高速光互连低损耗石英光纤信道特性的深度探究

摘要：在高速光互连领域，低损耗石英光纤信道的特性对高速数据传输系统的性能起着关键作用。深入了解这些特性，有助于突破信道限制，提升系统性能。国仪光子在光纤技术研发及相关领域不断投入，其产品为光互连技术发展提供了有力支撑。

在高速光互连领域，低损耗石英光纤信道的特性对高速数据传输系统的性能起着关键作用。深入了解这些特性，有助于突破信道限制，提升系统性能。国仪光子在光纤技术研发及相关领域不断投入，其产品为光互连技术发展提供了有力支撑。

高速光互连中低损耗石英光纤信道的优势

在现代高速数据传输中，低损耗石英光纤信道与传统电背板连接的频率响应特性差异明显。低损耗石英光纤信道在宽带范围内能保持相对稳定的响应，而电信道存在严重衰减，且衰减程度随频率急剧上升。光互连技术不仅可突破信道限制，还能降低系统复杂度与功耗。波分复用技术的应用，进一步提升了光互连在电信及数据中心连接等领域的价值。

光纤技术的物理基础

低损耗石英光纤的结构与传播原理

低损耗石英光纤是光通信的核心，基于全内反射原理对光信号进行长距离限制和传播。低损耗石英光纤由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成，当 n₁>n₂（n₁ 为纤芯折射率，n₂ 为包层折射率）时满足全内反射条件。光以合适角度进入低损耗石英光纤后，会在芯 - 包层界面不断反射传播，极少逸散。

光在低损耗石英光纤内的传播与模式概念相关，模式是光在纤维边界反射时形成的满足共振条件的特定干涉图样。根据支持传播模式的数量，低损耗石英光纤可分为多模低损耗石英光纤和单模低损耗石英光纤，这种分类对系统性能和应用场景影响深远。国仪光子设计生产的多种石英光纤，如抗紫外石英光纤、深紫外石英光纤等，基于对光纤物理原理的深刻理解，具备高通量特点。

多模低损耗石英光纤特性分析

多模低损耗石英光纤纤芯直径较大（一般为 50 或 62.5 微米），易于耦合光，降低了组装成本和对准要求。但大直径允许多个传播模式同时存在，导致模式色散成为主要性能限制因素。不同模式传播路径长度不同，到达接收端的时间存在差异，会导致脉冲展宽。例如，一公里的多模低损耗石英光纤脉冲展宽可达约 113 皮秒，限制了其在长距离、高数据速率传输中的应用。不过，在建筑规模的计算机互连和较短的数据中心链路中，多模低损耗石英光纤仍有应用价值。国仪光子的多模低损耗石英光纤在这些场景中能满足相应性能需求。

单模低损耗石英光纤：长距离传输的优选

单模低损耗石英光纤纤芯直径较小（通常为 8 - 10 微米），将光的传播限制为一个横向模式（可有两个正交偏振态）。小纤芯直径增加了制造成本和对准要求，但在长距离传输方面优势显著。单模低损耗石英光纤消除了模式色散影响，可实现超过一百公里的无脉冲展宽传输。在十公里以下的数据中心规模互连中，光纤损耗和色散等因素影响通常可忽略不计。国仪光子的单模低损耗石英光纤为长距离数据传输提供了可靠保障。

低损耗石英光纤的损耗与传输窗口

石英玻璃低损耗石英光纤的损耗与波长有关，主要源于瑞利散射、材料杂质吸收等物理机制。损耗谱中存在几个传输窗口，在这些窗口处衰减达到局部最小值。例如，标准石英玻璃低损耗石英光纤在 1550 纳米附近损耗最低，约为 0.25 分贝每公里，远低于射频同轴电缆在十吉赫兹时约 500 分贝每公里的损耗。1550 纳米附近区域带宽较宽，分为 C 波段（1530 - 1565 纳米）和 L 波段（1565 - 1625 纳米）；1310 纳米附近的 O 波段（1260 - 1360 纳米）光纤色散接近零；850 纳米附近的窗口常用于短距离通信。国仪光子的低损耗石英光纤产品在不同传输窗口均有良好表现，能满足多样化应用需求。

提升容量的波分复用技术

单模低损耗石英光纤虽仅支持一个传播模式，但波分复用技术可显著增加其信息承载容量。该技术允许多个独立信道通过不同光波长共享同一低损耗石英光纤，每个波长承载单独调制的数据流。波分复用有效利用了低损耗石英光纤的几太赫兹带宽，避免了高速率调制单一波长的技术难题，使总数据速率轻松达到每秒太比特级别，成为现代长途电信系统和数据中心互连的基础技术。国仪光子在波分复用技术应用方面不断创新，推动了光通信系统容量的提升。

高速通信的限制因素

带宽限制与色散效应

尽管低损耗石英光纤具有极宽的低损耗带宽，但高速通信仍受色散影响。色散源于折射率的波长依赖性，导致不同频谱分量在低损耗石英光纤中传播速度不同。色散通过色散参数 D 表征，标准单模低损耗石英光纤在 1550 纳米处的色散参数约为 17 皮秒每纳米 - 公里，会使信号不同波长分量产生时延差，导致接收端脉冲展宽。低损耗石英光纤带宽有光载波带宽和调制信号带宽两种定义，调制信号带宽常受色散限制。波分复用技术可绕过这一限制，实现每秒太比特级别的通信速率。

光学系统中的色散类型

色散在光学系统中有多种表现形式。模式色散主要存在于多模低损耗石英光纤中，不同传播模式传播速度不同，导致脉冲时间展宽，是多模系统的主要限制因素。单模低损耗石英光纤也会受色散影响，脉冲展宽取决于低损耗石英光纤的色散参数和发射器的频谱线宽。此外，偏振模色散是由于水平和垂直偏振模式传播速度略有差异引起的，具有统计不确定性，但在十公里以下的数据中心规模互连中，其影响通常可忽略不计。

量化色散对脉冲的影响

为准确理解色散对信号的影响，需研究低损耗石英光纤的脉冲响应。对于高斯光源，信道脉冲响应可通过数学公式表达，理想脉冲输入在输出端会扩展为高斯脉冲，其扩展的双西格玛宽度与色散参数、低损耗石英光纤长度和源线宽的乘积相关。当输入脉冲和低损耗石英光纤脉冲响应均为高斯型时，输出脉冲宽度可通过特定公式计算。在非归零调制系统中，为保证系统性能，通常将色散引起的扩展限制在小于半个比特周期，对应低损耗石英光纤的三分贝带宽应超过比特率的 0.75 倍。

非线性效应及应对策略

当光功率水平过高时，低损耗石英光纤中会出现自相位调制、交叉相位调制、受激拉曼散射、受激布里渊散射和四波混频等非线性效应，这些效应会扭曲或衰减光信号。为缓解非线性效应的影响，可采取降低光功率水平、使用前向纠错补偿误码率劣化等策略。采用具有适度色散的低损耗石英光纤，可使不同波长以不同速度传播，减少相互作用时间。在十公里以下的短距离数据中心互连中，在合适的功率水平下，非线性效应通常可得到有效控制。

片上集成的硅基光电子波导

随着集成化趋势的发展，与标准硅工艺兼容的光子波导应运而生。常见的硅基光电子波导架构有脊形波导和线型或矩形波导，硅与二氧化硅之间的高折射率对比使得亚微米横截面尺寸的单模操作成为可能。绝缘体上硅工艺能提供足够的垂直光学模式限制，但在体硅工艺中实现光电子技术存在挑战。替代方法是在金属化层上方的后端工艺中制造波导和光器件，可减少有源区域消耗，并实现晶体管和光器件工艺的独立优化。国仪光子在硅基光电子波导技术方面深入研究，其产品在实现紧凑光电子集成芯片方面具有一定优势。

低损耗石英光纤与集成光电子技术的光耦合

在低损耗石英光纤的大模式与硅波导的微小模式之间实现有效光传输是一个难题。直接对接或边缘耦合效率极低，通常会产生约 20 分贝的损耗。为解决这一问题，已开发出多种耦合方法。垂直渐变波导可在芯片边缘逐渐增加波导高度，实现低损耗石英光纤模式到波导模式的绝热转换；反向渐变波导则通过降低波导高度，使光学模式更好地匹配低损耗石英光纤模式。表面光栅耦合器允许低损耗石英光纤从芯片表面上方以特定角度引入，虽效率略有损失，但顶面接入的便利性较高。国仪光子在光耦合技术方面不断创新，致力于提高光传输效率。

实际链路预算考量

设计完整的光链路时，需精确计算从光源到探测器的所有损耗。以基于垂直腔面发射激光器的 850 纳米多模低损耗石英光纤链路为例，要考虑激光器功率、消光比、光调制幅度以及各环节的耦合损耗等因素。可实现的链路距离受低损耗石英光纤损耗和色散的限制。不同类型的低损耗石英光纤和系统在不同数据速率下，传输距离的限制因素也不同。例如，高性能 OM5 多模低损耗石英光纤在 25G 比特每秒链路中，约 250 米处就会受模式色散限制；单模低损耗石英光纤系统在不同波长下的性能表现也存在差异，在 1310 纳米处操作可在高数据速率下获得更大的传输距离优势。