空分复用（SDM）光纤技术

云脑智库 2021-12-26 00:00

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来源 | 网络

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SDM-单模光纤容量突破的方向

数字经济是拉动经济增长的重要引擎，以5G网络、数据中心、工业互联网为代表的新型信息基础设施建设将成为数字经济发展的核心动力。在新基建浪潮的推动下，社会信息化和数字化演进带动数据流量持续增长，网络容量升级的需求不断上升。提升光缆芯数和单根光纤容量是网络升级的途径，在城市管道资源紧张、光缆敷设空间受限的情况下，提升单纤容量成为重要发展方向。

增加可用谱宽、提升信噪比（SNR）是提升单模光纤容量的方法。由于非线性与光致连续损伤效应，通过增加波分复用信道、增大入纤光功率来提升谱宽和SNR变得愈发困难，基于空间维度信道复用的空分复用光纤成为突破单纤容量的重要方向。

图1 SDM是单纤容量突破的方向

SDM光纤分类及特点

按复用维度不同，SDM光纤可分为两类：按纤芯复用和按模式复用。按纤芯复用，即通过增加单根光纤中纤芯的数量实现容量提升，如多芯光纤（MCF）；按模式复用，即通过增加单个纤芯中传输模式的数量实现容量提升，如少模光纤（FMF）。另外通过二者的结合，可实现多芯少模光纤（FM-MCF），使单纤容量获得成倍提升。

图2 SDM光纤的分类

MCF于1979年首次研制成功。按芯间串扰强度不同，MCF可分为弱耦合与强耦合两种类型。强耦合MCF芯间距小，芯间串扰强，易实现远距离传输，但接收端需引入大规模MIMO补偿串扰，成本与系统复杂度高；弱耦合MCF芯间串扰小，无需功耗成本高昂的MIMO，是当前研究和应用的重点，适用于数据中心、城域网等中短距场景，其中7芯光纤的研究与试验应用较为成熟。

图3 MCF分类

FMF通过设计光纤芯区和包层折射率，提高归一化截止频率，控制纤芯中LP模式数量，能够降低或消除远距离传输时多个模式对于MIMO的需求。根据是否需要大规模MIMO，FMF可分为强耦合和弱耦合两种类型。弱耦合FMF通常采用阶跃折射率分布设计，降低模间串扰，实现对各LP模式独立探测接收，无需MIMO补偿，成本较低，适用于移动前传、回传与城域汇聚和接入等中短距场景；强耦合FMF通常采用“渐变折射率分布+沟槽”设计，所有LP模式同时检测接收，依靠MIMO补偿模间串扰，成本较高，可用于城际/省际骨干网长距离传输。

图4 FMF典型折射率设计

FM-MCF结合多芯与少模技术，一方面纤芯数与模式数相乘，能够实现Pbit/s量级的单纤传输容量以及数百bit/(s×Hz)的高频谱效率，为光纤传输容量增长提供巨大空间；另一方面取长补短，以多芯复用降低高阶模式复用的芯间串扰和折射率设计困难，以模式复用减轻高密度纤芯设计与制造的苛刻要求。

图5 SDM光纤容量对比

典型SDM光纤应用场景对比

SDM光纤	远距离-骨干网	中距离-城域网	短距离-数据中心
MCF	频谱效率高	频谱效率高	频谱效率高
	串扰严重	串扰中等	串扰较低
	集成度低	集成度中等	集成度高
FMF	频谱效率中等	频谱效率中等	频谱效率中等
	串扰、DMD、模间色散高	串扰、DMD、模间色散中等	串扰、DMD、模间色散低
	MIMO负担重	MIMO负担轻	无需MIMO
FM-MCF	频谱效率高	频谱效率高	频谱效率高
	串扰、DMD、模间色散中等	串扰、DMD、模间色散中等	串扰、DMD、模间色散低
	MIMO负担轻	MIMO负担轻	无需MIMO

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