多芯光纖的性能及研究進(jìn)展*

彭楚宇，喻 煌，郭 浩，曲華昕，熊 濤

（烽火藤倉光纖科技有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)和寬帶業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)流量從2000年以來以每10年約100倍的速度增長。通過擴(kuò)展傳輸窗口的光學(xué)帶寬和增強(qiáng)頻譜效率等先進(jìn)技術(shù)，常規(guī)單模單芯光纖（Single-Mode Single-Core Fiber，SM-SCF）的傳輸容量在過去幾十年也在呈指數(shù)級增長。目前，常規(guī)的SM-SCF傳輸系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)100 Tb/s的傳輸容量。然而，由于放大器帶寬、非線性噪聲和光纖熔斷現(xiàn)象的限制，現(xiàn)有的常規(guī)SM-SCF的容量已不再滿足不斷增長的容量需求，且正接近其100 Tb/s的香農(nóng)傳輸極限。按照目前的流量增長趨勢，預(yù)計(jì)在不久的將來會出現(xiàn)容量緊縮問題。

物理上講，增加并充分利用空間維度是進(jìn)一步提高光纖通信容量的唯一手段，同時也為網(wǎng)絡(luò)交換提供了一個新的自由度。在空分復(fù)用的傳輸系統(tǒng)中，不同的信號能通過多空間路徑同時傳輸。從空分復(fù)用光纖的角度看，有兩種方法可以將多空間路徑引入光纖。第一種方法是將多個獨(dú)立的纖芯合并到一根光纖中，一個包層中含有多根纖芯，光纖的傳輸容量隨著纖芯數(shù)量的增長而成倍增加，這種光纖被稱為多芯光纖（Multicore Fiber，MCF）。第二種方法是利用光纖中的多種不同模式，光纖的傳輸容量隨著模式數(shù)量的增長而成倍增加，這種光纖被稱為少模光纖（Few-Mode Fiber，F(xiàn)MF）。從空間密度的角度來看，理論上FMF的空間信道數(shù)（Spatial Channel Count，SCC）在包層直徑為125 μm時可擴(kuò)展到30多個，因此FMF可以大幅提高光纖的空間信道數(shù)和傳輸容量[1]。然而，光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)會隨著模式數(shù)量的增加產(chǎn)生顯著波動，使得控制每個通道的群速度差異成為一個難以解決的問題。此外，從總空間信道數(shù)的角度來看，由于可以將纖芯多重性和模式多重性相結(jié)合，MCF也具有良好的應(yīng)用前景，是未來光纖行業(yè)發(fā)展的主要方向。若想在有限的包層尺寸中增加纖芯數(shù)目，如何抑制相鄰纖芯間的串?dāng)_是一個值得關(guān)注的問題。

本文介紹了可以作為未來空分復(fù)用的大容量長距離傳輸介質(zhì)的MCF，首先介紹了MCF的串?dāng)_抑制技術(shù)?；诮陙碇苽涞膯文CF，討論了MCF的纖芯密度。結(jié)果表明，在低串?dāng)_和高空間多重性之間存在平衡關(guān)系，因此必須根據(jù)可允許的串?dāng)_大小和外包層尺寸確定MCF的最大芯數(shù)和纖芯排列方式。另外，通過將模分復(fù)用技術(shù)與空分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，提出每個纖芯中能傳輸幾種空間模式的少模-多芯光纖（Few-Mode Multicore Fiber，F(xiàn)M-MCF），為進(jìn)一步增加空間信道數(shù)和傳輸容量提供了發(fā)展方向。

1 低串?dāng)_多芯光纖

1.1 MCF的分類

MCF的參數(shù)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是影響MCF技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的重要因素。按照耦合方式的不同，MCF可以分為兩種不同的類別。第一種類型是弱耦合MCF，其中每個纖芯用作單獨(dú)的波導(dǎo)，在相鄰纖芯之間具有足夠低的串?dāng)_。在弱耦合MCF中，相鄰纖芯之間的串?dāng)_是一個重要問題，因?yàn)樵诠鈧鞑ミ^程中，其中一個纖芯中的部分光功率會與相鄰纖芯耦合。第二種類型是強(qiáng)耦合MCF，通過減小纖芯與纖芯之間的距離刻意引入纖芯之間的串?dāng)_，從而提高纖芯密度。理論上講，強(qiáng)耦合MCF中各纖芯模場疊加可形成超模，可以將其視為多模光纖的一種形式。實(shí)際上，如果每個模式之間的有效折射率差?neff相對較小（?neff＜10-5），結(jié)構(gòu)參數(shù)的波動或彎曲效應(yīng)會導(dǎo)致這些超模強(qiáng)烈混合。在多模光纖傳輸中，模式色散是導(dǎo)致群時延擴(kuò)展的主要原因，因?yàn)槿簳r延的展寬幅度決定了多進(jìn)多出信號處理系統(tǒng)的復(fù)雜性。強(qiáng)耦合MCF中的模式混合有利于減少群時延擴(kuò)展，群時延擴(kuò)展與傳輸距離的平方根成正比。在這兩類MCF中，基于弱耦合MCF的空分復(fù)用是一種具有前景的用于增加空間信道數(shù)的方法，能有效提高每根光纖的傳輸容量。目前，已有大量研究報(bào)道了將弱耦合MCF用于實(shí)現(xiàn)高容量長距離的傳輸，MCF傳輸實(shí)驗(yàn)已實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)單模光纖極限的傳輸容量。

1.2 MCF的串?dāng)_抑制技術(shù)

為降低MCF的芯間串?dāng)_，必須降低纖芯間的耦合系數(shù)k。近年來，研究人員提出溝槽輔助型MCF和孔輔助型MCF[2]以減小耦合系數(shù)。圖1展示了一個具有12根纖芯的溝槽輔助型MCF的橫截面圖，具有低折射率的溝槽層分布在每個纖芯周圍。圖2展示了溝槽輔助型結(jié)構(gòu)的折射率分布示意圖[3]。纖芯與包層、溝槽與包層之間的相對折射率差分別為?1、?2，r1、r2和W分別為纖芯半徑、從纖芯中心到溝槽層內(nèi)邊緣的距離以及溝槽寬度。與沒有溝槽的MCF相比，由于存在厚度為W的低折射率溝槽層，可以極大地抑制纖芯間的電磁場的重疊，從而抑制串?dāng)_。

圖1 溝槽輔助MCF的橫截面

最近，已有文獻(xiàn)報(bào)道了用于估算槽輔助型MCF中串?dāng)_的計(jì)算公式[4]。溝槽輔助MCF中的串?dāng)_XTtrench可以近似為：

圖2 溝槽輔助MCF的折射率分布

其中XTstep是階躍折射率MCF的串?dāng)_。參數(shù)Γ為：

當(dāng)1.5≤V1≤2.5時，W1≈1.142 8V1-0.996，其中V1=2πr1ncore(2?1)-1/2/λ，λ是波長，Λ是纖芯距離，W2=(V22+W12)-1/2， 其 中 V2=2πr1nclad(2|?2|)-1/2/λ， 其 中ncore和nclad分別是纖芯和包層的折射率。如式（1）所示，溝槽寬度W和溝槽深度?2是減少串?dāng)_的關(guān)鍵參數(shù)。圖3是波長為1 550 nm時，纖芯串?dāng)_與芯徑間距和溝槽深度的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯S著纖芯間距Λ和溝槽寬度W/r1的增加，串?dāng)_線性減小。當(dāng)溝槽寬度為W/r1=1.0時，可以降低30 dB以上的串?dāng)_。

圖3 纖芯串?dāng)_與纖芯間距和溝槽深度關(guān)系曲線

抑制串?dāng)_的第二種方法是在相鄰纖芯間引入折射率差造成相位失配[5]，這種光纖稱為異質(zhì)MCF。異質(zhì)MCF由幾種纖芯組成，由于它們的傳播常數(shù)互不相同，減少了纖芯間的諧振，從而達(dá)到抑制串?dāng)_的目的。彎曲擾動對于預(yù)測異質(zhì)MCF中的串?dāng)_起著重要的作用。光纜中MCF的彎曲半徑取決于光纜的設(shè)計(jì)，可以假定為幾十到1 000 mm。當(dāng)彎曲半徑小于臨界彎曲半徑Rc時，彎曲半徑得對數(shù)和串?dāng)_值之間存在著線性關(guān)系。當(dāng)彎曲半徑大于臨界彎曲半徑時，串?dāng)_迅速減小。這是因?yàn)槿绻麖澢霃叫∮赗c，由彎曲引起的有效折射率變化大于纖芯之間的固有折射率差 ?neff即 Max|?βbend(z)|＞?βcore，且在傳播過程中，在相匹配點(diǎn)?β’mn(z)=0時串?dāng)_會顯著降低。當(dāng)彎曲半徑大于Rc的非相位匹配區(qū)域時，彎曲引起的有效折射率變化小于纖芯之間的固有折射率差 ?neff即 Max|?βbend(z)|＜?βcore，因此串?dāng)_受統(tǒng)計(jì)特性支配[6]。在該非相位匹配區(qū)域中就串?dāng)_而言，異質(zhì)MCF可用作彎曲不敏感光纖。如果纖芯之間的有效折射率差足夠大，則可以將Rc的值推廣到小于多芯光纜有效彎曲半徑的范圍內(nèi)。

近來，已有文獻(xiàn)報(bào)道了具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的30芯光纖，該光纖結(jié)構(gòu)是基于37芯六邊形緊包結(jié)構(gòu)（Hexagonally Close-Pack Structure，HCPS）設(shè)計(jì)得到的[6]。圖4為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的30芯光纖示意圖，在六邊形緊包結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去掉最外層的6個芯區(qū)來減小包層直徑。由于溝槽輔助型結(jié)構(gòu)不可避免地會引起中心纖芯的截止波長增加，因此中心纖芯也被去除。在所有纖芯有效面積(Aeff)相同的條件下，利用4種纖芯即可使得所有相鄰纖芯的結(jié)構(gòu)均不相同。此外，對于所有纖芯而言，它的臨界彎曲半徑Rr均小于100 mm，纖芯間的串?dāng)_值小于-50 dB。

圖4 異質(zhì)結(jié)構(gòu)30芯光纖

MCF串?dāng)_抑制的另一種方法是利用雙向交錯傳輸技術(shù)使相鄰纖芯按照相反的方向傳輸，反向傳輸?shù)男盘枙斐上噜徖w芯的相位失配，從而降低纖芯間的串?dāng)_。在信號單向傳播時，纖芯中的輸入的功率與相鄰纖芯耦合，式（3）為信號正向傳播時串?dāng)_XTf表達(dá)式。當(dāng)相鄰纖芯的信號雙向傳輸時，背向散射光在反向發(fā)生耦合，產(chǎn)生來自相鄰纖芯間的串?dāng)_。反向傳播信號的主導(dǎo)因素是瑞利背向散射。反向傳播的串?dāng)_XTb，可以表示為：

其中S和αR分別為瑞利散射分量的后向重捕獲因子和瑞利散射引起的衰減系數(shù)。α和L分別是光纖衰減系數(shù)和光纖長度。對于長度小于100 km的光纖，當(dāng)瑞利背散射系數(shù)（SαR/2α）和光纖衰減系數(shù)分別為-32 dB和0.2 dB/km時，XTb比XTf小18 dB。然而，隨著光纖長度的增加，由于受瑞利散射的限制，芯間串?dāng)_迅速增大。

1.3 纖芯密度和空間信道數(shù)

與常規(guī)單模單芯光纖相比，用于空分復(fù)用的MCF應(yīng)具有較高的空間效率。圖5模擬了彎曲直徑D=30 mm和D=60 mm、打圈數(shù)為100圈的條件下，不同包層直徑的光纖在20年后的失效概率[7]。包層直徑為125 μm、彎曲直徑為30 mm時，常規(guī)單模光纖的失效概率約為10-7。將MCF失效概率的閾值也定為10-7，那么在D=60 mm的彎曲直徑下，MCF的失效概率應(yīng)小于10-7。從圖5中可以看出，為使MCF滿足失效概率的極限，其包層直徑應(yīng)控制在230 μm以內(nèi)。另外，包層厚度（從外纖芯的中心到外包層邊緣的距離）應(yīng)該足夠大，以減小外纖芯的微彎/宏彎損耗。因此，在包層直徑的限制下，必須通過考慮允許的串?dāng)_和所需的包層厚度確定纖芯的數(shù)量和纖芯位置的排列。

圖5 彎曲直徑D=30 mm和D=60 mm的條件下，20年后的失效概率與包層直徑的關(guān)系

表1總結(jié)了近幾年報(bào)道的弱耦合單模MCF[6-10]。為了比較這些MCF的纖芯密度和串?dāng)_水平，表1涵蓋了空間信道數(shù)、有效面積Aeff、包層直徑、包層厚度以及傳輸100 km后的最大串?dāng)_和相對空間效率。

表1 近年來報(bào)道的弱耦合單模MCF的參數(shù)

空間信道數(shù)由纖芯數(shù)表示，MCF的空間效率SEMCF定義為：

通過對包層直徑為125 μm的單模光纖的空間效率進(jìn)行校準(zhǔn)，可以得到相對空間效率RSE，其表達(dá)式為：

從表1可以發(fā)現(xiàn)，在高相對空間效率和低串?dāng)_之間存在平衡關(guān)系。應(yīng)該注意，MCF的串?dāng)_隨著波長的增加而增加，在整個波長范圍內(nèi)的串?dāng)_斜率約為0.1 dB/nm。因此，L波段長波長處的最大串?dāng)_比C波段短波長處的串?dāng)_約大10 dB。

2 高空間信道數(shù)的少模-多芯光纖

模分復(fù)用（Mode Division Multiplexing，MDM）技術(shù)是一種提高空間效率的有效方法，而具有低差分模時延（Differential Mode Group Delay，DMD）、大傳輸容量的FMF也是近年來的研究熱點(diǎn)[11]。將FMF用于長距離傳輸時，在大多數(shù)情況下，需要復(fù)雜的多進(jìn)多出數(shù)字信號處理系統(tǒng)的來分離傳播過程中的耦合模式。信號處理系統(tǒng)的復(fù)雜性以及與模式有關(guān)損耗的可控性可能會限制復(fù)用模式的數(shù)量。另外，由于DMD對光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的波動非常敏感，隨著模式數(shù)量的增加，制備小的DMD的光纖變得愈發(fā)困難。

為了進(jìn)一步提升光纖的傳輸容量，研究人員在2012年首次提出了FM-MCF的概念。FM-MCF的復(fù)用原理是將模分復(fù)用與空分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，通過增加纖芯和模式數(shù)目直接增加空間信道數(shù)。FMMCF可用的空間信道數(shù)是纖芯數(shù)目與模式數(shù)目的乘積。例如，3模19芯光纖具有57個空間信道數(shù)，而6模12芯光纖的空間信道數(shù)可達(dá)到72個。由于高階模之間的串?dāng)_大于基模間的串?dāng)_，與單模MCF相比，F(xiàn)M-MCF所需的纖芯間距變大。圖6模擬了1 565 nm波長下LP01模式間的串?dāng)_XT01-01、LP11模式間的串?dāng)_XT11-11和LP02模式間的串?dāng)_值XT02-02與纖芯間距的關(guān)系曲線。每個纖芯均具有溝槽輔助型折射率分布，所有纖芯的有效面積均為80 μm2。從模擬結(jié)果可以看出，隨著模式數(shù)量的增加，為了保持相同的串?dāng)_值，需要提高纖芯之間的距離。

圖6 LP01模間串?dāng)_XT01-01，LP11模間串?dāng)_XT11-11和LP02模間串?dāng)_XT02-02與纖芯間距的關(guān)系曲線

FM-MCF在提升空間信道數(shù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，未來會廣泛應(yīng)用在高傳輸速率的數(shù)據(jù)中心、大容量的城域光網(wǎng)以及光纖接入網(wǎng)等場景。

3 結(jié) 語

本文描述了用于大容量空分復(fù)用傳輸?shù)娜躐詈螹CF技術(shù)，回顧了溝槽輔助型結(jié)構(gòu)、異質(zhì)光纖和雙向交錯傳輸技術(shù)3種串?dāng)_抑制方案，介紹了可實(shí)現(xiàn)的串?dāng)_與空間效率和空間信道數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，應(yīng)根據(jù)傳輸距離和使用的調(diào)制格式，通過考慮允許的串?dāng)_來衡量纖芯到纖芯間的距離。在包層直徑的限制下，必須考慮允許的串?dāng)_和所需的包層厚度來確定纖芯的數(shù)量和纖芯位置的排列。文章最后介紹了將空分復(fù)用與模分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合的FMMCF，F(xiàn)M-MCF是實(shí)現(xiàn)空間信道數(shù)大于100的有效途徑。在FM-MCF中，增加模式數(shù)目的同時，對高階模式的串?dāng)_抑制和控制每個纖芯具有低的DMD是目前工作的難點(diǎn)。設(shè)計(jì)優(yōu)化MCF結(jié)構(gòu)，提高通信系統(tǒng)的傳輸容量和頻譜效率以及開發(fā)相關(guān)器件將是未來MCF的主要研究方向。