ICCSZ訊 近年來(lái),長(zhǎng)飛公司特種產(chǎn)品事業(yè)部聯(lián)合華中科技大學(xué)光通信與光網(wǎng)絡(luò)工程研究團(tuán)隊(duì)率先在國(guó)內(nèi)拉制了同質(zhì)型弱耦合7芯單模光纖,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該特種光纖領(lǐng)域的技術(shù)空白。
多芯光纖與空分復(fù)用技術(shù)的興起
根據(jù)貝爾實(shí)驗(yàn)室、思科公司等業(yè)界巨頭對(duì)現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)不同應(yīng)用的流量增長(zhǎng)趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,當(dāng)前光纖通信網(wǎng)絡(luò)的流量正以20%~60%高速增長(zhǎng)。如圖1所示,考慮到2010年商用光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)端口速率100Gb/s,系統(tǒng)容量10Tb/s,在未來(lái)十年,光纖通信系統(tǒng)容量將達(dá)到100Tb/s左右。然而目前光纖通信系統(tǒng)存在著若干限制:首先,結(jié)合低損耗傳輸窗口和放大器帶寬,有用頻譜約為10THz;其次,信號(hào)在光纖傳輸中會(huì)面臨著放大器的自發(fā)輻射噪聲(ASE)帶來(lái)的光信噪比惡化,以及由光纖非線性克爾效應(yīng)帶來(lái)的非線性損傷,使得系統(tǒng)容量存在非線性香農(nóng)極限,即通過提高信噪比來(lái)提高高頻譜效率信號(hào)的傳輸質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的非線性畸變。
圖1 光纖通信系統(tǒng)容量增長(zhǎng)趨勢(shì)
圖2 光信號(hào)物理復(fù)用維度
從光信號(hào)的本質(zhì)出發(fā),其物理復(fù)用維度包括五個(gè)方面(如圖2所示),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(hào)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(cè)技術(shù)的振幅-相位正交復(fù)用。而在光纖物理層中唯一未被深入研究的空間維度(space)—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(huì)議上,以多芯光纖和少模光纖為基礎(chǔ)的空分復(fù)用技術(shù)(SDM)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(duì)SDM給予很高的評(píng)價(jià)。
自SDM技術(shù)被提出之后,6年來(lái)得到了歐美日等國(guó)科研機(jī)構(gòu)的高度重視,其中日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)(NICT)、日本電話電報(bào)公司(NTT)牽頭,東北大學(xué)、北海道大學(xué)、大阪大學(xué)、住友公司及藤倉(cāng)公司等多家機(jī)構(gòu)參與的EXAT項(xiàng)目提出2020年實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)容量千倍躍升的目標(biāo)。在短短幾年的時(shí)間里就完成了多批次低損耗、低串?dāng)_多芯光纖的設(shè)計(jì)、拉制以及測(cè)試,制作了多種低損耗低串?dāng)_的復(fù)用/解復(fù)用器,并多次在OFC、ECOC等國(guó)際會(huì)議上報(bào)導(dǎo)英雄傳輸實(shí)驗(yàn)。在歐洲,歐盟針對(duì)空分復(fù)用技術(shù)的研究建立了MODE-GAP項(xiàng)目,聯(lián)合了包括南安普頓大學(xué)、阿斯頓大學(xué)、埃因霍溫理工大學(xué)等多家大學(xué)和公司,重點(diǎn)開展基于少模光纖的空分復(fù)用技術(shù)的研究,尤其是基于少模光纖的復(fù)用/解復(fù)用器件的制作和開發(fā),并迅速地將其產(chǎn)業(yè)化。在美國(guó),貝爾實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)利用康寧公司、OFS公司研制的多芯光纖、少模光纖,報(bào)導(dǎo)了大量的傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并實(shí)現(xiàn)了空分復(fù)用實(shí)時(shí)傳輸實(shí)驗(yàn),標(biāo)志著空分復(fù)用傳輸從實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境走向了更復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)傳輸。
多芯光纖及其復(fù)用器件的制備技術(shù)新進(jìn)展
由于基于少模光纖的空分復(fù)用技術(shù)需要在相干接收機(jī)采用極其復(fù)雜的DSP算法,且模式相關(guān)損耗會(huì)顯著降低傳輸性能等本質(zhì)特征(且這些特征隨著傳輸距離的增加,模式復(fù)用數(shù)目的增加而急劇劣化),我們選擇了應(yīng)用前景更為明朗,更有利于在中短期解決現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)容量瓶頸的多芯光纖空分復(fù)用技術(shù)。
長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司,通過與華中科技大學(xué)光通信與光網(wǎng)絡(luò)工程研究團(tuán)隊(duì)合作,率先在國(guó)內(nèi)拉制了同質(zhì)型弱耦合7芯單模光纖。通過對(duì)7芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算,拉制了兩種同質(zhì)型多芯光纖,即非低串?dāng)_與低串?dāng)_的7芯光纖,其電鏡圖如圖3所示。通過對(duì)光纖衰減譜、截止波長(zhǎng)、彎曲損耗、串?dāng)_、色散、PMD等性能參數(shù)的測(cè)試,不斷優(yōu)化工藝,最終實(shí)現(xiàn)低串?dāng)_、低損耗的7芯光纖。光纖在1550nm的為衰減0.20dB/km左右,串?dāng)_低于-40dB/100km,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該特種光纖領(lǐng)域的技術(shù)空白,在產(chǎn)品性能上與國(guó)際領(lǐng)先的OFS、康寧、藤倉(cāng)等眾多光纖廠商接近。
(a) (b)
圖3 7芯光纖端面電鏡圖
另一方面,適用于多芯光纖的空間復(fù)用/解復(fù)用器至關(guān)重要,因?yàn)樵谑瞻l(fā)兩端及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),仍然是基于單模光纖的器件,因此有必要將多路單模光纖中的信號(hào)復(fù)用進(jìn)多芯光纖,并將多芯光纖中的多路并行信號(hào)解復(fù)用到多路單模光纖中。針對(duì)多芯光纖復(fù)用/解復(fù)用器,在綜合比較了國(guó)際上主流技術(shù)的利弊之后,結(jié)合自身?xiàng)l件,選擇了光纖束冷接工藝的技術(shù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)用/解復(fù)用器。
在復(fù)用/解復(fù)用器的制備上,主要通過光纖預(yù)處理→光纖束預(yù)組裝→在線空間對(duì)準(zhǔn)→封裝等工藝步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體流程如圖4所示。經(jīng)過不斷的工藝優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)插入損耗<1.5dB,串?dāng)_<-45dB,回波反射<-50dB,在綜合性能指標(biāo)上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
圖4 (a)腐蝕光纖束顯微照片;(b)光纖束端面顯微照片;(c)六維對(duì)準(zhǔn)平臺(tái);(d)紫外固化過程;(e)多芯光纖復(fù)用/解復(fù)用器實(shí)物圖
憑借高質(zhì)量的多芯光纖復(fù)用/解復(fù)用器,一方面很快打開了國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng),得到了客戶的青睞,并受到了清華大學(xué)、暨南大學(xué)、北京科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、瑞典查爾姆斯大學(xué)、以及美國(guó)Chiral Photonics公司等的一致好評(píng)。
多芯光纖的應(yīng)用試驗(yàn)
基于上述多芯光纖及復(fù)用器件,我們?cè)谕ㄐ艂鬏敺矫孀隽艘恍?yīng)用的試驗(yàn)工作。
首先,針對(duì)當(dāng)前空分復(fù)用大容量接入網(wǎng)距離短、速率低、調(diào)制格式低級(jí),普遍采用時(shí)分復(fù)用的研究現(xiàn)狀,搭建了多芯光纖傳輸平臺(tái),由光頻梳作為下行光源,調(diào)制高階格式信號(hào),經(jīng)過6個(gè)外層芯傳輸?shù)絆NU端;在ONU端,上行采用可調(diào)激光器作為光源,調(diào)制OOK信號(hào),同樣經(jīng)過6個(gè)外層芯傳輸。為了降低成本,對(duì)上下行信號(hào)采用直調(diào)直檢技術(shù)。為了兼容移動(dòng)回傳業(yè)務(wù),在中間芯傳輸移動(dòng)回傳信號(hào),并在OLT端進(jìn)行相干接收,從而實(shí)現(xiàn)兼容移動(dòng)業(yè)務(wù)的新型大容量波分/空分接入網(wǎng)架構(gòu)(如圖5所示)。初步實(shí)現(xiàn)在58公里多芯光纖下行傳輸容量300Gb/s,支持60個(gè)用戶,每個(gè)用戶5Gb/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。
圖5 新型波分/空分接入網(wǎng)架構(gòu)
圖6 下行傳輸結(jié)果
圖7 上行傳輸結(jié)果 (a) 在上行傳輸存在的條件下的下行信號(hào)傳輸結(jié)果; (b) 上行信號(hào)傳輸結(jié)果; (c) -8dBm和-15dBm接收功率時(shí)的眼圖。
其次,在此架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),一方面通過在接收端采用RSOA實(shí)現(xiàn)低成本無(wú)色ONU,另一方面采用更高級(jí)調(diào)制格式以及自適應(yīng)調(diào)制增加系統(tǒng)容量。在新的架構(gòu)中,下行信號(hào)在調(diào)制后經(jīng)過外層5個(gè)芯傳輸?shù)絆NU端,對(duì)于上行信號(hào)的載波,通過外層第六個(gè)芯單獨(dú)進(jìn)行傳輸?shù)絆NU端進(jìn)行RSOA再調(diào)制后,從中間芯進(jìn)行傳輸。另外,對(duì)于移動(dòng)回傳信號(hào),采用偏振復(fù)用以增加容量,速率達(dá)到48Gb/s。該接入網(wǎng)架構(gòu)如圖8所示。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖9所示。在實(shí)驗(yàn)中,由于RSOA帶寬有限,采用注水算法對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制OFDM信號(hào),使其在1.25G帶寬下傳輸速率達(dá)到3.12Gb/s。最終實(shí)現(xiàn)下行50個(gè)用戶,單個(gè)用戶接入速率5Gb/s,系統(tǒng)容量達(dá)到250Gb/s。上行速率達(dá)到3.12Gb/s,且兼容移動(dòng)回傳業(yè)務(wù),容量達(dá)到48Gb/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10、圖11所示。
圖8 波分/空分接入網(wǎng)架構(gòu)示意圖
圖9 實(shí)驗(yàn)示意圖
圖10 下行傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
圖11 上行信號(hào)經(jīng)過RSOA自適應(yīng)調(diào)制結(jié)果示意圖
未來(lái)發(fā)展方向與展望
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(zhǎng)的過程,期間既有運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)供應(yīng)商對(duì)現(xiàn)有單模光纖通信技術(shù)的潛能繼續(xù)挖掘,也會(huì)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(lái)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)。目前基于多芯光纖的空分復(fù)用系統(tǒng)不斷得到完善,日本住友公司已經(jīng)拉制出超低損耗多芯光纖,藤倉(cāng)公司也拉制出22芯、30芯等更多數(shù)目的多芯光纖。復(fù)用/解復(fù)用器日益的集成化、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,空分復(fù)用技術(shù)需要找到更適合自己特點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景,譬如,多芯光纖的特點(diǎn)之一就是空間利用率高,性能近似于多根單模光纖的同時(shí)可以節(jié)省更多空間,那么這一特點(diǎn)就非常適用于對(duì)空間敏感的數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。
隨著云計(jì)算的風(fēng)靡,互聯(lián)網(wǎng)巨頭規(guī)劃建設(shè)了越來(lái)越多的大型數(shù)據(jù)中心,多芯光纖具有非常大的潛能,發(fā)揮用武之地。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的豐富應(yīng)用帶動(dòng)了移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大幅度增長(zhǎng),為了在大幅度擴(kuò)容時(shí)同時(shí)滿足綠色和低成本的運(yùn)營(yíng)要求,5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和能量效率都需要在4G標(biāo)準(zhǔn)上提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。而未來(lái)5G通信中關(guān)鍵技術(shù)之一就是大規(guī)模陣列天線多輸入多輸出技術(shù)(Massive MIMO),假設(shè)陣列天線由128根天線組成,信號(hào)帶寬100MHz,采用16bits量化和8b/10b編碼,則其與基帶池鏈路的數(shù)字復(fù)合速率將高達(dá)786Gbps。因此基于光纖的光載無(wú)線(RoF)傳輸技術(shù)將是未來(lái)移動(dòng)通信傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。目前國(guó)際上關(guān)于5G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)開展的如火如荼,而空分復(fù)用技術(shù)將會(huì)豐富其技術(shù)方案的選擇,甚至有潛力成為其中的關(guān)鍵技術(shù)。
新聞來(lái)源:訊石光通訊網(wǎng)
相關(guān)文章