打破傳輸容量紀錄！住友電工開(kāi)發(fā)首個(gè)標準外徑19芯光纖

【責任分擔】

      本公司：標準外徑的耦合型19芯光纖的設計、制造。

      本公司此前曾開(kāi)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程大容量傳輸的標準外徑耦合型多芯光纖，這次通過(guò)優(yōu)化芯的結構和配置，開(kāi)發(fā)了標準外徑中全球芯數最多的耦合型19芯光纖。

      NICT：構建最大限度發(fā)揮該光纖性能的傳輸系統。

      由于受到信號干擾，存在耦合型多芯光纖中每個(gè)芯的傳輸性能難以評價(jià)的問(wèn)題，針對此問(wèn)題，構建了同時(shí)并列高速接收19芯信號的光傳輸系統。

【實(shí)證內容】

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

【實(shí)證結果】

      本實(shí)驗結果不僅打破了標準外徑多芯光纖的傳輸容量的世界紀錄，而且更新了1Pb/s級的標準外徑多芯光纖傳輸實(shí)驗的最長(cháng)距離。此外，即使將耦合型多芯光纖的芯數增加到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級傳輸時(shí)所需的數字信號處理*8負載（功耗）的可能性，實(shí)際驗證了耦合型多芯光纖芯數的可擴展性。耦合型多芯光纖及其傳輸技術(shù)作為開(kāi)拓遠程光通信網(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)驗結果的論文在第46屆光纖通信國際會(huì )議（OFC 2023）上獲得了非常高的評價(jià)，被錄用為最優(yōu)秀熱門(mén)話(huà)題論文（Postdeadline Paper），并于當地時(shí)間2023年3月9日（星期四）發(fā)表。

      *1 標準外徑的光纖

      國際標準規定，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250兆比特被認為是傳輸能力的極限，目前正在積極研究和開(kāi)發(fā)新類(lèi)型的光纖。

      *2 多芯光纖

      使用目前廣泛用于中長(cháng)距離通信的標準單芯單模光纖（圖1a）進(jìn)行傳輸，被認為具有每秒約250太比特的容量極限。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們對使用增加芯數（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，當各芯相互靠近時(shí)，從一個(gè)芯泄露的信號會(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干擾，通常使用非耦合多芯光纖，其中芯子被適當地擴大，信號被限制在芯子內。目前正在積極研究和開(kāi)發(fā)具有標準外徑的非耦合型四芯光纖，目的是為了早日實(shí)現實(shí)際應用。

      *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(guò)MIMO數字信號處理*?消除纖芯之間的信號干擾。使用耦合型多芯光纖傳輸比多模光纖傳輸更適合長(cháng)距離傳輸，因為在每個(gè)芯中傳播的信號的傳播特性更均勻。然而，為了確保長(cháng)距離傳輸所需的芯子間耦合的隨機性，芯子必須有適當的間隔，使耦合既不會(huì )太強也不會(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 貝脫比特每秒相當于每秒1000萬(wàn)個(gè)頻道的8K廣播。

      *5 波長(cháng)帶寬

      主要用于電信應用的波段是C波段（波長(cháng)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多個(gè)比特的方法（多級調制）。64QAM在相位空間有64個(gè)點(diǎn)可以被一個(gè)符號占用，用一個(gè)符號可以傳輸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

      當一個(gè)光信號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)纖芯內存在多種模式。在多模光纖的傳播、輸入/輸出和接續過(guò)程中會(huì )出現不同模式之間的信號干擾，這就需要使用MIMO數字信號處理*?來(lái)消除干擾。由于到達接收器之前的時(shí)間差，不同模式的信號需要優(yōu)化光纖和重載的數字信號處理。到目前為止，多模光纖傳輸最多可使用55種模式。

      *8 MIMO數字信號處理

      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/芯分離成獨立的信號通道） MIMO 是一種信號處理技術(shù)，在無(wú)線(xiàn)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之間的干擾。MIMO處理的負荷（功耗）主要由乘法的次數決定，并與模式數的平方和濾波器函數的長(cháng)度成正比，用于反向再生信號在光纖中傳播的影響。在多模光纖傳輸中，濾波函數的長(cháng)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(cháng)度成比例累積，導致長(cháng)距離傳輸的信號處理負荷很大。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，濾波函數的長(cháng)度與傳輸距離的二分之一功率成正比。當在10,000公里的傳輸距離上進(jìn)行比較時(shí)，這是一個(gè)跨洋級的傳輸距離，與55模式傳輸相比，耦合的19芯系統可以將每個(gè)信道的MIMO處理負荷減少多達幾千倍。（圖2）

圖2