打破傳輸容量紀錄！住友電工開發首個標準外徑19芯光纖

【責任分擔】

      本公司：標準外徑的耦合型19芯光纖的設計、制造。

      本公司此前曾開發了耦合型4芯光纖和耦合型7芯光纖這兩種適用于遠程大容量傳輸的標準外徑耦合型多芯光纖，這次通過優化芯的結構和配置，開發了標準外徑中全球芯數最多的耦合型19芯光纖。

      NICT：構建最大限度發揮該光纖性能的傳輸系統。

      由于受到信號干擾，存在耦合型多芯光纖中每個芯的傳輸性能難以評價的問題，針對此問題，構建了同時并列高速接收19芯信號的光傳輸系統。

【實證內容】

      使用商用的波段(C段、L段) *5和雙偏振64QAM信號*6，實際驗證了傳輸距離為63.5 km時合計1.7Pb/s的傳輸容量。

【實證結果】

      本實驗結果不僅打破了標準外徑多芯光纖的傳輸容量的世界紀錄，而且更新了1Pb/s級的標準外徑多芯光纖傳輸實驗的最長距離。此外，即使將耦合型多芯光纖的芯數增加到19芯，與多模光纖傳輸*7方式相比，本成果也展示了大幅降低橫跨大洋等10,000km級傳輸時所需的數字信號處理*8負載（功耗）的可能性，實際驗證了耦合型多芯光纖芯數的可擴展性。耦合型多芯光纖及其傳輸技術作為開拓遠程光通信網的大容量化之路的關鍵技術而備受期待。

      此外，本實驗結果的論文在第46屆光纖通信國際會議（OFC 2023）上獲得了非常高的評價，被錄用為最優秀熱門話題論文（Postdeadline Paper），并于當地時間2023年3月9日（星期四）發表。

      *1 標準外徑的光纖

      國際標準規定，光纖的玻璃（包層）的外徑為0.125±0.0007毫米，包層的外徑為0.235至0.265毫米。目前光通信中廣泛使用的光纖是外徑為0.125毫米的單芯單模光纖，每秒250兆比特被認為是傳輸能力的極限，目前正在積極研究和開發新類型的光纖。

      *2 多芯光纖

      使用目前廣泛用于中長距離通信的標準單芯單模光纖（圖1a）進行傳輸，被認為具有每秒約250太比特的容量極限。為了解決這個問題，人們對使用增加芯數（光路）的多芯光纖（圖1b）和多模光纖的傳輸進行了研究。在多芯光纖中，當各芯相互靠近時，從一個芯泄露的信號會滲透到其他芯中，造成干擾并降低傳輸質量（圖1c）。為了減少芯子之間的信號干擾，通常使用非耦合多芯光纖，其中芯子被適當地擴大，信號被限制在芯子內。目前正在積極研究和開發具有標準外徑的非耦合型四芯光纖，目的是為了早日實現實際應用。

      *3 耦合型多芯光纖

      耦合型多芯光纖（圖1d）有緊密排列的纖芯，前提是在接收端通過MIMO數字信號處理*?消除纖芯之間的信號干擾。使用耦合型多芯光纖傳輸比多模光纖傳輸更適合長距離傳輸，因為在每個芯中傳播的信號的傳播特性更均勻。然而，為了確保長距離傳輸所需的芯子間耦合的隨機性，芯子必須有適當的間隔，使耦合既不會太強也不會太弱。

圖1

      *4 貝脫比特和太比特

      一個貝脫比特是1,000萬億比特，一個太比特是1萬億比特，一個吉比特是10億比特。1 貝脫比特每秒相當于每秒1000萬個頻道的8K廣播。

      *5 波長帶寬

      主要用于電信應用的波段是C波段（波長1,530-1,565納米）和L波段（1,565-1,625納米），O波段（1,260-1,360納米）、E波段（1,360-1,460納米）、S波段（1,460-1,530納米）和U波段（1,625-1、 675納米）。本研究中使用了C和L波段。

      *6 64QAM

      QAM是一種利用光的相位和振幅共同表達多個比特的方法（多級調制）。64QAM在相位空間有64個點可以被一個符號占用，用一個符號可以傳輸6比特的信息（2的6次方=64路），在相同的時間內比OOK（On-Off keying）多六倍的信息，可以進行傳輸。

      *7 多模光纖傳輸

      當一個光信號在光纖的芯部傳播時，它以各種振動狀態傳播，同時在芯部和包層的邊界處重復全反射（圖1e）。這些不同的振動狀態就是傳播模式。多模光纖有一個大的纖芯直徑，在一個纖芯內存在多種模式。在多模光纖的傳播、輸入/輸出和接續過程中會出現不同模式之間的信號干擾，這就需要使用MIMO數字信號處理*?來消除干擾。由于到達接收器之前的時間差，不同模式的信號需要優化光纖和重載的數字信號處理。到目前為止，多模光纖傳輸最多可使用55種模式。

      *8 MIMO數字信號處理

      使用多模和耦合型多芯光纖進行傳輸，在進行模式分離時幾乎總是需要多輸入多輸出（MIMO）處理（為每個模式/芯分離成獨立的信號通道） MIMO 是一種信號處理技術，在無線通信中用于消除多徑干擾。在光通信中，它被用來消除在同一光纖中傳播的不同光信號之間的干擾。MIMO處理的負荷（功耗）主要由乘法的次數決定，并與模式數的平方和濾波器函數的長度成正比，用于反向再生信號在光纖中傳播的影響。在多模光纖傳輸中，濾波函數的長度取決于每個模式的傳播速度差，而傳播速度差通常與光纖長度成比例累積，導致長距離傳輸的信號處理負荷很大。在耦合的多芯光纖傳輸中，每個空間通道（芯）的傳播特性都是均勻的，濾波函數的長度與傳輸距離的二分之一功率成正比。當在10,000公里的傳輸距離上進行比較時，這是一個跨洋級的傳輸距離，與55模式傳輸相比，耦合的19芯系統可以將每個信道的MIMO處理負荷減少多達幾千倍。（圖2）

圖2