長飛與中山大學(xué)聯(lián)合團隊刷新軌道角動量光纖單跨無中繼傳輸記錄

  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、余思遠教授團隊聯(lián)合長飛光纖光纜股份有限公司(以下簡稱“長飛公司”，股票代碼：601869.SH、06869.HK)首次報道了100千米距離軌道角動量(OAM)單跨無中繼光纖通信系統(tǒng)實驗，相關(guān)的研究成果發(fā)表在Photonics Research(中國科學(xué)院主管的中國光學(xué)期刊)2020年第7期，并被OSA(美國光學(xué)學(xué)會)選為Spotlight on Optics(光學(xué)方面的前沿聚焦點)。

  隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展，使得當前信息化社會對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求達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，可能在未來不遠的時間達到可以預(yù)見的“帶寬耗盡”，因此空分復(fù)用應(yīng)運而生。

  空分復(fù)用是指通過一根光纖建立多個可以分區(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，但其實際衰耗仍然較高;少模光纖由于其低損耗、拉制簡單、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?；谏倌９饫w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。

  光子軌道角動量(以下簡稱“OAM”)光纖是少模光纖中的一種，基于OAM模式實現(xiàn)單光纖模分復(fù)用多信道傳輸是近年提出的大幅度擴充光纖通信信息容量的新方法，在科技部“國家重點研發(fā)計劃”項目“可擴展超大容量新型空分模分復(fù)用光纖通信技術(shù)研究”(項目號：2018YBF1801800)的支持下，長飛公司沈磊博士及其團隊基于公司獨具優(yōu)勢的PCVD工藝，研發(fā)并制備了低衰減的長距離環(huán)形芯OAM光纖，OAM光纖的基模衰減最低可達0.198dB/km，是OAM光纖領(lǐng)域的世界紀錄。

  項目團隊同時利用新型超低模間串擾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)良的可擴展性和實用性。

圖1：基于新型低損耗、超低串擾OAM環(huán)芯光纖的高可擴展模分復(fù)用通信系統(tǒng)示意圖。插圖：(a) 100km單跨段光纖實物圖;(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OAM模式的兩個正交偏振態(tài);|n|代表包含+/- n OAM模式的模式組階數(shù)。

圖片來源：中國激光微信公眾號

  團隊基于上述新系統(tǒng)架構(gòu)和新型OAM環(huán)芯光纖開展大容量長距離光信息傳輸實驗，首次成功實現(xiàn)了單跨無中繼100 km OAM光纖通信鏈路。在該鏈路上僅使用兩個4x4 MIMO均衡模塊實現(xiàn)了8個OAM模式信道的模分復(fù)用，每個模式信道同時傳輸了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，從而實現(xiàn)了單光纖80路光信號的并行傳輸，達到了2.56 Tbit/s的總傳輸容量、10.24 bit/(s·Hz) 的頻譜效率和高達256 (Tbit/s)·km的容量-距離乘積，為目前OAM光纖通信的最高紀錄。

  隨著低損耗、超低串擾軌道角動量光纖的提出，基于超低模組間串擾和模塊化4*4MIMO的軌道角動量模式復(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。