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伴隨著容量的提升及輸入功率的增加，由于非線性香農(nóng)極限的影響，單模光纖的傳輸容量即將到達(dá)上限。傳統(tǒng)單模光纖（SMF）傳輸系統(tǒng)的最大容量被認(rèn)為在100 Tbit/s左右。這個極限是由信噪比和帶寬決定的，雖然通過先進(jìn)的編碼技術(shù)可以挖掘出更多的潛力，但物理上的限制不可避免。實芯光纖也逐漸暴露出難以滿足低時延業(yè)務(wù)、非線性嚴(yán)重，最大傳輸容量很難持續(xù)提升的問題。在光纖傳輸其他維度已無法突破的情況下，如何提高光纖容量呢？多芯光纖和空芯光纖的引入， 為解決當(dāng)前傳統(tǒng)光纖的局限提供了一個解決方案，旨在突破單模光纖的容量限制。 什么是多芯光纖（Multi-core Fiber, MCF）？ 多芯光纖就是在同一根光纖內(nèi)，有多根纖芯，多個信號可通過各自的纖芯進(jìn)行獨(dú)立傳輸，從而實現(xiàn)系統(tǒng)傳輸容量實現(xiàn)數(shù)量級的提升。這使得同一根光纜能夠在不顯著增加物理體積的情況下，提供數(shù)倍于傳統(tǒng)光纖的傳輸帶寬。 
與傳統(tǒng)光纖相比， MCF在同一光纖中傳輸多個信道，可以大幅度提高帶寬，從而滿足數(shù)據(jù)中心、骨干網(wǎng)等對傳輸容量日益增長的需求；同時減少了光纖鋪設(shè)的數(shù)量，節(jié)省了光纖資源和安裝空間。 根據(jù)光纖芯之間的耦合程度，多芯光纖通常分為以下兩類：無耦合多芯光纖（Uncoupled Core MCF,UC-MCF）和耦合多芯光纖（Coupled Core MCF, CC-MCF）。兩者的纖芯間距不同，非耦合多芯光纖的芯間距大于30um，耦合多芯光纖的芯間距小于30um。纖芯間距是指相鄰兩個纖芯之間的距離。
耦合MCF中的每個纖芯比較緊湊，纖芯之間的信號傳輸容易產(chǎn)生相互干擾，因此需要在傳輸系統(tǒng)中采用多輸入輸出MIMO數(shù)字信號處理DSP來處理模式耦合效應(yīng)。信號之間發(fā)生模式耦合導(dǎo)致信號在接收端混合在一起，無法區(qū)分，因此采用MIMO-DSP技術(shù)通過在接收端對接收到的信號進(jìn)行解碼和恢復(fù)，即分離和恢復(fù)每個纖芯上的原始信號，確保每個信號都能被準(zhǔn)確的接收和解碼。類似地，非耦合MCF中每個纖芯是獨(dú)立傳播信號，不需要MIMO DSP進(jìn)行處理。從成本上來說，當(dāng)然希望是可以選擇不需要MIMO來處理的非耦合MCF，但非耦合MCF用于長距離傳輸時，又容易產(chǎn)生芯間串?dāng)_（XT）。芯間串?dāng)_是MCF需要關(guān)注的一個重要參數(shù)，可定義為單芯信號的磁場或電場對相鄰芯信號的干擾。由于同一包層區(qū)域有多個芯，因此串?dāng)_是系統(tǒng)的重要因素。為了減少芯間的串?dāng)_，芯間距應(yīng)適當(dāng)。 多芯光纖商用情況 2024年3月，日本電信運(yùn)營商N(yùn)TT攜手NEC成功完成 “首次跨洋7280千米傳輸實驗”，實驗采用了12芯多芯光纖技術(shù)，將光網(wǎng)絡(luò)帶寬提高12倍。 2024年3月，谷歌透露與日本電氣合作，采用多芯光纖技術(shù)建設(shè)連接臺灣、菲律賓和美國的海底光纜系統(tǒng)TPU，預(yù)計2025年底完工。該系統(tǒng)是全球首個采用MCF技術(shù)的商用海底光纜系統(tǒng)。 2023年，烽火通信基于自研19芯單模光纖，實現(xiàn)了凈傳輸容量3.61Pbit/s的系統(tǒng)傳輸，相當(dāng)于1秒下載約135300部最高畫質(zhì)的電影，刷新了單模多芯光纖傳輸容量的世界紀(jì)錄。 多芯光纖走向應(yīng)用需要解決FIFO, 熔接，放大等問題，也就是需要解決多芯光纖與多芯光纖的連接、多芯光纖與單芯光纖的連接、多芯光纖在光放大傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用，需要開發(fā)相關(guān)的連接器、熔接機(jī)、扇入扇出FIFO器件、光配線架等相關(guān)產(chǎn)品，并考慮與現(xiàn)有技術(shù)的兼容性和通用性。目前，國際上對多芯光纖的設(shè)計未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各廠商的多芯光纖在纖芯數(shù)量、纖芯排列、大小、芯間距等都有些差異，不同類型多芯光纖熔接增加了難度。 多芯光纖與單芯光纖的連接 - FIFO 多芯光纖（MCF）的應(yīng)用需要解決多芯光纖與普通單芯光纖之間如何連接的問題�？臻g多路復(fù)用器/解復(fù)用器被稱為扇入/扇出(FIFO)器件，用于有效地將光從單個單模光纖耦合到多核光纖，或者將多核光纖的光耦合到單個單模光纖中，這樣就實現(xiàn)了多芯光纖與普通單模光纖之間的連接。難點在于連接時如何保證纖芯間的低串?dāng)_、連接的低損耗以及精密的耦合對準(zhǔn)。到目前為止，已經(jīng)報道了各種各樣的FIFO器件實現(xiàn)技術(shù)，但最常用的技術(shù)有: 1)熔融拉錐技術(shù)，2)3D波導(dǎo)技術(shù)；和3)自由空間光學(xué)技術(shù)。 以上每種方法都有各自的優(yōu)點，但對于具有小芯距的高密度MCF來說，實現(xiàn)低串?dāng)_(XT)仍然具有挑戰(zhàn)性。例如，在熔融拉錐光纖逐漸變細(xì)的方法中，F(xiàn)IFO器件可以通過逐漸變細(xì)單模光纖束來實現(xiàn)，但在變細(xì)過程中，每個芯的模場直徑(MFD)會增大，這可能會影響器件的性能導(dǎo)致相鄰纖芯之間會產(chǎn)生明顯的串?dāng)_（XT）。在3D波導(dǎo)方法下，直接飛秒激光刻寫比較難實現(xiàn)低XT FIFO器件，但該方法的優(yōu)點是能實現(xiàn)更多芯數(shù)的耦合�；谧杂煽臻g光學(xué)的FIFO器件具有低插入損耗和XT，需要精密控制各組件的精度及成熟的光學(xué)設(shè)計技能。 億源通（HYC）基于自身強(qiáng)大的空間光學(xué)設(shè)計能力及成熟的精密耦合能力，提出了一種緊湊和低串?dāng)_XT的四芯 FIFO組件。通過精密的空間光學(xué)設(shè)計，利用透鏡、棱鏡等光學(xué)元件調(diào)節(jié)并優(yōu)化MCF與多個單芯光纖的耦合，實現(xiàn)耦合效率最優(yōu)，器件結(jié)構(gòu)緊湊，指標(biāo)均衡。 間距在43um的FIFO器件具有低平均耦合損耗（＜0.5dB），低串?dāng)_（＞45dB），回波損耗（＞55dB）。
多芯光纖與多芯光纖之間的連接 目前多芯光纖多采用熔接的方式來進(jìn)行連接，但由于每個多芯光纖都可能有不同的芯間距，這樣熔接意味著有施工難度高、后期維護(hù)難等難題。用于 MCF 的第一個實用光連接器是 2012 年在日本開發(fā)的 MU 型 MCF 連接器。通過應(yīng)用奧爾德姆的耦合機(jī)構(gòu)，保持定位精度，包括旋轉(zhuǎn)角度。它具有即使對線纜施加拉伸載荷，連接損耗也不會波動的特性。 2019年開發(fā)出SC型MCF連接器，以簡化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相同原理。 億源通研發(fā)的專用于多芯光纖連接的光纖連接器，在傳統(tǒng)的LC/FC接口類型連接器基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改設(shè)計，優(yōu)化了定位保持功能，改善了研磨耦合工藝，保證多次耦合后插入損耗變化小，能夠直接取代昂貴的熔接工藝，保證使用的便捷性。此外，億源通也設(shè)計了具有專利的MC連接器，比傳統(tǒng)接口類型連接器擁有更小的尺寸，可應(yīng)用于更加密集的空間。 多芯光纖MCF Hybrid組件（應(yīng)用于EDFA光放大器系統(tǒng)） 空分復(fù)用技術(shù)傳輸系統(tǒng)要實現(xiàn)大容量、高速率和長距離傳輸，必然離不開光放大器去補(bǔ)償其傳輸損耗，SDM光纖放大器是SDM技術(shù)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵，多芯摻鉺光纖放大器（MC-EDFA）是SDM傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。 MC-EDFA目前市場有提出兩種方式，一種是共包層泵浦，一種是獨(dú)立式芯區(qū)泵浦。共包層泵浦是泵浦光與信號光共享同一個包層區(qū)域，泵浦光沿著光纖的外圍傳播，非直接穿過纖芯。獨(dú)立式芯區(qū)泵浦將泵浦光直接引導(dǎo)至特定的纖芯內(nèi)部。通過這兩種方式實現(xiàn)了對多芯光纖中信號的有效放大。 億源通科技可配合客戶未來用于多芯光纖（MCF）的EDFA摻鉺光纖放大器系統(tǒng)解決方案，提供用于MC-EDFA的無源器件做Design-in開發(fā)設(shè)計，延伸開發(fā)MCF Hybrid混合器件，例如：（1）多芯光纖光隔離器和分光器(MCF Isolator +TAP)（2）多芯光纖MCF 980/1550 WDM（3）多芯光纖增益平坦濾波器（MCF GFF）等。
多芯光纖市場規(guī)模 根據(jù)Businessresearchinsights的2023年《MULTI-CORE FIBERS (MCF) MARKET REPORT》報告： 2022 年全球多芯光纖 (MCF) 市場規(guī)模為 18.36 億美元，預(yù)計 2031 年市場規(guī)模將達(dá)到 216.3265 億美元，預(yù)測期內(nèi)復(fù)合年增長率為 32.3%。市場主要廠商有日本的古河Furukawa Electric，中國的長飛Yangtze Optical Fibre and Cable，中國的烽火通信Fiberhome，法國的iXblue，美國的Humanetics，日本藤倉Fujikura，日本住友Sumitomo Electric等。排名前三的頭部公司所占市場份額超過70%。就市場規(guī)模而言，亞太地區(qū)是最大的市場，占有率超過65%，其次是北美和歐洲，占有率分別約為20%和10%。就產(chǎn)品類型而言，四芯光纖是最大的細(xì)分市場，占據(jù)了約60%的份額。在產(chǎn)品應(yīng)用方面，通信的市場份額超過55%。
什么是空芯光纖（Hollow-Core Fibers，HCF）？ 空芯光纖不同于傳統(tǒng)的實心玻璃或塑料芯光纖，其內(nèi)部是空的，可以填充空氣、惰性氣體或真空。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法顯著改變了光纖的光傳播特性，使其比傳統(tǒng)的實心玻璃芯光纖具有多種性能優(yōu)勢。由于光在空氣中的傳播速度比在玻璃中的傳播速度快，與傳統(tǒng)光纖相比，空芯光纖具有較低時延和較低損耗。微軟Lumenisity宣稱其空芯光纖光速度比標(biāo)準(zhǔn)石英玻璃快47%。此外，空芯光纖不挑光，可以輕松支持O，S，E，C，L，U等多種波段的光。 空芯光纖和傳統(tǒng)的玻璃芯光纖一樣，由纖芯、包層和涂覆層三部分組成，不同之處主要在于纖芯和包層�？招竟饫w的纖芯是空氣，包層是基于微結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通常是由一系列微小的空氣孔構(gòu)成，排列結(jié)構(gòu)類似一個蜂窩狀。當(dāng)光入射到纖芯和包層界面上時，會受到包層中周期排列的空氣孔的強(qiáng)烈散射。這種多重散射產(chǎn)生相干，使得滿足特定波長和入射角的光波能夠回到芯層中繼續(xù)傳播。微結(jié)構(gòu)的作用就是將光信號束縛在纖芯中傳播，空芯光纖的性能也主要是微結(jié)構(gòu)決定的。
空芯光纖由于光在空氣中傳播，減少了介質(zhì)對光的折射，從而大大降低了傳輸時延�？招竟饫w的信號損耗顯著低于傳統(tǒng)光纖，這使得它適用于超長距離的傳輸，減少了信號放大器的需求。空芯光纖在高功率光傳輸時，非線性效應(yīng)（如光纖內(nèi)的自相位調(diào)制等）顯著減少，這使得它在高功率激光傳輸和量子通信中具有廣泛的應(yīng)用前景。 空芯光纖根據(jù)其微結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理可以簡單分為以下兩種類別：光子帶隙空芯光纖（Photonic Bandgap HCF, PBG-HCF），反諧振空芯光纖（Anti-Resonant HCF, AR-HCF）。空芯光纖的發(fā)展也主要經(jīng)歷了從光子帶隙光纖到反諧振光纖的演進(jìn)過程。
光子帶隙空芯光纖依靠光纖包層中的光子晶體結(jié)構(gòu)， 形成光子帶隙來限制光束在空心纖芯中傳播。光子晶體的折射率差異使光束只能在纖芯中傳播，而無法泄露到包層中。但這種結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生損耗，根據(jù)預(yù)測大約每公里損耗4dB，限制了在長途網(wǎng)絡(luò)中的使用。 反諧振空芯光纖通過光在光纖內(nèi)的管狀玻璃薄膜間來回相干反射，將光限制在空氣芯附近并沿軸線傳輸。 反諧振的原理比較復(fù)雜，有人類比說與薄膜干涉相似。這種光纖利用反諧振反射原理，通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如設(shè)計多層特定排列的毛細(xì)管形成復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得光在傳輸時不會發(fā)生全反射現(xiàn)象，同時毛細(xì)管的嵌套結(jié)構(gòu)則可以明顯降低空芯光纖的衰減。 空芯光纖商用情況 2024年6月，長飛助力中國移動、中國電信建立了全球首個800G空芯光纖傳輸技術(shù)試驗網(wǎng)(廣東深圳-東莞)和全球首個單波1.2T、單向超100T空芯光纜傳輸系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)示范。 2024年 2 月，Lyntia、 諾基亞、古河和 Interxio 聯(lián)合實驗空芯光纖，其相對單模光纖延遲降低 30%以 上，光傳輸速度提升近 46%，且極大降低非線性效應(yīng)，現(xiàn)場 demo800Gbps 和 1.2Tbps，具有突破香農(nóng)極限容量的潛力。 2022年，南安普頓大學(xué)的衍生企業(yè)Lumenisity Limited（已被微軟公司收購），發(fā)布了新一代空心光纖DNANF®。該公司表示，該技術(shù)是迄今為止報道的任何空心光纖中衰減最小的，而且在O波段和C波段的衰減超過了傳統(tǒng)摻鍺單模光纖(SMF)。 2022年，Comcast 與光纖供應(yīng)商 Lumenisity 合作，在費(fèi)城部署了一條 40 公里的混合空心光纖和傳統(tǒng)光纖鏈路。 英國電信于2021年6月開始試用Lumenisity的技術(shù)，并將其用于移動網(wǎng)絡(luò)的部署。同年9月，該公司再次與Lumenisity合作，嘗試在空心光纖上進(jìn)行量子密鑰分發(fā)，以期增強(qiáng)安全性。 空芯光纖走向應(yīng)用需要解決如提升光纖光纜制備工藝，降低光纜損耗、成本，提升批量供貨能力等問題。 空芯光纖市場情況 根據(jù)Businessresearchinsights的2023年《HOLLOW CORE FIBER MARKET REPORT》數(shù)據(jù)：2022 年全球空心光纖市場規(guī)模為 1300 萬美元，預(yù)計 2029 年市場規(guī)模將達(dá)到 1900 萬美元，預(yù)測期內(nèi)復(fù)合年增長率為 6.6%。主要廠商有丹麥的NKTPhotonics，英國的Lumenisity等。
多芯光纖與空芯光纖代表了光纖通信技術(shù)的未來方向。MCF通過提升單根光纜的傳輸能力，突破了傳統(tǒng)光纖的物理限制，而HCF則通過創(chuàng)新的中空結(jié)構(gòu)，為高速、低延遲傳輸提供了全新選擇。盡管這兩項技術(shù)在市場化進(jìn)程和應(yīng)用場景上有所不同，但它們都指向了一個共同的目標(biāo)——更高效、更快速的光通信網(wǎng)絡(luò)。未來，MCF和HCF有望在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，推動光通信行業(yè)邁向新的高峰。 |
