譚越心 陳嘉軻 吳 平 劉 峰 胡貴軍

(1.吉林大學 通信工程學院，吉林 長春 130012； 2.溫州大學 電氣與電子工程學院，浙江 溫州 325035)

1 研究前言

近幾年來，由于新時代云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新型寬帶業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，以及傳統(tǒng)行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，人們對光網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求呈現(xiàn)爆炸式增長，對通信系統(tǒng)的容量有了更高要求[1,2].目前以單模光纖為傳輸媒質(zhì)的光纖通信系統(tǒng)受非線性效應的影響，網(wǎng)絡(luò)容量逐漸趨近于理論極限[3].因此，國內(nèi)外研究人員紛紛利用基于少模光纖(FMF)或多芯光纖(MCF)的空分復用(SDM)技術(shù)來使光纖的傳輸容量得到進一步的提升[4-5].而基于少模光纖(FMF)的模分復用(MDM)技術(shù)作為空分復用的一個類型[6]，利用FMF中有限個正交模式作為獨立信道進行信息的傳輸，從而成倍的提高子系統(tǒng)的傳輸容量.

作為實現(xiàn)模分復用通信的關(guān)鍵器件，實驗中所采用的模式復用/解復用器[7]發(fā)揮著重要的作用.模式復用/解復用器主要分為光纖光柵型模式復用器[8]、非對稱定向耦合型模式復用器[9]、自由空間型復用器[10]及 “光子燈籠”型復用器[11].光纖光柵型模式復用器的原理是將具有周期性結(jié)構(gòu)凹槽的刻蝕板壓在少模光纖上面，光纖中的折射率因為受到其弾光系數(shù)的影響而產(chǎn)生周期性變化，從而實現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換.它易于集成，但是需要嚴格控制縱向相位匹配條件，從而限制了它們的操作帶寬；非對稱定向耦合型模分復用器是目前采用較多的結(jié)構(gòu)，其利用相位匹配原理，可以實現(xiàn)不同模式之間的轉(zhuǎn)換；自由空間型復用器在模式純度和模式串擾等方面存在優(yōu)勢，但因需要復雜的光學平臺等受到了實驗條件的限制.光子燈籠型模式復用/解復用器可以將模式轉(zhuǎn)換和模式耦合高度集成，具有低插入損耗(IL)與低模式相關(guān)損耗(MDL)的特性，結(jié)構(gòu)相對簡單，具有更好的實用性與靈活性.

近幾年來，各國紛紛報道了一些基于少模光纖模分復用傳輸實驗的相關(guān)內(nèi)容.2016年ECOC會議上，Ryf 等人采用了10個模式進行模分復用通信實驗，實驗采用光子燈籠作為模分復用/解復用器，完成了30 GBaud QPSK信號的121 km MMF的傳輸實驗，接收端利用相干接收和MIMO數(shù)字信號處理單元，對信號有較好的恢復作用[12].2018年OFC會議上，John等人利用光子燈籠作為模式復用器，以LP01、LP11a、LP11b為獨立傳輸信道完成了具有記錄意義的2400 km 16QAM信號復用傳輸實驗，接收端采用了MIMO信號作為處理單元[13].對于上述長距離的MDM傳輸實驗，通常需要相干接收和MIMO數(shù)字信號處理來恢復隨機模式耦合與串擾的信號，這通常會增加傳輸?shù)膹碗s性和成本，不適用于短距離互連應用場景.2017年，吉林大學陳嘉軻等利用光子燈籠作為模式復用/解復用器，利用三個模式作為獨立信道，完成了3×4.25 Gbit/s

信號的10 km傳輸[14].2018年OFC會議上，Liu等人利用模式選擇性光子燈籠作為復用/解復用器，以LP01, LP11, LP21三個模式群作為三個獨立傳輸信道，建了3×10 Gbit/s信號的模式群復用通信系統(tǒng)，傳輸距離為20km，并采用OOK調(diào)制格式時實現(xiàn)了信號的直接探測[15].

目前關(guān)于直接檢測且不需要MIMO信號處理的MDM傳輸實驗通常以3個模式作為獨立信道，而要實現(xiàn)更大容量的信息傳輸，必須實現(xiàn)更多模式信道的模分復用.本文采用了六個模式作為獨立的傳輸信道，采用強度調(diào)制/直接檢測(IM-DD)的方法，實現(xiàn)了6路4.25 Gbit/s偽隨機信號B2B和10 km少模光纖(FMF)的傳輸實驗，觀察了信號的眼圖，并測試了系統(tǒng)的誤碼性能.在接收端未采用MIMO信號處理條件下，對于B2B、10 km FMF傳輸，當接收功率分別高于-16.77、-12.74 dBm時，誤碼率均能達到10-3量級.

2 基于光子燈籠的6x6模分復用通信實驗系統(tǒng)

本文搭建的MDM通信實驗系統(tǒng)如圖1所示.在發(fā)送端，用兩個碼發(fā)生器(e-BERT)輸出4.25 Gbps偽隨機序列，序列長度為2-31.通過電光調(diào)制器(EOM)，偽隨機序列被分別加載到由中心波長為1550.16nm的分布式反饋半導體激光器經(jīng)光分束器(OS)輸出的兩路光波上.經(jīng)調(diào)制后的光信號再次被兩個1×3的光分束器分別分成三路，形成了總共六路光信號.為了使六路信號互不相關(guān)，加入了不同距離的延時光纖(SMF)，以產(chǎn)生不同時間的信號時延，其中，1 km SMF的延時為4.9 μs，2 km SMF的延時為9.8 μs.在進入光子燈籠(PL)前，首先采用增加摻鉺光纖放大器(EDFA)，實現(xiàn)對入射光子燈籠前各路光功率的一些調(diào)整.此后，將六路調(diào)整過的光信號分別送入光子燈籠1(PL1)的LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02的輸入端，首先由第一個光子燈籠(PL1)實現(xiàn)對六路模式的轉(zhuǎn)換和復用，實現(xiàn)對高階模的轉(zhuǎn)化，復用后的信號經(jīng) FMF 傳輸后到達接收端.由第二個光子燈籠(PL2)進行解復用并轉(zhuǎn)換為LP01模，采用光電探測器(PD)對轉(zhuǎn)換為基模后的六路光信號進行直接探測，最后通過數(shù)字示波器觀測并記錄各路信號眼圖的變化情況.

實驗使用的少模光纖為烽火公司生產(chǎn)的6模光纖，表1給出了它的相關(guān)參數(shù)，實驗測量了10km少模光纖系統(tǒng)(含兩個光子燈籠)的串擾矩陣，如下表2所示.我們可以看出LP11a與LP11b，LP21a與LP21b兩組簡并模之間的串擾與其他模式之間串擾相比較大，但仍能滿足傳輸要求.

表2 10 km FMF傳輸后系統(tǒng)各個模式串擾

本實驗采用了OLkin Optics公司生產(chǎn)的具有模式選擇性光子燈籠作為模式復用/解復用器，該光子燈籠具有6個端口，可以同時實現(xiàn)6個模式的轉(zhuǎn)換和復用/解復用，如圖2所示.表3是OLkin Optics公司給出的光子燈籠的主要技術(shù)指標，表4是實際測量得到的光子燈籠各個端口的插入損耗，表5是實際測量得到的光子燈籠的串擾矩陣.

表3 光子燈籠主要技術(shù)指標

ParameterSpecificationInput Fiber6 SMF fiber pigtailsOutput Fibers6 modestep index fiber,1mInsertion loss<3 dB for all portsMode purities>8 dB

表4 光子燈籠各端口插入損耗

InsertionLoss/dBLP01PortLP11aPortLP11bPortLP21aPortLP21bPortLP02PortPL11.4671.5492.1942.9323.4114.984PL21.1671.2782.0942.8023.3654.390

表5 光子燈籠各個模式串擾

光子燈籠的一端為少模光纖，中間為錐形過渡區(qū).該器件的基本工作原理是將N根單模光纖放置于低折射率的毛細管道中，通過光纖拉錐技術(shù)，使管道半徑逐漸收縮，直到單模光纖的纖芯消失，原來的單模光纖包層變成了少模光纖的纖芯，而毛細管道則變成了少模光纖的包層，N根單模光纖中的基模在毛細管中演變成“超?！?，演變的“超模”的光場分布與少模光纖中的高階模式的光場分布具有一致性，從而實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換和模式復用.而根據(jù)光路可逆原理，將其進行反向應用時，即可實現(xiàn)模式解復用的功能.

3 實驗結(jié)果及分析

我們在實驗中，測試了六個模式(LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02)同時在MDM通信系統(tǒng)中傳輸?shù)膫鬏斝阅?，記錄了它們在背對?B2B)傳輸下和在10 km 六模FMF傳輸下的眼圖.如圖3所示為6路信號在兩種情況下分別傳輸后的眼圖，圖4給出了6路信號在10 km FMF傳輸后的眼圖.

由圖3和圖4可以看出，與B2B傳輸相比，經(jīng)10 km FMF傳輸后，各路信號接收的眼圖質(zhì)量變差，眼圖張開幅度減小，且高階模式尤為明顯.其原因主要是：受到了模間串擾的影響，模間串擾隨著傳輸距離的增加而變大，使接收信號的質(zhì)量從而受到影響； LP11a和LP11b、LP21a和LP21b為同模組的簡并模，由表3可以看出模間串擾在-18 dB左右，相對較大；并且由表1知，高階模的傳輸損耗較大.這些均影響著MDM通信實驗系統(tǒng)的通信質(zhì)量及信號的傳輸距離.圖5給出了上述6個模式在B2B和10 km的6模少模光纖傳輸中，誤碼率(BER)隨接收功率變化曲線.

從圖5可知，MDM通信實驗系統(tǒng)的誤碼率隨接收功率的增大而減小.在B2B傳輸中，六個模式接收功率分別為-19.51、-18.22、-18.03、-18.47、-18.84、-16.77 dBm，此時系統(tǒng)的誤碼率達到10-3的要求.當經(jīng)過10 km六模FMF傳輸后，六個模式的接收功率需要分別增加至-16.83、-13.97、-13.83、-14.91、-14.68、-12.74 dBm，我們所搭建的實驗系統(tǒng)才能達到10-3誤碼率要求.與B2B相比，在經(jīng)10 km FMF傳輸后，六個模式所對應的信道分別需要付出2.68、4.25、4.20、3.56、4.16、4.03 dBm的代價，才能擁有相同的傳輸性能.

對比分析該模分復用通信實驗系統(tǒng)中六路信號的誤碼率曲線可以看出，LP01路信號的誤碼特性略優(yōu)于其他各路，這與各路模式信號在眼圖方面表現(xiàn)出的特性是一致的.總體來說，對采用直接檢測且不需要MIMO信號處理的MDM傳輸而言，在經(jīng)過10 km FMF 傳輸后，接收到的6路模式對應的眼圖仍能保持較為清晰的程度，且在接收功率高于-12.74 dBm時，6路模式同時傳輸，接收信號的BER低于10-3量級.

4 結(jié)論及展望

本文采用強度調(diào)制和直接檢測(IM-DD)的方法，搭建了基于光子燈籠的6×6MDM通信實驗傳輸系統(tǒng).實驗結(jié)果顯示，當接收功率分別高于-16.77、-12.74 dBm時，該模分復用系統(tǒng)接收端無需采用MIMO信號處理，即可分別實現(xiàn)在B2B和10 km少模光纖下較為良好的信號傳輸，此時各信道誤碼率均低于10-3.

從模分復用通信系統(tǒng)未來的發(fā)展角度來看，可從三個方面來進一步改善模分復用通信系統(tǒng)的性能：更大的信息容量 制作具有更多模式的光子燈籠，從而提升其傳輸信息的容量；更小的串擾增加光子燈籠的模式隔離度，從而增加其傳輸信號的質(zhì)量；更高的速率 引入多種復用方式，從而實現(xiàn)系統(tǒng)更高速率的信號傳輸.

模分復用通信系統(tǒng)作為近年來重要的研究熱點之一，在提升傳輸容量方面擁有著巨大的潛力，被認為是當今快速增長的系統(tǒng)帶寬情況下最具可行性的光擴容方案.期待在未來的若干年里，模分復用通信系統(tǒng)能夠獲得更多的關(guān)注，得到更加快速的發(fā)展.