基于光子灯笼的6×6模分复用传输实验

谭越心 陈嘉轲 吴 平 刘 峰 胡贵军

(1.吉林大学 通信工程学院，吉林 长春 130012； 2.温州大学 电气与电子工程学院，浙江 温州 325035)

1 研究前言

近几年来，由于新时代云计算、物联网、大数据等新型宽带业务的迅猛发展，以及传统行业与互联网的深度融合，人们对光网络带宽的需求呈现爆炸式增长，对通信系统的容量有了更高要求[1,2].目前以单模光纤为传输媒质的光纤通信系统受非线性效应的影响，网络容量逐渐趋近于理论极限[3].因此，国内外研究人员纷纷利用基于少模光纤(FMF)或多芯光纤(MCF)的空分复用(SDM)技术来使光纤的传输容量得到进一步的提升[4-5].而基于少模光纤(FMF)的模分复用(MDM)技术作为空分复用的一个类型[6]，利用FMF中有限个正交模式作为独立信道进行信息的传输，从而成倍的提高子系统的传输容量.

作为实现模分复用通信的关键器件，实验中所采用的模式复用/解复用器[7]发挥着重要的作用.模式复用/解复用器主要分为光纤光栅型模式复用器[8]、非对称定向耦合型模式复用器[9]、自由空间型复用器[10]及 “光子灯笼”型复用器[11].光纤光栅型模式复用器的原理是将具有周期性结构凹槽的刻蚀板压在少模光纤上面，光纤中的折射率因为受到其弾光系数的影响而产生周期性变化，从而实现模式的转换.它易于集成，但是需要严格控制纵向相位匹配条件，从而限制了它们的操作带宽；非对称定向耦合型模分复用器是目前采用较多的结构，其利用相位匹配原理，可以实现不同模式之间的转换；自由空间型复用器在模式纯度和模式串扰等方面存在优势，但因需要复杂的光学平台等受到了实验条件的限制.光子灯笼型模式复用/解复用器可以将模式转换和模式耦合高度集成，具有低插入损耗(IL)与低模式相关损耗(MDL)的特性，结构相对简单，具有更好的实用性与灵活性.

近几年来，各国纷纷报道了一些基于少模光纤模分复用传输实验的相关内容.2016年ECOC会议上，Ryf 等人采用了10个模式进行模分复用通信实验，实验采用光子灯笼作为模分复用/解复用器，完成了30 GBaud QPSK信号的121 km MMF的传输实验，接收端利用相干接收和MIMO数字信号处理单元，对信号有较好的恢复作用[12].2018年OFC会议上，John等人利用光子灯笼作为模式复用器，以LP01、LP11a、LP11b为独立传输信道完成了具有记录意义的2400 km 16QAM信号复用传输实验，接收端采用了MIMO信号作为处理单元[13].对于上述长距离的MDM传输实验，通常需要相干接收和MIMO数字信号处理来恢复随机模式耦合与串扰的信号，这通常会增加传输的复杂性和成本，不适用于短距离互连应用场景.2017年，吉林大学陈嘉轲等利用光子灯笼作为模式复用/解复用器，利用三个模式作为独立信道，完成了3×4.25 Gbit/s

信号的10 km传输[14].2018年OFC会议上，Liu等人利用模式选择性光子灯笼作为复用/解复用器，以LP01, LP11, LP21三个模式群作为三个独立传输信道，建了3×10 Gbit/s信号的模式群复用通信系统，传输距离为20km，并采用OOK调制格式时实现了信号的直接探测[15].

目前关于直接检测且不需要MIMO信号处理的MDM传输实验通常以3个模式作为独立信道，而要实现更大容量的信息传输，必须实现更多模式信道的模分复用.本文采用了六个模式作为独立的传输信道，采用强度调制/直接检测(IM-DD)的方法，实现了6路4.25 Gbit/s伪随机信号B2B和10 km少模光纤(FMF)的传输实验，观察了信号的眼图，并测试了系统的误码性能.在接收端未采用MIMO信号处理条件下，对于B2B、10 km FMF传输，当接收功率分别高于-16.77、-12.74 dBm时，误码率均能达到10-3量级.

2 基于光子灯笼的6x6模分复用通信实验系统

本文搭建的MDM通信实验系统如图1所示.在发送端，用两个码发生器(e-BERT)输出4.25 Gbps伪随机序列，序列长度为2-31.通过电光调制器(EOM)，伪随机序列被分别加载到由中心波长为1550.16nm的分布式反馈半导体激光器经光分束器(OS)输出的两路光波上.经调制后的光信号再次被两个1×3的光分束器分别分成三路，形成了总共六路光信号.为了使六路信号互不相关，加入了不同距离的延时光纤(SMF)，以产生不同时间的信号时延，其中，1 km SMF的延时为4.9 μs，2 km SMF的延时为9.8 μs.在进入光子灯笼(PL)前，首先采用增加掺铒光纤放大器(EDFA)，实现对入射光子灯笼前各路光功率的一些调整.此后，将六路调整过的光信号分别送入光子灯笼1(PL1)的LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02的输入端，首先由第一个光子灯笼(PL1)实现对六路模式的转换和复用，实现对高阶模的转化，复用后的信号经 FMF 传输后到达接收端.由第二个光子灯笼(PL2)进行解复用并转换为LP01模，采用光电探测器(PD)对转换为基模后的六路光信号进行直接探测，最后通过数字示波器观测并记录各路信号眼图的变化情况.

实验使用的少模光纤为烽火公司生产的6模光纤，表1给出了它的相关参数，实验测量了10km少模光纤系统(含两个光子灯笼)的串扰矩阵，如下表2所示.我们可以看出LP11a与LP11b，LP21a与LP21b两组简并模之间的串扰与其他模式之间串扰相比较大，但仍能满足传输要求.

表2 10 km FMF传输后系统各个模式串扰

本实验采用了OLkin Optics公司生产的具有模式选择性光子灯笼作为模式复用/解复用器，该光子灯笼具有6个端口，可以同时实现6个模式的转换和复用/解复用，如图2所示.表3是OLkin Optics公司给出的光子灯笼的主要技术指标，表4是实际测量得到的光子灯笼各个端口的插入损耗，表5是实际测量得到的光子灯笼的串扰矩阵.

表3 光子灯笼主要技术指标

ParameterSpecificationInput Fiber6 SMF fiber pigtailsOutput Fibers6 modestep index fiber,1mInsertion loss<3 dB for all portsMode purities>8 dB

表4 光子灯笼各端口插入损耗

InsertionLoss/dBLP01PortLP11aPortLP11bPortLP21aPortLP21bPortLP02PortPL11.4671.5492.1942.9323.4114.984PL21.1671.2782.0942.8023.3654.390

表5 光子灯笼各个模式串扰

光子灯笼的一端为少模光纤，中间为锥形过渡区.该器件的基本工作原理是将N根单模光纤放置于低折射率的毛细管道中，通过光纤拉锥技术，使管道半径逐渐收缩，直到单模光纤的纤芯消失，原来的单模光纤包层变成了少模光纤的纤芯，而毛细管道则变成了少模光纤的包层，N根单模光纤中的基模在毛细管中演变成“超模”，演变的“超模”的光场分布与少模光纤中的高阶模式的光场分布具有一致性，从而实现模式转换和模式复用.而根据光路可逆原理，将其进行反向应用时，即可实现模式解复用的功能.

3 实验结果及分析

我们在实验中，测试了六个模式(LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02)同时在MDM通信系统中传输的传输性能，记录了它们在背对背(B2B)传输下和在10 km 六模FMF传输下的眼图.如图3所示为6路信号在两种情况下分别传输后的眼图，图4给出了6路信号在10 km FMF传输后的眼图.

由图3和图4可以看出，与B2B传输相比，经10 km FMF传输后，各路信号接收的眼图质量变差，眼图张开幅度减小，且高阶模式尤为明显.其原因主要是：受到了模间串扰的影响，模间串扰随着传输距离的增加而变大，使接收信号的质量从而受到影响； LP11a和LP11b、LP21a和LP21b为同模组的简并模，由表3可以看出模间串扰在-18 dB左右，相对较大；并且由表1知，高阶模的传输损耗较大.这些均影响着MDM通信实验系统的通信质量及信号的传输距离.图5给出了上述6个模式在B2B和10 km的6模少模光纤传输中，误码率(BER)随接收功率变化曲线.

从图5可知，MDM通信实验系统的误码率随接收功率的增大而减小.在B2B传输中，六个模式接收功率分别为-19.51、-18.22、-18.03、-18.47、-18.84、-16.77 dBm，此时系统的误码率达到10-3的要求.当经过10 km六模FMF传输后，六个模式的接收功率需要分别增加至-16.83、-13.97、-13.83、-14.91、-14.68、-12.74 dBm，我们所搭建的实验系统才能达到10-3误码率要求.与B2B相比，在经10 km FMF传输后，六个模式所对应的信道分别需要付出2.68、4.25、4.20、3.56、4.16、4.03 dBm的代价，才能拥有相同的传输性能.

对比分析该模分复用通信实验系统中六路信号的误码率曲线可以看出，LP01路信号的误码特性略优于其他各路，这与各路模式信号在眼图方面表现出的特性是一致的.总体来说，对采用直接检测且不需要MIMO信号处理的MDM传输而言，在经过10 km FMF 传输后，接收到的6路模式对应的眼图仍能保持较为清晰的程度，且在接收功率高于-12.74 dBm时，6路模式同时传输，接收信号的BER低于10-3量级.

4 结论及展望

本文采用强度调制和直接检测(IM-DD)的方法，搭建了基于光子灯笼的6×6MDM通信实验传输系统.实验结果显示，当接收功率分别高于-16.77、-12.74 dBm时，该模分复用系统接收端无需采用MIMO信号处理，即可分别实现在B2B和10 km少模光纤下较为良好的信号传输，此时各信道误码率均低于10-3.

从模分复用通信系统未来的发展角度来看，可从三个方面来进一步改善模分复用通信系统的性能：更大的信息容量 制作具有更多模式的光子灯笼，从而提升其传输信息的容量；更小的串扰增加光子灯笼的模式隔离度，从而增加其传输信号的质量；更高的速率 引入多种复用方式，从而实现系统更高速率的信号传输.

模分复用通信系统作为近年来重要的研究热点之一，在提升传输容量方面拥有着巨大的潜力，被认为是当今快速增长的系统带宽情况下最具可行性的光扩容方案.期待在未来的若干年里，模分复用通信系统能够获得更多的关注，得到更加快速的发展.