复旦大学余建军教授课题组在《激光与光电子学进展》发表题为“少模光纤强耦合通信系统信号恢复技术综述”的文章被选为2023年9月17期封面文章。

封面解读

       本封面以少模光纤传输信号的数字信号处理为突出要点。以计算机芯片暗指具有强大能力的数字信号处理依旧发挥着巨大作用，与其上方连接的神经网络相呼应，表达数字信号处理在少模光纤信号传输中依旧能够扮演重要的角色。同时，搭载不同模式、携带不同类型信息的四路光信号，经恢复后由芯片引出，展现了少模光纤通信系统强大的能力。

文章链接：

龙健宇, 张冰, 杨雄伟, 余建军. 少模光纤强耦合通信系统信号恢复技术综述[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(17): 1700001

研究背景

       随着互联网流量的持续增长，单模光纤通信系统的传输容量预计在不久的将来到达瓶颈。为了进一步增加光纤通信系统的系统容量，研究者们提出了使用少模光纤强耦合通信系统的方案。它通过利用光的多个LP模式分别独立地传输不同的信号，从而实现增加系统传输容量的目的。然而，随着模式个数从一个到多个的转变，不同模式各自会存在不同程度的功率损耗，模式之间还会存在强烈的模间互耦和干扰，这些损伤包括模式耦合、差分模式时延（DMD）和模式相关损耗（MDL）等，极大地限制了少模光纤强耦合通信系统的传输容量和距离。

       模式耦合的强度和DMD的大小往往是相对的。少模光纤强耦合通信系统，通过在器件层面有意使得各个LP模式产生强耦合，从而极大地降低DMD。因此，模式耦合和MDL成为少模光纤强耦合通信系统性能的主要限制因素。

       为了提升少模光纤强耦合通信系统的性能，增大其传输容量和距离，可以利用数字信号处理（DSP）技术对信号进行发送端预处理，以及接收端恢复。主流的DSP算法包括多输入多输出（MIMO）均衡算法、空时编码（STC）、干扰消除算法（IC）和极大似然估计法。

少模光纤强耦合通信系统的损伤机理

       传输于少模光纤强耦合通信系统的信号会受到多种损伤，一种是模式耦合。在理想的少模光纤中，传输的多个模式之间会具备正交性，即光功率的耦合不会在模式之间发生，各个模式能够互不干扰地在光纤中独立传输，图1(a)是理想的光纤中以LP₀₁模和LP₁₁模为例的传输示意图。

       但实际上，由于光纤制备误差以及物理弯折等因素，各个模式的正交性通常只能在远小于光纤铺设长度的距离内保持，这种损伤称为模式耦合，因此模式耦合的发生是不可避免的。模式耦合的发生会带来各个模式之间信号的串扰，导致信号质量急剧下降。图2(b)是实际的双模光纤中LP₀₁模和LP₁₁模受模式耦合的传输示意图。

图1 双模光纤传输LP₀₁模和LP₁₁模的示意图，两条平行线分别代表两个模式。（a）理想的双模光纤内传输两个正交的模式；（b）实际的光纤中存在模式耦合干扰

       另一种损伤是差分模式时延。对于少模光纤，色散不仅仅包含各个模式的色度色散和偏振模色散，还包括模式间色散。模式间色散是由于光纤中传输的各模式传输速度不同而产生的信号展宽现象，和传输最快与最慢的两个模式通过单位长度光纤的最大时延差有关。随光纤传输模式和传输距离的增加，模式间色散导致的信号衰落会变得更为严重。模式间色散可以由差分模式时延（DMD）来定量地表征，定义为两模式之间通过同样距离的群延迟比之差。

图2 少模光纤传输三个模式（LP₀₁模、LP_11a模和LP_11b模）时的差分模式时延示意图

       使用强耦合、使得模式彼此间强耦合时，每一路独立信号在传播常数不同的模式中传输的概率相等，从而理论上能让每一路的信号都可以有几乎相等的延迟，进而极大地减少DMD。

       在实际的少模光纤强耦合通信系统中，除了DMD和模式强耦合带来的损伤之外，还存在着一类和器件相关的损伤，即模式相关损耗。MDL的产生原因是少模光纤传输链路中的各种器件对不同的传输模式表现出不同的功率衰减。模式复用器、模式解复用器等均会带来MDL。MDL表现为对不同模式的功率衰减不同，会随着光纤传输的距离增加从而累积，对系统的性能产生严重恶化。

少模光纤强耦合通信系统的主要DSP算法

       用于补偿少模光纤强耦合通信系统信号的DSP算法有很多，一种是MIMO均衡器，可以有效地补偿模式耦合以及DMD带来的影响。MIMO均衡器通常有时域均衡器（TDE）和频域均衡器（FDE）。TDE通常需要每滑动一个样本更新一次滤波器抽头，效率较低但较为精细；FDE通常以块的形式对样本更新，效率较高。

       用于更新MIMO均衡器的算法通常有最小均方算法（LMS）、递归最小二乘法算法（RLS）和变遗忘因子的递归最小二乘法算法（VRLS）等。它们各具优缺点。以传输3个LP模式，每个LP模式均使用偏振复用为例，图3和图4分别为MIMO TDE 和MIMO FDE的内部原理图。

图3 MIMO TDE典型原理框图

图4 MIMO FDE典型原理框图

       另一种方法可以使用空时编码。STC补偿主要通过在发送端引入时空相关性，充分地利用模分复用系统中空间模式和时间分集特性，在不同的时刻上和信道中生成重复的符号，进而降低MDL对系统的影响。STC充分地利用信道时间的自由度，从而提高了通信系统的可靠性。用于补偿MDL的STC主要有正交空时块码（OSTBC）结构和线状代数码（TAST）结构。

       OSTBC的码字矩阵自身具备正交性从而抵抗多径衰落，其在译码方面具有优势，但其速率随着并行发送的数据通路数目增加指数递减。TAST 的符号速率比OSTBC高，且两者在三个模式的强耦合通信系统中展现出几乎相同的误比特率性能。

       另一种方法是干扰消除。MDL的补偿可以通过IC的办法实现。通常分为串行干扰消除和并行干扰消除的方法。串行干扰消除先根据接收信号和信道矩阵估计出发送信号向量中的某一个符号，然后根据与该符号相对应的信道信息重构出该符号在接收信号中产生的干扰；再从接收向量中减去这个已经被检测的符号产生的干扰，重复这个过程直到检测出发送信号向量中的所有的发送符号。

       而并行干扰消除需要先利用最小均方误差（MMSE）等方法估计出整个发送信号向量，再在估计出的发送向量中选择一个符号作为最先判决的期望信号，同时利用信道的信息估计出其余符号所受到的干扰。从最初接收到的接收向量减去估计出的干扰后，对此前最先选择的期望信号估计并判决，重复上述过程直到将所有的向量检测完毕。

       极大似然法也可以作为一种方法应用到系统中。极大似然估计方法通过利用信道的先验知识，搜索得到与接收符号欧氏距离最小的符号，实现的原理较为简单。然而其通常需要遍历搜索整个可能的符号空间，计算复杂度会随着调制阶数等的增加急剧增长。

未来展望

       少模光纤强耦合通信系统在提升光纤通信系统容量方面具有广阔的前景和很高的研究价值，近年来得到国内外学者的广泛关注。在DSP层面，MIMO均衡器结合STC编码能针对性地补偿少模光纤强耦合通信系统的各类损伤，目前看来是一种较为可靠的方案。此外，寻找更高效、性能更优的DSP算法以补偿少模光纤强耦合通信系统的各类损伤，是值得进一步研究的科学问题。

课题组简介

       复旦大学光纤与超高频信号通信和感知实验室（Optical Fiber & UHF Signal Communication and Sensing Laboratory）隶属于复旦大学通信科学与工程系和电磁波信息科学教育部重点实验室，致力于下一代高速光纤通信系统、毫米波通信系统、光纤无线融合系统及对应的数字信号处理算法的研究和应用。

通讯作者简介

       团队负责人余建军教授，教育部“长江学者”、国家杰出青年、美国光学学会会士（OSA Fellow）、IEEE国际电子技术与信息科学工程师的学会会士（IEEE Fellow）。长期从事高速光纤通信技术、毫米波通信和太赫兹通信技术等方面的研究。已在光纤通信领域国际期刊和顶级国际学术会议上发表论文600余篇。申请国际专利100余项（其中80余项国际专利已被批准），申请国家专利30余项（其中10余项国家专利已经授权）。先后担任国际杂志IEEE/OSA JLT、JOCN、IEEE Photonics Journal Associated Editor、《激光与光电子学进展》编委。承担多项国家重点课题。获得中国光学工程学会科技进步一等奖和中国技术市场协会金桥奖个人一等奖。