長(zhǎng)飛與中山大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)刷新軌道角動(dòng)量光纖單跨無(wú)中繼傳輸記錄

  2020年7月1日，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院劉潔副教授、余思遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)飛公司”，股票代碼：601869.SH、06869.HK)首次報(bào)道了100千米距離軌道角動(dòng)量(OAM)單跨無(wú)中繼光纖通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的研究成果發(fā)表在Photonics Research(中國(guó)科學(xué)院主管的中國(guó)光學(xué)期刊)2020年第7期，并被OSA(美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì))選為Spotlight on Optics(光學(xué)方面的前沿聚焦點(diǎn))。

  隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展，使得當(dāng)前信息化社會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求達(dá)到了前所未有的高度。由于單模光纖自身的非線性效應(yīng)限制，可能在未來(lái)不遠(yuǎn)的時(shí)間達(dá)到可以預(yù)見的“帶寬耗盡”，因此空分復(fù)用應(yīng)運(yùn)而生。

  空分復(fù)用是指通過(guò)一根光纖建立多個(gè)可以分區(qū)的空間數(shù)據(jù)信道的復(fù)用技術(shù)，可以成倍地提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，是構(gòu)建未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前可支持空分復(fù)用的光纖主要有：少模光纖、多芯光纖和光子晶體光纖。其中，多芯光纖拉制較為復(fù)雜且接續(xù)困難;光子晶體光纖有著極低的色散和理論衰耗，但其實(shí)際衰耗仍然較高;少模光纖由于其低損耗、拉制簡(jiǎn)單、熔接效率高和適應(yīng)各種復(fù)雜外界環(huán)境的特征而成為空分復(fù)用應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)?；谏倌?A href="http://odinmetals.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%85%89%e7%ba%a4&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">光纖的空分復(fù)用技術(shù)在提升單纖通信系統(tǒng)傳輸容量方面展示了巨大潛力，數(shù)十倍的容量提升已經(jīng)成為可能，為解決未來(lái)光通信系統(tǒng)容量瓶頸問題提供了有效途徑。

  光子軌道角動(dòng)量(以下簡(jiǎn)稱“OAM”)光纖是少模光纖中的一種，基于OAM模式實(shí)現(xiàn)單光纖模分復(fù)用多信道傳輸是近年提出的大幅度擴(kuò)充光纖通信信息容量的新方法，在科技部“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”項(xiàng)目“可擴(kuò)展超大容量新型空分模分復(fù)用光纖通信技術(shù)研究”(項(xiàng)目號(hào)：2018YBF1801800)的支持下，長(zhǎng)飛公司沈磊博士及其團(tuán)隊(duì)基于公司獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的PCVD工藝，研發(fā)并制備了低衰減的長(zhǎng)距離環(huán)形芯OAM光纖，OAM光纖的基模衰減最低可達(dá)0.198dB/km，是OAM光纖領(lǐng)域的世界紀(jì)錄。

  項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)同時(shí)利用新型超低模間串?dāng)_OAM環(huán)芯光纖特殊的模式分群特性，提出了在接收端僅需要小規(guī)模(4x4)的模塊化多入多出(MIMO)均衡算法即可實(shí)現(xiàn)多信道傳輸?shù)腛AM模分復(fù)用系統(tǒng)新架構(gòu)。該架構(gòu)單位傳輸容量的均衡算法復(fù)雜度不隨通信容量增加，因而具有優(yōu)良的可擴(kuò)展性和實(shí)用性。

圖1：基于新型低損耗、超低串?dāng)_OAM環(huán)芯光纖的高可擴(kuò)展模分復(fù)用通信系統(tǒng)示意圖。插圖：(a) 100km單跨段光纖實(shí)物圖;(b) 光纖截面照片。注：圖中+/- n代表OAM模式的階數(shù);X,Y分別代表每個(gè)OAM模式的兩個(gè)正交偏振態(tài);|n|代表包含+/- n OAM模式的模式組階數(shù)。

圖片來(lái)源：中國(guó)激光微信公眾號(hào)

  團(tuán)隊(duì)基于上述新系統(tǒng)架構(gòu)和新型OAM環(huán)芯光纖開展大容量長(zhǎng)距離光信息傳輸實(shí)驗(yàn)，首次成功實(shí)現(xiàn)了單跨無(wú)中繼100 km OAM光纖通信鏈路。在該鏈路上僅使用兩個(gè)4x4 MIMO均衡模塊實(shí)現(xiàn)了8個(gè)OAM模式信道的模分復(fù)用，每個(gè)模式信道同時(shí)傳輸了10路與現(xiàn)有光纖通信技術(shù)完全兼容的波分復(fù)用/偏振復(fù)用/正交相位調(diào)制(QPSK)光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了單光纖80路光信號(hào)的并行傳輸，達(dá)到了2.56 Tbit/s的總傳輸容量、10.24 bit/(s·Hz) 的頻譜效率和高達(dá)256 (Tbit/s)·km的容量-距離乘積，為目前OAM光纖通信的最高紀(jì)錄。

  隨著低損耗、超低串?dāng)_軌道角動(dòng)量光纖的提出，基于超低模組間串?dāng)_和模塊化4*4MIMO的軌道角動(dòng)量模式復(fù)用技術(shù)已在提升單纖容量方面展示出巨大潛力，是下一代新型光通信系統(tǒng)的優(yōu)選方案。