定义
一种利用多个空间通道的光数据传输的多路复用技术。
光数据传输，特别是光纤通信形式的传输，用于以比特率传输数据，在过去的几十年中，比特率得到了极大的提高。一个重要的方面是始终使用某些多路复用技术来提高传输能力，最好是无需铺设额外的光纤。最常见的是波分复用（WDM，使用多个波长通道）和时分复用（TDM，时间交错通道）。另一种选择 - 本文的主题 - 是空间分割多路复用，其中一个利用多个空间通道。它也被称为空间分割多路复用（SDM）。由于WDM的潜力已基本实现，因此需要SDM来进一步大幅增加传输容量，以避免预期的容量短缺（“容量紧缩”）。它被认为是长距离通信（例如通过海底通信电缆）特别需要的，但后来也适用于较小规模的应用，如区域网络。当然，某些形式的空间分割多路复用将与波分复用等其他技术结合使用，而不是作为这些技术的替代品。
在自由空间光通信中，人们可以简单地并行利用多个激光束以更高的整体比特率传输数据。不幸的是，这种方法不能很好地扩展;实际可用的光束数量有限，并且成本几乎随着传输线的数量而线性增加。然而，在光纤通信中，有各种有趣的选择，将在以下各节中讨论。
光纤分路复用
技术上最简单的方法是使用多根光纤来获得更高的总体比特率。一个基本上使通过多个并行信息通道传输信息的大部分硬件成倍增加。所使用的组件基本上与单个光纤链路相同。只是在适度程度上，人们试图通过对多个通道使用单个组件来降低成本：
- 可以将单个半导体激光管与光纤分路器结合使用，以泵浦多个光纤放大器。
- 多根光纤可以集成到一根光缆中。对于小距离，可以使用纤维带。
- 多个激光发射器也许他意识到为单个芯片上的激光阵列，例如VCSEL阵列。
- 多个接收器也可以组合在单个芯片上（→光子集成电路），并且一些电子设备可以在通道之间共享。
这种方法的缺点是，对于越来越多的传输通道，成本仍然大幅上升。但是，开发相对简单，并且不需要必要的新光学元件。
多芯光纤
一种可能更经济的解决方案 - 特别是对于传输距离远和大量传输通道 - 是使用包含多个光纤芯的单个光纤。这种光纤称为多芯光纤[21]。每个内核都可以提供一个通信通道。
人们可能会尝试保持光纤纤芯不耦合，但这限制了纤芯的数量。
在最简单的情况下，光纤纤芯彼此之间充分分离，使得光纤之间的光耦合可以忽略不计，因此通道之间的串扰可以忽略不计。这种非耦合SDM光纤的信号处理相对简单。然而，这一要求严重限制了光纤纤芯的数量，因为它们的距离需要很大。人们可能会尝试用折射率沟“绝缘”相对紧密的磁芯。或者，可以使用包层直径较大的纤维，但这种方法具有严重的缺点，特别是即使对于中等弯曲半径，也会增加断裂纤维的趋势，但对于纤维界面（例如熔接）也存在困难。
耦合SDM光纤允许更小的芯间距。
由于非耦合光纤的局限性，有一种趋势是使用具有更多纤芯的光纤，这些光纤紧密地放在一起，以至于光纤之间发生大量的耦合（耦合的SDM光纤），并形成超模。为了处理由此产生的串扰问题，人们使用基于电子信号处理器的改进的MIMO技术（多个输入/多个输出），其原理类似于无线数据传输中使用的技术（例如，用于具有多个天线的WLAN）。由于不同光纤纤芯的群速度非常相似，并且适量的耦合不会导致群速度的大幅扩散，因此具有有限复杂性的MIMO接收器足以获得高比特率和足够小的误码率。
如何生产具有多芯的纤维预制棒？
会遇到各种技术挑战。也许最小的一个是多芯光纤的制造。虽然不能使用传统的纤维预制棒制造技术，但有替代解决方案，例如基于光子晶体纤维，在这方面非常灵活。一旦多芯光纤预制棒制成，就可以将其拉入传统光纤拉丝塔中的光纤中。
连接光纤并将其连接到单模光纤需要特殊的解决方案。
连接多芯光纤
连接多芯光纤显然比连接标准光纤更困难：光纤需要旋转对齐，以便核心位置匹配。例如，需要特殊规定以确保熔接多芯光纤时正确的旋转方向。根据系统架构，甚至可能有必要确保保持输入和输出内核之间的关联，例如，当释放并再次建立连接时。提供特殊类型的光纤连接器，例如，在一侧包含引脚，以确保只有在正确的旋转方向下才能插入。
空间多路复用器
还需要耦合多芯光纤以分离单模光纤，用于组合来自此类光纤的输入信号或将输出信号分配到电信接收器中单独的光电探测器。为实现此目的开发了不同类型的空间多路复用器：
- 有微型散装光学系统，其中包含透镜和棱镜等元件，用于将光从单独的光纤发射到多芯光纤的芯中。
- 另一种解决方案是在一个小玻璃块中使用激光刻录的3D波导，该玻璃块将MCF的不同核心与一组以线性顺序排列的输出或输入光纤的芯连接起来[2]。
用于多芯光纤的光纤放大器
有特殊的光纤放大器，可用于放大多个芯中的信号。
通信系统需要光纤放大器在大传输距离上保持足够的信道功率。使用多芯光纤时，需要特殊的多芯光纤放大器[6，24]。它们需要优化，以使获得的放大器增益在空间模式下足够均匀;换言之，差分增益必须很小。
虽然这种放大器的设计有些困难，但使用一个多核放大器而不是多个单模放大器显然是经济的，也更节能，每个放大器都有单独的有源光纤，泵源，耦合器等。
多模/少模光纤
还可以通过多模光纤实现空间分割多路复用，其中每种空间模式用于一个传输通道。通常，人们使用少数模式光纤，具有相当有限的模式数量，例如3，6，7，12或19。该技术的具体术语是模分复用。
将这种方法与使用多芯光纤进行比较时，存在各种重要区别：
- 使用的纤维更容易制造。在某些情况下，甚至可以使用现有多模光纤链路的光纤，而以前只使用单个空间信道。
- 连接多模光纤（例如使用光纤连接器或接头）比耦合多芯光纤要容易得多，在多芯光纤中，两根光纤的纤芯需要对齐。然而，熔接的质量要求高于普通多模光纤通信，因为必须将模式相关损耗降至最低。
- 与单根光纤的接口在技术上是不同的;需要特殊的空间模式多路复用器。例如，它们可以通过某些相板或光子灯笼来实现。
- 不同光纤模式之间的串扰比不同纤芯之间的串扰更大。此外，不同模式之间的群速度存在显著差异。因此，需要具有更高复杂性的MIMO接收器（数字信号处理器）。还可以优化单模光纤，使其群速度的扩散（模态差分群延迟，MDGD）最小化 - 通常通过使用分级指数曲线。同时，应尽量最小化模式耦合。
- 同样，需要特殊的光纤放大器，它们提供足够相似的增益不同的光纤模式[8]。
与使用多芯光纤相比，很容易进行权衡：多模光纤的光学设置更简单，但另一方面需要更复杂的电子设备。
多芯小模光纤
也可以将上述两种方法结合起来：使用包含多个内核的防火墙，每个内核都有多种空间模式。
SDM 硬件的可用性
近年来，已经开发了很多用于空间分割多路复用的新硬件。部分，这些项目是市售的：
- SDM光纤有多种，特别是多芯光纤和小模光纤，部分模态差分群延迟最小。也可以使用包含此类光纤的光纤电缆。
- 有各种空间多路复用器、模式连接器等。
- 已经开发了用于少数模式光纤和多芯光纤的特殊掺铒光纤放大器。
- 此外，还有熔接器适用于拼接多芯光纤，有时也具有增加的清洁直径。
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