19芯光纤是世界上最快的吗？

光纤技术的进步方向在哪里？高速光通讯牵引力度大。

图1：麦考瑞大学工程学院（Macquarie University School of Engineering）ARC未来学者（ARC Future Fellow）西蒙·格罗斯（Simon Gross）正在使用新的多芯光纤装置；插图显示了新的19芯光纤。

由斯图加特大学（德国斯图加特）和麦考瑞大学（澳大利亚悉尼）的工程师领导的国际团队通过开发世界上速度最快的工业标准光纤扩展了光纤能力（见视频）。它的速度达到每秒1.7千兆位。

我们社会的数据需求不断推动光纤容量的进步，从提高光纤质量到利用波长（波分复用[WDM]）、偏振和相干性（高阶调制格式）等不同光自由度，”麦格理工程学院的ARC未来研究员西蒙·格罗斯说。

然而，现有的光纤有一个基本容量限制，受非线性香农极限（光缆的最大理论容量）的制约。

“目前，为了提高单模光纤的数据传输速率，需要更大的光功率，”格罗斯说。“但更大的光功率会导致光学非线性，从而限制容量。用外行的话来说，这可以比作将高保真音响放大器的音量调大到音乐失真的程度。”

该团队创造了67公里光纤的纪录，其中包含19个光纤纤芯（streams of light），每个纤芯携带一个信号（见图1）。由日本国家信息通信技术研究所（NICT；日本东京）和住友电气工业株式会社（Sumitomo Electric Industries；日本大阪）的研究人员开发的多芯光纤具有125µm的包层直径，这是行业标准。“它使新的光纤设置更具成本效益，因为它在很大程度上与过去几十年开发的现有光纤基础设施兼容，”格罗斯说。

典型的多芯光纤设置包括四个光学纤芯，用于标准125-μm包层直径。扩展的多芯光纤允许芯间相互耦合（allow well-defined coupling behavior of the light between the cores），以显著降低现有的数字信号处理要求。几十年前开发的现有通信网络依赖于单模光纤，需要更大的光纤来实现更高的数据速率；这会导致失真和容量限制（optical distortion and limited capacity）。

通过使用多芯光纤，该团队的光纤达到了标准单模光纤理论传输能力极限的17倍以上，同时保持在行业标准的125微米直径包层内。

The more modes, the better

光纤中的模式是一种可以在光纤中传播的强度模式。这些模式是正交的，可以用作独立的数据信道，NICT前研究员、现任斯图加特大学教授(德国斯图加特)及其电气和光学通信工程研究所所长的格奥尔格·拉德马赫解释道。

但在传统设置中，模式在光纤内混合，这需要数字信号处理来恢复单个数据。“所需的信号处理量可能非常大，”。多芯光纤是一种替代方法，但使用典型的四芯光纤挑战很大。

由于多芯光纤中的纤芯间距需要较大以避免相互耦合，平行的信道数量有限，或者需要增加光纤的包层直径以创造更多纤芯的间距，”拉德马赫说。“增加光纤的包层直径会使光纤的机械稳定性降低，增加发生故障的概率。”

该团队新的19芯光纤系统规避了许多此类问题。“如果这些芯彼此相距足够远，则它们之间不会发生光耦合，”格罗斯说。“多芯光纤的行为类似于单模光纤，但不需要额外的数字信号处理。”

作为这项工作的一部分，麦格理团队创建了一个紧凑的玻璃芯片，其特征是刻有波导图案。这使得信号同时通过19个单独的芯，并且具有均匀的低损耗（见图2）能力。“光纤的模式或芯数越多，其理论容量就越高，”格罗斯说。

图2：这种光学玻璃芯片由麦考瑞大学制造，可将数据传输到超高速多芯光纤中。

Optical fiber of the future

格罗斯表示，这种传输光纤“只是拼图的一部分”，“下一步是将这种光纤与光通信链路中常见的其他组件（例如光纤放大器）相结合。”

19芯光纤可用于一系列应用，从光纤激光器和光学传感器到生物医学成像和微波光子学的信号处理。随着对更快数据通信的需求不断增加，该团队预计他们的工作将带来更实用的方法来提高光纤传输能力。

格罗斯表示：“互联网数据流量的增长主要来自机器与机器间的通信，如人工智能和机器学习。毫无疑问，流量需求将继续增长，需要新的光纤技术来满足这些需求。新技术从演示到部署到实际应用通常需要数年时间，但我们希望这项工作为扩大光纤传输容量提供了潜在和实际的前进方向。”

审核编辑：刘清