基于少模光纤的模分复用系统研究＊

汤瑞 中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

赖俊森 中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

赵文玉 中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

发展策略

基于少模光纤的模分复用系统研究＊

汤瑞 中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

赖俊森 中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

赵文玉 中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

基于少模光纤的模式复用技术成为下一代光传输技术的研究热点之一。本文对模式复用原理和关键技术及器件进行了阐述，并对少模复用的发展方向提出了一些思路。

少模光纤 模式复用 少模放大

1 引言

波分复用（WDM）技术结合偏振复用（PDM）、相干接收以及高阶调制等技术使得单模光纤（SMF）的传输系统容量已经达到100Tbit/s，逐渐接近信息理论的极限。为解决传输容量的提升问题，业界将目光转向了空分复用这一还未被开发的领域。基于少模光纤（FMF）的模式复用（MDM）技术在提高传输容量方面具有极大潜力。本文主要介绍了少模光纤以及模式复用方式的基础理论和研究现状，并对其发展进行了讨论。

基于少模光纤的模式复用系统的典型结构如图1所示。

图1 少模光纤模式复用传输系统示意图

2 少模复用系统基本原理

传统的多模光纤中模式过多，模间色散也严重限制了其通信性能，使得多模光纤不能用于长距离大容量信号传输。因此一种具有有限模式数的新型多模光纤—少模光纤应运而生，利用少模光纤中少量但稳定的模式进行模式复用，既减小了模间色散，又可以借助其正交模式作为独立信道进行信息传送，成倍提升系统传输容量。同时，与单模光纤相比少模光纤具有更大的模场面积，因而其抗非线性能力更强，也进一步提高了少模光纤模式复用系统的传输能力。

首先，在发射机部分，电域信号经过信源编码等处理之后，被调制成光信号。之后，通过模式转换器件将光信号转化为少模光纤支持的某一特定模式，通过模式复用器将各个模式复用到同一根少模光纤内进行传输，并通过模式放大实现长距离传输。在接收端，模式复用信号首先进入模式解复用器，少模光纤内接收机器将不同模式的光信号分别转化成电信号，经过模式解复用算法处理、色散补偿、数字信号处理、相位恢复等最终得到原始信号。

3 少模光纤及模式转换器件

少模光纤是模式复用技术应用于长距离大容量传输系统的关键。目前的大容量长距离通信系统通常使用单模光纤，其纤芯直径仅为8～10μm，在C波段只支持单一的基模传输。传统的多模光纤纤芯直径为50～62.5μm，其中传播的模式多达数百个，模间色散严重，只能用于短距离传输。少模光纤是指所支持模式数大于单模光纤，而小于传统多模光纤的一类光纤。通过合理选择少模光纤的纤芯半径可以保证模式的稳定性，并减小模间色散以用于模式复用信号的传输。根据纤芯径向折射率分布情况不同，少模光纤一般可分为阶跃型及渐变型两种，通过光纤的归一化截止频率就可以确定光纤所支持的模式数目，归一化截止频率与光纤的纤芯半径成正比关系，与工作波长成反比关系。光纤归一化截止频率值越大，则其纤芯半径与工作波长的比值就越大，光纤所支持的模式也就越多。

模式转换与复用技术用于实现基模与高阶模式间的转换及复用。模式复用系统采用模式转换技术的原因是模式复用系统需要纯净及稳定的复用模式，并限制辐射模的产生。模式转换及复用主要有两类方案：基于光纤结构的模式复用和基于空间光学元件的复用。前一类主要是各类耦合器件完成模式的选择与复用，其中光子灯笼（PhotonicLantern）是一个比较好的方法；后一类包括相位板（Phase Plate）、硅基液晶（LCoS）、空间光调制器（SLM）等，依据的原理就是依靠分束器、透镜等专业光学设备，依照自由空间中几何光学的光线传输原理，将不同的光路通过精准设计的光路结构进行模式复用并注入到多模光纤中。

模式放大技术是模式复用系统能够实现长距离传输的关键。近几年的模式复用传输试验研究，由于缺少有效的模式放大器，多数的试验研究传输距离依旧现在数百公里以内。为了实现模式复用系统的长距离传输，亟待研究开发针对于少模光纤或者多模光纤的放大技术。目前，对于模式放大有两种思路：一种是采用掺铒光纤放大器（FM-EDFA），目前最多可以同时放大4个线性极化模，但随着模式的增多，泵浦功率以及实现难度大大提高；另外一种方式是包层泵浦，通过光纤的外包层同时向多核光纤的多个纤芯或光纤中的几个模式进行泵浦放大。

4 少模传输试验系统

近几年不断报道的传输试验已经证明了模式复用对增加光纤容量和频谱效率的巨大潜力。2011年在ECOC上，NEC美国实验室、康宁公司等研究机构联合首次使用少模光纤放大器、相位板和自由空间光纤完成88个波长，3个模式，模式传输速率112Gbit/s，传输距离为50km的试验。总容量达26.4Tbit/s的创新性成果广泛引起对于模式复用领域的关注。2012年贝尔实验室采用少模光纤端面的3个不同扇形区域，通过3根单模光纤激发模式承载信号耦合进少模光纤，在长距离传输方面实现了波分复用的频谱间隔为50GHz，传输速率为128Gbit/s的10路PM-QPSK信号在7芯光纤中进行空分复用，传输距离长达2688km的多跨段传输。

在2015年的OFC会议上，NTT联合其他大学等机构在离线处理方式下，使用并行的多输入/多输出（MIMO）频域均衡技术补偿模式的差分时延30ns，进行了12芯光纤3个模式的527km的环回链路传输试验。同样是在2015年的OFC会议上，NEC、康宁等进行了少模光纤的基模传输试验。试验的传输跨段由衰耗系数为0.157dB/km的51.3km少模光纤和衰耗系数为0.153dB/km的50.3km的康宁EX3000超低损光纤构成，实现了6600km的光纤环路传输，频谱效率达到6.5bit/s/Hz，其试验配置如图2所示。试验证明少模光纤不仅在容量上具有优势，而且兼容单模光纤传输链路，由于光纤有效面积更大，还可以实现更优的传输性能。

在模式放大方面，美国佛罗里达大学2011年详细分析验证了少模掺铒光纤放大器应用于模式复用系统的可行性。目前的模式复用放大都是采用了掺铒光纤放大或者分布式喇曼放大，但目前在线少模放大的试验仍然限于3个模式，更多的模式放大还是需要转换到单个模式分别进行放大，且成本及复杂度随模式的增多而增加。

国内对于模式复用技术近几年开始研究，主要集中在模式激励与模式转换、损伤机理与补偿等关键技术的理论分析与计算机仿真等。主要研究机构包括了北京邮电大学、华中科技大学、复旦大学和吉林大学等，主要成果如模式复用在渐变型多模光纤下75km传输试验、双偏振态的空间偏振模式参数化物理模型、高差分模时延少模光纤、级联MIMO延时均衡算法等。

5 结束语

图2 光模光纤与单模光纤链路混合传输试验配置

少模光纤的模式复用系统还有一系列的关键问题有待解决。适合模式复用使用的少模光纤、能够稳定控制模式激发与控制的集成化模式复用器与解复用器以及适合模式复用的在线少模光放大器都是尚待研发解决的关键器件。模式耦合和差分模式时延对系统的影响很大，模式耦合和模间色散的损伤与补偿也是传输单模光纤传输系统所不曾遇到过的。但从理论以及实验室的结果已经可以看到模式复用大幅提升传输容量的可行性，相信随着少模光纤、模式复用相关器件的发展和成熟，模式复用传输或将成为扩大单纤长距离传输容量最具有潜力的技术之一。

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

2 姚舒畅等.物理学报.2013

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2015-09-20）

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