光子灯笼模分复用系统MIMO-free 高速传输实验

唐胜龙，武保剑，严伟，文峰，赵天烽

（电子科技大学 光纤传感与通信教育部重点实验室，成都 611731）

0 引言

随着光纤通信网络业务日益丰富、规模不断扩大和容量快速增长，人们对光网络带宽的需求日益增大。伴随着时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）［1］、波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）［2］、多维多阶调制［3］和偏振复用（Polarization Division Multiplexing，PDM）［4］等技术的广泛使用，光通信网络的传输容量已经接近其理论极限［5］。因此，国内外研究者开始采用基于多芯光纤（Multicore Fiber，MCF）或少模光纤（Few Mode Fiber，FMF）的空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）技术［6］来进一步提升光纤的传输容量。在基于少模光纤的模分复用（Mode Division Multiplexing，MDM）［7-10］系统中，利用光纤模式的正交性，用各个模式承载不同的用户信息，形成多输入多输出信道，可实现系统频谱效率和传输容量的倍增。

模式复用/解复用器作为MDM 通信系统的关键器件，其模式相关损耗和串扰（Crosstalk，XT）等性能会直接影响系统的误码率、通信效率以及接收端进行算法补偿的难度。模式复用器主要有自由空间光学型模式复用器［11］、光波导型模式复用器［12］、光纤耦合器型模式复用器［13］以及光子灯笼型模式复用器［14］等，其中商用的模式选择性光子灯笼（Mode Selective Photonic Lantern，MSPL）模式复用器作为一种无源光器件，具有插入损耗低、结构简单、与光纤易于连接等优点，而且还能与波分复用、偏振复用等技术高效结合。因此，MSPL 模式复用器广泛地用于搭建模分复用通信系统。

基于光子灯笼的长距离少模光纤MDM 传输系统，还需采用多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术恢复信号。2014 年，GNAUCK A H 等［8］使用低损耗的光子灯笼作为耦合器，以相干检测的方式实现了3 路单波长30 Gb/s 正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）信号的1 500 km少模光纤传输。2016 年，RYF R 等［15］采用光子灯笼作为模分复用/解复用器，开展了10×30 Gb/s QPSK 信号在121 km 多模光纤（Multimode Fiber，MMF）的传输实验。2018 年，WEERDENBURG J V 等［16］利用光子灯笼模式复用器的LP01、LP11a和LP11b作为传输信道完成了30 Gb/s 16 态正交幅度调制（16-state Quadrature Amplitude Modulation，16QAM）信号的2 400 km 少模光纤传输。

然而，对于光接入网络、数据中心和超级计算机互连等短距离应用场景，采用MIMO 数字信号处理技术来提高MDM 传输容量，必然会增加系统实施成本和复杂性。在这种情形下，人们更加关注低复杂MIMO技术，甚至无需多输入多输出（MIMO-free）的MDM 高速信号传输。2017 年，陈嘉轲等［17］和LIU H 等［18］基于模式选择性光子灯笼分别开展了3×4.25 Gb/s 和3×10 Gb/s 的强度调制直接检测MIMO-free 模分复用实验，传输距离分别为10 km 和20 km。2018 年，SHEN L 等［19］利用MIMO-free 直接检测系统开展了2×20 Gb/s 开关键控（On-off Keying，OOK）信号在151.1 km 少模光纤的传输实验。2022 年，张强等［20］采用相位调制-相干接收方式在10 km 少模光纤中完成了3×34 Gb/s 偏振复用正交相移键控（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying，DP-QPSK）信号的调制与检测。

本文基于商用模式选择光子灯笼模分复用器建立了高速MIMO-free 模分复用实验系统，研究了2×100 Gb/s DP-QPSK 信号在LP01和LP11b模式信道的MIMO-free 传输性能。模式之间的串扰可由信串比（Signal-to-Crosstalk Ratio，SXR）参数表征，要同时实现两个信道纠后无误码传输，应保证SXR 约大于8 dB。研究了较低串扰状态下输入功率不均衡和接收光功率大小对信道误码率的影响，当SXR1和SXR2分别为14.25 dB 和13.81 dB 时，与背对背收发系统相比，纠后无误码阈值（BER=10-2）的接收光功率代价分别为1.40 dB 和4.76 dB。分析了光纤衰减、偏振模色散和模式串扰对高速传输系统的影响，估算了串扰受限系统可支持的少模光纤传输距离约为30 km。

1 光子灯笼模分复用系统的信道选择

图1 为采用模式选择性光子灯笼搭建的2×2 模分复用传输实验系统，主要包括光发射机Tx 1 和Tx 2、MSPL 模式复用器和解复用器、少模偏振控制器和光接收机Rx 1 和Rx 2，它们的功能描述为：

图1 基于光子灯笼的2×2 模分复用传输系统框图Fig.1 Block diagram of 2×2 mode division multiplexing transmission system based on photonic lanterns

1）实验中，光收发机采用商用光传送网（Optical Transport Network，OTN）设备，具有光复用/解复用、光放大、可调谐色散补偿和相关光板卡保护等功能。每个光发射机中，线偏振激光经过IQ 调制器分别产生两个单偏振QPSK 光信号，再用偏振合束器合成双偏振QPSK 信号［21］。

2）MSPL 模式复用/解复用器采用英国Phoenix Photonics 公司生产的三单模端口模式选择光子灯笼，其出厂参数见表1，激发或解复用LP01、LP11a和LP11b模式。两个发射机均发射1 550 nm 波长的100 Gb/sDP-QPSK 信号，分别输入到光子灯笼1（模式复用器）的单模端口1 和3，并转换为LP01和LP11b模。模式之间的串扰不使用任何MIMO 数字信号处理进行解耦。

表1 三端口模式选择光子灯笼的参数Table 1 Parameters of three-port mode selective photon lanterns

3）为了考察模式串扰对系统误码率的影响，在光子灯笼之间增加一个用长飞公司生产的少模光纤（相关参数如表2）绕制而成的（3 模）偏振控制器，用于调节模式之间的串扰。LP01和LP11b模式的信号光，经少模偏振控制器传输后，由光子灯笼2（模式解复用器）的单模端口1 和2 解复用输出。

表2 渐变两模光纤的参数Table 2 Parameters of graded two-mode fibers

4）采用相干光接收机恢复信号，通过OTN 设备的网络管理软件读取信道的误码率和差分群时延（Differential Group Delay，DGD）［22］等性能参数信息，其中误码率采用前向纠错编码，它是一种实现比特错误检测和纠错的编码算法，接收器仅接收检测和纠正位错误所需的信息，不请求重新传输。在背对背实验测量中，当前向纠错前误码率小于1.75×10-2时，可实现纠后无误码传输。为了便于性能比较，本文取值为10-2，也有文献取BER=10-3进行比较［17］。

在进行MDM 系统传输性能实验之前，首先测量不加少模偏振控制器的光子灯笼直连系统的串扰。模式串扰测量方法如下：在LP01模式信道1 中输入信号光，测量模式信道1 和2 的输出光功率，计算它们的透射率T11和T12，则信道1 到信道2 的串扰XT12为

同样地，也可测量信道2 到信道1 的XT21为

式中，T22和T21分别为模式信道2 输入信号时到两个输出端口的透射率。

两个光子灯笼的端口1、端口2 和端口3 分别对应LP01、LP11a和LP11b，实验中所用的两个光子灯笼各端口的插入损耗分别为1.62 dB、2.26 dB、1.70 dB 和1.95 dB、2.03 dB、2.35 dB，其中端口1 的插损最小。根据MSPL 的特性，两个MSPL 的单模端口1 和2（或3）激发不同的模式，它们之间不能用于模式信道传输。因此，只需对表3 所示的五个传输路径进行串扰测量。表3 中，0 dB 对应的输入和输出端口为目标传输路径，括号里的数值为相应端口的插损值，其他数据为串扰值。由表3 可知，LP11简并模之间的串扰很大，最高可达−1.70 dB，需使用MIMO 数字信号处理技术解复用。

为了实现两路MIMO-free 传输，选取模式串扰最小的两个模式信道，一个是输入端口1 到输出端口1 的LP01模（信道1），另一个是输入端口3 到输出端口2 的LP11b模（信道2）。由表3 可知，它们的光子灯笼直连系统串扰分别为−13.85 dB 和−14.99 dB。

表3 光子灯笼1 和2 直连系统的串扰矩阵（单位：dB）Table 3 Crosstalk matrix of directly linked system with photonic lantern 1 and photonic lantern 2（unit：dB）

2 少模偏振控制器对信串比的影响

为了开展两个信道的同时传输实验，需在两个MSPL 之间加入少模偏振控制器来进一步提高模式信串比的大小。具体方法如下：端口1 输入信号光，调整少模偏振控制器使输出端口1 的功率最大，测量输出端口1 和2 的光功率。在相同的偏振控制器状态下，在端口3 输入信号光，测量输出端口1 和2 的光功率。两个模式信道的信串比（SXR）可表示为

对于上述光子灯笼直连系统，根据式（3）和（4）可计算两个模式信道的SXR 分别为16.05 dB 和12.79 dB，信道1 的性能明显优于信道2。

实验过程中，保持两路信道的输入光功率相同，调整三环少模偏振控制器中间环的位置，测量两个信道的信串比变化曲线，如图2。由图2 可知：1）少模偏振控制器状态同时影响两个模式的信串比大小，适当调节少模偏振控制器可以提高信串比；与串扰参数相比，信串比能够更直观、准确地反映出信道的传输性能，因此还可以用SXR1和SXR2的变化曲线来表征偏振控制器的状态。2）随着偏振控制器状态的改变，SXR2的变化明显，当SXR2增加时SXR1略有降低，但SXR1仍大于SXR2。3）就模式信道2 而言，调节少模偏振控制器能够获得比光子灯笼直连系统更好的信串比性能。实验中，SXR2可提高至13.81 dB，比未加偏振控制器的光子灯笼直连系统提高了1 dB。

图2 少模偏振控制器对SXR1和SXR2的影响Fig.2 The influence of few-mode polarization controller on SXR1 and SXR2

3 2×100 Gb/s DP-QPSK 信号传输性能

3.1 误码率随SXR 的变化

为了研究信道误码率与SXR 的关系，保持两路信道的输入光功率为-1.40 dBm，通过调节偏振控制器来改变两个信道的串扰，记录每个信道的前向纠错误码率（Bit Error Rate-forward Error Correction，BER-FEC）随信串比的变化关系，如图3。其中，用到的少模光纤长度约为4 m，包括少模偏振控制器（2 m）和两个光子灯笼少模端的光纤（2 m）。信道1 和信道2 的最大输出光功率分别为-4.90 dBm 和-6.50 dBm，为了保持两者的接收光功率一致，调整信道1 的衰减器使其输出功率也降为-6.50 dBm。

由图3 可知，在纠后无误码条件下，信道的BER 随SXR 的增大近似线性降低，相应的拟合曲线分别为

在相同少模偏振控制器状态下，信道1 的信号质量始终比信道2 好，因此，系统的传输性能取决于信道2的信串比性能，即纠后无误码传输条件为SXR2约大于8 dB。由图3 可知，在误码率为10-6时，信道2 的SXR（理论）约为17.19 dB，比信道1 所要求的SXR 大2.14 dB。

图3 纠前误码率随SXR 的变化Fig.3 Change of BER with SXR

3.2 信道误码率性能的均衡

3.1 节研究表明，在相同功率输入时，信道2 较信道1 有更大的误码率。为了进一步提高信道2 的性能，在两信道SXR 分别为14.25 dB 和13.81 dB 的偏振控制器状态下（如图2），改变两个信道的输入光功率差，即

在信道1 和2 的输入功率均为−1.40 dBm，即ΔPin=0 dB 的初始条件下，通过降低其中一个信道输入功率的方式实现输入功率不均衡。图4 为信道的BER 随两信道输入光功率差的变化曲线，两信道的接收光功率仍保持为−6.50 dBm。

图4 信道误码率随入射光功率之差ΔPin 的变化曲线Fig.4 Variations of BER-FEC with the difference between incident optical powers

由图4 可知，当信道1 的输入功率降至−2.40 dBm，即ΔPin=-1.00 dB 时，两个信道的BER 达到均衡，此时BER=1.25×10-5。要想实现两路信号同时通信，它们的入射光功率相差不能太大，相应的拟合曲线分别为

3.3 信道灵敏度曲线的测试

为了研究两个信道同时传输信号时接收灵敏度的变化情况，需要调节每个信道光接收机前面的衰减器。在SXR1=14.25 dB 和SXR2=13.81 dB 状态下，测量每个信道的纠前误码率随接收光功率的变化曲线，如图5。由图5 可知，当接收光功率相同时，信道1 的误码率始终低于信道2 的误码率；信道1 和信道2 纠后无误码通信（BER-FEC＝10-2）的最小接收光功率分别为-33.72 dBm 和-30.36 dBm，与背对背光收发系统相比，它们的光接收机灵敏度代价分别为1.40 dB 和4.76 dB。造成上述结果的原因与信道2 的信串比SXR较低有关。

图5 两信道纠前误码率随接收光功率的变化曲线Fig.5 The BER-FEC curve of two channels dependent on the received optical power

4 系统受限因素分析

从光纤衰减影响、偏振模色散和串扰劣化三个方面分析它们对高速传输系统的影响。

1）光纤衰减的影响

在3.1 节和3.2 节的实验中，信道1 和信道2 的接收光功率均为-6.50 dBm。按图5 给出的光接收机灵敏度（-30.36 dBm）计算，还可以允许系统的光功率进一步衰减23.86 dB。若在该系统中加入衰减系数为0.20 dB/km 的商用少模光纤（相关参数如表2），则光纤长度接近120 km。从文献结果看来［20］，光纤的衰减并不是限制系统传输距离的主要因素。

2）信道的偏振模色散特性

双偏振信号对光纤的偏振模色散是非常敏感的，偏振模色散可用DGD 参数表示。根据现有的实验条件，在上述基于光子灯笼的2×100 Gb/s DP-QPSK 信号MDM 系统中，分别连接100 m、200 m、300 m 和12 km 的两模渐变光纤（相关参数如表2），测试两个模式信道的DGD。实验中，调节偏振控制器保持T12和T21基本不变。两个模式信道的DGD 随少模光纤传输长度的变化如表4。由表4 可知，LP01模式的DGD 基本维持在4 ps 左右，LP11b模式的DGD 在传输几百米时为10 ps 左右，而传输12 km 时为81 ps。可见，LP11b模式信道的DGD 也会成为限制该MDM 系统通信性能的重要因素。相干检测光纤通信系统中最常用的偏振模色散补偿技术是在接收端用恒模算法（Constant Modulus Algorithm，CMA）［23］在电域上对偏振模色散进行补偿。CMA 能自动匹配追踪信道的变化，利用某些信号具有模值恒定的特点，将两个混在一起的信号分离到某一近似的恒定的模值，即将偏振复用信号解复用，同时补偿信道中引入的线性损伤［24］。

表4 不同少模光纤长度时两个信道的DGD（单位：ps）Table 4 The DGD parameters of two channels in different FMF lengths（unit：ps）

3）串扰劣化影响

实验中，加入12 km 少模光纤后，通过调整少模偏振控制器，使实验系统处于最小串扰状态，此时系统的透射率T11和T22相比之前下降了大约3 dB，而T12和T21基本没有变化，由式（3）和（4）可知，SXR1和SXR2也会相应地下降约3 dB。即对于串扰受限系统，每增加一定长度的少模光纤后，调整少模偏振控制器使实验系统处于最小串扰状态后，此时SXR1和SXR2会降低，与传输光纤的透射功率变化基本一致。例如，传输5 km的衰减系数为0.20 dB/km 的少模光纤，调整少模偏振控制器使实验系统处于最小串扰状态后，T12和T21基本没有变化，SXR1和SXR2会下降0.2×5=1 dB。

根据4.1 节的结论可知，要同时实现两个信道纠后无误码传输，LP11b模式信道的SXR 应在8 dB 以上，而实验中能够达到的最大SXR2=13.81 dB，系统的SXR 劣化容限约为5.8 dB。按上述规律估算，采用衰减系数为0.20 dB/km 的商用少模光纤（相关参数如表2），则系统能够MIMO-free 传输的最长距离为5.8/0.2=29 km，约为30 km。需指出的是，这是针对本文所用的少模光纤和100 Gb/s DP-QPSK 信号进行的估算结果，通过优化设计少模光纤有可能传输更长的距离［25］。

将本文研究与目前已报道技术进行比较，如表5。可以看出，本文研究具有最高的信道速率，且MIMOfree 串扰受限距离约为30 km。已进行的2×2 高速MIMO-free 的模分复用实验，100 Gb/s DP-QPSK 对信道的信串比要求较高，采用同样实验系统，适当降低信道数据率可以实现3×3 模分复用系统。

表5 MIMO-free MDM 实验结果比较Table 5 Comparison of MIMO-free MDM experimental results

5 结论

基于模式选择性光子灯笼型模式复用/解复用器建立了2×2 的MIMO-free 模分复用通信系统，利用LP01与LP11b模式信道，实现了2×100 Gb/s DP-QPSK 信号的传输。实验结果表明，少模偏振控制器状态可由LP01和LP11b两个模式信道的信串比参数准确表征；系统的传输性能受限于信道2 的信串比性能，即纠后无误码传输条件为SXR2约大于8 dB；要想实现两路信号同时通信，两路入射光功率相差不能太大；当LP01和LP11b两模信道信串比分别为14.25 dB 和13.81 dB 时，与背对背系统相比，纠后无误码阈值下两个信道的接收光功率代价分别为1.40 dB 和4.76 dB。分析了光纤衰减、偏振模色散和模式串扰对高速传输系统的影响，估算出串扰受限系统可支持的少模光纤传输距离为30 km，这对于短距离的应用场景具有指导价值。