光纖技術的進步方向在哪里？高速光通訊牽引力度大。

圖1：麥考瑞大學工程學院（Macquarie University School of Engineering）ARC未來學者（ARC Future Fellow）西蒙·格羅斯（Simon Gross）正在使用新的多芯光纖裝置；插圖顯示了新的19芯光纖。

由斯圖加特大學（德國斯圖加特）和麥考瑞大學（澳大利亞悉尼）的工程師領導的國際團隊通過開發世界上速度最快的工業標準光纖擴展了光纖能力（見視頻）。它的速度達到每秒1.7千兆位。

我們社會的數據需求不斷推動光纖容量的進步，從提高光纖質量到利用波長（波分復用[WDM]）、偏振和相干性（高階調制格式）等不同光自由度，”麥格理工程學院的ARC未來研究員西蒙·格羅斯說。

然而，現有的光纖有一個基本容量限制，受非線性香農極限（光纜的最大理論容量）的制約。

“目前，為了提高單模光纖的數據傳輸速率，需要更大的光功率，”格羅斯說。“但更大的光功率會導致光學非線性，從而限制容量。用外行的話來說，這可以比作將高保真音響放大器的音量調大到音樂失真的程度。”

該團隊創造了67公里光纖的紀錄，其中包含19個光纖纖芯（streams of light），每個纖芯攜帶一個信號（見圖1）。由日本國家信息通信技術研究所（NICT；日本東京）和住友電氣工業株式會社（Sumitomo Electric Industries；日本大阪）的研究人員開發的多芯光纖具有125μm的包層直徑，這是行業標準。“它使新的光纖設置更具成本效益，因為它在很大程度上與過去幾十年開發的現有光纖基礎設施兼容，”格羅斯說。

典型的多芯光纖設置包括四個光學纖芯，用于標準125-μm包層直徑。擴展的多芯光纖允許芯間相互耦合（allow well-defined coupling behavior of the light between the cores），以顯著降低現有的數字信號處理要求。幾十年前開發的現有通信網絡依賴于單模光纖，需要更大的光纖來實現更高的數據速率；這會導致失真和容量限制（optical distortion and limited capacity）。

通過使用多芯光纖，該團隊的光纖達到了標準單模光纖理論傳輸能力極限的17倍以上，同時保持在行業標準的125微米直徑包層內。

The more modes, the better

光纖中的模式是一種可以在光纖中傳播的強度模式。這些模式是正交的，可以用作獨立的數據信道，NICT前研究員、現任斯圖加特大學教授(德國斯圖加特)及其電氣和光學通信工程研究所所長的格奧爾格·拉德馬赫解釋道。

但在傳統設置中，模式在光纖內混合，這需要數字信號處理來恢復單個數據。“所需的信號處理量可能非常大，”。多芯光纖是一種替代方法，但使用典型的四芯光纖挑戰很大。

由于多芯光纖中的纖芯間距需要較大以避免相互耦合，平行的信道數量有限，或者需要增加光纖的包層直徑以創造更多纖芯的間距，”拉德馬赫說。“增加光纖的包層直徑會使光纖的機械穩定性降低，增加發生故障的概率。”

該團隊新的19芯光纖系統規避了許多此類問題。“如果這些芯彼此相距足夠遠，則它們之間不會發生光耦合，”格羅斯說。“多芯光纖的行為類似于單模光纖，但不需要額外的數字信號處理。”

作為這項工作的一部分，麥格理團隊創建了一個緊湊的玻璃芯片，其特征是刻有波導圖案。這使得信號同時通過19個單獨的芯，并且具有均勻的低損耗（見圖2）能力。“光纖的模式或芯數越多，其理論容量就越高，”格羅斯說。

圖2：這種光學玻璃芯片由麥考瑞大學制造，可將數據傳輸到超高速多芯光纖中。

Optical fiber of the future

格羅斯表示，這種傳輸光纖“只是拼圖的一部分”，“下一步是將這種光纖與光通信鏈路中常見的其他組件（例如光纖放大器）相結合。”

19芯光纖可用于一系列應用，從光纖激光器和光學傳感器到生物醫學成像和微波光子學的信號處理。隨著對更快數據通信的需求不斷增加，該團隊預計他們的工作將帶來更實用的方法來提高光纖傳輸能力。

格羅斯表示：“互聯網數據流量的增長主要來自機器與機器間的通信，如人工智能和機器學習。毫無疑問，流量需求將繼續增長，需要新的光纖技術來滿足這些需求。新技術從演示到部署到實際應用通常需要數年時間，但我們希望這項工作為擴大光纖傳輸容量提供了潛在和實際的前進方向。”

審核編輯：劉清