智能可重構多芯光纖空分復用通信與光信號處理

霍亮/HUO Liang

（華中科技大學，中國 武漢 430074）

(Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

隨著光纖通信系統的不斷發展，人們對通信容量需求的不斷增長，以多芯光纖（MCF）為代表的空分復用（SDM）傳輸技術，在長距離相干傳輸網絡和短距離光接入網中都得到了廣泛應用，大大提升了系統的傳輸容量[1-2]。然而，隨著SDM傳輸系統的不斷發展，人們對SDM網絡提出了更高的要求。為了能夠靈活實現各種不同的網絡拓撲結構，提供更加豐富而又個性化的網絡服務，SDM技術需要能夠實現智能可重構的空間信道間的信號耦合和切換，從而在此基礎上實現智能可重構的光通信與信號處理功能。以MCF為例，為了實現在MCF芯間的信號耦合和切換，支持空間維度上的單播、多播和組播等網絡功能，現有的解決方案一般可以歸納為3類。第1類為空間耦合方案，如2014年，NELSON L. E.等設計了復雜的空間光學透鏡組，利用微機械空間振鏡，實現了7芯光纖間的芯間路由功能[3]。與之類似，在2015年，FONTAINE N. K.等提出了一種基于液晶振鏡的MCF芯間信號交換系統，也是通過復雜的衍射光學系統實現不同芯間的信號切換[4]。第2類為片上集成方案，如在2015年，DING Y.等通過在片上構建7×7馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）矩陣實現了硅基光子集成化的7芯光纖芯間功率交換，這種方案雖然集成度高，但其控制系統和耦合系統都極為復雜，同時成本更高[5]。第3類為全光纖方案，如在2015年，FERNANDES G. M.等提出通過壓電陶瓷在MCF中引入彎曲聲場，利用光纖聲光效應形成的動態光柵來實現芯間信號耦合[6]。在2016年，ALMEIDA T.等在4芯光纖中刻寫長周期光柵（LPG），實現了芯間光功率耦合，并搭建了200 Gbit/s的單波長傳輸系統，證明了芯間信號交換的可行性[7]；但是所刻LPG的帶寬較窄，僅能實現單波長芯間信號耦合和交換，沒有充分利用MCF大帶寬的傳輸特性。相較于前兩類方案，全光纖方案更易實現高效耦合，并且成本較低；因此，結合MCF在未來SDM網絡中的需求，我們研究了全光纖型智能可重構的芯間信號耦合與切換方案，并在此基礎上探索了可重構的光子信號處理應用和大容量的通信應用。

1 MCF及其扇入扇出器件

隨著相干光通信系統的發展，單模光纖物理信道容量的終極限制因素主要來自于光纖損耗與非線性效應，特別是長距離光纖傳輸帶來的非線性畸變限制了入纖功率的提升。為了突破單模光纖非線性香農極限帶來的容量緊縮難題，我們需要探索并開發光纖物理信道的空間維度，研究SDM光信息處理技術與傳輸系統。因此，我們開展了基于MCF的SDM技術的理論和實驗研究，在MCF相關的基礎理論、制備工藝、參數測試與優化、關鍵器件與模塊等方面取得了一系列突破。

1.1 MCF設計與制備

通過在MCF光學性能優化、芯間串擾的波長相關性分析、性能測試方法以及制備工藝等方面詳盡的理論與技術研究[8-9]，我們在中國首次成功制備低損耗7芯光纖并具備規模化生產條件。7芯光纖典型光學測試特性結果如表1所示，從中可以看出我們拉制的7芯光纖具備較好的芯間串擾抑制和優良的光學性質，是替代傳統單模光纖的理想傳輸介質。

1.2 MCF扇入扇出器件設計與制備

MCF扇入扇出器件是實現SDM通信系統高效傳輸的關鍵模塊，也是制約中國開展SDM光傳輸研究的瓶頸。為了打破其他國家科研機構的技術壟斷，我們提出采用光纖拉錐、腐蝕等微加工技術并結合光纖束冷接工藝來制備MCF扇入扇出器件。該方法有別于其他國家研究機構采用的熔融拉錐耦合法和透鏡聚焦法。經過深入研究與長期摸索，我們首次在中國成功研制出普通單模光纖與7芯光纖適配的低損耗扇入扇出模塊，其典型性能參數如表2所示。每個端口插入損耗在1 dB左右，為系統級傳輸應用鋪平了道路。在此基礎上，我們還提出基于微孔加工的工藝優化方法，使扇入扇出器件性能得到優化，為其端口擴容奠定了基礎。同時，為進一步提升MCF扇入扇出器件的插入損耗、可重復性等重要性能，我們還提出了基于自組裝拉錐法制備7芯光纖扇入扇出器件新型制備工藝。為保證光纖在拉錐前后均可以匹配單模光纖模場，GAN L.等設計了新型溝道輔助型-弱纖芯光纖（TA-VCF）[10]，其低折射率溝道用于抑制光纖間串擾并同時提升TA-VCF光纖宏彎損耗性能。

2 基于MCF的無限沖激響應微波光子濾波器（IIR-MPF）

目前基于SDM光纖的微波光子信號處理的研究，已經實現了利用在同質MCF中刻寫光纖光柵來構造有限沖激響應微波光子濾波器（FIR-MPF）[11]，但是一般而言，FIR濾波器的Q值較小，而IIR-MPF則有較高的Q值。本文中，我們基于MCF和可編程拉錐技術構造出級聯式和并聯式的IIR-MPF結構，實現了較高的Q值，并且同時使之具有可調諧性與可重構性。IIR-MPF的原理為：電光調制器（EOM）先將射頻（RF）信號調制到光載波上，然后該信號經過耦合器構成的環路結構將產生具有相同時間延遲差T的多個抽頭，即構成一個多抽頭的濾波器結構，光信號最終將被光電探測器轉換為RF信號[12]。

表1 7芯光纖典型光學特性參數

表2 7芯光纖扇入扇出器件典型性能參數

本方案基于MCF的可編程拉錐技術以及MCF扇入扇出設備來實現環路結構[13]。我們選擇了以電弧放電方法為基礎的可編程商用保偏光纖熔接機（Fujikura FSM-100P+）作為制作平臺來對MCF進行拉錐處理。首先，我們將熔接機的V形槽進行初始化對準，以避免側向應力對光纖錐區的影響；然后，剝去MCF的涂覆層，用兩個夾具分別將MCF夾緊固定，防止拉錐時產生相對位移；接著，我們使用計算機程序控制熔接機開始電弧放電預熱MCF，并將MCF從加熱區域以一定加速度從一側拉出，同時從另一側勻速送料，完成線性拉錐。經過拉錐后，MCF各纖芯中的信號光將會不同程度地耦合到其他纖芯中，在不同纖芯中形成不同的功率分布。我們可以選擇合適的輸入、輸出纖芯構成環路，降低系統整體的損耗。

2.1 系統結構

實驗裝置圖如圖1所示。圖1（a）中，扇入設備的纖芯1為信號光的輸入纖芯，纖芯2為輸出纖芯。扇入、扇出設備的纖芯3與纖芯4分別兩兩連接，構成環路結構，其中兩端的纖芯3構成第1個環路，兩端的纖芯4構成第2個環路。信號光從扇入設備的纖芯1輸入后，經MCF拉錐區域時將同時耦合到扇出設備的纖芯1和纖芯3中，而纖芯3又經過摻餌光纖放大器（EDFA）與扇入設備的纖芯3相連，從而形成第1個IIR-MPF。而扇出設備的纖芯1作為第1個IIR-MPF的輸出纖芯，又和纖芯2相連，相當于扇出設備的纖芯2作為第2個IIRMPF的輸入纖芯，即完成2個IIRMPF的級聯結構。第2個IIR-MPF則是由纖芯4構成的環路形成的，最終由扇入設備的纖芯2作為輸出纖芯。圖1（b）中，扇入、扇出設備的纖芯1分別是信號光的輸入纖芯和輸出纖芯。兩個IIR-MPF的環路結構分別由扇入、扇出設備的纖芯3和纖芯5來構成，它們共享同樣的輸入和輸出，因此，兩個IIR-MPF是并聯結構。

2.2 實驗結果

圖2和圖3分別展示了級聯式和并聯式IIR-MPF的幅頻響應曲線。由圖中可以看出，無論是級聯式還是并聯式IIR-MPF，理論仿真得到的幅頻響應曲線和實際測量所得曲線基本一致，且Q值分別達到了143和136。同時通過改變環路延時T的大小以及每一路功率的大小可以完成MPF的調諧與重構，因此這兩種結構均具有可調諧性與可重構性。理論上，利用更多的纖芯構成IIR-MPF可以獲得更高的Q值。

3 基于MCF的有限沖激響應微波光子濾波器（FIR-MPF）

▲圖1 種基于MCF的無限沖激響應微波光子濾波器實驗裝置圖

▲圖2 級聯式無限沖激響應微波光子濾波器的幅頻響應曲線

▲圖3 并聯式無限沖激響應微波光子濾波器的幅頻響應曲線

在上一節內容的基礎上，為了拓寬光信號處理的可重構性和靈活性，我們希望將波長維度和空間維度同時引入光信號處理之中，能在兩個維度分別實現相應的信號處理功能，因此，我們提出將LPG和MCF結合在一起，利用LPG的波長選擇性和MCF的SDM特性分別在波長維度和空間維度實現可重構的FIR-MPF[14]。FIR-MPF的原理為：電光調制器先將射頻信號調制到光載波上，然后該光信號經過1×N耦合器分成N路，且兩路之間具有相同時間延遲差T，即構成一個N抽頭的濾波器結構，再經過一個N×1耦合器將N路信號疊加在一起，最終經過光電探測器轉換為RF信號[15]。

利用MCF-LPG能夠實現信道間的功率耦合和切換，從而完成基于MCF的FIR-MPF重構功能。其原理如下：當工作波長處于LPG的諧振波段時，功率耦合將發生在纖芯模和包層模之間。MCF不同纖芯中的LPG可以將其各自的纖芯模與共享包層模式耦合，此時，一個纖芯中的功率可以通過包層模式轉移到另一個纖芯。而當溫度、應力等外界物理量發生改變時，光柵局部區域的折射率和光柵周期會發生改變，光柵的光譜會發生漂移。當MCF-LPG發生定向彎曲時，不同位置的外層纖芯將承受來自不同方向和曲率半徑上的切向應力，造成不同芯中的LPG實際彎曲半徑并不相同，受到的切向應力大小與方向角和芯間距有關。在MCF-LPG發生定向彎曲的情況下，不同纖芯的透射譜會產生大小不同或者方向不同的漂移，原本交疊的諧振波段會發生錯位[16]，而光譜的交疊程度和耦合系數的變化會影響芯間耦合功率的大小[17]。通過定向彎曲MCF-LPG，我們可以控制芯間耦合通道的傳輸損耗。進一步地，通過精確控制彎曲方向和彎曲半徑，使MCF-LPG在平直和定向彎曲的兩種狀態進行切換，可實現在不同纖芯中定向的功率分配并控制芯間耦合功率，進而實現可重構的芯間信號切換。

3.1 系統結構

實驗裝置圖如圖4所示。圖4（a）中，陣列波導光柵（AWG）輸出通道的CH22（1 559.95 nm）、CH37（1 547.72 nm）和CH52（1 535.82 nm）分別與扇入設備的纖芯1、4和3相連。扇出設備的纖芯3、4和5作為輸出纖芯，這3路輸出光信號經過2個光耦合器（OC）合并為一路被光電探測器接收。圖 4（b）中，CH45（1 541.35 nm）作為纖芯1的諧振波長，輸入到纖芯1中，然后扇出設備的纖芯2、3和5作為輸出纖芯。對MCF-LPG進行定向彎曲后，便可實現不同輸出信道的切換。兩個實驗中都用到了矢量網絡分析儀（VNA）來分析MPF的幅頻響應曲線。

▲圖4 兩種基于MCF-LPG的有限沖激響應微波光子濾波器實驗裝置圖

3.2 實驗結果

圖5展示了不同工作波長和輸入纖芯下的FIR-MPF的幅頻響應曲線。圖6展示了MCF-LPG不同彎曲曲率和方向下的FIR-MPF的幅頻響應曲線。由圖5和圖6可以看出，調整工作波長和改變定向彎曲MCF-LPG的曲率與方向，都實現了基于MCF的可重構的兩抽頭MPF，分別得到了3條不同的幅頻響應曲線，因此通過實驗證明了3個纖芯之間可以實現定向芯間信號切換，從而達到空間信道分配的目標。此外，我們希望通過使用MCF中更多的纖芯并提高調諧機制的可靠性來獲得可重構的多抽頭濾波器。MCF固有的信道并行特性使其具有緊湊性、大帶寬、功耗低等優勢。我們相信這種方法為微波光子系統及網絡中的可重構光子信號處理提供了一種新的解決方案，因其具有低成本和高效率的特點。

▲圖5 不同工作波長和輸入纖芯下的有限沖激響應微波光子濾波器的幅頻響應曲線

4 基于MCF的可重構空分信道交換通信系統

在前述方案的基礎之上，我們還嘗試將MCF-LPG和定向彎曲系統運用于大容量通信系統，在SDM相干傳輸系統中實現了可重構芯間信號切換，消光比高達39 dB，傳輸總容量達到1.344 Tbit/s[18]。

4.1 系統結構

▲圖6 多芯光纖長周期光柵不同彎曲曲率和方向下的有限沖激響應微波光子濾波器的幅頻響應曲線

為了測試可重構芯間信號切換的傳輸性能，我們搭建了大容量SDM相干傳輸系統，系統結構如圖7所示。將6個線寬低于100 kHz的窄線寬激光器（LD）作為光源，其波長分別為1 553.33 nm、1 552.52 nm、1 551.72 nm、1 550.92 nm、1 550.12 nm和1 549.32 nm（CH30到 CH35，信道間隔為100 GHz）。使用一個陣列波導光柵將6個波長信道同時送入雙偏振同相正交（IQ）調制器中，調制信號為離線產生的正交頻分復用（OFDM）信號，長度為215-1的隨機比特序列（PRBS）映射入100個16 QAM子載波，逆傅里葉變換（IFFT）的點數為128，循環前綴為10%。通過IFFT之后的信號實部和虛部再經過采樣率為28 GSam/s的任意波形發生器（AWG）進行數模轉換，經過微波放大器放大后驅動雙偏振IQ調制器，單波長比特速率則為28 GSam/s×4×2=224 Gbit/s，6 個波長信道的系統總速率為1.344 Tbit/s。調制信號經過EDFA放大之后，通過扇入設備輸入MCF的纖芯6中。經過MCFLPG后，在輸出端由扇出設備輸出的信號和放大自發輻射（ASE）噪聲源耦合用于調節接收端光信噪比。陣列波導光柵將不同波長的光信號解調輸出，通過可調光衰減器衰減至-12 dBm的接收光功率后輸入相干光接收機。最終，信號由采樣率為80 GSam/s的數字采樣示波器接收并進行離線處理。為了提高相干傳輸系統的傳輸性能，在數字域采用了恒幅度零自相關序列（CAZAC）預編碼用于降低峰均比（PAPR），提升接收機靈敏度，增強抗色散性能并實現子載波間的信噪比均衡[19]，同時也采用了預失真技術降低微波放大器等器件衰落的影響[20]。

▲圖7 可重構芯間信號切換測試系統裝置圖

實驗所用MCF-LPG的光柵周期為505 μm。我們分別在其保持平直和彎曲方向角為30°、彎曲半徑為15 cm兩種狀態下，測量得到纖芯5、6和7的透射譜。結果表明，3個不同芯的諧振波長發生了不同程度的漂移：纖芯5的LPG主諧振波長由1 528.6 nm紅移至1 542.7 nm，纖芯6的LPG主諧振波長由1 547 nm藍移至1 542.4 nm，纖芯7的LPG主諧振波長由1 543.4 nm藍移至1 533.6 nm。同時，所有的諧振波長消光比均有3～7 dB的降低，說明纖芯模與包層模之間的耦合變弱。對于從纖芯6輸入、纖芯5和7輸出的芯間耦合信道，我們分別在MCF-LPG平直和定向彎曲的 情況下測量了其傳輸譜。結果表明，在MCF-LPG保持平直時，在整個C波段內，從纖芯6輸入的光信號都能夠高效地耦合至纖芯5和7。在纖芯6到纖芯7的1 548.3 nm處存在最低耦合損耗為11.3 dB。而當MCF-LPG發生彎曲方向角為30°、彎曲半徑為15 cm的定向彎曲時，由于波長漂移和耦合系數減小，芯間耦合信道的傳輸損耗大大升高，纖芯6輸入的光信號幾乎不再耦合至其他纖芯。在MCF-LPG平直和定向彎曲兩種狀態下，最大切換消光比為39 dB，相應的空間信道從纖芯6切換至纖芯7，波長為1 556.6 nm。

4.2 實驗結果

在MCF-LPG保持平直和定向彎曲狀態下，我們分別測量了6個波長信道的誤碼率曲線，如圖8所示。當MCF-LPG保持平直狀態時，從纖芯6輸入的光信號被切換至纖芯5和7，此時芯間切換處于開通狀態。當MCFLPG發生彎曲方向角為30°、彎曲半徑為15 cm的定向彎曲時，只有纖芯6輸出的光功率能夠達到接收機的靈敏度要求，而纖芯5和7輸出的信號已經被完全淹沒在噪聲中，此時芯間切換處于關斷狀態。與光背靠背（OB2B）傳輸結果相比，所有芯間切換的波長信道達到7%的前向糾錯碼門限的光信噪比差異僅為1 dB左右。實驗結果證明，當MCF-LPG保持平直狀態時，MCF不同纖芯中的LPG可以將其各自的纖芯模與共享包層模式耦合，一個纖芯中的信號功率可以通過包層模式轉移到其他多個纖芯，光信號可以在C波段實現多個芯間的信號切換。當MCF-LPG發生定向彎曲時，由于諧振波長的漂移和耦合系數的減小，芯間耦合信道的傳輸損耗大大升高，芯間切換被關斷，光信號幾乎無耦合地在輸入纖芯中繼續傳播，因此，MCFLPG在這兩種狀態下可以有效地實現芯間信號切換，同時不會降低SDM相干傳輸系統的信號質量，并與現有波分復用系統完全兼容。我們相信，這樣一種全光纖型智能可重構的芯間信號耦合與切換方案，能夠給未來SDM通信網絡提供更加靈活的網絡配置功能。

▲圖8 可重構芯間信號切換誤碼率曲線圖

5 結束語

面對MCF在未來SDM網絡中更加豐富和靈活的網絡配置需求，我們研究全光纖型智能可重構的芯間信號耦合與切換方案，并在此基礎上探索可重構的光子信號處理應用和大容量的通信應用。在光子信號處理應用方面，我們提出基于MCF和可編程拉錐技術實現的級聯和并聯式的IIRMPF，Q值分別達到143和136。同時，我們也提出基于MCF-LPG在波長和空間兩個維度分別實現了可重構FIRMPF，完成了3種兩抽頭濾波器的切換。此外，在大容量通信應用方面，我們將MCF-LPG和定向彎曲系統應用于SDM相干光傳輸系統中，實現了可重構的芯間信號切換。實驗結果表明該方案具有高達39 dB的切換消光比，傳輸總容量達1.344 Tbit/s。