基于少模光纖的模分復用系統研究＊

湯瑞 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

賴俊森 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

趙文玉 中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師

發展策略

基于少模光纖的模分復用系統研究＊

湯瑞 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

賴俊森 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

趙文玉 中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師

基于少模光纖的模式復用技術成為下一代光傳輸技術的研究熱點之一。本文對模式復用原理和關鍵技術及器件進行了闡述，并對少模復用的發展方向提出了一些思路。

少模光纖 模式復用 少模放大

1 引言

波分復用（WDM）技術結合偏振復用（PDM）、相干接收以及高階調制等技術使得單模光纖（SMF）的傳輸系統容量已經達到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，業界將目光轉向了空分復用這一還未被開發的領域。基于少模光纖（FMF）的模式復用（MDM）技術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用方式的基礎理論和研究現狀，并對其發展進行了討論。

基于少模光纖的模式復用系統的典型結構如圖1所示。

圖1 少模光纖模式復用傳輸系統示意圖

2 少模復用系統基本原理

傳統的多模光纖中模式過多，模間色散也嚴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的新型多模光纖—少模光纖應運而生，利用少模光纖中少量但穩定的模式進行模式復用，既減小了模間色散，又可以借助其正交模式作為獨立信道進行信息傳送，成倍提升系統傳輸容量。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，也進一步提高了少模光纖模式復用系統的傳輸能力。

首先，在發射機部分，電域信號經過信源編碼等處理之后，被調制成光信號。之后，通過模式轉換器件將光信號轉化為少模光纖支持的某一特定模式，通過模式復用器將各個模式復用到同一根少模光纖內進行傳輸，并通過模式放大實現長距離傳輸。在接收端，模式復用信號首先進入模式解復用器，少模光纖內接收機器將不同模式的光信號分別轉化成電信號，經過模式解復用算法處理、色散補償、數字信號處理、相位恢復等最終得到原始信號。

3 少模光纖及模式轉換器件

少模光纖是模式復用技術應用于長距離大容量傳輸系統的關鍵。目前的大容量長距離通信系統通常使用單模光纖，其纖芯直徑僅為8～10μm，在C波段只支持單一的基模傳輸。傳統的多模光纖纖芯直徑為50～62.5μm，其中傳播的模式多達數百個，模間色散嚴重，只能用于短距離傳輸。少模光纖是指所支持模式數大于單模光纖，而小于傳統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定性，并減小模間色散以用于模式復用信號的傳輸。根據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目，歸一化截止頻率與光纖的纖芯半徑成正比關系，與工作波長成反比關系。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。

模式轉換與復用技術用于實現基模與高階模式間的轉換及復用。模式復用系統采用模式轉換技術的原因是模式復用系統需要純凈及穩定的復用模式，并限制輻射模的產生。模式轉換及復用主要有兩類方案：基于光纖結構的模式復用和基于空間光學元件的復用。前一類主要是各類耦合器件完成模式的選擇與復用，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）、空間光調制器（SLM）等，依據的原理就是依靠分束器、透鏡等專業光學設備，依照自由空間中幾何光學的光線傳輸原理，將不同的光路通過精準設計的光路結構進行模式復用并注入到多模光纖中。

模式放大技術是模式復用系統能夠實現長距離傳輸的關鍵。近幾年的模式復用傳輸試驗研究，由于缺少有效的模式放大器，多數的試驗研究傳輸距離依舊現在數百公里以內。為了實現模式復用系統的長距離傳輸，亟待研究開發針對于少模光纖或者多模光纖的放大技術。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行泵浦放大。

4 少模傳輸試驗系統

近幾年不斷報道的傳輸試驗已經證明了模式復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、康寧公司等研究機構聯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。總容量達26.4Tbit/s的創新性成果廣泛引起對于模式復用領域的關注。2012年貝爾實驗室采用少模光纖端面的3個不同扇形區域，通過3根單模光纖激發模式承載信號耦合進少模光纖，在長距離傳輸方面實現了波分復用的頻譜間隔為50GHz，傳輸速率為128Gbit/s的10路PM-QPSK信號在7芯光纖中進行空分復用，傳輸距離長達2688km的多跨段傳輸。

在2015年的OFC會議上，NTT聯合其他大學等機構在離線處理方式下，使用并行的多輸入/多輸出（MIMO）頻域均衡技術補償模式的差分時延30ns，進行了12芯光纖3個模式的527km的環回鏈路傳輸試驗。同樣是在2015年的OFC會議上，NEC、康寧等進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為0.157dB/km的51.3km少模光纖和衰耗系數為0.153dB/km的50.3km的康寧EX3000超低損光纖構成，實現了6600km的光纖環路傳輸，頻譜效率達到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，還可以實現更優的傳輸性能。

在模式放大方面，美國佛羅里達大學2011年詳細分析驗證了少模摻鉺光纖放大器應用于模式復用系統的可行性。目前的模式復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換到單個模式分別進行放大，且成本及復雜度隨模式的增多而增加。

國內對于模式復用技術近幾年開始研究，主要集中在模式激勵與模式轉換、損傷機理與補償等關鍵技術的理論分析與計算機仿真等。主要研究機構包括了北京郵電大學、華中科技大學、復旦大學和吉林大學等，主要成果如模式復用在漸變型多模光纖下75km傳輸試驗、雙偏振態的空間偏振模式參數化物理模型、高差分模時延少模光纖、級聯MIMO延時均衡算法等。

5 結束語

圖2 光模光纖與單模光纖鏈路混合傳輸試驗配置

少模光纖的模式復用系統還有一系列的關鍵問題有待解決。適合模式復用使用的少模光纖、能夠穩定控制模式激發與控制的集成化模式復用器與解復用器以及適合模式復用的在線少模光放大器都是尚待研發解決的關鍵器件。模式耦合和差分模式時延對系統的影響很大，模式耦合和模間色散的損傷與補償也是傳輸單模光纖傳輸系統所不曾遇到過的。但從理論以及實驗室的結果已經可以看到模式復用大幅提升傳輸容量的可行性，相信隨著少模光纖、模式復用相關器件的發展和成熟，模式復用傳輸或將成為擴大單纖長距離傳輸容量最具有潛力的技術之一。

1 M.Salsi,Proc.OFC14paperTu2D.2,2014

2 姚舒暢等.物理學報.2013

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2015-09-20）

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