19芯光纖是世界上最快的嗎？

光纖技術(shù)的進(jìn)步方向在哪里？高速光通訊牽引力度大。

圖1：麥考瑞大學(xué)工程學(xué)院（Macquarie University School of Engineering）ARC未來學(xué)者（ARC Future Fellow）西蒙·格羅斯（Simon Gross）正在使用新的多芯光纖裝置；插圖顯示了新的19芯光纖。

由斯圖加特大學(xué)（德國斯圖加特）和麥考瑞大學(xué)（澳大利亞悉尼）的工程師領(lǐng)導(dǎo)的國際團隊通過開發(fā)世界上速度最快的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)光纖擴展了光纖能力（見視頻）。它的速度達(dá)到每秒1.7千兆位。

我們社會的數(shù)據(jù)需求不斷推動光纖容量的進(jìn)步，從提高光纖質(zhì)量到利用波長（波分復(fù)用[WDM]）、偏振和相干性（高階調(diào)制格式）等不同光自由度，”麥格理工程學(xué)院的ARC未來研究員西蒙·格羅斯說。

然而，現(xiàn)有的光纖有一個基本容量限制，受非線性香農(nóng)極限（光纜的最大理論容量）的制約。

“目前，為了提高單模光纖的數(shù)據(jù)傳輸速率，需要更大的光功率，”格羅斯說?！暗蟮墓夤β蕰?dǎo)致光學(xué)非線性，從而限制容量。用外行的話來說，這可以比作將高保真音響放大器的音量調(diào)大到音樂失真的程度。”

該團隊創(chuàng)造了67公里光纖的紀(jì)錄，其中包含19個光纖纖芯（streams of light），每個纖芯攜帶一個信號（見圖1）。由日本國家信息通信技術(shù)研究所（NICT；日本東京）和住友電氣工業(yè)株式會社（Sumitomo Electric Industries；日本大阪）的研究人員開發(fā)的多芯光纖具有125μm的包層直徑，這是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?！八剐碌墓饫w設(shè)置更具成本效益，因為它在很大程度上與過去幾十年開發(fā)的現(xiàn)有光纖基礎(chǔ)設(shè)施兼容，”格羅斯說。

典型的多芯光纖設(shè)置包括四個光學(xué)纖芯，用于標(biāo)準(zhǔn)125-μm包層直徑。擴展的多芯光纖允許芯間相互耦合（allow well-defined coupling behavior of the light between the cores），以顯著降低現(xiàn)有的數(shù)字信號處理要求。幾十年前開發(fā)的現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)依賴于單模光纖，需要更大的光纖來實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率；這會導(dǎo)致失真和容量限制（optical distortion and limited capacity）。

通過使用多芯光纖，該團隊的光纖達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)單模光纖理論傳輸能力極限的17倍以上，同時保持在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的125微米直徑包層內(nèi)。

The more modes, the better

光纖中的模式是一種可以在光纖中傳播的強度模式。這些模式是正交的，可以用作獨立的數(shù)據(jù)信道，NICT前研究員、現(xiàn)任斯圖加特大學(xué)教授(德國斯圖加特)及其電氣和光學(xué)通信工程研究所所長的格奧爾格·拉德馬赫解釋道。

但在傳統(tǒng)設(shè)置中，模式在光纖內(nèi)混合，這需要數(shù)字信號處理來恢復(fù)單個數(shù)據(jù)?！八璧男盘柼幚砹靠赡芊浅４螅?。多芯光纖是一種替代方法，但使用典型的四芯光纖挑戰(zhàn)很大。

由于多芯光纖中的纖芯間距需要較大以避免相互耦合，平行的信道數(shù)量有限，或者需要增加光纖的包層直徑以創(chuàng)造更多纖芯的間距，”拉德馬赫說?！霸黾庸饫w的包層直徑會使光纖的機械穩(wěn)定性降低，增加發(fā)生故障的概率。”

該團隊新的19芯光纖系統(tǒng)規(guī)避了許多此類問題?！叭绻@些芯彼此相距足夠遠(yuǎn)，則它們之間不會發(fā)生光耦合，”格羅斯說。“多芯光纖的行為類似于單模光纖，但不需要額外的數(shù)字信號處理?！?/p>

作為這項工作的一部分，麥格理團隊創(chuàng)建了一個緊湊的玻璃芯片，其特征是刻有波導(dǎo)圖案。這使得信號同時通過19個單獨的芯，并且具有均勻的低損耗（見圖2）能力?！?strong>光纖的模式或芯數(shù)越多，其理論容量就越高，”格羅斯說。

圖2：這種光學(xué)玻璃芯片由麥考瑞大學(xué)制造，可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)匠咚俣嘈竟饫w中。

Optical fiber of the future

格羅斯表示，這種傳輸光纖“只是拼圖的一部分”，“下一步是將這種光纖與光通信鏈路中常見的其他組件（例如光纖放大器）相結(jié)合。”

19芯光纖可用于一系列應(yīng)用，從光纖激光器和光學(xué)傳感器到生物醫(yī)學(xué)成像和微波光子學(xué)的信號處理。隨著對更快數(shù)據(jù)通信的需求不斷增加，該團隊預(yù)計他們的工作將帶來更實用的方法來提高光纖傳輸能力。

格羅斯表示：“互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量的增長主要來自機器與機器間的通信，如人工智能和機器學(xué)習(xí)。毫無疑問，流量需求將繼續(xù)增長，需要新的光纖技術(shù)來滿足這些需求。新技術(shù)從演示到部署到實際應(yīng)用通常需要數(shù)年時間，但我們希望這項工作為擴大光纖傳輸容量提供了潛在和實際的前進(jìn)方向。”

審核編輯：劉清