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学术报告：多芯光纤技术及其在空间分割复用中的应用
本文由Kunimasa Saitoh（北海道大学信息科学与技术研究生院）和Shoichiro Matsuo（藤仓有限公司先进技术实验室）撰写，于2016年1月1日发表在《Journal of Lightwave Technology》第34卷第1期。文章全面综述了多芯光纤（Multicore Fibers, MCFs）技术的最新进展，特别聚焦其在大容量长距离传输系统中通过空间分割复用（Space Division Multiplexing, SDM）的应用。
随着互联网流量每十年增长约100倍的趋势，传统的单模单芯光纤（Single-Mode Single-Core Fiber, SM-SCF）已逐渐接近其容量极限。这一限制主要归因于放大器带宽、非线性噪声以及光纤熔断现象等因素的影响。为了解决这一问题，空间分割复用技术被提出并吸引了大量研究关注。多芯光纤通过在同一光纤中引入多个独立的核心或模式，能够显著提高光纤的传输容量。然而，低串扰（Crosstalk）与高核心密度之间的权衡成为多芯光纤设计中的关键问题。
多芯光纤可分为弱耦合多芯光纤（Weakly-Coupled MCFs）和强耦合多芯光纤（Strongly-Coupled MCFs）。
- 弱耦合多芯光纤：每个核心作为独立的波导运行，核心间串扰较低。为了实现小于−30 dB的串扰水平，核心间的耦合系数κ需要低于约10⁻² m⁻¹，典型的核心间距约为40 μm。这种类型的光纤不需要复杂的多输入多输出（MIMO）数字信号处理（DSP），适用于长距离传输。
- 强耦合多芯光纤：通过减小核心间距有意引入核心间串扰，从而提高核心密度。理论上，这种光纤支持多种超模态（Super-Modes），但由于结构参数波动或弯曲效应，这些超模态会强烈混合。强耦合多芯光纤的群延迟扩展与传输距离的平方根成正比，这有助于减少群延迟扩展。然而，复杂MIMO DSP仍然是必要的。
文章详细讨论了多芯光纤中串扰的估计方法及抑制技术。 - 串扰估计：基于耦合模理论（Coupled-Mode Theory, CMT）和耦合功率理论（Coupled-Power Theory, CPT），可以计算核心间的串扰。对于弱耦合多芯光纤，串扰水平受弯曲半径和核心间距的影响显著。
- 串扰抑制技术： - 沟槽辅助多芯光纤（Trench-Assisted MCFs）：通过在核心周围引入低折射率沟槽层，显著降低电磁场重叠，从而减少串扰。例如，宽度为w/r₁ = 1.0的沟槽可实现超过30 dB的串扰降低。
- 异构多芯光纤（Heterogeneous MCFs）：通过引入相邻核心间的固有折射率差异，减少相位匹配点处的串扰。研究表明，在非相位匹配区域，异构多芯光纤对弯曲不敏感。
- 传播方向交错（Propagation-Direction Interleaving, PDI）技术：通过将相邻核心分配到相反方向，减少同向传播的相邻核心数量，从而有效降低串扰。
多芯光纤的空间效率（Spatial Efficiency, SE）与其核心数量、核心间距和包层直径密切相关。文章指出，包层直径通常限制在230 μm以内以确保机械可靠性，而包层厚度需足够大以减少微弯/宏弯损耗。此外，核心排列方式（如六边形密排结构或方形晶格结构）也会影响最差情况下的串扰水平。研究表明，弱耦合单模多芯光纤的最大相对空间效率（Relative Spatial Efficiency, RSE）可达9，最大空间通道数（Spatial Channel Count, SCC）可达30。
少模多芯光纤结合了核心复用和模式复用的优势，能够进一步提高空间通道数。然而，随着模式数量的增加，高阶模式间的串扰显著增大，因此需要更大的核心间距。此外，差分模态群延迟（Differential Mode Group Delay, DMD）的控制是少模多芯光纤设计中的另一个挑战。研究表明，采用分级折射率分布或多步折射率分布的少模多芯光纤可以同时实现低串扰和低DMD。
本文全面总结了多芯光纤技术的最新进展，特别是其在大容量长距离传输中的应用潜力。通过优化设计和采用先进的串扰抑制技术，弱耦合多芯光纤已在实验中实现了超过1 Pb/s的传输容量和超过1 Eb/s·km的容量-距离乘积。少模多芯光纤则展示了更高的空间通道数潜力，为未来超高密度空间分割复用系统提供了重要方向。
文章还强调了多芯光纤技术在未来光通信网络中的关键作用。随着数据流量需求的持续增长，多芯光纤有望成为克服传统单模单芯光纤容量极限的重要解决方案。此外，该技术在数据中心互连、海底通信等领域具有广阔的应用前景。
本文不仅为多芯光纤技术的研究提供了全面的综述，还指出了未来研究的方向和挑战，对推动光通信技术的发展具有重要意义。