湯瑞 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

賴俊森 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

趙文玉 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所高級(jí)工程師

發(fā)展策略

基于少模光纖的模分復(fù)用系統(tǒng)研究＊

湯瑞 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

賴俊森 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

趙文玉 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所高級(jí)工程師

基于少模光纖的模式復(fù)用技術(shù)成為下一代光傳輸技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。本文對(duì)模式復(fù)用原理和關(guān)鍵技術(shù)及器件進(jìn)行了闡述，并對(duì)少模復(fù)用的發(fā)展方向提出了一些思路。

少模光纖 模式復(fù)用 少模放大

1 引言

波分復(fù)用（WDM）技術(shù)結(jié)合偏振復(fù)用（PDM）、相干接收以及高階調(diào)制等技術(shù)使得單模光纖（SMF）的傳輸系統(tǒng)容量已經(jīng)達(dá)到100Tbit/s，逐漸接近信息理論的極限。為解決傳輸容量的提升問(wèn)題，業(yè)界將目光轉(zhuǎn)向了空分復(fù)用這一還未被開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。基于少模光纖（FMF）的模式復(fù)用（MDM）技術(shù)在提高傳輸容量方面具有極大潛力。本文主要介紹了少模光纖以及模式復(fù)用方式的基礎(chǔ)理論和研究現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了討論。

基于少模光纖的模式復(fù)用系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 少模光纖模式復(fù)用傳輸系統(tǒng)示意圖

2 少模復(fù)用系統(tǒng)基本原理

傳統(tǒng)的多模光纖中模式過(guò)多，模間色散也嚴(yán)重限制了其通信性能，使得多模光纖不能用于長(zhǎng)距離大容量信號(hào)傳輸。因此一種具有有限模式數(shù)的新型多模光纖—少模光纖應(yīng)運(yùn)而生，利用少模光纖中少量但穩(wěn)定的模式進(jìn)行模式復(fù)用，既減小了模間色散，又可以借助其正交模式作為獨(dú)立信道進(jìn)行信息傳送，成倍提升系統(tǒng)傳輸容量。同時(shí)，與單模光纖相比少模光纖具有更大的模場(chǎng)面積，因而其抗非線性能力更強(qiáng)，也進(jìn)一步提高了少模光纖模式復(fù)用系統(tǒng)的傳輸能力。

首先，在發(fā)射機(jī)部分，電域信號(hào)經(jīng)過(guò)信源編碼等處理之后，被調(diào)制成光信號(hào)。之后，通過(guò)模式轉(zhuǎn)換器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為少模光纖支持的某一特定模式，通過(guò)模式復(fù)用器將各個(gè)模式復(fù)用到同一根少模光纖內(nèi)進(jìn)行傳輸，并通過(guò)模式放大實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸。在接收端，模式復(fù)用信號(hào)首先進(jìn)入模式解復(fù)用器，少模光纖內(nèi)接收機(jī)器將不同模式的光信號(hào)分別轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模式解復(fù)用算法處理、色散補(bǔ)償、數(shù)字信號(hào)處理、相位恢復(fù)等最終得到原始信號(hào)。

3 少模光纖及模式轉(zhuǎn)換器件

少模光纖是模式復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)距離大容量傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前的大容量長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)通常使用單模光纖，其纖芯直徑僅為8～10μm，在C波段只支持單一的基模傳輸。傳統(tǒng)的多模光纖纖芯直徑為50～62.5μm，其中傳播的模式多達(dá)數(shù)百個(gè)，模間色散嚴(yán)重，只能用于短距離傳輸。少模光纖是指所支持模式數(shù)大于單模光纖，而小于傳統(tǒng)多模光纖的一類(lèi)光纖。通過(guò)合理選擇少模光纖的纖芯半徑可以保證模式的穩(wěn)定性，并減小模間色散以用于模式復(fù)用信號(hào)的傳輸。根據(jù)纖芯徑向折射率分布情況不同，少模光纖一般可分為階躍型及漸變型兩種，通過(guò)光纖的歸一化截止頻率就可以確定光纖所支持的模式數(shù)目，歸一化截止頻率與光纖的纖芯半徑成正比關(guān)系，與工作波長(zhǎng)成反比關(guān)系。光纖歸一化截止頻率值越大，則其纖芯半徑與工作波長(zhǎng)的比值就越大，光纖所支持的模式也就越多。

模式轉(zhuǎn)換與復(fù)用技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)基模與高階模式間的轉(zhuǎn)換及復(fù)用。模式復(fù)用系統(tǒng)采用模式轉(zhuǎn)換技術(shù)的原因是模式復(fù)用系統(tǒng)需要純凈及穩(wěn)定的復(fù)用模式，并限制輻射模的產(chǎn)生。模式轉(zhuǎn)換及復(fù)用主要有兩類(lèi)方案：基于光纖結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用和基于空間光學(xué)元件的復(fù)用。前一類(lèi)主要是各類(lèi)耦合器件完成模式的選擇與復(fù)用，其中光子燈籠（PhotonicLantern）是一個(gè)比較好的方法；后一類(lèi)包括相位板（Phase Plate）、硅基液晶（LCoS）、空間光調(diào)制器（SLM）等，依據(jù)的原理就是依靠分束器、透鏡等專(zhuān)業(yè)光學(xué)設(shè)備，依照自由空間中幾何光學(xué)的光線傳輸原理，將不同的光路通過(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模式復(fù)用并注入到多模光纖中。

模式放大技術(shù)是模式復(fù)用系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸?shù)年P(guān)鍵。近幾年的模式復(fù)用傳輸試驗(yàn)研究，由于缺少有效的模式放大器，多數(shù)的試驗(yàn)研究傳輸距離依舊現(xiàn)在數(shù)百公里以內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)模式復(fù)用系統(tǒng)的長(zhǎng)距離傳輸，亟待研究開(kāi)發(fā)針對(duì)于少模光纖或者多模光纖的放大技術(shù)。目前，對(duì)于模式放大有兩種思路：一種是采用摻鉺光纖放大器（FM-EDFA），目前最多可以同時(shí)放大4個(gè)線性極化模，但隨著模式的增多，泵浦功率以及實(shí)現(xiàn)難度大大提高；另外一種方式是包層泵浦，通過(guò)光纖的外包層同時(shí)向多核光纖的多個(gè)纖芯或光纖中的幾個(gè)模式進(jìn)行泵浦放大。

4 少模傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)

近幾年不斷報(bào)道的傳輸試驗(yàn)已經(jīng)證明了模式復(fù)用對(duì)增加光纖容量和頻譜效率的巨大潛力。2011年在ECOC上，NEC美國(guó)實(shí)驗(yàn)室、康寧公司等研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合首次使用少模光纖放大器、相位板和自由空間光纖完成88個(gè)波長(zhǎng)，3個(gè)模式，模式傳輸速率112Gbit/s，傳輸距離為50km的試驗(yàn)?？?cè)萘窟_(dá)26.4Tbit/s的創(chuàng)新性成果廣泛引起對(duì)于模式復(fù)用領(lǐng)域的關(guān)注。2012年貝爾實(shí)驗(yàn)室采用少模光纖端面的3個(gè)不同扇形區(qū)域，通過(guò)3根單模光纖激發(fā)模式承載信號(hào)耦合進(jìn)少模光纖，在長(zhǎng)距離傳輸方面實(shí)現(xiàn)了波分復(fù)用的頻譜間隔為50GHz，傳輸速率為128Gbit/s的10路PM-QPSK信號(hào)在7芯光纖中進(jìn)行空分復(fù)用，傳輸距離長(zhǎng)達(dá)2688km的多跨段傳輸。

在2015年的OFC會(huì)議上，NTT聯(lián)合其他大學(xué)等機(jī)構(gòu)在離線處理方式下，使用并行的多輸入/多輸出（MIMO）頻域均衡技術(shù)補(bǔ)償模式的差分時(shí)延30ns，進(jìn)行了12芯光纖3個(gè)模式的527km的環(huán)回鏈路傳輸試驗(yàn)。同樣是在2015年的OFC會(huì)議上，NEC、康寧等進(jìn)行了少模光纖的基模傳輸試驗(yàn)。試驗(yàn)的傳輸跨段由衰耗系數(shù)為0.157dB/km的51.3km少模光纖和衰耗系數(shù)為0.153dB/km的50.3km的康寧EX3000超低損光纖構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了6600km的光纖環(huán)路傳輸，頻譜效率達(dá)到6.5bit/s/Hz，其試驗(yàn)配置如圖2所示。試驗(yàn)證明少模光纖不僅在容量上具有優(yōu)勢(shì)，而且兼容單模光纖傳輸鏈路，由于光纖有效面積更大，還可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的傳輸性能。

在模式放大方面，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)2011年詳細(xì)分析驗(yàn)證了少模摻鉺光纖放大器應(yīng)用于模式復(fù)用系統(tǒng)的可行性。目前的模式復(fù)用放大都是采用了摻鉺光纖放大或者分布式喇曼放大，但目前在線少模放大的試驗(yàn)仍然限于3個(gè)模式，更多的模式放大還是需要轉(zhuǎn)換到單個(gè)模式分別進(jìn)行放大，且成本及復(fù)雜度隨模式的增多而增加。

國(guó)內(nèi)對(duì)于模式復(fù)用技術(shù)近幾年開(kāi)始研究，主要集中在模式激勵(lì)與模式轉(zhuǎn)換、損傷機(jī)理與補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的理論分析與計(jì)算機(jī)仿真等。主要研究機(jī)構(gòu)包括了北京郵電大學(xué)、華中科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和吉林大學(xué)等，主要成果如模式復(fù)用在漸變型多模光纖下75km傳輸試驗(yàn)、雙偏振態(tài)的空間偏振模式參數(shù)化物理模型、高差分模時(shí)延少模光纖、級(jí)聯(lián)MIMO延時(shí)均衡算法等。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖2 光模光纖與單模光纖鏈路混合傳輸試驗(yàn)配置

少模光纖的模式復(fù)用系統(tǒng)還有一系列的關(guān)鍵問(wèn)題有待解決。適合模式復(fù)用使用的少模光纖、能夠穩(wěn)定控制模式激發(fā)與控制的集成化模式復(fù)用器與解復(fù)用器以及適合模式復(fù)用的在線少模光放大器都是尚待研發(fā)解決的關(guān)鍵器件。模式耦合和差分模式時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響很大，模式耦合和模間色散的損傷與補(bǔ)償也是傳輸單模光纖傳輸系統(tǒng)所不曾遇到過(guò)的。但從理論以及實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果已經(jīng)可以看到模式復(fù)用大幅提升傳輸容量的可行性，相信隨著少模光纖、模式復(fù)用相關(guān)器件的發(fā)展和成熟，模式復(fù)用傳輸或?qū)⒊蔀閿U(kuò)大單纖長(zhǎng)距離傳輸容量最具有潛力的技術(shù)之一。

1 M.Salsi,Proc.OFC14paperTu2D.2,2014

2 姚舒暢等.物理學(xué)報(bào).2013

Mode-Division MultiplexingTransmission Systems BasedonFew-ModeFibers

Mode- Division Multiplexing Transmission has become one of the key research directions of next generationoptical transmission technology. This paper discusses the few-mode transmission principles and elaborates the main devices.Finallyweproposesomedevelopment suggestions.

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2015-09-20）

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