開發(fā)多芯光纖和少模光纖本身。對于空分復(fù)用器件的開發(fā)，把各種器件、收發(fā)器、波分復(fù)用器件集成構(gòu)建子系統(tǒng)至關(guān)重要，沒有子系統(tǒng)的集成很難實現(xiàn)空分復(fù)用的成本效益。

要克服上述挑戰(zhàn)需要很長時間，距離空分復(fù)用技術(shù)用于實際的通信系統(tǒng)還有很長的路要走。也許可先考慮多芯光纖技術(shù)用于短距離傳輸，因為短距離傳輸鏈路并不需要諸如多芯放大器、多路復(fù)用器/解復(fù)用器之類長距離傳輸中的必需器件，另外多芯光纖可采用低成本的硅光子收發(fā)器線性陣列，它所提供的高帶寬—距離性能，能滿足數(shù)據(jù)中心和高性能計算機互連的功率和密度要求。

表5 利用多芯光纖進行空分復(fù)用的傳輸實驗

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