使用标准包层直径多芯光纤实现高容量光传输

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引言
* X$ v& p3 W( i6 h6 b" Y/ g6 v, ]光网络数据传输量在过去几十年中呈指数级增长，主要源于互联网需求的持续攀升。随着我们接近当前单模光纤(SMF)网络的基本容量极限，研究者正在探索创新技术以维持这一增长趋势。本文探讨了空分复用(SDM)技术的最新突破，特别是使用保持标准包层直径的多芯光纤(MCFs)来显著提高数据传输容量[1]。

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指数级数据增长的挑战
( o  [2 R+ z6 q当前的光传输系统依赖于单模光纤，这些光纤成功地支持了互联网驱动的流量指数级增长。然而，随着数据传输需求持续增加，这些系统正在接近其基本容量限制。以往，容量增加是通过利用偏振和波长等正交复用维度实现的。空分复用代表了下一个技术前沿，它利用光纤的正交空间维度来增加每根光纤的容量，同时通过系统集成潜在地降低每比特成本和功耗。

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理解空分复用光纤类型
对SDM系统而言，需要设计和制造新型光纤。这些包括耦合芯和弱耦合多芯光纤(MCFs)，它们通过在单一共享包层中容纳多个芯来提供额外的空间通道，以及在单一芯中引导多个空间模式的多模光纤(MMFs)。

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图1：多芯光纤技术。(a)标准单模、多模和多芯光纤技术的比较，包括它们的吞吐量和MIMO复杂度特性；(b)不同包层直径下多芯光纤中的最大芯数，显示标准125μm直径可容纳19个芯；(c)高容量多芯光纤传输系统的示意图。
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+ A! G8 H: `% ~5 |0 F9 M) V* `如图1a所示，标准单模光纤提供低吞吐量(1×)但仅需最小的信号处理复杂度，使用2×2 MIMO均衡器和小内存。多模光纤提供最高吞吐量(>50×)，但需要高复杂度的2N×2N MIMO处理和大内存需求。多芯光纤在两者之间取得平衡，提供高吞吐量(≈20×)和中等复杂度，使用2N×2N MIMO和小内存需求。

近期，研究已转向保持125μm行业标准包层直径的光纤。这一点非常关键，因为现有的光纤基础设施是基于这一直径建立的，并且围绕这一标准已有大量关于制造、产量、工具、连接和部署可靠性的研发。虽然之前追求最大容量的设计导致了更大的包层直径，但这些光纤变得越来越难以处理和通过熔接连接。标准包层直径光纤与较大的替代品相比，表现出更高的可靠性和生产率。

. k0 w9 t+ j8 u2 H图1b说明了包层直径如何影响MCF中芯的最大数量。使用标准125μm包层直径，19个芯代表了可以在单一光纤中封装的最大数量。这种配置允许的吞吐量比标准SMF高出约20倍。在这类光纤中，芯放置得足够近，信号可以在它们之间耦合，因此需要2N×2N MIMO均衡器进行信号处理。图1c展示了使用随机耦合MCF的光传输系统概念图。

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  j4 t5 D4 o2 S19芯光纤设计与表征
研究人员设计了一种随机耦合的19芯MCF，在125μm包层直径中有19个硅芯。每个芯的有效面积为62μm2，确保强光限制。高阶模式的电缆截止波长测量为1.36μm，这可能使传输跨越S、C和L波长带(1460-1625nm)成为可行。
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图2：19芯光纤的设计。(a)19芯光纤横截面的艺术效果图；(b)实际19芯光纤横截面的显微照片；(c)当仅激发中心芯时的红外相机图像，展示了光纤内部的强耦合；(d)模拟的空间模式色散与芯间距Λ的关系；(e)模拟的空间模式色散增长率与芯间距Λ的关系；(f)模拟的空间模式色散随距离的累积。
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基于数值模拟，制造了一段63.5公里长的19芯MCF，芯间距为18μm，以增强随机模式混合。在1550nm处，模式平均衰减和模式相关损耗(MDL)分别测量为0.215 dB/km和0.1 dB。在1550nm处的色散和色散斜率分别为17.2 ps/(nm?km)和0.055 ps/(nm2?km)，与传统SMF相当。

( A1 W1 j4 z# k/ `% o# i. l* N; o图2d显示在1公里传播后，当芯间距Λ从14μm增加到16.5μm时，空间模式色散(SMD)呈指数下降，并在芯间距16.75μm到20μm之间演变为几乎恒定值。图2e和2f显示，系统耦合区域（较小Λ和线性SMD增长）与随机耦合区域（较大Λ，平方根SMD增长）之间的阈值约在Λ=16.5μm处。基于这些模拟，制造的光纤选择了18μm的芯间距以增强随机模式混合。
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一个关键参数，空间模式色散(SMD)系数，测量为10.8 ps/√km(63.56公里后为86.4 ps)。
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图3：19芯光纤的表征。(a)使用固定分析仪方法测量的19芯光纤差分群延迟分布；(b)(c)盘绕和非盘绕19芯光纤100米的强度脉冲响应；(d)(e)盘绕和非盘绕光纤的频谱图。
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& P* l8 ], Z1 q8 a! a% y( |当使用扫频波长干涉法表征100米段时，研究人员观察到在大约10厘米的传播后，信号完全随机分布在所有19个芯中。对于非盘绕光纤和盘绕光纤，SMD系数分别计算为4.9 ps/√km和19.3 ps/√km，表明光纤弯曲半径显著影响信号传播特性。在非盘绕光纤上测量的较低SMD提供了当光纤在现场部署时SMD的更现实近似。图3b和3c展示了100米长盘绕和非盘绕19芯光纤的强度脉冲响应，各脉冲响应完美重叠，表明所有芯之间的良好均匀性。此外，图3d和3e显示了单一芯的脉冲响应频谱图，确认脉冲响应在C波段和L波段的频率上保持稳定。

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: b5 |$ Z" V* v3 Z, V' y19芯光纤的定制芯多路复用器
! e9 \: ?" k" X2 @7 c) E为了有效利用19芯光纤，制造了定制设计的芯多路复用器，将光从19个SMF耦合到19芯MCF中。这些多路复用器基于3D集成光子技术，使用飞秒激光脉冲修改的硼铝硅酸盐玻璃基板。

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9 r0 c& r7 a9 v6 C/ j图4：19芯3D刻写芯多路复用器。(a)玻璃刻写芯多路复用器的示意图，将19个单模输入转换为正确的空间布局；(b)制造的芯多路复用器组件的照片；(c)芯多路复用器的每芯输入插入损耗测量，显示所有芯的均匀插入损耗。
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多路复用器一侧的波导排列成与商业光纤阵列兼容的线性阵列(127μm间距)，而另一侧的波导匹配19芯MCF布局。多路复用器的玻璃组件尺寸约为13×5×2毫米，完整组件包括19个SMF尾纤和一个19芯光纤尾纤，用于与主光纤熔接。表征显示所有芯的插入损耗均匀，包括连接器在内的平均值为0.8 dB。

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突破记录的数据传输实验
* d! M, A: `9 h4 ]' F" j- I为了展示19芯MCF的数据传输能力，研究人员组装了实验室传输设置：

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图5：通过19芯光纤进行数据传输实验的实验室设置，显示381个波长通道的生成和调制为双偏振64-QAM信号。为了寻址所有19个芯，所有381个通道都进行了分离和延迟，以生成19个去相关副本，然后通过19芯光纤传输。在接收端，使用38×38相干MIMO接收机来消除空间通道间的混合并恢复传输信号。

该设置包括一个381通道波分复用(WDM)发射机，生成偏振复用的64-QAM信号，一个3D刻写的芯多路复用器，63.5公里的19芯MCF，一个芯解复用器和一个38×38相干MIMO接收机。

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  f  v. v$ X6 D- G9 {" e图6：传输通道特性和数据传输结果。(a)1550nm通道的强度脉冲响应；(b)所有381个波长通道的脉冲响应标准差；(c)1550nm通道的耦合矩阵，确认所有19个芯之间的良好耦合；(d)所有381个波长通道的测量数据速率。
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! W, }8 \- x; W2 l1550nm处的强度脉冲响应呈高斯形状，标准差为44 ps，在24.5 GBaud符号率下仅对应2.2个均衡器抽头。这个标准差的波长依赖性在80 nm光谱带宽内仅变化10 ps，表明优异的光谱均匀性。从MIMO均衡器抽头获得的耦合矩阵确认了所有芯之间的强耦合。

' K5 ^3 G# G% k: f5 F7 R" Z" r图6d显示了所有381个波长通道的数据速率计算结果。数据速率使用广义互信息(GMI)和实用解码方案计算。C波段的每波长通道数据速率约为5太比特/秒，L波段在3-5太比特/秒之间。解码后的总聚合数据速率达到1.7拍比特/秒，基于GMI计算的为1.8拍比特/秒。L波段较高波长通道的性能降低主要归因于这些波长的掺铒光纤放大器(EDFA)噪声系数较高。

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结论
这一突破代表了标准125μm包层直径多芯光纤报告的最高数据速率，比当前运行的基于SMF的系统高出一个数量级以上。这些结果突显了随机耦合MCF在需要高空间密度与高质量传输的应用中的强大潜力，如海底通信链路或超高密度互连。
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* ]. a( r7 @% u8 V* y通过保持行业标准包层直径同时最大化芯数，这项技术为下一代超高速光传输网络提供了有希望的发展路径，可以支持数据流量需求的持续指数级增长。未来的发展可以通过扩展传输到包括光学S波段，除了已经演示的C和L波段，进一步增加容量。

参考文献
9 ?$ W- {6 ]: v) @[1] M. van den Hout et al., "Reaching the pinnacle of high-capacity optical transmission using a standard cladding diameter coupled-core multicore fiber," Nature Communications, vol. 16, no. 3833, pp. 1-8, Apr. 2025, doi: 10.1038/s41467-025-59037-1.
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