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- 2021年9月26日 13:51
工聯網消息(IItime) 大數據時代，數據傳輸已成為社會經濟發展的重要紐帶。隨著國家“寬帶中國”、“三網融合”的政策驅動，以及互聯網技術的快速發展等，使得數據傳輸需求量呈現出持續高速增長的態勢。當前，家庭網絡帶寬從2010年4M發展到2021年的千兆，10年時間傳輸速率增長了近250倍，光纖作為光物理傳輸的重要媒介，在其中發揮著舉足輕重的作用。截至2020年，中國已累計鋪設5169萬公里光纜，總長度可繞地球1292圈。
為滿足日益增長的數據傳輸需求，光纖通信技術在不斷的完善和發展。通過時分、波分、偏振復用和多級調制等技術手段，單根常規單模光纖已實現100Tb／s的高容量傳輸，但受到非線性噪聲、光纖熔合損傷現象和放大器帶寬的限制，已接近其傳輸的物理極限。如何進一步提高光纖的傳輸容量，已成為當前光纖通信技術研究的核心問題。
提高傳輸容量較直接的方式是增加通信線路中光纖的數量（即芯數），光纜中的光纖高密度化、小型化是有效的解決辦法。目前，纖芯密度較高的光纜結構，已實現在外徑僅為26.5mm的光纜中放置3456根200um的細徑光纖，將管道和光纜內部空間利用率幾乎發揮到了極致。雖然這種結構的光纜將纖芯密度增加了2倍，但受到現有線路資源限制，仍將難以支撐未來五年內近10倍的數據傳輸增長需求。
空分復用技術
在光纖傳輸其他維度已無法突破的情況下，空分復用技術為光纖傳輸系統容量提升提供了新的發展方向，將使系統傳輸容量提升一個數量級。空分復用技術，通過在“同一條路”增加“車道”數量的方式，達到數倍承載“車”流量的效果。空分復用技術目前可分為以下三種信道處理方式：
（1）多芯光纖技術。在同一根光纖包層結構內設計多個纖芯，每個纖芯相當于一個獨立的傳輸單元，實現在同一根光纖內，多個信號沿著不同的纖芯獨立傳輸。中國信科集團旗下烽火通信的19芯單模光纖，單根光纖實現了1.06Pbit/s的系統傳輸，傳輸容量是常規單模光纖的10倍以上。
烽火19芯單模光纖及其系統傳輸
（2）少模光纖技術。在同一根纖芯范圍內增加光纖芯徑，光信號在較大芯徑的纖芯內傳輸時，能夠實現不同的空間模式傳輸。少模光纖的主要思路是在纖芯結構中設計多環折射率結構，對激發的不同模式進行調整，使所激發的模式實現信號傳輸，每個模式相當于一個信號組。通過該種方式，單根光纖的傳輸容量可增大數十倍。
（3）多芯少模光纖技術，是將前兩者進行組合。將空間復用和模式復用兩種維度集中到一根光纖上，在同一根光纖上實現更多的信號傳輸通道。例如，烽火與國內高校合作開發出的7芯4模光纖，單根光纖的通道數量相當于常規單模光纖的28倍，可以極大提高光纖通信容量。
烽火7芯4模多芯少模光纖及LP11模式傳輸3km后模斑
空分復用技術面臨的問題及解決辦法
空分復用技術，理論上通過空間與模式的多維度復用，可以在原來的基礎上將單根光纖的傳輸容量提升數十倍，有望解決未來數據傳輸容量危機，是超大容量光纖技術的發展方向，但該技術目前仍然面臨著許多問題亟需解決。
（1）多芯光纖芯間串擾問題。由于多個信號通過不同的纖芯在同一個包層結構中傳輸，某個纖芯中的信號易發生橫向耦合，進入到相鄰的纖芯中，造成傳輸信號的干擾，導致光信號傳輸質量的劣化。目前，國內外已有相當多的研究，較為常見的解決辦法是在纖芯周圍設計空氣孔或者較深的折射率下陷溝槽，通過纖芯周圍的折射率深下陷或者空氣孔結構，提升纖芯對光信號的束縛能力，減小光信號的橫向傳輸，從而抑制纖芯信號干擾。通過溝槽輔助，烽火的7芯光纖芯間串擾已達到≤-45dB/(100km)的水平，對實際鏈路傳輸的影響較小。
（2）熔接損耗問題。對多芯光纖或者少模光纖而言，光纖熔接過程中各纖芯之間的模場直徑、折射率存在差異，纖芯截面不圓、位置偏差等因素，都會導致光纖在熔接過程中存在較大的熔接損耗。對于該問題，較為有效的解決辦法，一是通過提升光纖結構尺寸精度以及一致性，增加熔接過程中纖芯位置的對準精度，減小熔接損耗；二是通過多芯光纖專用熔接機進行熔接，該熔接機采用側面成像方式，將多芯光纖端面成像，通過兩端光纖位置定位，計算并通過對軸旋轉，實現纖芯與纖芯的高精度對準，可進一步減小光纖的熔接損耗。
