一种基于弱耦合的多芯光纤及数据中心光互连系统的制作方法

1.本技术涉及光通信技术领域，特别涉及一种基于弱耦合的多芯光纤及数据中心光互连系统。

背景技术：

2.随着云计算和大数据的普遍应用，数据中心作为云计算的核心基础设施，其计算能力和内部数据交换能力也呈现出指数级的发展。对于数据中心来说，其内部服务器以及交换机间普遍采用光模块或aoc电缆进行互联。现代新一代的数据中心为了应对数据流量的增长以及兼顾更灵活的扩容升级和冗余备份能力，普遍开始采用以facebook公司倡导的spine-leaf的网络架构，数据中心内部的数据交换和吞吐能力更强，同时网络结构也更加扁平化和密集。因此，现代大规模数据中心对于光模块的需求量及光纤资源的需求量非常大，光互联的成本占了网络成本的很大比例，如何选择合适的技术同时兼顾技术发展和建设及运维成本是巨大的挑战。从技术需求来说，数据中心的光模块选择主要考虑的是传输距离、速率、密度和功耗。
3.从传输距离来说，其应用场景主要分为以下几个方面：
4.《20m，主要用于机柜内部的服务器和tor交换机互联，目前数据速率以10g、25g为主，正在向50g或100g过渡。实现方式以dac(直接连接的铜线电缆)或aoc(有源光缆)电缆为主。
5.《500m，主要用于数据中心同一机房内leaf到spine交换机的互联。目前数据速率以40g、100g为主，正在向400g过渡。其中100m以下的短距离主要以850nm的多模(mm)光纤为主；100m～500m距离多采用1310nm波长的单模(sm)光纤，出于成本考虑主要采用并行单模(psm)技术。
6.《10km，主要用于数据中心楼宇间交换机或路由器的互联。目前数据速率以100g为主，正在向400g过渡。这个距离上光纤的成本占比已经较大，因此多采用波分复用技术在单根光纤上传输更多路信号，以1310nm波长的粗波分复用(cwdm)技术为主，部分短距离(500m～2km)场合仍可以使用psm技术。
7.》10km，主要用于多个数据中心间的互联(dci)。目前实现方式以100g+dwdm(密集波分复用为主)，未来80km以上主要采用400g相干通信+dwdm，80km以下也有采用pam4+dwdm的实现方式。传输波长以1550nm波长为主，通过dwdm方式在单根光纤上实现40～80个波长的复用来达到4t～32t的传输速率。部分短距离(10km～40km)、速率要求不高的场合仍可以使用1550nm波长的cwdm技术。
8.近年来，多芯光纤成为光纤通信研究的热点。数据中心光互连作为网络相对简单的点到点大容量光传输典型应用场景，非常适合利用多芯光纤提升单纤容量和端口密度。
9.多芯光纤分为非耦合型和强耦合型两种。
10.非耦合光纤的芯与芯之间功率耦合几乎可以忽略(一般低于-40db/km)，因此每个纤芯都可以认为是独立信道，每个芯中传输同波长光信号时不需要考虑信道之间的串扰问
题，从而避免了使用复杂的数字信号处理算法。但是，非耦合多芯光纤为了消除相邻芯间串扰，导致其制造工艺和成本较为复杂，而且相邻的芯之间需要较宽的隔离沟槽导致芯间间隔变大，这就使得这种多芯光纤在芯数较多的情况下其总体截面积较大，成缆性、可弯折性等机械性能显著降低，限制了非耦合型多芯光纤在实际工程中的应用。
11.强耦合多芯光纤与非耦合多芯光纤的区别在于，纤芯之间的串扰不能忽略(一般大于-10db/km)。这种光纤的优点在于制备工艺简单、成本较低，同时在纤芯几何分布相同且纤芯数相同的条件下，由于其不需要隔离沟槽，因此芯间距远小于非耦合型多芯光纤，因此强耦合多芯光纤的总体截面积可以大大小于弱耦合多芯光纤，其传输效率和成缆性均好于非耦合多芯光纤。但其最大的缺点在于，当各个纤芯传输的光信号是同向且同波长时，这些传输信号之间会存在明显的信号串扰，如果要消除这种串扰则必须在在传输信号中引入复杂的数字信号处理算法，既增加了收发端的复杂度和功耗，又使得每个纤芯之间的光信号失去了独立性，必须同时对数个纤芯中的信道进行调制和解调，大大增加了系统复杂度。

技术实现要素：

12.本技术实施例提供一种基于弱耦合的多芯光纤及数据中心光互连系统，可以降低总体截面积，提高光纤的成缆性、可弯折性等机械性能，实现纤芯信道几乎无串扰的双向点到点数据传输。
13.第一方面，提供了一种基于弱耦合的多芯光纤，其包括包层以及位于所述包层内的多个纤芯，每一个所述纤芯的外围设有一个隔离沟槽；且所述多芯光纤满足如下条件：
14.条件一：在任意的间距为d的两个相邻纤芯之外，不存在任何一个纤芯与该两个相邻的纤芯的间距同时小于等于d；
15.条件二：在任意的三个相邻的纤芯中，位于外侧的两个纤芯的间距小于等于2d，且大于等于λd，其中，0≤λ＜2。
16.一些实施例中，λ取值为2的开平方。
17.一些实施例中，两个相邻纤芯的间距d＝2(r+d1)+d2；
18.其中，r为纤芯的半径，d1为隔离沟槽的宽度，d2为两个相邻纤芯的隔离沟槽之间的距离。
19.一些实施例中，所述隔离沟槽的宽度d1的取值范围为r/2～r/4，r为纤芯的半径。
20.一些实施例中，两个相邻纤芯的隔离沟槽之间的距离d2的取值范围为0～2r+2d1，r为纤芯的半径，d1为隔离沟槽的宽度。
21.一些实施例中，两个相邻纤芯的隔离沟槽之间的距离d2的取值为0。
22.一些实施例中，所述纤芯的数量为偶数个。
23.一些实施例中，所述纤芯有6个，且呈六边形排列。
24.一些实施例中，所述纤芯有24个，其中6个纤芯位于所述包层中心，并呈六边形排列，以形成位于中心的六边形结构，其余的18个纤芯在位于中心的六边形结构外排列，以形成6个位于外围的六边形结构，且位于中心的六边形结构和6个位于外围的六边形结构中，任意相邻的两个六边形结构共用两个相邻的纤芯。
25.第二方面，提供了一种数据中心光互连系统，其包括：
26.如上任一所述的基于弱耦合的多芯光纤；
27.两个扇入扇出器件，其分别连接于所述多芯光纤的两端；
28.多个收发端，所述收发端包括分别连接在两个扇入扇出器件上的光信号接收端和光信号发送端，所述收发端的光信号接收端、光信号发送端通过两个扇入扇出器件与所述多芯光纤中的一个纤芯连通，以形成光传输信道；
29.以及，所述扇入扇出器件上的光信号接收端和光信号发送端交叉分布，以使相邻两条光传输信道中光信号的传输方向相反。
30.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
31.本技术实施例提供了一种基于弱耦合的多芯光纤及数据中心光互连系统，本技术采用条件一进行限定，保证了该多芯光纤中除了芯间距离最近的纤芯之间串扰不可忽视之外，与其余的纤芯之间的串扰由于纤芯之间的距离较大可以忽略不计，使用时，使相邻的两个纤芯中的光信号传输方向相反，则可以保证芯间距离最近的纤芯之间串扰忽略不计，从而使得所有的纤芯之间的串扰可以忽略不计，进而尽可能地避免强耦合多芯光纤存在的信号串扰明显的问题，实现纤芯信道几乎无串扰的双向点到点数据传输；同时采用条件二进行限定，保证在与其余的纤芯之间的串扰可以忽略不计的情况下，尽可能地克服非耦合多芯光纤存在的总体截面积大、光纤的成缆性、可弯折性等机械性能差的问题，因为本技术每个纤芯之间的隔离沟槽宽度可以大大降低，甚至可以使相邻两个纤芯的隔离沟槽之间的间距为0，这样大大地减小纤芯之间的距离，从而降低总体截面积，提高光纤的成缆性、可弯折性等机械性能。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本技术实施例提供的基于弱耦合的多芯光纤示意图(6芯)；
34.图2为本技术实施例提供的基于弱耦合的多芯光纤示意图(24芯)；
35.图3为本技术实施例提供的数据中心光互连系统示意图。
36.图中：1、包层；2、隔离沟槽；3、纤芯；4、扇入扇出器件；5、光信号接收端；6、光信号发送端。
具体实施方式
37.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
38.参见图1所示，本技术实施例提供了一种基于弱耦合的多芯光纤，该多芯光纤包括包层1以及位于包层1内的多个纤芯3，每一个纤芯3的外围设有一个隔离沟槽2；且多芯光纤满足如下条件：
39.条件一：在任意的间距为d的两个相邻纤芯3之外，不存在任何一个纤芯3与该两个
相邻的纤芯3的间距同时小于等于d。
40.比如，参见图1所示，纤芯3有6个，并在图中每个纤芯中编号，如1号芯、2号芯、...、6号芯，如果将1号芯和2号芯定位相邻的两个纤芯3，则3号芯、...、6号芯中，不会出现一个纤芯3，与1号芯和2号芯的间距同时小于等于d，要么与1号芯和2号芯的间距都大于d，要么与1号芯和2号芯中的其中一个的间距等于d，与另一个的间距大于d，比如3号芯与1号芯的间距等于d，但是与2号芯的间距大于d，或者4号芯与2号芯的间距等于d，但是与1号芯的间距大于d，而5号芯和6号芯类似，与1号芯和2号芯的间距都大于d。
41.条件二：在任意的三个相邻的纤芯3中，位于外侧的两个纤芯3的间距小于等于2d，且大于等于λd，其中，0≤λ＜2。
42.比如，参见图1所示，3号芯、1号芯和2号芯是三个相邻的纤芯3，3号芯和2号芯为位于外侧的两个纤芯3。
43.本技术采用上述条件一进行限定，保证了该多芯光纤中除了芯间距离最近的纤芯之间串扰不可忽视之外，与其余的纤芯之间的串扰由于纤芯之间的距离较大可以忽略不计，使用时，使相邻的两个纤芯中的光信号传输方向相反，则可以保证芯间距离最近的纤芯之间串扰忽略不计，从而使得所有的纤芯之间的串扰可以忽略不计，进而尽可能地避免强耦合多芯光纤存在的信号串扰明显的问题，实现纤芯信道几乎无串扰的双向点到点数据传输；同时采用上述条件二进行限定，保证在与其余的纤芯之间的串扰可以忽略不计的情况下，尽可能地克服非耦合多芯光纤存在的总体截面积大、光纤的成缆性、可弯折性等机械性能差的问题，因为本技术每个纤芯之间的隔离沟槽宽度可以大大降低，甚至可以使相邻两个纤芯的隔离沟槽之间的间距为0，这样大大地减小纤芯之间的距离，从而降低总体截面积，提高光纤的成缆性、可弯折性等机械性能。
44.本技术提供的多芯光纤，其纤芯3的数量为偶数个。比如作为示例，参见图1所示，纤芯3有6个，并在图中每个纤芯中编号，如1号芯、2号芯、...、6号芯，且呈六边形排列。
45.再比如，作为另一个示例，参见图2所示，纤芯3有24个，并在图中每个纤芯中编号，如1号芯、2号芯、...、24号芯，其中6个纤芯3位于包层1中心，并呈六边形排列，以形成位于中心的六边形结构，其余的18个纤芯3在位于中心的六边形结构外排列，以形成6个位于外围的六边形结构，且位于中心的六边形结构和6个位于外围的六边形结构中，任意相邻的两个六边形结构共用两个相邻的纤芯3。
46.进一步地，上述λ取值为2的开平方，也即λ＝1.41。
47.参见图1所示，两个相邻纤芯3的间距d＝2(r+d1)+d2；其中，r为纤芯3的半径，r大于0，d1为隔离沟槽2的宽度，d2为两个相邻纤芯3的隔离沟槽2之间的距离。
48.隔离沟槽2的宽度d1的取值范围为r/2～r/4，r为纤芯3的半径。
49.两个相邻纤芯3的隔离沟槽2之间的距离d2的取值范围为0～2r+2d1，r为纤芯3的半径，d1为隔离沟槽2的宽度。
50.为了尽可能地减少总体截面积，两个相邻纤芯3的隔离沟槽2之间的距离d2的取值为0，比如图2所示，两个相邻纤芯3的隔离沟槽2紧挨。
51.参见1和图3所示，本技术实施例还提供了一种数据中心光互连系统，该系统包括两个扇入扇出器件4、多个收发端以及上述任一实施例提供的基于弱耦合的多芯光纤；其中，两个扇入扇出器件4分别连接于多芯光纤的两端；收发端包括分别连接在两个扇入扇出
器件4上的光信号接收端5和光信号发送端6，收发端的光信号接收端5、光信号发送端6通过两个扇入扇出器件4与多芯光纤中的一个纤芯3连通，以形成光传输信道；扇入扇出器件4上的光信号接收端5和光信号发送端6交叉分布，以使相邻两条光传输信道中光信号的传输方向相反。
52.收发端的光信号接收端5和光信号发送端6分别连接在两个扇入扇出器件4上，并且扇入扇出器件4上的光信号接收端5和光信号发送端6交叉分布，使得相邻两条光传输信道中光信号的传输方向相反。
53.比如，参见图3所示，光纤有6个纤芯3，相应地，收发端有6个，且自上而下排列，第一个收发端的光信号发送端6在左侧的扇入扇出器件4上，第一个收发端的光信号接收端5在右侧的扇入扇出器件4上，1号芯与第一个收发端的光信号接收端5和光信号发送端6形成第一条光传输信道，在该光传输信道中，光信号沿方向1传输。
54.第二个收发端的光信号发送端6在右侧的扇入扇出器件4上，第二个收发端的光信号接收端5在左侧的扇入扇出器件4上，2号芯与第二个收发端的光信号接收端5和光信号发送端6形成第二条光传输信道，在该光传输信道中，光信号沿方向2传输。
55.第三个收发端的光信号发送端6在左侧的扇入扇出器件4上，第三个收发端的光信号接收端5在右侧的扇入扇出器件4上，3号芯与第三个收发端的光信号接收端5和光信号发送端6形成第三条光传输信道，在该光传输信道中，光信号沿方向1传输。
56.第四个收发端的光信号发送端6在右侧的扇入扇出器件4上，第四个收发端的光信号接收端5在左侧的扇入扇出器件4上，4号芯与第四个收发端的光信号接收端5和光信号发送端6形成第四条光传输信道，在该光传输信道中，光信号沿方向2传输。
57.以此类推，相邻两条光传输信道中光信号的传输方向相反，也就是按照同向传输的光信号所传输的纤芯互不相邻的原则设计。由于每一个纤芯中传输的光信号方向与其相邻距离最近的纤芯中传输的光信号方向相反，因此其相互之间的光信号串扰极小，而与其余的同向传输纤芯之间的串扰由于纤芯之间的距离过大和隔离沟槽的存在可以忽略不计。这样就使得系统中所有纤芯中的相互串扰可以忽略不计，可以将每个纤芯看做彼此独立的信道，无需引入复杂的数字信号处理算法，同时大大降低了组网的复杂度。
58.实施例
59.参见图1所示，实施例1为一个6芯的多芯光纤。该纤芯几何分布中，每个纤芯的半径r为6um，每个纤芯周围的隔离沟槽宽度d1为2um，相邻纤芯隔离沟槽之间的最距离d2为5um，则相邻纤芯之间的距离d＝21um。多芯光纤纤芯的几何分布结构满足以下两个条件：
60.(1)任意两个间隔距离为21um的纤芯之外，不存在任何一个纤芯与这两个纤芯的间隔距离同时小于或等于21um。
61.(2)任意三个相邻纤芯中，位于外侧的距离较大的两个纤芯之间的间隔距离小于等于42um，且大于等于29.6um，且这样的间隔距离可以保证这两个纤芯之间的串扰可以忽略。
62.参见图3所示，在长度为10公里的这种6芯光纤中分别传输6路同波长的光信号，信号波长为1550nm。系统按照同向传输的光信号所传输的纤芯互不相邻的原则选择。1/3/5号纤芯传输一个方向的光信号(方向1)，2/4/6号纤芯传输另一个方向的光信号(方向2)。由于每一个纤芯中传输的光信号方向与其相邻距离最近的纤芯中传输的光信号方向相反，因此
其相互之间的光信号串扰极小，而与其余的同向传输纤芯之间的串扰由于纤芯之间的距离过大和隔离沟槽的存在可以忽略不计。这样就使得系统中所有纤芯中的相互串扰可以忽略不计，可以将每个纤芯看作彼此独立的信道，无需引入复杂的数字信号处理算法，同时大大降低了组网的复杂度。
63.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
64.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
65.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：

1.一种基于弱耦合的多芯光纤，其特征在于，其包括包层(1)以及位于所述包层(1)内的多个纤芯(3)，每一个所述纤芯(3)的外围设有一个隔离沟槽(2)；且所述多芯光纤满足如下条件：条件一：在任意的间距为d的两个相邻纤芯(3)之外，不存在任何一个纤芯(3)与该两个相邻的纤芯(3)的间距同时小于等于d；条件二：在任意的三个相邻的纤芯(3)中，位于外侧的两个纤芯(3)的间距小于等于2d，且大于等于λd，其中，0≤λ＜2。2.如权利要求1所述的基于弱耦合的多芯光纤，其特征在于：λ取值为2的开平方。3.如权利要求1所述的基于弱耦合的多芯光纤，其特征在于：两个相邻纤芯(3)的间距d＝2(r+d1)+d2；其中，r为纤芯(3)的半径，d1为隔离沟槽(2)的宽度，d2为两个相邻纤芯(3)的隔离沟槽(2)之间的距离。4.如权利要求1所述的基于弱耦合的多芯光纤，其特征在于：所述隔离沟槽(2)的宽度d1的取值范围为r/2～r/4，r为纤芯(3)的半径。5.如权利要求1所述的基于弱耦合的多芯光纤，其特征在于：两个相邻纤芯(3)的隔离沟槽(2)之间的距离d2的取值范围为0～2r+2d1，r为纤芯(3)的半径，d1为隔离沟槽(2)的宽度。6.如权利要求5所述的基于弱耦合的多芯光纤，其特征在于：两个相邻纤芯(3)的隔离沟槽(2)之间的距离d2的取值为0。7.如权利要求1所述的基于弱耦合的多芯光纤，其特征在于：所述纤芯(3)的数量为偶数个。8.如权利要求7所述的基于弱耦合的多芯光纤，其特征在于：所述纤芯(3)有6个，且呈六边形排列。9.如权利要求7所述的基于弱耦合的多芯光纤，其特征在于：所述纤芯(3)有24个，其中6个纤芯(3)位于所述包层(1)中心，并呈六边形排列，以形成位于中心的六边形结构，其余的18个纤芯(3)在位于中心的六边形结构外排列，以形成6个位于外围的六边形结构，且位于中心的六边形结构和6个位于外围的六边形结构中，任意相邻的两个六边形结构共用两个相邻的纤芯(3)。10.一种数据中心光互连系统，其特征在于，其包括：如权利要求1至9任一所述的基于弱耦合的多芯光纤；两个扇入扇出器件(4)，其分别连接于所述多芯光纤的两端；多个收发端，所述收发端包括分别连接在两个扇入扇出器件(4)上的光信号接收端(5)和光信号发送端(6)，所述收发端的光信号接收端(5)、光信号发送端(6)通过两个扇入扇出器件(4)与所述多芯光纤中的一个纤芯(3)连通，以形成光传输信道；以及，所述扇入扇出器件(4)上的光信号接收端(5)和光信号发送端(6)交叉分布，以使相邻两条光传输信道中光信号的传输方向相反。

技术总结

本申请涉及一种基于弱耦合的多芯光纤及数据中心光互连系统，多芯光纤包括包层以及位于所述包层内的多个纤芯，每一个所述纤芯的外围设有一个隔离沟槽；且所述多芯光纤满足如下条件：条件一：在任意的间距为D的两个相邻纤芯之外，不存在任何一个纤芯与该两个相邻的纤芯的间距同时小于等于D；条件二：在任意的三个相邻的纤芯中，位于外侧的两个纤芯的间距小于等于2D，且大于等于λD，其中，0≤λ＜2。本申请可以降低总体截面积，提高光纤的成缆性、可弯折性等机械性能，实现纤芯信道几乎无串扰的双向点到点数据传输。点到点数据传输。点到点数据传输。