打破传输容量纪录！住友电工开发首个标准外径19芯光纤

【责任分担】

      本公司：标准外径的耦合型19芯光纤的设计、制造。

      本公司此前曾开发了耦合型4芯光纤和耦合型7芯光纤这两种适用于远程大容量传输的标准外径耦合型多芯光纤，这次通过优化芯的结构和配置，开发了标准外径中全球芯数最多的耦合型19芯光纤。

      NICT：构建最大限度发挥该光纤性能的传输系统。

      由于受到信号干扰，存在耦合型多芯光纤中每个芯的传输性能难以评价的问题，针对此问题，构建了同时并列高速接收19芯信号的光传输系统。

【实证内容】

      使用商用的波段(C段、L段) *5和双偏振64QAM信号*6，实际验证了传输距离为63.5 km时合计1.7Pb/s的传输容量。

【实证结果】

      本实验结果不仅打破了标准外径多芯光纤的传输容量的世界纪录，而且更新了1Pb/s级的标准外径多芯光纤传输实验的最长距离。此外，即使将耦合型多芯光纤的芯数增加到19芯，与多模光纤传输*7方式相比，本成果也展示了大幅降低横跨大洋等10,000km级传输时所需的数字信号处理*8负载（功耗）的可能性，实际验证了耦合型多芯光纤芯数的可扩展性。耦合型多芯光纤及其传输技术作为开拓远程光通信网的大容量化之路的关键技术而备受期待。

      此外，本实验结果的论文在第46届光纤通信国际会议（OFC 2023）上获得了非常高的评价，被录用为最优秀热门话题论文（Postdeadline Paper），并于当地时间2023年3月9日（星期四）发表。

      *1 标准外径的光纤

      国际标准规定，光纤的玻璃（包层）的外径为0.125±0.0007毫米，包层的外径为0.235至0.265毫米。目前光通信中广泛使用的光纤是外径为0.125毫米的单芯单模光纤，每秒250兆比特被认为是传输能力的极限，目前正在积极研究和开发新类型的光纤。

      *2 多芯光纤

      使用目前广泛用于中长距离通信的标准单芯单模光纤（图1a）进行传输，被认为具有每秒约250太比特的容量极限。为了解决这个问题，人们对使用增加芯数（光路）的多芯光纤（图1b）和多模光纤的传输进行了研究。在多芯光纤中，当各芯相互靠近时，从一个芯泄露的信号会渗透到其他芯中，造成干扰并降低传输质量（图1c）。为了减少芯子之间的信号干扰，通常使用非耦合多芯光纤，其中芯子被适当地扩大，信号被限制在芯子内。目前正在积极研究和开发具有标准外径的非耦合型四芯光纤，目的是为了早日实现实际应用。

      *3 耦合型多芯光纤

      耦合型多芯光纤（图1d）有紧密排列的纤芯，前提是在接收端通过MIMO数字信号处理*?消除纤芯之间的信号干扰。使用耦合型多芯光纤传输比多模光纤传输更适合长距离传输，因为在每个芯中传播的信号的传播特性更均匀。然而，为了确保长距离传输所需的芯子间耦合的随机性，芯子必须有适当的间隔，使耦合既不会太强也不会太弱。

图1

      *4 贝脱比特和太比特

      一个贝脱比特是1,000万亿比特，一个太比特是1万亿比特，一个吉比特是10亿比特。1 贝脱比特每秒相当于每秒1000万个频道的8K广播。

      *5 波长带宽

      主要用于电信应用的波段是C波段（波长1,530-1,565纳米）和L波段（1,565-1,625纳米），O波段（1,260-1,360纳米）、E波段（1,360-1,460纳米）、S波段（1,460-1,530纳米）和U波段（1,625-1、 675纳米）。本研究中使用了C和L波段。

      *6 64QAM

      QAM是一种利用光的相位和振幅共同表达多个比特的方法（多级调制）。64QAM在相位空间有64个点可以被一个符号占用，用一个符号可以传输6比特的信息（2的6次方=64路），在相同的时间内比OOK（On-Off keying）多六倍的信息，可以进行传输。

      *7 多模光纤传输

      当一个光信号在光纤的芯部传播时，它以各种振动状态传播，同时在芯部和包层的边界处重复全反射（图1e）。这些不同的振动状态就是传播模式。多模光纤有一个大的纤芯直径，在一个纤芯内存在多种模式。在多模光纤的传播、输入/输出和接续过程中会出现不同模式之间的信号干扰，这就需要使用MIMO数字信号处理*?来消除干扰。由于到达接收器之前的时间差，不同模式的信号需要优化光纤和重载的数字信号处理。到目前为止，多模光纤传输最多可使用55种模式。

      *8 MIMO数字信号处理

      使用多模和耦合型多芯光纤进行传输，在进行模式分离时几乎总是需要多输入多输出（MIMO）处理（为每个模式/芯分离成独立的信号通道） MIMO 是一种信号处理技术，在无线通信中用于消除多径干扰。在光通信中，它被用来消除在同一光纤中传播的不同光信号之间的干扰。MIMO处理的负荷（功耗）主要由乘法的次数决定，并与模式数的平方和滤波器函数的长度成正比，用于反向再生信号在光纤中传播的影响。在多模光纤传输中，滤波函数的长度取决于每个模式的传播速度差，而传播速度差通常与光纤长度成比例累积，导致长距离传输的信号处理负荷很大。在耦合的多芯光纤传输中，每个空间通道（芯）的传播特性都是均匀的，滤波函数的长度与传输距离的二分之一功率成正比。当在10,000公里的传输距离上进行比较时，这是一个跨洋级的传输距离，与55模式传输相比，耦合的19芯系统可以将每个信道的MIMO处理负荷减少多达几千倍。（图2）

图2