多芯光纖扇入扇出技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

邱 英，陶 金，劉子晨，賀志學(xué)

(1.中國(guó)信息通信科技集團(tuán)有限公司 光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2.國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心，武漢 430074)

0 引 言

隨著第五代移動(dòng)通信(5th Generation mobile networks ,5G)技術(shù)走向商用，物聯(lián)網(wǎng)智慧城市的不斷發(fā)展，光通信容量需求不斷提升。在單模光纖(Single Mode Fiber, SMF)鏈路中，時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用和偏振復(fù)用等技術(shù)手段可用于拓寬系統(tǒng)容量，但隨著數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，所需的帶寬密度急劇增長(zhǎng)導(dǎo)致SMF鏈路無(wú)法滿足需求。基于多芯光纖(Multi-Core Fiber，MCF)的空分復(fù)用(Spatial Division Multiplexing, SDM)是解決SMF鏈路容量限制的最有效方法之一。近年來(lái)MCF通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更高帶寬、更高布線密度和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的低功耗[1]。Soma等人2018年報(bào)道的C+L波段的密集波分復(fù)用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)/SDM傳輸?shù)谝淮问褂?9芯6模少模多芯光纖(Few Mode-Multicore Fiber, FM-MCF)，數(shù)據(jù)吞吐量超過(guò)10 Pbit/s，每個(gè)空間信道的平均數(shù)據(jù)速率為89.1 Tbit/s，平均頻譜效率為1 099.9 bit/Hz[2]；2019年，Sakaguchi等人在一束光纖中同時(shí)使用228個(gè)有效空間信道, 利用10 G波特率、37.38 Gbit/s的1 550 nm雙偏振正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)信號(hào)和6×6多輸入多輸出(Multi-In Multi-Out，MIMO)均衡器的相干檢測(cè)，研究了使用雙向SDM傳輸?shù)目尚行訹3]。為了進(jìn)一步提高SDM傳輸中的數(shù)據(jù)速率，必須在每個(gè)空間信道中承載與SMF中相似的數(shù)據(jù)速率；Rademacher等人在2020年美國(guó)光纖通信展覽及研討會(huì)上發(fā)表了研究成果：研究了在一個(gè)大纖芯數(shù)的FM-MCF中的傳輸，利用13 km的38芯3模光纖實(shí)現(xiàn)了10.66 Pbit/s的數(shù)據(jù)速率，相應(yīng)的每個(gè)空間信道的平均數(shù)據(jù)速率為93.5 Tbit/s，平均頻譜效率為1 158.7 bit/Hz。在相同頻段，每個(gè)空間信道的數(shù)據(jù)速率僅比當(dāng)前SMF記錄少10 %[4]。上述成果凸顯了未來(lái)高容量傳輸系統(tǒng)中高芯數(shù)FM-MCF傳輸?shù)木薮鬂摿Α?/p>

由于光纖尺度和結(jié)構(gòu)的不同，在MCF的實(shí)際應(yīng)用中，需要一個(gè)MCF和單芯光纖之間的耦合元件。這種元件被稱為扇入扇出(Fan In Fan Out，F(xiàn)IFO)器件。以上幾個(gè)工作中使用的是空間型FIFO器件。武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在2017年利用SDM與DWDM相結(jié)合在單模7芯光纖上實(shí)現(xiàn)了560 Tbit/s相干光、雙偏振離散傅里葉變換擴(kuò)展(Discrete Fourier Transform Spreading，DFT-s)QPSK32正交振幅調(diào)制(Quadrature Amplitude Malulation,QAM)信號(hào)傳輸10 km的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)纖芯中都傳輸了375個(gè)波長(zhǎng)間隔為25 GHz的DWDM信道, 單芯凈傳輸容量為80.29 Tbit/s, 7芯總傳輸容量為562.03 Tbit/s，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用了集成波導(dǎo)型FIFO器件[5]。

在搭建MCF傳輸系統(tǒng)的過(guò)程中，F(xiàn)IFO器件如何與系統(tǒng)匹配以及器件如何制作是關(guān)鍵問(wèn)題，本文將從MCF FIFO器件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段出發(fā)，總結(jié)目前最重要的FIFO器件制作方法，并對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比分析, 對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 MCF FIFO器件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段

到目前為止，MCF FIFO器件的制作方法主要包括熔融法、光纖束法、自由空間光法和三維集成波導(dǎo)法共4種類型，本節(jié)將對(duì)這幾種類型進(jìn)行闡述，并分析這幾種類型器件的性能。

1.1 熔融法

眾所周知，熔融拉錐法是指將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖靠攏并在高溫下熔融，同時(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)域形成雙錐體結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制光纖的扭轉(zhuǎn)角度或拉伸的長(zhǎng)度從而實(shí)現(xiàn)光的耦合或分光等功能。通過(guò)熔融拉錐的技術(shù)手段制作MCF FIFO器件則分為以下幾個(gè)步驟：(1) 將單芯光纖束按MCF的芯數(shù)、并按照纖芯與包層比例進(jìn)行排列；(2) 加熱熔融排列好的多個(gè)單芯光纖束，并向兩側(cè)拉伸，拉伸時(shí)中間會(huì)越來(lái)越細(xì)，光纖束的直徑將從最初的幾百μm拉到與MCF的外徑一致，通常是125 μm；(3) 在中心切斷熔融拉伸過(guò)的光纖束，其錐形端面結(jié)構(gòu)和MCF基本一致；(4) 將MCF與光纖束熔融拉伸后的錐面對(duì)接，MCF到單芯光纖的FIFO器件制作完成。圖1所示為熔融拉錐制作MCF FIFO器件的過(guò)程示意圖[6]。

圖1 熔融拉錐過(guò)程[6]

2013年，Uemura等人利用熔融拉錐的技術(shù)手段制作了7芯光纖的FIFO器件，器件的長(zhǎng)度僅為50 mm，直徑為0.48 mm，最大插入損耗和串?dāng)_分別為2.2和-53.0 dB[6]。2014年，該小組用同樣方法制作了12芯光纖的FIFO器件，其最大插入損耗和串?dāng)_分別為4.7和-45.0 dB[7]。

當(dāng)MCF中纖芯比較多時(shí)，有兩個(gè)原因會(huì)導(dǎo)致內(nèi)層和外層纖芯之間的損耗不相等。第一個(gè)原因是錐角差，由于外芯錐角大于內(nèi)芯錐角，因此外芯的額外損耗大于內(nèi)芯；另一個(gè)原因?yàn)槿劢訐p耗，熔接時(shí)若產(chǎn)生角偏差，外芯的芯線偏差必然大于內(nèi)芯，因此，外芯的熔接損耗也大于內(nèi)芯。文獻(xiàn)[7]中內(nèi)芯和外芯的平均熔接損耗分別為0.5和0.9 dB。

表1所示為近幾年通過(guò)熔融拉錐法制作的MCF FIFO器件。

表1 熔融拉錐法制作的MCF FIFO器件

2019年，Alvarado-Zacarias等人基于19芯光纖制作了FIFO器件，一對(duì)器件的插入損耗僅為0.81～1.62 dB[9]。同年，為了滿足量子密鑰分發(fā)對(duì)低串?dāng)_的要求，華中科技大學(xué)的Gan等人設(shè)計(jì)了一種新型的溝槽輔助“消失芯”光纖，以顯著降低光纖光柵的損耗[10]。基于這種光纖，制作了具有低于-62 dB的超低串?dāng)_的熔錐型FIFO器件，最小和最大插入損耗分別為0.2和1.2 dB。對(duì)于寬帶應(yīng)用，該小組還報(bào)道了基于橋型光纖的寬帶FIFO器件[11]。寬帶FIFO的關(guān)鍵參數(shù)是橋型光纖的折射率分布、MCF的包層直徑和芯間距以及錐參數(shù)(例如向下錐形長(zhǎng)度、加熱功率和拉錐速度)。該小組基于橋型光纖制作的FIFO器件的波長(zhǎng)工作范圍為1 260～1 625 nm，覆蓋了O ～L波段，且插損僅為1.2 dB，1 550 nm波長(zhǎng)處的串?dāng)_為-65 dB。

可以看出，熔融拉錐方法制作FIFO的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)易，需要的設(shè)備少，但在指標(biāo)要求高的應(yīng)用場(chǎng)景下，光纖的折射率分布需要精心設(shè)計(jì)，拉錐過(guò)程需要嚴(yán)格控制。通過(guò)設(shè)計(jì)光纖的折射率分布，可以將插損和串?dāng)_分別控制在1和-60 dB以下，帶寬也可以達(dá)到300 nm以上。因此，在對(duì)帶寬和串?dāng)_要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，可以選擇該方法制作器件。

1.2 光纖束法

通過(guò)預(yù)處理光纖束的方法制作MCF FIFO器件，是指先將多個(gè)單芯光纖外徑通過(guò)刻蝕、定制或其他方法使之與MCF的芯間距相等，然后再將多個(gè)單芯光纖按照比例和結(jié)構(gòu)排列，再固定并將端面拋光，最后將光纖束與MCF熔接或通過(guò)物理對(duì)接等方式形成FIFO器件。表2所示為近十年來(lái)通過(guò)光纖束法制作的MCF FIFO器件。

表2 光纖束法制作的MCF FIFO器件

文獻(xiàn)[18] 利用該器件，且基于弱耦合SDM鏈路，演示了一個(gè)使用10 Gbit/s增強(qiáng)型小尺寸可插拔(SFP+)收發(fā)器的7芯2 模式的實(shí)時(shí)傳輸。

圖2所示為通過(guò)刻蝕制作光纖束的過(guò)程[21]，分為5個(gè)步驟：(1)利用氫氟酸溶液刻蝕SMF，使它的包層直徑等于MCF芯間距(44.6 μm)，且模場(chǎng)直徑與MCF相同(10 μm)；(2)將7根刻蝕的SMF插入到兩個(gè)玻璃毛細(xì)管中，形成光纖束，玻璃毛細(xì)管1的內(nèi)徑為135 μm；(3)在套圈中插入玻璃毛細(xì)管，用蠟固定到位，并進(jìn)行端面拋光；(4)拋光后，取下墊片，用超聲波去除蠟；(5)用低粘度粘合劑將捆綁的7個(gè)蝕刻SMF束固定到玻璃毛細(xì)管1的輸入端。

圖2 光纖束制作過(guò)程[21]

可見(jiàn)，光纖束法的關(guān)鍵在于處理和排布多根單芯光纖，操作過(guò)程比較精細(xì)。處理單芯光纖的包層有刻蝕法或者定制，需與MCF的芯間距一致。因此處理過(guò)程需要嚴(yán)格控制，單芯光纖的排布也需要高精度的設(shè)備。對(duì)比熔融拉錐法，光纖束法的成本優(yōu)勢(shì)不大；插入損耗相對(duì)較好，串?dāng)_也比較低。由表2可知，該方法制作的FIFO器件，插損和串?dāng)_比較容易控制在1和-50 dB以下。

1.3 自由空間光法

自由空間光法是指利用體光學(xué)方法制作MCF FIFO器件，即利用透鏡、棱鏡和調(diào)整架等體光學(xué)元件調(diào)節(jié)并優(yōu)化MCF與多個(gè)單芯光纖的耦合，使得耦合效率最優(yōu)，最后將光路固定，形成MCF FIFO器件。

表3所示為近年來(lái)利用空間光學(xué)方法制作的MCF FIFO器件。

表3 空間光學(xué)方法制作的MCF FIFO器件

KDDI公司的Igarashi等人為了將復(fù)用信號(hào)發(fā)射到6模19芯光纖的19個(gè)芯中，使用了透鏡耦合型扇入設(shè)備，該設(shè)備被熔合拼接到6模19芯的輸入端[28]，如圖3所示。圖3(a)所示為扇入設(shè)備的配置。利用單透鏡，將帶有準(zhǔn)直器的單芯6模光纖的準(zhǔn)直模復(fù)用信號(hào)聚焦于19芯光纖的輸入端，優(yōu)化了自由空間光學(xué)器件的對(duì)準(zhǔn)，使模式耦合最小化；圖3(b)所示為扇入裝置的照片，其長(zhǎng)度約為300 mm。對(duì)于6模19芯光纖的輸出，采用與扇入設(shè)備相同的方式使用扇出裝置。最后用9.8 km的6模19芯光纖實(shí)現(xiàn)了16通道WDM QPSK信號(hào)的超密集SDM傳輸，利用超奈奎斯特WDM技術(shù)，在全C波段的4.5 THz帶寬上實(shí)現(xiàn)了2.05 Pbit/s的傳輸。在實(shí)驗(yàn)中，獲得的最高頻譜效率為456 bit/s/Hz。

圖3 空間光學(xué)方法制作MCF FIFO器件

自由空間光法制作MCF FIFO的優(yōu)點(diǎn)是MCF中每個(gè)芯與單個(gè)單芯光纖的對(duì)接可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，且與偏振無(wú)關(guān)。但當(dāng)芯數(shù)增加時(shí)，光路較復(fù)雜，對(duì)調(diào)整架和光學(xué)元件的精度和穩(wěn)定度要求較高。當(dāng)芯數(shù)較少且對(duì)偏振有要求時(shí)，可以選擇該方法。

1.4 三維集成波導(dǎo)型

波導(dǎo)型的MCF FIFO器件是在玻璃、聚合物、平面光波導(dǎo)、硅基或氮化硅等各種平臺(tái)上通過(guò)不同波導(dǎo)將MCF中各個(gè)芯的光導(dǎo)出到多個(gè)單芯光纖的器件。

表4所示為近十多年來(lái)在各集成平臺(tái)上制作的集成波導(dǎo)型MCF FIFO器件。

表4 集成波導(dǎo)型MCF FIFO器件

Watanabe等人于2012年報(bào)道了在聚合物波導(dǎo)上制作的用于非耦合MCF的集成波導(dǎo)型FIFO器件[30]，如圖4所示。垂直方向的芯間距由環(huán)氧樹(shù)脂包層的旋涂精確控制，而橫向的芯間距則由光掩膜精確確定。演示了從扇出裝置到7芯光纖的耦合，計(jì)算了各個(gè)纖芯的光斑尺寸并測(cè)量了纖芯的偏移損耗特性。根據(jù)光斑尺寸和偏移量估算的理論耦合損耗低至0.2 dB。

圖4 聚合物集成波導(dǎo)型MCF FIFO器件[30]

由表4可知，聚合物波導(dǎo)的插入損耗可以做到相對(duì)低的水平。值得一提的是，硅基光電子由于具有與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝兼容、低成本、高集成度和高可靠性的優(yōu)勢(shì),是實(shí)現(xiàn)光電子和微電子集成、光互連的最佳方案，因此硅基是極具潛力的平臺(tái)。當(dāng)硅基器件應(yīng)用于MCF光傳輸系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)硅基FIFO器件易于實(shí)現(xiàn)硅基光器件與MCF的對(duì)接。2015年，丁運(yùn)鴻等人在SOI平臺(tái)上使用光柵耦合器陣列設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)緊湊的MCF FIFO器件,如圖5所示。光柵耦合器被完全蝕刻，使得整個(gè)光路能夠在單個(gè)光刻和蝕刻步驟中制造。由于光柵耦合器的切趾設(shè)計(jì)和鋁反射鏡的引入，最高耦合效率為3.8 dB，3 dB耦合帶寬為48 nm，1.5 dB帶寬覆蓋整個(gè)C波段，串?dāng)_低于32 dB。

圖5 硅基集成波導(dǎo)型MCF FIFO器件[31]

集成方法制作FIFO器件的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)加工可將器件一次成型，最后將MCF和多個(gè)單芯光纖與之裝配，精度較高，且不受芯數(shù)的限制。其中聚合物波導(dǎo)可以制作成非偏振相關(guān)器件。

2 討論與展望

本文第1節(jié)回顧了目前4種MCF FIFO器件的制作方法，并列出了近十年來(lái)各種方法制作的這種器件的技術(shù)參數(shù)，可以看出這4種方法適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。在對(duì)帶寬和串?dāng)_要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，可以通過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)MCF的折射率分布和控制熔融拉錐的過(guò)程等，達(dá)到要求。如方便定制與MCF的芯間距相等的單芯光纖，或者在便于刻蝕和排布單芯光纖時(shí)，可以采用光纖束法，該方法的插損和串?dāng)_比較容易控制。而當(dāng)對(duì)偏振有要求且芯數(shù)較少時(shí)，自由空間光法由于可以單獨(dú)控制每個(gè)芯與單個(gè)單芯光纖的對(duì)接，因此可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，這種應(yīng)用場(chǎng)合下可以選擇該方法。在片上系統(tǒng)中，或者M(jìn)CF的纖芯數(shù)目較多時(shí)，更適合用集成方法制作FIFO器件。

值得一提的是，近年來(lái)，超表面(Metasurface)概念和技術(shù)不斷得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視和發(fā)展。超表面是指按照周期性排列的二維亞波長(zhǎng)共振結(jié)構(gòu)，它能夠控制光波的相位、振幅和偏振等光學(xué)特性。與傳統(tǒng)的光學(xué)元件相比，超表面光器件具有結(jié)構(gòu)緊湊、亞波長(zhǎng)分辨和 制備簡(jiǎn)單3個(gè)優(yōu)越的特性。各種基于超表面概念的光學(xué)器件被研制，如超透鏡、光學(xué)分束器、偏振控制器、模式復(fù)用器和光學(xué)功能全息片等[39-42]。由于加工工藝和技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，超表面光學(xué)器件逐漸走向?qū)嵱没Ｔ谧杂煽臻g光方法中也可采用超表面光學(xué)元件，可以極大地減小光學(xué)系統(tǒng)的空間和降低復(fù)雜度。

另外，在集成方法中，值得指出的是新興的3D激光直寫(xiě)系統(tǒng), 其主要是利用激光與物質(zhì)發(fā)生相互作用引發(fā)聚合物的非線性雙光子吸收效應(yīng)而發(fā)生固化。近年來(lái)該技術(shù)被用于光通信領(lǐng)域，如光子引線技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)光芯片之間的互聯(lián)[43]、硅光回路芯片與多模光纖之間的互聯(lián)[44]和復(fù)合新型微納米光學(xué)器件[45]等，展現(xiàn)出了良好的光學(xué)和器件性能。3D激光直寫(xiě)技術(shù)也有望在多芯FIFO裝置中得到重要的應(yīng)用[46-47]。當(dāng)芯數(shù)較多時(shí)，可以選擇集成方法制作器件，集成方法在工程應(yīng)用中具有很大的潛力。

3 結(jié)束語(yǔ)

MCF SDM系統(tǒng)打破了SMF傳輸容量的記錄，并在5G前傳、數(shù)據(jù)中心和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出很高的靈活性，而MCF FIFO器件是連接SMF束和MCF必不可少的關(guān)鍵器件。本文回顧并對(duì)比了目前4種主要的MCF FIFO器件制作方法，分析了這幾種方法的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用潛力，并針對(duì)目前信息光電子領(lǐng)域的新概念新技術(shù)，如超材料和3D激光直寫(xiě)系統(tǒng)，在FIFO技術(shù)上的可能應(yīng)用進(jìn)行了展望。