Adv. Photon. | 面向高性能计算：基于模分复用的高鲁棒性短距离光互连

Hongya Wang, Jianzhou Ai, Zelin Ma, Siddharth Ramachandran, Jian Wang. Finding the superior mode basis for mode-division multiplexing: a comparison of spatial modes in air-core fiber[J]. Advanced Photonics, 2023, 5(5): 056003

       随着云计算、人工智能等业务的快速崛起，人们对高鲁棒性和高性能计算、大容量数据的传输、交换和处理需求也不断增加。在研究者们的努力下，目前光通信领域中基于光波幅度/相位、波长、时间和偏振物理维度的信号先进高级调制、波分复用、时分复用和偏振复用技术已经得到了飞跃式的发展，但基于光波横向空间分布（空间维度资源）的空分复用技术（包括空间位置复用和模分复用技术）仍具有广阔的提升空间，因此成为了光通信领域的研究热点之一，如图1所示为基于光波基本物理维度的调制和复用技术示意图。在模分复用中，常用于维持光通信容量增长的空间模式基主要包括线偏振模式（LP：linearly polarized mode）、线偏振/圆偏振轨道角动量（OAM：orbital angular momentum）模式、矢量模式（vector mode）等。

图1 基于光波基本物理维度的复用技术示意图

       近年来，模分复用技术在多模光纤、少模光纤等多种圆柱对称光纤中的应用得到了广泛研究，但由于扰动的存在，同时传播的模式容易发生耦合，因此多输入多输出（MIMO）数字信号处理（DSP）对于减轻模式耦合引起的串扰至关重要。尽管经过特殊设计的、具有圆柱对称的环芯光纤可以一定程度减轻不同模群间的模式耦合，但弱导光纤同一个模群内还是会发生模式耦合。为了同时实现充分利用所有空间模式、增加信道数量、减少模式间耦合，研究者还提出了非圆柱对称光纤并开发了无MIMO的模分复用系统，但该方案所应用到的椭圆芯光纤或光子晶体光纤的制造难度极大，并且难以实现高效可扩展复用和解复用；另一种有效方法是在空芯光纤中采用合适的空间模式基，但目前尚无针对不同模式基的性能进行具体的对比分析。

       针对光纤通信中模分复用技术如何选择合适的空间模式基这一难点，华中科技大学武汉光电国家研究中心王健教授领导的多维光子学实验室（MDPL：Multi-Dimensional Photonics Laboratory）在Advanced Photonics 2023年第5期发表了题为“Finding the superior mode basis for mode-division multiplexing: a comparison of spatial modes in air-core fiber”的研究进展。实验探究了光纤扰动下1 km空芯光纤中不同空间模式基的走离和耦合等效应，作者团队还分析了在各种光纤扰动（弯曲、扭曲、按压、缠绕、面外移动）下，具有不同空间模式基的承载数据的单通道和双通道模分复用传输性能，此外还证明了在不使用MIMO-DSP的模分复用光纤通信时，圆偏振OAM模式相对其他模式更具有优越性。研究结果为突破应用于数据中心、高性能计算网络的高鲁棒性、短距模分复用光互连技术难点提供了重要参考。

       研究针对圆柱对称光纤中的矢量、线偏振、线偏振OAM和圆偏振OAM模式进行了对比和系统级实验验证。研究在系统级实验中采用了1 km的空芯光纤，对比分析了不同空间模式基的传输性能。空芯光纤的折射率分布测试结构如图2(a)所示，OAM模群中相邻OAM模式有效折射率差如图2(b)所示，具体实验设置如图2(c)所示。研究结果表明：光纤扰动下，简并的偶矢量和奇矢量模式遭受严重的模式串扰，而基于角动量守恒定律的高阶简并圆偏振OAM模式则可以忽略不计。

图2 空芯光纤的特性和空芯光纤中用于空间模式基传输的实验设置：(a)空芯光纤的实测折射率分布；(b)空芯光纤每个OAM模组中相邻OAM模式有效折射率差Δneff；(c)空芯光纤中用于空间模式基传输的实验设置

       作者团队表征了不同空间模式基在空芯光纤中传输时的基本特性。如图3(a-d)所示为线偏振、线偏振OAM、圆偏振OAM和矢量模式基的实测典型强度分布图，其中线偏振模式具有花瓣状图案，线偏振OAM、圆偏振OAM和矢量模式由于光束中心的相位和偏振奇点，呈现出了甜甜圈形状的强度分布。需要注意的是：由于线偏振和线偏振OAM模式在光纤传输后不稳定因此容易相互转换；圆偏振OAM模式，包括模群中的简并圆偏振OAM 模式在光纤扰动下是稳定的；此外矢量模式中简并的偶矢量和奇矢量模式在光纤面外移动下不稳定。

图3 空芯光纤传输1 km后，(a)线偏振、(b)线偏振OAM、(c)圆偏振OAM和(d)矢量模式的实测强度分布图

       研究首先评估了不同空间模式基下1 km空芯光纤单通道数据传输系统及误码率性能，研究结果表明：对于线偏振和线偏振OAM模式，无论是否引起光纤扰动，测量到的误码率值均远高于SD-FEC阈值，该现象可以归因于线偏振和线偏振OAM模式的固有走离效应以及伴随的模式耦合；对于矢量模式，测量的误码率值在没有光纤扰动的情况下表现出优异的性能，但在光纤扰动情况下接收光信噪比损失约为3.5 dB，这可能是由于光纤扰动下矢量模式产生功率耦合，不过其误码率值仍低于HD-FEC阈值；圆偏振OAM模式的误码率值在没有光纤扰动的情况下也表现优异，并且光纤扰动对于误码率影响较小，接收光信噪比损失约为1 dB。

       研究还利用矢量模式和圆偏振OAM模式分析了1 km空芯光纤上承载数据的双通道模分复用传输的系统级误码率性能。研究结果表明：简并的偶矢量和奇矢量模式由于光纤面外移动扰动引起的几何相位会发生严重模式串扰，无法实现无MIMO模分复用通信。相比之下，简并的圆偏振OAM模式由于其内禀的稳定性和抗光纤面外移动扰动特性，可以实现高性能无MIMO模分复用通信。另外，使用来自不同模群的圆偏振OAM模式进行无MIMO模分复用传输的性能也非常出色，其原因包括：（1）不同模群的圆偏振OAM模式具有较大的模式有效折射率差，因而不相互简并，有利于抑制串扰；（2）每个模群中的圆偏振OAM模式本身是稳定的，与同一模群内其他模式的功率耦合可以忽略。作者团队也系统研究了各种光纤扰动（弯曲、扭曲、按压、缠绕、面外移动）下的模分复用性能，研究结果表明：圆偏振OAM模式基对于各种光纤扰动均具有很高的鲁棒性，预计在更长距离的空芯光纤中传输也能够保持相对优越的传输稳定性。

       模分复用技术是面向下一代超大容量光纤通信有重要应用前景的技术路线，在未来有望应用于短距光互连和长距光通信。为了实现数据中心、高性能计算光互连，本研究证明了圆偏振OAM模式基在空芯光纤中能够实现高鲁棒性低误码率传输，解决了传统模分复用过程中由于模式耦合引起的串扰问题，可以无需MIMO工作。在未来，通过实验验证极端工作条件下圆偏振OAM模式基在空芯光纤中的传输性能、进一步改进光纤设计、优化光纤制造、探索不同光纤/复杂传输介质中的最优化空间模式基、拓展多用途空间模式基在光纤中的应用等工作，基于空间模式的先进光纤通信技术及其拓展应用也将有望迎来新发展机遇。

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