С увеличением пропускной способности и входной мощности пропускная способность одномодового оптического волокна приближается к верхнему пределу из-за влияния нелинейного предела Шеннона. Считается, что максимальная пропускная способность традиционных систем передачи по одномодовому оптоволокну (SMF) составляет около 100 Тбит/с. Этот предел определяется соотношением сигнал/шум и полосой пропускания. Хотя с помощью передовой технологии кодирования можно раскрыть больший потенциал, физические ограничения неизбежны. Оптическое волокно со сплошной сердцевиной также постепенно выявило проблемы, связанные с трудностями предоставления услуг с низкой задержкой, серьезной нелинейностью и трудностями в постоянном увеличении максимальной пропускной способности. Как увеличить пропускную способность оптоволокна, если другие направления передачи по оптоволокну не могут быть прорваны? Внедрение многожильного оптического волокна и полого оптического волокна обеспечивает решение текущих ограничений традиционного оптического волокна, стремясь преодолеть ограничения пропускной способности одномодового оптического волокна.

Что такое многоядерное волокно (MCF)?

Многосердцевинное оптическое волокно означает, что в одном оптическом волокне имеется несколько жил. Несколько сигналов могут передаваться независимо через соответствующие ядра, тем самым достигая увеличения пропускной способности системы на порядок. Это позволяет одному и тому же оптическому кабелю обеспечить в несколько раз большую полосу пропускания по сравнению с традиционным оптическим волокном без значительного увеличения физического объема.

(Одножильное волокно или многожильное волокно)

По сравнению с традиционным оптическим волокном, MCF передает несколько каналов по одному и тому же оптическому волокну, что может значительно увеличить пропускную способность для удовлетворения растущего спроса на пропускную способность в центрах обработки данных, магистральных сетях и т. д., одновременно уменьшая количество; прокладка оптического волокна и экономит ресурсы оптического волокна и пространство для установки.

В зависимости от степени связи между сердцевинами многосердцевинные волокна обычно делятся на следующие две категории: MCF с несвязанной сердцевиной (UC-MCF) и MCF со спаренной сердцевиной (CC-MCF). Расстояние между сердечниками между ними различно. Расстояние между сердечниками несвязанного многожильного волокна превышает 30 мкм, а расстояние между сердечниками соединенного многожильного волокна составляет менее 30 мкм. Расстояние между жилами означает расстояние между двумя соседними жилами волокна.

(Несвязанное многожильное волокно & Муфта Многожильное оптическое волокно)

Каждая сердцевина волокна в соединенном MCF относительно компактна, и передача сигнала между сердцевинами волокна подвержена взаимным помехам. Поэтому для обработки связи мод в системе передачи необходимо использовать цифровую обработку сигналов MIMO с несколькими входами и выходами. эффект. Между сигналами происходит связь мод, в результате чего сигналы смешиваются на приемной стороне и становятся неразличимыми. Поэтому технология MIMO-DSP используется для декодирования и восстановления принятого сигнала на приемной стороне, то есть для разделения и восстановления исходного сигнала. на каждом сердечнике волокна, гарантируя, что каждый сигнал может быть точно принят и декодирован. Аналогично, каждая сердцевина волокна в несвязанном MCF распространяет сигналы независимо и не требует обработки MIMO DSP. С точки зрения стоимости, конечно, есть надежда, что могут быть выбраны несвязанные MCF, которые не требуют обработки MIMO. Однако, когда несвязанные MCF используются для передачи на большие расстояния, они склонны к межъядерным перекрестным помехам (XT). Межъядерные перекрестные помехи являются важным параметром, на который MCF необходимо обратить внимание. Их можно определить как интерференцию магнитного поля или электрического поля одного основного сигнала с соседними основными сигналами. Поскольку в одной области оболочки имеется несколько ядер, перекрестные помехи являются важным фактором в системе. Чтобы уменьшить перекрестные помехи между ядрами, расстояние между ядрами должно быть соответствующим.

Коммерческое использование многожильного оптического волокна

В марте 2024 года японский оператор связи NTT и NEC успешно завершили «первый эксперимент по трансокеанской передаче на расстояние 7280 километров. В эксперименте использовалась технология 12-ядерного многоядерного оптоволокна для увеличения пропускной способности оптической сети в 12 раз».

В марте 2024 года Google сообщила, что сотрудничает с Nippon Electric в использовании технологии многожильного оптического волокна для создания подводной оптической кабельной системы TPU, соединяющей Тайвань, Филиппины и США. Ожидается, что она будет завершена к концу 2025 года. . Эта система является первой в мире коммерческой подводной оптической кабельной системой, использующей технологию MCF.

В 2023 году компания FiberHome Communications создала систему передачи с чистой пропускной способностью 3,61 Пбит/с на основе 19-жильного одномодового оптического волокна собственной разработки, что эквивалентно загрузке примерно 135 300 фильмов высочайшего качества за 1 секунду, обновив мировой рекорд пропускной способности одномодового многожильного оптического волокна.

Применение многожильного оптического волокна должно решить проблемы FIFO, сращивания, усиления и т. д., то есть соединения между многожильным оптическим волокном и многожильным оптическим волокном, соединения между многожильным оптическим волокном и одножильное оптическое волокно и применение многожильного оптического волокна в системе передачи с оптическим усилением. Необходимо разработать сопутствующие продукты, такие как разъемы, сварочные аппараты, устройства FIFO с входом и выходом, оптические распределительные рамы и т. д. рассмотрите совместимость и универсальность с существующими технологиями. В настоящее время в мире не существует единого стандарта проектирования многосердцевинных оптических волокон. Многосердцевинные оптические волокна различных производителей имеют некоторые различия по числу жил, расположению жил, размерам, шагу жил и т. д. сращивание различных типов многожильных оптических волокон увеличивает сложность.

Соединение многожильного оптоволокна и одножильного оптоволокна – FIFO

Применение многожильного оптического волокна (MCF) должно решить проблему соединения многожильного оптического волокна и обычного одножильного оптического волокна. Пространственные мультиплексоры/демультиплексоры, известные как устройства с разветвлением/разветвлением (FIFO), используются для эффективной передачи света от одного одномодового волокна к многожильному волокну или от многожильного волокна к одному одиночному волокну. -модовое волокно. В модовом волокне реализуется соединение между многожильным волокном и обычным одномодовым волокном. Трудность заключается в том, как обеспечить низкие перекрестные помехи между сердцевинами волокна, низкие потери в соединении и точное выравнивание муфты во время соединения. На данный момент сообщалось о различных технологиях реализации устройств FIFO, но наиболее часто используемыми технологиями являются: 1) технология плавленого сужения, 2) технология 3D-волновода и 3) оптическая технология в свободном пространстве;

Каждый из вышеперечисленных методов имеет свои преимущества, но достижение низких перекрестных помех (XT) остается сложной задачей для MCF высокой плотности с малым шагом сердечника. Например, в методе сужения плавленого конического волокна устройство FIFO может быть реализовано путем сужения пучка одномодовых волокон, но в процессе сужения диаметр модового поля (MFD) каждой сердцевины будет увеличиваться, что может повлиять на производительности устройства и вызывают значительные перекрестные помехи (XT) между соседними ядрами. При использовании метода 3D-волновода прямую фемтосекундную лазерную запись труднее реализовать в устройствах с низким XT FIFO, но преимущество этого метода заключается в том, что он может обеспечить соединение большего количества ядер. Устройства FIFO, основанные на оптике свободного пространства, имеют низкие вносимые потери и XT, что требует точного контроля точности каждого компонента и зрелых навыков оптического проектирования.

Соединения между многосердцевинными оптическими волокнами и многосердцевинными оптическими волокнами

В настоящее время многосердцевинные оптические волокна в основном соединяются методом сварки. Однако, поскольку каждое многосердцевинное оптическое волокно может иметь разное расстояние между сердцевинами, сварка плавлением означает сложную конструкцию и последующие проблемы с обслуживанием. Первым практическим оптическим разъемом для MCF стал разъем MCF типа MU, разработанный в Японии в 2012 году. Благодаря применению соединительного механизма Oldham сохраняется точность позиционирования, включая угол поворота. Его особенность заключается в том, что даже если к кабелю прилагается растягивающая нагрузка, потери на соединение не будут колебаться. В 2019 году был разработан разъем MCF типа SC, реализующий тот же принцип с упрощенной конструкцией.

Многожильный оптоволоконный гибридный компонент MCF (применяется к системе оптического усилителя EDFA)

Чтобы обеспечить большую пропускную способность, высокоскоростную передачу на большие расстояния, система передачи с технологией пространственного мультиплексирования должна полагаться на оптические усилители для компенсации потерь при передаче. Оптические усилители SDM являются ключом к практическому применению технологии SDM. Волоконные усилители, легированные эрбием (MC-EDFA), являются ключевым компонентом системы передачи SDM.

В настоящее время на рынке предлагается два метода MC-EDFA: один — это закачка из совместной оболочки, а другой — независимая закачка из керна. Совместная накачка означает, что свет накачки и сигнальный свет имеют одну и ту же площадь оболочки. Свет накачки распространяется по периферии волокна и не проходит напрямую через сердцевину волокна. Независимая сердцевинная накачка направляет свет накачки в конкретную сердцевину волокна. Благодаря этим двум методам достигается эффективное усиление сигналов в многосердцевинных оптических волокнах.

Объем рынка многоядерного оптического волокна

Согласно отчету Businessresearchinsights «ОТЧЕТ О РЫНКЕ МНОГОСЕРДЕЧНЫХ ВОЛОКОН (MCF)» за 2023 год: объем мирового рынка многожильных волокон (MCF) в 2022 году составит 1,836 миллиарда долларов США, а в 2031 году ожидается, что размер рынка достигнет 21,63265 миллиарда долларов США. , со среднегодовым темпом роста Темп роста составляет 32,3%. Основными производителями на рынке являются Furukawa Electric из Японии, Yangtze Optical Fiber and Cable из Китая, Fiberhome из Китая, iXblue из Франции, Humanetics из США, Fujikura из Японии, Sumitomo Electric из Японии и т. д. На тройку лидеров приходится более 70% доли рынка. По размеру рынка Азиатско-Тихоокеанский регион является крупнейшим рынком с долей более 65%, за ним следуют Северная Америка и Европа с долей примерно 20% и 10% соответственно. С точки зрения типа продукта, четырехжильное оптическое волокно является крупнейшим сегментом рынка, на его долю приходится около 60% доли рынка. Что касается приложений, доля рынка связи превышает 55%.

（Многожильный оптоволоконный MCFРазмер рынка）

（Многожильный оптоволоконный MCFдоля рынка-По количеству ядер）

Что такое полые волокна (HCF)?

Оптическое волокно с полой сердцевиной отличается от традиционного оптического волокна с цельным стеклянным или пластиковым сердечником тем, что оно полое внутри и может быть заполнено воздухом, инертным газом или вакуумом. Этот уникальный метод структурного проектирования существенно меняет характеристики распространения света в волокне, давая ему многочисленные преимущества в производительности по сравнению с традиционным волокном с твердым стекловолокном. Поскольку свет в воздухе распространяется быстрее, чем в стекле, полое волокно имеет меньшую задержку и меньшие потери, чем традиционное оптическое волокно. Microsoft Lumenisity утверждает, что скорость света ее полого волокна на 47% выше, чем у стандартного кварцевого стекла. Кроме того, оптическое волокно с полой сердцевиной не поглощает свет и может легко поддерживать свет в нескольких диапазонах волн, таких как O, S, E, C, L и U.

Волокно с полой сердцевиной, как и традиционное волокно со стеклянной сердцевиной, состоит из трех частей: сердцевины, оболочки и покрытия. Основное отличие заключается в сердцевине и оболочке. Сердцевиной полого волокна является воздух, а оболочка спроектирована на основе микроструктуры, обычно состоящей из ряда крошечных отверстий для воздуха, расположенных в виде сот. Когда свет падает на границу раздела сердечника и оболочки, он сильно рассеивается периодически расположенными воздушными отверстиями в оболочке. Это многократное рассеяние создает когерентность, позволяя световым волнам, имеющим определенные длины волн и углы падения, возвращаться к ядру и продолжать распространяться. Функция микроструктуры заключается в связывании оптического сигнала для распространения в сердцевине волокна. Характеристики полого волокна в основном определяются микроструктурой.

(Структура полого волокна)

Поскольку свет распространяется в воздухе, полое оптическое волокно уменьшает преломление света в среде, тем самым значительно уменьшая задержку передачи. Потери сигнала в полом оптическом волокне значительно ниже, чем в традиционном оптическом волокне, что делает его пригодным для передачи на сверхдальние расстояния и снижает потребность в усилителях сигнала. Оптическое волокно с полой сердцевиной значительно снижает нелинейные эффекты (такие как фазовая самомодуляция внутри оптического волокна) во время оптической передачи высокой мощности, что делает его имеющим широкие перспективы применения в передаче мощных лазеров и квантовой связи.

Волокна с полой сердцевиной можно просто разделить на следующие две категории в зависимости от конструкции их микроструктуры и принципов работы: фотонная запрещенная зона HCF, PBG-HCF и антирезонансная HCF, AR-HCF). Разработка оптических волокон с полой сердцевиной также в основном прошла процесс эволюции от оптических волокон с фотонной запрещенной зоной к антирезонансным оптическим волокнам.

(Полое волокно с фотонной запрещенной зоной & Антирезонансное полое волокно)

Фотонная запрещенная зона с полым сердечником основана на фотонно-кристаллической структуре оболочки волокна, образующей фотонную запрещенную зону и ограничивающую распространение световых лучей в сердцевине полого волокна. Разница в показателе преломления фотонного кристалла позволяет лучу света распространяться только в сердцевине и не просачиваться в оболочку. Однако эта структура склонна к потерям. По прогнозам, потери составляют около 4 д Б на километр, что ограничивает ее использование в сетях дальней связи.

Антирезонансные волокна с полой сердцевиной работают путем когерентного отражения света вперед и назад между трубчатыми стеклянными пленками внутри волокна, удерживая свет вблизи воздушного сердечника и передавая его вдоль оси. Принцип антирезонанса относительно сложен, и некоторые говорят, что он похож на интерференцию тонких пленок. Этот тип оптического волокна использует принцип антирезонансного отражения и образует сложную микроструктуру за счет специальной конструкции, например, создания нескольких слоев специально расположенных капилляров. Эта структура предотвращает полное отражение света во время передачи и в то же время предотвращает полное отражение света. Гнездовая структура капилляров Это позволяет значительно снизить затухание полого волокна.

Коммерческое использование полого оптического волокна

В июне 2024 года YOFC помогла компаниям China Mobile и China Telecom создать первую в мире испытательную сеть для технологии передачи по полому оптоволоконному кабелю 800G (Шэньчжэнь, Гуандун-Дунгуань) и первую в мире одноволновую сеть с полым сердечником 1,2 Тл и одностороннюю связь более 100 Тл. система кабельной передачи. Демонстрация сети в реальном времени.

В феврале 2024 года Lyntia, Nokia, Furukawa и Interxio совместно экспериментировали с полым оптическим волокном, что позволило сократить задержку более чем на 30% по сравнению с одномодовым оптическим волокном, увеличить скорость оптической передачи почти на 46% и значительно снизить нелинейные эффекты. Демо-версия на месте составляла 800 Гбит/с и 1,2 Тбит/с, что потенциально может преодолеть предел Шеннона.

В 2022 году компания Lumenisity Limited (приобретенная Microsoft), дочерняя компания Саутгемптонского университета, выпустила новое поколение полого оптического волокна DNANF®. Компания заявляет, что эта технология имеет самое низкое затухание среди всех полых волокон, зарегистрированных на сегодняшний день, и превосходит затухание традиционного одномодового волокна, легированного германием (SMF) в O- и C-диапазонах.

В 2022 году Comcast заключила партнерское соглашение с поставщиком оптоволокна Lumenisity для развертывания 40-километровой гибридной воздушной и традиционной оптоволоконной линии связи в Филадельфии.

BT начала испытания технологии Lumenisity в июне 2021 года и будет использовать ее для развертывания мобильных сетей. В сентябре того же года компания снова сотрудничала с Lumenisity, чтобы опробовать квантовое распределение ключей по полому волокну в целях повышения безопасности.

Применение полого оптического волокна должно решить такие проблемы, как улучшение процесса подготовки оптоволоконного кабеля, снижение потерь и стоимости оптического кабеля, а также улучшение возможностей серийной поставки.

Ситуация на рынке полого оптического волокна

Согласно данным «ОТЧЕТА О РЫНКЕ ПОЛОГО ВОЛОКНА» за 2023 год, проведенного Businessresearchinsights: объем мирового рынка полого оптического волокна в 2022 году составит 13 миллионов долларов США, а в 2029 году ожидается, что размер рынка достигнет 19 миллионов долларов США при совокупном ежегодном росте. в течение прогнозируемого периода на уровне 6,6%. Основными производителями являются датская NKT Photonics и британская Lumenisity.

(Объем рынка MCF полых волокон)

(Доля рынка MCF с полым сердечником - по количеству жил)

Многожильное оптическое волокно и оптическое волокно с полой сердцевиной представляют собой будущее направление технологии оптоволоконной связи. MCF преодолевает физические ограничения традиционных оптических волокон, улучшая пропускную способность одного оптического кабеля, а HCF предоставляет новую возможность высокоскоростной передачи с малой задержкой благодаря инновационной полой структуре. Хотя эти две технологии имеют разные процессы вывода на рынок и сценарии применения, они обе указывают на общую цель – более эффективные и быстрые сети оптической связи. Ожидается, что в будущем MCF и HCF будут широко использоваться во всем мире, что поднимет индустрию оптической связи на новую высоту.