文/Jeff Hecht 

100Gb/s的相干傳輸已經(jīng)成為全球光纖骨干網(wǎng)的標準，預計未來的傳輸速度將更快。一些系統(tǒng)運行于數(shù)百Gb/s，實驗室已經(jīng)在處于研發(fā)階段的單根光纖中獲得了超過拍比特（10¹⁵bits/s）的速率；該光纖能夠在數(shù)十條獨立的光路上傳輸光信號。這也許能讓讀者聯(lián)想到上世紀90年代的爆炸式增長。

然而今天的情況更為復雜，因為該技術(shù)正在三個方面不斷提升——基于階躍折射率“標準”單模光纖的現(xiàn)有系統(tǒng)、采用大模場面積光纖的新系統(tǒng)、以及基于新型光纖類型的空分復用的開發(fā)。

上世紀80年代以來，相干傳輸和數(shù)字信號處理使得大部分9μm纖芯單模光纖得以應(yīng)用。在北美和歐洲的線路中，泡沫時期安裝的閑置光纖仍可以廣泛使用。今天的長距離相干系統(tǒng)，能夠在這類光纖上以接近一百個50GHz光學信道傳輸100Gb/s的信號——總計每組光纖對10Tb/s，而新技術(shù)可能提供進一步的提升。

大模場面積光纖是新型海底和陸地光纜的首選光纖。大模場面積光纖的低非線性使它們能夠在更長的距離上承載更高的數(shù)據(jù)率。

長遠來看，研究人員正致力于可以通過空分復用增加容量的新光纖類型，如使用單根光纖內(nèi)的分立纖芯，以及少模纖芯內(nèi)的分立模式。潛在應(yīng)用包括長距離傳輸和較短距離傳輸，從服務(wù)器場內(nèi)到城市分布網(wǎng)絡(luò)。

接近標準單模光纖的極限

今天的10Tb/s的光纖速率，已經(jīng)比上世紀80年代中期的標準單模光纖400Mb/s的傳輸速率增加了25000倍。將相干發(fā)射器結(jié)合在一起以形成數(shù)百Gb/s的“超信道”，可以將容量額外增加約30％。訣竅在于組合多個激光發(fā)射器的信號，消除了分離傳統(tǒng)50GHz信道的緩沖區(qū)（見圖1）。

經(jīng)展示的單信道數(shù)據(jù)率已經(jīng)達到Tb級。2014年，通過在匈牙利首都布達佩斯和斯洛伐克首都布拉迪斯拉發(fā)兩地之間安裝好的光纖環(huán)路，美國Infinera公司將1Tb/s的超信道信號發(fā)送了500km。單個光子學集成電路包含10個激光源。Infinera公司的Geoff Bennett介紹說，使用偏振復用正交相移鍵控（PM-QPSK），原型的1Tb/s線路卡可以覆蓋更長的距離。利用現(xiàn)有的生產(chǎn)級500Gb/s線路卡，Infinera公司和Facebook在無需再放大的情況下，實現(xiàn)了超過4000km的傳輸距離。Bennett將該進展歸功于第二代相干系統(tǒng)中發(fā)射器和接收器之間的分離信號處理。

然而，標準單模光纖正接近無誤傳輸容量的非線性香農(nóng)極限。^[1]噪聲決定了傳統(tǒng)的香農(nóng)極限，所以可以通過復雜的編碼機制增加線性介質(zhì)的容量，這種機制將產(chǎn)生更高的功率以提高信噪比。然而，光纖是一種非線性介質(zhì)，因此復雜編碼引入的額外功率將產(chǎn)生非線性噪聲。這將會降低信噪比，從而對傳輸效率施加更嚴格的限制，傳輸效率通常以bit/s/Hz來表征。結(jié)果是在編碼速率與傳輸范圍（見圖2）之間形成一個固有的折衷。

大模場面積光纖承載更多數(shù)據(jù)

大模場面積光纖在較大面積上傳播信號，降低功率密度和非線性噪聲。大模場面積光纖能擴展傳輸容量和距離，因此實芯大面積光纖已成為新型長程陸地和海底光纜的標準配置。美國康寧公司和OFS公司均提供在1.55μm波段、有效模場至少125μm²、衰減系數(shù)小于0.19dB/km的光纖。光子晶體光纖的有效模場面積已超過1000μm²，但對通信應(yīng)用而言它們的損耗還遠遠過高。

大模場面積單模光纖通常具有較高的色散。但是因為相干傳輸和數(shù)字信號處理已使強大的電子色散補償成為可能，因此色散不再是問題。

大面積光纖的傳播允許使用更高功率和更先進的編碼技術(shù)，以提升數(shù)據(jù)率和傳輸距離。在美國Comcast公司的長程網(wǎng)絡(luò)中，使用近千公里的這種大模場面積光纖，美國Ciena公司發(fā)送了16-QAM調(diào)制承載實時流量的1Tb/s超信道。得益于先進的編碼機制，頻譜效率達到了500 bits/s/Hz。Bennett介紹說，實驗室測試結(jié)果將PM-8QAM信號的傳輸距離提升了近三倍，達到了跨大西洋的距離。

正如美國TE Connectivity SubCom公司的Neal Bergano所說，大面積、低損耗光纖也已成為長距離海底光纜的標準。具有八個光纖對和先進編碼機制的越洋光纜，具有80Tb的容量。在最近的試驗中，Bergano的研究組在9748km試驗臺上，發(fā)送了152路200Gb/s的偏振復用16-QAM信道，效率為6b/s/Hz。^[2]但預計容量將在標準單模光纖的約10倍以上時達到極限。

空分復用

從長遠來看，空分復用通過在兩點之間的平行物理路線上發(fā)送信號，能提供潛在的百倍容量提升。貝爾實驗室的Peter Winzer稱之為繼時間、相位、頻率和偏振后，光學復用的第五物理維度。^[3]

在同根光纜中分離光纖的空間復用已被認可，但對集成其它組件，如放大器而言前景黯淡。多芯光纖和多模纖芯為集成提供了更多希望，但它們需要得到巨大的發(fā)展。“我們都知道并行系統(tǒng)將會出現(xiàn)。但問題是哪種形式的并行系統(tǒng)最具經(jīng)濟意義。”Winzer說道。

早期的多模和多芯測試令人鼓舞。在2012年European Conference on Optical Communications（ECOC）會議上，日本電報電話公司利用12芯光纖，在52.4km上發(fā)送了創(chuàng)紀錄的1010Tb/s（1.01Pb/s）。^[4]每根纖芯在222個分立波長上分別承載380Gbit/s，總計每纖芯84.5Tb。另外，在少模光纖上展示了模態(tài)分復用。

在去年的Optical Fiber Communications（OFC 2015）會議上，有三篇報告是關(guān)于在多芯光纖的每根纖芯中多模傳輸?shù)摹Ｆ渲袃善�描述了在幾公里光纖上超過100條路徑的空分復用。日本的J. Sakaguchi在5.5km的36芯光纖中，每根發(fā)送三種模式，^[5]日本KDDI R&D Labs的Koji Igarashi在9.8km的19芯光纖中，每根發(fā)送六種模式。^[6]在第三篇文章中，日本NTT Laboratories的Kouki Shibahara及同事在具有放大極的52.7km 12芯光纖環(huán)路上，每根發(fā)送三種模式重復10次。盡管NTT研究組使用較少水平的空間復用，但是展示放大、光纖之間的信號傳輸，以及達到總距離超過500公里，仍是重要的步驟。^[7]

大的問題依然存在。在少模光纖的耦合和放大過程中，模式之間的串擾將有多少？放大器和耦合器集成得怎么樣？以bits/s/Hz來衡量，空分復用可以增加多少效率？超過越洋距離的話，多少空分復用將有可能？

最近的理論工作暗示意想不到的局限。在2015年的ECOC會議上，OFS的Kasyapa Balemarthy和Robert Lingle指出，如果要在6000~12000公里后100Gb/s的信號不衰減，那么220μm光纖僅可容納不超過5~7根纖芯。^[8]

展望

底線問題是什么技術(shù)能提供最佳價值。集成空分復用的主要吸引力是降低成本的潛力。然而，正如Winzer所說，“沒有人能以比19根單根光纖更低的成本制造一根19芯光纖。”因此無論如何，多芯、多模光纖距離實用還有很長的路要走。

然而如果回顧過去，在上個世紀70年代晚期，很多人認為采用許多并行多模光纖將比單根單模光纖更實際。在上個世紀80年代，相干傳輸被認為是不切實際的，在有新技術(shù)打開通向100Gb/s相干傳輸?shù)拇箝T之前，它們將在貨架上干等二十年。其他選擇依然存在，包括擴展傳輸光譜到超出1530~1565nm的摻鉺光纖C波段。有興趣的讀者可以密切關(guān)注2016年OFC會議所帶來的任何驚喜。

參考文獻

1. A. D. Ellis et al., "The nonlinear Shannon limit and the need for new fibres,"Proc. SPIE, 8434, 84340H (Jun. 1, 2012); doi:10.1117/12.928093.

2. J.-X. Cai et al., Opt. Express, 22, 4, 9115 (Apr. 8, 2014); doi:10.1364/oe.22.009116.

3. P. Winzer, Bell Labs Techn. J., 19, 22 (2014); doi:10.15325/bltj.2014.2347431.

4. H. Takara et al., "1.01-Pb/s (12 SDM/222 WDM/456 Gb/s) crosstalk-managed transmission with 91.4-b/s/Hz aggregate spectral efficiency," Proc. ECOC, Th.3.C.¹ (Sept. 2012).

5. J. Sakaguchi et al., "Realizing a 36-core, 3-mode fiber with 108 spatial channels," Proc. OFC, Th5C.2 (2015).

6. K. Igarashi et al., "114 space-division-multiplexed transmission over 9.8-km weakly-coupled-6-mode uncoupled 19-core-fibers," Proc. OFC, Th5c.4 (2015).

7. K. Shibahara et al., "Dense SDM (12 core × 3 mode) transmission over 527 km with 33.2-ns mode-dispersion employing low-complexity parallel MIMO frequency domain equalization," Proc. OFC, Th5C.3 (2015).

8. K. Balemarthy and R. Lingle Jr., "Upper limits on number of cores for multi-core SMFs over trans-oceanic distances at 100Gbps," Proc. ECOC, 0761 (2015).