譚越心 陳嘉軻 吳 平 劉 峰 胡貴軍

(1.吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012； 2.溫州大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

1 研究前言

近幾年來(lái)，由于新時(shí)代云計(jì)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(duì)光網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)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(yīng)的影響，網(wǎng)絡(luò)容量逐漸趨近于理論極限[3].因此，國(guó)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(fù)用(SDM)技術(shù)來(lái)使光纖的傳輸容量得到進(jìn)一步的提升[4-5].而基于少模光纖(FMF)的模分復(fù)用(MDM)技術(shù)作為空分復(fù)用的一個(gè)類型[6]，利用FMF中有限個(gè)正交模式作為獨(dú)立信道進(jìn)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(shí)現(xiàn)模分復(fù)用通信的關(guān)鍵器件，實(shí)驗(yàn)中所采用的模式復(fù)用/解復(fù)用器[7]發(fā)揮著重要的作用.模式復(fù)用/解復(fù)用器主要分為光纖光柵型模式復(fù)用器[8]、非對(duì)稱定向耦合型模式復(fù)用器[9]、自由空間型復(fù)用器[10]及 “光子燈籠”型復(fù)用器[11].光纖光柵型模式復(fù)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?yàn)槭艿狡鋸幑庀禂?shù)的影響而產(chǎn)生周期性變化，從而實(shí)現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換.它易于集成，但是需要嚴(yán)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(duì)稱定向耦合型模分復(fù)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(shí)現(xiàn)不同模式之間的轉(zhuǎn)換；自由空間型復(fù)用器在模式純度和模式串?dāng)_等方面存在優(yōu)勢(shì)，但因需要復(fù)雜的光學(xué)平臺(tái)等受到了實(shí)驗(yàn)條件的限制.光子燈籠型模式復(fù)用/解復(fù)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(duì)簡(jiǎn)單，具有更好的實(shí)用性與靈活性.

近幾年來(lái)，各國(guó)紛紛報(bào)道了一些基于少模光纖模分復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容.2016年ECOC會(huì)議上，Ryf 等人采用了10個(gè)模式進(jìn)行模分復(fù)用通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用光子燈籠作為模分復(fù)用/解復(fù)用器，完成了30 GBaud QPSK信號(hào)的121 km MMF的傳輸實(shí)驗(yàn)，接收端利用相干接收和MIMO數(shù)字信號(hào)處理單元，對(duì)信號(hào)有較好的恢復(fù)作用[12].2018年OFC會(huì)議上，John等人利用光子燈籠作為模式復(fù)用器，以LP01、LP11a、LP11b為獨(dú)立傳輸信道完成了具有記錄意義的2400 km 16QAM信號(hào)復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)，接收端采用了MIMO信號(hào)作為處理單元[13].對(duì)于上述長(zhǎng)距離的MDM傳輸實(shí)驗(yàn)，通常需要相干接收和MIMO數(shù)字信號(hào)處理來(lái)恢復(fù)隨機(jī)模式耦合與串?dāng)_的信號(hào)，這通常會(huì)增加傳輸?shù)膹?fù)雜性和成本，不適用于短距離互連應(yīng)用場(chǎng)景.2017年，吉林大學(xué)陳嘉軻等利用光子燈籠作為模式復(fù)用/解復(fù)用器，利用三個(gè)模式作為獨(dú)立信道，完成了3×4.25 Gbit/s

信號(hào)的10 km傳輸[14].2018年OFC會(huì)議上，Liu等人利用模式選擇性光子燈籠作為復(fù)用/解復(fù)用器，以LP01, LP11, LP21三個(gè)模式群作為三個(gè)獨(dú)立傳輸信道，建了3×10 Gbit/s信號(hào)的模式群復(fù)用通信系統(tǒng)，傳輸距離為20km，并采用OOK調(diào)制格式時(shí)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的直接探測(cè)[15].

目前關(guān)于直接檢測(cè)且不需要MIMO信號(hào)處理的MDM傳輸實(shí)驗(yàn)通常以3個(gè)模式作為獨(dú)立信道，而要實(shí)現(xiàn)更大容量的信息傳輸，必須實(shí)現(xiàn)更多模式信道的模分復(fù)用.本文采用了六個(gè)模式作為獨(dú)立的傳輸信道，采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM-DD)的方法，實(shí)現(xiàn)了6路4.25 Gbit/s偽隨機(jī)信號(hào)B2B和10 km少模光纖(FMF)的傳輸實(shí)驗(yàn)，觀察了信號(hào)的眼圖，并測(cè)試了系統(tǒng)的誤碼性能.在接收端未采用MIMO信號(hào)處理?xiàng)l件下，對(duì)于B2B、10 km FMF傳輸，當(dāng)接收功率分別高于-16.77、-12.74 dBm時(shí)，誤碼率均能達(dá)到10-3量級(jí).

2 基于光子燈籠的6x6模分復(fù)用通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文搭建的MDM通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.在發(fā)送端，用兩個(gè)碼發(fā)生器(e-BERT)輸出4.25 Gbps偽隨機(jī)序列，序列長(zhǎng)度為2-31.通過(guò)電光調(diào)制器(EOM)，偽隨機(jī)序列被分別加載到由中心波長(zhǎng)為1550.16nm的分布式反饋半導(dǎo)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(hào)再次被兩個(gè)1×3的光分束器分別分成三路，形成了總共六路光信號(hào).為了使六路信號(hào)互不相關(guān)，加入了不同距離的延時(shí)光纖(SMF)，以產(chǎn)生不同時(shí)間的信號(hào)時(shí)延，其中，1 km SMF的延時(shí)為4.9 μs，2 km SMF的延時(shí)為9.8 μs.在進(jìn)入光子燈籠(PL)前，首先采用增加摻鉺光纖放大器(EDFA)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)的光信號(hào)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(gè)光子燈籠(PL1)實(shí)現(xiàn)對(duì)六路模式的轉(zhuǎn)換和復(fù)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)高階模的轉(zhuǎn)化，復(fù)用后的信號(hào)經(jīng) FMF 傳輸后到達(dá)接收端.由第二個(gè)光子燈籠(PL2)進(jìn)行解復(fù)用并轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)P01模，采用光電探測(cè)器(PD)對(duì)轉(zhuǎn)換為基模后的六路光信號(hào)進(jìn)行直接探測(cè)，最后通過(guò)數(shù)字示波器觀測(cè)并記錄各路信號(hào)眼圖的變化情況.

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量了10km少模光纖系統(tǒng)(含兩個(gè)光子燈籠)的串?dāng)_矩陣，如下表2所示.我們可以看出LP11a與LP11b，LP21a與LP21b兩組簡(jiǎn)并模之間的串?dāng)_與其他模式之間串?dāng)_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(gè)模式串?dāng)_

本實(shí)驗(yàn)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(fù)用/解復(fù)用器，該光子燈籠具有6個(gè)端口，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)6個(gè)模式的轉(zhuǎn)換和復(fù)用/解復(fù)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(biāo)，表4是實(shí)際測(cè)量得到的光子燈籠各個(gè)端口的插入損耗，表5是實(shí)際測(cè)量得到的光子燈籠的串?dāng)_矩陣.

表3 光子燈籠主要技術(shù)指標(biāo)

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(gè)模式串?dāng)_

光子燈籠的一端為少模光纖，中間為錐形過(guò)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(xì)管道中，通過(guò)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(lái)的單模光纖包層變成了少模光纖的纖芯，而毛細(xì)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(xì)管中演變成“超模”，演變的“超?！钡墓鈭?chǎng)分布與少模光纖中的高階模式的光場(chǎng)分布具有一致性，從而實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換和模式復(fù)用.而根據(jù)光路可逆原理，將其進(jìn)行反向應(yīng)用時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)模式解復(fù)用的功能.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中，測(cè)試了六個(gè)模式(LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02)同時(shí)在MDM通信系統(tǒng)中傳輸?shù)膫鬏斝阅?，記錄了它們?cè)诒硨?duì)背(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(hào)在兩種情況下分別傳輸后的眼圖，圖4給出了6路信號(hào)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(hào)接收的眼圖質(zhì)量變差，眼圖張開(kāi)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?dāng)_的影響，模間串?dāng)_隨著傳輸距離的增加而變大，使接收信號(hào)的質(zhì)量從而受到影響； LP11a和LP11b、LP21a和LP21b為同模組的簡(jiǎn)并模，由表3可以看出模間串?dāng)_在-18 dB左右，相對(duì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的通信質(zhì)量及信號(hào)的傳輸距離.圖5給出了上述6個(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)模式接收功率分別為-19.51、-18.22、-18.03、-18.47、-18.84、-16.77 dBm，此時(shí)系統(tǒng)的誤碼率達(dá)到10-3的要求.當(dāng)經(jīng)過(guò)10 km六模FMF傳輸后，六個(gè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)才能達(dá)到10-3誤碼率要求.與B2B相比，在經(jīng)10 km FMF傳輸后，六個(gè)模式所對(duì)應(yīng)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(jià)，才能擁有相同的傳輸性能.

對(duì)比分析該模分復(fù)用通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中六路信號(hào)的誤碼率曲線可以看出，LP01路信號(hào)的誤碼特性略優(yōu)于其他各路，這與各路模式信號(hào)在眼圖方面表現(xiàn)出的特性是一致的.總體來(lái)說(shuō)，對(duì)采用直接檢測(cè)且不需要MIMO信號(hào)處理的MDM傳輸而言，在經(jīng)過(guò)10 km FMF 傳輸后，接收到的6路模式對(duì)應(yīng)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(shí)，6路模式同時(shí)傳輸，接收信號(hào)的BER低于10-3量級(jí).

4 結(jié)論及展望

本文采用強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)(IM-DD)的方法，搭建了基于光子燈籠的6×6MDM通信實(shí)驗(yàn)傳輸系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)接收功率分別高于-16.77、-12.74 dBm時(shí)，該模分復(fù)用系統(tǒng)接收端無(wú)需采用MIMO信號(hào)處理，即可分別實(shí)現(xiàn)在B2B和10 km少模光纖下較為良好的信號(hào)傳輸，此時(shí)各信道誤碼率均低于10-3.

從模分復(fù)用通信系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展角度來(lái)看，可從三個(gè)方面來(lái)進(jìn)一步改善模分復(fù)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?dāng)_增加光子燈籠的模式隔離度，從而增加其傳輸信號(hào)的質(zhì)量；更高的速率 引入多種復(fù)用方式，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更高速率的信號(hào)傳輸.

模分復(fù)用通信系統(tǒng)作為近年來(lái)重要的研究熱點(diǎn)之一，在提升傳輸容量方面擁有著巨大的潛力，被認(rèn)為是當(dāng)今快速增長(zhǎng)的系統(tǒng)帶寬情況下最具可行性的光擴(kuò)容方案.期待在未來(lái)的若干年里，模分復(fù)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.