9月11日，“燕缘科创”第23期邀请了北京大学信息科学技术学院电子学系副教授李巨浩，分享了《从单模光纤走向多芯少模光纤：新的光通信产业机遇和挑战》。

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李巨浩，北京大学信息科学技术学院电子学系副教授，隶属于区域光纤通信网与新型光纤通信国家重点实验室，主要研究方向为空分复用光纤和光子器件，新型光传输系统和网络，激光直写光波导加工技术等，近期在多芯少模传输技术方面，首次提出一类基于多环纤芯结构的弱耦合少模光纤技术，打破了长期以来应用瓶颈。近年来已承担和参与过863计划重大项目、973计划项目、国家自然科学基金项目等十余个国家级科研项目，已发表一作/通讯作者SCI检索论文50余篇，发表OFC/ECOC/CLEO国际会议论文约25篇，获国内外会议特邀报告约20次，其中模分复用实时原型系统工作获美国光通信会议(OFC) 2021特邀报告。

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李巨浩教授从2004年开始研究多芯少模通信技术，近几年，其团队做出了6模式2环、10模式3环的弱耦合多环纤芯少模光纤。多环纤芯结构的少模光纤设计思路是通过对一个阶跃结构的光纤增加多个环形区域，微调各模式之间的差异，从而使所有模式都达到弱耦合传输的要求。目前其团队也是国际上唯一个可以做出该光纤的。

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“我们已经能够任意调整模式，使得光纤满足不同模式数量。例如31模式+19芯，容量已经是单模光纤的600倍，多芯少模的组合单芯容量还可以提高2-3个数量级。”李巨浩称，快速进入多芯少模时代，将大大减缓当前面临的容量危机。

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光纤(Optical Fiber) 是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤由多层透明介质构成，一般分为三部分：折射率较高的纤芯、 折射率较低的包层和外面的涂覆层。光纤是目前我们能够接触到的最好通信媒介。光纤有极低的损耗，标准单模光纤可以做到损耗0.2dB/公里。

2005年以来，光纤通信技术发展进入相干光通信时代，主要以40和100Gbps为主。当前，400Gbps及以上速率光通信技术已经开始商用。

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近年来，在引入相干检测和数字信号处理技术后，各类新型传输技术的组合，使得单模光纤的传输能力已经接近于其极限。例如2018年美国TE SubCom公司面向海底光缆通信所做的实验，实现的基于单根单模光纤的94.9Tb/s 1900公里传输结果，相当于每秒传输接近3个4TB硬盘的容量。这是实验室中所测得传输能力结果，实际商业应用数据还会低一些。

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但随着各类新型业务的出现和快速发展，我国网络流量持续增长，网络容量危机已经来临。根据韦乐平最新报告，2018-2023年，中国电信最大链路容量预计增长速率为18%，到2023年预计会突破200Tb/s。目前单纤传输容量只有几个T，管线资源有限，容量提升就意味着单模光纤需要向多芯少模转变。

� � � �� � �容量危机已经越来越近

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李巨浩分享，下一代光通信技术趋势即为多芯少模传输体制。多芯光纤是指一根光纤里有多根纤芯，都可以传输信号，从而有效提升容量。少模光纤是一个纤芯里有多个模式，数量比多模光纤中的模式少一些，但每个模式都相当于一根单模光纤。多芯少模光纤则是利用纤芯和模式的组合实现光纤容量数量级提升。� � ���

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李巨浩称，多芯光纤走向实用还面临着很多困难。多芯光纤的优点是技术简单，没有复杂的基础科学问题，标准的125um光纤体积支持大约8个纤芯，主要靠提高光纤密度，降低成本。缺点是提升纤芯数量会被动增加光纤尺寸，带来一系列问题，机械特性、传输特性都会受到影响。另外扇入扇出器件、连接器件的成熟度还不够，不易耦合，飞秒激光直写技术也不够成熟。此外，光纤的熔接是个难题，需要对芯，兼容性较差。

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据了解，目前，已经有多种少模光纤结构。阶跃型纤芯：要求包层纤芯折射率差很大；椭圆纤芯：用形状差异分开简并模式，效果较差；PANDA型纤芯：用应力分开简并模式，效果好，但损耗大；矩形纤芯：限制宽度，从而去掉一个简并模式；单环形纤芯：调整特定区域的模场分布(难以扩展)。

李巨浩团队设计的弱耦合多环纤芯结构的少模光纤也做了实用化探索。去年8月，在联通实验室用华为商用400G收发设备，C波段上2模式共80个波长通道经过100-km传输，总容量达16Tb/s，是世界首个接近实用化的弱耦合模分波分实时传输原型系统。

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李巨浩对比了多芯少模与单模光线的成本。以7芯30模光纤与单模光纤对比 ，容量相对单纤提升了210倍。在与单纤体积一样的情况下，多芯少模节省了管道资源。成本上多芯少模采用PCVD（少模）与OVD（多芯）两者结合，成本是单模的几十倍，但是容量是单模的几百倍。纤芯和模式复用器的耦合器件成本预计一对数千元，飞秒激光直写波导技术成熟后，预计数元至数十元。总体复用器件有望比波分复用降低1-2个数量级。在光模块上比特成本降低1-2个数量级，比特功耗下降。

李巨浩认为，从各方面来讲，多芯少模都符合现阶段技术发展趋势，这个潮流是不可逆转一定会发生的。多芯少模传输技术将是光纤通信的一次重大变革。

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关于当前光纤通信的几个讨论：

1.有必要设置多芯和少模两个阶段吗？成熟度够了吗？与国外技术对比会不会又是跟随？

李巨浩：没必要，因为首先这两个方案实现起来都没有问题，目前来看，我们最终可能都需要采用飞秒激光直写技术加工相关器件，一但直写技术做好了，多芯和少模便没有什么区别了，因此它们就是一个阶段。这个技术的标准化还需要3-5年，与国外技术对比来讲在单模角度来讲是有劣势的。多芯技术各国都在做，日本厂商占优势，工业水平也高。少模目前是我们更有优势，我们正在与国内供应商、运营商交流，希望把少模优势转化为国内产业的优势。

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2.光通信产业的新进者还有机会吗？

李巨浩：光纤行业新进者可能机会不是特别大，因为国内已经有了一些光纤的厂商，他们其实已经做的非常好，而且从单模到多芯少模，从技术加工工艺上来讲没有那么多的难题。但是激光直写技术有可能会是今后几年非常重要的技术，会淘汰部分技术，这就意味着新进来的人，大家有可能会是在同一起跑线的。

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3.标准化工作做了吗？�专利布局如何？

李巨浩：日本大概从去年开始已经在提多芯单模的标准，但是少模的标准还没有人提，我们与国内光纤厂商、运营商在谈，希望能够把多环纤芯少模定下标准。许多专利技术基本上都掌握在美国、欧洲和日本手中，现在的国际环境紧张，如果我们与欧美脱钩，会形成专利壁垒，所以我们也在做专利的布局，对我国的光通讯自主技术有利。

现有的5G前传方案主要分为光纤直驱和WDM（CWDM、MWDM）�，光纤直驱使用灰光模块，成本低，温控简单，但是占用光纤资源多�，光纤是非常宝贵的资源，将多芯少模光纤应用于5G前传，可以继续使用光纤直驱方案，同时也可以与WDM方案相兼容。我们可以将5G降成本更好的降下去。但是现在5G已经做了很多，要到6G的时候才能使用。

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其实还有些比较有趣的发现，多芯少模也可以做以前做不到的传感技术，基于模式耦合的分布式压力传感器可以制作集成触觉传感器的床垫，可检测睡眠运动状态，应用于睡眠运动障碍治疗、改善睡姿。也可以植入到柔性材料里面向机器人使用的触觉传感。