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[原创]突破传输容量瓶颈：多芯光纤与空芯光纤 [复制链接]

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关键词：空芯光纤多芯光纤

伴随着容量的提升及输入功率的增加，由于非线性香农极限的影响，单模光纤的传输容量即将到达上限。传统单模光纤（SMF）传输系统的最大容量被认为在100 Tbit/s左右。这个极限是由信噪比和带宽决定的，虽然通过先进的编码技术可以挖掘出更多的潜力，但物理上的限制不可避免。实芯光纤也逐渐暴露出难以满足低时延业务、非线性严重，最大传输容量很难持续提升的问题。在光纤传输其他维度已无法突破的情况下，如何提高光纤容量呢？多芯光纤和空芯光纤的引入，为解决当前传统光纤的局限提供了一个解决方案，旨在突破单模光纤的容量限制。

什么是多芯光纤（Multi-core Fiber, MCF）？
多芯光纤就是在同一根光纤内，有多根纤芯，多个信号可通过各自的纤芯进行独立传输，从而实现系统传输容量实现数量级的提升。这使得同一根光缆能够在不显著增加物理体积的情况下，提供数倍于传统光纤的传输带宽。

与传统光纤相比， MCF在同一光纤中传输多个信道，可以大幅度提高带宽，从而满足数据中心、骨干网等对传输容量日益增长的需求；同时减少了光纤铺设的数量，节省了光纤资源和安装空间。

根据光纤芯之间的耦合程度，多芯光纤通常分为以下两类：无耦合多芯光纤（Uncoupled Core MCF,UC-MCF）和耦合多芯光纤（Coupled Core MCF, CC-MCF）。两者的纤芯间距不同，非耦合多芯光纤的芯间距大于30um，耦合多芯光纤的芯间距小于30um。纤芯间距是指相邻两个纤芯之间的距离。

耦合MCF中的每个纤芯比较紧凑，纤芯之间的信号传输容易产生相互干扰，因此需要在传输系统中采用多输入输出MIMO数字信号处理DSP来处理模式耦合效应。信号之间发生模式耦合导致信号在接收端混合在一起，无法区分，因此采用MIMO-DSP技术通过在接收端对接收到的信号进行解码和恢复，即分离和恢复每个纤芯上的原始信号，确保每个信号都能被准确的接收和解码。类似地，非耦合MCF中每个纤芯是独立传播信号，不需要MIMO DSP进行处理。从成本上来说，当然希望是可以选择不需要MIMO来处理的非耦合MCF，但非耦合MCF用于长距离传输时，又容易产生芯间串扰（XT）。芯间串扰是MCF需要关注的一个重要参数，可定义为单芯信号的磁场或电场对相邻芯信号的干扰。由于同一包层区域有多个芯，因此串扰是系统的重要因素。为了减少芯间的串扰，芯间距应适当。

多芯光纤商用情况
2024年3月，日本电信运营商NTT携手NEC成功完成 “首次跨洋7280千米传输实验”，实验采用了12芯多芯光纤技术，将光网络带宽提高12倍。
2024年3月，谷歌透露与日本电气合作，采用多芯光纤技术建设连接台湾、菲律宾和美国的海底光缆系统TPU，预计2025年底完工。该系统是全球首个采用MCF技术的商用海底光缆系统。
2023年，烽火通信基于自研19芯单模光纤，实现了净传输容量3.61Pbit/s的系统传输，相当于1秒下载约135300部最高画质的电影，刷新了单模多芯光纤传输容量的世界纪录。

多芯光纤走向应用需要解决FIFO, 熔接，放大等问题，也就是需要解决多芯光纤与多芯光纤的连接、多芯光纤与单芯光纤的连接、多芯光纤在光放大传输系统的应用，需要开发相关的连接器、熔接机、扇入扇出FIFO器件、光配线架等相关产品，并考虑与现有技术的兼容性和通用性。目前，国际上对多芯光纤的设计未有统一标准，各厂商的多芯光纤在纤芯数量、纤芯排列、大小、芯间距等都有些差异，不同类型多芯光纤熔接增加了难度。

多芯光纤与单芯光纤的连接 - FIFO
多芯光纤（MCF）的应用需要解决多芯光纤与普通单芯光纤之间如何连接的问题。空间多路复用器/解复用器被称为扇入/扇出(FIFO)器件，用于有效地将光从单个单模光纤耦合到多核光纤，或者将多核光纤的光耦合到单个单模光纤中，这样就实现了多芯光纤与普通单模光纤之间的连接。难点在于连接时如何保证纤芯间的低串扰、连接的低损耗以及精密的耦合对准。到目前为止，已经报道了各种各样的FIFO器件实现技术，但最常用的技术有: 1)熔融拉锥技术，2)3D波导技术；和3)自由空间光学技术。

以上每种方法都有各自的优点，但对于具有小芯距的高密度MCF来说，实现低串扰(XT)仍然具有挑战性。例如，在熔融拉锥光纤逐渐变细的方法中，FIFO器件可以通过逐渐变细单模光纤束来实现，但在变细过程中，每个芯的模场直径(MFD)会增大，这可能会影响器件的性能导致相邻纤芯之间会产生明显的串扰（XT）。在3D波导方法下，直接飞秒激光刻写比较难实现低XT FIFO器件，但该方法的优点是能实现更多芯数的耦合。基于自由空间光学的FIFO器件具有低插入损耗和XT，需要精密控制各组件的精度及成熟的光学设计技能。

亿源通（HYC）基于自身强大的空间光学设计能力及成熟的精密耦合能力，提出了一种紧凑和低串扰XT的四芯 FIFO组件。通过精密的空间光学设计，利用透镜、棱镜等光学元件调节并优化MCF与多个单芯光纤的耦合，实现耦合效率最优，器件结构紧凑，指标均衡。间距在43um的FIFO器件具有低平均耦合损耗（＜0.5dB），低串扰（＞45dB），回波损耗（＞55dB）。

多芯光纤与多芯光纤之间的连接
目前多芯光纤多采用熔接的方式来进行连接，但由于每个多芯光纤都可能有不同的芯间距，这样熔接意味着有施工难度高、后期维护难等难题。用于 MCF 的第一个实用光连接器是 2012 年在日本开发的 MU 型 MCF 连接器。通过应用奥尔德姆的耦合机构，保持定位精度，包括旋转角度。它具有即使对线缆施加拉伸载荷，连接损耗也不会波动的特性。 2019年开发出SC型MCF连接器，以简化结构实现相同原理。

亿源通研发的专用于多芯光纤连接的光纤连接器，在传统的LC/FC接口类型连接器基础上进行了修改设计，优化了定位保持功能，改善了研磨耦合工艺，保证多次耦合后插入损耗变化小，能够直接取代昂贵的熔接工艺，保证使用的便捷性。此外，亿源通也设计了具有专利的MC连接器，比传统接口类型连接器拥有更小的尺寸，可应用于更加密集的空间。

多芯光纤MCF Hybrid组件（应用于EDFA光放大器系统）
空分复用技术传输系统要实现大容量、高速率和长距离传输，必然离不开光放大器去补偿其传输损耗，SDM光纤放大器是SDM技术走向实用化的关键，多芯掺铒光纤放大器（MC-EDFA）是SDM传输系统的关键器件。

MC-EDFA目前市场有提出两种方式，一种是共包层泵浦，一种是独立式芯区泵浦。共包层泵浦是泵浦光与信号光共享同一个包层区域，泵浦光沿着光纤的外围传播，非直接穿过纤芯。独立式芯区泵浦将泵浦光直接引导至特定的纤芯内部。通过这两种方式实现了对多芯光纤中信号的有效放大。

亿源通科技可配合客户未来用于多芯光纤（MCF）的EDFA掺铒光纤放大器系统解决方案，提供用于MC-EDFA的无源器件做Design-in开发设计，延伸开发MCF Hybrid混合器件，例如：（1）多芯光纤光隔离器和分光器(MCF Isolator +TAP)（2）多芯光纤MCF 980/1550 WDM（3）多芯光纤增益平坦滤波器（MCF GFF）等。

多芯光纤市场规模
根据Businessresearchinsights的2023年《MULTI-CORE FIBERS (MCF) MARKET REPORT》报告： 2022 年全球多芯光纤 (MCF) 市场规模为 18.36 亿美元，预计 2031 年市场规模将达到 216.3265 亿美元，预测期内复合年增长率为 32.3%。市场主要厂商有日本的古河Furukawa Electric，中国的长飞Yangtze Optical Fibre and Cable，中国的烽火通信Fiberhome，法国的iXblue，美国的Humanetics，日本藤仓Fujikura，日本住友Sumitomo Electric等。排名前三的头部公司所占市场份额超过70%。就市场规模而言，亚太地区是最大的市场，占有率超过65%，其次是北美和欧洲，占有率分别约为20%和10%。就产品类型而言，四芯光纤是最大的细分市场，占据了约60%的份额。在产品应用方面，通信的市场份额超过55%。

什么是空芯光纤（Hollow-Core Fibers，HCF）？
空芯光纤不同于传统的实心玻璃或塑料芯光纤，其内部是空的，可以填充空气、惰性气体或真空。这种独特的结构设计方法显著改变了光纤的光传播特性，使其比传统的实心玻璃芯光纤具有多种性能优势。由于光在空气中的传播速度比在玻璃中的传播速度快，与传统光纤相比，空芯光纤具有较低时延和较低损耗。微软Lumenisity宣称其空芯光纤光速度比标准石英玻璃快47%。此外，空芯光纤不挑光，可以轻松支持O，S，E，C，L，U等多种波段的光。

空芯光纤和传统的玻璃芯光纤一样，由纤芯、包层和涂覆层三部分组成，不同之处主要在于纤芯和包层。空芯光纤的纤芯是空气，包层是基于微结构的设计，通常是由一系列微小的空气孔构成，排列结构类似一个蜂窝状。当光入射到纤芯和包层界面上时，会受到包层中周期排列的空气孔的强烈散射。这种多重散射产生相干，使得满足特定波长和入射角的光波能够回到芯层中继续传播。微结构的作用就是将光信号束缚在纤芯中传播，空芯光纤的性能也主要是微结构决定的。

空芯光纤由于光在空气中传播，减少了介质对光的折射，从而大大降低了传输时延。空芯光纤的信号损耗显著低于传统光纤，这使得它适用于超长距离的传输，减少了信号放大器的需求。空芯光纤在高功率光传输时，非线性效应（如光纤内的自相位调制等）显著减少，这使得它在高功率激光传输和量子通信中具有广泛的应用前景。

空芯光纤根据其微结构设计和工作原理可以简单分为以下两种类别：光子带隙空芯光纤（Photonic Bandgap HCF, PBG-HCF），反谐振空芯光纤（Anti-Resonant HCF, AR-HCF）。空芯光纤的发展也主要经历了从光子带隙光纤到反谐振光纤的演进过程。

光子带隙空芯光纤依靠光纤包层中的光子晶体结构，形成光子带隙来限制光束在空心纤芯中传播。光子晶体的折射率差异使光束只能在纤芯中传播，而无法泄露到包层中。但这种结构容易产生损耗，根据预测大约每公里损耗4dB，限制了在长途网络中的使用。

反谐振空芯光纤通过光在光纤内的管状玻璃薄膜间来回相干反射，将光限制在空气芯附近并沿轴线传输。反谐振的原理比较复杂，有人类比说与薄膜干涉相似。这种光纤利用反谐振反射原理，通过特殊的结构设计，如设计多层特定排列的毛细管形成复杂的微结构，这种结构使得光在传输时不会发生全反射现象，同时毛细管的嵌套结构则可以明显降低空芯光纤的衰减。

空芯光纤商用情况
2024年6月，长飞助力中国移动、中国电信建立了全球首个800G空芯光纤传输技术试验网(广东深圳-东莞)和全球首个单波1.2T、单向超100T空芯光缆传输系统现网示范。
2024年 2 月，Lyntia、诺基亚、古河和 Interxio 联合实验空芯光纤，其相对单模光纤延迟降低 30%以上，光传输速度提升近 46%，且极大降低非线性效应，现场 demo800Gbps 和 1.2Tbps，具有突破香农极限容量的潜力。
2022年，南安普顿大学的衍生企业Lumenisity Limited（已被微软公司收购），发布了新一代空心光纤DNANF®。该公司表示，该技术是迄今为止报道的任何空心光纤中衰减最小的，而且在O波段和C波段的衰减超过了传统掺锗单模光纤(SMF)。
2022年，Comcast 与光纤供应商 Lumenisity 合作，在费城部署了一条 40 公里的混合空心光纤和传统光纤链路。
英国电信于2021年6月开始试用Lumenisity的技术，并将其用于移动网络的部署。同年9月，该公司再次与Lumenisity合作，尝试在空心光纤上进行量子密钥分发，以期增强安全性。
空芯光纤走向应用需要解决如提升光纤光缆制备工艺，降低光缆损耗、成本，提升批量供货能力等问题。

空芯光纤市场情况
根据Businessresearchinsights的2023年《HOLLOW CORE FIBER MARKET REPORT》数据：2022 年全球空心光纤市场规模为 1300 万美元，预计 2029 年市场规模将达到 1900 万美元，预测期内复合年增长率为 6.6%。主要厂商有丹麦的NKTPhotonics，英国的Lumenisity等。

多芯光纤与空芯光纤代表了光纤通信技术的未来方向。MCF通过提升单根光缆的传输能力，突破了传统光纤的物理限制，而HCF则通过创新的中空结构，为高速、低延迟传输提供了全新选择。尽管这两项技术在市场化进程和应用场景上有所不同，但它们都指向了一个共同的目标——更高效、更快速的光通信网络。未来，MCF和HCF有望在全球范围内得到广泛应用，推动光通信行业迈向新的高峰。

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