飛象網(wǎng)訊 大數(shù)據(jù)時代,數(shù)據(jù)傳輸已成為社會經(jīng)濟發(fā)展的重要紐帶。隨著國家“寬帶中國”、“三網(wǎng)融合”的政策驅(qū)動,以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展等,使得數(shù)據(jù)傳輸需求量呈現(xiàn)出持續(xù)高速增長的態(tài)勢。當(dāng)前,家庭網(wǎng)絡(luò)帶寬從2010年4M發(fā)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?shù)闹匾浇,在其中發(fā)揮著舉足輕重的作用。截至2020年,中國已累計鋪設(shè)5169萬公里光纜,總長度可繞地球1292圈。
為滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求,光纖通信技術(shù)在不斷的完善和發(fā)展。通過時分、波分、偏振復(fù)用和多級調(diào)制等技術(shù)手段,單根常規(guī)單模光纖已實現(xiàn)100Tb/s的高容量傳輸,但受到非線性噪聲、光纖熔合損傷現(xiàn)象和放大器帶寬的限制,已接近其傳輸?shù)奈锢順O限。如何進一步提高光纖的傳輸容量,已成為當(dāng)前光纖通信技術(shù)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(shù)量(即芯數(shù)),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(jié)構(gòu),已實現(xiàn)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(nèi)部空間利用率幾乎發(fā)揮到了極致。雖然這種結(jié)構(gòu)的光纜將纖芯密度增加了2倍,但受到現(xiàn)有線路資源限制,仍將難以支撐未來五年內(nèi)近10倍的數(shù)據(jù)傳輸增長需求。
空分復(fù)用技術(shù)
在光纖傳輸其他維度已無法突破的情況下,空分復(fù)用技術(shù)為光纖傳輸系統(tǒng)容量提升提供了新的發(fā)展方向,將使系統(tǒng)傳輸容量提升一個數(shù)量級?辗謴(fù)用技術(shù),通過在“同一條路”增加“車道”數(shù)量的方式,達到數(shù)倍承載“車”流量的效果?辗謴(fù)用技術(shù)目前可分為以下三種信道處理方式:
(1)多芯光纖技術(shù)。在同一根光纖包層結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)計多個纖芯,每個纖芯相當(dāng)于一個獨立的傳輸單元,實現(xiàn)在同一根光纖內(nèi),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(xiàn)了1.06Pbit/s的系統(tǒng)傳輸,傳輸容量是常規(guī)單模光纖的10倍以上。
烽火19芯單模光纖及其系統(tǒng)傳輸
(2)少模光纖技術(shù)。在同一根纖芯范圍內(nèi)增加光纖芯徑,光信號在較大芯徑的纖芯內(nèi)傳輸時,能夠?qū)崿F(xiàn)不同的空間模式傳輸。少模光纖的主要思路是在纖芯結(jié)構(gòu)中設(shè)計多環(huán)折射率結(jié)構(gòu),對激發(fā)的不同模式進行調(diào)整,使所激發(fā)的模式實現(xiàn)信號傳輸,每個模式相當(dāng)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(shù)十倍。
(3)多芯少模光纖技術(shù),是將前兩者進行組合。將空間復(fù)用和模式復(fù)用兩種維度集中到一根光纖上,在同一根光纖上實現(xiàn)更多的信號傳輸通道。例如,烽火與國內(nèi)高校合作開發(fā)出的7芯4模光纖,單根光纖的通道數(shù)量相當(dāng)于常規(guī)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(fù)用技術(shù)面臨的問題及解決辦法
空分復(fù)用技術(shù),理論上通過空間與模式的多維度復(fù)用,可以在原來的基礎(chǔ)上將單根光纖的傳輸容量提升數(shù)十倍,有望解決未來數(shù)據(jù)傳輸容量危機,是超大容量光纖技術(shù)的發(fā)展方向,但該技術(shù)目前仍然面臨著許多問題亟需解決。
(1)多芯光纖芯間串?dāng)_問題。由于多個信號通過不同的纖芯在同一個包層結(jié)構(gòu)中傳輸,某個纖芯中的信號易發(fā)生橫向耦合,進入到相鄰的纖芯中,造成傳輸信號的干擾,導(dǎo)致光信號傳輸質(zhì)量的劣化。目前,國內(nèi)外已有相當(dāng)多的研究,較為常見的解決辦法是在纖芯周圍設(shè)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(jié)構(gòu),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?dāng)_已達到≤-45dB/(100km)的水平,對實際鏈路傳輸?shù)挠绊戄^小。
空氣孔型光纖 烽火溝槽輔助型多芯光纖
(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(dǎo)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(jié)構(gòu)尺寸精度以及一致性,增加熔接過程中纖芯位置的對準(zhǔn)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(cè)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(zhuǎn),實現(xiàn)纖芯與纖芯的高精度對準(zhǔn),可進一步減小光纖的熔接損耗。
(3)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信號處理問題。多芯光纖在使用過程中需要將多芯光纖與多根單模光纖進行連接,實現(xiàn)多路信號的接收。解決方式為通過扇入扇出的耦合器件,一端為多芯光纖,另一端為對應(yīng)芯數(shù)的多根常規(guī)單模光纖進行互連。目前,國內(nèi)已有部分高校及企業(yè)具備該種耦合器件的制備能力,單芯損耗可控制在1.0dB左右。
結(jié)語
空分復(fù)用技術(shù)符合光纖通信發(fā)展趨勢,是光纖通信技術(shù)領(lǐng)域的一次重大創(chuàng)新,是下一代光通信技術(shù)的發(fā)展方向之一。烽火積極響應(yīng)國家政策,依托數(shù)十年的技術(shù)積累,先后承接了國家“863”、“973”項目,國家重大研發(fā)計劃項目,湖北省科技計劃項目等,對空分復(fù)用技術(shù)展開系統(tǒng)專項研究,致力于推進多芯、多芯少模光纖的大容量通信技術(shù)發(fā)展。未來,烽火將持續(xù)創(chuàng)新,持續(xù)加大研發(fā)投入,繼續(xù)深挖光纖潛力,為我國和全球光通信事業(yè)的發(fā)展,作出新的貢獻。