智能可重构多芯光纤空分复用通信与光信号处理

霍亮/HUO Liang

（华中科技大学，中国 武汉 430074）

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

随着光纤通信系统的不断发展，人们对通信容量需求的不断增长，以多芯光纤（MCF）为代表的空分复用（SDM）传输技术，在长距离相干传输网络和短距离光接入网中都得到了广泛应用，大大提升了系统的传输容量[1-2]。然而，随着SDM传输系统的不断发展，人们对SDM网络提出了更高的要求。为了能够灵活实现各种不同的网络拓扑结构，提供更加丰富而又个性化的网络服务，SDM技术需要能够实现智能可重构的空间信道间的信号耦合和切换，从而在此基础上实现智能可重构的光通信与信号处理功能。以MCF为例，为了实现在MCF芯间的信号耦合和切换，支持空间维度上的单播、多播和组播等网络功能，现有的解决方案一般可以归纳为3类。第1类为空间耦合方案，如2014年，NELSON L. E.等设计了复杂的空间光学透镜组，利用微机械空间振镜，实现了7芯光纤间的芯间路由功能[3]。与之类似，在2015年，FONTAINE N. K.等提出了一种基于液晶振镜的MCF芯间信号交换系统，也是通过复杂的衍射光学系统实现不同芯间的信号切换[4]。第2类为片上集成方案，如在2015年，DING Y.等通过在片上构建7×7马赫-曾德尔干涉仪（MZI）矩阵实现了硅基光子集成化的7芯光纤芯间功率交换，这种方案虽然集成度高，但其控制系统和耦合系统都极为复杂，同时成本更高[5]。第3类为全光纤方案，如在2015年，FERNANDES G. M.等提出通过压电陶瓷在MCF中引入弯曲声场，利用光纤声光效应形成的动态光栅来实现芯间信号耦合[6]。在2016年，ALMEIDA T.等在4芯光纤中刻写长周期光栅（LPG），实现了芯间光功率耦合，并搭建了200 Gbit/s的单波长传输系统，证明了芯间信号交换的可行性[7]；但是所刻LPG的带宽较窄，仅能实现单波长芯间信号耦合和交换，没有充分利用MCF大带宽的传输特性。相较于前两类方案，全光纤方案更易实现高效耦合，并且成本较低；因此，结合MCF在未来SDM网络中的需求，我们研究了全光纤型智能可重构的芯间信号耦合与切换方案，并在此基础上探索了可重构的光子信号处理应用和大容量的通信应用。

1 MCF及其扇入扇出器件

随着相干光通信系统的发展，单模光纤物理信道容量的终极限制因素主要来自于光纤损耗与非线性效应，特别是长距离光纤传输带来的非线性畸变限制了入纤功率的提升。为了突破单模光纤非线性香农极限带来的容量紧缩难题，我们需要探索并开发光纤物理信道的空间维度，研究SDM光信息处理技术与传输系统。因此，我们开展了基于MCF的SDM技术的理论和实验研究，在MCF相关的基础理论、制备工艺、参数测试与优化、关键器件与模块等方面取得了一系列突破。

1.1 MCF设计与制备

通过在MCF光学性能优化、芯间串扰的波长相关性分析、性能测试方法以及制备工艺等方面详尽的理论与技术研究[8-9]，我们在中国首次成功制备低损耗7芯光纤并具备规模化生产条件。7芯光纤典型光学测试特性结果如表1所示，从中可以看出我们拉制的7芯光纤具备较好的芯间串扰抑制和优良的光学性质，是替代传统单模光纤的理想传输介质。

1.2 MCF扇入扇出器件设计与制备

MCF扇入扇出器件是实现SDM通信系统高效传输的关键模块，也是制约中国开展SDM光传输研究的瓶颈。为了打破其他国家科研机构的技术垄断，我们提出采用光纤拉锥、腐蚀等微加工技术并结合光纤束冷接工艺来制备MCF扇入扇出器件。该方法有别于其他国家研究机构采用的熔融拉锥耦合法和透镜聚焦法。经过深入研究与长期摸索，我们首次在中国成功研制出普通单模光纤与7芯光纤适配的低损耗扇入扇出模块，其典型性能参数如表2所示。每个端口插入损耗在1 dB左右，为系统级传输应用铺平了道路。在此基础上，我们还提出基于微孔加工的工艺优化方法，使扇入扇出器件性能得到优化，为其端口扩容奠定了基础。同时，为进一步提升MCF扇入扇出器件的插入损耗、可重复性等重要性能，我们还提出了基于自组装拉锥法制备7芯光纤扇入扇出器件新型制备工艺。为保证光纤在拉锥前后均可以匹配单模光纤模场，GAN L.等设计了新型沟道辅助型-弱纤芯光纤（TA-VCF）[10]，其低折射率沟道用于抑制光纤间串扰并同时提升TA-VCF光纤宏弯损耗性能。

2 基于MCF的无限冲激响应微波光子滤波器（IIR-MPF）

目前基于SDM光纤的微波光子信号处理的研究，已经实现了利用在同质MCF中刻写光纤光栅来构造有限冲激响应微波光子滤波器（FIR-MPF）[11]，但是一般而言，FIR滤波器的Q值较小，而IIR-MPF则有较高的Q值。本文中，我们基于MCF和可编程拉锥技术构造出级联式和并联式的IIR-MPF结构，实现了较高的Q值，并且同时使之具有可调谐性与可重构性。IIR-MPF的原理为：电光调制器（EOM）先将射频（RF）信号调制到光载波上，然后该信号经过耦合器构成的环路结构将产生具有相同时间延迟差T的多个抽头，即构成一个多抽头的滤波器结构，光信号最终将被光电探测器转换为RF信号[12]。

表1 7芯光纤典型光学特性参数

表2 7芯光纤扇入扇出器件典型性能参数

本方案基于MCF的可编程拉锥技术以及MCF扇入扇出设备来实现环路结构[13]。我们选择了以电弧放电方法为基础的可编程商用保偏光纤熔接机（Fujikura FSM-100P+）作为制作平台来对MCF进行拉锥处理。首先，我们将熔接机的V形槽进行初始化对准，以避免侧向应力对光纤锥区的影响；然后，剥去MCF的涂覆层，用两个夹具分别将MCF夹紧固定，防止拉锥时产生相对位移；接着，我们使用计算机程序控制熔接机开始电弧放电预热MCF，并将MCF从加热区域以一定加速度从一侧拉出，同时从另一侧匀速送料，完成线性拉锥。经过拉锥后，MCF各纤芯中的信号光将会不同程度地耦合到其他纤芯中，在不同纤芯中形成不同的功率分布。我们可以选择合适的输入、输出纤芯构成环路，降低系统整体的损耗。

2.1 系统结构

实验装置图如图1所示。图1（a）中，扇入设备的纤芯1为信号光的输入纤芯，纤芯2为输出纤芯。扇入、扇出设备的纤芯3与纤芯4分别两两连接，构成环路结构，其中两端的纤芯3构成第1个环路，两端的纤芯4构成第2个环路。信号光从扇入设备的纤芯1输入后，经MCF拉锥区域时将同时耦合到扇出设备的纤芯1和纤芯3中，而纤芯3又经过掺饵光纤放大器（EDFA）与扇入设备的纤芯3相连，从而形成第1个IIR-MPF。而扇出设备的纤芯1作为第1个IIR-MPF的输出纤芯，又和纤芯2相连，相当于扇出设备的纤芯2作为第2个IIRMPF的输入纤芯，即完成2个IIRMPF的级联结构。第2个IIR-MPF则是由纤芯4构成的环路形成的，最终由扇入设备的纤芯2作为输出纤芯。图1（b）中，扇入、扇出设备的纤芯1分别是信号光的输入纤芯和输出纤芯。两个IIR-MPF的环路结构分别由扇入、扇出设备的纤芯3和纤芯5来构成，它们共享同样的输入和输出，因此，两个IIR-MPF是并联结构。

2.2 实验结果

图2和图3分别展示了级联式和并联式IIR-MPF的幅频响应曲线。由图中可以看出，无论是级联式还是并联式IIR-MPF，理论仿真得到的幅频响应曲线和实际测量所得曲线基本一致，且Q值分别达到了143和136。同时通过改变环路延时T的大小以及每一路功率的大小可以完成MPF的调谐与重构，因此这两种结构均具有可调谐性与可重构性。理论上，利用更多的纤芯构成IIR-MPF可以获得更高的Q值。

3 基于MCF的有限冲激响应微波光子滤波器（FIR-MPF）

▲图1 种基于MCF的无限冲激响应微波光子滤波器实验装置图

▲图2 级联式无限冲激响应微波光子滤波器的幅频响应曲线

▲图3 并联式无限冲激响应微波光子滤波器的幅频响应曲线

在上一节内容的基础上，为了拓宽光信号处理的可重构性和灵活性，我们希望将波长维度和空间维度同时引入光信号处理之中，能在两个维度分别实现相应的信号处理功能，因此，我们提出将LPG和MCF结合在一起，利用LPG的波长选择性和MCF的SDM特性分别在波长维度和空间维度实现可重构的FIR-MPF[14]。FIR-MPF的原理为：电光调制器先将射频信号调制到光载波上，然后该光信号经过1×N耦合器分成N路，且两路之间具有相同时间延迟差T，即构成一个N抽头的滤波器结构，再经过一个N×1耦合器将N路信号叠加在一起，最终经过光电探测器转换为RF信号[15]。

利用MCF-LPG能够实现信道间的功率耦合和切换，从而完成基于MCF的FIR-MPF重构功能。其原理如下：当工作波长处于LPG的谐振波段时，功率耦合将发生在纤芯模和包层模之间。MCF不同纤芯中的LPG可以将其各自的纤芯模与共享包层模式耦合，此时，一个纤芯中的功率可以通过包层模式转移到另一个纤芯。而当温度、应力等外界物理量发生改变时，光栅局部区域的折射率和光栅周期会发生改变，光栅的光谱会发生漂移。当MCF-LPG发生定向弯曲时，不同位置的外层纤芯将承受来自不同方向和曲率半径上的切向应力，造成不同芯中的LPG实际弯曲半径并不相同，受到的切向应力大小与方向角和芯间距有关。在MCF-LPG发生定向弯曲的情况下，不同纤芯的透射谱会产生大小不同或者方向不同的漂移，原本交叠的谐振波段会发生错位[16]，而光谱的交叠程度和耦合系数的变化会影响芯间耦合功率的大小[17]。通过定向弯曲MCF-LPG，我们可以控制芯间耦合通道的传输损耗。进一步地，通过精确控制弯曲方向和弯曲半径，使MCF-LPG在平直和定向弯曲的两种状态进行切换，可实现在不同纤芯中定向的功率分配并控制芯间耦合功率，进而实现可重构的芯间信号切换。

3.1 系统结构

实验装置图如图4所示。图4（a）中，阵列波导光栅（AWG）输出通道的CH22（1 559.95 nm）、CH37（1 547.72 nm）和CH52（1 535.82 nm）分别与扇入设备的纤芯1、4和3相连。扇出设备的纤芯3、4和5作为输出纤芯，这3路输出光信号经过2个光耦合器（OC）合并为一路被光电探测器接收。图 4（b）中，CH45（1 541.35 nm）作为纤芯1的谐振波长，输入到纤芯1中，然后扇出设备的纤芯2、3和5作为输出纤芯。对MCF-LPG进行定向弯曲后，便可实现不同输出信道的切换。两个实验中都用到了矢量网络分析仪（VNA）来分析MPF的幅频响应曲线。

▲图4 两种基于MCF-LPG的有限冲激响应微波光子滤波器实验装置图

3.2 实验结果

图5展示了不同工作波长和输入纤芯下的FIR-MPF的幅频响应曲线。图6展示了MCF-LPG不同弯曲曲率和方向下的FIR-MPF的幅频响应曲线。由图5和图6可以看出，调整工作波长和改变定向弯曲MCF-LPG的曲率与方向，都实现了基于MCF的可重构的两抽头MPF，分别得到了3条不同的幅频响应曲线，因此通过实验证明了3个纤芯之间可以实现定向芯间信号切换，从而达到空间信道分配的目标。此外，我们希望通过使用MCF中更多的纤芯并提高调谐机制的可靠性来获得可重构的多抽头滤波器。MCF固有的信道并行特性使其具有紧凑性、大带宽、功耗低等优势。我们相信这种方法为微波光子系统及网络中的可重构光子信号处理提供了一种新的解决方案，因其具有低成本和高效率的特点。

▲图5 不同工作波长和输入纤芯下的有限冲激响应微波光子滤波器的幅频响应曲线

4 基于MCF的可重构空分信道交换通信系统

在前述方案的基础之上，我们还尝试将MCF-LPG和定向弯曲系统运用于大容量通信系统，在SDM相干传输系统中实现了可重构芯间信号切换，消光比高达39 dB，传输总容量达到1.344 Tbit/s[18]。

4.1 系统结构

▲图6 多芯光纤长周期光栅不同弯曲曲率和方向下的有限冲激响应微波光子滤波器的幅频响应曲线

为了测试可重构芯间信号切换的传输性能，我们搭建了大容量SDM相干传输系统，系统结构如图7所示。将6个线宽低于100 kHz的窄线宽激光器（LD）作为光源，其波长分别为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，信道间隔为100 GHz）。使用一个阵列波导光栅将6个波长信道同时送入双偏振同相正交（IQ）调制器中，调制信号为离线产生的正交频分复用（OFDM）信号，长度为215-1的随机比特序列（PRBS）映射入100个16 QAM子载波，逆傅里叶变换（IFFT）的点数为128，循环前缀为10%。通过IFFT之后的信号实部和虚部再经过采样率为28 GSam/s的任意波形发生器（AWG）进行数模转换，经过微波放大器放大后驱动双偏振IQ调制器，单波长比特速率则为28 GSam/s×4×2=224 Gbit/s，6 个波长信道的系统总速率为1.344 Tbit/s。调制信号经过EDFA放大之后，通过扇入设备输入MCF的纤芯6中。经过MCFLPG后，在输出端由扇出设备输出的信号和放大自发辐射（ASE）噪声源耦合用于调节接收端光信噪比。阵列波导光栅将不同波长的光信号解调输出，通过可调光衰减器衰减至-12 dBm的接收光功率后输入相干光接收机。最终，信号由采样率为80 GSam/s的数字采样示波器接收并进行离线处理。为了提高相干传输系统的传输性能，在数字域采用了恒幅度零自相关序列（CAZAC）预编码用于降低峰均比（PAPR），提升接收机灵敏度，增强抗色散性能并实现子载波间的信噪比均衡[19]，同时也采用了预失真技术降低微波放大器等器件衰落的影响[20]。

▲图7 可重构芯间信号切换测试系统装置图

实验所用MCF-LPG的光栅周期为505 μm。我们分别在其保持平直和弯曲方向角为30°、弯曲半径为15 cm两种状态下，测量得到纤芯5、6和7的透射谱。结果表明，3个不同芯的谐振波长发生了不同程度的漂移：纤芯5的LPG主谐振波长由1 528.6 nm红移至1 542.7 nm，纤芯6的LPG主谐振波长由1 547 nm蓝移至1 542.4 nm，纤芯7的LPG主谐振波长由1 543.4 nm蓝移至1 533.6 nm。同时，所有的谐振波长消光比均有3～7 dB的降低，说明纤芯模与包层模之间的耦合变弱。对于从纤芯6输入、纤芯5和7输出的芯间耦合信道，我们分别在MCF-LPG平直和定向弯曲的 情况下测量了其传输谱。结果表明，在MCF-LPG保持平直时，在整个C波段内，从纤芯6输入的光信号都能够高效地耦合至纤芯5和7。在纤芯6到纤芯7的1 548.3 nm处存在最低耦合损耗为11.3 dB。而当MCF-LPG发生弯曲方向角为30°、弯曲半径为15 cm的定向弯曲时，由于波长漂移和耦合系数减小，芯间耦合信道的传输损耗大大升高，纤芯6输入的光信号几乎不再耦合至其他纤芯。在MCF-LPG平直和定向弯曲两种状态下，最大切换消光比为39 dB，相应的空间信道从纤芯6切换至纤芯7，波长为1 556.6 nm。

4.2 实验结果

在MCF-LPG保持平直和定向弯曲状态下，我们分别测量了6个波长信道的误码率曲线，如图8所示。当MCF-LPG保持平直状态时，从纤芯6输入的光信号被切换至纤芯5和7，此时芯间切换处于开通状态。当MCFLPG发生弯曲方向角为30°、弯曲半径为15 cm的定向弯曲时，只有纤芯6输出的光功率能够达到接收机的灵敏度要求，而纤芯5和7输出的信号已经被完全淹没在噪声中，此时芯间切换处于关断状态。与光背靠背（OB2B）传输结果相比，所有芯间切换的波长信道达到7%的前向纠错码门限的光信噪比差异仅为1 dB左右。实验结果证明，当MCF-LPG保持平直状态时，MCF不同纤芯中的LPG可以将其各自的纤芯模与共享包层模式耦合，一个纤芯中的信号功率可以通过包层模式转移到其他多个纤芯，光信号可以在C波段实现多个芯间的信号切换。当MCF-LPG发生定向弯曲时，由于谐振波长的漂移和耦合系数的减小，芯间耦合信道的传输损耗大大升高，芯间切换被关断，光信号几乎无耦合地在输入纤芯中继续传播，因此，MCFLPG在这两种状态下可以有效地实现芯间信号切换，同时不会降低SDM相干传输系统的信号质量，并与现有波分复用系统完全兼容。我们相信，这样一种全光纤型智能可重构的芯间信号耦合与切换方案，能够给未来SDM通信网络提供更加灵活的网络配置功能。

▲图8 可重构芯间信号切换误码率曲线图

5 结束语

面对MCF在未来SDM网络中更加丰富和灵活的网络配置需求，我们研究全光纤型智能可重构的芯间信号耦合与切换方案，并在此基础上探索可重构的光子信号处理应用和大容量的通信应用。在光子信号处理应用方面，我们提出基于MCF和可编程拉锥技术实现的级联和并联式的IIRMPF，Q值分别达到143和136。同时，我们也提出基于MCF-LPG在波长和空间两个维度分别实现了可重构FIRMPF，完成了3种两抽头滤波器的切换。此外，在大容量通信应用方面，我们将MCF-LPG和定向弯曲系统应用于SDM相干光传输系统中，实现了可重构的芯间信号切换。实验结果表明该方案具有高达39 dB的切换消光比，传输总容量达1.344 Tbit/s。