打破傳輸容量紀(jì)錄！住友電工開發(fā)首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外徑19芯光纖

【責(zé)任分擔(dān)】

      本公司：標(biāo)準(zhǔn)外徑的耦合型19芯光纖的設(shè)計(jì)、制造。

      本公司此前曾開發(fā)了耦合型4芯光纖和耦合型7芯光纖這兩種適用于遠(yuǎn)程大容量傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)外徑耦合型多芯光纖，這次通過優(yōu)化芯的結(jié)構(gòu)和配置，開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)外徑中全球芯數(shù)最多的耦合型19芯光纖。

      NICT：構(gòu)建最大限度發(fā)揮該光纖性能的傳輸系統(tǒng)。

      由于受到信號(hào)干擾，存在耦合型多芯光纖中每個(gè)芯的傳輸性能難以評(píng)價(jià)的問題，針對(duì)此問題，構(gòu)建了同時(shí)并列高速接收19芯信號(hào)的光傳輸系統(tǒng)。

【實(shí)證內(nèi)容】

      使用商用的波段(C段、L段) *5和雙偏振64QAM信號(hào)*6，實(shí)際驗(yàn)證了傳輸距離為63.5 km時(shí)合計(jì)1.7Pb/s的傳輸容量。

【實(shí)證結(jié)果】

      本實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅打破了標(biāo)準(zhǔn)外徑多芯光纖的傳輸容量的世界紀(jì)錄，而且更新了1Pb/s級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)外徑多芯光纖傳輸實(shí)驗(yàn)的最長(zhǎng)距離。此外，即使將耦合型多芯光纖的芯數(shù)增加到19芯，與多模光纖傳輸*7方式相比，本成果也展示了大幅降低橫跨大洋等10,000km級(jí)傳輸時(shí)所需的數(shù)字信號(hào)處理*8負(fù)載（功耗）的可能性，實(shí)際驗(yàn)證了耦合型多芯光纖芯數(shù)的可擴(kuò)展性。耦合型多芯光纖及其傳輸技術(shù)作為開拓遠(yuǎn)程光通信網(wǎng)的大容量化之路的關(guān)鍵技術(shù)而備受期待。

      此外，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論文在第46屆光纖通信國(guó)際會(huì)議（OFC 2023）上獲得了非常高的評(píng)價(jià)，被錄用為最優(yōu)秀熱門話題論文（Postdeadline Paper），并于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2023年3月9日（星期四）發(fā)表。

      *1 標(biāo)準(zhǔn)外徑的光纖

      國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，光纖的玻璃（包層）的外徑為0.125±0.0007毫米，包層的外徑為0.235至0.265毫米。目前光通信中廣泛使用的光纖是外徑為0.125毫米的單芯單模光纖，每秒250兆比特被認(rèn)為是傳輸能力的極限，目前正在積極研究和開發(fā)新類型的光纖。

      *2 多芯光纖

      使用目前廣泛用于中長(zhǎng)距離通信的標(biāo)準(zhǔn)單芯單模光纖（圖1a）進(jìn)行傳輸，被認(rèn)為具有每秒約250太比特的容量極限。為了解決這個(gè)問題，人們對(duì)使用增加芯數(shù)（光路）的多芯光纖（圖1b）和多模光纖的傳輸進(jìn)行了研究。在多芯光纖中，當(dāng)各芯相互靠近時(shí)，從一個(gè)芯泄露的信號(hào)會(huì)滲透到其他芯中，造成干擾并降低傳輸質(zhì)量（圖1c）。為了減少芯子之間的信號(hào)干擾，通常使用非耦合多芯光纖，其中芯子被適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大，信號(hào)被限制在芯子內(nèi)。目前正在積極研究和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)外徑的非耦合型四芯光纖，目的是為了早日實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

      *3 耦合型多芯光纖

      耦合型多芯光纖（圖1d）有緊密排列的纖芯，前提是在接收端通過MIMO數(shù)字信號(hào)處理*?消除纖芯之間的信號(hào)干擾。使用耦合型多芯光纖傳輸比多模光纖傳輸更適合長(zhǎng)距離傳輸，因?yàn)樵诿總€(gè)芯中傳播的信號(hào)的傳播特性更均勻。然而，為了確保長(zhǎng)距離傳輸所需的芯子間耦合的隨機(jī)性，芯子必須有適當(dāng)?shù)拈g隔，使耦合既不會(huì)太強(qiáng)也不會(huì)太弱。

圖1

      *4 貝脫比特和太比特

      一個(gè)貝脫比特是1,000萬(wàn)億比特，一個(gè)太比特是1萬(wàn)億比特，一個(gè)吉比特是10億比特。1 貝脫比特每秒相當(dāng)于每秒1000萬(wàn)個(gè)頻道的8K廣播。

      *5 波長(zhǎng)帶寬

      主要用于電信應(yīng)用的波段是C波段（波長(zhǎng)1,530-1,565納米）和L波段（1,565-1,625納米），O波段（1,260-1,360納米）、E波段（1,360-1,460納米）、S波段（1,460-1,530納米）和U波段（1,625-1、 675納米）。本研究中使用了C和L波段。

      *6 64QAM

      QAM是一種利用光的相位和振幅共同表達(dá)多個(gè)比特的方法（多級(jí)調(diào)制）。64QAM在相位空間有64個(gè)點(diǎn)可以被一個(gè)符號(hào)占用，用一個(gè)符號(hào)可以傳輸6比特的信息（2的6次方=64路），在相同的時(shí)間內(nèi)比OOK（On-Off keying）多六倍的信息，可以進(jìn)行傳輸。

      *7 多模光纖傳輸

      當(dāng)一個(gè)光信號(hào)在光纖的芯部傳播時(shí)，它以各種振動(dòng)狀態(tài)傳播，同時(shí)在芯部和包層的邊界處重復(fù)全反射（圖1e）。這些不同的振動(dòng)狀態(tài)就是傳播模式。多模光纖有一個(gè)大的纖芯直徑，在一個(gè)纖芯內(nèi)存在多種模式。在多模光纖的傳播、輸入/輸出和接續(xù)過程中會(huì)出現(xiàn)不同模式之間的信號(hào)干擾，這就需要使用MIMO數(shù)字信號(hào)處理*?來(lái)消除干擾。由于到達(dá)接收器之前的時(shí)間差，不同模式的信號(hào)需要優(yōu)化光纖和重載的數(shù)字信號(hào)處理。到目前為止，多模光纖傳輸最多可使用55種模式。

      *8 MIMO數(shù)字信號(hào)處理

      使用多模和耦合型多芯光纖進(jìn)行傳輸，在進(jìn)行模式分離時(shí)幾乎總是需要多輸入多輸出（MIMO）處理（為每個(gè)模式/芯分離成獨(dú)立的信號(hào)通道） MIMO 是一種信號(hào)處理技術(shù)，在無(wú)線通信中用于消除多徑干擾。在光通信中，它被用來(lái)消除在同一光纖中傳播的不同光信號(hào)之間的干擾。MIMO處理的負(fù)荷（功耗）主要由乘法的次數(shù)決定，并與模式數(shù)的平方和濾波器函數(shù)的長(zhǎng)度成正比，用于反向再生信號(hào)在光纖中傳播的影響。在多模光纖傳輸中，濾波函數(shù)的長(zhǎng)度取決于每個(gè)模式的傳播速度差，而傳播速度差通常與光纖長(zhǎng)度成比例累積，導(dǎo)致長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)處理負(fù)荷很大。在耦合的多芯光纖傳輸中，每個(gè)空間通道（芯）的傳播特性都是均勻的，濾波函數(shù)的長(zhǎng)度與傳輸距離的二分之一功率成正比。當(dāng)在10,000公里的傳輸距離上進(jìn)行比較時(shí)，這是一個(gè)跨洋級(jí)的傳輸距離，與55模式傳輸相比，耦合的19芯系統(tǒng)可以將每個(gè)信道的MIMO處理負(fù)荷減少多達(dá)幾千倍。（圖2）

圖2