多芯光纤扇入扇出技术发展现状及展望

邱 英，陶 金，刘子晨，贺志学

(1.中国信息通信科技集团有限公司 光纤通信技术和网络国家重点实验室，武汉 430074；2.国家信息光电子创新中心，武汉 430074)

0 引 言

随着第五代移动通信(5th Generation mobile networks ,5G)技术走向商用，物联网智慧城市的不断发展，光通信容量需求不断提升。在单模光纤(Single Mode Fiber, SMF)链路中，时分复用、波分复用和偏振复用等技术手段可用于拓宽系统容量，但随着数字数据业务的增长，所需的带宽密度急剧增长导致SMF链路无法满足需求。基于多芯光纤(Multi-Core Fiber，MCF)的空分复用(Spatial Division Multiplexing, SDM)是解决SMF链路容量限制的最有效方法之一。近年来MCF通信系统实现了更高带宽、更高布线密度和整个网络的低功耗[1]。Soma等人2018年报道的C+L波段的密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)/SDM传输第一次使用19芯6模少模多芯光纤(Few Mode-Multicore Fiber, FM-MCF)，数据吞吐量超过10 Pbit/s，每个空间信道的平均数据速率为89.1 Tbit/s，平均频谱效率为1 099.9 bit/Hz[2]；2019年，Sakaguchi等人在一束光纤中同时使用228个有效空间信道, 利用10 G波特率、37.38 Gbit/s的1 550 nm双偏振正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)信号和6×6多输入多输出(Multi-In Multi-Out，MIMO)均衡器的相干检测，研究了使用双向SDM传输的可行性[3]。为了进一步提高SDM传输中的数据速率，必须在每个空间信道中承载与SMF中相似的数据速率；Rademacher等人在2020年美国光纤通信展览及研讨会上发表了研究成果：研究了在一个大纤芯数的FM-MCF中的传输，利用13 km的38芯3模光纤实现了10.66 Pbit/s的数据速率，相应的每个空间信道的平均数据速率为93.5 Tbit/s，平均频谱效率为1 158.7 bit/Hz。在相同频段，每个空间信道的数据速率仅比当前SMF记录少10 %[4]。上述成果凸显了未来高容量传输系统中高芯数FM-MCF传输的巨大潜力。

由于光纤尺度和结构的不同，在MCF的实际应用中，需要一个MCF和单芯光纤之间的耦合元件。这种元件被称为扇入扇出(Fan In Fan Out，FIFO)器件。以上几个工作中使用的是空间型FIFO器件。武汉邮电科学研究院光纤通信和网络国家重点实验室在2017年利用SDM与DWDM相结合在单模7芯光纤上实现了560 Tbit/s相干光、双偏振离散傅里叶变换扩展(Discrete Fourier Transform Spreading，DFT-s)QPSK32正交振幅调制(Quadrature Amplitude Malulation,QAM)信号传输10 km的系统实验。每个纤芯中都传输了375个波长间隔为25 GHz的DWDM信道, 单芯净传输容量为80.29 Tbit/s, 7芯总传输容量为562.03 Tbit/s，在这个实验中，使用了集成波导型FIFO器件[5]。

在搭建MCF传输系统的过程中，FIFO器件如何与系统匹配以及器件如何制作是关键问题，本文将从MCF FIFO器件的技术实现手段出发，总结目前最重要的FIFO器件制作方法，并对其性能进行对比分析, 对未来发展趋势进行了展望。

1 MCF FIFO器件的技术实现手段

到目前为止，MCF FIFO器件的制作方法主要包括熔融法、光纤束法、自由空间光法和三维集成波导法共4种类型，本节将对这几种类型进行阐述，并分析这几种类型器件的性能。

1.1 熔融法

众所周知，熔融拉锥法是指将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤靠拢并在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区域形成双锥体结构，通过控制光纤的扭转角度或拉伸的长度从而实现光的耦合或分光等功能。通过熔融拉锥的技术手段制作MCF FIFO器件则分为以下几个步骤：(1) 将单芯光纤束按MCF的芯数、并按照纤芯与包层比例进行排列；(2) 加热熔融排列好的多个单芯光纤束，并向两侧拉伸，拉伸时中间会越来越细，光纤束的直径将从最初的几百μm拉到与MCF的外径一致，通常是125 μm；(3) 在中心切断熔融拉伸过的光纤束，其锥形端面结构和MCF基本一致；(4) 将MCF与光纤束熔融拉伸后的锥面对接，MCF到单芯光纤的FIFO器件制作完成。图1所示为熔融拉锥制作MCF FIFO器件的过程示意图[6]。

图1 熔融拉锥过程[6]

2013年，Uemura等人利用熔融拉锥的技术手段制作了7芯光纤的FIFO器件，器件的长度仅为50 mm，直径为0.48 mm，最大插入损耗和串扰分别为2.2和-53.0 dB[6]。2014年，该小组用同样方法制作了12芯光纤的FIFO器件，其最大插入损耗和串扰分别为4.7和-45.0 dB[7]。

当MCF中纤芯比较多时，有两个原因会导致内层和外层纤芯之间的损耗不相等。第一个原因是锥角差，由于外芯锥角大于内芯锥角，因此外芯的额外损耗大于内芯；另一个原因为熔接损耗，熔接时若产生角偏差，外芯的芯线偏差必然大于内芯，因此，外芯的熔接损耗也大于内芯。文献[7]中内芯和外芯的平均熔接损耗分别为0.5和0.9 dB。

表1所示为近几年通过熔融拉锥法制作的MCF FIFO器件。

表1 熔融拉锥法制作的MCF FIFO器件

2019年，Alvarado-Zacarias等人基于19芯光纤制作了FIFO器件，一对器件的插入损耗仅为0.81～1.62 dB[9]。同年，为了满足量子密钥分发对低串扰的要求，华中科技大学的Gan等人设计了一种新型的沟槽辅助“消失芯”光纤，以显著降低光纤光栅的损耗[10]。基于这种光纤，制作了具有低于-62 dB的超低串扰的熔锥型FIFO器件，最小和最大插入损耗分别为0.2和1.2 dB。对于宽带应用，该小组还报道了基于桥型光纤的宽带FIFO器件[11]。宽带FIFO的关键参数是桥型光纤的折射率分布、MCF的包层直径和芯间距以及锥参数(例如向下锥形长度、加热功率和拉锥速度)。该小组基于桥型光纤制作的FIFO器件的波长工作范围为1 260～1 625 nm，覆盖了O ～L波段，且插损仅为1.2 dB，1 550 nm波长处的串扰为-65 dB。

可以看出，熔融拉锥方法制作FIFO的过程相对简易，需要的设备少，但在指标要求高的应用场景下，光纤的折射率分布需要精心设计，拉锥过程需要严格控制。通过设计光纤的折射率分布，可以将插损和串扰分别控制在1和-60 dB以下，带宽也可以达到300 nm以上。因此，在对带宽和串扰要求较高的应用场合，可以选择该方法制作器件。

1.2 光纤束法

通过预处理光纤束的方法制作MCF FIFO器件，是指先将多个单芯光纤外径通过刻蚀、定制或其他方法使之与MCF的芯间距相等，然后再将多个单芯光纤按照比例和结构排列，再固定并将端面抛光，最后将光纤束与MCF熔接或通过物理对接等方式形成FIFO器件。表2所示为近十年来通过光纤束法制作的MCF FIFO器件。

表2 光纤束法制作的MCF FIFO器件

文献[18] 利用该器件，且基于弱耦合SDM链路，演示了一个使用10 Gbit/s增强型小尺寸可插拔(SFP+)收发器的7芯2 模式的实时传输。

图2所示为通过刻蚀制作光纤束的过程[21]，分为5个步骤：(1)利用氢氟酸溶液刻蚀SMF，使它的包层直径等于MCF芯间距(44.6 μm)，且模场直径与MCF相同(10 μm)；(2)将7根刻蚀的SMF插入到两个玻璃毛细管中，形成光纤束，玻璃毛细管1的内径为135 μm；(3)在套圈中插入玻璃毛细管，用蜡固定到位，并进行端面抛光；(4)抛光后，取下垫片，用超声波去除蜡；(5)用低粘度粘合剂将捆绑的7个蚀刻SMF束固定到玻璃毛细管1的输入端。

图2 光纤束制作过程[21]

可见，光纤束法的关键在于处理和排布多根单芯光纤，操作过程比较精细。处理单芯光纤的包层有刻蚀法或者定制，需与MCF的芯间距一致。因此处理过程需要严格控制，单芯光纤的排布也需要高精度的设备。对比熔融拉锥法，光纤束法的成本优势不大；插入损耗相对较好，串扰也比较低。由表2可知，该方法制作的FIFO器件，插损和串扰比较容易控制在1和-50 dB以下。

1.3 自由空间光法

自由空间光法是指利用体光学方法制作MCF FIFO器件，即利用透镜、棱镜和调整架等体光学元件调节并优化MCF与多个单芯光纤的耦合，使得耦合效率最优，最后将光路固定，形成MCF FIFO器件。

表3所示为近年来利用空间光学方法制作的MCF FIFO器件。

表3 空间光学方法制作的MCF FIFO器件

KDDI公司的Igarashi等人为了将复用信号发射到6模19芯光纤的19个芯中，使用了透镜耦合型扇入设备，该设备被熔合拼接到6模19芯的输入端[28]，如图3所示。图3(a)所示为扇入设备的配置。利用单透镜，将带有准直器的单芯6模光纤的准直模复用信号聚焦于19芯光纤的输入端，优化了自由空间光学器件的对准，使模式耦合最小化；图3(b)所示为扇入装置的照片，其长度约为300 mm。对于6模19芯光纤的输出，采用与扇入设备相同的方式使用扇出装置。最后用9.8 km的6模19芯光纤实现了16通道WDM QPSK信号的超密集SDM传输，利用超奈奎斯特WDM技术，在全C波段的4.5 THz带宽上实现了2.05 Pbit/s的传输。在实验中，获得的最高频谱效率为456 bit/s/Hz。

图3 空间光学方法制作MCF FIFO器件

自由空间光法制作MCF FIFO的优点是MCF中每个芯与单个单芯光纤的对接可以单独调节，且与偏振无关。但当芯数增加时，光路较复杂，对调整架和光学元件的精度和稳定度要求较高。当芯数较少且对偏振有要求时，可以选择该方法。

1.4 三维集成波导型

波导型的MCF FIFO器件是在玻璃、聚合物、平面光波导、硅基或氮化硅等各种平台上通过不同波导将MCF中各个芯的光导出到多个单芯光纤的器件。

表4所示为近十多年来在各集成平台上制作的集成波导型MCF FIFO器件。

表4 集成波导型MCF FIFO器件

Watanabe等人于2012年报道了在聚合物波导上制作的用于非耦合MCF的集成波导型FIFO器件[30]，如图4所示。垂直方向的芯间距由环氧树脂包层的旋涂精确控制，而横向的芯间距则由光掩膜精确确定。演示了从扇出装置到7芯光纤的耦合，计算了各个纤芯的光斑尺寸并测量了纤芯的偏移损耗特性。根据光斑尺寸和偏移量估算的理论耦合损耗低至0.2 dB。

图4 聚合物集成波导型MCF FIFO器件[30]

由表4可知，聚合物波导的插入损耗可以做到相对低的水平。值得一提的是，硅基光电子由于具有与互补金属氧化物半导体工艺兼容、低成本、高集成度和高可靠性的优势,是实现光电子和微电子集成、光互连的最佳方案，因此硅基是极具潜力的平台。当硅基器件应用于MCF光传输系统时，通过硅基FIFO器件易于实现硅基光器件与MCF的对接。2015年，丁运鸿等人在SOI平台上使用光栅耦合器阵列设计和制造了一个紧凑的MCF FIFO器件,如图5所示。光栅耦合器被完全蚀刻，使得整个光路能够在单个光刻和蚀刻步骤中制造。由于光栅耦合器的切趾设计和铝反射镜的引入，最高耦合效率为3.8 dB，3 dB耦合带宽为48 nm，1.5 dB带宽覆盖整个C波段，串扰低于32 dB。

图5 硅基集成波导型MCF FIFO器件[31]

集成方法制作FIFO器件的优点是通过加工可将器件一次成型，最后将MCF和多个单芯光纤与之装配，精度较高，且不受芯数的限制。其中聚合物波导可以制作成非偏振相关器件。

2 讨论与展望

本文第1节回顾了目前4种MCF FIFO器件的制作方法，并列出了近十年来各种方法制作的这种器件的技术参数，可以看出这4种方法适用于不同的应用场景。在对带宽和串扰要求较高的应用场合，可以通过精细设计MCF的折射率分布和控制熔融拉锥的过程等，达到要求。如方便定制与MCF的芯间距相等的单芯光纤，或者在便于刻蚀和排布单芯光纤时，可以采用光纤束法，该方法的插损和串扰比较容易控制。而当对偏振有要求且芯数较少时，自由空间光法由于可以单独控制每个芯与单个单芯光纤的对接，因此可以单独调节，这种应用场合下可以选择该方法。在片上系统中，或者MCF的纤芯数目较多时，更适合用集成方法制作FIFO器件。

值得一提的是，近年来，超表面(Metasurface)概念和技术不断得到学术界和工业界的重视和发展。超表面是指按照周期性排列的二维亚波长共振结构，它能够控制光波的相位、振幅和偏振等光学特性。与传统的光学元件相比，超表面光器件具有结构紧凑、亚波长分辨和 制备简单3个优越的特性。各种基于超表面概念的光学器件被研制，如超透镜、光学分束器、偏振控制器、模式复用器和光学功能全息片等[39-42]。由于加工工艺和技术的不断发展成熟，超表面光学器件逐渐走向实用化。在自由空间光方法中也可采用超表面光学元件，可以极大地减小光学系统的空间和降低复杂度。

另外，在集成方法中，值得指出的是新兴的3D激光直写系统, 其主要是利用激光与物质发生相互作用引发聚合物的非线性双光子吸收效应而发生固化。近年来该技术被用于光通信领域，如光子引线技术，用于实现光芯片之间的互联[43]、硅光回路芯片与多模光纤之间的互联[44]和复合新型微纳米光学器件[45]等，展现出了良好的光学和器件性能。3D激光直写技术也有望在多芯FIFO装置中得到重要的应用[46-47]。当芯数较多时，可以选择集成方法制作器件，集成方法在工程应用中具有很大的潜力。

3 结束语

MCF SDM系统打破了SMF传输容量的记录，并在5G前传、数据中心和无源光网络中表现出很高的灵活性，而MCF FIFO器件是连接SMF束和MCF必不可少的关键器件。本文回顾并对比了目前4种主要的MCF FIFO器件制作方法，分析了这几种方法的应用场景和应用潜力，并针对目前信息光电子领域的新概念新技术，如超材料和3D激光直写系统，在FIFO技术上的可能应用进行了展望。