霍亮/HUO Liang

（華中科技大學(xué)，中國 武漢 430074）

(Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

隨著光纖通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們對通信容量需求的不斷增長，以多芯光纖（MCF）為代表的空分復(fù)用（SDM）傳輸技術(shù)，在長距離相干傳輸網(wǎng)絡(luò)和短距離光接入網(wǎng)中都得到了廣泛應(yīng)用，大大提升了系統(tǒng)的傳輸容量[1-2]。然而，隨著SDM傳輸系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們對SDM網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。為了能夠靈活實現(xiàn)各種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供更加豐富而又個性化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，SDM技術(shù)需要能夠?qū)崿F(xiàn)智能可重構(gòu)的空間信道間的信號耦合和切換，從而在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能可重構(gòu)的光通信與信號處理功能。以MCF為例，為了實現(xiàn)在MCF芯間的信號耦合和切換，支持空間維度上的單播、多播和組播等網(wǎng)絡(luò)功能，現(xiàn)有的解決方案一般可以歸納為3類。第1類為空間耦合方案，如2014年，NELSON L. E.等設(shè)計了復(fù)雜的空間光學(xué)透鏡組，利用微機(jī)械空間振鏡，實現(xiàn)了7芯光纖間的芯間路由功能[3]。與之類似，在2015年，F(xiàn)ONTAINE N. K.等提出了一種基于液晶振鏡的MCF芯間信號交換系統(tǒng)，也是通過復(fù)雜的衍射光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)不同芯間的信號切換[4]。第2類為片上集成方案，如在2015年，DING Y.等通過在片上構(gòu)建7×7馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）矩陣實現(xiàn)了硅基光子集成化的7芯光纖芯間功率交換，這種方案雖然集成度高，但其控制系統(tǒng)和耦合系統(tǒng)都極為復(fù)雜，同時成本更高[5]。第3類為全光纖方案，如在2015年，F(xiàn)ERNANDES G. M.等提出通過壓電陶瓷在MCF中引入彎曲聲場，利用光纖聲光效應(yīng)形成的動態(tài)光柵來實現(xiàn)芯間信號耦合[6]。在2016年，ALMEIDA T.等在4芯光纖中刻寫長周期光柵（LPG），實現(xiàn)了芯間光功率耦合，并搭建了200 Gbit/s的單波長傳輸系統(tǒng)，證明了芯間信號交換的可行性[7]；但是所刻LPG的帶寬較窄，僅能實現(xiàn)單波長芯間信號耦合和交換，沒有充分利用MCF大帶寬的傳輸特性。相較于前兩類方案，全光纖方案更易實現(xiàn)高效耦合，并且成本較低；因此，結(jié)合MCF在未來SDM網(wǎng)絡(luò)中的需求，我們研究了全光纖型智能可重構(gòu)的芯間信號耦合與切換方案，并在此基礎(chǔ)上探索了可重構(gòu)的光子信號處理應(yīng)用和大容量的通信應(yīng)用。

1 MCF及其扇入扇出器件

隨著相干光通信系統(tǒng)的發(fā)展，單模光纖物理信道容量的終極限制因素主要來自于光纖損耗與非線性效應(yīng)，特別是長距離光纖傳輸帶來的非線性畸變限制了入纖功率的提升。為了突破單模光纖非線性香農(nóng)極限帶來的容量緊縮難題，我們需要探索并開發(fā)光纖物理信道的空間維度，研究SDM光信息處理技術(shù)與傳輸系統(tǒng)。因此，我們開展了基于MCF的SDM技術(shù)的理論和實驗研究，在MCF相關(guān)的基礎(chǔ)理論、制備工藝、參數(shù)測試與優(yōu)化、關(guān)鍵器件與模塊等方面取得了一系列突破。

1.1 MCF設(shè)計與制備

通過在MCF光學(xué)性能優(yōu)化、芯間串?dāng)_的波長相關(guān)性分析、性能測試方法以及制備工藝等方面詳盡的理論與技術(shù)研究[8-9]，我們在中國首次成功制備低損耗7芯光纖并具備規(guī)?；a(chǎn)條件。7芯光纖典型光學(xué)測試特性結(jié)果如表1所示，從中可以看出我們拉制的7芯光纖具備較好的芯間串?dāng)_抑制和優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，是替代傳統(tǒng)單模光纖的理想傳輸介質(zhì)。

1.2 MCF扇入扇出器件設(shè)計與制備

MCF扇入扇出器件是實現(xiàn)SDM通信系統(tǒng)高效傳輸?shù)年P(guān)鍵模塊，也是制約中國開展SDM光傳輸研究的瓶頸。為了打破其他國家科研機(jī)構(gòu)的技術(shù)壟斷，我們提出采用光纖拉錐、腐蝕等微加工技術(shù)并結(jié)合光纖束冷接工藝來制備MCF扇入扇出器件。該方法有別于其他國家研究機(jī)構(gòu)采用的熔融拉錐耦合法和透鏡聚焦法。經(jīng)過深入研究與長期摸索，我們首次在中國成功研制出普通單模光纖與7芯光纖適配的低損耗扇入扇出模塊，其典型性能參數(shù)如表2所示。每個端口插入損耗在1 dB左右，為系統(tǒng)級傳輸應(yīng)用鋪平了道路。在此基礎(chǔ)上，我們還提出基于微孔加工的工藝優(yōu)化方法，使扇入扇出器件性能得到優(yōu)化，為其端口擴(kuò)容奠定了基礎(chǔ)。同時，為進(jìn)一步提升MCF扇入扇出器件的插入損耗、可重復(fù)性等重要性能，我們還提出了基于自組裝拉錐法制備7芯光纖扇入扇出器件新型制備工藝。為保證光纖在拉錐前后均可以匹配單模光纖模場，GAN L.等設(shè)計了新型溝道輔助型-弱纖芯光纖（TA-VCF）[10]，其低折射率溝道用于抑制光纖間串?dāng)_并同時提升TA-VCF光纖宏彎損耗性能。

2 基于MCF的無限沖激響應(yīng)微波光子濾波器（IIR-MPF）

目前基于SDM光纖的微波光子信號處理的研究，已經(jīng)實現(xiàn)了利用在同質(zhì)MCF中刻寫光纖光柵來構(gòu)造有限沖激響應(yīng)微波光子濾波器（FIR-MPF）[11]，但是一般而言，F(xiàn)IR濾波器的Q值較小，而IIR-MPF則有較高的Q值。本文中，我們基于MCF和可編程拉錐技術(shù)構(gòu)造出級聯(lián)式和并聯(lián)式的IIR-MPF結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了較高的Q值，并且同時使之具有可調(diào)諧性與可重構(gòu)性。IIR-MPF的原理為：電光調(diào)制器（EOM）先將射頻（RF）信號調(diào)制到光載波上，然后該信號經(jīng)過耦合器構(gòu)成的環(huán)路結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生具有相同時間延遲差T的多個抽頭，即構(gòu)成一個多抽頭的濾波器結(jié)構(gòu)，光信號最終將被光電探測器轉(zhuǎn)換為RF信號[12]。

表1 7芯光纖典型光學(xué)特性參數(shù)

表2 7芯光纖扇入扇出器件典型性能參數(shù)

本方案基于MCF的可編程拉錐技術(shù)以及MCF扇入扇出設(shè)備來實現(xiàn)環(huán)路結(jié)構(gòu)[13]。我們選擇了以電弧放電方法為基礎(chǔ)的可編程商用保偏光纖熔接機(jī)（Fujikura FSM-100P+）作為制作平臺來對MCF進(jìn)行拉錐處理。首先，我們將熔接機(jī)的V形槽進(jìn)行初始化對準(zhǔn)，以避免側(cè)向應(yīng)力對光纖錐區(qū)的影響；然后，剝?nèi)CF的涂覆層，用兩個夾具分別將MCF夾緊固定，防止拉錐時產(chǎn)生相對位移；接著，我們使用計算機(jī)程序控制熔接機(jī)開始電弧放電預(yù)熱MCF，并將MCF從加熱區(qū)域以一定加速度從一側(cè)拉出，同時從另一側(cè)勻速送料，完成線性拉錐。經(jīng)過拉錐后，MCF各纖芯中的信號光將會不同程度地耦合到其他纖芯中，在不同纖芯中形成不同的功率分布。我們可以選擇合適的輸入、輸出纖芯構(gòu)成環(huán)路，降低系統(tǒng)整體的損耗。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實驗裝置圖如圖1所示。圖1（a）中，扇入設(shè)備的纖芯1為信號光的輸入纖芯，纖芯2為輸出纖芯。扇入、扇出設(shè)備的纖芯3與纖芯4分別兩兩連接，構(gòu)成環(huán)路結(jié)構(gòu)，其中兩端的纖芯3構(gòu)成第1個環(huán)路，兩端的纖芯4構(gòu)成第2個環(huán)路。信號光從扇入設(shè)備的纖芯1輸入后，經(jīng)MCF拉錐區(qū)域時將同時耦合到扇出設(shè)備的纖芯1和纖芯3中，而纖芯3又經(jīng)過摻餌光纖放大器（EDFA）與扇入設(shè)備的纖芯3相連，從而形成第1個IIR-MPF。而扇出設(shè)備的纖芯1作為第1個IIR-MPF的輸出纖芯，又和纖芯2相連，相當(dāng)于扇出設(shè)備的纖芯2作為第2個IIRMPF的輸入纖芯，即完成2個IIRMPF的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。第2個IIR-MPF則是由纖芯4構(gòu)成的環(huán)路形成的，最終由扇入設(shè)備的纖芯2作為輸出纖芯。圖1（b）中，扇入、扇出設(shè)備的纖芯1分別是信號光的輸入纖芯和輸出纖芯。兩個IIR-MPF的環(huán)路結(jié)構(gòu)分別由扇入、扇出設(shè)備的纖芯3和纖芯5來構(gòu)成，它們共享同樣的輸入和輸出，因此，兩個IIR-MPF是并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

2.2 實驗結(jié)果

圖2和圖3分別展示了級聯(lián)式和并聯(lián)式IIR-MPF的幅頻響應(yīng)曲線。由圖中可以看出，無論是級聯(lián)式還是并聯(lián)式IIR-MPF，理論仿真得到的幅頻響應(yīng)曲線和實際測量所得曲線基本一致，且Q值分別達(dá)到了143和136。同時通過改變環(huán)路延時T的大小以及每一路功率的大小可以完成MPF的調(diào)諧與重構(gòu)，因此這兩種結(jié)構(gòu)均具有可調(diào)諧性與可重構(gòu)性。理論上，利用更多的纖芯構(gòu)成IIR-MPF可以獲得更高的Q值。

3 基于MCF的有限沖激響應(yīng)微波光子濾波器（FIR-MPF）

▲圖1 種基于MCF的無限沖激響應(yīng)微波光子濾波器實驗裝置圖

▲圖2 級聯(lián)式無限沖激響應(yīng)微波光子濾波器的幅頻響應(yīng)曲線

▲圖3 并聯(lián)式無限沖激響應(yīng)微波光子濾波器的幅頻響應(yīng)曲線

在上一節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為了拓寬光信號處理的可重構(gòu)性和靈活性，我們希望將波長維度和空間維度同時引入光信號處理之中，能在兩個維度分別實現(xiàn)相應(yīng)的信號處理功能，因此，我們提出將LPG和MCF結(jié)合在一起，利用LPG的波長選擇性和MCF的SDM特性分別在波長維度和空間維度實現(xiàn)可重構(gòu)的FIR-MPF[14]。FIR-MPF的原理為：電光調(diào)制器先將射頻信號調(diào)制到光載波上，然后該光信號經(jīng)過1×N耦合器分成N路，且兩路之間具有相同時間延遲差T，即構(gòu)成一個N抽頭的濾波器結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過一個N×1耦合器將N路信號疊加在一起，最終經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換為RF信號[15]。

利用MCF-LPG能夠?qū)崿F(xiàn)信道間的功率耦合和切換，從而完成基于MCF的FIR-MPF重構(gòu)功能。其原理如下：當(dāng)工作波長處于LPG的諧振波段時，功率耦合將發(fā)生在纖芯模和包層模之間。MCF不同纖芯中的LPG可以將其各自的纖芯模與共享包層模式耦合，此時，一個纖芯中的功率可以通過包層模式轉(zhuǎn)移到另一個纖芯。而當(dāng)溫度、應(yīng)力等外界物理量發(fā)生改變時，光柵局部區(qū)域的折射率和光柵周期會發(fā)生改變，光柵的光譜會發(fā)生漂移。當(dāng)MCF-LPG發(fā)生定向彎曲時，不同位置的外層纖芯將承受來自不同方向和曲率半徑上的切向應(yīng)力，造成不同芯中的LPG實際彎曲半徑并不相同，受到的切向應(yīng)力大小與方向角和芯間距有關(guān)。在MCF-LPG發(fā)生定向彎曲的情況下，不同纖芯的透射譜會產(chǎn)生大小不同或者方向不同的漂移，原本交疊的諧振波段會發(fā)生錯位[16]，而光譜的交疊程度和耦合系數(shù)的變化會影響芯間耦合功率的大小[17]。通過定向彎曲MCF-LPG，我們可以控制芯間耦合通道的傳輸損耗。進(jìn)一步地，通過精確控制彎曲方向和彎曲半徑，使MCF-LPG在平直和定向彎曲的兩種狀態(tài)進(jìn)行切換，可實現(xiàn)在不同纖芯中定向的功率分配并控制芯間耦合功率，進(jìn)而實現(xiàn)可重構(gòu)的芯間信號切換。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實驗裝置圖如圖4所示。圖4（a）中，陣列波導(dǎo)光柵（AWG）輸出通道的CH22（1 559.95 nm）、CH37（1 547.72 nm）和CH52（1 535.82 nm）分別與扇入設(shè)備的纖芯1、4和3相連。扇出設(shè)備的纖芯3、4和5作為輸出纖芯，這3路輸出光信號經(jīng)過2個光耦合器（OC）合并為一路被光電探測器接收。圖 4（b）中，CH45（1 541.35 nm）作為纖芯1的諧振波長，輸入到纖芯1中，然后扇出設(shè)備的纖芯2、3和5作為輸出纖芯。對MCF-LPG進(jìn)行定向彎曲后，便可實現(xiàn)不同輸出信道的切換。兩個實驗中都用到了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）來分析MPF的幅頻響應(yīng)曲線。

▲圖4 兩種基于MCF-LPG的有限沖激響應(yīng)微波光子濾波器實驗裝置圖

3.2 實驗結(jié)果

圖5展示了不同工作波長和輸入纖芯下的FIR-MPF的幅頻響應(yīng)曲線。圖6展示了MCF-LPG不同彎曲曲率和方向下的FIR-MPF的幅頻響應(yīng)曲線。由圖5和圖6可以看出，調(diào)整工作波長和改變定向彎曲MCF-LPG的曲率與方向，都實現(xiàn)了基于MCF的可重構(gòu)的兩抽頭MPF，分別得到了3條不同的幅頻響應(yīng)曲線，因此通過實驗證明了3個纖芯之間可以實現(xiàn)定向芯間信號切換，從而達(dá)到空間信道分配的目標(biāo)。此外，我們希望通過使用MCF中更多的纖芯并提高調(diào)諧機(jī)制的可靠性來獲得可重構(gòu)的多抽頭濾波器。MCF固有的信道并行特性使其具有緊湊性、大帶寬、功耗低等優(yōu)勢。我們相信這種方法為微波光子系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)中的可重構(gòu)光子信號處理提供了一種新的解決方案，因其具有低成本和高效率的特點。

▲圖5 不同工作波長和輸入纖芯下的有限沖激響應(yīng)微波光子濾波器的幅頻響應(yīng)曲線

4 基于MCF的可重構(gòu)空分信道交換通信系統(tǒng)

在前述方案的基礎(chǔ)之上，我們還嘗試將MCF-LPG和定向彎曲系統(tǒng)運(yùn)用于大容量通信系統(tǒng)，在SDM相干傳輸系統(tǒng)中實現(xiàn)了可重構(gòu)芯間信號切換，消光比高達(dá)39 dB，傳輸總?cè)萘窟_(dá)到1.344 Tbit/s[18]。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

▲圖6 多芯光纖長周期光柵不同彎曲曲率和方向下的有限沖激響應(yīng)微波光子濾波器的幅頻響應(yīng)曲線

為了測試可重構(gòu)芯間信號切換的傳輸性能，我們搭建了大容量SDM相干傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。將6個線寬低于100 kHz的窄線寬激光器（LD）作為光源，其波長分別為1 553.33 nm、1 552.52 nm、1 551.72 nm、1 550.92 nm、1 550.12 nm和1 549.32 nm（CH30到 CH35，信道間隔為100 GHz）。使用一個陣列波導(dǎo)光柵將6個波長信道同時送入雙偏振同相正交（IQ）調(diào)制器中，調(diào)制信號為離線產(chǎn)生的正交頻分復(fù)用（OFDM）信號，長度為215-1的隨機(jī)比特序列（PRBS）映射入100個16 QAM子載波，逆傅里葉變換（IFFT）的點數(shù)為128，循環(huán)前綴為10%。通過IFFT之后的信號實部和虛部再經(jīng)過采樣率為28 GSam/s的任意波形發(fā)生器（AWG）進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)過微波放大器放大后驅(qū)動雙偏振IQ調(diào)制器，單波長比特速率則為28 GSam/s×4×2=224 Gbit/s，6 個波長信道的系統(tǒng)總速率為1.344 Tbit/s。調(diào)制信號經(jīng)過EDFA放大之后，通過扇入設(shè)備輸入MCF的纖芯6中。經(jīng)過MCFLPG后，在輸出端由扇出設(shè)備輸出的信號和放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲源耦合用于調(diào)節(jié)接收端光信噪比。陣列波導(dǎo)光柵將不同波長的光信號解調(diào)輸出，通過可調(diào)光衰減器衰減至-12 dBm的接收光功率后輸入相干光接收機(jī)。最終，信號由采樣率為80 GSam/s的數(shù)字采樣示波器接收并進(jìn)行離線處理。為了提高相干傳輸系統(tǒng)的傳輸性能，在數(shù)字域采用了恒幅度零自相關(guān)序列（CAZAC）預(yù)編碼用于降低峰均比（PAPR），提升接收機(jī)靈敏度，增強(qiáng)抗色散性能并實現(xiàn)子載波間的信噪比均衡[19]，同時也采用了預(yù)失真技術(shù)降低微波放大器等器件衰落的影響[20]。

▲圖7 可重構(gòu)芯間信號切換測試系統(tǒng)裝置圖

實驗所用MCF-LPG的光柵周期為505 μm。我們分別在其保持平直和彎曲方向角為30°、彎曲半徑為15 cm兩種狀態(tài)下，測量得到纖芯5、6和7的透射譜。結(jié)果表明，3個不同芯的諧振波長發(fā)生了不同程度的漂移：纖芯5的LPG主諧振波長由1 528.6 nm紅移至1 542.7 nm，纖芯6的LPG主諧振波長由1 547 nm藍(lán)移至1 542.4 nm，纖芯7的LPG主諧振波長由1 543.4 nm藍(lán)移至1 533.6 nm。同時，所有的諧振波長消光比均有3～7 dB的降低，說明纖芯模與包層模之間的耦合變?nèi)酢τ趶睦w芯6輸入、纖芯5和7輸出的芯間耦合信道，我們分別在MCF-LPG平直和定向彎曲的 情況下測量了其傳輸譜。結(jié)果表明，在MCF-LPG保持平直時，在整個C波段內(nèi)，從纖芯6輸入的光信號都能夠高效地耦合至纖芯5和7。在纖芯6到纖芯7的1 548.3 nm處存在最低耦合損耗為11.3 dB。而當(dāng)MCF-LPG發(fā)生彎曲方向角為30°、彎曲半徑為15 cm的定向彎曲時，由于波長漂移和耦合系數(shù)減小，芯間耦合信道的傳輸損耗大大升高，纖芯6輸入的光信號幾乎不再耦合至其他纖芯。在MCF-LPG平直和定向彎曲兩種狀態(tài)下，最大切換消光比為39 dB，相應(yīng)的空間信道從纖芯6切換至纖芯7，波長為1 556.6 nm。

4.2 實驗結(jié)果

在MCF-LPG保持平直和定向彎曲狀態(tài)下，我們分別測量了6個波長信道的誤碼率曲線，如圖8所示。當(dāng)MCF-LPG保持平直狀態(tài)時，從纖芯6輸入的光信號被切換至纖芯5和7，此時芯間切換處于開通狀態(tài)。當(dāng)MCFLPG發(fā)生彎曲方向角為30°、彎曲半徑為15 cm的定向彎曲時，只有纖芯6輸出的光功率能夠達(dá)到接收機(jī)的靈敏度要求，而纖芯5和7輸出的信號已經(jīng)被完全淹沒在噪聲中，此時芯間切換處于關(guān)斷狀態(tài)。與光背靠背（OB2B）傳輸結(jié)果相比，所有芯間切換的波長信道達(dá)到7%的前向糾錯碼門限的光信噪比差異僅為1 dB左右。實驗結(jié)果證明，當(dāng)MCF-LPG保持平直狀態(tài)時，MCF不同纖芯中的LPG可以將其各自的纖芯模與共享包層模式耦合，一個纖芯中的信號功率可以通過包層模式轉(zhuǎn)移到其他多個纖芯，光信號可以在C波段實現(xiàn)多個芯間的信號切換。當(dāng)MCF-LPG發(fā)生定向彎曲時，由于諧振波長的漂移和耦合系數(shù)的減小，芯間耦合信道的傳輸損耗大大升高，芯間切換被關(guān)斷，光信號幾乎無耦合地在輸入纖芯中繼續(xù)傳播，因此，MCFLPG在這兩種狀態(tài)下可以有效地實現(xiàn)芯間信號切換，同時不會降低SDM相干傳輸系統(tǒng)的信號質(zhì)量，并與現(xiàn)有波分復(fù)用系統(tǒng)完全兼容。我們相信，這樣一種全光纖型智能可重構(gòu)的芯間信號耦合與切換方案，能夠給未來SDM通信網(wǎng)絡(luò)提供更加靈活的網(wǎng)絡(luò)配置功能。

▲圖8 可重構(gòu)芯間信號切換誤碼率曲線圖

5 結(jié)束語

面對MCF在未來SDM網(wǎng)絡(luò)中更加豐富和靈活的網(wǎng)絡(luò)配置需求，我們研究全光纖型智能可重構(gòu)的芯間信號耦合與切換方案，并在此基礎(chǔ)上探索可重構(gòu)的光子信號處理應(yīng)用和大容量的通信應(yīng)用。在光子信號處理應(yīng)用方面，我們提出基于MCF和可編程拉錐技術(shù)實現(xiàn)的級聯(lián)和并聯(lián)式的IIRMPF，Q值分別達(dá)到143和136。同時，我們也提出基于MCF-LPG在波長和空間兩個維度分別實現(xiàn)了可重構(gòu)FIRMPF，完成了3種兩抽頭濾波器的切換。此外，在大容量通信應(yīng)用方面，我們將MCF-LPG和定向彎曲系統(tǒng)應(yīng)用于SDM相干光傳輸系統(tǒng)中，實現(xiàn)了可重構(gòu)的芯間信號切換。實驗結(jié)果表明該方案具有高達(dá)39 dB的切換消光比，傳輸總?cè)萘窟_(dá)1.344 Tbit/s。