漫谈光通信-1 空分复用

前言：从今天开始，小光将系统的介绍光通信系统中的一系列关键组件、相关技术及最新进展，这也是学渣小光的学习笔记，如有扯蛋，也恳请各位看官指正

空间域的利用被认为是光通信中最后一个未探索的物理维度，我们今天的分享就从空分复用技术开始...

空分复用

Part 1Capacity Crunch

容量危机（capacity crunch），是目前学术界较为揪心的事儿。虽然目前100 Gbit/s的数字相干光通信系统大幅提升了光纤通信系统的传输容量和传输距离，400 Gbit/s的相干光通信系统也已经逐步开始走向商用，但随着5G的成熟与正在加速的商用进程，巨大的流量让人窒息

有一张经常出现在各种PPT，硕士、博士论文中的图直观的展现了这一事实

图1 光纤通信系统传输容量发展趋势

目前来看，采用少模光纤或多芯光纤的空分复用技术被认为是解决容量危机的有效途径，相关研究工作进展的也十分迅速

多芯光纤和少模光纤最早要追溯到1979年和1982年，文献如下：

S. Iano, T. Sato, S. Sentsui, T. Kuroha, Y. Nishimura, Multicore optical fiber, in Opt. FiberCommun. Conf. (OFC’79), Washington, DC, USA (1979), Techn. Digest, paper WB1

S. Berdagué, P. Facq, Mode division multiplexing in optical fibers. Appl. Opt. 21(11), 1950–1955 (1982)

然而，在过去几十年中，我们对空分复用技术的关注比较有限，这主要是因为有其它更具成本效益的技术可以很好的满足容量的增长需求，比如低损耗单模光纤、EDFA、WDM和PDM等等，这些技术都促使单模光纤的通信系统容量不断提升，再往后，当时间、频率、偏振态、正交性在内的几乎所有信号物理维度都榨干后，空分复用技术就这样进入了人们的视野

Part 2 为什么是空分复用

光网络的发展由长距离延伸到目前的数据中心网络，虽然数据中心可以说是最后引入光学技术的地方，但空分复用技术其实早已广泛应用其中

我们知道，数据中心是成本驱动，在

因此，由VCSEL阵列，多芯光纤和光电二极管阵列组成的紧凑型光纤链路可以用于光互连的低成本和低功耗解决方案

另外，我们在来看一张表

表1 不同光网络的需求

新技术的引入需要基于现有基础设施的平稳过度，因此，空分复用的主要机会只能在新的和升级的光网络中，比如为了满足容量需求，必须部署新的或更多的光纤，在这种情况下，海底网络可能是应用空分复用的第一次机会，因为受非线性效应的影响，超长的链路长度必将最先面临容量危机的问题，但与此同时，海底网络对可靠性的要求也最高，这意味着空分复用链路的性能必须与现有商用的单模光纤链路的性能相当。当然，在实际部署时，这些新兴的基于空分复用的少模光纤和多芯光纤在成本和能效方面还需要验证

Part 3 成本与能效 永远绕不开的话题

作为科研或者产业人员，成本与能效永远是需要考虑的重要问题

对于成本来说

基于空分复用的多芯光纤或少模光纤可以看成光通信集成趋势的延伸。同时，光子集成技术能够制造由大量光学元件组成的强大的光子集成电路（PIC），与采用分立元件的解决方案相比，通过晶圆级批量生产的PIC的成本效率更加有利，因为元器件的总数总会越来越多

另外，空分复用技术还可以集成到其他关键的光模块中，比如光放大器、WSS、ROADM。空分复用的解决方案提供了网络集成的可行性，因此能够降低每比特的网络成本

对于能效来说

有人指出光网络的能源效率每年提高15％左右，而单纯靠部署更多的单模光纤几乎无法满足这个预期。考虑到大部分功耗来自系统管理开销，那么提供更高频谱效率的空分复用技术则能够提高整体能效，例如

（1）密集集成的空分复用转发系统可能只需要一个冷却系统

（2）采用一个多模激光二极管的包层泵浦多模EDFA可以放大所有空间信道，而不需要温度控制系统

（3）由于空分复用信号在空分复用光纤中是被同时放大和交换的，因此可以在接收端对这些信号所经历的损伤同时作补偿，比如载波相位的漂移。因此相比于独立的多根单模光纤，空分复用系统在数字信号处理方面的复杂度更低，从而所消耗的功耗也更低

（4）在空分复用系统中，只需要在一个空分信道中增加一段针对路由和管理的信息开销来处理所有的空分复用信号。如在海洋网络中的证明一样，空分复用技术由于其成本和能耗上的优势，也可以应用于陆地网络

最后，用一张表结束今天的故事，在未来的光纤通信发展之路上，空分复用技术一定是一个不可或缺的关键技术

表2 基于空分复用技术的器件在不同电信网络和数据中心的潜在应用

插图设计：朱丁怡

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