近十年来，由于互联网和物联网突飞猛进地发展，出现大量新兴的技术和应用，网络流量不仅仅在人与人之间产生，更多地在机器与机器之间产生，诸如数据中心计算机之间数据的输送，传感网络的通信，以及不断渗入到生活家具中的物联网通信等等。根据贝尔实验室，思科公司等业界巨头对现有光纤网络不同应用的流量增长趋势统计结果，当前光纤通信网络的流量正以20%~60%高速增长。如图1所示，考虑到2010年商用光通信系统实现端口速率100Gb/s，系统容量10Tb/s，在未来十年，光纤通信系统容量将达到100Tb/s左右。然而目前光纤通信系统存在着若干限制：首先，结合低损耗传输窗口和放大器带宽，有用频谱约为10THz;其次，信号在光纤传输中会面临着放大器的自发辐射噪声(ASE)带来的光信噪比恶化，以及由光纤非线性克尔效应带来的非线性损伤，使得系统容量存在非线性香农极限，即通过提高信噪比来提高高频谱效率信号的传输质量会产生非常严重的非线性畸变。
图1 光纤通信系统容量增长趋势
图2 光信号物理复用维度
从光信号的本质出发，其物理复用维度包括五个方面，如图2所示，分别为时间，偏振，频率，正交及空间。光纤通信系统中高速信号正在采用了多种复用技术，如时分复用，波分复用，偏振复用以及利用相干探测技术的振幅-相位正交复用。而在光纤物理层中唯一未被深入研究的空间维度(space)—空分复用技术(SDM)成为了突破光纤通信系统容量限制的必然选择。
2010年在欧洲光通信会议上，以多芯光纤和少模光纤为基础的空分复用技术(SDM)作为提升光纤通信系统的关键技术得到了众机构科研学者的认同，被视作继波分复用技术之后的光纤传输技术的第二次技术革命。WDM之父厉鼎毅先生对SDM给予很高的评价。
自SDM技术被提出之后，6年来得到了欧美日等国科研机构的高度重视，其中日本情报通信研究机构(NICT)，日本电话电报公司(NTT)牵头，东北大学，北海道大学，大阪大学，住友公司，藤仓公司等多家机构参与的EXAT项目提出2020年实现光纤通信系统容量千倍跃升的目标。在短短几年的时间，就完成了设计，拉制，测试多批次低损耗，低串扰的多芯光纤，制作了多种低损耗低串扰的复用/解复用器，并多次在OFC，ECOC等国际会议上报导英雄传输实验。在欧洲，欧盟针对空分复用技术的研究建立了MODE-GAP项目，联合了包括南安普顿大学，阿斯顿大学，埃因霍温理工大学等多家大学和公司，重点开展基于少模光纤的空分复用技术的研究，尤其是基于少模光纤的复用/解复用器件的制作和开发，并迅速地将其产业化。在美国，贝尔实验室等科研机构，利用康宁公司，OFS公司研制的多芯光纤，少模光纤，也报导了大量的传输实验结果，并实现了空分复用实时传输实验，标志着空分复用传输从实验室理想环境走向了更复杂的现场实时传输。
华中科技大学唐明、付松年教授科研团队与长飞光纤光缆股份有限公司在基于多芯光纤的空分复用领域的研究进展
由于基于少模光纤的空分复用技术需要在相干接收机采用极其复杂的DSP算法，且模式相关损耗会显著降低传输性能等本质特征(且这些特征随着传输距离的增加，模式复用数目的增加而急剧劣化)，我们选择了应用前景更为明朗，更有利于在中短期解决现有光纤通信系统容量瓶颈的多芯光纤空分复用技术。
长飞光纤光缆股份有限公司，通过与华中科技大学唐明教授科研团队合作，率先在国内拉制了同质型弱耦合七芯单模光纤。通过对七芯波导结构的仿真计算，我们拉制了两种同质型多芯光纤，即带沟道与不带沟道的7芯光纤，其电镜图如图3(a), (b)所示。通过对光纤衰减谱，截止波长，弯曲损耗，串扰，色散，PMD等性能参数的测试，不断优化工艺，最终实现低串扰，低损耗的7芯光纤。光纤在1550nm衰减0.20dB/km左右，串扰低于-40dB/100km,填补了国内在该特种光纤领域的技术空白，在产品性能上与国际领先的OFS, 康宁，藤仓等众多光纤厂商接近。
(a)
(b)
图3 7芯光纤端面电镜图
另一方面，适用于多芯光纤的空间复用/解复用器至关重要，因为在收发两端，在网络节点，仍然是基于单模光纤的器件，因此有必要将多路单模光纤中的信号复用进多芯光纤，并将多芯光纤中的多路并行信号解复用到多路单模光纤中。针对多芯光纤复用/解复用器，在综合比较了国际上主流技术的利弊之后，结合自身条件，选择了化学腐蚀及光纤束冷接工艺的技术方法来实现复用/解复用器。
一方面将单模光纤腐蚀后按照七芯光纤的排列插入到陶瓷插芯中，另一方面将多芯光纤腐蚀后同样插入到陶瓷插芯中，利用自由空间光路对准平台，将腐蚀的单模光纤束同七芯光纤进行对准，最后紫外固化。具体流程如图4所示。经过不断的工艺优化，最终实现插入损耗<1dB，串扰<-45dB，回波反射<-50dB。在综合性能指标上达到了国际最好水平。
图4 (a)腐蚀光纤束显微照片
图4 (b)光纤束端面显微照片
图4 (c)六维对准平台
图4 (d)紫外固化过程
图4 (e)多芯光纤复用/解复用器实物图
凭借高质量的多芯光纤，复用/解复用器，一方面很快打开了国内国际市场，得到了客户的青睐，产品受到了清华大学，暨南大学、北京科技大学、香港理工大学、瑞典查尔姆斯大学、以及美国chiral photonics公司等的一致好评，另一方面也独立开展了国内首个空分复用大容量传输实验。
首先，针对当前空分复用大容量接入网距离短，速率低，调制格式低级，普遍采用时分复用的研究现状，我们搭建了多芯光纤传输平台，由光频梳作为下行光源，调制高阶格式信号，经过六个外层芯传输到ONU端;在ONU端，上行采用可调激光器作为光源，调制OOK信号，同样经过六个外层芯传输。为了降低成本，我们对上下行信号采用直调直检技术。为了兼容移动回传业务，我们在中间芯传输移动回传信号，并在OLT端进行相干接收，从而实现兼容移动业务的新型大容量波分/空分接入网架构。如图5所示。初步实现在58公里多芯光纤下行传输容量300Gb/s，支持60个用户，每个用户5Gb/s。实验结果如图6，7所示。
图5 新型波分/空分接入网架构
图6 下行传输结果
图7 上行传输结果 (a) 在上行传输存在的条件下的下行信号传输结果; (b) 上行信号传输结果; (c) -8dBm和-15dBm接收功率时的眼图。
进一步地，在此架构基础上进行了优化改进，一方面通过在接收端采用RSOA实现低成本无色ONU，另一方面采用更高级调制格式以及自适应调制增加系统容量，在新的架构中，下行信号在调制后经过外层5个芯传输到ONU端，对于上行信号的载波，我们通过外层第六个芯单独进行传输到ONU端进行RSOA再调制后，从中间芯进行传输，另外，对于移动回传信号，采用偏振复用以增加容量，速率达到48Gb/s。该接入网架构如图8所示。实验示意图如图9所示。在实验中，由于RSOA带宽有限，采用注水算法对其进行自适应调制OFDM信号，使其在1.25G带宽下传输速率达到3.12Gb/s。最终实现下行50个用户，单个用户接入速率5Gb/s，系统容量达到250Gb/s。上行速率达到3.12Gb/s，且兼容移动回传业务，容量达到48Gb/s。实验结果如图10，11所示。
图8 波分/空分接入网架构示意图
图9 实验示意图
图10 下行传输实验结果图
图11 上行信号经过RSOA自适应调制结果示意图
未来发展方向与展望
空分复用光纤通信技术成为业界主流的选择将是一个漫长的过程，其间既有运营商，系统供应商对现有单模光纤通信技术的潜能的继续挖掘，也会包括彼此之间的博弈，权衡取舍。
从空分复用技术自身角度来讲，一方面需要不断改善空分复用器件性能，尽快制定相关标准。目前基于多芯光纤的空分复用系统不断的得到完善，日本住友公司已经拉制出超低损耗多芯光纤，藤仓公司也拉制出22芯，30芯等更多数目的多芯光纤，复用/解复用器日益的集成化，小型化，多芯光纤熔接技术，连接器，放大器都日臻完善;另一方面，空分复用技术需要找到更适合自己特点的应用场景，譬如，多芯光纤的特点之一就是空间利用率高，性能近似于多根单模光纤的同时可以节省更多空间，那么这一特点就非常适用于对空间敏感的数据中心的应用，随着云计算的风靡，互联网巨头规划建设了越来越多的大型数据中心，多芯光纤具有非常大的潜能，发挥用武之地。随着移动通信技术的发展，基于移动通信网络的丰富应用带动了移动数据业务的大幅度增长。为了在大幅度扩容时同时满足绿色和低成本的运营要求，5G无线网络的频谱效率和能量效率都需要在4G标准上提高一个数量级。而未来5G通信中关键技术之一就是大规模阵列天线多输入多输出技术(Massive MIMO),假设阵列天线由128根天线组成，信号带宽100MHz，采用16bits量化和8b/10b编码，则其与基带池链路的数字复合速率将高达786Gbps。因此基于光纤的光载无线(RoF)传输技术将是未来移动通信传输的关键技术。目前国际上关于5G关键技术的研发开展的如火如荼，而空分复用技术将会丰富其技术方案的选择，甚至有潜力成为其中的关键技术。
来源：讯石光通讯
