光子燈籠模分復(fù)用系統(tǒng)MIMO-free 高速傳輸實驗

唐勝龍，武保劍，嚴偉，文峰，趙天烽

（電子科技大學(xué) 光纖傳感與通信教育部重點實驗室，成都 611731）

0 引言

隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)日益豐富、規(guī)模不斷擴大和容量快速增長，人們對光網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求日益增大。伴隨著時分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）［1］、波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）［2］、多維多階調(diào)制［3］和偏振復(fù)用（Polarization Division Multiplexing，PDM）［4］等技術(shù)的廣泛使用，光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量已經(jīng)接近其理論極限［5］。因此，國內(nèi)外研究者開始采用基于多芯光纖（Multicore Fiber，MCF）或少模光纖（Few Mode Fiber，F(xiàn)MF）的空分復(fù)用（Space Division Multiplexing，SDM）技術(shù)［6］來進一步提升光纖的傳輸容量。在基于少模光纖的模分復(fù)用（Mode Division Multiplexing，MDM）［7-10］系統(tǒng)中，利用光纖模式的正交性，用各個模式承載不同的用戶信息，形成多輸入多輸出信道，可實現(xiàn)系統(tǒng)頻譜效率和傳輸容量的倍增。

模式復(fù)用/解復(fù)用器作為MDM 通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其模式相關(guān)損耗和串?dāng)_（Crosstalk，XT）等性能會直接影響系統(tǒng)的誤碼率、通信效率以及接收端進行算法補償?shù)碾y度。模式復(fù)用器主要有自由空間光學(xué)型模式復(fù)用器［11］、光波導(dǎo)型模式復(fù)用器［12］、光纖耦合器型模式復(fù)用器［13］以及光子燈籠型模式復(fù)用器［14］等，其中商用的模式選擇性光子燈籠（Mode Selective Photonic Lantern，MSPL）模式復(fù)用器作為一種無源光器件，具有插入損耗低、結(jié)構(gòu)簡單、與光纖易于連接等優(yōu)點，而且還能與波分復(fù)用、偏振復(fù)用等技術(shù)高效結(jié)合。因此，MSPL 模式復(fù)用器廣泛地用于搭建模分復(fù)用通信系統(tǒng)。

基于光子燈籠的長距離少模光纖MDM 傳輸系統(tǒng)，還需采用多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)恢復(fù)信號。2014 年，GNAUCK A H 等［8］使用低損耗的光子燈籠作為耦合器，以相干檢測的方式實現(xiàn)了3 路單波長30 Gb/s 正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）信號的1 500 km少模光纖傳輸。2016 年，RYF R 等［15］采用光子燈籠作為模分復(fù)用/解復(fù)用器，開展了10×30 Gb/s QPSK 信號在121 km 多模光纖（Multimode Fiber，MMF）的傳輸實驗。2018 年，WEERDENBURG J V 等［16］利用光子燈籠模式復(fù)用器的LP01、LP11a和LP11b作為傳輸信道完成了30 Gb/s 16 態(tài)正交幅度調(diào)制（16-state Quadrature Amplitude Modulation，16QAM）信號的2 400 km 少模光纖傳輸。

然而，對于光接入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心和超級計算機互連等短距離應(yīng)用場景，采用MIMO 數(shù)字信號處理技術(shù)來提高MDM 傳輸容量，必然會增加系統(tǒng)實施成本和復(fù)雜性。在這種情形下，人們更加關(guān)注低復(fù)雜MIMO技術(shù)，甚至無需多輸入多輸出（MIMO-free）的MDM 高速信號傳輸。2017 年，陳嘉軻等［17］和LIU H 等［18］基于模式選擇性光子燈籠分別開展了3×4.25 Gb/s 和3×10 Gb/s 的強度調(diào)制直接檢測MIMO-free 模分復(fù)用實驗，傳輸距離分別為10 km 和20 km。2018 年，SHEN L 等［19］利用MIMO-free 直接檢測系統(tǒng)開展了2×20 Gb/s 開關(guān)鍵控（On-off Keying，OOK）信號在151.1 km 少模光纖的傳輸實驗。2022 年，張強等［20］采用相位調(diào)制-相干接收方式在10 km 少模光纖中完成了3×34 Gb/s 偏振復(fù)用正交相移鍵控（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying，DP-QPSK）信號的調(diào)制與檢測。

本文基于商用模式選擇光子燈籠模分復(fù)用器建立了高速MIMO-free 模分復(fù)用實驗系統(tǒng)，研究了2×100 Gb/s DP-QPSK 信號在LP01和LP11b模式信道的MIMO-free 傳輸性能。模式之間的串?dāng)_可由信串比（Signal-to-Crosstalk Ratio，SXR）參數(shù)表征，要同時實現(xiàn)兩個信道糾后無誤碼傳輸，應(yīng)保證SXR 約大于8 dB。研究了較低串?dāng)_狀態(tài)下輸入功率不均衡和接收光功率大小對信道誤碼率的影響，當(dāng)SXR1和SXR2分別為14.25 dB 和13.81 dB 時，與背對背收發(fā)系統(tǒng)相比，糾后無誤碼閾值（BER=10-2）的接收光功率代價分別為1.40 dB 和4.76 dB。分析了光纖衰減、偏振模色散和模式串?dāng)_對高速傳輸系統(tǒng)的影響，估算了串?dāng)_受限系統(tǒng)可支持的少模光纖傳輸距離約為30 km。

1 光子燈籠模分復(fù)用系統(tǒng)的信道選擇

圖1 為采用模式選擇性光子燈籠搭建的2×2 模分復(fù)用傳輸實驗系統(tǒng)，主要包括光發(fā)射機Tx 1 和Tx 2、MSPL 模式復(fù)用器和解復(fù)用器、少模偏振控制器和光接收機Rx 1 和Rx 2，它們的功能描述為：

圖1 基于光子燈籠的2×2 模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of 2×2 mode division multiplexing transmission system based on photonic lanterns

1）實驗中，光收發(fā)機采用商用光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）設(shè)備，具有光復(fù)用/解復(fù)用、光放大、可調(diào)諧色散補償和相關(guān)光板卡保護等功能。每個光發(fā)射機中，線偏振激光經(jīng)過IQ 調(diào)制器分別產(chǎn)生兩個單偏振QPSK 光信號，再用偏振合束器合成雙偏振QPSK 信號［21］。

2）MSPL 模式復(fù)用/解復(fù)用器采用英國Phoenix Photonics 公司生產(chǎn)的三單模端口模式選擇光子燈籠，其出廠參數(shù)見表1，激發(fā)或解復(fù)用LP01、LP11a和LP11b模式。兩個發(fā)射機均發(fā)射1 550 nm 波長的100 Gb/sDP-QPSK 信號，分別輸入到光子燈籠1（模式復(fù)用器）的單模端口1 和3，并轉(zhuǎn)換為LP01和LP11b模。模式之間的串?dāng)_不使用任何MIMO 數(shù)字信號處理進行解耦。

表1 三端口模式選擇光子燈籠的參數(shù)Table 1 Parameters of three-port mode selective photon lanterns

3）為了考察模式串?dāng)_對系統(tǒng)誤碼率的影響，在光子燈籠之間增加一個用長飛公司生產(chǎn)的少模光纖（相關(guān)參數(shù)如表2）繞制而成的（3 模）偏振控制器，用于調(diào)節(jié)模式之間的串?dāng)_。LP01和LP11b模式的信號光，經(jīng)少模偏振控制器傳輸后，由光子燈籠2（模式解復(fù)用器）的單模端口1 和2 解復(fù)用輸出。

表2 漸變兩模光纖的參數(shù)Table 2 Parameters of graded two-mode fibers

4）采用相干光接收機恢復(fù)信號，通過OTN 設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理軟件讀取信道的誤碼率和差分群時延（Differential Group Delay，DGD）［22］等性能參數(shù)信息，其中誤碼率采用前向糾錯編碼，它是一種實現(xiàn)比特錯誤檢測和糾錯的編碼算法，接收器僅接收檢測和糾正位錯誤所需的信息，不請求重新傳輸。在背對背實驗測量中，當(dāng)前向糾錯前誤碼率小于1.75×10-2時，可實現(xiàn)糾后無誤碼傳輸。為了便于性能比較，本文取值為10-2，也有文獻取BER=10-3進行比較［17］。

在進行MDM 系統(tǒng)傳輸性能實驗之前，首先測量不加少模偏振控制器的光子燈籠直連系統(tǒng)的串?dāng)_。模式串?dāng)_測量方法如下：在LP01模式信道1 中輸入信號光，測量模式信道1 和2 的輸出光功率，計算它們的透射率T11和T12，則信道1 到信道2 的串?dāng)_XT12為

同樣地，也可測量信道2 到信道1 的XT21為

式中，T22和T21分別為模式信道2 輸入信號時到兩個輸出端口的透射率。

兩個光子燈籠的端口1、端口2 和端口3 分別對應(yīng)LP01、LP11a和LP11b，實驗中所用的兩個光子燈籠各端口的插入損耗分別為1.62 dB、2.26 dB、1.70 dB 和1.95 dB、2.03 dB、2.35 dB，其中端口1 的插損最小。根據(jù)MSPL 的特性，兩個MSPL 的單模端口1 和2（或3）激發(fā)不同的模式，它們之間不能用于模式信道傳輸。因此，只需對表3 所示的五個傳輸路徑進行串?dāng)_測量。表3 中，0 dB 對應(yīng)的輸入和輸出端口為目標(biāo)傳輸路徑，括號里的數(shù)值為相應(yīng)端口的插損值，其他數(shù)據(jù)為串?dāng)_值。由表3 可知，LP11簡并模之間的串?dāng)_很大，最高可達?1.70 dB，需使用MIMO 數(shù)字信號處理技術(shù)解復(fù)用。

為了實現(xiàn)兩路MIMO-free 傳輸，選取模式串?dāng)_最小的兩個模式信道，一個是輸入端口1 到輸出端口1 的LP01模（信道1），另一個是輸入端口3 到輸出端口2 的LP11b模（信道2）。由表3 可知，它們的光子燈籠直連系統(tǒng)串?dāng)_分別為?13.85 dB 和?14.99 dB。

表3 光子燈籠1 和2 直連系統(tǒng)的串?dāng)_矩陣（單位：dB）Table 3 Crosstalk matrix of directly linked system with photonic lantern 1 and photonic lantern 2（unit：dB）

2 少模偏振控制器對信串比的影響

為了開展兩個信道的同時傳輸實驗，需在兩個MSPL 之間加入少模偏振控制器來進一步提高模式信串比的大小。具體方法如下：端口1 輸入信號光，調(diào)整少模偏振控制器使輸出端口1 的功率最大，測量輸出端口1 和2 的光功率。在相同的偏振控制器狀態(tài)下，在端口3 輸入信號光，測量輸出端口1 和2 的光功率。兩個模式信道的信串比（SXR）可表示為

對于上述光子燈籠直連系統(tǒng)，根據(jù)式（3）和（4）可計算兩個模式信道的SXR 分別為16.05 dB 和12.79 dB，信道1 的性能明顯優(yōu)于信道2。

實驗過程中，保持兩路信道的輸入光功率相同，調(diào)整三環(huán)少模偏振控制器中間環(huán)的位置，測量兩個信道的信串比變化曲線，如圖2。由圖2 可知：1）少模偏振控制器狀態(tài)同時影響兩個模式的信串比大小，適當(dāng)調(diào)節(jié)少模偏振控制器可以提高信串比；與串?dāng)_參數(shù)相比，信串比能夠更直觀、準(zhǔn)確地反映出信道的傳輸性能，因此還可以用SXR1和SXR2的變化曲線來表征偏振控制器的狀態(tài)。2）隨著偏振控制器狀態(tài)的改變，SXR2的變化明顯，當(dāng)SXR2增加時SXR1略有降低，但SXR1仍大于SXR2。3）就模式信道2 而言，調(diào)節(jié)少模偏振控制器能夠獲得比光子燈籠直連系統(tǒng)更好的信串比性能。實驗中，SXR2可提高至13.81 dB，比未加偏振控制器的光子燈籠直連系統(tǒng)提高了1 dB。

圖2 少模偏振控制器對SXR1和SXR2的影響Fig.2 The influence of few-mode polarization controller on SXR1 and SXR2

3 2×100 Gb/s DP-QPSK 信號傳輸性能

3.1 誤碼率隨SXR 的變化

為了研究信道誤碼率與SXR 的關(guān)系，保持兩路信道的輸入光功率為-1.40 dBm，通過調(diào)節(jié)偏振控制器來改變兩個信道的串?dāng)_，記錄每個信道的前向糾錯誤碼率（Bit Error Rate-forward Error Correction，BER-FEC）隨信串比的變化關(guān)系，如圖3。其中，用到的少模光纖長度約為4 m，包括少模偏振控制器（2 m）和兩個光子燈籠少模端的光纖（2 m）。信道1 和信道2 的最大輸出光功率分別為-4.90 dBm 和-6.50 dBm，為了保持兩者的接收光功率一致，調(diào)整信道1 的衰減器使其輸出功率也降為-6.50 dBm。

由圖3 可知，在糾后無誤碼條件下，信道的BER 隨SXR 的增大近似線性降低，相應(yīng)的擬合曲線分別為

在相同少模偏振控制器狀態(tài)下，信道1 的信號質(zhì)量始終比信道2 好，因此，系統(tǒng)的傳輸性能取決于信道2的信串比性能，即糾后無誤碼傳輸條件為SXR2約大于8 dB。由圖3 可知，在誤碼率為10-6時，信道2 的SXR（理論）約為17.19 dB，比信道1 所要求的SXR 大2.14 dB。

圖3 糾前誤碼率隨SXR 的變化Fig.3 Change of BER with SXR

3.2 信道誤碼率性能的均衡

3.1 節(jié)研究表明，在相同功率輸入時，信道2 較信道1 有更大的誤碼率。為了進一步提高信道2 的性能，在兩信道SXR 分別為14.25 dB 和13.81 dB 的偏振控制器狀態(tài)下（如圖2），改變兩個信道的輸入光功率差，即

在信道1 和2 的輸入功率均為?1.40 dBm，即ΔPin=0 dB 的初始條件下，通過降低其中一個信道輸入功率的方式實現(xiàn)輸入功率不均衡。圖4 為信道的BER 隨兩信道輸入光功率差的變化曲線，兩信道的接收光功率仍保持為?6.50 dBm。

圖4 信道誤碼率隨入射光功率之差ΔPin 的變化曲線Fig.4 Variations of BER-FEC with the difference between incident optical powers

由圖4 可知，當(dāng)信道1 的輸入功率降至?2.40 dBm，即ΔPin=-1.00 dB 時，兩個信道的BER 達到均衡，此時BER=1.25×10-5。要想實現(xiàn)兩路信號同時通信，它們的入射光功率相差不能太大，相應(yīng)的擬合曲線分別為

3.3 信道靈敏度曲線的測試

為了研究兩個信道同時傳輸信號時接收靈敏度的變化情況，需要調(diào)節(jié)每個信道光接收機前面的衰減器。在SXR1=14.25 dB 和SXR2=13.81 dB 狀態(tài)下，測量每個信道的糾前誤碼率隨接收光功率的變化曲線，如圖5。由圖5 可知，當(dāng)接收光功率相同時，信道1 的誤碼率始終低于信道2 的誤碼率；信道1 和信道2 糾后無誤碼通信（BER-FEC＝10-2）的最小接收光功率分別為-33.72 dBm 和-30.36 dBm，與背對背光收發(fā)系統(tǒng)相比，它們的光接收機靈敏度代價分別為1.40 dB 和4.76 dB。造成上述結(jié)果的原因與信道2 的信串比SXR較低有關(guān)。

圖5 兩信道糾前誤碼率隨接收光功率的變化曲線Fig.5 The BER-FEC curve of two channels dependent on the received optical power

4 系統(tǒng)受限因素分析

從光纖衰減影響、偏振模色散和串?dāng)_劣化三個方面分析它們對高速傳輸系統(tǒng)的影響。

1）光纖衰減的影響

在3.1 節(jié)和3.2 節(jié)的實驗中，信道1 和信道2 的接收光功率均為-6.50 dBm。按圖5 給出的光接收機靈敏度（-30.36 dBm）計算，還可以允許系統(tǒng)的光功率進一步衰減23.86 dB。若在該系統(tǒng)中加入衰減系數(shù)為0.20 dB/km 的商用少模光纖（相關(guān)參數(shù)如表2），則光纖長度接近120 km。從文獻結(jié)果看來［20］，光纖的衰減并不是限制系統(tǒng)傳輸距離的主要因素。

2）信道的偏振模色散特性

雙偏振信號對光纖的偏振模色散是非常敏感的，偏振模色散可用DGD 參數(shù)表示。根據(jù)現(xiàn)有的實驗條件，在上述基于光子燈籠的2×100 Gb/s DP-QPSK 信號MDM 系統(tǒng)中，分別連接100 m、200 m、300 m 和12 km 的兩模漸變光纖（相關(guān)參數(shù)如表2），測試兩個模式信道的DGD。實驗中，調(diào)節(jié)偏振控制器保持T12和T21基本不變。兩個模式信道的DGD 隨少模光纖傳輸長度的變化如表4。由表4 可知，LP01模式的DGD 基本維持在4 ps 左右，LP11b模式的DGD 在傳輸幾百米時為10 ps 左右，而傳輸12 km 時為81 ps?？梢姡琇P11b模式信道的DGD 也會成為限制該MDM 系統(tǒng)通信性能的重要因素。相干檢測光纖通信系統(tǒng)中最常用的偏振模色散補償技術(shù)是在接收端用恒模算法（Constant Modulus Algorithm，CMA）［23］在電域上對偏振模色散進行補償。CMA 能自動匹配追蹤信道的變化，利用某些信號具有模值恒定的特點，將兩個混在一起的信號分離到某一近似的恒定的模值，即將偏振復(fù)用信號解復(fù)用，同時補償信道中引入的線性損傷［24］。

表4 不同少模光纖長度時兩個信道的DGD（單位：ps）Table 4 The DGD parameters of two channels in different FMF lengths（unit：ps）

3）串?dāng)_劣化影響

實驗中，加入12 km 少模光纖后，通過調(diào)整少模偏振控制器，使實驗系統(tǒng)處于最小串?dāng)_狀態(tài)，此時系統(tǒng)的透射率T11和T22相比之前下降了大約3 dB，而T12和T21基本沒有變化，由式（3）和（4）可知，SXR1和SXR2也會相應(yīng)地下降約3 dB。即對于串?dāng)_受限系統(tǒng)，每增加一定長度的少模光纖后，調(diào)整少模偏振控制器使實驗系統(tǒng)處于最小串?dāng)_狀態(tài)后，此時SXR1和SXR2會降低，與傳輸光纖的透射功率變化基本一致。例如，傳輸5 km的衰減系數(shù)為0.20 dB/km 的少模光纖，調(diào)整少模偏振控制器使實驗系統(tǒng)處于最小串?dāng)_狀態(tài)后，T12和T21基本沒有變化，SXR1和SXR2會下降0.2×5=1 dB。

根據(jù)4.1 節(jié)的結(jié)論可知，要同時實現(xiàn)兩個信道糾后無誤碼傳輸，LP11b模式信道的SXR 應(yīng)在8 dB 以上，而實驗中能夠達到的最大SXR2=13.81 dB，系統(tǒng)的SXR 劣化容限約為5.8 dB。按上述規(guī)律估算，采用衰減系數(shù)為0.20 dB/km 的商用少模光纖（相關(guān)參數(shù)如表2），則系統(tǒng)能夠MIMO-free 傳輸?shù)淖铋L距離為5.8/0.2=29 km，約為30 km。需指出的是，這是針對本文所用的少模光纖和100 Gb/s DP-QPSK 信號進行的估算結(jié)果，通過優(yōu)化設(shè)計少模光纖有可能傳輸更長的距離［25］。

將本文研究與目前已報道技術(shù)進行比較，如表5。可以看出，本文研究具有最高的信道速率，且MIMOfree 串?dāng)_受限距離約為30 km。已進行的2×2 高速MIMO-free 的模分復(fù)用實驗，100 Gb/s DP-QPSK 對信道的信串比要求較高，采用同樣實驗系統(tǒng)，適當(dāng)降低信道數(shù)據(jù)率可以實現(xiàn)3×3 模分復(fù)用系統(tǒng)。

表5 MIMO-free MDM 實驗結(jié)果比較Table 5 Comparison of MIMO-free MDM experimental results

5 結(jié)論

基于模式選擇性光子燈籠型模式復(fù)用/解復(fù)用器建立了2×2 的MIMO-free 模分復(fù)用通信系統(tǒng)，利用LP01與LP11b模式信道，實現(xiàn)了2×100 Gb/s DP-QPSK 信號的傳輸。實驗結(jié)果表明，少模偏振控制器狀態(tài)可由LP01和LP11b兩個模式信道的信串比參數(shù)準(zhǔn)確表征；系統(tǒng)的傳輸性能受限于信道2 的信串比性能，即糾后無誤碼傳輸條件為SXR2約大于8 dB；要想實現(xiàn)兩路信號同時通信，兩路入射光功率相差不能太大；當(dāng)LP01和LP11b兩模信道信串比分別為14.25 dB 和13.81 dB 時，與背對背系統(tǒng)相比，糾后無誤碼閾值下兩個信道的接收光功率代價分別為1.40 dB 和4.76 dB。分析了光纖衰減、偏振模色散和模式串?dāng)_對高速傳輸系統(tǒng)的影響，估算出串?dāng)_受限系統(tǒng)可支持的少模光纖傳輸距離為30 km，這對于短距離的應(yīng)用場景具有指導(dǎo)價值。