短距離弱耦合空分復用實時光傳輸技術

高宇洋，李巨浩,2，何永琪，陳章淵,2

（1. 北京大學區(qū)域光纖通信網與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100871； 2. 鵬城實驗室，廣東 深圳 518055）

0 引言

隨著5G移動承載光網絡、數(shù)據(jù)中心光互連和光纖接入網等技術不斷地發(fā)展，短距離光纖傳輸技術受到越來越廣泛的關注[1-2]。在技術方案的選擇上受成本和復雜度限制，短距離光傳輸一般只能使用強度調制/直接檢測（intensity mo2ulation an22irect 2etection，IM/DD）方案，無法使用電域高速數(shù)字信號處理（2igital signal processing，DSP）技術來提高性能，傳輸速率嚴重受光電器件限制；在復用維度上，目前僅有波長維度可以使用，而多波長激光器和波分復用器等的高昂成本使得波分復用在短距離場景難以大規(guī)模應用。因此，大量諸如數(shù)據(jù)中心等短距離應用場景不得不使用最簡單的方式提升容量，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，采用新的擴容方式勢在必行。

近年來，光纖中的空分復用（space-2ivision multiplexing，SDM）技術被廣泛研究并發(fā)展迅速，有望成為光纖通信的下一場“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）的模分復用（mo2e 2ivision multiplexing，MDM）方案[7-8]，使用單模多芯光纖（multicore fiber，MCF）的芯分復用方案[9-10]，以及同時使用纖芯和模式兩個維度，即多芯少模光纖（few-mo2e multicore fiber，F(xiàn)M-MCF）的復用方案[11-12]。而纖芯和模式同時復用的方案可以迅速將單纖容量提升幾十倍甚至上百倍，一旦實現(xiàn)商用將大大緩解當前短距離光傳輸擴容遇到的“瓶頸”。一個典型的SDM光鏈路主要由多芯少模光纖和空分復用/解復用器組成。多路單模信號首先通過模式復用器（mo2e multiplexer，mo2e MUX）復用成為模分復用信號，然后若干路模分復用信號通過一個扇入器（fan in，F(xiàn)I）注入多芯少模光纖相應的纖芯。經過傳輸之后，解復用端首先通過扇出器（fan out，F(xiàn)O）將若干路模分復用信號分開，之后每一路模分復用信號再通過模式解復用器（mo2e 2emultiplexer，mo2e DEMUX）解復用至每個輸出端。需要指出的是，根據(jù)使用的少模光纖的不同，模分復用可以使用線性偏振（linear polarize2，LP）模式，也可以使用軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）模式等，本文的研究集中于LP模式。

盡管SDM技術在擴容上有巨大優(yōu)勢，但是其經過了多年的研究卻一直無法實際應用于短距離光傳輸，核心問題就是傳統(tǒng)的SDM光鏈路和當前商用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擾，模式相互之間存在模間串擾，當串擾值達到一定程度時，整個系統(tǒng)必須使用相干檢測聯(lián)合多入多出（multiple-input multiple-output，MIMO）數(shù)字信號處理才能將每個通道的信息恢復，也就是所謂的強耦合SDM系統(tǒng)[8]。強耦合SDM只適用于對成本容忍度較高的長距離超大容量高速傳輸場景。這是因為MIMO DSP的計算復雜度會隨著模式數(shù)的增加而急劇增加，短距離場景使用的低成本商用IM/DD光模塊無法通過簡單升級解決。對于芯間串擾來說，纖芯數(shù)不超過10的多芯光纖的纖芯間距一般大于40 μm，串擾能抑制在-452B/km以內。因此在幾千米的短距離傳輸場景下，芯間串擾可以忽略，即認為芯間滿足弱耦合條件，不需要MIMO DSP進行處理。盡管單模多芯光纖不涉及模式維度，更容易兼容當前的單模商用系統(tǒng)，但是也很難快速商用化。首先，由于多芯光纖的預制棒需要打孔，因此制備成本遠高于少模光纖。此外，單模多芯光纖的熔接損耗相比于單芯光纖要大得多，損耗一方面來自預制棒打孔位置的誤差，另一方面將多個纖芯的位置同時完全對準也無法用普通熔接機實現(xiàn)。少模光纖中模式在空間上是重疊的，空間復用的密度更高。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，遠低于多芯光纖。但是由于少模光纖中模式之間的串擾在空間上是重疊的，因此模式之間的串擾遠大于多芯光纖纖芯之間的串擾，需要有效的手段抑制才能實現(xiàn)弱耦合的傳輸。多芯少模同時復用的方案可以實現(xiàn)很高的空間密度，同時成本和技術難度都是很高的。

1 弱耦合模分復用實時傳輸

普通階躍型少模光纖中的模式串擾分為兩種，一種是LP模式之間的分布式模式串擾，另一種是簡并模式兩個分量之間的串擾。兩個LP模式間的有效折射率差越大則經過長距離傳輸之后積累的分布式模式串擾越小。根據(jù)“木桶效應”，衡量一款少模光纖分布式模式串擾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左側所示。在光纖的纖芯包層折射率差不變的情況下，通過光纖設計實現(xiàn)min|Δneff|最大化最有利于減小分布式模式串擾。本文通過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節(jié)每個LP模式的有效折射率，最終實現(xiàn)模式間有效折射率差接近等間隔分布，從而降低模式串擾。由于不同LP模式的能量分布不同，本文通過引入多環(huán)微擾實現(xiàn)對每個LP模式的精細調節(jié)，如圖1右側所示。

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：一類是圓對稱的模式，記為LP0m模式；另一類是非圓對稱模式，記為LPlm(l＞0)模式，非圓對稱模式有且僅有二重簡并，記為LPlma和LPlmb。之前提到過，通過對纖芯折射率剖面做一些特殊設計，可以增大不同LP模式之間的模式有效折射率差。然而簡并模式的模式有效折射率總是相同。在光纖中傳輸時，由于光纖實際加工導致的幾何結構不完美，以及外界各種擾動等因素，非圓對稱模式的空間分布會發(fā)生旋轉，在接收端會有一個隨機的旋轉。傳統(tǒng)的非圓對稱模式解復用器，例如模式選擇耦合器，只能將某一種空間分布的簡并模式解復用，因此會造成接收端功率的不穩(wěn)定。如果使用兩個正交的模式解復用器將兩個空間方向的簡并模式分別解復用再將功率相加則需要使用復雜的數(shù)字信號處理技術實現(xiàn)分集接收，否則會有光的干涉問題。因此，如何簡便高效地實現(xiàn)圓形纖芯弱耦合少模光纖中的非圓對稱簡并模式的接收是一個亟待解決的問題。

學術界上常用的方式是通過使用橢圓纖芯少模光纖，將兩個簡并模式的有效折射率分開，從而實現(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，無法一次拉制10 km以上；二是橢圓纖芯將兩個簡并模式分開的程度很弱。本文依舊從模式復用/解復用器的維度出發(fā)解決此問題，本文使用級聯(lián)型模式選擇耦合器實現(xiàn)模式復用/解復用。具有簡并模式接收功能的模式復用/解復用器示意圖如圖2所示。首先將兩個簡并分量視為一個LP模式，只承載一路信息，在發(fā)送端進行LP模式的復用，如圖2左側所示，若干普通模式選擇耦合器級聯(lián)實現(xiàn)模式復用結構。在接收端，對于非簡并的模式，直接使用普通模式選擇耦合器進行模式解復用，對于簡并模式，使用簡并模式選擇耦合器進行信號的下路。簡并模式選擇耦合器在滿足一定條件的情況下，可以將兩個簡并分量同時解復用至一根兩模光纖中，等效于對旋轉角度不敏感。解復用器的結構如圖2右側所示。

圖2 具有簡并模式接收功能的模式復用/解復用器示意圖

基于上述多環(huán)形弱耦合少模光纖和具有簡并模式接收能力的模式復用/解復用器。本文搭建了一套4K視頻模分復用實時傳輸演示平臺。模分復用4路4K視頻實時傳輸演示平臺示意圖如圖3所示。首先，4個4K視頻源（小米盒子4）產生4路不同的4K視頻信號，通過HDMI連接線分別連接至4個4K視頻光發(fā)射機。每個發(fā)射機中均插入了一個1550 nm的10 Gbit/s的SFP +光發(fā)射模塊，4K視頻電信號調制光模塊產生4路單模4K視頻光信號，經過4 LP模式復用器，少模光纖以及模式4 LP模式解復用器之后，被4個4K視頻光接收機接收，每個接收機中同樣插入一個SFP +光接收模塊，最后產生的電信號經過HDMI線連接至4個4K顯示器進行實時顯示。由于接收端光模塊中沒有使用FEC編碼，因此整個系統(tǒng)工作在無誤碼的狀態(tài)下。同時系統(tǒng)中不需要使用光放大器和可變光衰減器。經過測試，整個模分復用實時光傳輸系統(tǒng)可以連續(xù)正常工作超過24 h，說明該系統(tǒng)具有非常好的穩(wěn)定性。

圖3 模分復用4路4K視頻實時傳輸演示平臺示意圖

2 弱耦合多芯少模實時傳輸

基于多芯少模光纖的空分復用光纖傳輸系統(tǒng)比傳統(tǒng)單模光纖傳輸系統(tǒng)增加了模式和纖芯兩個維度，因此可以極大地增加通信系統(tǒng)的容量，有效解決當前光通信系統(tǒng)容量達到瓶頸的問題。本文采用光纖型的多芯少模空分復用解復用器，該器件通過將光纖束型扇入扇出器件和模式選擇耦合器、簡并模式選擇耦合器級聯(lián)實現(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的低串擾特性，本文首次實現(xiàn)了弱耦合的七芯兩模1 km實時傳輸，傳輸系統(tǒng)使用商用的標準10 Gbit/s SFP +模塊，不需要任何軟硬件修改，因此和當前商用強度調制直接檢測模塊兼容。

圖4 多芯少模光纖鏈路示意圖

本文首先設計并制備了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，通過增大纖芯距離至80 μm以及在每個纖芯外圍增加溝道的方式有效地將纖芯之間的串擾抑制在-652B/km以下，同時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，同時降低了對工藝的要求。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用/解復用器。同時對于非圓對稱的LP11模式，繼續(xù)使用簡并模式選擇耦合器實現(xiàn)其穩(wěn)定的解復用。本文將7芯2模光纖、扇入扇出器以及模式復用/解復用器搭建成弱耦合7芯2模光鏈路，并對其光學性能進行測試。本文測試了復用端激發(fā)模場以及鏈路最核心的串擾矩陣，測試結果表明弱耦合7芯2模光鏈路具有較低串擾，不需要數(shù)字信號處理的補償即可滿足實時傳輸?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，本文使用標準商用光模塊完成了弱耦合實時多芯少模傳輸測試。7芯2模光纖實時傳輸實驗結構如圖6所示。本文使用具有4組射頻信號輸出/輸出的高速誤碼儀，10 Gbit/s強度調制/直接檢測 SFP+光模塊，以及SFP+ 驅動板對光鏈路進行了測試。測試結果表明該系統(tǒng)可以在C 波段以低于3.32B的傳輸代價滿足弱耦合多芯少模實時傳輸。

圖6 7芯2模光纖實時傳輸實驗結構

3 空分復用實時傳輸未來展望

與更高速率、更長距離的空分復用實時傳輸技術相關的研究已經開展，本文認為模式或者模式組之間的分布式模式串擾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計、更優(yōu)良的加工工藝。此外，為了有效地實現(xiàn)長距離模分傳輸，可以考慮使用包層摻氟的方式實現(xiàn)超低損少模光纖。

而對于簡并模式的問題，目前已經有研究機構開展了具有4×4 MIMO DSP實時硬件能力的相干接收機，但波特率較低，需要進一步研發(fā)。另一種思路是在現(xiàn)階段設計支持多個非簡并模式的少模光纖，且只使用這些模式進行傳輸。這樣的模分復用系統(tǒng)可以直接兼容當前超高速單模收發(fā)設備。當然，少模光纖支持的非簡并模式數(shù)比簡并模式少很多，但是設計并實現(xiàn)支持4個甚至5個非簡并模式的弱耦合少模光纖還是非常有希望的。最后，目前高速光傳輸領域單邊帶直接檢測技術是研究熱點，該技術可以和本文所提出的簡并模式接收方案相結合，研發(fā)出相應的硬件接收機后可以在不需要4×4 MIMO DSP的情況下實現(xiàn)大容量模分復用實時傳輸。