多芯光纤的性能及研究进展*

彭楚宇，喻 煌，郭 浩，曲华昕，熊 涛

（烽火藤仓光纤科技有限公司，湖北 武汉 430070）

0 引 言

随着网络和宽带业务的快速发展，互联网流量从2000年以来以每10年约100倍的速度增长。通过扩展传输窗口的光学带宽和增强频谱效率等先进技术，常规单模单芯光纤（Single-Mode Single-Core Fiber，SM-SCF）的传输容量在过去几十年也在呈指数级增长。目前，常规的SM-SCF传输系统已经实现了高达100 Tb/s的传输容量。然而，由于放大器带宽、非线性噪声和光纤熔断现象的限制，现有的常规SM-SCF的容量已不再满足不断增长的容量需求，且正接近其100 Tb/s的香农传输极限。按照目前的流量增长趋势，预计在不久的将来会出现容量紧缩问题。

物理上讲，增加并充分利用空间维度是进一步提高光纤通信容量的唯一手段，同时也为网络交换提供了一个新的自由度。在空分复用的传输系统中，不同的信号能通过多空间路径同时传输。从空分复用光纤的角度看，有两种方法可以将多空间路径引入光纤。第一种方法是将多个独立的纤芯合并到一根光纤中，一个包层中含有多根纤芯，光纤的传输容量随着纤芯数量的增长而成倍增加，这种光纤被称为多芯光纤（Multicore Fiber，MCF）。第二种方法是利用光纤中的多种不同模式，光纤的传输容量随着模式数量的增长而成倍增加，这种光纤被称为少模光纤（Few-Mode Fiber，FMF）。从空间密度的角度来看，理论上FMF的空间信道数（Spatial Channel Count，SCC）在包层直径为125 μm时可扩展到30多个，因此FMF可以大幅提高光纤的空间信道数和传输容量[1]。然而，光纤的结构参数会随着模式数量的增加产生显著波动，使得控制每个通道的群速度差异成为一个难以解决的问题。此外，从总空间信道数的角度来看，由于可以将纤芯多重性和模式多重性相结合，MCF也具有良好的应用前景，是未来光纤行业发展的主要方向。若想在有限的包层尺寸中增加纤芯数目，如何抑制相邻纤芯间的串扰是一个值得关注的问题。

本文介绍了可以作为未来空分复用的大容量长距离传输介质的MCF，首先介绍了MCF的串扰抑制技术。基于近年来制备的单模MCF，讨论了MCF的纤芯密度。结果表明，在低串扰和高空间多重性之间存在平衡关系，因此必须根据可允许的串扰大小和外包层尺寸确定MCF的最大芯数和纤芯排列方式。另外，通过将模分复用技术与空分复用技术相结合，提出每个纤芯中能传输几种空间模式的少模-多芯光纤（Few-Mode Multicore Fiber，FM-MCF），为进一步增加空间信道数和传输容量提供了发展方向。

1 低串扰多芯光纤

1.1 MCF的分类

MCF的参数和波导结构的设计是影响MCF技术发展与应用的重要因素。按照耦合方式的不同，MCF可以分为两种不同的类别。第一种类型是弱耦合MCF，其中每个纤芯用作单独的波导，在相邻纤芯之间具有足够低的串扰。在弱耦合MCF中，相邻纤芯之间的串扰是一个重要问题，因为在光传播过程中，其中一个纤芯中的部分光功率会与相邻纤芯耦合。第二种类型是强耦合MCF，通过减小纤芯与纤芯之间的距离刻意引入纤芯之间的串扰，从而提高纤芯密度。理论上讲，强耦合MCF中各纤芯模场叠加可形成超模，可以将其视为多模光纤的一种形式。实际上，如果每个模式之间的有效折射率差∆neff相对较小（∆neff＜10-5），结构参数的波动或弯曲效应会导致这些超模强烈混合。在多模光纤传输中，模式色散是导致群时延扩展的主要原因，因为群时延的展宽幅度决定了多进多出信号处理系统的复杂性。强耦合MCF中的模式混合有利于减少群时延扩展，群时延扩展与传输距离的平方根成正比。在这两类MCF中，基于弱耦合MCF的空分复用是一种具有前景的用于增加空间信道数的方法，能有效提高每根光纤的传输容量。目前，已有大量研究报道了将弱耦合MCF用于实现高容量长距离的传输，MCF传输实验已实现了远远超出常规单模光纤极限的传输容量。

1.2 MCF的串扰抑制技术

为降低MCF的芯间串扰，必须降低纤芯间的耦合系数k。近年来，研究人员提出沟槽辅助型MCF和孔辅助型MCF[2]以减小耦合系数。图1展示了一个具有12根纤芯的沟槽辅助型MCF的横截面图，具有低折射率的沟槽层分布在每个纤芯周围。图2展示了沟槽辅助型结构的折射率分布示意图[3]。纤芯与包层、沟槽与包层之间的相对折射率差分别为∆1、∆2，r1、r2和W分别为纤芯半径、从纤芯中心到沟槽层内边缘的距离以及沟槽宽度。与没有沟槽的MCF相比，由于存在厚度为W的低折射率沟槽层，可以极大地抑制纤芯间的电磁场的重叠，从而抑制串扰。

图1 沟槽辅助MCF的横截面

最近，已有文献报道了用于估算槽辅助型MCF中串扰的计算公式[4]。沟槽辅助MCF中的串扰XTtrench可以近似为：

图2 沟槽辅助MCF的折射率分布

其中XTstep是阶跃折射率MCF的串扰。参数Γ为：

当1.5≤V1≤2.5时，W1≈1.142 8V1-0.996，其中V1=2πr1ncore(2∆1)-1/2/λ，λ是波长，Λ是纤芯距离，W2=(V22+W12)-1/2， 其 中 V2=2πr1nclad(2|∆2|)-1/2/λ， 其 中ncore和nclad分别是纤芯和包层的折射率。如式（1）所示，沟槽宽度W和沟槽深度∆2是减少串扰的关键参数。图3是波长为1 550 nm时，纤芯串扰与芯径间距和沟槽深度的关系曲线。可以看出，随着纤芯间距Λ和沟槽宽度W/r1的增加，串扰线性减小。当沟槽宽度为W/r1=1.0时，可以降低30 dB以上的串扰。

图3 纤芯串扰与纤芯间距和沟槽深度关系曲线

抑制串扰的第二种方法是在相邻纤芯间引入折射率差造成相位失配[5]，这种光纤称为异质MCF。异质MCF由几种纤芯组成，由于它们的传播常数互不相同，减少了纤芯间的谐振，从而达到抑制串扰的目的。弯曲扰动对于预测异质MCF中的串扰起着重要的作用。光缆中MCF的弯曲半径取决于光缆的设计，可以假定为几十到1 000 mm。当弯曲半径小于临界弯曲半径Rc时，弯曲半径得对数和串扰值之间存在着线性关系。当弯曲半径大于临界弯曲半径时，串扰迅速减小。这是因为如果弯曲半径小于Rc，由弯曲引起的有效折射率变化大于纤芯之间的固有折射率差 ∆neff即 Max|∆βbend(z)|＞∆βcore，且在传播过程中，在相匹配点∆β’mn(z)=0时串扰会显著降低。当弯曲半径大于Rc的非相位匹配区域时，弯曲引起的有效折射率变化小于纤芯之间的固有折射率差 ∆neff即 Max|∆βbend(z)|＜∆βcore，因此串扰受统计特性支配[6]。在该非相位匹配区域中就串扰而言，异质MCF可用作弯曲不敏感光纤。如果纤芯之间的有效折射率差足够大，则可以将Rc的值推广到小于多芯光缆有效弯曲半径的范围内。

近来，已有文献报道了具有异质结构的30芯光纤，该光纤结构是基于37芯六边形紧包结构（Hexagonally Close-Pack Structure，HCPS）设计得到的[6]。图4为异质结构的30芯光纤示意图，在六边形紧包结构的基础上去掉最外层的6个芯区来减小包层直径。由于沟槽辅助型结构不可避免地会引起中心纤芯的截止波长增加，因此中心纤芯也被去除。在所有纤芯有效面积(Aeff)相同的条件下，利用4种纤芯即可使得所有相邻纤芯的结构均不相同。此外，对于所有纤芯而言，它的临界弯曲半径Rr均小于100 mm，纤芯间的串扰值小于-50 dB。

图4 异质结构30芯光纤

MCF串扰抑制的另一种方法是利用双向交错传输技术使相邻纤芯按照相反的方向传输，反向传输的信号会造成相邻纤芯的相位失配，从而降低纤芯间的串扰。在信号单向传播时，纤芯中的输入的功率与相邻纤芯耦合，式（3）为信号正向传播时串扰XTf表达式。当相邻纤芯的信号双向传输时，背向散射光在反向发生耦合，产生来自相邻纤芯间的串扰。反向传播信号的主导因素是瑞利背向散射。反向传播的串扰XTb，可以表示为：

其中S和αR分别为瑞利散射分量的后向重捕获因子和瑞利散射引起的衰减系数。α和L分别是光纤衰减系数和光纤长度。对于长度小于100 km的光纤，当瑞利背散射系数（SαR/2α）和光纤衰减系数分别为-32 dB和0.2 dB/km时，XTb比XTf小18 dB。然而，随着光纤长度的增加，由于受瑞利散射的限制，芯间串扰迅速增大。

1.3 纤芯密度和空间信道数

与常规单模单芯光纤相比，用于空分复用的MCF应具有较高的空间效率。图5模拟了弯曲直径D=30 mm和D=60 mm、打圈数为100圈的条件下，不同包层直径的光纤在20年后的失效概率[7]。包层直径为125 μm、弯曲直径为30 mm时，常规单模光纤的失效概率约为10-7。将MCF失效概率的阈值也定为10-7，那么在D=60 mm的弯曲直径下，MCF的失效概率应小于10-7。从图5中可以看出，为使MCF满足失效概率的极限，其包层直径应控制在230 μm以内。另外，包层厚度（从外纤芯的中心到外包层边缘的距离）应该足够大，以减小外纤芯的微弯/宏弯损耗。因此，在包层直径的限制下，必须通过考虑允许的串扰和所需的包层厚度确定纤芯的数量和纤芯位置的排列。

图5 弯曲直径D=30 mm和D=60 mm的条件下，20年后的失效概率与包层直径的关系

表1总结了近几年报道的弱耦合单模MCF[6-10]。为了比较这些MCF的纤芯密度和串扰水平，表1涵盖了空间信道数、有效面积Aeff、包层直径、包层厚度以及传输100 km后的最大串扰和相对空间效率。

表1 近年来报道的弱耦合单模MCF的参数

空间信道数由纤芯数表示，MCF的空间效率SEMCF定义为：

通过对包层直径为125 μm的单模光纤的空间效率进行校准，可以得到相对空间效率RSE，其表达式为：

从表1可以发现，在高相对空间效率和低串扰之间存在平衡关系。应该注意，MCF的串扰随着波长的增加而增加，在整个波长范围内的串扰斜率约为0.1 dB/nm。因此，L波段长波长处的最大串扰比C波段短波长处的串扰约大10 dB。

2 高空间信道数的少模-多芯光纤

模分复用（Mode Division Multiplexing，MDM）技术是一种提高空间效率的有效方法，而具有低差分模时延（Differential Mode Group Delay，DMD）、大传输容量的FMF也是近年来的研究热点[11]。将FMF用于长距离传输时，在大多数情况下，需要复杂的多进多出数字信号处理系统的来分离传播过程中的耦合模式。信号处理系统的复杂性以及与模式有关损耗的可控性可能会限制复用模式的数量。另外，由于DMD对光纤结构参数的波动非常敏感，随着模式数量的增加，制备小的DMD的光纤变得愈发困难。

为了进一步提升光纤的传输容量，研究人员在2012年首次提出了FM-MCF的概念。FM-MCF的复用原理是将模分复用与空分复用技术相结合，通过增加纤芯和模式数目直接增加空间信道数。FMMCF可用的空间信道数是纤芯数目与模式数目的乘积。例如，3模19芯光纤具有57个空间信道数，而6模12芯光纤的空间信道数可达到72个。由于高阶模之间的串扰大于基模间的串扰，与单模MCF相比，FM-MCF所需的纤芯间距变大。图6模拟了1 565 nm波长下LP01模式间的串扰XT01-01、LP11模式间的串扰XT11-11和LP02模式间的串扰值XT02-02与纤芯间距的关系曲线。每个纤芯均具有沟槽辅助型折射率分布，所有纤芯的有效面积均为80 μm2。从模拟结果可以看出，随着模式数量的增加，为了保持相同的串扰值，需要提高纤芯之间的距离。

图6 LP01模间串扰XT01-01，LP11模间串扰XT11-11和LP02模间串扰XT02-02与纤芯间距的关系曲线

FM-MCF在提升空间信道数方面具有广阔的应用前景，未来会广泛应用在高传输速率的数据中心、大容量的城域光网以及光纤接入网等场景。

3 结 语

本文描述了用于大容量空分复用传输的弱耦合MCF技术，回顾了沟槽辅助型结构、异质光纤和双向交错传输技术3种串扰抑制方案，介绍了可实现的串扰与空间效率和空间信道数之间的关系。结果表明，应根据传输距离和使用的调制格式，通过考虑允许的串扰来衡量纤芯到纤芯间的距离。在包层直径的限制下，必须考虑允许的串扰和所需的包层厚度来确定纤芯的数量和纤芯位置的排列。文章最后介绍了将空分复用与模分复用技术相结合的FMMCF，FM-MCF是实现空间信道数大于100的有效途径。在FM-MCF中，增加模式数目的同时，对高阶模式的串扰抑制和控制每个纤芯具有低的DMD是目前工作的难点。设计优化MCF结构，提高通信系统的传输容量和频谱效率以及开发相关器件将是未来MCF的主要研究方向。