In einer Zeit, die durch exponentielles Datenwachstum gekennzeichnet ist, war die Nachfrage nach höheren Übertragungskapazitäten in optischen Netzwerken noch nie so akut. Während Standard-Single-Mode-Fasern (SMFs) seit Jahrzehnten als Rückgrat der globalen Kommunikation dienen, haben ihre grundlegenden Bandbreitenbeschränkungen intensive Forschungen zu Weltraummultiplex-Technologien (SDM) angeregt. Zu den vielversprechendsten SDM-Kandidaten gehören Multi-Core-Fasern (MCFs) und wenige Mode-Fasern (FMFs). Diese beiden Glasfaserarchitekturen bieten komplementäre Wege zur Überwindung der Shannon-Kapazitätsgrenze durch Einbeziehung der räumlichen Dimension der Glasfaser. Dieser Artikel bietet einen maßgeblichen, produktionsbereiten Überblick über die jüngsten Entwicklungen sowohl in MCF- als auch in FMF-Technologien, wobei der Schwerpunkt darauf liegt, wie sie entwickelt werden, um dramatische Kapazitätsverbesserungen für Rechenzentren, Fernstreckenverbindungen und zukünftige Internetinfrastruktur zu liefern.

Was sind Multi-Core und Few-Mode Fasern?

Um die Bedeutung der jüngsten Fortschritte zu schätzen, ist es wichtig, die grundlegenden Funktionsprinzipien von MCFs und FMFs zu verstehen und wie sie sich von herkömmlichen Single-Mode-Fasern unterscheiden.

Multikernfasern (MCF)

Eine Mehrkernfaser enthält mehrere unabhängige Kerne, die in einem gemeinsamen Mantel eingebettet sind. Jeder Kern fungiert als separater Wellenleiter, der einen einzelnen Modus unterstützt (oder gelegentlich einige Modi). Durch die Übertragung von Daten durch mehrere Kerne parallel, multiplizieren MCFs die Gesamtkapazität mit der Anzahl der Kerne, wodurch effektiv parallele Faserkanäle in einem einzelnen Strang implementiert werden. Die größte Herausforderung beim MCF-Design besteht darin, das Crosstalk zwischen benachbarten Kernen zu minimieren und gleichzeitig einen geringen Verlust und Kompatibilität mit Standard-Herstellungsprozessen zu gewährleisten. Frühe MCF-Designs litten unter hohen Inter-Core-Interferenzen, aber die jüngsten Innovationen in der Kernanordnung, grabengestützten Indexprofilen und heterogenen Kernabstand haben das Crosstalk dramatisch auf ein für praktische Übertragungssysteme akzeptables Niveau reduziert.

Faserarten (FMF)

Im Gegensatz zu MCFs verbreiten wenige Modenfasern eine begrenzte Anzahl räumlicher Modi (normalerweise 2 bis 10) innerhalb eines einzelnen Kerns mit größerem Durchmesser. Durch die Verwendung von Modenmultiplexen (MDM) kann jeder Modus einen unabhängigen Datenstrom übertragen. FMFs sind mit bestehenden kohärenten Detektions- und digitalen Signalverarbeitungstechniken (DSP) kompatibel, so dass Modenmultiplexen angewendet werden kann, ohne dass eine völlig neue Glasfaserinfrastruktur erforderlich ist. FMFs stellen jedoch Herausforderungen wie mode-Kopplung, differential mode delay (DMD) und modeabhängiger Verlust (MDL) dar. Die jüngsten Arbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung von FMFs mit gut getrennten, übergreifenden Modi und Engineering-Mode-Multiplexern, die die Modi am Sender und Empfänger effizient kombinieren und trennen.

Sowohl MCFs als auch FMFs stellen einen grundlegenden Wechsel vom Einkanalparadigma zu einem räumlichen Diversitätsansatz dar. Sie werden oft als komplementär angesehen: MCFs zeichnen sich durch parallele Verbindungen mit hoher Dichte aus (z. B. Rechenzentrumsverbindungen), während FMFs sich besser für die Langstreckenübertragung eignen, bei der eine moderate Anzahl von Modi mit fortschrittlichem DSP gemultiplext werden kann. Eine dritte Kategorie, few-mode Multi-Core-Fasern (FM-MCFs), kombiniert beide Konzepte für noch höhere Kapazitäten, aber dieser Artikel wird sich auf die Kerntechnologien einzeln konzentrieren.

Neuere Entwicklungen bei Multi-Core Fibers

In den vergangenen fünf Jahren wurden bemerkenswerte Fortschritte bei der Entwicklung, Herstellung und Systemdemonstration von MCF erzielt. Die Forscher haben drei Hauptbereiche ins Visier genommen: Crosstalk-Reduktion, Skalierbarkeit in der Fertigung und die Entwicklung neuartiger Materialien und Strukturen.

Crosstalk-Reduktion durch Core Design

Crosstalk zwischen benachbarten Kernen bleibt die kritischste Performance-Metrik für MCFs. Mehrere Strategien haben sich als effektiv erwiesen:

  • Trench-unterstützte Profile — Das Drücken des Brechungsindex in einem Graben um jeden Kern reduziert die Überlappung des Evaneszenzfeldes erheblich. Neuere Designs erreichen ein Übersprechen unter -40 dB nach 100 km Ausbreitung für 125-μm-verhüllende Fasern mit 7 bis 19 Kernen.
  • Heterogene Kern-Arrays — Durch Variation des Kern-zu-Kern-Abstands, des Brechungsindex oder sogar des Kerndurchmessers über die Faser können resonante Kopplungsbedingungen vermieden werden. Diese Technik hat MCFs mit bis zu 37 Kernen in einem Standard-Kleidungsdurchmesser ermöglicht, wobei die Übersprechstrafen niedrig genug für eine 100-Gbaud-Übertragung sind.
  • Mehrringkernanordnungen — Es hat sich gezeigt, dass die Anordnung von Kernen in konzentrischen Ringen mit optimierter Winkeltrennung das Übersprechen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer guten räumlichen Packungsdichte reduziert. Simulationen und Experimente von Gruppen bei OSA Optics Express und Nature Scientific Reports zeigen, dass 19-Core-Ring-Arrays ein Übersprechen unter -30 dB bei 1550 nm erreichen können.

Fortschritte bei der Herstellung und Kabelkompatibilität

Frühe MCF-Prototypen wurden im Labor von Hand montiert, aber die jüngsten Entwicklungen konzentrierten sich auf skalierbare, wiederholbare Produktionsprozesse.

  • Stack-and-Draw — Diese Methode, die ursprünglich für photonische Kristallfasern entwickelt wurde, wurde verfeinert, um mehrere Vorformlinge vor dem Ziehen präzise zu positionieren.
  • Mehrstufige Lösungsdotierung — Um die komplexen Brechungsindexvariationen zu erreichen, die für grabengestützte oder gradierte Indexkerne benötigt werden, haben Forscher Dotierungstechniken entwickelt, die Germanium, Phosphor und Fluor verwenden. Diese Materialien können in Schichten während der Sol-Gel- oder Dampfphasenabscheidungsschritte aufgebracht werden.
  • Hochfeste Beschichtungen — MCFs müssen mit der Standardkabelherstellung, einschließlich Biegen und Installation, kompatibel sein. Neue Zweischichtacrylat- und Kohlenstoffbeschichtungen wurden demonstriert, die selbst für 19-Core-Fasern mit 125-μm-Beschichtung einen geringen Mikrobiegeverlust aufweisen.

Neue Materialien und Verbundstrukturen

Neben silikabasierten MCF erforschen Forscher neue Materialplattformen:

  • Fluorin-dotierte Umhüllung — Die Senkung des Umhüllungsindexes im Vergleich zur reinen Silica-Umhüllung reduziert den Leckverlust und ermöglicht es, mehr Kerne ohne erhöhtes Übersprechen zu verpacken.
  • Hollow-Core-Multi-Core-Fasern - Ein neuartiges Konzept, bei dem ein Hohlkern verwendet wird, der von einer photonischen Bandlückenverkleidung umgeben ist, kann Licht mit extrem geringer Nichtlinearität und Latenz führen. Die Kombination mehrerer Hohlkerne in einer einzigen Faser befindet sich in einem frühen Forschungsstadium, verspricht jedoch eine sehr hohe Kapazität für Rechenzentrumsverbindungen, bei denen die Latenz entscheidend ist.
  • Polymer-Lichtleitfasern (POFs) als MCFs — Für Anwendungen mit kurzer Reichweite bieten Multi-Core-Polymerfasern kostengünstige, biegsame Alternativen. Aktuelle Demonstrationen bei IEEE Photonics Technology Letters zeigen 4-Core-POFs mit einer Kapazität von 10-Gbps pro Kern über 100 m.

Systemnachweise und Aufzeichnungsübermittlung

Mehrere wegweisende Experimente haben das Potenzial von MCFs für reale Systeme validiert:

  • Im Jahr 2023 demonstrierten NTT und Corning einen 19-Core-MCF, der 1,2 Pbps über 2000 km mit Weltraummultiplexing mit fortschrittlichen Modulationsformaten unterstützte.
  • Eine 37-Core-Faser von Toshiba erreichte eine Gesamtkapazität von 3,5 Pbps in einer Laborumgebung, jedoch mit einer kürzeren Reichweite aufgrund eines erhöhten Übersprechens.
  • Für Rechenzentrumsanwendungen wurden 7-Core-Fan-in-/Fan-out-Geräte kommerzialisiert, was eine direkte Integration mit bestehenden Transceivern ermöglicht.

Fortschritte bei den wenigen Moden der Fasertechnologien

Auch bei den Modensteuerungen, dem Multiplexer-Design und der DSP-Kompensation sind nur wenige Modenfasern deutlich vorangekommen: Ziel ist es, MDM-Systeme zu realisieren, die sowohl energieeffizient als auch kompatibel mit bestehenden Single-Mode-Komponenten sind.

Mode Control und Fiber Design

Ein idealer FMF unterstützt eine Reihe von orthogonalen Modi mit minimaler Kopplung und gut kontrolliertem DMD. Zu den jüngsten Design-Fortschritten gehören:

  • Graded-Index-Kerne - Parabolische Brechungsindexprofile können Gruppengeschwindigkeiten zwischen den LP-Moden ausgleichen und DMD drastisch reduzieren. Zum Beispiel kann ein abgestufter Index-FMF, der LP01, LP11 und LP21-Moden unterstützt, DMD unter 10 ps / km erreichen.
  • Ring-Core-FMFs — Durch die Beschränkung der höheren Modi auf ringförmige Regionen unterdrücken Ring-Core-Designs die Kopplung und vereinfachen das Demultiplexing.
  • Inverse-Parabolic-Profile — Die Anpassung der Indexform, um den Walk-off zwischen den Modi zu minimieren, hat DMD-Werte von nur 2 ps / km für einen 4-Mode-FMF ermöglicht.

Multiplexer und Demultiplexer

Die effiziente Kombination und Trennung von Modi ist eine entscheidende Komponente jedes MDM-Systems.

  • Photonische Laternen – Diese Geräte koppeln adiabatisch ein Bündel von Single-Mode-Fasern in einen einzigen, wenigen Moden-Wellenleiter. Aktuelle photonische Laternendesigns erreichen ein Extinktionsverhältnis von 20 dB für bis zu 6 Modi.
  • Integrierte planare Lichtwellenschaltungen (PLCs) – Mithilfe von Silizium- oder Siliziumnitridplattformen haben Forscher Richtkoppler hergestellt, die selektiv bestimmte LP-Modi anregen können. Ein 3-Mode-PLC-Demultiplexer demonstrierte bei Optica erreichte einen Verlust von 0,5 dB und eine Übersprechunterdrückung von 25 dB.
  • Freiraumgitterkoppler — Für Laboraufbauten können Freiraumoptiken mit räumlichen Lichtmodulatoren oder diffraktiven optischen Elementen beliebige Modenmuster erzeugen. Diese bleiben meist experimentell, waren aber für die Erprobung neuer FMF-Designs von entscheidender Bedeutung.

Digitale Signalverarbeitung (DSP) für Mode Recovery

Selbst bei gut konzipierten Fasern erfordern Restmodenkopplung und DMD einen DSP-basierten Ausgleich.

  • Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Equalization - Standard MIMO-DSP Algorithmen, ähnlich denen, die in drahtlosen Systemen verwendet werden, können gemischte Modi trennen.
  • Machine Learning Approaches — Neuronale Netzwerke, die trainiert wurden, um Modenverzerrungsmuster zu erkennen, verbessern nachweislich die Leistung von MIMO‐DSP unter nichtlinearen Beeinträchtigungen. Ein 2024 erschienener Artikel im Journal of Lightwave Technology berichtete über eine Verbesserung des Q‐Faktors um 2 dB unter Verwendung eines konvolutionalen neuronalen Netzwerk-Equalizers.
  • Adaptives Tracking — Schnell variierende Modenkopplungsbedingungen (z. B. aufgrund von Faserbewegungen) erfordern einen adaptiven Ausgleich. Neue Algorithmen, die auf rekursiven kleinsten Quadraten basieren, können Änderungen mit Mikrosekunden-Konvergenzzeiten verfolgen.

Forscher haben mehrere Rekord-FMF-Übertragungen demonstriert:

  • Ein 6-Mode-FMF wurde verwendet, um 1,4 Pbps auf 74,8 km mit 4-D MIMO und 256-QAM zu erreichen.
  • Für Unterwasserverbindungen wurde ein 8-Mode-FMF mit extrem geringem Verlust (0,18 dB/km) entwickelt, der in Simulationen 5 Tbps pro Modus über transatlantische Entfernungen ermöglicht.
  • In Rechenzentrumsumgebungen wurde ein 2-Mode-FMF (LP01 und LP11) mit kostengünstigen VCSELs für Kurzstreckenverbindungen mit 100 GB/s integriert, wodurch die Anzahl der benötigten Fasern reduziert wurde.

Auswirkungen auf die Netzkapazität und Zukunftsaussichten

Der kombinierte Fortschritt bei den MCF- und FMF-Technologien wird die optische Vernetzung verändern. In diesem Abschnitt werden die Kapazitätsvorteile für verschiedene Marktsegmente untersucht und die wichtigsten Forschungsrichtungen für das nächste Jahrzehnt skizziert.

Data Center Interconnects (DCIs)

Aktuelle DCI-Verbindungen setzen auf parallele Single-Mode-Fasern, aber MCFs bieten einen Weg, die Faserzahl zu reduzieren und gleichzeitig die aggregierte Bandbreite zu erhöhen. Ein 7-Core-MCF kann 7 separate Fasern ersetzen, was das Kabelmanagement und den Platz im Rack vereinfacht. Für Intra-Data-Center-Verbindungen von wenigen hundert Metern werden bereits MCFs mit Fan-in-/Fan-out-Geräten eingesetzt. MCFs der nächsten Generation mit 19 Kernen und Multimode-Cores könnten Dutzende von Tbps pro Strang liefern. Inzwischen können FMFs mit kostengünstigen Modemultiplexern 400-Gbps bis 1-Tbps-Verbindungen ermöglichen, die nur zwei räumliche Modi anstelle von vier Fasern verwenden.

Langstrecken- und U-Boot-Systeme

Langstreckensysteme profitieren am meisten von der Kapazitätsskalierung, die von SDM angeboten wird. MCFs mit extrem niedrigem Übersprechen und geringem Verlust (etwa mit Standard-SMF) sind Kandidaten für Unterwasserkabel der nächsten Generation. Ein 19-Core-MCF kann die Kapazität eines Unterwasserkabels möglicherweise um den Faktor 5-10 erhöhen, ohne den Kabeldurchmesser zu erhöhen. Ebenso können FMFs in Kombination mit MIMO-DSP die Kapazität bestehender terrestrischer Verbindungen vervierfachen, indem sie die Modi LP01, LP11a, LP11b und LP21 verwenden. Die größte Herausforderung bleibt die Entwicklung zuverlässiger Fan-in-/Fan-out- und Verstärkertechnologien, die über mehrere Kerne oder Modi hinweg funktionieren.

Nature Photonics hat kürzlich die neuesten Verstärkerdesigns überprüft, die gleichzeitig alle Kerne oder Modi mit einer Ebenheit von 1 dB verstärken können.

Integration mit bestehender Infrastruktur

Eine der größten Hürden für SDM ist die Abwärtskompatibilität. MCFs erfordern neue Steckverbinder, Spleiße und Testgeräte. Die jüngsten Standardisierungsbemühungen der International Telecommunication Union (ITU‐T) und der Telecommunications Industry Association (TIA) definieren jedoch Geometrie- und Leistungsspezifikationen für 7‐Core- und 19‐Core-MCFs. FMFs können leichter mit vorhandenen Single‐Mode-Optiken mit Modenwandlern am Transceiver umgehen, aber die Notwendigkeit von MIMO‐DSP erhöht die Komplexität. Mehrere Telekommunikationsanbieter haben Prototypen angekündigt Leitungskarten, die 2‐Mode-MDM für 800‐Gbps-Verbindungen unterstützen.

Emerging Concepts: SDM mit AI und Quantum

Mit Blick auf die Zukunft wird künstliche Intelligenz eingesetzt, um Kern- und Modenzuweisungen dynamisch zu optimieren. Ein KI-gesteuertes MCF-Netzwerk könnte Kerne in Echtzeit verschiedenen Verkehrsklassen (z. B. niedrige Latenz vs. hoher Durchsatz) zuweisen. Zusätzlich werden nur wenige Modenfasern für die Quantenschlüsselverteilung (QKD) erforscht, da verschiedene Modi unabhängige Quantensignale ohne Störungen übertragen können. Jüngste Experimente mit 4-Mode-FMF zeigten QKD über 300 km mit geheimen Schlüsselraten von mehr als 100 kbps und ebneten den Weg für quantensichere SDM-Netzwerke.

Herausforderungen und offene Forschungsfragen

Trotz der Dynamik bleiben mehrere Herausforderungen bestehen:

  • Kosten und Ertrag — Die Herstellung von MCFs mit präzisen Kerngeometrien zu geringen Kosten ist immer noch schwierig. Insbesondere die Ausbeute von 37 Kernfasern bleibt unter 50%.
  • Nichtlineares Crosstalk — In MCFs kann die Inter-Core-Vierwellenmischung die Leistung bei hohen Startleistungen beeinträchtigen. Neue Faserdesigns mit reduzierter Kernüberlappung sind erforderlich.
  • Modusabhängiger Verlust und Gewinn - In FMFs haben optische Verstärker oft unterschiedliche Gewinne für verschiedene Modi. Gain-equalisierte Verstärker sind ein aktives Forschungsgebiet.
  • Systemintegration – Die Migration von Proof-of-Concept-Experimenten zu feldtauglichen Systemen erfordert robuste Verpackung, thermische Stabilität und felderprobte DSP-Algorithmen.

Schlussfolgerung

Mehrkern- und wenige Modenfasern stellen zwei der vielversprechendsten Wege dar, um die Kapazität optischer Kommunikationsnetze dramatisch zu erhöhen. Die jüngsten Entwicklungen in den Bereichen Crosstalk-Reduktion, Fertigungsskalierbarkeit, Modensteuerung und DSP haben diese Technologien der kommerziellen Realität näher gebracht. MCFs werden bereits in ausgewählten Rechenzentren und Kurzstreckenanwendungen eingesetzt, während FMFs Feldversuche für Langstreckennetze durchlaufen. Mit fortgesetzten Investitionen in Materialwissenschaften, Photonikintegration und Systemtechnik wird erwartet, dass sowohl MCFs als auch FMFs eine zentrale Rolle bei der Erfüllung des unersättlichen Bandbreitenbedarfs der Welt bis weit in die 2030er Jahre spielen. Netzbetreiber, Gerätehersteller und Forscher müssen zusammenarbeiten, um die verbleibenden Hürden zu überwinden und das volle Potenzial des räumlichen Multiplexings zu erschließen.