Разработка многоядерных и малорежимных волоконных технологий для повышения потенциала

В эпоху, определяемую экспоненциальным ростом данных, спрос на более высокую пропускную способность в оптических сетях никогда не был более острым. В то время как стандартные одномодовые волокна (SMF) служили основой глобальных коммуникаций в течение десятилетий, их фундаментальные ограничения пропускной способности стимулировали интенсивные исследования в области технологий мультиплексирования космического подразделения (SDM). Среди наиболее перспективных кандидатов SDM - многоядерные волокна (MCF) и волокна с несколькими режимами (FMF). Эти две волоконные архитектуры предлагают дополнительные пути для преодоления предела пропускной способности Shannon, привлекая пространственное измерение волокна. Эта статья предоставляет авторитетный, готовый к производству обзор последних разработок как в технологиях MCF, так и в технологиях FMF, фокусируясь на том, как они разрабатываются для обеспечения значительного увеличения пропускной способности для центров обработки данных, дальнемагистральных соединений и будущей интернет-инфраструктуры.

Что такое многоядерные и малорежимные волокна?

Чтобы оценить значимость последних достижений, важно понять основные принципы работы MCF и FMF и то, как они отличаются от обычных однорежимных волокон.

Многоядерные волокна (MCFs)

Многоядерное волокно содержит несколько независимых ядер, встроенных в общую облицовку. Каждое ядро действует как отдельный волновод, поддерживая один режим (или иногда несколько режимов). Путем параллельной передачи данных через несколько ядер MCF умножают совокупную емкость на количество ядер, эффективно реализуя параллельные волоконные каналы в одной цепи. Ключевая задача в конструкции MCF заключается в минимизации перекрестного стеблеобразования между соседними ядрами при сохранении низких потерь и совместимости со стандартными производственными процессами. Ранние конструкции MCF страдали от высоких межядерных помех, но недавние инновации в расположении ядра, профилях с окопами и гетерогенных межядерных интервалах резко сократили перекрестное скрещивание до уровней, приемлемых для практических систем передачи.

Few-Mode Fibers (FMFs)

В отличие от MCF, волокна нескольких режимов распространяют ограниченное количество пространственных режимов (обычно от 2 до 10) в пределах одного ядра большего диаметра. Используя мультиплексирование с разделением режимов (MDM), каждый режим может нести независимый поток данных. FMF совместимы с существующими методами когерентного обнаружения и цифровой обработки сигналов (DSP), что позволяет применять мультиплексирование режимов без необходимости полностью новой волоконной инфраструктуры. Однако FMF вводят такие проблемы, как , , дифференциальная задержка режима (DMD) и , зависящие от режима потери (MDL) . Последние работы были сосредоточены на разработке FMF с хорошо разделенными, низкопереходными режимами и мультиплексорами инженерного режима, которые эффективно объединяют и разделяют режимы на передатчике и приемнике.

И MCF, и FMF представляют собой фундаментальный переход от одноканальной парадигмы к подходу пространственного разнообразия. Они часто рассматриваются как взаимодополняющие: MCF превосходят параллельные связи высокой плотности (например, межсоединения центров обработки данных), в то время как FMF больше подходят для передачи на дальние расстояния, где умеренное количество режимов может быть мультиплексировано с продвинутым DSP. Третья категория, , объединяет обе концепции для еще более высокой емкости, но эта статья будет сосредоточена на основных технологиях по отдельности.

Последние события в многоядерных волокнах

За последние пять лет был достигнут значительный прогресс в разработке, изготовлении и демонстрации систем MCF. Исследователи сосредоточились на трех основных областях: сокращение перекрестных контактов, масштабируемость производства и разработка новых материалов и конструкций.

Сокращение перекрестных контактов через основной дизайн

Перекрестные контакты между соседними ядрами остаются наиболее важной метрикой эффективности для MCF. Несколько стратегий доказали свою эффективность:

  • Профили с окопной стойкой — Уменьшение показателя преломления в траншее вокруг каждого ядра значительно снижает перекрытие пролетающего поля. Последние конструкции достигают перекрестного сцепления ниже −40 дБ после 100 км распространения для волокон, облицованных 125 мкм, с 7 до 19 ядрами.
  • Гетерогенные матрицы ядер — Изменяя расстояние между ядром, показатель преломления или даже диаметр ядра по волокну, можно избежать резонансных условий сцепления. Этот метод позволил MCF с до 37 ядер в стандартном диаметре облицовки, с перекрестными штрафами достаточно низкими для передачи 100-Gbaud.
  • Многокольцевые схемы ядер — Было показано, что расположение ядер в концентрических кольцах с оптимизированным угловым разделением уменьшает перекрестное скрещивание при сохранении хорошей пространственной плотности упаковки. Моделирование и эксперименты из групп в OSA Optics Express и Nature Scientific Reports демонстрируют, что 19-ядерные кольцевые массивы могут достигать перекрестного скрещивания ниже −30 дБ при 1550 нм.

Производственные достижения и совместимость кабелей

Ранние прототипы MCF были собраны вручную в лабораторных условиях, но последние разработки были сосредоточены на масштабируемых, повторяемых производственных процессах.

  • Стек-и-рисунок — Этот метод, первоначально разработанный для фотонных кристаллических волокон, был усовершенствован для точного позиционирования нескольких преформ перед рисованием. Он позволяет жестко контролировать расстояния от ядра до ядра и профили индексов.
  • Многоступенчатый допинг раствора — Для достижения сложных вариаций показателя преломления, необходимых для ядер с окопной или градуированной индексацией, исследователи разработали допинговые методы с использованием германия, фосфора и фтора. Эти материалы могут быть применены слоями во время стадий осаждения соляного геля или парофазной фазы.
  • Высокопрочные покрытия — MCF должны быть совместимы со стандартным изготовлением кабеля, включая изгиб и установку. Были продемонстрированы новые акрилаты с двойным покрытием и углеродные покрытия, которые поддерживают низкую потерю микроизгиба даже для 19-ядерных волокон с облицовкой 125 мкм.

Новые материалы и композитные структуры

Помимо MCF на основе кремнезема, исследователи изучают новые материальные платформы:

  • Фторсодержащая облицовка — Снижение индекса облицовки относительно чистой облицовки кремнеземом уменьшает потерю утечки и позволяет упаковывать больше ядер без увеличения перекрестного помех.
  • Холлоу-ядерные многоядерные волокна — Новая концепция с использованием полого ядра, окруженного фотонной облицовкой с пропускной способностью, может направлять свет с чрезвычайно низкой нелинейностью и задержкой. Объединение нескольких полых ядер в одном волокне находится на ранних стадиях исследований, но обещает очень высокую пропускную способность для каналов центров обработки данных, где задержка имеет решающее значение.
  • Полимеровые оптические волокна (POF) в качестве MCFs — Для приложений с коротким охватом многоядерные полимерные волокна предлагают недорогие, устойчивые к изгибу альтернативы. Недавние демонстрации на IEEE Photonics Technology Letters показывают 4-ядерные POF, способные развивать 10 Гбит/с на ядро более 100 м.

Системные демонстрации и передача записей

Несколько знаковых экспериментов подтвердили потенциал MCF для реальных систем:

  • В 2023 году NTT и Corning продемонстрировали 19-ядерный MCF с поддержкой 1,2 Пбит/с на протяжении 2000 км с использованием мультиплексирования с пространственным разделением с расширенными форматами модуляции.
  • 37-ядерное волокно от Toshiba достигло совокупной емкости 3,5 Pbps в лабораторных условиях, хотя и с более короткой досягаемостью из-за увеличения перекрестного скрещивания.
  • Для приложений центров обработки данных были коммерциализированы 7-ядерные устройства вентилятора / выключателя, что позволяет напрямую интегрироваться с существующими приемопередатчиками.

Достижения в технологиях маломодового волокна

Немногие модные волокна также добились значительного прогресса, особенно в управлении режимом, конструкции мультиплексора и компенсации DSP. Цель состоит в том, чтобы реализовать системы MDM, которые являются энергоэффективными и совместимыми с существующими компонентами одного режима.

Управление режимом и дизайн волокна

Идеальный FMF поддерживает набор ортогональных режимов с минимальной связью и хорошо контролируемым DMD.

  • Ядра с заградительным индексом — Профили параболических индексов преломления могут выравнивать скорости групп среди режимов LP, резко снижая DMD. Например, режимы FMF с градуированным индексом FMF, поддерживающие режимы LP01, LP11 и LP21, могут достигать DMD ниже 10 пс/км.
  • Кольцевые FMF — Ограничивая режимы более высокого порядка кольцевыми областями, кольцевые конструкции подавляют связь режимов и упрощают демультиплексирование. Этот подход использовался для создания FMF с до 6 группами режимов.
  • Обратно-параболические профили — Приведение в соответствие формы индекса для минимизации разрыва между режимами позволило использовать значения DMD до 2 пс/км для 4-режимного FMF.

Мультиплексоры и демультиплексоры

Эффективное объединение и разделение режимов является критическим компонентом любой системы MDM.

  • Фотонные фонари — Эти устройства адиабатически связывают пучок однорежимных волокон в один волновод с несколькими режимами. Последние фотонные фонари достигают <1 dB insertion loss and >20 dB режима вымирания для до 6 режимов.
  • Интегрированные плоские световые цепи (PLC) — Используя платформы кремнезема или кремния-нитрида, исследователи изготовили направленные соединители, которые могут избирательно возбуждать определенные режимы LP. Демультиплексор 3-режимного PLC, продемонстрированный на Optica , достиг 0,5 дБ потери и подавления перекрестных сцеплений 25 дБ.
  • Свободно-пространственные решетки — Для лабораторных установок оптика свободного пространства с использованием пространственных модуляторов света или дифракционных оптических элементов может генерировать произвольные модели режимов. Они остаются в основном экспериментальными, но имеют решающее значение для тестирования новых конструкций FMF.

Цифровая обработка сигналов (DSP) для восстановления режима

Даже при наличии хорошо спроектированных волокон для соединения в остаточном режиме и DMD требуется выравнивание на основе DSP.

  • Уравнение многократного ввода-вывода (MIMO) — Стандартные алгоритмы MIMO-DSP, аналогичные тем, которые используются в беспроводных системах, могут разделять смешанные режимы.В последних демонстрациях использовался 6×6 MIMO с модуляцией 64-QAM для передачи 1 Тбит/с на 400 км FMF.
  • Подходы к машинному обучению — Нейронные сети, обученные распознавать модели искажений режима, улучшают производительность MIMO-DSP при нелинейных нарушениях. В статье 2024 года в Журнале технологии световых волн сообщалось об улучшении Q-фактора на 2 дБ с использованием сверточного эквалайзера нейронной сети.
  • Адаптивное отслеживание — Быстро меняющиеся условия соединения режимов (например, из-за движения волокна) требуют адаптивного выравнивания.Новые алгоритмы, основанные на рекурсивных наименьших квадратах, могут отслеживать изменения с микросекундными временами сходимости.

FMF в ссылках на дальние расстояния и дата-центры

Исследователи продемонстрировали несколько рекордных передач FMF:

  • 6-режимный FMF использовался для достижения 1,4 Pbps на 74,8 км с использованием 4-D MIMO и 256-QAM.
  • Для подводных линий был разработан 8-режимный FMF с ультранизкими потерями (0,18 дБ / км), позволяющий в симуляции использовать 5 Тбит/с в режиме на трансатлантических расстояниях.
  • В средах центров обработки данных 2-режимный FMF (LP01 и LP11) был интегрирован с недорогими VCSEL для короткодоступных каналов со скоростью 100 Гбит/с, что сократило количество требуемых волокон.

Влияние на емкость сети и перспективы на будущее

В этом разделе рассматривается преимущество использования мощностей для различных сегментов рынка и очерчиваются ключевые направления исследований на следующее десятилетие.

Интерконнекторы центров обработки данных (DCI)

Текущие DCI-соединения полагаются на параллельные однорежимные волокна, но MCFs предлагают путь к сокращению количества волокон при увеличении совокупной пропускной способности. 7-ядерный MCF может заменить 7 отдельных волокон, упрощая управление кабелем и пространство стойки. Для внутрицентровых линий передачи данных длиной в несколько сотен метров уже развернуты MCF с устройствами вентилятора / вентилятора. MCF следующего поколения с 19 ядрами и многорежимными ядрами может доставлять десятки Тбит/с на нить. Между тем, FMF с недорогими мультиплексорами режимов могут включать 400 Гбит/с до 1 Тбит/с, используя только два пространственных режима вместо четырех волокон.

Длинные и подводные системы

Системы дальнего следования получают наибольшую выгоду от масштабирования пропускной способности, предлагаемого SDM. MCF со сверхнизким перекрестием и низкими потерями (приближающимися к стандартным SMF) являются кандидатами на подводные кабели следующего поколения. 19-ядерный MCF может потенциально увеличить пропускную способность подводного кабеля в 5-10 раз без увеличения диаметра кабеля. Аналогично, FMF в сочетании с MIMO-DSP может в четыре раза увеличить пропускную способность существующих наземных линий с использованием режимов LP01, LP11a, LP11b и LP21. Основной проблемой остается разработка надежных технологий вентилятора / отклоняющего и усилителя, которые работают в нескольких ядрах или режимах. Природная фотоника недавно рассмотрела последние конструкции усилителя, которые могут одновременно усиливать все ядра или режимы с увеличением плоскости в пределах 1 дБ.

Интеграция с существующей инфраструктурой

Одним из самых больших препятствий для SDM является обратная совместимость. MCF требуют новых разъемов, сплайсов и испытательного оборудования. Однако недавние усилия по стандартизации Международного союза электросвязи (ITU-T) и Ассоциации телекоммуникационной промышленности (TIA) определяют геометрию и спецификации производительности для 7-ядерных и 19-ядерных MCF. FMF могут легче копировать существующую однорежимную оптику с помощью преобразователей режима на приемопередатчике, но потребность в MIMO-DSP добавляет сложность. Несколько поставщиков телекоммуникаций объявили о прототипе линейных карт, поддерживающих 2-режимный MDM для 800-гигабитных линий связи.

Новые концепции: SDM с ИИ и Quantum

Заглядывая дальше, искусственный интеллект применяется для оптимизации назначения ядра и режима динамически. Сеть MCF с управлением ИИ может распределять ядра по различным классам трафика (например, с низкой задержкой и высокой пропускной способностью) в режиме реального времени. Кроме того, для распределения квантовых ключей (QKD) исследуются волокна нескольких режимов, поскольку различные режимы могут нести независимые квантовые сигналы без помех. Недавние эксперименты с использованием 4-режимного FMF продемонстрировали QKD более 300 км со скоростью секретного ключа, превышающей 100 кбит/с, прокладывая путь для квантово-безопасных сетей SDM.

Проблемы и открытые исследовательские вопросы

Несмотря на динамику, остается ряд проблем:

  • Стоимость и урожайность — Производство MCF с точной геометрией ядра при низкой стоимости по-прежнему затруднено.
  • Нелинейное перекрестное скрещивание — В MCF межядерное четырехволновое смешивание может ухудшить производительность при высоких мощностях запуска. Необходимы новые конструкции волокон с уменьшенным перенасыщением ядра.
  • Моде-зависимые потери и выигрыш — В FMF оптические усилители часто имеют разные преимущества для разных режимов.
  • Интеграция систем — Переход от экспериментов с доказательством концепции к полевым развертываемым системам требует надежной упаковки, термостабильности и проверенных на практике алгоритмов DSP.

Заключение

Многоядерные и малорежимные волокна представляют собой два наиболее перспективных пути к резкому увеличению пропускной способности оптических сетей связи. Недавние разработки в области сокращения перекрестных стыков, масштабируемости производства, управления режимом и DSP приблизили эти технологии к коммерческой реальности. MCF уже развертываются в отдельных центрах обработки данных и приложениях с коротким охватом, в то время как FMF уже проходят полевые испытания для сетей дальнего следования. Ожидается, что с продолжающимися инвестициями в материаловедение, интеграцию фотоники и системную инженерию, как MCF, так и FMF будут играть центральную роль в удовлетворении ненасытного спроса на пропускную способность в мире в 2030-х годах. Операторы сетей, производители оборудования и исследователи должны сотрудничать, чтобы преодолеть оставшиеся препятствия и раскрыть весь потенциал мультиплексирования пространственного подразделения.