空分复用中的多芯光纤

广西通信技木2012年第2期Guangxi Communication Technology空分复用中的多芯光纤吴国锋(中国电子科技集团公司第34研究所,广西桂林541004)摘要:介绍了近年来出现的光纤通信用单/多模多芯光纤(MCF)的基本特性和结构轮廓,列举了部分试验传输实例指出人们对光纤通信容量的迫求在时分、波分、偏分复用及多级调制方式的基础上,已开始将目光关注在基于MCF的空分复用(SDM)上,相信MCF的规模化商用已为时不远。关键词:多芯光纤;空分复用;锥形多芯光纤耦合器;芯间串音中图分类号:TN248.1文献标识码:A文章编号:1008-3545(2012020030051前言源光网络(PON)目前已在世界范围内用于宽带接入,数据传输速率的快速增长导致容量指数增长目前,利用时分、波分、偏分复用及多级调制需要大量的馈入光纤,引起管道拥挤问题。因此,方式,已使超高容量传输系统达到了每纤100 Tbit/s,低成本、大光纤数、高密度缆对将来的接入网是必已快速接近单纤容量极限。模分复用和空分复用成需的。而MCF则可在未来的PON及本地网络中发挥为扩大容量新的关注点。通过多径输八/多径输出,重要作用模分复用已在多模光纤上得到实现。近年来,利用多芯光纤( Multi Core Fiber, MCF)的空分复用(SM)2MCF的特性和结构轮廓已在超高容量长距离传输中得到验证1。普通光纤是由一个纤芯区和围绕它的包层区构成的,但MCFMCF用于高容量长距离传输,需要关注和抑制的一个共同包层区中却存在着多个纤芯。采用具有芯间串音。对各种MCF采取纤芯之间的相位失配以芯间串音低的MCF,空间信道的解复用不需采用额减少串音。近年来报道的几种MCF关注高芯密度,外的信号处理技术。MCF概念最早于199年提出并但芯密度受限于芯间距,同时要求保持低损耗和低首先应用在高功率光纤激光器方面。而在SDM方面,串音。串音水平,也即芯之间的最大光功率转换,目前已出现了在1550mm波长单芯有效面积120μm2的它由芯和包层剖面及芯间距决定。折射率剖面、芯大模场10芯单模MCF,包层直径仅204μm1几何特性和涂覆层也影响微弯和宏弯损耗。定义此外,阶跃多模光纤用于接入网具有大模场面McF的耦合长度为一芯的光功率00%地耦合到另积,可输入高功率,操作容易,易于安装且多模器一芯所需要的长度。若传输距离远短于耦合长度件价格便宜的优势。但由于模式弥散*,带宽严重则芯间串音可忽略,故一般定义传输距离为耦合长受限,结果是限制了传输速率和距离。变折射率多度的1100以验证芯间距的合理性。模光纤能减少模式弥散,但带宽距离积依然很低,从功率耦合模型推出两根光纤在距离z处的串其应用仍然受限2。在多模光纤芯区设计多芯光纤,吝X为光纤仅支持基模或少模传输,模式弥散可被抑制,XT=[1-exp(-2 n DLMl+exp(-2zLLyI带宽大幅度提高,可大大增加传输速率和距离。无★习惯称为“模式色散”或“模间色散”,但该术语与“颜色”无关,故改称“模式弥散”为宜;同样PMD习惯称为“偏振模色散”,同样与“颜色无关,故现已有人改称为“偏振模散”或“偏振模弥散”。广西通信技术2012年第2期Guangxi Communication Technology专论综述式中,m为功率转换效率;L为光纤长度;L为通过合成每芯具有轻微折射率差的7个芯,使功率耦合长度。可见,串音与功率转换效率、光纤长度转换效率大幅度降低。芯间距为42μm,改变芯直成正比,与耦合长度成反比,而功率转换效率越高,径变化刚好0.2μm,估计100km串音可降低到-60dB则耦合长度越短。研究表明功率转换效率是芯径以下。但每芯的有效面积小于或与常规SMF一样D和芯间距A的函数。若∧大于35μm,D非常小的2.2槽助型MCF( Trench- Assisted Multi Core起伏对功率转换效率的贡献减少;A在20μm以上,Fiber, TA-MCF功率转换效率与芯间距无关。一般将具有相同芯间TA-MCF在每个纤芯周围分布着实心的低折射距及各芯参数相同,但芯径或芯折射率存在微小起率优化沟槽,其折射率剖面如图2所示,光纤横截伏的MCF称为准均匀性MCF。目前,常见的MCF面如图3所示。在同样的模场直径、芯间距和截止主要有阶跃型、槽助型及孔助型等几种,分述如下:波长下, TA-MCF的串音可比SMCF低20dB,并且21阶跃型MCF( Step Index profile Multi Core在同样的模场直径下有更小的弯曲损耗。Fiber, S-MCF)04SMCF各芯的折射率剖面均为阶跃突变形。目前主流为7芯,中心芯与外层芯的芯径相同或不同,外层2-7芯的芯径一样,也有外层奇数芯和偶数芯0.2芯径有区别。但其芯间距几乎一样。可通过简单的04移动截止波长以增大有效面积,并保持低的宏弯损-0.6耗和低的串音。阶跃折射率剖面如图1所示。图1中三个空气芯安排在该区域不影响其光学性能,只是制作工艺的需要。图2 TA-MCE折射率剖面示意图Air holes)(oOD图3 TA-MCF光纤横截面示意图图1阶跃折射率剖面文献1]设计和制造了具有相同沟槽辅助纯硅芯芯间距不仅影响串音,而且影响损耗。在相同六边形排列的7芯MCF。由于是纯硅芯光纤,每芯的芯间距下增大纤芯径将增加串音,通过增加芯/的衰减非常低(550m波长处为0175-081dB/km,包折射率差以增大截止波长可减少宏弯损耗。文整个C+带为0.192-0202dB/km),芯间距45μm献5将三种具有不同有效折射率的纤芯混合制造包层直径150μm,涂覆层直径256m。工作波长的7芯MCF可减少串音,包层直径与常规单模光纤大于1625m后,损耗随波长近似指数增加。由于(SMF)一样,芯间距46μm,有3种不同芯径(图1为沟槽辅助结构和长的截止波长,其宏弯损耗非常中的A、B、C)。该MCF外层芯的损耗比中心芯稍高,低。将174km的MCF绕在半径为140mm的绕线轴上但对宏弯损耗影响不大。测量传输35km后的串音测量串音,相邻芯之间的串音在1550m波长平均为-38dB,可估算传输100km后的串音为-33dB,为-79.5dB,最大为-776dB;在1625mm波长平均可满足长距离传输的需要。由于截止波长增大,每为-72.3dB,最大为-621dB。估计100km后的串音芯的有效面积大于常规SMF,可达110μm2。文献6]低于-30dB。广西通信技术2012年第2期Guangxi Communication Technology23孔助型MCF( Hole-Assisted Mu| i Core Fiber,HA-MCF)HA-MCF是在纤芯四周的包层中安排了多圈空气孔而成,其截面如图4所示。调节孔的直径和排列mh就位置就能够对光纤的有效折射率作比SMF更灵活的设计。包层中的孔使得光纤具有较高的折射率差而图5锥形MCF耦合器(TMC)示意图显著减小弯曲损耗,弯曲损耗随着孔直径的增加而按指数规律减小。在相同的截止波长下, HA-MCK比3MCF用于SDM传输实心MCF能实现大的有效面积和小的芯间距,相应于高芯密度,并能减少串音。文献⑦中7芯 HA-MCF文献[2]设计和制造的大模场面积MCF能匹配的空气孔直径d与孔间距A之比山A设置为043,可目前的多模光纤并有宽广的带宽。在中心直径实现宽带单模传输;若芯间距在5层空气孔以上,则625μm区域有许多单模纤芯,成六边形分布。芯7芯的传输损耗在1550m可小于001dBkm。在A=包折射率差25%,为保持单模工作,芯径小于5μmn时可实现5001m00m的宽带单模传输,并具5μ。发现单模芯之间的间距阈值为20m,大于有低的宏弯损耗,每芯的有效面积在35-42μm2之间。该值,则芯间耦合系数非常小,可终止高阶模在测试经1km传输后两芯之间的串音低于-60dB,预该光纤中传输。制造了三种类型MCF计经100km传输后,串音可低于-35dB(1)单环,芯间距2875μm,共7芯;(2)双环,芯间距14.375μm,共19芯;(3)三环,芯间距9583μm,共37芯。用1550mm波长测试,7芯MCF模式耦合最弱带宽最大,超出了仪器的动态范围,但熔接损耗增大。37芯MCF模式耦合最强,带宽最小,带宽距离积仅11GHz.km。19芯是一个好的选择,它仅支持少模和基模,有大到33 GHz km的带宽距离积,是图4孔助光纤截面示意图传统变折射率多模光纤的65倍此外,MCF之间的熔接需要各芯之间精确对准文献[8价介绍了六边形排列7芯变折射率多模并需要采用旋转装置,可使用保偏光纤熔接机来完MCF,用多模TMC和850 nm VCSEL光源,7芯传输70成。由于几个芯被限制在很小的区域,在SDM传输 Gbit/s(7×10bil)超过100m。7芯有相似的折射中,每个分离芯的连接变得非常困难。MCF的商用率剖面,芯径26m,支持少模,芯间距3pm,包化应用需要输入和输出每一个独立芯。因此,能层直径125m精确的折射率剖面和小芯径,使多耦合分离芯的低串音和低损耗光纤器件对平行传模MCF具有大的带宽和小的模式噪声,允许高速传输MCF来说是必需的,该器件称为锥形MCF耦合器输。(TMC),多根单芯光纤被熔锥在一起以匹配MCF文献[3]用TMC和7芯六边形排列的单模MCF建的芯空间,如图所示。为实现低串音和低插损的立了适于PON的平行传输架构,双向平行传输7个TMC,需使用特殊的单模光纤。目前已有7芯多模1310m上行和7个140m下行2cb信号113km和单模的TMC,其插损在038-1.8dB之间,串音低后,每芯接1×64光纤分路器,总共可接入448个用于-38dB。部分芯稍微高的插损可通过改善芯匹配户。7个8m芯径光纤的芯间距38{m,包层直径而得以降低。130μm,丙烯酸树脂涂覆层直径250μmn。当所有芯工作在误码率(BER)小于10时,1490mm的串广西通信技术2012年第2期Guangxi Communication Technology专论4结束语有效措施。数年后,100Cbs以太网将是普遍的,单纤将传输10Tbit或更高的速率,而有希望的MCF正试图用于高速、大容量、长距离光信号个技术途径就是采用单模MCF。此外,由于塑料光传输。而对于高密度高速平行光数据链,MCF也可纤(POF)成本低,2001年就首次出现了多芯POF,广泛应用于因特网服务器、高性能计算机、数据中它不受排列对称性的限制。目前已有19、37芯的商心、系统内板与板之间的互联等。传统的采用一维用化POF,主要用于汽车、建筑和自动控制的低速每纤一个数据信道,典型为1×12线形阵列多模光数据链,以满足短距离和低成本互联的需求。人们纤,芯间距250μm,带来成本高,结构复杂和体积对信息传输容量的需求是各类MCF出现的动因,相巨大,而大芯数的MCF不失为解决这些问题的一种信MCF的规模化商用已为时不远。参考文献1] Tetsuya Hayashi, et al., Design and fabrication of ultra-low crosstalk and low-loss multi-core fiber, OPTICS EXPRESS, August2011,vol19,No.17pp16576-16592[2]Y D Gong, et al., Bandwidth Enhanced Multimode Fiber with Multi-singlemode Cores, OFC2007JWAI3B. Zhu, et al., Seven-core multicore fiber transmissions for passive optical network, OPTICS EXPRESS, May2010,vl18No.1lpll11-111224]K. Takenagal,et al., Reduction of Crosstalk by Quasi-Homogeneous Solid Multi-Core Fiber, OFC2010, OWK7[5]Tetsuya Hayashi, et al., Crosstalk Variation of Multi-Core Fibre due to Fibre Bend, ECOC2010, We 8.F.6[6 Katsunori Imamura,et al., Investigation on Multi-Core Fibers with Large Aeff and Low Micro Bending Loss, OFC2010, OWK6[7]Kazunori Mukasa, et al., Multi-Core Fibers for Large Capacity SDM, OFC2011, OWJ1[8]Benyuan Zhu, et al, 7 x 10Gbit/s Multicore Multimode Fiber Transmissions for Parallel Optical Data Links, ECOC2010 We6. B3[9]J Sakaguchi, et al., 109Tbit/s(7x97x172-Gbit/s SDM/WDM/PDM) QPSK transmission through 168km homogeneous multi-corefiber. OFC2011. PDPB6[10] B Zhu, et al., Space-, wavelength-polarization-division multiplexed transmission of 56Tbit/s over a 768km seven-corefiber. OFC201 1, PDPB7.11]Zhu B. et al., High-Capacity Space-Division-Multiplexed DWDM Transmissions Using Multicore Fiber, J Lightwave Technology,vol.30,No4,2012pp486-492[12 ]S.Chandrasekharl, et al., WDM/SDM Transmission of 10 x 128Gbit/s PDM-QPSK over 2688km 7 Core Fiber with a per-Fiber NetAggregate Spectral-Efficiency Distance Product of 40, 320km bit/s/Hz, ECOC2011, Th. 13 C4[13] Shoichiro Matsuo, et al., Large-effective-area ten-core fiber with cladding diameter of about 200 u m, OPTICS LETTERS, Vol 36,No.23,201lp46264628Multi-Core Fiber for Space Division Multiplexing Optical CommunicationsWU Guo-fengGuilin Institute of Optical Communications, Guangxi Guilin 541004, ChinaAbstract: Introduce the character and profile of the single/multi mode multi-core fiber(MCF) in optical fiber communications recently, toenumerate some transmission instances of MCF. To indicate people have begin to notice the space division multiplexing(SDM)base on MCF after TDM, WDM, PDM and multilevel modulation, to believe MCF will be vast commercial applicationsKeywords: Multi-core Fiber(MCF): Space Division Multiplexing: Taper Multi-core Fiber Coupler(TMC): Core-core Crosstalk收稿日期:2012-05-07