1 引言

随着互联网行业的快速发展,各行各业的信息需求呈现爆炸式增长,而光纤通信系统作为承载各类宽带业务的基础,“超大容量、超高速率、超长距离”是其发展的必然趋势^[1]。目前,光纤通信系统主要采用单芯单模光纤,但受放大器的带宽限制以及光纤非线性的影响,其传输容量的香农极限为100 Tbit/s^[2]。

有利于突破单模光纤(SMF)容量极限的模分复用技术受到业界的极大关注和认可^[3-5]。该技术以正交的模式为独立传输信道,通过模式复用,成倍地提高了光纤通信系统的传输容量。模式复用/解复用器是搭建模分复用系统的关键器件^[6],目前主要有自由空间光学型模式复用/解复用器、波导型模式复用/解复用器、光纤耦合型模式复用/解复用器,以及光子灯笼型模式复用/解复用器,其中光子灯笼型模分复用/解复用器作为全光纤型器件,具有插入损耗低、模式串扰低、工艺成本低等特性,更具实用性。利用模式选择性光子灯笼,Randel等^[7]完成了6个模式20 Gbit/s 正交相移键控(QPSK)信号的复用传输实验,传输距离达1200 km;van Weerdenburg等^[8]基于PM-16QAM(polarization multiplexed 16-state quadrature amplitude modulation)调制格式,将波分复用与模分复用相结合,在650 km的少模光纤上实现了138 Tbit/s的传输速率;Soma等^[9]利用10个模式在单芯光纤上实现了257 Tbit/s的传输速率,可以看出模分复用技术在提升传输容量方面潜力巨大。

近年来,国内模分复用技术的相关研究也取得了一定进展。陈健等^[10]采用正交频分复用强度调制-直接检测的方式,在50 m的OM4多模光纤上实现了2×3.6 Gbit/s的信号复用传输;陈嘉轲等^[11]采用强度调制-直接检测的方式,在10 km的少模光纤上实现了3个模式传输速率为4.25 Gbit/s的复用传输;Wu等^[12]采用强度调制-直接检测的方式,将波分复用与模分复用相结合,在21 km的OM3光纤上实现了3×4×10 Gbit/s的复用传输;Hu等^[13]采用强度调制-直接检测的方式,在10 km的少模光纤上实现了4个模式10 Gbit/s的复用传输。可以看出,国内在模分复用领域目前仍处于追赶的阶段,这主要是由于:目前所研究的模分复用系统利用的模式数量较少,对通信系统容量提升的效果有限;采用强度调制-直接检测方式搭建的系统仅适用于数据中心互联、本地接入网等短距离通信场景,无法满足当前国干、省干通信系统的超高速率、超长距离的使用需求。本文实验系统选择使用渐变型少模光纤和模式选择性光子灯笼,抑制传输过程中各模式间的串扰,有利于在不使用复杂多输入多输出(MIMO)信号处理的情况下实现6个模式信号的同时传输;系统采用了相位调制-相干检测方式,既可以在保证信号误码性能的同时提高频谱利用率,又可以提升接收机灵敏度,延长光信号的无电中继传输距离。

2 基于光子灯笼的模分复用实验系统

本文设计并搭建的实验系统如图1所示。系统中的光源为两个可调谐连续激光器,中心波长为1550 nm,其中一个激光器经光分束器接入两个IQ(in-phase quadrature)调制仪(KG-QPSK-40G-FA),另一个激光器作为本振光源接入相干接收机(ICR-100-EVK)。由误码分析仪(eBERT,ET10A-10G)发送4路传输速率为4.25 Gbit/s的二进制伪随机序列,分别接入IQ调制仪的I路和Q路,调制后形成速率为8.5 Gbit/s的QPSK信号,并加载到激光器发出的光束上,随后经光分束器(OS)将每路调制后的光信号分为三路。在进入光子灯笼(PL)前,需在不同光路中分别加入一定长度的光纤,通过时延去除各路光信号间的相关性。由掺铒光纤放大器(EDFA)平衡6路光信号的功率,再分别将光信号注入光子灯笼LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂对应的单模光纤输入端,通过光子灯笼实现模式转换与复用,在少模光纤(FMF)输出端得到上述6个模式复用后的光信号。复用信号经

图 1. 模分复用系统实验装置图

Fig. 1. Experimental setup of mode division multiplexing system

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10 km少模光纤传输后,在接收端利用另一个光子灯笼对复用信号进行模式解复用与转换,用相干接收机分别对6路单模光纤输出端进行信号检测接收,通过示波器(11000-11G)观测并记录各路信号波形及星座图的变化情况,最后使用Matlab对采样得到的信号数据进行离线处理。

模式选择性光子灯笼作为模分复用系统的关键器件,可实现模式的转换和模式的复用/解复用,其工作原理如图2所示。光子灯笼是通过将单模光纤阵列放于一个具有较低折射率的毛细玻璃管中,再经一定的处理使细玻璃管管道半径渐进收缩拉制而成。在拉锥的过程中,单模光纤的纤芯直径都逐渐减小,光逐渐从纤芯泄漏到包层中,纤芯最终将成为无效波导,单模光纤的包层也在同步进行着熔合,新的导光纤芯逐渐形成,最外面的毛细玻璃管则逐渐成为新的包层。在此过程中各个单模光纤中的基模通过耦合逐渐形成超模,随着直径的变小以及耦合作用的加强,超模成为多个高阶模的叠加,最终进入与拉锥结构末端相连接的少模光纤中传输,从而实现了多个基模向高阶模的转换与复用^[14]。模式选择性光子灯笼作为无源光组件,可实现从多个单模波导复用到一段多模波导的低损耗传输,根据光路具有可逆性,亦可实现从一段多模波导解复用到多个单模波导的低损耗传输^[15]。实验中使用的光子灯笼订制于Olkin Optics公司,可以同时实现6个模式的转换与复用/解复用,所有端口的插入损耗小于3 dB,模式纯度大于8 dB。将基模信号从各模式端口注入光子灯笼,在输出端得到相应模式的光信号,图3为基模光从LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂端口入射时,使用图像传感器CCD在光子灯笼少模输出端测得的模态图,可以看出两个光子灯笼均能实现从基模到各个高阶模式的模式转换,且具有较好的模式转换效率。

图 2. 光子灯笼原理图

Fig. 2. Schematic of PL

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图 3. 光子灯笼少模输出端的模态图。(a) 1号光子灯笼;(b) 2号光子灯笼

Fig. 3. Modal graphs of the few-mode outputs of PLs. (a) No.1; (b) No.2

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实验中用到的传输光纤为10 km长的4模渐变型光纤,渐变型光纤的纤芯折射率沿径向呈抛物线变化,由内向外递减,具有自聚焦特性,可以降低模式色散,有效抑制多个模式之间的时延差以及模式耦合。当工作波长为1550 nm时,光纤的归一化截止频率V介于3.823~5.136之间,支持4种LP模式(LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁和LP₀₂)传输,且LP₁₁和LP₂₁均具有2个简并模式,所以该光纤可用于实现6×6的模分复用传输。

实验中采用了基于IQ调制器和相干接收机的相位调制-相干检测系统,与强度调制-直接检测系统的主要差异在于调制方式与检测方式。实验系统的发送端采用外调制,利用发送信号来改变光载波的相位,在接收端将信号光与本振光输入混频器实现相干混频,再利用平衡探测器得到输出信号。

实验中利用示波器采集相干接收机输出端的信号波形和星座图,导入Matlab对信号进行离线处理。受限于少模光纤长度较短,模式相关损耗、模式色散对系统传输性能影响不明显,因此未对上述因素进行离线算法补偿,信号处理主要有以下三个步骤:一是采用Gram-Schmidt算法对I/Q不平衡进行补偿,消除星座图的压缩或者拉伸;二是采用4阶Viterbi-Viterbi算法对相位偏移进行估计和补偿;三是采用Gardner算法进行时钟恢复,消除示波器与误码仪时钟不同步造成的采样失真。

3 实验结果与分析

3.1 插入损耗与模式串扰的测量

在实验系统中,将光信号从发送端光子灯笼某一模式端口注入时,大部分光能从接收端对应端口出射,但也会有小部分光流失,即产生了插入损耗;流失的光中又有部分会串扰到其他模式信道中,并与该信道原有光信号发生耦合,对原有光信号造成额外干扰,影响模分复用系统的传输质量。本文需要对光子灯笼各个模式的插入损耗与模式串扰进行测量,以便对光子灯笼的模式转换效率和工作性能进行更全面的评估。

各模式端口的插入损耗值的计算式为

LI=Pin-Pout,(1)

式中:L_I(单位:dB)表示各模式的插入损耗,P_in(单位:dBm)为输入端激发该模式时的入射功率,P_out(单位:dBm)为在输出端该模式对应的出射功率。表1给出了两个光子灯笼背靠背连接和经10 km的4模渐变型光纤连接后各模式端口的插入损耗值。

各个模式间的串扰值可表示为

Ci→j=Pj-i-Pi,(2)

式中:C_i→j(单位:dB)表示输入端i模式在输出端j模式上的模式串扰,P_j-i(单位:dBm)为在输入端激发i模式时输出端j模式的出射功率,P_i(单位:dBm)为输入端激发i模式时的入射功率。表2给出了两个光子灯笼背靠背连接时各模式间的串扰,表3所示为两个光子灯笼经10 km长的4模渐变型光纤连接后各模式间的串扰。通过测量结果可以看出,背靠背连接时各模式间的串扰小于-16.87 dB,而在经10 km少模光纤传输之后串扰小于-15.31 dB,各模式间的串扰均有所增大,但总体相差不大,传输系统的性能并未严重劣化。

3.2 系统传输性能测试

在实验中,测试了同时承载8.5 Gbit/s QPSK信号的模式LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂经10 km少模光纤传输后的性能。6个模式的输入信号按等光功率接入时,LP₀₂模式因插入损耗大其接收功率较小,与其他模式间的串扰更为严重,传输性能下降明显。在不影响其他模式的前提下,实验中单独将LP₀₂模式的输入信号光功率提高了3 dBm,并记录了6路输入信号光功率分别为-15.5 dBm、-15.5 dBm、-15.5 dBm、-15.5 dBm、-15.5 dBm、-12.5 dBm时的信号波形和星座图,再使用Matlab对6路接收信号进行I/Q不平衡补偿、时钟恢复和载波恢复等离线处理,实验结果如图4所示。

图 4. 经10 km少模光纤传输后接收到的和Matlab处理过程中的信号星座图

Fig. 4. Constellation diagrams of received signals after 10 km FMF transmission and processed by Matlab

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为进一步测试模分复用系统的可靠性与通信质量,同步逐渐降低6路输入信号的光功率,实验记录经10 km少模光纤传输后6路信号的误码率随接收功率的变化规律,并绘制了误码特性曲线,如图5所示。测试中同步调整6路信号的入射功率,始终保持LP₀₂模的输入信号光功率较其他模式大3 dBm。根据线性拟合结果,传输速率为8.5 Gbit/s,6个模式的接收功率分别高于-37.84 dBm、-36.47 dBm、-36.20 dBm、-35.27 dBm、-35.37 dBm、-35.79 dBm时,信号的误码率R_BE低于10^-3,满足前向纠错硬判决(20%开销)后无误码传输的阈值要求。

图 5. 接收信号的误码特性曲线

Fig. 5. Bit error rate curves of received signals

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4 结论

本文建立了一种光子灯笼作为模式复用/解复用器的6×6模分复用通信实验系统,给出了系统的结构框图并阐述了其工作原理。分别利用模式LP₀₁、LP_11a、LP_11b、 LP_21a、 LP_21b和LP₀₂的信号传输信道作为独立信道,采取相位调制-相干检测的方式,通过正交不平衡补偿、时钟恢复、载波恢复等离线信号处理,实现了传输速率为6×8.5 Gbit/s的伪随机信号在10 km少模光纤中的良好传输。实验结果表明:当6路信号的接收功率分别大于-37.84 dBm、-36.47 dBm、-36.20 dBm、-35.27 dBm、-35.37 dBm、-35.79 dBm时,各路信号的误码率可低于10^-3。在保证了信号误码性能的前提下提高了信号的频谱利用率,同时大幅提升了接收机的灵敏度,使得光信号可以在更长的距离进行无中继传输,为进一步扩展模分复用系统的比特率-距离积(B·L积)打下了基础。