空分复用（SDM）中的少模光纤（FMF）1

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光通信

随着移动互联网等技术、大数据技术、云计算等技术的发展，通信网中的数据流量爆炸式增长，人们对数据传输的时延和带宽要求也越来越高。光纤通信技术因为具有带宽资源丰富、重量轻、抗电磁干扰等特性，能够满足人们对长距离大容量低时延高速通信的需求，从而在现有通信网络中得到广泛应用。

然而，单模光纤的容量依然随着网络中数据流量的增加而逐步逼近香农极限，促使人们采用新的物力维度或者方法来增加光纤传输容量，以满足未来海量数据传输的容量需求。下图展示了单模光纤中通信系统容量随时间的变化图，早期的光纤通信系统随着光纤制备工艺的提升，单芯容量不断提高。

随着制备工艺的成熟，WDM和EDFA的结合使用，使得光传输系统呈现指数级增长；相干光传输技术和先进的DSP技术使得高级调制码型的信号得以在光传输系统中应用，提升了谱效率，提高了传输容量。然而单纤传输容量极限约为100Tbit/s，不能无限提高，而网络中的数据量却还在爆炸式增长，因此出现了光传输系统的容量危机。

只依靠单模光纤不能有效解决容量危机，相应的调制和复用技术需要被探索。光波作为电磁波，幅度、相位、频率、时间、偏振、空间等物理维度都可以用来承载信息，比如高阶调制码型、WDM系统等。空间作为一个可扩展的维度，用来提高光传输容量已得到验证，比如48芯及更高芯数的光缆，这些光缆常有单模光纤组成，因此，对模式的改变逐步走进人们的研究视野。

天津大学的郭骋博士在论文中展示了常见的几种利用空间维度提升通信系统传输容量的方案，如下图所示。由单模光纤组成的光纤束，就是现在经常用到的24芯或者48芯等的光缆。而多芯光纤是在一个包层中有多根独立的光纤，少模光纤是在单模光纤基础上，通过改变纤芯半径或者纤芯与包层的折射率差值，使光纤能够支持几个模式的光波同时再纤芯中传输。对应的多模光纤就是能够支持上百个模式的光波在光纤中传输。

除了以上介绍的光纤复用、多维调制外，另一种SDM技术的代表就是轨道角动量（OAM）。总的来讲，光通信系统的容量提升，依然从单模光纤跨越到多模、多芯、少模光纤，而且，以少模光纤为代表的光传输系统必将像单模光纤那样需要与之配套的光放大器、DSP算法、光信号处理技术等，才能使得少模光纤的传输系统真正走向实用化。

目前，基于各类SDM的光纤设计、少模光纤放大器、少模光纤非线性效应等已成为各类光通信会议的报道热点。比如2021年的OFC会议上，就有多篇论文围绕空芯光纤、少模光纤等SDM技术展开研究，笔者以为，围绕下一代大容量传输光纤结构设计、多波段少模光纤放大器和非线性效应将成为研究热点，并产生更多研究成果。

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部分参考文献：

1. 陈相玮，少模掺铒光纤放大器的理论模型研究，电子科技大学，2020.

2. 郭骋，少模光纤参量放大器的理论和实验研究，天津大学，2019.

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