| hycsystembella |
2024-10-30 10:01 |
突破傳輸容量瓶頸：多芯光纖與空芯光纖
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伴隨著容量的提升及輸入功率的增加，由于非線性香農(nóng)極限的影響，單模光纖的傳輸容量即將到達(dá)上限。傳統(tǒng)單模光纖（SMF）傳輸系統(tǒng)的最大容量被認(rèn)為在100 Tbit/s左右。這個(gè)極限是由信噪比和帶寬決定的，雖然通過先進(jìn)的編碼技術(shù)可以挖掘出更多的潛力，但物理上的限制不可避免。實(shí)芯光纖也逐漸暴露出難以滿足低時(shí)延業(yè)務(wù)、非線性嚴(yán)重，最大傳輸容量很難持續(xù)提升的問題。在光纖傳輸其他維度已無(wú)法突破的情況下，如何提高光纖容量呢？多芯光纖和空芯光纖的引入， 為解決當(dāng)前傳統(tǒng)光纖的局限提供了一個(gè)解決方案，旨在突破單模光纖的容量限制。 0P%(4t$pd
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什么是多芯光纖（Multi-core Fiber, MCF）？ ha3 Qx
多芯光纖就是在同一根光纖內(nèi)，有多根纖芯，多個(gè)信號(hào)可通過各自的纖芯進(jìn)行獨(dú)立傳輸，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸容量實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的提升。這使得同一根光纜能夠在不顯著增加物理體積的情況下，提供數(shù)倍于傳統(tǒng)光纖的傳輸帶寬。 <P}{0Y~@*W
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與傳統(tǒng)光纖相比， MCF在同一光纖中傳輸多個(gè)信道，可以大幅度提高帶寬，從而滿足數(shù)據(jù)中心、骨干網(wǎng)等對(duì)傳輸容量日益增長(zhǎng)的需求；同時(shí)減少了光纖鋪設(shè)的數(shù)量，節(jié)省了光纖資源和安裝空間。 ;f0+'W
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根據(jù)光纖芯之間的耦合程度，多芯光纖通常分為以下兩類：無(wú)耦合多芯光纖（Uncoupled Core MCF,UC-MCF）和耦合多芯光纖（Coupled Core MCF, CC-MCF）。兩者的纖芯間距不同，非耦合多芯光纖的芯間距大于30um，耦合多芯光纖的芯間距小于30um。纖芯間距是指相鄰兩個(gè)纖芯之間的距離。 Qmzj1e$6x
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耦合MCF中的每個(gè)纖芯比較緊湊，纖芯之間的信號(hào)傳輸容易產(chǎn)生相互干擾，因此需要在傳輸系統(tǒng)中采用多輸入輸出MIMO數(shù)字信號(hào)處理DSP來(lái)處理模式耦合效應(yīng)。信號(hào)之間發(fā)生模式耦合導(dǎo)致信號(hào)在接收端混合在一起，無(wú)法區(qū)分，因此采用MIMO-DSP技術(shù)通過在接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼和恢復(fù)，即分離和恢復(fù)每個(gè)纖芯上的原始信號(hào)，確保每個(gè)信號(hào)都能被準(zhǔn)確的接收和解碼。類似地，非耦合MCF中每個(gè)纖芯是獨(dú)立傳播信號(hào)，不需要MIMO DSP進(jìn)行處理。從成本上來(lái)說(shuō)，當(dāng)然希望是可以選擇不需要MIMO來(lái)處理的非耦合MCF，但非耦合MCF用于長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，又容易產(chǎn)生芯間串?dāng)_（XT）。芯間串?dāng)_是MCF需要關(guān)注的一個(gè)重要參數(shù)，可定義為單芯信號(hào)的磁場(chǎng)或電場(chǎng)對(duì)相鄰芯信號(hào)的干擾。由于同一包層區(qū)域有多個(gè)芯，因此串?dāng)_是系統(tǒng)的重要因素。為了減少芯間的串?dāng)_，芯間距應(yīng)適當(dāng)。 S-'iOJ 1]
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多芯光纖商用情況 TQ>kmHWf/
2024年3月，日本電信運(yùn)營(yíng)商N(yùn)TT攜手NEC成功完成 “首次跨洋7280千米傳輸實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)采用了12芯多芯光纖技術(shù)，將光網(wǎng)絡(luò)帶寬提高12倍。 @x"vGYKd
2024年3月，谷歌透露與日本電氣合作，采用多芯光纖技術(shù)建設(shè)連接臺(tái)灣、菲律賓和美國(guó)的海底光纜系統(tǒng)TPU，預(yù)計(jì)2025年底完工。該系統(tǒng)是全球首個(gè)采用MCF技術(shù)的商用海底光纜系統(tǒng)。 '$ q'Wl)
2023年，烽火通信基于自研19芯單模光纖，實(shí)現(xiàn)了凈傳輸容量3.61Pbit/s的系統(tǒng)傳輸，相當(dāng)于1秒下載約135300部最高畫質(zhì)的電影，刷新了單模多芯光纖傳輸容量的世界紀(jì)錄。 $&k zix
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多芯光纖走向應(yīng)用需要解決FIFO, 熔接，放大等問題，也就是需要解決多芯光纖與多芯光纖的連接、多芯光纖與單芯光纖的連接、多芯光纖在光放大傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用，需要開發(fā)相關(guān)的連接器、熔接機(jī)、扇入扇出FIFO器件、光配線架等相關(guān)產(chǎn)品，并考慮與現(xiàn)有技術(shù)的兼容性和通用性。目前，國(guó)際上對(duì)多芯光纖的設(shè)計(jì)未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各廠商的多芯光纖在纖芯數(shù)量、纖芯排列、大小、芯間距等都有些差異，不同類型多芯光纖熔接增加了難度。 'UW7zL5
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多芯光纖與單芯光纖的連接 - FIFO _@jl9<t=_
多芯光纖（MCF）的應(yīng)用需要解決多芯光纖與普通單芯光纖之間如何連接的問題�？臻g多路復(fù)用器/解復(fù)用器被稱為扇入/扇出(FIFO)器件，用于有效地將光從單個(gè)單模光纖耦合到多核光纖，或者將多核光纖的光耦合到單個(gè)單模光纖中，這樣就實(shí)現(xiàn)了多芯光纖與普通單模光纖之間的連接。難點(diǎn)在于連接時(shí)如何保證纖芯間的低串?dāng)_、連接的低損耗以及精密的耦合對(duì)準(zhǔn)。到目前為止，已經(jīng)報(bào)道了各種各樣的FIFO器件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，但最常用的技術(shù)有: 1)熔融拉錐技術(shù)，2)3D波導(dǎo)技術(shù)；和3)自由空間光學(xué)技術(shù)。 ^<[oKi;>
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以上每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于具有小芯距的高密度MCF來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)低串?dāng)_(XT)仍然具有挑戰(zhàn)性。例如，在熔融拉錐光纖逐漸變細(xì)的方法中，F(xiàn)IFO器件可以通過逐漸變細(xì)單模光纖束來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在變細(xì)過程中，每個(gè)芯的模場(chǎng)直徑(MFD)會(huì)增大，這可能會(huì)影響器件的性能導(dǎo)致相鄰纖芯之間會(huì)產(chǎn)生明顯的串?dāng)_（XT）。在3D波導(dǎo)方法下，直接飛秒激光刻寫比較難實(shí)現(xiàn)低XT FIFO器件，但該方法的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)更多芯數(shù)的耦合�；谧杂煽臻g光學(xué)的FIFO器件具有低插入損耗和XT，需要精密控制各組件的精度及成熟的光學(xué)設(shè)計(jì)技能。 2+
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億源通（HYC）基于自身強(qiáng)大的空間光學(xué)設(shè)計(jì)能力及成熟的精密耦合能力，提出了一種緊湊和低串?dāng)_XT的四芯 FIFO組件。通過精密的空間光學(xué)設(shè)計(jì)，利用透鏡、棱鏡等光學(xué)元件調(diào)節(jié)并優(yōu)化MCF與多個(gè)單芯光纖的耦合，實(shí)現(xiàn)耦合效率最優(yōu)，器件結(jié)構(gòu)緊湊，指標(biāo)均衡。 間距在43um的FIFO器件具有低平均耦合損耗（＜0.5dB），低串?dāng)_（＞45dB），回波損耗（＞55dB）。 yxLGseD
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多芯光纖與多芯光纖之間的連接 tlI3jrgw
目前多芯光纖多采用熔接的方式來(lái)進(jìn)行連接，但由于每個(gè)多芯光纖都可能有不同的芯間距，這樣熔接意味著有施工難度高、后期維護(hù)難等難題。用于 MCF 的第一個(gè)實(shí)用光連接器是 2012 年在日本開發(fā)的 MU 型 MCF 連接器。通過應(yīng)用奧爾德姆的耦合機(jī)構(gòu)，保持定位精度，包括旋轉(zhuǎn)角度。它具有即使對(duì)線纜施加拉伸載荷，連接損耗也不會(huì)波動(dòng)的特性。 2019年開發(fā)出SC型MCF連接器，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相同原理。 YDC[s ^d5
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億源通研發(fā)的專用于多芯光纖連接的光纖連接器，在傳統(tǒng)的LC/FC接口類型連接器基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改設(shè)計(jì)，優(yōu)化了定位保持功能，改善了研磨耦合工藝，保證多次耦合后插入損耗變化小，能夠直接取代昂貴的熔接工藝，保證使用的便捷性。此外，億源通也設(shè)計(jì)了具有專利的MC連接器，比傳統(tǒng)接口類型連接器擁有更小的尺寸，可應(yīng)用于更加密集的空間。 HQ ^> ~
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多芯光纖MCF Hybrid組件（應(yīng)用于EDFA光放大器系統(tǒng)） m"X0Owx
空分復(fù)用技術(shù)傳輸系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)大容量、高速率和長(zhǎng)距離傳輸，必然離不開光放大器去補(bǔ)償其傳輸損耗，SDM光纖放大器是SDM技術(shù)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵，多芯摻鉺光纖放大器（MC-EDFA）是SDM傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。 ?f
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