空分复用光纤技术突破:不同类型多芯光纤之间可实现无缝光互连

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——目前,单模光纤依旧是光纤传输的主流应用吗?

——是的,多芯光纤是较前沿的尝试,目前有一些相关的应用,仍未是主流,但在下一代会成为可能。

以上为OFweek光通讯与复旦大学信息科学与工程学院肖力敏老师就光纤应用趋势话题展开的简短开头。

近日,复旦大学信息科学与工程学院肖力敏课题组在多芯光纤熔接技术研究中取得重要突破——制备出各项性能优异的多芯光纤芯间距转换器,在国际上首次实现了异种多芯光纤之间低损耗且低串扰的熔接。维科网光通讯致以贺电。

光纤通信传输的必然发展趋势

当下,云计算、高清视频、物联网以及5G通信系统等业务的蓬勃发展,全球网络流量急剧增加。而普通单芯单模光纤传输受限于香农极限,在未来数年内,光网络增长乏力与市场高带宽需求的矛盾日益尖锐,成为光通信业界亟待解决的重要问题。

为了解决未来光通信扩容难题,业界公认的提升单纤容量的技术方案是采用空分复用技术,多芯光纤、多模光纤或多芯多模光纤是光纤通信传输的必然发展趋势。

空分复用光纤技术突破:不同类型多芯光纤之间可实现无缝光互连

图1. 单根光纤传输系统容量发展趋势

多芯光纤能够高效提升光纤空间密度,在海外已经得到互联网巨头的抢先应用。

为抢占通信市场,扩大光纤的传输频带,早在2018年,Facebook 和谷歌就押注了增加电缆中的光纤数量的办法。

如谷歌于1月份投入使用的杜南(Dunant)电缆,拥有 12 对光纤,总容量为 250 Tbit/s 。而其在大西洋正在建设中的两个网络有更是用上 16对光纤,预计可实现 350 至 370 Tbit/s 的满容量。

而最近,在10月份中,Facebook 委托 NEC 公司建造世界上容量最高的海底电缆——新跨大西洋电缆,采用的光纤为 24 对,建成后,它将在世界上最繁忙的数据高速公路——在北美和欧洲之间实现创纪录的每秒 500 TB(约 4000 张蓝光光盘数据)的传输总容量。

差不在同个时间里,由美国国家信息和通信技术研究所 (NICT) 的 Benjamin J. Puttnam 领导的一个研究小组报告说,其团队使用外径为 0.125 毫米的 4 芯光纤传输数据,通过结合各种放大器技术,构建了一个利用 WDM 技术优势的传输系统,创造了通过标准包层直径光纤传输数据的记录:在最远 3001 公里的距离内让每个信道实现 319 Tbit/s 的数据速率的传输吞吐量。

更多的应用也陆续在报道中。

多芯光纤芯间距转换器释放应用新潜能

与传统的单芯光纤相比,多芯光纤(Multicore fiber, 简称MCF)中的多个纤芯共享同一包层,这种高密度、多通道结构具有生产成本低、节省空间、传输容量高等优点,因此,多芯光纤在空分复用光通信系统、数据中心连接、芯片间通信、下一代光纤放大器、光传感、量子技术等方面都具有极其重要的应用价值。

对新型多芯光纤技术的研究是解决未来通信扩容难题的研究重点之一。

但,截至目前,国际上对多芯光纤的设计仍未有统一标准,各高科技公司在制造多芯光纤时在纤芯数量、纤芯排列、纤芯大小、芯间距、折射率分布等方面各不相同,这为不同类型多芯光纤之间的熔接增加了难度。

如,FiberHome Fujikura Optic Technology Co. Ltd 等公司需要需要熔接异种多芯光纤来建立一个长距离多芯光纤传输系统。而有限的多芯光纤扇入扇出器件却可能与传输系统中使用的多芯光纤并不匹配。

“低损耗光纤熔接技术是光纤器件与系统的基础,在学术研究上,仅报道了同种多芯光纤熔接的进展,但不同类型多芯光纤熔接这一技术瓶颈问题仍然没有解决,国外有研究者甚至认为不同类型多芯光纤熔接几乎不可能实现,这严重阻碍该领域的广泛应用。”肖力敏说。

建立一个庞大的多芯光纤多通道复用系统,熔接异种,尤其是芯间距不同的多芯光纤,是当下不可再回避的技术瓶颈问题。

为攻克多芯光纤技术的发展带来的这一技术难题,复旦大学信息科学与工程学院肖力敏课题组经过潜心研究,终于在多芯光纤熔接技术方面取得了国际上新突破——制备出各项性能优异的多芯光纤芯间距转换器,实现了异种多芯光纤之间低损耗且低串扰的熔接。

肖力敏课题组提出了多芯光纤拉锥技术(图2),包括正向拉锥与反向拉锥两种技术,均可以用来调整多芯光纤芯间距并同时调控多纤芯的模式特性。

图2 两种多芯光纤芯间距转换器示意图

基于多芯光纤反向拉锥这项技术,通过匹配异种多芯光纤的芯间距和模场直径,肖力敏课题组可为两种芯间距不匹配的多芯光纤精准制备低损耗、低串扰的芯间距转换器。

对于两种结构不同、芯间距相差26 μm的多芯光纤(图3(a, b)),肖力敏课题组制备的芯间距转换器可实现损耗低至0.18 dB、串扰低至-68 dB。

对于结同、芯间距略有不同的多芯光纤(图3(b, c)),芯间距转换器损耗低至0.17 dB、串扰低至-66 dB。

空分复用光纤技术突破:不同类型多芯光纤之间可实现无缝光互连

图3 三种多芯光纤芯端面显微图

肖力敏课题组提出的多芯光纤芯间距转换器制备技术,完美解决了光通信网络中异种多芯光纤熔接技术难题,为多芯光纤器件的制备提供了独特的视角,将释放多芯光纤在实际应用中的更多潜能。

该研究成果以“Low-loss fusion splicing between spacing-mismatched multicore fibers”为题发表于国际知名期刊《Optics Letters》上,Wei Ji、Ruowei Yu为论文共同第一作者,Limin Xiao为该文的通讯作者。此研究获得了复旦大学义乌研究院的经费支持。

文章信息:W. Ji, R. W. Yu, Z. H. Shen, C. Y. Wang, C. Xiong, and L. M. Xiao*, “Low-loss fusion splicing between spacing-mismatched multicore fibers,” Optics Letters, doi: 10.1364/OL.447602.

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