基于少模光纖的模分復(fù)用系統(tǒng)研究＊

湯瑞 中國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 中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所高級工程師

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 中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所高級工程師

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題，業(yè)界將目光轉(zhuǎn)向了空分復(fù)用這一還未被開發(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距離大容量信號傳輸。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，與單模光纖相比少模光纖具有更大的模場面積，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，電域信號經(jīng)過信源編碼等處理之后，被調(diào)制成光信號。之后，通過模式轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)化為少模光纖支持的某一特定模式，通過模式復(fù)用器將各個模式復(fù)用到同一根少模光纖內(nèi)進(jìn)行傳輸，并通過模式放大實現(xiàn)長距離傳輸。在接收端，模式復(fù)用信號首先進(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分別轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過模式解復(fù)用算法處理、色散補(bǔ)償、數(shù)字信號處理、相位恢復(fù)等最終得到原始信號。

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)用于長距離大容量傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前的大容量長距離通信系統(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，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)多模光纖的一類光纖。通過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。前一類主要是各類耦合器件完成模式的選擇與復(fù)用，其中光子燈籠（PhotonicLantern）是一個比較好的方法；后一類包括相位板（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，將不同的光路通過精準(zhǔn)設(shè)計的光路結(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)長距離傳輸?shù)年P(guān)鍵。近幾年的模式復(fù)用傳輸試驗研究，由于缺少有效的模式放大器，多數(shù)的試驗研究傳輸距離依舊現(xiàn)在數(shù)百公里以內(nèi)。為了實現(xiàn)模式復(fù)用系統(tǒng)的長距離傳輸，亟待研究開發(fā)針對于少模光纖或者多模光纖的放大技術(shù)。目前，對于模式放大有兩種思路：一種是采用摻鉺光纖放大器（FM-EDFA），目前最多可以同時放大4個線性極化模，但隨著模式的增多，泵浦功率以及實現(xiàn)難度大大提高；另外一種方式是包層泵浦，通過光纖的外包層同時向多核光纖的多個纖芯或光纖中的幾個模式進(jìn)行泵浦放大。

4 少模傳輸試驗系統(tǒng)

近幾年不斷報道的傳輸試驗已經(jīng)證明了模式復(fù)用對增加光纖容量和頻譜效率的巨大潛力。2011年在ECOC上，NEC美國實驗室、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個波長，3個模式，模式傳輸速率112Gbit/s，傳輸距離為50km的試驗。總?cè)萘窟_(dá)26.4Tbit/s的創(chuàng)新性成果廣泛引起對于模式復(fù)用領(lǐng)域的關(guān)注。2012年貝爾實驗室采用少模光纖端面的3個不同扇形區(qū)域，通過3根單模光纖激發(fā)模式承載信號耦合進(jìn)少模光纖，在長距離傳輸方面實現(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信號在7芯光纖中進(jìn)行空分復(fù)用，傳輸距離長達(dá)2688km的多跨段傳輸。

在2015年的OFC會議上，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)償模式的差分時延30ns，進(jìn)行了12芯光纖3個模式的527km的環(huán)回鏈路傳輸試驗。同樣是在2015年的OFC會議上，NEC、康寧等進(jìn)行了少模光纖的基模傳輸試驗。試驗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，其試驗配置如圖2所示。試驗證明少模光纖不僅在容量上具有優(yōu)勢，而且兼容單模光纖傳輸鏈路，由于光纖有效面積更大，還可以實現(xiàn)更優(yōu)的傳輸性能。

在模式放大方面，美國佛羅里達(dá)大學(xué)2011年詳細(xì)分析驗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仍然限于3個模式，更多的模式放大還是需要轉(zhuǎn)換到單個模式分別進(jìn)行放大，且成本及復(fù)雜度隨模式的增多而增加。

國內(nèi)對于模式復(fù)用技術(shù)近幾年開始研究，主要集中在模式激勵與模式轉(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、雙偏振態(tài)的空間偏振模式參數(shù)化物理模型、高差分模時延少模光纖、級聯(lián)MIMO延時均衡算法等。

5 結(jié)束語

圖2 光模光纖與單模光纖鏈路混合傳輸試驗配置

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延對系統(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)所不曾遇到過的。但從理論以及實驗室的結(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.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.

few-modefibers, mode-division multiplexing,few-modeamplification

2015-09-20）

華為倡導(dǎo)加大物聯(lián)網(wǎng)安全的研究與合作

國家自然科學(xué)基金項目（61171076）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）基金項目（2013AA013402）資助

由華為公司獨(dú)家贊助的第20屆國際頂級安全學(xué)術(shù)會議ESORIC（EuropeanSymposiumonResearchinComputerSecurity）近日在位于奧地利的維也納科技大學(xué)成功舉行。

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