空分复用光纤

光纤传输容量在逼近其传输容限，需要新的赛道继续扩容。

对于影响光纤传输容量的六个信号维度，或者自由度（时间、波长、振幅、相位、偏振和空间）中，目前看，只有空分复用能更好的推动光纤传输容量。

空分复用旨在在指定的空间横向截面上，容纳更多的传输信道。因为单个传输信道在逐步逼近香农极限，利用空分复用方案，可以起到n倍扩容的效果。

空分复用有多种途径，或许可以分为两大类。

第一大类是缩小单个单模光纤所占的截面积。

这一类也不少方案，一类是缩小光纤直径，比如将光纤的直径250um缩小到125um，单位空间或可以增加1.5倍。另一类是采用弱耦合多芯光纤。

缩小空间面积对于应用来说是非常有帮助的。对于大量光纤通道，比如几千几万芯光纤，缩小30%以上的空间将非常明显。

对于数据中心来说，巨量的布线一直是一个非常有挑战的问题。空分复用将是一个有效的解决方法。

该类方案，对于光纤本身来说，设计上没有本质变化，和传统的光纤也没有本质差别，仍旧采用波长振幅相位等几个自由度。

第二大类是光纤本身存在变化，以支持空分复用。包括强耦合多芯光纤和少模光纤，实验室也有多芯多模光纤。而相对来说，强耦合多芯光纤具有更好的前景。不过鉴于目前可能需要新的赛道突破香农极限，未来可能会有更好的方案。随着速率的不断提升，系统也依赖于复杂，虽然单bit成本和单bit功耗在逐步下降，简化的方案还是非常需要，避免依赖于依赖于庞大的计算复杂度。

多芯光纤分为弱耦合多芯光纤和强耦合多芯光纤。而强耦合多芯光纤还分为随机耦合和确定耦合类。弱耦合多芯光纤和强耦合多芯光纤的区别在于纤芯之间的间距大小。纤芯之间的间距大小影响到纤芯模式之间的耦合，对于弱耦合多芯光纤，其实是希望无任何串扰，每个纤芯保持独立，相互之间没有任何的影响。但是实际上对于纤芯中的模式，其在包层中的传播的光可以延申到涂层，没有任何的串扰是很难的。但是采用一定的间隔距离，其串扰功率可以低于60dB/km。足以将串扰带来的噪声降低到可以接受的程度。

三类比较典型的光纤如下图示。

多芯光纤中的串扰大致的关系为

K为耦合系数，L为传播长度，R为弯曲半径，d为纤芯的间距。

光纤的串扰受到光纤本身的缺陷，弯曲，扭转等影响。其中弯曲影响比较大，因为在弯曲的光纤中，纤芯中的模式将漂移到弯曲一侧，而模场也受到挤压，从而增大串扰。

耦合系数从简单的理解，是两个模场之间的重叠程度。

在理想的光纤中，在光纤中形成的模式是相互正交的，自然也不存在耦合，这是光纤通信的根本。而实际场景中，光纤总偏离理想的几何形状，其内部密度，掺杂浓度也非理想一致。实际的折射率就产生和理想的折射率偏移。这个偏移就带来两个模场之间的耦合，或者两个模式之间的耦合。

强耦合多芯光纤由于纤芯之间的间隔比较小，即使光纤不存在扰动，纤芯之间的模场耦合也是不可避免的。耦合对于弱耦合多芯光纤来说是串扰，形成一个额外的噪声来源，同时损耗增大，如果扰动较大，弱耦合多芯光纤经过长距传输后，也可能转变为强耦合多芯光纤造成系统失效。对于强耦合多芯光纤，纤芯之间的耦合是强耦合多芯光纤工作的依据，而需要关注超模之间的耦合，而超模之间的耦合则形成串扰。串扰和耦合是相互变化的。

对于两芯光纤，如果从一个纤芯注入光功率，由于耦合，光功率在两个纤芯中形成交叠变化。

如果两个纤芯一致，即同质光纤，则形成一个幅度完全的交叠变化。如果两者的传播常数差别较大，则耦合的功率较小。传播常数差异大小影响到耦合程度。

强耦合多芯光纤的耦合可以用耦合理论，但是需要进行数值计算模拟。

耦合理论中，具有n个纤芯的光纤的模式场是所有纤芯内独立的模式的线性叠加：

对于强耦合多芯光纤来说，这个叠加而形成的若干模式和光纤纤芯内的基模是不同的，和光纤纤芯内的高阶模也不同，一般称这些叠加而形成的新模为超模。

进而可以演变为纤芯模场和超模的传播常数的关系，这个关系比较简练。

M为耦合矩阵

对于同质的四芯光纤，耦合矩阵有

形成四个超模，其传播常数分别为，其中第二个包括了两个简并模。

三芯光纤耦合矩阵

形成三个超模，其传播常数分别为，其中第一个包括了两个简并模。

两芯光纤耦合矩阵

两个超模的传播常数：

理想的超模之间是正交的，相互不耦合的。这样就形成了信息传输的基础。强耦合多芯光纤作为空分复用的承载，实际上为模分复用。n个纤芯存在n个超模，可以有n路复用信道。相比弱耦合多芯光纤，强耦合多芯光纤有诸多有优点，强耦合多芯光纤不介意纤芯模式之间的耦合，并且耦合是必要的，以形成的超模作为信道传输，其对应模场相对变大，则具有更好的损耗性能和非线性性能。为了形成强耦合，纤芯间距变小，其强耦合多芯光纤的空间效率变大。