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(huì)增加大約10倍[2]。

長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)經(jīng)歷了4個(gè)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(zhǎng)為850 nm的LED光源[3]。多模光纖的優(yōu)點(diǎn)是纖芯較大且數(shù)值孔徑較高，可以方便地把信號(hào)光源耦合進(jìn)光纖，光纖直接連接和熔接相對(duì)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(jì)70年代后，隨著半導(dǎo)體激光器的發(fā)展[4,5]，光纖長(zhǎng)波長(zhǎng)傳輸窗口的應(yīng)用[6,7]以及單模光纖熔接技術(shù)的進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)單模光纖和1 310 nm波長(zhǎng)的單模激光器，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1 310 nm波長(zhǎng)區(qū)域的衰減比850 nm波長(zhǎng)小，它的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)，但該波長(zhǎng)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(shì)，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(shí)現(xiàn)了1 550 nm波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)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(shí)際通信系統(tǒng)之前（20世紀(jì)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(shí)不適合波分復(fù)用傳輸[25]，這是因?yàn)樗牟ɑ祛l的非線性效應(yīng)在色散為零時(shí)最強(qiáng)[26]，導(dǎo)致兩個(gè)相鄰信道間的串話干擾非常強(qiáng)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(duì)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(jì)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(zhǎng)信道數(shù)量來增加傳輸容量，提供了一種擴(kuò)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(shí)，信道速率也在不斷提高以滿足日益增長(zhǎng)的帶寬需求。使用強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)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(shí)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(cè)允許進(jìn)行兩個(gè)自由度的信息編碼，從而增加每個(gè)信道的信息量。它還把數(shù)字信號(hào)處理（DSP）功能集成到相干接收機(jī)中成為數(shù)字接收機(jī)?；谙喔蓹z測(cè)技術(shù)，發(fā)展出很多先進(jìn)的調(diào)制格式[36]，如二進(jìn)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(jí)的調(diào)制格式，實(shí)現(xiàn)單信道容量超過100 Gbit/s。數(shù)字信號(hào)處理和相干檢測(cè)可以補(bǔ)償對(duì)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(jì)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(jìn)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(zhǎng)提供新的解決方案[2]。實(shí)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(gè)新的發(fā)展方向，有可能使系統(tǒng)容量增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。用于空分復(fù)用系統(tǒng)的多芯光纖和少模光纖是當(dāng)前光纖研究的熱點(diǎn)。

雖然多模光纖在長(zhǎng)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?yàn)槎嗄９饫w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(yuǎn)的傳輸距離，同時(shí)，價(jià)格便宜的VCSEL光源使整個(gè)系統(tǒng)的成本降低。多模光纖應(yīng)用的快速增長(zhǎng)得益于計(jì)算機(jī)連接、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)算和速度更高的端口使數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)速率達(dá)到40/100 Gbit/s，甚至?xí)_(dá)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(zhǎng)傳輸距離的需求。

本文將主要研究新型光纖在增加長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)途系統(tǒng)的超低損耗和大有效面積光纖

相干檢測(cè)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展可補(bǔ)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(zhǎng)途傳輸光纖的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，這也極大地簡(jiǎn)化了光纖的設(shè)計(jì)。

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(jì)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(dòng)引起的，此波動(dòng)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(duì)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(dòng)αρ和濃度波動(dòng)αc二者相關(guān)[42]：

密度波動(dòng)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(shí)的溫度），計(jì)算如下：

其中，λ為入射光波長(zhǎng)，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(dòng)αc用式（4）表示：

由于瑞利散射主要由冷卻時(shí)的密度波動(dòng)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?yàn)槿鹄⑸鋼p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(dòng)，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(duì)于大有效面積的光纖更為明顯。為在增加有效面積的同時(shí)保持良好的彎曲性能，需要精心設(shè)計(jì)纖芯折射率剖面。有效面積、光纜截止波長(zhǎng)和彎曲損耗是光纖設(shè)計(jì)時(shí)需主要考慮的3個(gè)因素。圖1顯示了可用于低損耗和大有效面積光纖的3個(gè)剖面結(jié)構(gòu)。

首先通過最簡(jiǎn)單的階躍折射率設(shè)計(jì)來理解這些參數(shù)的相互關(guān)系，該設(shè)計(jì)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(gè)參數(shù)：相對(duì)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(shí)必須減少纖芯，以保持光纜截止波長(zhǎng)低于最小工作波長(zhǎng)，如1 550 nm工作窗口的截止波長(zhǎng)為1 530 nm。由于光纜截止波長(zhǎng)的限制，當(dāng)有效面積增大時(shí)，彎曲損耗也會(huì)增加。宏彎損耗通常會(huì)指定一個(gè)上限，如直徑60 mm的光纖繞100圈時(shí)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(duì)于階躍折射率結(jié)構(gòu)而言，受光纜截止波長(zhǎng)和宏彎損耗的限制，可以實(shí)現(xiàn)的光纖最大有效面積約為 110 μm2。

為了進(jìn)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(zhǎng)低于1 530 nm的同時(shí)，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(shí)測(cè)得的彎曲損耗與有效面積的關(guān)系。當(dāng)彎曲直徑為30 mm時(shí)，彎曲損耗在有效面積大于130μm2時(shí)開始迅速增加，而對(duì)于40 mm的彎曲直徑，有效面積達(dá)到175μm2時(shí)彎曲損耗才會(huì)開始增加。

微彎損耗是限制光纖有效面積的另一個(gè)因素[45]。如果使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（G.625）的涂層，根據(jù)參考文獻(xiàn)[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(dòng)引起的衰減，這種擾動(dòng)使纖芯中基模的能量耦合達(dá)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(gè)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(duì)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(zhǎng)決定的，這兩個(gè)變量并不完全獨(dú)立，加在一起對(duì)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(dòng)對(duì)玻璃部分的緩沖，提高微彎性能。

涂層模量對(duì)微彎的緩沖作用已通過實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。在實(shí)驗(yàn)中，不同有效面積的光纖都試驗(yàn)兩個(gè)涂層，內(nèi)涂層模量分別為0.43和0.13（涂層A和B）。測(cè)得的光纖衰減值如圖3所示。當(dāng)有效面積為110～115μm2時(shí)，兩個(gè)涂層的光纖衰減值是相同的。這表明，當(dāng)有效面積小于115μm2時(shí)為本征衰減。當(dāng)有效面積大于120μm2時(shí)，涂層A中的微彎損耗開始增加，而對(duì)于涂層B，直到有效面積達(dá)到135μm2，其微彎損耗幾乎仍保持在0的水平。因此對(duì)于大有效面積光纖，要獲得超低的衰減，需要采用模量?jī)?yōu)化的內(nèi)涂層以減少微彎損耗。據(jù)測(cè)算，通過內(nèi)涂層的進(jìn)一步優(yōu)化，有效面積將有可能達(dá)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(diǎn)給OSNR帶來的優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)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(zhǎng)度，L為跨距。

圖4顯示了跨距為75 km時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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?yàn)橹挥屑児枥w芯光纖，而不是傳統(tǒng)的摻鍺光纖才能實(shí)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(shí)現(xiàn)較高的光纖品質(zhì)因數(shù)。以這個(gè)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(shí)現(xiàn)品質(zhì)因數(shù)增加超過5 dB。對(duì)于較長(zhǎng)的跨距或無中繼長(zhǎng)鏈路，超低損耗顯得更為重要。分析表明，相對(duì)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(duì)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(shì)，近年一些100 Gbit/s的傳輸實(shí)驗(yàn)也演示了這些光纖的性能[49～55]。表1總結(jié)了7個(gè)實(shí)驗(yàn)。在這些實(shí)驗(yàn)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(xiàn)[49]中研究了跨距為365 km的無中繼通信系統(tǒng)，在其他實(shí)驗(yàn)中，跨距為50～200 km。參考文獻(xiàn)[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(zhǎng)度為3 000～10 200 km的傳輸距離在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，該鏈路長(zhǎng)度可滿足陸地和海底傳輸?shù)男枨?。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了光纖性能對(duì)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(shí)驗(yàn)

3 用于短距離通信的新型多模光纖

快速增長(zhǎng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)流量要求通過數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算機(jī)和電子消費(fèi)產(chǎn)品對(duì)海量信息進(jìn)行高速傳輸和存儲(chǔ)。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(duì)多模光纖的帶寬需求也越來越高，同時(shí)，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(shì)[40]。

3.1 850 nm的高帶寬多模光纖

多模光纖設(shè)計(jì)采用Δ剖面以減少模式群時(shí)延，實(shí)現(xiàn)高帶寬：

其中，r0為纖芯半徑，Δ0為纖芯的最大相對(duì)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(dāng)選擇合適的α值時(shí)，多模光纖的模式帶寬可以在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化[56]。圖5所示為50μm多模光纖在850 nm波長(zhǎng)α值變化1%時(shí)的帶寬分布。對(duì)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(duì)α值非常敏感。在制造過程中纖芯剖面存在的各種缺陷會(huì)限制實(shí)際帶寬。

由于光纖制造工藝和設(shè)計(jì)方面的進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dāng)于20世紀(jì)90年代初的“快速以太網(wǎng)”標(biāo)準(zhǔn)。在20世紀(jì)90年代中期，隨著1 Gbit/s的光纖以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(yán)格的剖面控制可以實(shí)現(xiàn)帶寬的改善，這需要進(jìn)一步優(yōu)化光纖制造過程。

纖芯Δ0對(duì)可以實(shí)現(xiàn)的最大帶寬也有影響，因?yàn)閹捙c1/Δ2成正比，如圖6所示。當(dāng)纖芯Δ0從1%降至0.75%時(shí)，帶寬將會(huì)加倍。但是，降低纖芯Δ0會(huì)加大彎曲損耗。這個(gè)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(xì)討論這個(gè)問題。

對(duì)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?yàn)樵撓到y(tǒng)會(huì)受到色散的限制。對(duì)于多模VCSEL，可以通過設(shè)計(jì)略微向左傾斜的差分模式時(shí)延（DMD）多模光纖補(bǔ)償部分色散[57]，或利用短的多模光纖跳線補(bǔ)償差分模時(shí)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(zhǎng)波長(zhǎng)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?yàn)樗梢愿纳齐娫垂娜哂啵瑑?yōu)化設(shè)計(jì)光纜、硬件和設(shè)備，以節(jié)約更多的空間，頻繁更換時(shí)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(gè)彎曲不敏感多模光纖的折射率剖面設(shè)計(jì)[60]。纖芯為漸變折射率，包層有一個(gè)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(jì)，以平衡彎曲性能及與標(biāo)準(zhǔn)多模光纖的兼容性。溝槽的位置對(duì)實(shí)現(xiàn)高帶寬非常重要，合適的位置可以糾正外模群時(shí)延。通過合理設(shè)計(jì)纖芯和溝槽，高帶寬OM4多模光纖可以實(shí)現(xiàn)低彎曲損耗。如圖8所示為850 nm波長(zhǎng)處測(cè)得的彎曲損耗對(duì)比，彎曲不敏感多模光纖的彎曲損耗比不加溝槽的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)波多模光纖

隨著850 nm多模光纖的帶寬達(dá)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(zhǎng)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(zhǎng)波長(zhǎng)單模激光器，以限制進(jìn)入850 nm多模光纖的模式[61]。缺點(diǎn)是激光到光纖的耦合過程需要高對(duì)準(zhǔn)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(zhǎng)波長(zhǎng)優(yōu)化的高帶寬多模光纖（980 nm/1 060 nm或1 310 nm）與長(zhǎng)波光源結(jié)合（如長(zhǎng)波VCSEL），集成為硅光子（SiPh）收發(fā)器。長(zhǎng)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(duì)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該光纖的色散和衰減值在長(zhǎng)波長(zhǎng)處更低。圖9更明顯地展示了這一點(diǎn)，展示了色散和損耗隨波長(zhǎng)的變化。在1 060 nm波長(zhǎng)處色散和損耗都減少了2倍以上；1 310 nm時(shí)色散幾乎為0，而損耗僅是850 nm時(shí)的1/5。低損耗和低色散的高帶寬光纖可實(shí)現(xiàn)更高的速率和更長(zhǎng)的傳輸距離。近年來已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)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(shí)現(xiàn)，這些都表明了長(zhǎng)波多模光纖的傳輸優(yōu)點(diǎn)。

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(fèi)電子連接或家庭網(wǎng)絡(luò)方面的新機(jī)會(huì)。對(duì)于光纖設(shè)計(jì)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(duì)準(zhǔn)的情況下也能保證最小，這樣可以使用廉價(jià)的光學(xué)元件和低成本裝配過程，因此要求光纖進(jìn)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(jī)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(duì)850 nm VCSEL的10 Gbit/s[64]的高速連接的大量分析（如圖10所示），當(dāng)數(shù)值孔徑增加到約0.3且纖芯直徑增加到約80μm時(shí)，連接損耗發(fā)生明顯改善。進(jìn)一步增加纖芯直徑或數(shù)值孔徑的作用卻非常小，這是因?yàn)椋m然發(fā)射機(jī)和連接器中的耦合得到改進(jìn)，但當(dāng)聚焦光會(huì)聚于光電二極管接收機(jī)上時(shí)，耦合效率會(huì)降低。當(dāng)纖芯直徑為80μm且數(shù)值孔徑為0.3時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(jì)可以減小彎曲處施加的應(yīng)力，增加幾個(gè)量級(jí)的使用壽命。研究表明，彎曲直徑為3 mm時(shí)，100μm光纖的使用壽命相比125μm光纖提高了約4個(gè)量級(jí)。

高數(shù)據(jù)傳輸速率需要光纖具有漸變的折射率纖芯，因?yàn)殡A躍折射率纖芯不能達(dá)到足夠高的帶寬和支持大于10 Gbit/s的長(zhǎng)距離傳輸。在包層中加入一個(gè)低折射率溝槽有利于同時(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)3 mm彎曲直徑的損耗降低到1 dB量級(jí)，已經(jīng)實(shí)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(zhǎng)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(jìn)展。

4.1 少模光纖

多模光纖的模分復(fù)用（MDM）不是一個(gè)新概念。在光纖發(fā)展初期，就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到使用不同模式進(jìn)行獨(dú)立信道傳輸?shù)目赡苄浴Ｊ状文７謴?fù)用的展示是通過常規(guī)多模光纖進(jìn)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(dòng)了MIMO在光纖通信中的研究進(jìn)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(hào)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(gè)模式，如進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸需要復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理。目前研究工作一直集中在少模光纖傳輸系統(tǒng)上。對(duì)于少模光纖傳輸，差分模式群時(shí)延（DMGD）越小越好，以降低解碼復(fù)雜度。同時(shí)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(jìn)行說明。對(duì)于階躍折射率剖面，α值趨于無限。階躍折射率的設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)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(jì)成小DMGD。漸變折射率剖面具有形狀因子α，增加了一個(gè)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(duì)溝槽位置進(jìn)行優(yōu)化，也可以減少外部模式群時(shí)延，其原理和參考文獻(xiàn)[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(jì)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(jì)對(duì)應(yīng)的DMGD的均方根值（RMS）。由圖可見，在整個(gè)C+L波段，WDM窗口差分模式群時(shí)延還不到10 ps/km。舉例來說，表3中列出的光纖0，波長(zhǎng)為1 500～1 600 nm時(shí)，DMGD低于1 ps/km。對(duì)于3-LP模式的光纖，其DMGD低至 50 ps/km[69,70]，而對(duì)于 6-LP模式的光纖，報(bào)道的 DMGD低于85 ps/km[71,72]。

除了非常低的時(shí)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(shí)際應(yīng)用中卻具有理想的彎曲特性，因?yàn)長(zhǎng)P11的截止波長(zhǎng)大約為4μm，對(duì)于長(zhǎng)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(shí)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(fù)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(jì)的α值設(shè)計(jì)正DMGD和負(fù)DMGD。

表3 光纖光學(xué)特性設(shè)計(jì)實(shí)例

如圖14所示為兩種光纖對(duì)應(yīng)的差分模式群時(shí)延和波長(zhǎng)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(shí)延和時(shí)延斜率。通過將兩種光纖的長(zhǎng)度比例選擇為 1.2∶1的方式，可構(gòu)建一個(gè)時(shí)延幾乎為0的光纖鏈路。例如，如果將光纖1的長(zhǎng)度設(shè)為552 km，將光纖2的長(zhǎng)度設(shè)為460 km，這個(gè)長(zhǎng)度大約為1 000 km的光纖鏈路，在整個(gè)波長(zhǎng)為1.5～1.6μm范圍可實(shí)現(xiàn)低于0.5 ps/km的凈時(shí)延。

差分模式集群時(shí)延補(bǔ)償也可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(zhǎng)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(fù)的DMGD斜率，光纖C有負(fù)的DMGD和正的DMGD斜率，光纖D的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)DMGD值為零，但測(cè)量該光纖的DMGD為-20～0 ps/km，比設(shè)計(jì)目標(biāo)稍大。為演示DMGD補(bǔ)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(gè)100 km的鏈路，測(cè)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(cè)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(gè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(bào)道的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，它們代表著該領(lǐng)域的最高水平。傳輸實(shí)驗(yàn)中采用的光纖模數(shù)是3或6，要求進(jìn)行6×6或12×12的多輸入多輸出處理。當(dāng)然也可以實(shí)現(xiàn)更高的模數(shù)，但會(huì)大大增加多輸入多輸出的復(fù)雜度和處理時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中采用了特殊的少模EDFA，通過設(shè)計(jì)摻雜的剖面分布來均衡模式增益，今后可以進(jìn)一步優(yōu)化提高少模EDFA性能，以應(yīng)用至更大的模數(shù)。對(duì)于復(fù)用/解多路復(fù)用的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模數(shù)的數(shù)量以及實(shí)現(xiàn)器件集成。

表4 利用少模光纖的模分復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)

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?？稍O(shè)計(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)，圖17(a)為六邊形設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)具有最高的密度。但由于這種設(shè)計(jì)具有6個(gè)相鄰的纖芯，故中央纖芯的串?dāng)_也是最嚴(yán)重的。為避免這個(gè)問題，可采用如圖17(b)所示的單環(huán)設(shè)計(jì)。圖17(c)是一種線性陣列設(shè)計(jì)。一個(gè)線性陣列可有n×m個(gè)纖芯，可將其設(shè)計(jì)成與半導(dǎo)體收發(fā)器匹配的陣列。圖17的前3種設(shè)計(jì)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?yàn)槿绻鼘又睆竭^大，光纖會(huì)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(jì)。帶狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)方向上可擴(kuò)展光纖的芯數(shù)，在另一個(gè)方向上保持較小尺寸以保證光纖韌性。

多芯光纖設(shè)計(jì)最重要的一點(diǎn)是考慮芯間串?dāng)_。串?dāng)_與纖芯折射率結(jié)構(gòu)和相鄰纖芯之間的距離有關(guān)。串?dāng)_可利用耦合模式理論進(jìn)行分析[78]?？紤]芯間距離為D的兩個(gè)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(hào)，則在兩個(gè)纖芯中傳輸?shù)哪芰縋1和P2將按正弦變化。能量串?dāng)_可利用式(9)計(jì)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(shí)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?dāng)_強(qiáng)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?dāng)_，可是這種簡(jiǎn)單的兩纖芯模型更容易理解，對(duì)設(shè)計(jì)多芯光纖具有指導(dǎo)意義。根據(jù)式(8)，降低串?dāng)_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(chǎng)的重疊部分。增大兩纖芯間的距離可減小耦合系數(shù)，但會(huì)降低傳輸密度。在纖芯周圍設(shè)計(jì)低折射率溝槽可以把電場(chǎng)限制在纖芯周圍區(qū)域，從而抑制串?dāng)_。串?dāng)_的另一個(gè)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(gè)纖芯傳至另一個(gè)纖芯的最大功率。因此，異種纖芯設(shè)計(jì)相比同種纖芯設(shè)計(jì)，具有較低的串?dāng)_。

式（9）表示功率轉(zhuǎn)換效率隨耦合長(zhǎng)度L=2π/g呈正弦振蕩，如果光纖長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于耦合長(zhǎng)度的一半，式（9）便可用于計(jì)算串?dāng)_。但光纖長(zhǎng)度一般比耦合長(zhǎng)度大得多，有報(bào)道稱測(cè)得的同種多芯光纖串?dāng)_不按式（9）所示的方式振蕩，而是沿光纖長(zhǎng)度方向線性增加[79]。另外，也有報(bào)道說，測(cè)試的異種多芯光纖的串?dāng)_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。考慮到光纖的彎曲和串?dāng)_的統(tǒng)計(jì)特性，可用式(11)表示平均串?dāng)_[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(zhǎng)度。式（11）表示平均串?dāng)_與光纖長(zhǎng)度成正比，這可以解釋實(shí)驗(yàn)中串?dāng)_的線性關(guān)系。

為設(shè)計(jì)出低串?dāng)_的多芯光纖，降低相鄰兩芯間兩種模式傳輸?shù)碾妶?chǎng)重疊是很重要的。研究人員詳細(xì)研究了多芯光纖的階躍折射率和溝槽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)纖芯密度最大化[82]。圖18給出了串?dāng)_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?dāng)_利用式（11）通過參考文獻(xiàn)[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(zhǎng)度是100 km。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于有效面積為80μm2的階躍折射率的剖面設(shè)計(jì)，芯距應(yīng)大于45μm以保證經(jīng)過100 km的傳輸后串?dāng)_低于-30 dB；對(duì)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(jī)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(shí)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?dāng)_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?dāng)_多芯光纖已在傳輸實(shí)驗(yàn)中獲得驗(yàn)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?shí)驗(yàn)，代表多芯光纖傳輸目前的最高水平。參考文獻(xiàn)[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(xiàn)[86]利用多芯摻餌光纖放大器實(shí)現(xiàn)了超過6 000 km的長(zhǎng)距離傳輸；參考文獻(xiàn)[87]實(shí)現(xiàn)了含有19個(gè)纖芯的多芯光纖制作并用于傳輸實(shí)驗(yàn)。

多芯光纖對(duì)高密并行短距離數(shù)據(jù)連接也有很大吸引力。參考文獻(xiàn)[88]中推薦利用VCSEL陣列和多芯光纖實(shí)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(xiàn)[89]報(bào)道了六邊形7芯多模多芯光纖采用錐形多芯接頭和VCSEL進(jìn)行傳輸。另外，參考文獻(xiàn)[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(gè)相鄰纖芯間的串?dāng)_低于-45 dB，非常適用于短距離傳輸。參考文獻(xiàn)[92]報(bào)道了帶狀矩形低串?dāng)_的多芯光纖。

4.3 實(shí)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(jìn)步，但空分復(fù)用在用于實(shí)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(jì)理念，并確定關(guān)于串?dāng)_、模數(shù)耦合、多路干擾和衰減的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。最重要的是必須開發(fā)低成本的工藝進(jìn)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(shí)放大多模和多芯信號(hào)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(duì)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(shí)現(xiàn)空分復(fù)用的成本效益。

要克服上述挑戰(zhàn)需要很長(zhǎng)時(shí)間，距離空分復(fù)用技術(shù)用于實(shí)際的通信系統(tǒng)還有很長(zhǎng)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?yàn)槎叹嚯x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(zhǎng)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(jì)算機(jī)互連的功率和密度要求。

表5 利用多芯光纖進(jìn)行空分復(fù)用的傳輸實(shí)驗(yàn)

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