日本和澳大利亚的研究人员开发出了一种新型多芯光纤，能够以每秒 1.7 拍比特的速度传输破纪录的数据，同时保持与现有光纤基础设施的兼容性。来自日本国家信息通信技术研究所(NICT)、住友电气工业公司以及澳大利亚悉尼麦考瑞大学的团队利用 19 芯光纤实现了这一壮举。这是标准包层直径为 0.125 微米的电缆中装入的最大芯数。

“我们相信 19 个芯是标准包层直径光纤中可以拥有的最高实际芯数或空间通道数，并且仍能保持良好的传输质量，”Georg Rademacher 说道。担任斯图加特大学光通信系主任。

目前使用的大多数长距离传输光缆都是单芯、单模玻璃纤维 (SMF)。但随着人工智能、云计算和物联网应用的推动，网络流量迅速增加，SMF 正在接近其实际极限。因此，许多研究人员对多芯光纤与空分复用(SDM)的结合产生了兴趣，空分复用是一种在电缆中使用多个空间通道的传输技术。

“新型随机耦合光纤的容量并没有那么显着。值得注意的是它使用标准包层。”——Govind Agrawal，罗切斯特大学

多芯光纤 (MCF) 有两种常见类型。在弱耦合 MCF 中，纤芯彼此精确分离以抑制串扰。但这通常会限制适合电缆的芯数。

相反，住友电工设计并制造了随机耦合的 MCF，其中铁芯有意随机排列。由于不需要精确的间距，磁芯可以更紧密地排列在一起。这增加了电缆的空间密度和可使用的芯数。这种随机排列还扩大了核心之间的相互作用，使来自一个核心的光能够与来自附近其他核心的光耦合。正如 Rademacher 所解释的那样，在住友电工 MCF 的任何一个纤芯中传输的信号都会同时利用所有 19 个纤芯，因此光纤通过利用更高的空间通道密度来实现更大的数据容量可用的。然后使用多输入多输出 (MIMO) 数字信号处理在接收端分离和解调各个信号。

Rademacher 说，十九个芯是“最佳点，因为所有通道的行为都相似，并借助随机耦合来帮助平均光纤特性的波动”。与需要对每个内核进行单独信号处理的弱耦合 MCF 相比，“只需要最少量的数字信号处理，因此可以显着降低功耗。”

然而，独立行业观察家指出，其他研究人员已开发出多达 32 芯的非标准光纤，并在200 公里范围内实现了每秒 1 拍比特的传输速度。“新型随机耦合光纤的容量并不是那么出色。值得注意的是它使用了标准包层，”纽约罗切斯特大学的光学专家Govind Agrawal说道。

此外，Agrawal 表示，支持多种模式的弱耦合核心已经实现了超过 10 Pb/s 的容量。同样，这是使用非标准包层直径光纤，距离限制为 11.3 公里。“这种方法还需要密集的离线数字信号处理，”他补充道。

使用非标准光纤需要对现有光纤基础设施进行重新设计。另一方面，具有标准包层的 MFC 仍然与常用的光学元件、设备和系统兼容，并且可以利用现有的电缆大规模生产方法。

“我们相信 19 芯是标准包层直径光纤中可拥有的最高实用芯数或空间通道数，并且仍能保持良好的传输质量。” —Georg Rademacher，斯图加特大学

除了新电缆之外，该装置中的另一个重要元素是光学芯片，它将光引导到 MFC 的各个核心中，并在接收端收集来自核心的信号。当今大多数光学芯片都是使用类似于晶圆上标准集成电路处理的方法制造的。但这将电路限制为二维平面结构，这不适合新 MCF 的几何形状，麦格理大学光子学研究中心的研究员Simon Gross说。

为了将 MCF 与现在使用的标准 SMF 设备（包括用于收集 NICT 测试数据的传输接收器）连接起来，Gross 和他的同事开发了一种激光雕刻紧凑玻璃芯片，该芯片包含一个三维波导图案以匹配几何形状MCF 中各个核心的数量。

“我们使用激光在指甲大小的玻璃块上蚀刻波导图案，”格罗斯解释道。“波导能够将信号同时馈送到光纤的 19 个独立芯中，且损耗均匀且低。” 他补充说，蚀刻过程可以自动化，而且速度很快。“只需按一下按钮，即可在 19 芯 MCF 上刻写波导，只需不到 30 秒，但后端处理和封装将需要更长的时间。”

为了展示新型MCF的传输性能，NICT在其位于东京小金井的总部构建了一个光传输系统。采用常用的 C 和 L 波长频段以及偏振复用 64 正交幅度调制 (QAM) 信号等信号编码技术，研究人员在 63.5 公里的距离内实现了 1.7 Pb/s 的传输速率，使用标准包层光纤记录数据容量和距离。为了在接收端分离信号，离线进行MIMO数字信号处理。

该结果于今年 3 月在圣地亚哥举行的第 46 届光纤通信会议上公布。

拉德马赫表示，研究人员仍然面临的最大挑战是经济方面的挑战，而不是技术方面的挑战。“为了使这项技术实现商业化，我们需要一家公司投资几个关键部分。” 他给出的例子是用于数字信号处理的专用芯片（目前是离线完成的），以及需要合适的放大器来增强长距离信号。

阿格拉瓦尔同意。“即使对于 63.5 公里的短距离，目前的数字信号处理也需要很长时间才能实用。但随着进一步发展，这种光纤可能会在电信系统中得到应用。”