空分復用中的多芯光纖

廣西通信技木2012年第2期Guangxi Communication Technology空分復用中的多芯光纖吳國鋒(中國電子科技集團公司第34研究所,廣西桂林541004)摘要:介紹了近年來(lái)出現的光纖通信用單/多模多芯光纖(MCF)的基本特性和結構輪廓,列舉了部分試驗傳輸實(shí)例指出人們對光纖通信容量的迫求在時(shí)分、波分、偏分復用及多級調制方式的基礎上,已開(kāi)始將目光關(guān)注在基于MCF的空分復用(SDM)上,相信MCF的規?；逃靡褳闀r(shí)不遠。關(guān)鍵詞:多芯光纖;空分復用;錐形多芯光纖耦合器;芯間串音中圖分類(lèi)號:TN248.1文獻標識碼:A文章編號:1008-3545(2012020030051前言源光網(wǎng)絡(luò )(PON)目前已在世界范圍內用于寬帶接入,數據傳輸速率的快速增長(cháng)導致容量指數增長(cháng)目前,利用時(shí)分、波分、偏分復用及多級調制需要大量的饋入光纖,引起管道擁擠問(wèn)題。因此,方式,已使超高容量傳輸系統達到了每纖100 Tbit/s,低成本、大光纖數、高密度纜對將來(lái)的接入網(wǎng)是必已快速接近單纖容量極限。模分復用和空分復用成需的。而MCF則可在未來(lái)的PON及本地網(wǎng)絡(luò )中發(fā)揮為擴大容量新的關(guān)注點(diǎn)。通過(guò)多徑輸八/多徑輸出,重要作用模分復用已在多模光纖上得到實(shí)現。近年來(lái),利用多芯光纖( Multi Core Fiber, MCF)的空分復用(SM)2MCF的特性和結構輪廓已在超高容量長(cháng)距離傳輸中得到驗證1。普通光纖是由一個(gè)纖芯區和圍繞它的包層區構成的,但MCFMCF用于高容量長(cháng)距離傳輸,需要關(guān)注和抑制的一個(gè)共同包層區中卻存在著(zhù)多個(gè)纖芯。采用具有芯間串音。對各種MCF采取纖芯之間的相位失配以芯間串音低的MCF,空間信道的解復用不需采用額減少串音。近年來(lái)報道的幾種MCF關(guān)注高芯密度,外的信號處理技術(shù)。MCF概念最早于199年提出并但芯密度受限于芯間距,同時(shí)要求保持低損耗和低首先應用在高功率光纖激光器方面。而在SDM方面,串音。串音水平,也即芯之間的最大光功率轉換,目前已出現了在1550mm波長(cháng)單芯有效面積120μm2的它由芯和包層剖面及芯間距決定。折射率剖面、芯大模場(chǎng)10芯單模MCF,包層直徑僅204μm1幾何特性和涂覆層也影響微彎和宏彎損耗。定義此外,階躍多模光纖用于接入網(wǎng)具有大模場(chǎng)面McF的耦合長(cháng)度為一芯的光功率00%地耦合到另積,可輸入高功率,操作容易,易于安裝且多模器一芯所需要的長(cháng)度。若傳輸距離遠短于耦合長(cháng)度件價(jià)格便宜的優(yōu)勢。但由于模式彌散*,帶寬嚴重則芯間串音可忽略,故一般定義傳輸距離為耦合長(cháng)受限,結果是限制了傳輸速率和距離。變折射率多度的1100以驗證芯間距的合理性。模光纖能減少模式彌散,但帶寬距離積依然很低,從功率耦合模型推出兩根光纖在距離z處的串其應用仍然受限2。在多模光纖芯區設計多芯光纖,吝X為光纖僅支持基?；蛏倌鬏?模式彌散可被抑制,XT=[1-exp(-2 n DLMl+exp(-2zLLyI帶寬大幅度提高,可大大增加傳輸速率和距離。無(wú)★習慣稱(chēng)為“模式色散”或“模間色散”,但該術(shù)語(yǔ)與“顏色”無(wú)關(guān),故改稱(chēng)“模式彌散”為宜;同樣PMD習慣稱(chēng)為“偏振模色散”,同樣與“顏色無(wú)關(guān),故現已有人改稱(chēng)為“偏振模散”或“偏振模彌散”。廣西通信技術(shù)2012年第2期Guangxi Communication Technology專(zhuān)論綜述式中,m為功率轉換效率;L為光纖長(cháng)度;L為通過(guò)合成每芯具有輕微折射率差的7個(gè)芯,使功率耦合長(cháng)度?？梢?jiàn),串音與功率轉換效率、光纖長(cháng)度轉換效率大幅度降低。芯間距為42μm,改變芯直成正比,與耦合長(cháng)度成反比,而功率轉換效率越高,徑變化剛好0.2μm,估計100km串音可降低到-60dB則耦合長(cháng)度越短。研究表明功率轉換效率是芯徑以下。但每芯的有效面積小于或與常規SMF一樣D和芯間距A的函數。若∧大于35μm,D非常小的2.2槽助型MCF( Trench- Assisted Multi Core起伏對功率轉換效率的貢獻減少;A在20μm以上,Fiber, TA-MCF功率轉換效率與芯間距無(wú)關(guān)。一般將具有相同芯間TA-MCF在每個(gè)纖芯周?chē)植贾?zhù)實(shí)心的低折射距及各芯參數相同,但芯徑或芯折射率存在微小起率優(yōu)化溝槽,其折射率剖面如圖2所示,光纖橫截伏的MCF稱(chēng)為準均勻性MCF。目前,常見(jiàn)的MCF面如圖3所示。在同樣的模場(chǎng)直徑、芯間距和截止主要有階躍型、槽助型及孔助型等幾種,分述如下:波長(cháng)下, TA-MCF的串音可比SMCF低20dB,并且21階躍型MCF( Step Index profile Multi Core在同樣的模場(chǎng)直徑下有更小的彎曲損耗。Fiber, S-MCF)04SMCF各芯的折射率剖面均為階躍突變形。目前主流為7芯,中心芯與外層芯的芯徑相同或不同,外層2-7芯的芯徑一樣,也有外層奇數芯和偶數芯0.2芯徑有區別。但其芯間距幾乎一樣?？赏ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的04移動(dòng)截止波長(cháng)以增大有效面積,并保持低的宏彎損-0.6耗和低的串音。階躍折射率剖面如圖1所示。圖1中三個(gè)空氣芯安排在該區域不影響其光學(xué)性能,只是制作工藝的需要。圖2 TA-MCE折射率剖面示意圖Air holes)(oOD圖3 TA-MCF光纖橫截面示意圖圖1階躍折射率剖面文獻1]設計和制造了具有相同溝槽輔助純硅芯芯間距不僅影響串音,而且影響損耗。在相同六邊形排列的7芯MCF。由于是純硅芯光纖,每芯的芯間距下增大纖芯徑將增加串音,通過(guò)增加芯/的衰減非常低(550m波長(cháng)處為0175-081dB/km,包折射率差以增大截止波長(cháng)可減少宏彎損耗。文整個(gè)C+帶為0.192-0202dB/km),芯間距45μm獻5將三種具有不同有效折射率的纖芯混合制造包層直徑150μm,涂覆層直徑256m。工作波長(cháng)的7芯MCF可減少串音,包層直徑與常規單模光纖大于1625m后,損耗隨波長(cháng)近似指數增加。由于(SMF)一樣,芯間距46μm,有3種不同芯徑(圖1為溝槽輔助結構和長(cháng)的截止波長(cháng),其宏彎損耗非常中的A、B、C)。該MCF外層芯的損耗比中心芯稍高,低。將174km的MCF繞在半徑為140mm的繞線(xiàn)軸上但對宏彎損耗影響不大。測量傳輸35km后的串音測量串音,相鄰芯之間的串音在1550m波長(cháng)平均為-38dB,可估算傳輸100km后的串音為-33dB,為-79.5dB,最大為-776dB;在1625mm波長(cháng)平均可滿(mǎn)足長(cháng)距離傳輸的需要。由于截止波長(cháng)增大,每為-72.3dB,最大為-621dB。估計100km后的串音芯的有效面積大于常規SMF,可達110μm2。文獻6]低于-30dB。廣西通信技術(shù)2012年第2期Guangxi Communication Technology23孔助型MCF( Hole-Assisted Mu| i Core Fiber,HA-MCF)HA-MCF是在纖芯四周的包層中安排了多圈空氣孔而成,其截面如圖4所示。調節孔的直徑和排列mh就位置就能夠對光纖的有效折射率作比SMF更靈活的設計。包層中的孔使得光纖具有較高的折射率差而圖5錐形MCF耦合器(TMC)示意圖顯著(zhù)減小彎曲損耗,彎曲損耗隨著(zhù)孔直徑的增加而按指數規律減小。在相同的截止波長(cháng)下, HA-MCK比3MCF用于SDM傳輸實(shí)心MCF能實(shí)現大的有效面積和小的芯間距,相應于高芯密度,并能減少串音。文獻⑦中7芯 HA-MCF文獻[2]設計和制造的大模場(chǎng)面積MCF能匹配的空氣孔直徑d與孔間距A之比山A設置為043,可目前的多模光纖并有寬廣的帶寬。在中心直徑實(shí)現寬帶單模傳輸;若芯間距在5層空氣孔以上,則625μm區域有許多單模纖芯,成六邊形分布。芯7芯的傳輸損耗在1550m可小于001dBkm。在A(yíng)=包折射率差25%,為保持單模工作,芯徑小于5μmn時(shí)可實(shí)現5001m00m的寬帶單模傳輸,并具5μ。發(fā)現單模芯之間的間距閾值為20m,大于有低的宏彎損耗,每芯的有效面積在35-42μm2之間。該值,則芯間耦合系數非常小,可終止高階模在測試經(jīng)1km傳輸后兩芯之間的串音低于-60dB,預該光纖中傳輸。制造了三種類(lèi)型MCF計經(jīng)100km傳輸后,串音可低于-35dB(1)單環(huán),芯間距2875μm,共7芯;(2)雙環(huán),芯間距14.375μm,共19芯;(3)三環(huán),芯間距9583μm,共37芯。用1550mm波長(cháng)測試,7芯MCF模式耦合最弱帶寬最大,超出了儀器的動(dòng)態(tài)范圍,但熔接損耗增大。37芯MCF模式耦合最強,帶寬最小,帶寬距離積僅11GHz.km。19芯是一個(gè)好的選擇,它僅支持少模和基模,有大到33 GHz km的帶寬距離積,是圖4孔助光纖截面示意圖傳統變折射率多模光纖的65倍此外,MCF之間的熔接需要各芯之間精確對準文獻[8價(jià)介紹了六邊形排列7芯變折射率多模并需要采用旋轉裝置,可使用保偏光纖熔接機來(lái)完MCF,用多模TMC和850 nm VCSEL光源,7芯傳輸70成。由于幾個(gè)芯被限制在很小的區域,在SDM傳輸 Gbit/s(7×10bil)超過(guò)100m。7芯有相似的折射中,每個(gè)分離芯的連接變得非常困難。MCF的商用率剖面,芯徑26m,支持少模,芯間距3pm,包化應用需要輸入和輸出每一個(gè)獨立芯。因此,能層直徑125m精確的折射率剖面和小芯徑,使多耦合分離芯的低串音和低損耗光纖器件對平行傳模MCF具有大的帶寬和小的模式噪聲,允許高速傳輸MCF來(lái)說(shuō)是必需的,該器件稱(chēng)為錐形MCF耦合器輸。(TMC),多根單芯光纖被熔錐在一起以匹配MCF文獻[3]用TMC和7芯六邊形排列的單模MCF建的芯空間,如圖所示。為實(shí)現低串音和低插損的立了適于PON的平行傳輸架構,雙向平行傳輸7個(gè)TMC,需使用特殊的單模光纖。目前已有7芯多模1310m上行和7個(gè)140m下行2cb信號113km和單模的TMC,其插損在038-1.8dB之間,串音低后,每芯接1×64光纖分路器,總共可接入448個(gè)用于-38dB。部分芯稍微高的插損可通過(guò)改善芯匹配戶(hù)。7個(gè)8m芯徑光纖的芯間距38{m,包層直徑而得以降低。130μm,丙烯酸樹(shù)脂涂覆層直徑250μmn。當所有芯工作在誤碼率(BER)小于10時(shí),1490mm的串廣西通信技術(shù)2012年第2期Guangxi Communication Technology專(zhuān)論4結束語(yǔ)有效措施。數年后,100Cbs以太網(wǎng)將是普遍的,單纖將傳輸10Tbit或更高的速率,而有希望的MCF正試圖用于高速、大容量、長(cháng)距離光信號個(gè)技術(shù)途徑就是采用單模MCF。此外,由于塑料光傳輸。而對于高密度高速平行光數據鏈,MCF也可纖(POF)成本低,2001年就首次出現了多芯POF,廣泛應用于因特網(wǎng)服務(wù)器、高性能計算機、數據中它不受排列對稱(chēng)性的限制。目前已有19、37芯的商心、系統內板與板之間的互聯(lián)等。傳統的采用一維用化POF,主要用于汽車(chē)、建筑和自動(dòng)控制的低速每纖一個(gè)數據信道,典型為1×12線(xiàn)形陣列多模光數據鏈,以滿(mǎn)足短距離和低成本互聯(lián)的需求。人們纖,芯間距250μm,帶來(lái)成本高,結構復雜和體積對信息傳輸容量的需求是各類(lèi)MCF出現的動(dòng)因,相巨大,而大芯數的MCF不失為解決這些問(wèn)題的一種信MCF的規?；逃靡褳闀r(shí)不遠。參考文獻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. 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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