高宇洋，李巨浩,2，何永琪，陳章淵,2

（1. 北京大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871； 2. 鵬城實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055）

0 引言

隨著5G移動(dòng)承載光網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心光互連和光纖接入網(wǎng)等技術(shù)不斷地發(fā)展，短距離光纖傳輸技術(shù)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1-2]。在技術(shù)方案的選擇上受成本和復(fù)雜度限制，短距離光傳輸一般只能使用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（intensity mo2ulation an22irect 2etection，IM/DD）方案，無(wú)法使用電域高速數(shù)字信號(hào)處理（2igital signal processing，DSP）技術(shù)來(lái)提高性能，傳輸速率嚴(yán)重受光電器件限制；在復(fù)用維度上，目前僅有波長(zhǎng)維度可以使用，而多波長(zhǎng)激光器和波分復(fù)用器等的高昂成本使得波分復(fù)用在短距離場(chǎng)景難以大規(guī)模應(yīng)用。因此，大量諸如數(shù)據(jù)中心等短距離應(yīng)用場(chǎng)景不得不使用最簡(jiǎn)單的方式提升容量，即采用多路光纖低速率并行傳輸。然而，隨著傳輸容量需求的進(jìn)一步提升，多路光纖并行傳輸方案在系統(tǒng)體積、功耗與成本等方面的弊端日益凸顯，采用新的擴(kuò)容方式勢(shì)在必行。

近年來(lái)，光纖中的空分復(fù)用（space-2ivision multiplexing，SDM）技術(shù)被廣泛研究并發(fā)展迅速，有望成為光纖通信的下一場(chǎng)“革命”[3-6]。根據(jù)使用傳輸光纖的不同，SDM包括使用少模光纖（few-mo2e fiber，F(xiàn)MF）的模分復(fù)用（mo2e 2ivision multiplexing，MDM）方案[7-8]，使用單模多芯光纖（multicore fiber，MCF）的芯分復(fù)用方案[9-10]，以及同時(shí)使用纖芯和模式兩個(gè)維度，即多芯少模光纖（few-mo2e multicore fiber，F(xiàn)M-MCF）的復(fù)用方案[11-12]。而纖芯和模式同時(shí)復(fù)用的方案可以迅速將單纖容量提升幾十倍甚至上百倍，一旦實(shí)現(xiàn)商用將大大緩解當(dāng)前短距離光傳輸擴(kuò)容遇到的“瓶頸”。一個(gè)典型的SDM光鏈路主要由多芯少模光纖和空分復(fù)用/解復(fù)用器組成。多路單模信號(hào)首先通過(guò)模式復(fù)用器（mo2e multiplexer，mo2e MUX）復(fù)用成為模分復(fù)用信號(hào)，然后若干路模分復(fù)用信號(hào)通過(guò)一個(gè)扇入器（fan in，F(xiàn)I）注入多芯少模光纖相應(yīng)的纖芯。經(jīng)過(guò)傳輸之后，解復(fù)用端首先通過(guò)扇出器（fan out，F(xiàn)O）將若干路模分復(fù)用信號(hào)分開(kāi)，之后每一路模分復(fù)用信號(hào)再通過(guò)模式解復(fù)用器（mo2e 2emultiplexer，mo2e DEMUX）解復(fù)用至每個(gè)輸出端。需要指出的是，根據(jù)使用的少模光纖的不同，模分復(fù)用可以使用線性偏振（linear polarize2，LP）模式，也可以使用軌道角動(dòng)量（orbital angular momentum，OAM）模式等，本文的研究集中于LP模式。

盡管SDM技術(shù)在擴(kuò)容上有巨大優(yōu)勢(shì)，但是其經(jīng)過(guò)了多年的研究卻一直無(wú)法實(shí)際應(yīng)用于短距離光傳輸，核心問(wèn)題就是傳統(tǒng)的SDM光鏈路和當(dāng)前商用IM/DD光模塊不兼容。由于SDM鏈路中纖芯與纖芯之間存在芯間串?dāng)_，模式相互之間存在模間串?dāng)_，當(dāng)串?dāng)_值達(dá)到一定程度時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)必須使用相干檢測(cè)聯(lián)合多入多出（multiple-input multiple-output，MIMO）數(shù)字信號(hào)處理才能將每個(gè)通道的信息恢復(fù)，也就是所謂的強(qiáng)耦合SDM系統(tǒng)[8]。強(qiáng)耦合SDM只適用于對(duì)成本容忍度較高的長(zhǎng)距離超大容量高速傳輸場(chǎng)景。這是因?yàn)镸IMO DSP的計(jì)算復(fù)雜度會(huì)隨著模式數(shù)的增加而急劇增加，短距離場(chǎng)景使用的低成本商用IM/DD光模塊無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單升級(jí)解決。對(duì)于芯間串?dāng)_來(lái)說(shuō)，纖芯數(shù)不超過(guò)10的多芯光纖的纖芯間距一般大于40 μm，串?dāng)_能抑制在-452B/km以內(nèi)。因此在幾千米的短距離傳輸場(chǎng)景下，芯間串?dāng)_可以忽略，即認(rèn)為芯間滿足弱耦合條件，不需要MIMO DSP進(jìn)行處理。盡管單模多芯光纖不涉及模式維度，更容易兼容當(dāng)前的單模商用系統(tǒng)，但是也很難快速商用化。首先，由于多芯光纖的預(yù)制棒需要打孔，因此制備成本遠(yuǎn)高于少模光纖。此外，單模多芯光纖的熔接損耗相比于單芯光纖要大得多，損耗一方面來(lái)自預(yù)制棒打孔位置的誤差，另一方面將多個(gè)纖芯的位置同時(shí)完全對(duì)準(zhǔn)也無(wú)法用普通熔接機(jī)實(shí)現(xiàn)。少模光纖中模式在空間上是重疊的，空間復(fù)用的密度更高。少模光纖的熔接損和商用單模光纖熔接損耗的差異很小。少模光纖可以使用成熟的等離子化學(xué)氣相沉積（plasma chemical vapor 2eposition，PCVD）工藝制備，成本介于商用單模光纖和多模光纖之間，遠(yuǎn)低于多芯光纖。但是由于少模光纖中模式之間的串?dāng)_在空間上是重疊的，因此模式之間的串?dāng)_遠(yuǎn)大于多芯光纖纖芯之間的串?dāng)_，需要有效的手段抑制才能實(shí)現(xiàn)弱耦合的傳輸。多芯少模同時(shí)復(fù)用的方案可以實(shí)現(xiàn)很高的空間密度，同時(shí)成本和技術(shù)難度都是很高的。

1 弱耦合模分復(fù)用實(shí)時(shí)傳輸

普通階躍型少模光纖中的模式串?dāng)_分為兩種，一種是LP模式之間的分布式模式串?dāng)_，另一種是簡(jiǎn)并模式兩個(gè)分量之間的串?dāng)_。兩個(gè)LP模式間的有效折射率差越大則經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸之后積累的分布式模式串?dāng)_越小。根據(jù)“木桶效應(yīng)”，衡量一款少模光纖分布式模式串?dāng)_大小的量就是任意模式間最小有效折射率差(min|Δneff|)。多環(huán)形纖芯弱耦合少模光纖示意圖如圖1所示。傳統(tǒng)階躍折射率少模光纖中相鄰模式之間的有效折射率差并不相等，如圖1左側(cè)所示。在光纖的纖芯包層折射率差不變的情況下，通過(guò)光纖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)min|Δneff|最大化最有利于減小分布式模式串?dāng)_。本文通過(guò)在階躍折射率少模光纖纖芯引入環(huán)形折射率微擾的方式調(diào)節(jié)每個(gè)LP模式的有效折射率，最終實(shí)現(xiàn)模式間有效折射率差接近等間隔分布，從而降低模式串?dāng)_。由于不同LP模式的能量分布不同，本文通過(guò)引入多環(huán)微擾實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)LP模式的精細(xì)調(diào)節(jié)，如圖1右側(cè)所示。

圖1 多環(huán)形纖芯弱耦合少模光纖示意圖

在圓形纖芯的弱耦合少模光纖中，LP模式可以分為兩類：一類是圓對(duì)稱的模式，記為L(zhǎng)P0m模式；另一類是非圓對(duì)稱模式，記為L(zhǎng)Plm(l＞0)模式，非圓對(duì)稱模式有且僅有二重簡(jiǎn)并，記為L(zhǎng)Plma和LPlmb。之前提到過(guò)，通過(guò)對(duì)纖芯折射率剖面做一些特殊設(shè)計(jì)，可以增大不同LP模式之間的模式有效折射率差。然而簡(jiǎn)并模式的模式有效折射率總是相同。在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖實(shí)際加工導(dǎo)致的幾何結(jié)構(gòu)不完美，以及外界各種擾動(dòng)等因素，非圓對(duì)稱模式的空間分布會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在接收端會(huì)有一個(gè)隨機(jī)的旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的非圓對(duì)稱模式解復(fù)用器，例如模式選擇耦合器，只能將某一種空間分布的簡(jiǎn)并模式解復(fù)用，因此會(huì)造成接收端功率的不穩(wěn)定。如果使用兩個(gè)正交的模式解復(fù)用器將兩個(gè)空間方向的簡(jiǎn)并模式分別解復(fù)用再將功率相加則需要使用復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集接收，否則會(huì)有光的干涉問(wèn)題。因此，如何簡(jiǎn)便高效地實(shí)現(xiàn)圓形纖芯弱耦合少模光纖中的非圓對(duì)稱簡(jiǎn)并模式的接收是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

學(xué)術(shù)界上常用的方式是通過(guò)使用橢圓纖芯少模光纖，將兩個(gè)簡(jiǎn)并模式的有效折射率分開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)模式的分離[13]。但是這種方式有兩方面限制：一是橢圓纖芯光纖拉制工藝難度極大，無(wú)法一次拉制10 km以上；二是橢圓纖芯將兩個(gè)簡(jiǎn)并模式分開(kāi)的程度很弱。本文依舊從模式復(fù)用/解復(fù)用器的維度出發(fā)解決此問(wèn)題，本文使用級(jí)聯(lián)型模式選擇耦合器實(shí)現(xiàn)模式復(fù)用/解復(fù)用。具有簡(jiǎn)并模式接收功能的模式復(fù)用/解復(fù)用器示意圖如圖2所示。首先將兩個(gè)簡(jiǎn)并分量視為一個(gè)LP模式，只承載一路信息，在發(fā)送端進(jìn)行LP模式的復(fù)用，如圖2左側(cè)所示，若干普通模式選擇耦合器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)模式復(fù)用結(jié)構(gòu)。在接收端，對(duì)于非簡(jiǎn)并的模式，直接使用普通模式選擇耦合器進(jìn)行模式解復(fù)用，對(duì)于簡(jiǎn)并模式，使用簡(jiǎn)并模式選擇耦合器進(jìn)行信號(hào)的下路。簡(jiǎn)并模式選擇耦合器在滿足一定條件的情況下，可以將兩個(gè)簡(jiǎn)并分量同時(shí)解復(fù)用至一根兩模光纖中，等效于對(duì)旋轉(zhuǎn)角度不敏感。解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)如圖2右側(cè)所示。

圖2 具有簡(jiǎn)并模式接收功能的模式復(fù)用/解復(fù)用器示意圖

基于上述多環(huán)形弱耦合少模光纖和具有簡(jiǎn)并模式接收能力的模式復(fù)用/解復(fù)用器。本文搭建了一套4K視頻模分復(fù)用實(shí)時(shí)傳輸演示平臺(tái)。模分復(fù)用4路4K視頻實(shí)時(shí)傳輸演示平臺(tái)示意圖如圖3所示。首先，4個(gè)4K視頻源（小米盒子4）產(chǎn)生4路不同的4K視頻信號(hào)，通過(guò)HDMI連接線分別連接至4個(gè)4K視頻光發(fā)射機(jī)。每個(gè)發(fā)射機(jī)中均插入了一個(gè)1550 nm的10 Gbit/s的SFP +光發(fā)射模塊，4K視頻電信號(hào)調(diào)制光模塊產(chǎn)生4路單模4K視頻光信號(hào)，經(jīng)過(guò)4 LP模式復(fù)用器，少模光纖以及模式4 LP模式解復(fù)用器之后，被4個(gè)4K視頻光接收機(jī)接收，每個(gè)接收機(jī)中同樣插入一個(gè)SFP +光接收模塊，最后產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過(guò)HDMI線連接至4個(gè)4K顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。由于接收端光模塊中沒(méi)有使用FEC編碼，因此整個(gè)系統(tǒng)工作在無(wú)誤碼的狀態(tài)下。同時(shí)系統(tǒng)中不需要使用光放大器和可變光衰減器。經(jīng)過(guò)測(cè)試，整個(gè)模分復(fù)用實(shí)時(shí)光傳輸系統(tǒng)可以連續(xù)正常工作超過(guò)24 h，說(shuō)明該系統(tǒng)具有非常好的穩(wěn)定性。

圖3 模分復(fù)用4路4K視頻實(shí)時(shí)傳輸演示平臺(tái)示意圖

2 弱耦合多芯少模實(shí)時(shí)傳輸

基于多芯少模光纖的空分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)比傳統(tǒng)單模光纖傳輸系統(tǒng)增加了模式和纖芯兩個(gè)維度，因此可以極大地增加通信系統(tǒng)的容量，有效解決當(dāng)前光通信系統(tǒng)容量達(dá)到瓶頸的問(wèn)題。本文采用光纖型的多芯少?？辗謴?fù)用解復(fù)用器，該器件通過(guò)將光纖束型扇入扇出器件和模式選擇耦合器、簡(jiǎn)并模式選擇耦合器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。多芯少模光纖鏈路示意圖如圖4所示?；谠撈骷投嘈旧倌９饫w的低串?dāng)_特性，本文首次實(shí)現(xiàn)了弱耦合的七芯兩模1 km實(shí)時(shí)傳輸，傳輸系統(tǒng)使用商用的標(biāo)準(zhǔn)10 Gbit/s SFP +模塊，不需要任何軟硬件修改，因此和當(dāng)前商用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)模塊兼容。

圖4 多芯少模光纖鏈路示意圖

本文首先設(shè)計(jì)并制備了7芯2模光纖。為了保證中間纖芯的同心度以及一致的纖芯距離，本文采用了打孔法制備了該光纖，通過(guò)增大纖芯距離至80 μm以及在每個(gè)纖芯外圍增加溝道的方式有效地將纖芯之間的串?dāng)_抑制在-652B/km以下，同時(shí)低折射率溝道能夠有效增加光纖的抗彎曲性能。本文使用光纖束工藝制備了7芯2模扇入扇出器。不同于之前的方案，本文直接拉制了直徑80 μm的細(xì)徑光纖，從而避免了使用氫氟酸刻蝕的步驟，提高了成品率，同時(shí)降低了對(duì)工藝的要求。圖5是7芯2模光纖端面和扇入扇出器端面顯微圖。本文使用級(jí)聯(lián)熔融拉錐型模式選擇耦合器的方式制備了兩模模式復(fù)用/解復(fù)用器。同時(shí)對(duì)于非圓對(duì)稱的LP11模式，繼續(xù)使用簡(jiǎn)并模式選擇耦合器實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定的解復(fù)用。本文將7芯2模光纖、扇入扇出器以及模式復(fù)用/解復(fù)用器搭建成弱耦合7芯2模光鏈路，并對(duì)其光學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。本文測(cè)試了復(fù)用端激發(fā)模場(chǎng)以及鏈路最核心的串?dāng)_矩陣，測(cè)試結(jié)果表明弱耦合7芯2模光鏈路具有較低串?dāng)_，不需要數(shù)字信號(hào)處理的補(bǔ)償即可滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖5 7芯2模光纖端面和扇入扇出器端面顯微圖

基于該弱耦合7芯2模光鏈路，本文使用標(biāo)準(zhǔn)商用光模塊完成了弱耦合實(shí)時(shí)多芯少模傳輸測(cè)試。7芯2模光纖實(shí)時(shí)傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖6所示。本文使用具有4組射頻信號(hào)輸出/輸出的高速誤碼儀，10 Gbit/s強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè) SFP+光模塊，以及SFP+ 驅(qū)動(dòng)板對(duì)光鏈路進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)可以在C 波段以低于3.32B的傳輸代價(jià)滿足弱耦合多芯少模實(shí)時(shí)傳輸。

圖6 7芯2模光纖實(shí)時(shí)傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

3 空分復(fù)用實(shí)時(shí)傳輸未來(lái)展望

與更高速率、更長(zhǎng)距離的空分復(fù)用實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)相關(guān)的研究已經(jīng)開(kāi)展，本文認(rèn)為模式或者模式組之間的分布式模式串?dāng)_需要從弱耦合少模光纖的維度解決，例如采用更好的折射率剖面設(shè)計(jì)、更優(yōu)良的加工工藝。此外，為了有效地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離模分傳輸，可以考慮使用包層摻氟的方式實(shí)現(xiàn)超低損少模光纖。

而對(duì)于簡(jiǎn)并模式的問(wèn)題，目前已經(jīng)有研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了具有4×4 MIMO DSP實(shí)時(shí)硬件能力的相干接收機(jī)，但波特率較低，需要進(jìn)一步研發(fā)。另一種思路是在現(xiàn)階段設(shè)計(jì)支持多個(gè)非簡(jiǎn)并模式的少模光纖，且只使用這些模式進(jìn)行傳輸。這樣的模分復(fù)用系統(tǒng)可以直接兼容當(dāng)前超高速單模收發(fā)設(shè)備。當(dāng)然，少模光纖支持的非簡(jiǎn)并模式數(shù)比簡(jiǎn)并模式少很多，但是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)支持4個(gè)甚至5個(gè)非簡(jiǎn)并模式的弱耦合少模光纖還是非常有希望的。最后，目前高速光傳輸領(lǐng)域單邊帶直接檢測(cè)技術(shù)是研究熱點(diǎn)，該技術(shù)可以和本文所提出的簡(jiǎn)并模式接收方案相結(jié)合，研發(fā)出相應(yīng)的硬件接收機(jī)后可以在不需要4×4 MIMO DSP的情況下實(shí)現(xiàn)大容量模分復(fù)用實(shí)時(shí)傳輸。