文章来源| 中国光学；
作者| Light新媒体
撰稿| Cyan (英国布里斯托大学 博士生)
随着高清视频，虚拟现实(VR)，增强现实(AR)等数据驱动应用的不断推广，中国电信科技委主任韦乐平先生认为未来几年“容量危机”终将不可避免，故而在大流量需求驱动下，超大容量、超高速、超长距离传输将成为光通信发展的必然趋势。
在 2021 华为全球分析师大会上，华为董事、华为战略研究院院长徐文伟先生发布的迈向智能世界 2030 的九大技术挑战中， “实现光纤容量指数级增长”亦为重要课题之一。
为应对挑战，空分复用技术（英文缩写：SDM）逐渐走入人们的视野。来自日本信息和通信技术研究所的 Benjamin J. Puttnam 等人以“Space-division multiplexing for optical fiber communications” 为题在 Optica 发表综述论文，概述了新型 SDM 光纤的主要分类和特征，回顾了每种光纤类型的研究成果并对光纤类型进行了比较，最后推测了未来发展和应用。
图 1：空分复用 艺术效果图
空分复用光传输系统概述
利用光纤的空间维度进行多路复用的想法可以追溯到光纤通信诞生之初，但随着基于传统单模光纤的波分复用传输系统传送容量逐渐逼近理论极限(~100 TB/s)，并得益于相关制造技术，譬如光纤拉制与微电子集成技术的日渐成熟，SDM 技术才在过去的十几年内，逐渐成为研究热点并取得了一些里程碑式的成果。
标准的 SDM 系统如图 2 所示，除了专用光纤和放大器外，系统还需要空间多路复用器/空间解复用器(SMUX/SDEMUX)来引导光信号的注入和输出。SDM 系统可以拥有 100 多个空间通道，每个空间通道又能承载数百个波长通道，在一些示例性实验中，其传输速率已突破 10 Pbit/s，比传统波分复用系统理论极限高出两个数量级。
图源：IEEE.org
在 SDM 系统中，常见的光纤类型分为如下 4 种(结构如图 3 所示)多跟纤芯共享一个包层，但由于各芯距较大或其他辅助手段，芯间串扰较小。与弱耦多芯光纤类似，但由于各芯间距较小，串扰程度较大，但可用信道数量增加，且各信道间差分群时延会大幅降低。与多芯光纤在空间维度区分信道不同，多(少)模光纤以传输模式为信道种类，在光纤中传输多种光模式，实现多信道传输。多芯光纤与少模光纤的结合体，可大幅度提升系统传输速率但需同时应对两种光纤类中的所有信号损伤问题。其他种类光纤，譬如空心光纤，熊猫光纤等，可减少信号损伤，但由于其制作工艺复杂，成本高昂，故非 SDM 主流选择。
图 4 描述了 SDM 光纤的发展历程。由图可见，光纤始终在朝向小型化发展，一方面可以降低制造成本，提高光纤稳定度，另一方面，可以与现行光网络设备兼容，降低组网成本。
2. 数字信号处理模块
信号在传输过程中，由于纤芯无法完全束缚光场，会有部分信号泄露至其他纤芯中，且该过程会随着信号的传输，随机不断地发生。最终积累在输出端，形成串扰，进而影响判决，其过程如图 5 所示。为应对信号损伤，降低误判。信号处理(Digital Signal Processing, DSP)单元是 SDM 系统的重要组件。相比于传统单路通信系统，更应当注意空间信道间的相互作用，其主要方式有：
应用场景
SDM 的诸多优势，使其注定会在诸多场景中得以应用，如图 6 所示。SDM 光放大器为系统降低功耗与提高集成度提供了绝佳的展示平台。2019 年，谷歌的海底光缆杜南(Dunant), 是全球首条采用 SDM 技术的海底光缆。其采用的 SDM 光放大器，成功帮助光缆完成从美国至法国全长 6400 公里的高速(250 Tbit/s)链接。在短距应用中，如数据中心内互联，对提高集成度与降低功耗均有着极大的需求，而 SDM 技术在该领域具有极大潜力。在中距传输中，与现有单模光纤组网，可构成高效的光交叉网络。在城域网中，可以经济高效的实现 1 Pbit/s 的传送速率。在以海底光缆为典型代表的超长传送距离应用中，SDM 传输技术有望解决现行系统中传送容量与电力供应受限的两大实际问题。 未来展望
虽然已经有了第一条商用的 SDM 海底光缆，而且 ITU-T 标准化工作也已经开始，但是否大规模商用 SDM 技术，仍有争议。这主要是因为相比起构架新网络的巨额资本投入，现行的 SDM 系统以及其相关应用，并未展现出压倒性的优势。为此，在未来的研究中，强耦合传输场景，信号处理智能算法，放大器设计等方向均需得到强化。尽管如此，面对海量的需求增幅，在未来，更大规模的网络基建工程已是不可避免的。因此，全球范围内广泛使用 SDM 解决方案和光通信系统，包括数据中心等新领域的应用，也仅仅只是时间问题。1. Essiambre, R-J., et al. "Breakthroughs in photonics 2012: Space-division multiplexing in multimode and multicore fibers for high-capacity optical communication." IEEE Photonics Journal 5.2 (2013): 0701307-0701307.2. Miyamoto, Yutaka, and R. Kawamura. "Space division multiplexing optical transmission technology to support the evolution of high-capacity optical transport networks." NTT Technical Review 15.6 (2017): 1-7.Benjamin J. Puttnam, Georg Rademacher, and Ruben S. Luís, "Space-division multiplexing for optical fiber communications," Optica 8, 1186-1203 (2021)https://doi.org/10.1364/OPTICA.427631监制 | 赵阳
编辑：鹿定辞
