互联网并非一个单一、静态的存在；它是一个庞大且不断呼吸的网络，必须不断扩张以应对云计算和人工智能产生的海量数据流。随着这些技术的发展，连接数据中心的物理电缆正面临着一个关键的瓶颈：它们正趋于通过标准单束光传输信息的极限。工程师们正在寻找方法，试图在不铺设全新的、昂贵的网络的情况下，从现有基础设施中挤出更多容量。一种极具前景的方法是使用特殊的、足够宽以承载多条光路径的光纤，同时通过某种管理方式保持信号纯净。这种被称为“准单模传输”的策略，试图将数据主要沿一条主路径发送，同时接受一小部分光可能会逸散到其他路径的事实，只要这些逸散信号能通过先进的计算机处理得到控制。其目标是找到一种既能提供标准电缆般的低信号损耗，又具备未来升级至海量数据传输速度潜力的光纤。
在最近的一项研究中，研究人员致力于测试一种新型的超低损耗少模光纤，专门用于数据中心之间短距离、高速的链路。这些链路（通常称为数据中心互连）需要在仅几公里的距离内传输海量数据。团队专注于一种芯径为 19 的新型光纤，这比标准电缆约 10.5 的芯径要宽得多。这种更宽的芯径允许光纤支持两种不同的光传输模式，但研究人员设计实验时，主要通过主模式发送数据，将该光纤视为单车道，同时承认存在第二条未使用的车道。他们在 24 公里的跨度上测试了这一设置，这一距离是连接大型设施的典型距离，并将其实际表现与标准的高质量单模光纤进行了对比。
这种方法的主要挑战是一种被称为“多径干扰”的现象。当光在光纤中传输时，微小的缺陷或连接会导致一小部分信号泄漏到次级模式中。这部分泄漏的光以略微不同的速度传播，并最终与主信号重新结合，产生一种扭曲数据的“幽灵回声”。为了了解这种效应的影响程度，团队开发了一种无需停止数据流量即可测量它的方法。他们使用数学模型将由光纤本身引起的噪声与由设备引起的噪声分离开来，从而能够隔离这些信号回声带来的特定影响。他们还通过一个使用简单、非调制激光器的独立装置直接测量功率波动，验证了这些发现。两种方法均一致表明，虽然存在干扰，但它是可控的，且在数据传输所使用的整个颜色范围内，信号降解都保持在相对较低的水平。
随后，研究人员通过使用复杂的信号格式来测试系统的极限。他们测试了携带 42 吉巴波特（gigabaud）数据的信号，这一速率代表了大量的信息，并采用了被称为 256-QAM 的高级编码方案。尽管存在信号失真的潜在可能，但这种新光纤的表现非常出色。与现有的最佳标准单模光纤相比，这种新电缆的信号质量仅出现了极其轻微的下降，惩罚值约为 0.3 分贝。这一微小的差异在实际应用中可以忽略不计，表明该光纤完全可以应对现代数据中心沉重的交通负荷而不会出现显著问题。团队还探索了不同的数字处理技术如何能够净化信号。他们发现，虽然复杂的算法可以进一步减少干扰，但即使是标准的处理方法也足以维持高性能。
最重要的发现之一是，该光纤的设计在最小化信号损耗的同时，实际上有助于抵消干扰带来的问题。由于该光纤在传输过程中的光损耗极低，信号到达接收端时比在标准电缆中要强得多，这补偿了轻微的失真。研究证实，这种新型光纤是数据中心网络中可立即使用的可靠候选方案。它为当下的高容量提供了路径，同时也为未来的升级留下了空间。如果网络运营商最终需要同时通过两条光路径发送数据以使容量翻倍，这种光纤已经具备了处理这种需求的能力。目前，这项研究证明了这些先进电缆可以作为可靠、高速的“劳模”，架起连接当前需求与未来海量数据需求的桥梁。
技术摘要：基于超低损耗少模光纤的准单模传输用于数据中心互连
问题陈述
受云计算和人工智能的驱动，数据中心网络面临着快速增长的吞吐量需求，这需要高集成密度的可扩展架构。虽然空间分割复用（SDM）提供了一条路径，但保持与现有基础设施的兼容性至关重要。准单模（QSM）传输旨在利用少模光纤（FMF）中的基模 LP01，通过利用 FMF 的大有效面积来降低非线性干扰（NLI），这提供了一个潜在的解决方案。然而，QSM 传输本质上易受线性多径干扰（MPI）的影响，即信号副本耦合到高阶模（如 LP11）并干扰目标模。这种 MPI 通常会限制性能，特别是在最佳发射功率下。虽然之前的研究探讨了长途环境下的 QSM，但仍需针对数据中心互连（DCI）距离对超低损耗（ULL）FMF 进行表征，并开发无需中断实时业务的 MPI 评估方法。
方法论
作者实验研究了一种新型碱金属掺杂、二氧化硅芯的 ULL FMF，该光纤在 24 km 跨距内支持 LP01 和 LP11 模式。该光纤具有 19 μm 的芯径，导致在 1550 nm 处的模场直径（MFD）为 14.2 μm。实验装置采用单跨距配置，将 ULL FMF 与标准 25 km 超低损耗单模光纤（SMF，称为光纤 A）进行对比。
关键方法组成部分包括：
- 传输格式： 实验采用了 10-Gbaud 单边带（SSB）信号和 42-Gbaud 双偏振（DP）256-QAM 信号。使用 SSB 是为了减轻收发器 I/Q 不平衡，并防止寄生信号镜像被误认为是 MPI。
- 信号调理： 为了确保低损耗注入和高阶模滤波，在 ULL FMF 的两端分别通过大有效面积“桥接光纤”（20 m 的 14 μm MFD SMF）进行熔接。
- 数字信号处理（DSP）： 采用了标准的相干 DSP 链。其中包括时域最小二乘（LS）信道估计、频域迫零均衡，以及在特定测试中使用的全监督半径定向均衡器（RDE）和数字反向传播（DBP）。
- MPI 估算： 使用了两种不同的方法来量化整个 C 波段内的 MPI：
- 解析建模： 将修正的高斯噪声模型拟合到实验性的信噪比（SNR）迹线上。通过隔离收发器、放大器自发辐射噪声（ASE）和非线性干扰（NLI）的贡献，将剩余的 SNR 退化归因于 MPI（SNRMPI）。
- 功率波动测量： 使用连续波（CW）激光器在 C 波段内进行扫描，并分析功率样本，以根据相对于平均功率的标准差计算 MPI。
主要贡献
- 用于 DCI 的 ULL FMF 实验表征： 本文通过对特定新型 ULL FMF 在 24 km DCI 距离下的 QSM 传输进行实验评估，扩展了之前的研究结果，并将其与最先进的 SMF 进行了基准对比。
- 在业务运行中的 MPI 监测模型： 作者提出了一个经过验证的修正高斯噪声模型，能够从标准传输迹线中估算 MPI。这实现了无需中断业务的在业务评估，并与专门的功率波动测量结果表现出高度一致性。
- 均衡与 DBP 的影响： 研究分析了均衡器长度和数字反向传播对系统性能的影响，证明了足够长的滤波器可以有效减轻 MPI 惩罚。
- 高容量演示： 该工作展示了在 ULL FMF 上传输高达 42-Gbaud DP-256-QAM 信号且性能退化极小的可行性。
结果
- SNR 性能： 在最佳发射功率下，当使用标准 DSP（41 抽头的 LS 估计）时，ULL FMF 与光纤 A 相比表现出约 1 dB 的性能退化，这主要归因于 MPI。然而，当使用长达 1401 抽头的 RDE 均衡器时，性能差距显著缩小，接近排除 MPI 后的理论 SNR 极限。
- MPI 量化： 解析模型估算的 ULL FMF 的 MPI 为 -32.4 dB，这与功率测量结果一致，后者显示 C 波段内的 MPI 值约为 -33 dB。
- 信号速率依赖性： 对于 10-Gbaud SSB 信号，观察到约 1 dB 的惩罚。对于 42-Gbaud 信号，差距缩小至约 0.3 dB，因为此时系统性能受限于收发器噪声而非 MPI。
- 数字反向传播（DBP）： DBP 为标准 SMF 提供了适度的 SNR 提升（~0.1 dB），但对 ULL FMF 的增益有限，因为对于后者而言，MPI 仍然是限制因素。
- 损耗特性： ULL FMF 展示了比光纤 A 更低的衰减，导致在 ASE 受限机制下，接收到的 SNR 高出约 0.5 dB。
意义与主张
本文声称，新型 ULL FMF 是可扩展、高容量数据中心互连的有力候选方案。研究结果强调，虽然 MPI 会引入轻微的信噪比惩罚（对于高阶调制，惩罚低至 ~0.3 dB），但该光纤的超低损耗和大有效面积提供了优于标准 SMF 的性能优势，特别是在 ASE 和 NLI 受限机制下。作者断言，该技术支持当前的 DCI 需求，同时保留了未来升级到全空间分割复用的潜力。研究还强调了所提出的解析 MPI 模型在无需中断业务的情况下监测网络健康状况的实用性。作者对未来的 SDM 性能保持谨慎，指出该光纤特定的 SDM 能力是未来研究的主题。
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