50年前，高錕博士在PIEE雜志上發(fā)表了題為《光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，從理論上分析證明了用光纖作為傳輸媒介以實(shí)現(xiàn)光通信的可能性，開啟了一場人類通信方式的劃時(shí)代革命。短短幾十年間，光纖網(wǎng)絡(luò)遍布全球，在性能、份額等方面全面超越DSL成為全球?qū)拵袌龅念I(lǐng)先技術(shù)。面向未來，光纖是否能夠承載幾何級增長的用戶帶寬需求？下一代光纖傳輸系統(tǒng)光纖又會向哪個(gè)方向邁進(jìn)？

過去的20多年是我國光通信技術(shù)發(fā)展最為迅速的一段時(shí)間。在市場需求和技術(shù)進(jìn)步的“雙馬達(dá)”驅(qū)動(dòng)下，骨干網(wǎng)先后經(jīng)歷了2.5G、10G等不同發(fā)展階段，而今，100G技術(shù)已經(jīng)成為主導(dǎo)，400G開始逐步鋪開，更快的1T、2T技術(shù)也已進(jìn)入預(yù)研。接入網(wǎng)方面，雖然ADSL率先登場，但隨著PON技術(shù)的大規(guī)模采用，F(xiàn)TTH得到了快速發(fā)展。尤其近幾年，在“寬帶中國”等國家戰(zhàn)略的推動(dòng)下，我國已在光接入方面處于世界前列。短短20年間，普通居民的家庭網(wǎng)絡(luò)接入帶寬已從幾十K變?yōu)?0M、100M，千兆寬帶也開始在部分發(fā)達(dá)地區(qū)試點(diǎn)推廣。

網(wǎng)絡(luò)帶寬的快速提升離不開光通信技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。這其中，波分復(fù)用技術(shù)的不斷完善起到了主要的推動(dòng)作用。同時(shí)，高階調(diào)制、相干檢測、DSP等一系列射頻通信技術(shù)的引入也成為光通信發(fā)展的巨大助力，成就了現(xiàn)在100G商用傳輸系統(tǒng)。

然而，作為光通信的載體，光纖在發(fā)展上卻碰到了“天花板”。從光信號的本質(zhì)出發(fā)，其物理復(fù)用維度包括五個(gè)方面，分別為時(shí)間、偏振、頻率、正交及空間。光纖通信系統(tǒng)中高速信號正在采用多種復(fù)用技術(shù)，如時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用、偏振復(fù)用以及利用相干探測技術(shù)的振幅-相位正交復(fù)用。由于非線性效應(yīng)的存在，光傳輸系統(tǒng)中時(shí)間、頻率、偏振等各個(gè)物理維度的復(fù)用正在接近香農(nóng)極限，此外，基于單模光纖的光傳輸系統(tǒng)的能耗增長也成為不得不考慮的問題。而在光纖物理層中唯一未被深入研究的空間維度—空分復(fù)用技術(shù)(SDM)成為了突破光纖通信系統(tǒng)容量限制的必然選擇。

2010年在歐洲光通信會議上，以少模光纖和多芯光纖為基礎(chǔ)的空分復(fù)用技術(shù)作為提升光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)得到了眾機(jī)構(gòu)科研學(xué)者的認(rèn)同，被視作繼波分復(fù)用技術(shù)之后的光纖傳輸技術(shù)的第二次技術(shù)革命。WDM之父厲鼎毅先生對SDM給予很高的評價(jià)。

少模光纖的研究是全球通信技術(shù)研究，特別是光纖通信研究的熱點(diǎn)之一。每年全球最主要的光通信會議如OFC、ECOC等論壇上，都會涌現(xiàn)出大量少模光纖的研究報(bào)告，在少模光纖的傳輸實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)制造以及相關(guān)器件和應(yīng)用等方面均有涉及。目前，在僅采用摻鉺光纖放大器（EDFA）放大器的情況下，少模光纖的傳輸實(shí)驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到256Gb/s，100km/span，已接近單模光纖的傳輸記錄。在少模光纖的制備上，已有商用的少模光纖產(chǎn)品出現(xiàn)，主要提供給高校和研究所進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。而在少模器件方面，也已經(jīng)有商用的EDFA少模光纖放大器，放大的模式數(shù)目達(dá)到6個(gè)以上。除傳輸外，國內(nèi)的很多高校和研究所還在積極探索少模光纖在傳感等更多領(lǐng)域的應(yīng)用。光通信領(lǐng)域的國際巨頭康寧、OFS、普林斯曼等，也在不斷發(fā)表光纖設(shè)計(jì)、制備等方面的文章，并積極申請相關(guān)專利，為未來發(fā)展蓄力。

作為國內(nèi)光纖光纜領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，長飛公司努力保持與世界先進(jìn)水平的同步發(fā)展，從2014年就開始關(guān)注并進(jìn)行少模光纖的研究，在少模光纖的設(shè)計(jì)、制造和傳輸應(yīng)用上開展了一系列工作。目前，長飛公司已經(jīng)進(jìn)行了包括低串?dāng)_和低時(shí)延等多個(gè)少模光纖產(chǎn)品的研究開發(fā)，并聯(lián)合國內(nèi)外科研單位開展了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，在近年的國際、國內(nèi)會議上發(fā)表了相關(guān)研究成果。

長飛低串?dāng)_少模光纖

隨機(jī)模式耦合導(dǎo)致的串?dāng)_會嚴(yán)重影響模式復(fù)用的性能。如果模式耦合不能被控制得相當(dāng)小，則差分群延遲（differential group delay，DGD）應(yīng)該保持足夠小，這樣在接收端才能進(jìn)行補(bǔ)償。如果這兩個(gè)條件都不能滿足，模式復(fù)用就無法實(shí)現(xiàn)。

在理想的少模光纖中，不同的空間模式保持正交并且在傳播過程中不發(fā)生模式耦合。偏振模色散（PMD）是由2個(gè)偏振模的強(qiáng)耦合導(dǎo)致的。與之相似，光纖彎曲、外形缺陷等會導(dǎo)致空間模式耦合。與PMD不同的是，若少模光纖中的不同空間模式間的有效折射率差較大，空間模式耦合較弱。

低串?dāng)_是通過減弱空間模式的耦合實(shí)現(xiàn)的，而后者只需設(shè)計(jì)有效折射率差較大的少模光纖。猶如木桶的容量由其最短的一塊木板決定，一個(gè)系統(tǒng)的性能最終取決于它最差的一部分。若少模光纖中存在n個(gè)模式，就存在（n-1）個(gè)有效折射率差，這里說的有效折射率差較大，是指這（n-1）個(gè)有效折射率差的最小值盡可能大。這樣設(shè)計(jì)出來的少模光纖各個(gè)模式之間的串?dāng)_總體上才趨于極小。

長飛公司基于現(xiàn)有的PCVD平臺和特種拉絲平臺進(jìn)行低串?dāng)_少模光纖的制備，包括光纖設(shè)計(jì)，原材料準(zhǔn)備，PCVD沉積，芯棒熔縮，接管套棒，上塔拉絲等步驟。低串?dāng)_階躍型光纖的結(jié)構(gòu)包括玻璃部分和涂料部分。玻璃部分的結(jié)構(gòu)分為芯層、內(nèi)包層、下陷層和外包層四層。玻璃部分外敷兩層丙烯酸酯涂料以確保較高的機(jī)械強(qiáng)度。其包層直徑為125，涂覆層直徑為245，工作波長為1450-1700nm。經(jīng)少模光纖測試平臺分模測試后可得，低串?dāng)_少模光纖各模式的衰耗均≤0.20dB/km，其模式間串?dāng)_較小，利于分模傳輸信號，且模場面積較大可抑制非線性效應(yīng)。其DGD測試結(jié)果如圖1所示

圖1. 低串?dāng)_少模光纖DGD測試結(jié)果

長飛低群差分時(shí)延少模光纖

利用模分復(fù)用技術(shù)，少模光纖可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)模的傳輸。適合應(yīng)用于模分復(fù)用系統(tǒng)的高性能的少模光纖的研究與設(shè)計(jì)目前已成為光纖通信領(lǐng)域的又一研究熱點(diǎn)，差分群時(shí)延(DGD)是評判少模光纖傳輸性能的重要參數(shù)。少模光纖中，不同的模式具有不同的有效折射率，導(dǎo)致模式間存在時(shí)延。DGD需要利用多輸入多輸出均衡來補(bǔ)償，從而增加均衡復(fù)雜性。為減小均衡復(fù)雜性，方法有兩個(gè)：使用具有小DGD的少模光纖和使用具有正負(fù)DGD的光纖來補(bǔ)償DGD。而正負(fù)DGD補(bǔ)償會增加光纖熔接損耗，因此，設(shè)計(jì)和制備低DGD的少模光纖成為當(dāng)前少模光纖的必然選擇。

圖2 低DGD少模光纖剖面設(shè)計(jì)

長飛公司在光纖芯層采用漸變型折射率剖面來設(shè)計(jì)少模光纖來達(dá)到降低DGD的目的。如圖2所示，可以通過改變各結(jié)構(gòu)參數(shù)可以達(dá)到最小的DGD。實(shí)際的光纖制備中，模式群差分延時(shí) ≤0.3ps/m，已充分滿足多入多出（MIMO）的需求，如圖3所示。低時(shí)延少模光纖各模式的衰耗均≤0.20dB/km。

圖3 低時(shí)延少模光纖測試結(jié)果圖

長飛低衰減少模光纖

隨著光放大技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)正想著更高傳輸功率和更長傳輸距離的方向發(fā)展。作為光纖通信系統(tǒng)中的重要傳輸媒質(zhì)。光纖的衰減性能也必須有進(jìn)一步的提升，以滿足光纖通信系統(tǒng)實(shí)際發(fā)展的需要。光纖的衰減越小，光信號在媒質(zhì)中的傳輸距離越長，光通信系統(tǒng)的無中繼距離也越長，從而顯著減少中繼站數(shù)量，在提高通信系統(tǒng)可靠性的同時(shí)使得建設(shè)和維護(hù)的成本大幅降低。

在光纖預(yù)制棒的制造過程中一般可以采用以下幾種方法來降低光纖衰減。比如，采用更高純度的原材料，提高生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備密封性能，降低外界雜質(zhì)引入的幾率?；蛘卟捎酶笸鈴降念A(yù)制棒制造工藝，通過大尺寸預(yù)制棒的稀釋效應(yīng)來降低光纖的整體衰減。另外，在光纖制造過程中，裸光纖表面涂層的涂覆工藝也是影響光纖衰減性能的一個(gè)重要原因。但是，無論從了理論上還是實(shí)際光纖制備中的成本和工藝控制上來講，降低光纖的摻雜并優(yōu)化光纖的剖面是最簡單有效的降低光纖衰減的方法。一般來說，摻雜的濃度越低，則瑞利散射所引起的損耗越小。通過優(yōu)化芯層直徑和摻雜濃度等參數(shù)，不僅可以增大光纖的有效面積，而且可以有效的降低光纖中瑞利散射等造成的損耗，是一種有效可靠的降低光纖衰減的方法。此外，摻雜特殊材料降低芯層粘度的方法亦可降低光纖的衰減。長飛公司制備的低衰減少模光纖，其基模最低衰減達(dá)到0.164dB/km，模式群差分延時(shí) DGD≤5ps/m，光纖有著良好的性能。

長飛Ring-core少模光纖

對于少模光纖來說，目前研究和商用化的少模光纖產(chǎn)品主要是兩模、四模、六模等，其光纖結(jié)構(gòu)，特別是芯層結(jié)構(gòu)與普通單模、多模光纖類似，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是與傳統(tǒng)的光纖兼容性好，但這種模式所形成的光傳輸模式中，很容易形成模式之間的串?dāng)_。雖然有降低串?dāng)_的少模光纖設(shè)計(jì)，但是仍然難以將部分模式間的串?dāng)_降到一個(gè)較低的水平。實(shí)驗(yàn)表明，使用少模光纖結(jié)合MIMO技術(shù)能夠很好的解決少模光纖的串?dāng)_問題，然而隨著光纖中模式的增加，在傳統(tǒng)光纖中，MIMO的過程將迅速的變得復(fù)雜，這將導(dǎo)致對于高階模式的復(fù)用的成本和難度大大增加。

圖4 Ring-core少模光纖模場圖

采用Ring-core結(jié)構(gòu)的少模光纖，限制了纖芯中間模式的傳導(dǎo)，使得光纖中的傳導(dǎo)模僅為基模LP01，以及LPX1等高階模式，如圖4所示，而與LPX1有效折射率相近的其他模式則被禁止傳導(dǎo)，從而解決了高階模式之間容易耦合的問題。

圖5 （a）剖面設(shè)計(jì)（b）模式分布

Ring-core少模光纖的剖面設(shè)計(jì)如圖5（a）所示，其對應(yīng)的模式分布如圖5（b）所示。長飛公司基于PCVD平臺制備該Ring-core少模光纖，嚴(yán)格控制各項(xiàng)參數(shù)，成功制備了低衰減且支持四個(gè)模式的Ring-core少模光纖，其衰減系數(shù)小于0.3dB/km。且在制備的過程中很好的解決了光纖幾何、圓度、摻雜等工藝問題，其差分群延時(shí)如圖6所示。

圖6 Ring-core少模光纖DGD測試結(jié)果

以少模光纖為代表的空分復(fù)用光纖通信技術(shù)成為業(yè)界主流的選擇將是一個(gè)漫長的過程，期間既有運(yùn)營商、系統(tǒng)供應(yīng)商對現(xiàn)有單模光纖通信技術(shù)的潛能繼續(xù)挖掘，也會包括彼此之間的博弈，權(quán)衡取舍。從空分復(fù)用技術(shù)自身角度來講，一方面需要不斷改善空分復(fù)用器件性能，盡快制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前基于少模光纖和多芯光纖的空分復(fù)用系統(tǒng)不斷得到完善，復(fù)用/解復(fù)用器日益集成化、小型化，多芯光纖熔接技術(shù)、連接器、放大器都日臻完善。另一方面，為了使空分復(fù)用效率達(dá)到最高，空分復(fù)用技術(shù)應(yīng)向著更多模式數(shù)目、更低衰耗、更多芯數(shù)的多芯少模方向發(fā)展。長飛公司將不遺余力的繼續(xù)開展少模光纖相關(guān)前沿技術(shù)的研究工作，致力于少模光纖朝著應(yīng)用化、實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

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