最全光纤思维导图! 干货,关于 "高速全光网和新型光纤关键技术探讨" PPT
我们在上一篇文章中提到,ARF 反谐振光纤有两种类型:管状型和嵌套型。 且最初设计的空芯光纤内部存在较多节点,导致节点损耗。 然后,Kolyadin等人提出了进一步的改进,用一个非接触管环包围芯来构造空芯光纤的结构,也就是咱们说的 HC-ANF 光纤,简称ANF光纤。 管子沿方位角以一定的距离相互隔开,光在能够被限制在光纤的特定区域,主要依靠构成纤芯周围薄壁玻璃管的内外表面之间发生的两次菲涅尔反射效应。 这样,节点在靠近纤芯处被完全消除,与具有接触节点的类似光纤相比,其衰减系数进一步降低了。 基光场强度的分布如下图,但在光场位置还是存在节点。 这类空芯光纤形成的光场分布如下图,消除光场范围的节点。这类光纤叫做空心无节点反谐振光纤(HC-NANF),简称为NANF。
光纤也属于波导哈,圆形波导。日常用的镜子,折射率大于1,因此对于空芯波导,我们要将其空芯的折射率小于包层材料的折射率即可。 早期,贝尔实验室在空心管的内部涂上一层铜的导电边界,管中间是空心的。 当康宁公司开发出损耗为 17dB/km 的硅芯光纤,这些金属波导的热度才褪去。但是这种空芯光纤的思想却延续着。 除了这种方法,还有另一种产生高反射表面的物理机制:光子带隙。 光子带隙光纤主要有两种类型: 一维(1D)光子带隙光纤; 二维(2D)光子带隙光纤。 从折射率周期变化这个特性,不知大家是否有想到光纤布拉格光栅,它在轴向具有周期性变化的折射率。能够反射特定的波长。 类似的,一维光子带隙光纤是在径向上,具有周期性高低变化的折射率。 因此,这种空芯光纤也被叫作布拉格光纤(不是光纤布拉格光栅哈)。 再就是二维光子带隙光纤,是利用二维周期光子晶体实现的镜子。 中间空芯的部分则是可以让这部分频率的光通过,从而形成波导。 还有一种嵌套式反谐振空芯光纤。这种光纤形成镜面的方法是将通过嵌玻璃管形成谐振腔,把光反射回空芯区域。我们将在后续讨论。
到目前为止,已经报道了各种各样的FIFO器件实现技术,但最常用的技术有: 1)熔融拉锥技术,2)3D波导技术;和3)自由空间光学技术。 此外,空芯光纤不挑光,可以轻松支持O,S,E,C,L,U等多种波段的光。空芯光纤和传统的玻璃芯光纤一样,由纤芯、包层和涂覆层三部分组成,不同之处主要在于纤芯和包层。 空芯光纤根据其微结构设计和工作原理可以简单分为以下两种类别:光子带隙空芯光纤(Photonic Bandgap HCF, PBG-HCF),反谐振空芯光纤(Anti-Resonant HCF, AR-HCF 空芯光纤的发展也主要经历了从光子带隙光纤到反谐振光纤的演进过程。光子带隙空芯光纤依靠光纤包层中的光子晶体结构, 形成光子带隙来限制光束在空心纤芯中传播。 2024年 2 月,Lyntia、 诺基亚、古河和 Interxio 联合实验空芯光纤,其相对单模光纤延迟降低 30%以 上,光传输速度提升近 46%,且极大降低非线性效应,现场 demo800Gbps
,在光纤中心存在缺陷态,光场以缺陷态的形式在中间的空气中传输,由此形成空芯光纤。 PBGF型空芯光纤的传输损耗最好结果是1.2dB/km, 损耗还是比较大的,这也是人们致力于寻找其他结构空芯光纤的原因之一。 2)反谐振型空芯光纤(hollow-core anti-resonant fiber, HC-ARF) 反谐振型空芯光纤,通常在光纤中引入多个空芯套管,有点像转轮手枪,如下图所示,对于满足谐振条件的波长 在微软官方的PR中提到,NANF空芯光纤的主要优势有如下几点, 1)光信号传播速度比传统光纤提高47%,降低了信号的延迟 2)安全性增强和入侵检测 3)由于消除了光纤非线性和宽频谱,使得成本降低,带宽提高和网络质量增强 (图片来自文献2) 以上是对空芯光纤技术的简单介绍,微软收购Lumenisity公司,说明空芯光纤技术得到了市场认可,正逐渐进入商业化应用中,基于其延迟小、容量大的独特优势,未来必将在数据中心的部署中发挥重要作用
那么,空芯光纤,相比于传统玻芯光纤,到底有什么优势呢?为什么现在光通信行业,都非常关注和重视空芯光纤呢? 传统实心光纤,由内到外,包括纤芯、包层、涂覆层三个部分(有时候外面还有套塑)。 当光进入光纤,光纤纤芯的折射率n1比包层的折射率n2高,会发生全反射现象。然后光就会不停地反射,最终向前传播。 2、更低的损耗 空芯光纤传输损耗也是光纤的一项重要技术指标。光纤的损耗越低,意味着光信号在光纤中能够传输的距离更远,信号在对端更容易被识别和解调出来。 想要让这项技术加速落地,我们还需要关注以下几点: 1、光纤内部结构的标准化,到底采用什么样的架构进行定型,并投入规模生产。 2、如何改进工艺,降低制造难度,做到批量化和高合格率生产。 参考资料: 1、南安普顿大学光电研究中心(ORC)相关论文; 2、《反谐振空芯光纤或将成为超高速光传输系统的理想介质》,中国移动李晗; 3、《光子晶体光纤30周年:微结构光纤简史》,Thorlabs;
传统单模光纤(Single-more Fiber, SMF)受非线性香农极限的影响,传输容量将达到上限,以多芯光纤(Multi-core Fiber, MCF)为代表的空分复用(Spatial Division 多芯光纤扇入扇出器件多芯光纤如何与传统单芯光纤连接?多芯光纤扇入扇出器件(Fan-in & Fan-out, FIFO)是实现多芯光纤与标准单模光纤高效耦合的关键器件。 多芯光纤MCF光纤连接器解决了多芯光纤与单芯光纤之间的连接问题,仍需要解决多芯光纤与多芯光纤之间的连接。 目前多芯光纤的生产暂未有统一标准,每家厂商生产的多芯光纤都或多或少有不同的纤芯排列、纤芯大小、芯间距等,这也无形之中增加了多芯光纤之间的熔接难度。 多芯光纤MCF Hybrid组件(应用于EDFA光放大器系统)在空分复用(SDM)光传输系统中,实现大容量、高速率、长距离传输的关键在于补偿信号在光纤中的传输损耗,而光放大器正是这一环节不可或缺的核心器件
空芯电感空芯线圈适用于低电感线圈,其中干扰不是最重要的。具有少量匝数和相对粗线的线圈缠绕在诸如钻头或罐头之类的圆柱形物体上,然后将其移除并且线圈自身支撑,有时线圈涂有树脂以提高机械稳定性。 下面是圆柱线圈的电感公式L = µ r ( n 2 . ᴫ 2 . r 2 / l ) 0.00000126L 是电感,单位是亨利μ r 是磁芯的相对磁导率(1 代表空气、塑料、陶瓷等线圈)n 是匝数 如何制作空芯电感 要缠绕常规的空芯线圈,需要一个成型器、一个线材源、一些细砂纸或一把造型刀(未显示)和一点强力胶水或双面胶带以将线材固定到位。设计完线圈后,就该绕线了。 下图解释了绕制空芯电感的过程: 第 1 步:下面两张图片显示了前者,上面有一点胶带,电线将缠绕在此处,孔将电线固定到位。第2步:在下图中,保护膜已取下,开始缠绕,水龙头的电线弯曲并绞合在一起。 铁氧体棒上的绕组线圈铁氧体棒上的绕组线圈(例如无线电接收器中的铁氧体棒天线)类似于缠绕空芯线圈,但由于您无法钻穿铁氧体棒,因此您必须依靠双面胶带或胶水来固定电线紧紧。
其中一种思路是避免玻璃引起的散射和吸收,通过在空芯区域传输光信号来降低信号功率损失。此前,虽有研究探索过空芯光纤,但因各种原因未能取得理想成果。 南安普顿大学光电子研究中心是空芯光纤领域的主要领导者,微软也一直在与他们合作并持续推动空芯光纤的部署和产业化,应用于AI数据中心的连接。 新型光纤的技术突破 (一)光纤制造与优化 优化空芯DNANFs的损耗,需要深入理解并精确建模其三种主要损耗机制:泄漏损耗(LL)、表面散射损耗(SSL)和微弯损耗(μBL)。 随后,研究团队制备了HCF2,其光纤横截面如图2(a)所示,几何结构与HCF1相似,芯径在29.1 - 29.6μm之间,嵌套管直径在一定范围内变化,光纤长度达到15km,这使得损耗测量精度大幅提高。 (三)与传统光纤的性能对比 将HCF2的平均损耗与目前损耗最低的纯二氧化硅芯光纤(PSCF)进行对比(如图3(a)所示),可以明显看出,忽略气体吸收,HCF2在以1504nm为中心的424nm
(是下载xshell而不是xsell!电脑卡了个bug,我没有在Xmind或者幕布上做思维导图,因为之前已经在别的软件上买了会员,但是现在它这个软件好像有点问题,我在软件上改了,但是导出了好多遍还是没变)
芯分复用(CDM)光纤原则上主要使用两种方案。 第一种是基于单芯光纤束(光纤带)的使用,其中平行的单模光纤被封装在一起,形成光纤束或带状光缆,可提供多达数百个并行链路。 第二种方案基于在嵌入在同一根光纤,即在MCF多芯光纤 中的单芯(每个纤芯单模)上传输数据。每根纤芯都被视为一个独立的单通道。 MDM(模分复用)光纤,指在光纤的不同模式上传输数据,每个模式都可以被视为独立的信道。 MDM两种常见类型分别是多模光纤 (MMF)和少模光纤 (FMF)。 PCF 主要由SiO2、As2S3等材料制成,在纤芯周围区域引入气孔以改变纤芯和包层之间的折射率的对比。 CDM光纤可以说是简单地对并行单模纤芯的增加,承载信息,嵌入在同一包层的光纤(多芯光纤MCF或单芯光纤束)。
多芯光纤(MCF)是单芯光纤的进化版,建立在单芯光纤基础之上,单芯光纤依靠一个圆形玻璃芯,周围是玻璃包层。有了MCF,我们将包层中的芯数增加了一倍,这意味着它能以更低的每比特成本传输更多的光和信息。 所有这些都在同一根光纤中实现!这意味着在同等芯数下,使用MCF技术的光缆,使用的光纤数量更少,因此还能加快制造、测试,更便于维护。 目前,谷歌和NEC正在合作采用多芯光纤(MCF)技术,建设一条新的海底光缆系统,这在海底光缆行业尚属首次。 随着单芯光纤向MCF演进,我们期待看到一个能够为整个行业提供MCF功能的供应链生态系统的出现。 随着对在线内容、云服务和Al应用的需求不断增长,我们预计多芯光纤将成为全球电信基础设施的重要组成部分。 这是扩展海底光缆容量的一个令人兴奋的新方向,为进一步增加每根光纤的芯数铺平了道路,以满足行业的带宽需求。
MP6是一种模块化,基于标准的预端接,提高端口密度,改善连接器访问,节省数据中心空间的一套系统,MP6-1U机箱系统最多可容纳12个12芯模块盒或16个8芯模块盒,可以快速有效地安装和维护多个光纤连接支持定期移动 提供集成光纤管理功能以确保主干光缆安全,单独的跳线在光纤布线过程中保持安全的弯曲半径。 1.应用 ·光纤通道 ·数据通信应用 ·数据中心基础设施 ·存储区域网络 ·10G/40G/100G 以太网标准接口 MP6箱体组成部件 MPB6模块盒 MPB6模块盒专为优化电缆管理,即插即用,快速部署以及提高灵活性和可管理性而设计 下图的盒子从左到右依次是12芯MPB6模块盒、熔接和跳接MPB6模块盒、MPO转MPO MPB6模块盒和8芯MPB6模块盒。 光缆及连接器 1.2mm细缆径LC光纤跳线 1.2 毫米 LC 型连接器光纤跳线,作为解决布线拥堵 问题的有效解决方案之一,特别适用于高密度接插环 境。
◆ 大芯数光纤的技术演进:从成像光纤到多芯光纤的跨越 大芯数光纤的发展历程可追溯至数十年前,藤仓(Fujikura)在该领域的技术积累尤为典型。 早在1990年代,电信行业已对成像光纤产生兴趣,2000年前后,用于内窥镜的成像光纤实现商用,这类光纤以硅基玻璃为材料,拥有数千个微米级纤芯(部分产品芯数达10,000个以上),成为早期高芯数光纤的代表 2016年,19芯6模MCF的研发进一步拓展了多芯光纤的应用边界,而到2025年,高芯数光纤已形成成像光纤与多芯光纤并行发展的格局,适配不同场景需求。 此外,平面和间距转换器可实现硅波导从1D到2D的间距转换,通过光纤阵列与2D MCF、SiPh的协同,支撑高速并行传输,为CPO架构的落地提供关键支撑。 这些制约因素对大芯数光纤的结构设计提出了严苛要求。 ◆ 技术对比:大芯数MCF与成像光纤的优劣辨析 大芯数MCF与成像光纤作为两种核心高芯数解决方案,各有侧重,适用于不同场景。
多芯光纤光模块(Multi-Core Fiber, MCF)技术的出现,为解决这些痛点提供了关键方案,成为AI数据中心网络升级的核心突破口之一。 传统单芯单模光纤(SMF)的部署模式下,光纤间距成为密度瓶颈,200Gbps/lane 的部署密度仅为0.8Tbps/mm,难以匹配AI数据中心的高密度互联需求。 二、MCF技术核心:多芯并行,重塑光纤互联价值 多芯光纤的核心原理是在单根光纤中集成物理隔离的多个纤芯,实现多通道信号并行传输,且每个纤芯均与传统单模光纤兼容。 目前2x2结构的4芯MCF已成为AI数据中心部署的核心候选方案,其核心优势集中在以下维度: - 光纤数量与部署成本优化: 4芯MCF可将光纤数量减少75%(即3倍缩减),相应减少3倍的光纤接口终端 在纵向扩展场景中,2x2 MCF接口能将带宽密度提升4倍,完美匹配下一代xPU的12.8Tbps带宽需求。
空类型、空安全 为了解决类似NPE这类的问题,现代编程语言包括Kotlin解决这类问题的方法就是把运行时的错误转变成编译期的错误。 > = arrayOf(1,2,null,3,null,5,6,null) // 传统写法 for (index in arrTest) { if (index == null){ :操作符 当我们定义了一个可空类型的变量时,如果该变量不为空,则使用,繁殖使用另外一个不为空的值 val testStr : String? : 这个操作符表示在判断一个可空类型时,会返回一个我们自己设定好的默认值 !! 这个操作符在判断一个可空类型时,会抛出空指针异常 as? 这个操作符表示为安全的类型转换 !! 操作符 !! 操作符可谓是给爱好空引用异常的开发者使用,因为在使用一个可空类型变量时,在改后面加上!!操作符,会显示抛出的空指针异常 as?
新型光媒质:扩展频谱(O/E/S/C/L/U 等),引入新型光纤(空芯光纤、空分复用光纤等),利用空气 / 真空实现空间光通信。 全光网 3.0 分阶段演进策略 2030 年国际海缆新增 “Open Cable” 模式,骨干网完成高效直达建设,试点大芯数 / 空芯光纤骨干网实现 400Gb/s ROADM 扩展,城域网核心区域 1ms 2035 年国际海缆增加投产,骨干网用 G.654.E 光纤,部署空芯光纤和大芯数光缆骨干网部署 1.6Tb/s,城域网完成扁平化,接入网深度覆盖万兆构建 “星 - 空 - 地” 融合网络,试验 Tb/ 重点技术创新方向 新型光纤光缆技术:空分复用光纤(弱耦合多芯光纤)、大芯数光缆、空芯光纤(最低衰减 < 0.1dB/km)。 答案:包括三类:①空分复用光纤(弱耦合多芯光纤),适用于数据中心、海缆等空间受限场景;②基于单模光纤的大芯数光缆,适用于共建共享、管道资源稀缺场景;③空芯光纤,适用于时延敏感业务(如金融交易、算力中心互联
采用四芯光纤 通过一种新型光缆、组合了稀土元素的放大器和一个厉害的激光系统,由日本国家信息与通信研究院(NICT)的物理学家Benjamin Puttnam领导的团队,将数据传输速度达到了前所未有的水平 和大多数一芯的光缆不同,他们开发了一种四芯的多芯光纤,封装在一根和标准光缆线路尺寸差不多的电缆中。 这也是团队认为的这项研究的创新所在。 这种具有标准包层直径的4芯(多芯光纤)很适合在前期采用空分复用的高吞吐量、长距离链路传输。它与传统电缆基础设施兼容,并且具有与单模光纤相当的机械可靠性。 (此前178Tb/s的速度由三芯光纤完成。) 系统由一个梳状激光器发射多个波长的信号,并将信号分成552个信道然后将其发送到四个光纤芯。 沿途每70千米一个放大器增强信号。 最后,由于他们采用的标准包层直径的4芯光纤可以直接与现有设备连接,研究人员希望它们能够在近期实现实用的高数据速率传输,这也将有助于5G之外的新通信业务的发展。
在光纤跳线在连接设备之前一定要先检测光纤跳线是否合格,否则当光纤跳线都已全部布线好才发现故障导致光纤链路无法正常工作,到那时就会造成没有必要的麻烦。那么光纤跳线如何检测呢? 具体连接方法如下: 设备清单: ① 1U机架式空机箱满载2个配线盒 ② 8通道1470-1610nm CWDM粗波分复用器&解复用器插入式 ③1m LC/UPC-LC/UPC单模双纤OS2光纤跳线 2.0mm PVC ④ 易天光通信SFP+万兆单模光模块10G 1310nm 10km LC ⑤ S5850-48S6Q 三层交换机(48*10GE+6*40GE) ⑥ 24芯 2U 19'' 机架式光纤配线架( ODF) ⑦ 12芯多模OM2 50/125μm 非铠装单护套层绞式松套管FRP加强件室外防水光缆 ⑧ 1.5m 12芯LC/UPC单模束状圆缆光纤尾纤0.9mm PVC ⑨ LC/UPC -LC/UPC CWDM无源波分复用器; 2.先将两个CWDM无源波分复用器放置在1U机架式光纤配线箱中(方便管理),然后使用单模光纤跳线将两个CWDM无源波分复用器连接; 3.使用单模光纤跳线和单模光模块将CWDM无源波分复用器与交换机连接即可
总的来看,目前国内光通信行业的关注重点,集中在以下几个方向: 1、400G的全面落地 2、G.654.E光纤的加速部署 3、LPO的崛起 4、FTTR和50G PON 5、高性能算力集群网络 接下来, 在光纤光缆方面,还有两个重要的技术方向值得关注。 首先,第一个,是空分复用的多芯少模光纤。 空分复用的多芯少模光纤已经成为突破Pbps容量的可行路径。 粤港澳大湾区建设的超级光网络,总长度超过160公里,连接广州和深圳,采用烽火自主的空分复用光纤光缆技术,打造了目前世界上距离最长、容量最大的空分复用光通信系统。 另一个重要方向,是空心光纤。 空心光纤,顾名思义,光纤中心是一个空气或真空芯,而不是玻璃或其他材料。它被认为是一种颠覆性技术,具有大带宽、低时延、低损耗的特点,被广泛看好。 空芯光纤还有一个非常重要的特点,就是具有超低的非线性。 目前,空芯光纤的行业关注度很高。它在光缆结构标准化以及跟传输系统之间的协同创新还处于早期阶段,有很多机构都在参与预研。