賴俊森，湯瑞，吳冰冰，吳文宣，李宏發(fā)，劉國軍，趙文玉，張海懿

（1. 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所，北京 100191；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003；3. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102209）

綜述

光纖通信空分復(fù)用技術(shù)研究進展分析

賴俊森1，湯瑞1，吳冰冰1，吳文宣2，李宏發(fā)2，劉國軍3，趙文玉1，張海懿1

（1. 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所，北京 100191；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003；3. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102209）

帶寬容量需求的快速增長驅(qū)動光纖通信技術(shù)不斷演進，目前多芯光纖復(fù)用、少模光纖復(fù)用、少模多芯光纖復(fù)用和軌道角動量模式復(fù)用等空分復(fù)用技術(shù)成為業(yè)界的關(guān)注焦點?；诖?，對空分復(fù)用技術(shù)涉及的新型光纖設(shè)計、模式轉(zhuǎn)換與控制、信道復(fù)用/解復(fù)用、光放大等關(guān)鍵技術(shù)及其研究進展進行了分析，同時對其技術(shù)特征進行了對比總結(jié)，并對光纖通信空分復(fù)用技術(shù)目前存在的問題和未來發(fā)展的應(yīng)用前景進行了探討和展望。

光纖通信；空分復(fù)用；多芯光纖；少模光纖；軌道角動量

1 引言

近年來隨著高清視頻、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等新興業(yè)務(wù)與應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的增長日益加速。根據(jù)Cisco公司預(yù)測，2015—2020年全球 IP流量將增長3倍，在2020年達到每月194 EB，其中移動終端數(shù)據(jù)流量的年均復(fù)合增長率更高達 53%[1]。光纖通信技術(shù)和光網(wǎng)絡(luò)作為支撐整個互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施，從20世紀80年代開始，經(jīng)歷了時分復(fù)用、波分復(fù)用和相干光通信等數(shù)代發(fā)展，目前的商用光通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于雙偏振復(fù)用、正交相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）調(diào)制和相干檢測的單波長 100 Gbit/s速率和單纖約10 Tbit/s傳輸容量[2]。

未來，隨著400 Gbit/s和1 Tbit/s等超100 Gbit/s高速光傳輸技術(shù)的演進和發(fā)展，通過提高電信號波特率，引入高階調(diào)制格式，例如正交幅度調(diào)制（quadrature amplitude modulation，QAM）以及擴展光纖C+L波段傳輸窗口等方式，可以進一步提高單纖傳輸容量[3]。但是，由于模擬前端器件的帶寬速率電子瓶頸限制（最高約75 GHz）以及后端數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）器件的制程能力和集成度逐漸逼近摩爾定律極限，通過提高電信號波特率提升光通信帶寬容量的技術(shù)路線將面臨越來越大的困難。同時，高階調(diào)制格式的引入將對光傳輸系統(tǒng)的傳輸性能提出更高的要求，由于光纖非線性效應(yīng)的存在和香農(nóng)信道容量極限的限制，在光纖通信中采用高階調(diào)制提升帶寬容量的技術(shù)路線在實際應(yīng)用中同樣面臨諸多局限。總體而言，業(yè)界普遍認為單模光纖（single mode fiber，SMF）傳輸容量的極限約為100 Tbit/s，進一步提升的空間已十分有限[4]。未來數(shù)年內(nèi)，光網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的增長乏力與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的帶寬饑渴之間的矛盾將導(dǎo)致帶寬危機（capacity crunch），這已經(jīng)成為光通信業(yè)界亟待解決的一個重要問題。

近年來廣受關(guān)注的空分復(fù)用（space division multiplexing，SDM）技術(shù)是突破單纖傳輸容量極限、破解光傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬危機的一個重要技術(shù)方向[5]。具有代表性的空分復(fù)用傳輸實驗中的光纖傳輸容量與總頻譜效率如圖1所示[6]，其中標準單模光纖的傳輸容量極限約為100 Tbit/s[7]，少模模式復(fù)用的傳輸容量可以突破115 Tbit/s[8]，而多芯復(fù)用可以大幅提高單光纖傳輸容量至2.15 Pbit/s[9]，而通過將多芯復(fù)用和少模復(fù)用進行組合，還可以進一步提高傳輸容量與頻譜效率[10-12]。

圖1 具有代表性的空分復(fù)用傳輸實驗中的光纖傳輸容量與總頻譜效率

與通過光纖集束來提高單根光纜中光纖密度的傳統(tǒng)方式不同，光纖通信中的SDM技術(shù)主要包括在同一光纖包層內(nèi)部放置多個纖芯的多芯復(fù)用（multi-core multiplexing，MCM）方式，在同一纖芯內(nèi)部同時傳輸若干線偏振（linear polarization，LP）模式的少模復(fù)用（few-mode multiplexing，F(xiàn)MM）方式，將多芯復(fù)用和少模復(fù)用相結(jié)合的少模多芯復(fù)用（few-mode multi-core multiplexing，F(xiàn)M-MCM）方式以及利用光束的不同螺旋相位波前進行正交復(fù)用的軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）方式。本文首先對上述4種SDM技術(shù)的基本原理、光纖特性、模式轉(zhuǎn)換、復(fù)用器件、放大技術(shù)和研究進展等方面進行綜述，其次對各種 SDM 方案的技術(shù)特征和研究現(xiàn)狀進行橫向?qū)Ρ扰c分析，最后對SDM技術(shù)研究目前存在的主要問題以及未來在光纖通信中進行推廣應(yīng)用的前景進行探討和展望。

2 多芯復(fù)用技術(shù)

MCM是提升單纖容量的直觀方式，與在同一套管內(nèi)放置多根SMF的集束光纖[13]方式相比，多芯光纖（multi-core fiber，MCF）能夠有效提升光纖空間密度。從20世紀80年代起，日本和美國的光纖廠商在多芯光纖制造領(lǐng)域已有多年技術(shù)積累[14]，用于系統(tǒng)傳輸容量實驗的MCF纖芯數(shù)量也從早期的7～9芯提升至20～30芯[15]，并采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)和溝道槽輔助等技術(shù)進一步降低芯間串擾[16]。MCM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括MCF設(shè)計、扇入扇出復(fù)用、多芯光纖放大、多芯對準熔接和收發(fā)機集成等。MCF與SMF的有效面積、損耗和色散等各項性能參數(shù)與特性接近，能夠支持單光纖中的Pbit/s量級傳輸容量，并提供基于空間復(fù)用的交換維度[17]。

2.1 多芯光纖

多芯光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和性能是影響多芯復(fù)用技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵因素。典型的MCF纖芯結(jié)構(gòu)分布如圖 2(a)所示，主要包括中心對稱六邊密排（HCPS）、單環(huán)型（ORS）、雙環(huán)型（DRS）和陣列型（AS）等。通過新型MCF結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠在控制芯間串擾的條件下增加纖芯復(fù)用數(shù)量，但提升纖芯數(shù)量和芯間距將導(dǎo)致包層直徑的增加，降低多芯光纖的機械性能與制造可靠性，目前可實用化MCF的最大纖芯復(fù)用數(shù)量為30～50芯[18]。通過在MCF折射率設(shè)計中采用溝道輔助結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示，能夠大幅降低MCF的芯間串擾，從而減小芯間距，提高MCF的纖芯密度。其中，溝道內(nèi)徑、直徑和折射率差的設(shè)計對于 MCF的性能參數(shù)都會產(chǎn)生影響，各纖芯之間的芯間串擾、芯區(qū)模場面積和截止波長3個重要參數(shù)之間存在相互制約關(guān)系，無法同時達到最優(yōu)，在MCF設(shè)計中需要進行折中處理[19]。

對于相同纖芯結(jié)構(gòu)的 MCF，隨著光纖長度的增加，其機械結(jié)構(gòu)中不可避免的宏彎和微彎將導(dǎo)致各纖芯之間光信號串擾增大，限制其可用傳輸距離。通過改變MCF各纖芯的截面形狀、尺寸、芯間距和折射率等參數(shù)，可以形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)MCF[16]，如圖2(c)所示，異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠增加各芯區(qū)之間光信號的傳播常數(shù)差異，大幅降低由于光纖彎曲而引入的芯間串擾，但是不同纖芯設(shè)計將引入光傳輸時延差，不僅會增加額外傳輸損耗，并且對于生產(chǎn)工藝和對準熔接提出更高的要求。

對于MCF而言，提高纖芯數(shù)量、降低纖芯間距將導(dǎo)致光信號芯間串擾出現(xiàn)線性增長，并且芯間串擾引入的光信號傳輸損傷隨傳輸距離線性累積[20]。對于100 Gbit/s光通信系統(tǒng)中廣泛采用的DP-QPSK調(diào)制格式，在MCF中進行1 000 km傳輸要求各芯間串擾小于-50 dB[17]。根據(jù)基于12芯MCF的14 350 km傳輸實驗報道[21]以及基于光功率耦合法對長飛公司7芯光纖樣品的實際測試結(jié)果可知，對于芯間距大于 40 μm的低纖芯數(shù)量MCF，其芯間光功率串擾低于-60 dB，芯間隔離度能夠滿足千公里量級的傳輸需求。

2.2 扇入扇出

在MCM系統(tǒng)中，需要在MCF輸入端口和輸出端口實現(xiàn)多根SMF尾纖的扇入扇出連接。目前基于自由空間光學系統(tǒng)的間接耦合法器件和基于光纖熔錐耦合器或者平面波導(dǎo)耦合器的直接耦合法器件均已有商用化產(chǎn)品[22]，其基本原理如圖 3所示。其中空間光耦合方法的主要問題是透鏡系統(tǒng)復(fù)雜度高，集成和校準困難，而通過光纖熔錐或波導(dǎo)刻蝕能夠?qū)崿F(xiàn)高集成度和隔離度的多纖芯耦合與解耦，典型商用7芯復(fù)用器件的插入損耗約1 dB，而相鄰纖芯隔離度約為-50 dB量級[23]。

圖2 典型的多芯光纖

2.3 多芯光放大

在 MCF中進行光信號的長距離傳輸需要進行多芯光放大，根據(jù)泵浦光耦合方式的不同，可以將多芯光放大技術(shù)分為芯區(qū)泵浦和包層泵浦兩類[24]。在芯區(qū)泵浦中，最簡單的方式是通過扇入扇出器件將MCF解復(fù)用至多個SMF，之后再采用摻鉺光纖放大器（EDFA）陣列實現(xiàn)各SMF光信號放大，可重用現(xiàn)有EDFA技術(shù)，但集成度差。通過制備摻鉺多芯光纖（ED-MCF）可以作為MCM光信號的增益介質(zhì)，通過對各個芯區(qū)的獨立泵浦，能夠?qū)崿F(xiàn)多纖芯光信號的同時放大，ED-MCF已經(jīng)可實現(xiàn)增益 G=20 dB和噪聲系數(shù)NF=5 dB的7芯信號放大[25]。直接利用MCF作為拉曼增益介質(zhì)，對各纖芯直接泵浦，能夠?qū)崿F(xiàn)MCF拉曼放大器。但是，上述基于芯區(qū)泵浦的多芯光放大方案均需要多路泵浦光源和額外扇入扇出復(fù)用器件，降低了系統(tǒng)集成度，無法體現(xiàn)MCM優(yōu)勢。

MCF中的包層泵浦是通過光纖包層功率耦合完成泵浦光在MC-EDF中對于各纖芯信號光的同時放大，根據(jù)泵浦光功率輸入方式的不同，又可以分為中心泵浦和邊泵浦兩種[26]。中心泵浦利用中心纖芯進行泵浦光輸入，通過內(nèi)部包層功率耦合實現(xiàn)對其余纖芯的信號增益，而邊泵浦是采用特殊設(shè)計的纏繞包層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)泵浦光功率注入，通過外圍包層的功率耦合對多纖芯信號進行放大。包層泵浦方式只需單路泵浦光源，無需扇入扇出器件，利于提高系統(tǒng)集成度，但缺點是耦合效率低，和芯區(qū)泵浦相比，短波長光信號的增益較低但噪聲系數(shù)很大。此外，包層泵浦可放大纖芯數(shù)量有限，并且難以對各個纖芯通道進行精確的增益控制。目前，多芯光放大器報道的光纖增益數(shù)量最高為7芯，能夠支持多芯復(fù)用光信號的長距離傳輸[27]。

2.4 MCM研究進展

由于MCF中包含多根纖芯，其端面的熔接需要對每個纖芯都進行精確的對準控制，相對于SMF而言更加復(fù)雜和困難。通過在MCF拉制過程中，在包層結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置與纖芯排列具有空間對稱關(guān)系的空心柱狀標記（marker）芯，如圖3(b)中所示，結(jié)合熔接過程中的標記條紋對準和旋轉(zhuǎn)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)7芯MCF中約0.3 dB損耗的端面熔接[28]。此外，通過采用多芯側(cè)面亮度條紋分布的零均值歸一化互相關(guān)函數(shù)峰值查找方法，能夠進一步降低MCF端面的熔接損耗[29]。但是，目前對于多芯MCF的熔接損耗仍然無法達到SMF中小于0.1 dB的水平，這對MCF長距離傳輸應(yīng)用會造成影響。

圖3 多芯光纖扇入扇出器件基本原理

MCF能夠有效提升光纖傳輸容量，但仍需與之相匹配的轉(zhuǎn)發(fā)和處理能力，所以基于光子集成電路（PIC）和硅光子（Si-photonic）集成技術(shù)提高收發(fā)機集成度是充分發(fā)揮MCM傳輸容量優(yōu)勢的重要條件。例如基于垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）和硅基光電二極管（PD）陣列實現(xiàn)的尺寸僅為5.2 mm×5.8 mm的24路集成收發(fā)機芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)480 Gbit/s的光信號轉(zhuǎn)發(fā)[30]。而直接為MCF設(shè)計的7芯分布反饋式（DFB）窄線寬激光器[31]和基于PIC的7芯硅基PD探測器[32]，能夠進一步實現(xiàn)多路光收發(fā)機的高密度集成。未來，隨著光子集成技術(shù)的發(fā)展和成熟，光層節(jié)點的信號轉(zhuǎn)發(fā)處理能力和集成度將不斷提高，基于MCM技術(shù)進行單纖超大容量傳輸?shù)膽?yīng)用需求也會更加明確。

在 MCM 的系統(tǒng)容量方面，2016年日本NICT[33]報道了基于31 km長度的雙環(huán)型同質(zhì)纖芯結(jié)構(gòu)結(jié)合溝道輔助折射率設(shè)計的22芯MCF，其芯間串擾小于-45 dB，損耗系數(shù)為0.21 dB/km，并采用25 Gbit/s波特率的DP-64QAM信號調(diào)制譜寬為10 THz的399組光梳信號，實現(xiàn)系統(tǒng)傳輸總?cè)萘繛?2.15 Pbit/s以及頻譜效率（SE）為214 bit/(s·Hz)。在MCM的傳輸距離方面，2016年美國TE SubCom[21]報道了基于46 km長、芯間串擾小于-54 dB、損耗系數(shù)為0.21 dB/km的12芯MCF環(huán)路結(jié)構(gòu)以及EDFA陣列，以8D-APSK調(diào)制格式實現(xiàn)的105 Tbit/s容量光信號最遠26圈共計14 350 km傳輸。

3 少模復(fù)用技術(shù)

傳統(tǒng)多模光纖（MMF）出于降低激光器和連接器性能要求和成本的考慮，采用50～62.5 μm的大芯徑設(shè)計，導(dǎo)致其中傳輸光信號的線偏振模式數(shù)量可達上百個，嚴重的模式耦合和模間色散限制了 MMF的帶寬容量和傳輸距離，例如新一代OM4等級MMF[34]能夠支持10 Gbit/s以太網(wǎng)信號（10GBASE-LX）傳輸400 m。少模復(fù)用（FMM）或模式復(fù)用（MDM）通過對光纖芯區(qū)和包層的折射率進行設(shè)計，可以適當提高其歸一化截止頻率（V），實現(xiàn)若干個線偏振模式在光纖中的共同傳輸，如圖 4(a)所示，這種光纖被稱為少模光纖（FMF）[35]。FMF介于SMF和MMF之間，通過引入數(shù)量可控的線偏振模式復(fù)用來提升光纖傳輸容量，通過FMF的折射率設(shè)計及接收機的多輸入多輸出數(shù)字信號處理（MIMO-DSP）來限制和補償模式耦合和模間色散帶來的不利影響，以保證其傳輸距離[36]。

3.1 少模光纖

按照是否需要大規(guī)模MIMO-DSP均衡處理，可以將FMF的設(shè)計分為弱耦合和強耦合兩類[37]。弱耦合FMF通常采用階躍折射率設(shè)計，通過提高芯區(qū)折射率的方法，增加各LP模式之間的折射率差異和差分模式時延（DMD），如圖4(b)所示，從而降低模間串擾，實現(xiàn)各個LP模式的獨立探測和接收，對于每種LP模式僅需2×2或4×4的MIMO均衡對偏振復(fù)用或模式簡并進行處理。強耦合FMF采用漸變折射率結(jié)合溝道輔助設(shè)計，實現(xiàn)所有LP模式的同時傳輸和檢測接收，如圖4(c)所示。強耦合模式依靠接收機的均衡處理來補償LP模式耦合串擾，對于 N個偏振復(fù)用的傳輸模式，需要2N×2N規(guī)模的MIMO-DSP。此外，強耦合FMF設(shè)計中需要盡量降低LP模式之間的DMD，以減小MIMO-DSP中對多路信號時延進行緩存的要求。

在弱耦合模式復(fù)用中，以4-LP模（6組傳輸模式）的弱耦合FMF為例，通過增加光纖芯區(qū)折射率使 V＜5.1，可以實現(xiàn)高階模式抑制，此時的模間串擾約為-30 dB/km，DMD為 4.4～8.9 ns/km，無需MIMO-DSP均衡處理的傳輸極限約為100 km[38]。進一步增大芯區(qū)折射率理論上可以傳輸更多 LP模式，但是隨著折射率的提高，將導(dǎo)致光纖損耗的線性增長，同時各LP模式模場直徑減小，導(dǎo)致非線性效應(yīng)損傷加劇。總體而言，弱耦合的模式復(fù)用極限為9-LP模，弱耦合FMF中的模間串擾難以滿足無MIMO均衡的長距離傳輸要求，可用于移動回傳、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和城域匯聚等中短距離應(yīng)用場景。

圖4 少模光纖結(jié)構(gòu)特征

在強耦合模式復(fù)用中，各LP模式間的串擾在模式相關(guān)損耗（MDL）可忽略的條件下，滿足線性耦合的正交酉變化要求，在接收端可以采用基于MIMO線性矩陣求解其逆變換的方法進行均衡補償，但要求均衡器緩存大于各通道間時延差。以2-LP模（3組傳輸模式）的DP-16QAM信號的FMM 傳輸為例，在接收端需要 6×6規(guī)模的MIMO-DSP處理，以 36組頻域有限沖激響應(yīng)（FIR）自適應(yīng)濾波器進行線性均衡，并且對于FMF光纖中1.43 ns的DMD，需要120級抽頭的緩存處理[39]。

接收機 MIMO處理中對于模式復(fù)用信號DMD和MDL的要求決定了強耦合FMF的設(shè)計參數(shù)需求。通過采用包層溝道輔助的漸變折射率芯區(qū)設(shè)計，可以控制各模式間的DMD＜100 ps/km，同時為了防止出現(xiàn)MDL，還需要滿足模式損耗差異（DMA）小于0.02 dB[38]。在強耦合FMF中，模式數(shù)量的增長將導(dǎo)致更高的芯區(qū)折射率和更大芯徑，導(dǎo)致FMF損耗和DMA的線性增長，同時DMD的控制也更加困難。由于存在DMD和MDL的限制，強耦合 FMF的模式復(fù)用數(shù)量的極限是12-LP模式（21組傳輸模式），而與之對應(yīng)的42×42規(guī)模的 MIMO均衡處理要求也超出現(xiàn)階段 DSP的集成度水平。此外，由于光纖生產(chǎn)工藝中溝道尺寸、摻雜濃度和折射率等參數(shù)的控制存在非理想偏差，導(dǎo)致實際FMF中的DMD參數(shù)與其設(shè)計值往往存在較大差異，實際應(yīng)用中的 DMD控制可以借助類似色散補償?shù)乃悸穪磉M行優(yōu)化[40]，即通過設(shè)計具有+DMD和-DMD特性的兩種FMF進行級聯(lián)，可以控制整個FMF鏈路滿足DMD指標要求。

除了階躍折射率和漸變折射率的標準光纖，還可以采用環(huán)型芯區(qū)光纖（RCF）[41]、橢圓芯少模光纖（EC-FMF）[42]及空芯光子帶隙光纖（HC-PBGF）[43]等非標準光纖來實現(xiàn)模式復(fù)用和傳輸。雖然非標準光纖在模式耦合和串擾控制以及時延和非線性特性等方面具有獨特的優(yōu)勢，但是普遍存在設(shè)計制造困難和傳輸損耗大（約1 dB/km）的問題，目前研究水平僅能夠覆蓋百米量級的短距離傳輸應(yīng)用。

3.2 模式轉(zhuǎn)換與復(fù)用

在 FMM系統(tǒng)中，要實現(xiàn)不同線偏振模式的生成與控制以及在FMF中的復(fù)用傳輸，需要借助模式轉(zhuǎn)換技術(shù)和模式復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)。對于模式轉(zhuǎn)換而言，可以分為基于光柵器件的導(dǎo)波光學法和基于相位模板調(diào)制器的空間光學法。在導(dǎo)波光學法中，壓力應(yīng)變光柵通過機械壓力改變其模態(tài)的拍長和取向角，可以實現(xiàn)LP01和LP11之間的轉(zhuǎn)換[44]；長周期光柵通過設(shè)置光柵周期為不同模式間的折射率差，實現(xiàn)兩種模式之間的轉(zhuǎn)換[45]。光柵結(jié)構(gòu)插入損耗小，易于集成耦合，但僅適用于低階模式轉(zhuǎn)換，不可重構(gòu)。在空間光學法中，相位模板控制基模光束入射相位模板特定位置，實現(xiàn)多個高階模式轉(zhuǎn)換[46]，如圖 5(a)所示；而空間光調(diào)制器采用透鏡和乘性模板完成二維空間光學傅里葉變換，也可實現(xiàn)任意 LP模式轉(zhuǎn)換[47]。空間光學法可實現(xiàn)高階模式轉(zhuǎn)換、可重構(gòu)性強，缺點是耦合對準結(jié)構(gòu)復(fù)雜、插入損耗大。

在空間模式復(fù)用/解復(fù)用中，同樣可以分為基于光纖耦合器的導(dǎo)波光學法和基于透鏡和相位模板組合的空間光學法。在導(dǎo)波光學法中，光子燈籠（photonic lantern）復(fù)用器通過光纖融錐結(jié)構(gòu)將若干個單模纖芯合并為一個超模纖芯實現(xiàn)模式復(fù)用，如圖 5(b)所示，其中各單模纖芯與空間模式之間的對應(yīng)關(guān)系滿足正交酉矩陣要求，可利用MIMO均衡處理求逆變換還原[48]，目前已有能夠支持2～4組LP模式復(fù)用/解復(fù)用的商用光子燈籠器件[49]。此外，定向耦合器通過多個SMF與FMF的并行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以包層模式定向耦合的方法能夠?qū)崿F(xiàn)一芯對應(yīng)一模的模式復(fù)用/解復(fù)用[50]。導(dǎo)波光學法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高，插入損耗和模式相關(guān)損耗小，但目前的制造工藝限制了可復(fù)用的模式數(shù)量。在空間光學法中，空間光耦合器采用多組如圖 5(c)所示的不同相位模板和透鏡組合，將若干SMF中的多個模式耦合進FMF[39]，目前已有支持6-LP模式的商用器件[51]?？臻g光學法能夠?qū)崿F(xiàn)可重構(gòu)的高維度模式復(fù)用，但分立器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度較低。

3.3 少模光放大

若干個LP模式復(fù)用光信號在FMF中進行長距離傳輸需要進行少模光放大，早期實驗通過LP模式解復(fù)用結(jié)合多個EDFA組合的方式實現(xiàn)，但是該方法的集成度很低，不能滿足 FMM系統(tǒng)要求[52]。此外，在FMF傳輸過程中，由于彎曲損耗和模式耦合的影響，高階LP模式的傳輸損耗略大于低階模式，需要在少模光放大的增益設(shè)計中進行適當補償，降低模式相關(guān)損耗的累積。

圖5 模式轉(zhuǎn)換與復(fù)用/解復(fù)用

典型的少模復(fù)用摻鉺光纖光放大器（FM-EDFA）同樣可以分為芯區(qū)泵浦和包層泵浦兩類。以 4-LP模（6組傳輸模式）的芯區(qū)泵浦FM-EDFA為例[53]，基于芯區(qū)環(huán)型鉺離子摻雜控制差分模式增益（DMG），采用兩組單模光源雙向泵浦方式，并結(jié)合相位模板對泵浦光進行模式控制，從而實現(xiàn)對FMF芯區(qū)中各LP模式光信號的準確增益，能夠?qū)崿F(xiàn)C波段平均增益G＞20 dB，差分模式時延DMG＜2 dB，噪聲系數(shù)NF＜5 dB。芯區(qū)泵浦 FM-EDFA的主要問題在于，需要單模泵浦光源陣列實現(xiàn)對各個 LP模式光信號的同時放大，單模激光器泵浦功率受限并且集成難度大。

基于包層泵浦的 FM-EDFA可以采用更高功率和更低成本的多模激光器作為泵浦光源，以4-LP模（6組傳輸模式）FM-EDFA為例[54]，摻鉺光纖部分具有雙包層結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過低折射率的聚合物外層將反向泵浦的 980 μm多模光源以包層耦合方式輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)單泵浦光源對多個LP模式的同時增益，降低成本并且易于實現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)集成。相比芯區(qū)泵浦方式，需要更高的泵浦光功率，并且DMG控制更為困難。總體而言，現(xiàn)階段FM-EDFA實驗報道增益模式數(shù)僅為4～6-LP模[55]，限制高維模式復(fù)用的長距離傳輸應(yīng)用。

3.4 FMM研究進展

在FMM的頻譜效率方面，2016年美國Bell實驗室報道了基于87 km溝道輔助漸變折射率強耦合FMF，實現(xiàn)6-LP模式（10組傳輸模）復(fù)用[56]。通過精密控制的P-CVD工藝實現(xiàn)FMF中的DMD為120 ps/km，有效面積為120 μm2，光纖損耗為0.23 dB/km。采用10端口光纖熔錐型光子燈籠實現(xiàn)模式復(fù)用，該器件平均插入損耗為8.7 dB，不同模式間損耗差異小于 3 dB。采用30 Gbit/s波特率16QAM調(diào)制格式，結(jié)合30波長WDM，在接收端采用20×20規(guī)模的離線MIMO均衡處理，實現(xiàn)FMM傳輸容量67.5 Tbit/s，頻譜效率達到58 bit/(s·Hz)。

在FMM的長距離傳輸中，模式復(fù)用信號光放大的實現(xiàn)方式對其傳輸能力有重要影響。2013年美國Bell實驗室報道了基于EDFA陣列光放大的4-LP模式（6組傳輸模）復(fù)用在59 km長度FMF環(huán)路中傳輸177 km的實驗[52]。其中，通過FMF漸變折射率設(shè)計結(jié)合分段時延差補償方式控制各模式間DMD，采用3D波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光子燈籠實現(xiàn)模式間復(fù)用，EDFA陣列對未復(fù)用的各模式進行獨立增益。32波長20 Gbit/s波特率DP-16QAM實現(xiàn)頻譜效率SE=32 bit/(s·Hz)，接收端12×12規(guī)模MIMO-DSP離線處理，均衡濾波器抽頭數(shù)800對應(yīng)存儲時延20 ns。2016年美國Bell實驗室報道了利用FMF中的拉曼增益效應(yīng)，實現(xiàn)2-LP模式（3組傳輸模）在70 km長度FMF環(huán)路中傳輸1 050 km的實驗[57]。其中，多段式FMF進行DMD補償，高功率雙向泵浦源通過高階模式光纖進行輸入，控制其開關(guān)增益實現(xiàn)整體FMF鏈路的0 dB損耗，輔助EDFA補償環(huán)路器件插入損耗。60波長30 Gbit/s波特率DP-QPSK實現(xiàn)頻譜效率SE=9 bit/(s·Hz)，接收端6×6規(guī)模MIMO均衡處理，濾波器抽頭數(shù)1 000，對應(yīng)存儲時延33.3 ns。

4 少模多芯復(fù)用技術(shù)

4.1 FM-MCM技術(shù)優(yōu)勢

少模多芯復(fù)用（FM-MCM）技術(shù)通過將多芯復(fù)用技術(shù)和少模復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，既在光纖包層內(nèi)放置多個纖芯，又在每個纖芯中同時傳輸若干 LP模式，如圖6（a）所示。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3個方面：第一，通過少模復(fù)用和多芯復(fù)用的結(jié)合，能夠?qū)⒗w芯數(shù)與模式數(shù)相乘，實現(xiàn) Pbit/s量級的超高單纖傳輸容量[6]以及數(shù)百 bit/(s·Hz)的高頻譜效率[10]，為光纖傳輸?shù)娜萘吭鲩L提供了巨大空間。第二，通過兩種復(fù)用方式的組合，能夠取長補短，降低對性能參數(shù)和制造工藝的要求。在以多芯復(fù)用方式降低高階模式復(fù)用的串擾損傷和折射率設(shè)計困難的同時，又以模式復(fù)用方式減輕了高密度纖芯復(fù)用對光纖設(shè)計與制造提出的苛刻要求。第三，與 FMM相比，在相同的空間復(fù)用通道數(shù)量條件下，F(xiàn)M-MCM 能夠顯著降低對于接收機MIMO-DSP均衡處理的要求。以圖6（b）所示6組傳輸模式復(fù)用的 FMM為例，其傳輸函數(shù)為 6×6維度正交酉矩陣，需要36組MIMO處理才能還原，而同樣空間維度的3芯2模式復(fù)用，則只需要3組2×2維度的MIMO均衡?？傮w而言，結(jié)合了MCM和FMM兩種技術(shù)優(yōu)勢的FM-MCM技術(shù)，是未來 SDM 光網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高傳輸容量和靈活可擴展的重要備選方案。

圖6 少模多芯復(fù)用光纖

4.2 FM-MCM研究進展

在FM-MCF設(shè)計方面，提高纖芯復(fù)用密度的設(shè)計，例如5.5 km長度HCPS端面36芯3模光纖[58]，通過增加包層直徑和采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)來降低芯間串擾。增加高階模式復(fù)用數(shù)量的設(shè)計，例如9.8 km長度HCPS端面19芯6模光纖[6]，通過提高各纖芯與包層的折射率差異和纖芯非圓度來增加模式傳播常數(shù)差異，抑制模間串擾。折中纖芯復(fù)用密度和模式復(fù)用數(shù)量的設(shè)計，例如 52.7 km長度AS型端面12芯3模光纖[59]，采用溝道輔助結(jié)構(gòu)降低芯間串擾，通過控制溝道尺寸和模場面積來降低模式間DMD。需要說明的是，F(xiàn)M-MCF的設(shè)計同樣受到MCF和FMF設(shè)計要求的限制，例如過大的包層尺寸將導(dǎo)致光纖制造良品率和機械可靠性下降，過高的纖芯折射率降低模場直徑將導(dǎo)致非線性損傷等?？傮w而言，目前實用化FM-MCF設(shè)計的SDM維度上限為150～180通道。

在少模多芯復(fù)用/解復(fù)用方面，36芯 3模復(fù)用[58]，將108根SMF分為3組，每組的36根SMF通過相位模板和透鏡的自由空間光學系統(tǒng)實現(xiàn)各自獨立的模式轉(zhuǎn)換，之后再通過透鏡分別耦合到36個纖芯中進行傳輸。19芯6模復(fù)用[6]，則先通過商用模式復(fù)用器件完成19根FMF中的4-LP模式復(fù)用，之后再通過透鏡系統(tǒng)將多根FMF信號耦合進19個纖芯進行傳輸。上述基于空間光學耦合的MCM和FMM兩級分離式的組合復(fù)用無法體現(xiàn)少模多芯高維度復(fù)用的優(yōu)勢，需要研究集成度更高的集中式少模多芯復(fù)用方法。2016年美國中佛羅里達大學報道了全光纖結(jié)構(gòu)的7芯3模光子燈籠復(fù)用器[60]，將不同芯徑的FMM插入7個低折射率摻氟毛細管中，能夠?qū)崿F(xiàn)0.2 dB插入損耗和芯間串擾小于-60 dB的少模多芯復(fù)用。

在少模多芯光放大方面，12芯3模傳輸實驗[59]采用具有環(huán)型芯區(qū)摻雜結(jié)構(gòu)的FM-EDFA陣列對各纖芯中的 FMM 信號進行放大，其中增益＞18 dB，DMG＜1.4 dB，并且結(jié)合空間光學透鏡系統(tǒng)進行MDL補償，抑制各纖芯中的模式復(fù)用信號MDL＜0.2 dB。EDFA陣列降低了少模多芯復(fù)用系統(tǒng)的集成度，而2015年美國Bell實驗室報道的基于環(huán)型包層結(jié)構(gòu)和包層泵浦方式的少模多芯FM-MC-EDFA[61]已解決上述問題，其中的環(huán)型包層結(jié)構(gòu)中包含6組摻鉺增益介質(zhì)纖芯，通過包層泵浦方式輸入多模泵浦光功率，能夠在各纖芯中對3組傳輸模式，共18組空間光信號進行放大，增益＞20 dB，芯間和模式間的DMG＜3 dB，但是由于泵浦耦合效率較低，導(dǎo)致高泵浦光功率要求和高噪聲系數(shù)NF=6～9 dB。

在FM-MCM系統(tǒng)容量實驗方面，2016年日本KDDI報道19芯6模光纖9.8 km傳輸[6]，光纖設(shè)計和復(fù)用/解復(fù)用見前所述，采用360波15 Gbit/s波特率的雙二進制DP-QPSK信號，在接收端使用濾波器抽頭數(shù)為10 000的12×12規(guī)模MIMO均衡處理，實現(xiàn)空間通道數(shù)為 114，系統(tǒng)容量為2.05 Pbit/s，頻譜效率為456 bit/(s·Hz)的SDM傳輸。在FM-MCM傳輸距離實驗方面，2016年日本NTT報道的基于52.7 km長度12芯3模光纖環(huán)路結(jié)構(gòu)的單纖芯傳輸10圈共527 km實驗[59]。其中光纖設(shè)計和光放大方案如前述，采用20波10 Gbit/s波特率DP-QPSK信號，36空間通道的系統(tǒng)容量為28.8 Tbit/s，頻譜效率為94.32 bit/(s·Hz)。

5 軌道角動量復(fù)用技術(shù)

模分復(fù)用（MDM）基于同一空間（纖芯）中傳輸不同模式間的正交性，實現(xiàn)有效的信道復(fù)用/解復(fù)用，F(xiàn)MM是MDM的一種實現(xiàn)方式，而軌道角動量（OAM）復(fù)用是另一種可行的MDM方式。光波中的粒子具有自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）兩種特性[62]，如圖7（a）所示，其中 SAM 為粒子在與其傳播方向相垂直的平面內(nèi)的自轉(zhuǎn)，在光波中表現(xiàn)為偏振態(tài)（電場）的旋轉(zhuǎn)，其光強呈高斯分布，而 OAM是粒子在與其傳播方向相同的螺旋軌道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，在光波中表現(xiàn)為螺旋相位波前和環(huán)型光強分布。通過控制OAM 光束螺旋相位波前的旋轉(zhuǎn)方向、角度和半徑，可以實現(xiàn)不同階數(shù)的 OAM模式復(fù)用，成為提升光纖通信傳輸容量的全新維度[63]。OAM復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)包括模式轉(zhuǎn)換與控制、模式復(fù)用與交換、光纖系統(tǒng)傳輸?shù)确矫妗?/p>

5.1 模式轉(zhuǎn)換與控制

實現(xiàn)傳統(tǒng)高斯光束和不同OAM模式光束之間轉(zhuǎn)換控制的方法主要可分為空間光學系統(tǒng)調(diào)制和光子集成器件調(diào)制兩類。空間光調(diào)制方法采用螺旋相位玻片（SPP）[64]或可編程的相位全息圖模板[65]，對輸入光束的相位波前進行調(diào)制，如圖 7（b）所示，通過采用不同類型的螺旋相位模板或相位全息圖，能夠?qū)崿F(xiàn)多個維度的 OAM模式轉(zhuǎn)換，而接收端采用相反的螺旋相位模板，即可實現(xiàn)OAM模式的探測和解調(diào)。在螺旋相位模板調(diào)制中要保證 OAM模式轉(zhuǎn)換的精度，需要使用對光束相位和幅度進行聯(lián)合控制?？臻g光調(diào)制還可以使用新型材料結(jié)構(gòu)，例如超表面（meta-surface）[66]，利用在等離子體材料表面加工的子波長微型天線陣列結(jié)構(gòu)，對入射光束進行反射控制和相位波前旋轉(zhuǎn)完成OAM模式調(diào)制。

空間光學調(diào)制方法器件復(fù)雜，集成度較低，為了解決這一問題，英國Bristol大學提出基于微環(huán)型諧振腔附加光柵結(jié)構(gòu)的光子集成調(diào)制器[67]。通過在環(huán)型諧振腔內(nèi)部嵌入不同角度的光柵結(jié)構(gòu)，周期性地改變其方位角方向的折射率，使得輸出衍射光束具有螺旋相位波前。環(huán)型腔中的方位角狀態(tài)由環(huán)內(nèi)導(dǎo)模和光柵周期的差值決定，通過熱光控制可以在環(huán)型腔中產(chǎn)生不同階導(dǎo)模，實現(xiàn)多種OAM模式的激勵，不同OAM模式的切換時間小于20 μs。微型環(huán)腔結(jié)構(gòu)光子集成調(diào)制器能夠在單個光子芯片中集成多個 OAM調(diào)制器，僅適用于高斯光束到 OAM模式光束的調(diào)制，無法實現(xiàn)OAM模式探測與解調(diào)。

圖7 軌道角動量復(fù)用

5.2 模式復(fù)用與交換

多維OAM模式的復(fù)用/解復(fù)用方案主要包括空間光耦合、模式分類和光子集成復(fù)用。其中空間光耦合方案[64]通過級聯(lián)合波方式實現(xiàn)復(fù)用，在接收端分路后以反相位模板進行各 OAM模式的探測解調(diào)，如圖8（a）所示，之后再以空間濾波方式恢復(fù)單通道信號，其特點是器件簡單可重構(gòu)，但高維度復(fù)用系統(tǒng)復(fù)雜，插入損耗較大。模式分類器通過空間光學幾何變換將各個 OMA模式對數(shù)極坐標系的環(huán)型光場轉(zhuǎn)換為直角坐標系的縱向空間分布，之后通過透鏡組合實現(xiàn)通道解復(fù)用[68]。光子集成復(fù)用器通過孔陣列光柵級聯(lián)星型 3D波導(dǎo)耦合器，完成 OAM光束方位角相位幅度與耦合器空間相位分布之間的轉(zhuǎn)換，并將解調(diào)后單通道信號匯聚至各個SMF端口輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)32維度的OAM復(fù)用/解復(fù)用[69]。

采用反射式 SPP空間光調(diào)制器[70]，對輸入的OAM模式設(shè)置相反的相位波前階數(shù)之和，如圖8（b）所示，可以實現(xiàn)反射輸出OAM模式與原OAM模式的模式交換以及 OAM 通道數(shù)據(jù)的空間交換，模式交換的功率代價約為1 dB。而采用透射式SPP和空間光調(diào)制器（SLM）可以實現(xiàn)OAM模式的上下路復(fù)用[71]，如圖 8（c）所示，SPP將在復(fù)用 OMA模式中的特定模式下變換為高斯光束，而反射式相位全息圖光柵將OMA模式和高斯光束分為下路，同時耦合上路新的高斯光束，在經(jīng)過相應(yīng)SPP上變換恢復(fù)OAM模式的復(fù)用組合。

5.3 光纖傳輸實驗

由于各OAM模式與基模在SMF中的有效折射率接近，傳輸過程中的功率耦合會導(dǎo)致 OAM模式的簡并與退化。通過設(shè)計具有雙環(huán)型芯區(qū)折射率分布的渦旋（vortex）光纖，可增大各OAM模式之間以及和 LP模式之間的折射率差異和隔離度，減輕模式耦合影響。2013年，美國波士頓大學研制1.1 km雙環(huán)型芯區(qū)分布渦旋光纖[72]，其中損耗系數(shù)為1.6 dB/km，OAM模式串擾小于-14.8 dB?；诖耍瓿闪嘶＃ā繪P01）和一階 OAM模式（l=±1）共4種模式復(fù)用的光纖傳輸，結(jié)合10波長20 Gbit/s波特率16QAM調(diào)制信號，實現(xiàn)傳輸系統(tǒng)容量1.6 Tbit/s，頻譜效率為16 bit/(s·Hz)。

相對于特殊設(shè)計的渦旋光纖，采用現(xiàn)有的多模光纖進行OAM模式傳輸將大大提高OAM復(fù)用技術(shù)的實用性。2014年，美國紐約城市大學采用模式分類器實現(xiàn)雙 OAM 雙偏振態(tài)的模式復(fù)用，并在漸變折射率4-LP模式FMF中實現(xiàn)2 km傳輸[73]。2016年，我國華中科技大學報道了采用空間光調(diào)制器結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)的模式激勵器和濾波器，激發(fā)和檢測 4個正交 OAM 模式組（l=01,±11,21,31），并在2.6 km長度的標準漸變折射率MMF（OM3型）中實現(xiàn)無誤碼傳輸[74]。目前 OAM模式復(fù)用信號在光纖中的傳輸仍然存在較大瓶頸，僅能實現(xiàn)數(shù)公里量級的傳輸距離，限制了OAM復(fù)用技術(shù)的可能應(yīng)用。

圖8 OAM模式的復(fù)用/解復(fù)用方案

6 空分復(fù)用技術(shù)

6.1 研究進展與對比分析

近年來，光纖通信中的SDM技術(shù)研究的代表性實驗報道見表1，其中MCM的最高纖芯復(fù)用數(shù)量可達22芯，系統(tǒng)容量達2.15 Pbit/s，而單纖芯光纖環(huán)路模擬的最遠傳輸距離可達14 350 km，驗證了MCM在有效提升系統(tǒng)傳輸容量的同時，仍然能夠保證千公里量級的傳輸能力。FMM 實驗的最高模式復(fù)用數(shù)量為9-LP模（15傳輸模式），最大頻譜效率為58 bit/(s·Hz)，在光纖環(huán)路環(huán)境中的最遠傳輸距離可達1 050 km，F(xiàn)MM在提升頻譜效率的同時，也能夠滿足百公里量級距離的傳輸應(yīng)用需求。對于FM-MCM而言，通過兩種復(fù)用維度的結(jié)合，可以顯著提升系統(tǒng)傳輸容量至2.05 Pbit/s，最大空間通道數(shù)量為114，頻譜效率為456 bit/(s·Hz)，在傳輸距離方面，通過控制纖芯和模式復(fù)用數(shù)量至3模×12芯，可以在光纖環(huán)路實驗環(huán)境中達到527 km的傳輸距離，但需要有效的集成式光放大方案以支持長距離傳輸。對于OAM模式復(fù)用，光纖傳輸?shù)淖罡吣Ｊ綇?fù)用數(shù)量為4-OAM模式，最大傳輸距離僅為2.6 km，距離實用化仍有一定差距。

表1 光纖通信中的SDM技術(shù)研究的代表性實驗報道

從代表性實驗和文獻報道可以看出，以NTT、KDDI和NICT為代表的日本研究機構(gòu)在MCM的研究方面具有良好的技術(shù)積累，同時在FM-MCM實驗研究方面也處于領(lǐng)先水平。以Bell實驗室為代表的歐美研究機構(gòu)更關(guān)注 FMM技術(shù)的研究和可能應(yīng)用，在該研究領(lǐng)域中處于領(lǐng)先水平。OAM模式復(fù)用是近年來新興的 SDM 技術(shù)分支，以UCLA（加利福尼亞大學洛杉磯分校）和波士頓大學為代表的美國研究機構(gòu)在該領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先水平。近年來，國內(nèi)以華中科技大學、北京郵電大學、北京交通大學、天津大學和南京郵電大學等為代表的研究機構(gòu)也在光纖通信空分復(fù)用技術(shù)的各個領(lǐng)域進行了深入研究并取得了一系列重要成果[19,76-81]。

SDM技術(shù)主要方案的技術(shù)特性對比見表 2，其中在一根光纜內(nèi)部集成多根光纖的集束光纖方案作為現(xiàn)有技術(shù)方案提供對比基準。在光纖參數(shù)設(shè)計與制備方面，MCF的研究和制備技術(shù)積累較為成熟，與SMF特性十分接近，目前已有7芯復(fù)用的商用化產(chǎn)品[82]，更高纖芯復(fù)用的MCF制備也不存在原理性限制，F(xiàn)MF則受到光纖設(shè)計參數(shù)和模式復(fù)用數(shù)量的限制，設(shè)計與制造較為復(fù)雜，同時多模式傳輸導(dǎo)致的高入纖功率引入較高的非線性影響，目前產(chǎn)業(yè)界也已推出了支持 2～4-LP模式的FMF商用化產(chǎn)品[83]。FM-MCF設(shè)計與制備相對而言復(fù)雜度更高，目前處于實驗室研究階段，其光纖特性由于纖芯數(shù)量和模式數(shù)量。而支持OAM傳輸?shù)臏u旋光纖由于結(jié)構(gòu)設(shè)計特殊，損耗更大，非線性特性尚待研究，并且制備較為困難。對于新型光纖的熔接對準，MCF需要采用標識輔助降低熔接損耗，設(shè)備技術(shù)要求較高，而FMF可以直接使用現(xiàn)有設(shè)備獲得低損耗和模式串擾的端面接續(xù)[84]。

表2 SDM技術(shù)主要方案的技術(shù)特性對比

在模式轉(zhuǎn)換控制和信道復(fù)用/解復(fù)用方面，MCM無需模式轉(zhuǎn)換，并且已有較為成熟的基于空間光學、光纖熔錐或波導(dǎo)器件的商用化7芯復(fù)用器產(chǎn)品。FMM的模式轉(zhuǎn)換與復(fù)用同樣有基于相位模板空間光耦合器和光子燈籠波導(dǎo)耦合器的不同解決方案，兩種方案各有長短，并且都有商用化產(chǎn)品，能夠支持4～6-LP模式的轉(zhuǎn)換與復(fù)用。SDM技術(shù)實現(xiàn)長距離傳輸需要多芯/多模光放大技術(shù)的支持，對于MCM而言，基于芯區(qū)泵浦或包層泵浦的多芯光放大均能夠?qū)崿F(xiàn)7芯MCF的信號增益，其中包層泵浦方案的集成度有優(yōu)勢，但泵浦效率較低增益控制困難，現(xiàn)有MC-EDFA的研究水平能夠支持低芯數(shù)MCM的長距離傳輸應(yīng)用。對于FMM，同樣存在芯區(qū)泵浦和包層泵浦兩種方案，并且需要進行DMG控制，目前實驗報道僅支持4～6-LP模式增益。在FM-MCM中，包層泵浦方案將是可行選擇，由于纖芯數(shù)和模式數(shù)的折中，F(xiàn)M-MC-EDFA能夠?qū)崿F(xiàn)高空間通道數(shù)量的光信號增益，但是仍然存在DMG控制困難和高噪聲系數(shù)等問題。

在接收機MIMO-DSP均衡處理復(fù)雜度方面，MCM對每個纖芯中的光信號進行獨立處理，只需對偏振復(fù)用進行2×2-MIMO均衡，F(xiàn)MM中弱耦合系統(tǒng)無需模式串擾處理，但強耦合系統(tǒng)需要根據(jù)復(fù)用模式數(shù)量M，采用2M×2M-MIMO均衡，對于FM-MCM而言，C個纖芯中的M個復(fù)用模式均需要進行均衡處理，共需要C×(2M×2M)-MIMO，但是在相同維度下，其MIMO-DSP規(guī)模的要求相對于FMM顯著降低。OAM復(fù)用實質(zhì)上仍然模式復(fù)用，對于M個OAM模式，同樣需要2M×2M-MIMO均衡處理。

6.2 存在問題與應(yīng)用前景

上述4種SDM技術(shù)能夠從纖芯數(shù)量、模式數(shù)量和 OAM模式等不同維度提升光纖傳輸容量，是未來光通信技術(shù)發(fā)展的重要方向，但是其研究發(fā)展和推廣應(yīng)用仍然面臨一些瓶頸問題。雖然MCM 相對現(xiàn)有的集束光纖技術(shù)能夠進一步提高纖芯復(fù)用的空間密度，并能夠支持千公里量級的長距傳輸，但是光網(wǎng)絡(luò)整體傳輸容量的增長還需要收發(fā)端機集成度的提升和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)處理能力的增強予以配合，而上述能力提升需要依靠光子集成技術(shù)和全光交換技術(shù)的進一步發(fā)展。FMM能夠提升單纖芯的傳輸容量，但弱耦合模式的可用模式數(shù)量有限，并且僅能夠支持百公里量級的傳輸距離，強耦合模式需要借助接收機MIMO-DSP來補償長距離傳輸過程中累積的模式間串擾，對于DSP技術(shù)的集成度和處理能力提出了很高要求。FM-MCM通過兩種復(fù)用方式的折中提高了其實用性，但是仍然在集成式復(fù)用和光放大方案等方面存在一定瓶頸。對于MCF、FMF和FM-MCF等新型光纖和相應(yīng)的復(fù)用/解復(fù)用器件而言，其技術(shù)成熟度和生產(chǎn)制備能力與可靠性也是其推廣應(yīng)用需要解決的問題。對于 OAM模式復(fù)用而言，目前研究水平仍然限于模式轉(zhuǎn)換控制和光纖傳輸驗證的初級階段，在光纖設(shè)計制備、復(fù)用維度提升和傳輸特性研究等方面仍有一些基礎(chǔ)性問題亟待解決。

在標準化方面，在2016年的ITU-T SG15全會期間，日本代表團在多個場合力對SDM技術(shù)展開標準化研究，但未獲得與會專家支持。以歐美運營商和設(shè)備商為代表的專家觀點普遍認為SDM技術(shù)仍處于發(fā)展早期，商用前景不明確，目前進行標準化研究為時尚早。國內(nèi)通信運營商與設(shè)備商對SDM技術(shù)也處于前沿進展的跟蹤研究階段，未見相關(guān)路線規(guī)劃、產(chǎn)品開發(fā)和標準研究的動作。

預(yù)計在未來3～5年，F(xiàn)MM技術(shù)可能率先在現(xiàn)有局域網(wǎng)MMF容量升級、數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)和大容量移動前/回傳等短距離傳輸場景獲得應(yīng)用，而FM-MCM技術(shù)則有可能在流量熱點地區(qū)的城域匯聚/核心等中距離傳輸和大容量靈活交換的場景中受到重視[85-87]。隨著光子集成技術(shù)、新型光纖和光放大技術(shù)以及 DSP制程與處理能力的發(fā)展和成熟，最終可能實現(xiàn)SDM技術(shù)在長距離干線傳輸中的應(yīng)用。需要指出的是，SDM技術(shù)在光纖通信系統(tǒng)和光傳輸網(wǎng)絡(luò)中能否獲得升級換代式的大規(guī)模應(yīng)用以及獲得應(yīng)用的路線圖及其時間，將取決于其是否能夠有效地降低數(shù)據(jù)流量的比特成本，能否提供全新的空間通道交換維度與靈活性以及能否實現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)和存量網(wǎng)絡(luò)的后向兼容與平滑演進，上述這些問題還需根據(jù)SDM技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在未來數(shù)年的進一步發(fā)展情況才能做出合理的評估與分析。

7 結(jié)束語

以MCM、FMM、FM-MCM和OAM模式復(fù)用為代表的 SDM 技術(shù)是未來光纖通信系統(tǒng)和光傳輸網(wǎng)絡(luò)容量擴展和升級演進的重要方向，也是光通信領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究關(guān)注的焦點。本文對上述4種SDM技術(shù)路線中涉及的新型光纖設(shè)計、模式轉(zhuǎn)換與控制、信道復(fù)用/解復(fù)用、光放大等關(guān)鍵技術(shù)及其最新實驗進展進行綜述分析，同時對各種 SDM 技術(shù)的研究現(xiàn)狀和技術(shù)特征進行橫向?qū)Ρ群涂偨Y(jié)，并在此基礎(chǔ)上對SDM技術(shù)目前存在的問題和未來發(fā)展與應(yīng)用的前景進行探討和展望。未來，隨著SDM技術(shù)的發(fā)展成熟，其將在光通信網(wǎng)絡(luò)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用，成為下一代光纖通信的重要技術(shù)特征。

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Analysis on the research progress of space division multiplexing in optical fiber communication

LAI Junsen1, TANG Rui1, WU Bingbing1, WU Wenxuan2, LI Hongfa2, LIU Guojun3, ZHAO Wenyu1, ZHANG Haiyi1
1. Technology and Standards Research Institute, China Academy of Information and Communication Technology, Beijing 100191, China 2. State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350003, China 3. Global Energy Interconnection Research Institute, Beijing 102209, China

The evolution of optical fiber communication technology is driven by the ceaseless growth of capacity demand of Internet. Space division multiplexing (SDM) based on multi-core fiber, few-mode fiber, few-mode multi-core fibers and orbital angular momentum has become the focus of academy and industry. Key technologies and latest research progress were reviewed, including novel fiber design, spatial mode conversion, spatial channel de/multiplexing and optical amplification. Based on the comparison and analysis of four kinds of SDM technologies, their bottlenecks and potential future application were also discussed.

optical fiber communication, space division multiplexing, multi-core fiber, few-mode fiber, orbital angular momentum

s: The National Natural Science Foundation of China(No.61471128, No.61671159), The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(No.2015AA015502), State Grid Corporation of Science and Technology Project(No. SGFJ0000KXJS1600143)

TN929.11

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017237

賴俊森（1983-），男，博士，中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所高級工程師，主要研究方向為高速光傳輸、WDM/OTN、量子通信等。

湯瑞（1984-），男，中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所高級工程師，主要研究方向為高速光傳輸、WDM/OTN、光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

吳冰冰（1984-），女，博士，中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所高級工程師，主要研究方向為光傳輸系統(tǒng)、高速光傳輸與光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

吳文宣（1960-），男，國網(wǎng)福建省電力有限公司高級工程師，主要研究方向為電力通信、光傳輸。

李宏發(fā)（1976-），男，國網(wǎng)福建省電力有限公司高級工程師，主要研究方向為光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、OTN/SDH。

劉國軍（1983-），男，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院高級工程師，主要研究方向為電力通信、通信安全等。

趙文玉（1973-），男，博士，中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所主任工程師，主要研究方向為高速光纖通信網(wǎng)、WDM/OTN、量子通信等光網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)、標準制定和系統(tǒng)測試評估等。

張海懿（1972-），女，中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所高級工程師、寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部主任，主要研究方向為高速光纖通信網(wǎng)、自動交換光網(wǎng)絡(luò)、SDN和量子通信等新技術(shù)研究、體制標準制定、運營商技術(shù)咨詢等。

2017-06-14；

：2017-07-31

國家自然科學基金資助項目（No.61471128，No.61671159）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2015AA015502）；國家電網(wǎng)公司科技項目（No.SGFJ0000KXJS1600143）