模分復用技術(shù)：從集成光子芯片到光纖傳輸

  上海交通大學(xué)杜江兵研究員、何祖源教授團隊在Chinese Optics Letters 2021年第19卷第9期上(J. Du, et al., Mode division multiplexing: from photonic integration to optical fiber transmission)發(fā)表了一篇綜述文章，綜述了近期模分復用技術(shù)從光子集成互連到光纖通信應用的研究進(jìn)展。

  模分復用(MDM)技術(shù)

  模分復用(MDM)技術(shù)，是指具有不同路徑和模場(chǎng)分布、攜帶不同信息的多個(gè)正交模式，在同一多模光波導中共同傳播的技術(shù)。模分復用概念的首次提出可以追溯到約40年前。近年來(lái)，由于光纖通信容量與集成光子領(lǐng)域的摩爾定律演進(jìn)在日益增長(cháng)的需求面前逐漸接近瓶頸，模分復用技術(shù)又重新受到眾多關(guān)注。線(xiàn)偏振模式的模分復用系統(LP-MDM)是相對單模系統來(lái)說(shuō)更容易平穩過(guò)渡到多模系統的解決方案，LP-MDM包括弱耦合MDM和強耦合MDM，其中弱耦合MDM無(wú)需多入多出(MIMO)器件具有低成本的優(yōu)勢，更適用于短距互連場(chǎng)景，而對于長(cháng)距離通信，強耦合MDM具有更低的非線(xiàn)性，且MIMO復雜度也可進(jìn)一步降低，是更合適的選擇。此外，軌道角動(dòng)量(OAM)MDM具有更高的可擴展性，可用于超大容量傳輸鏈路。

模分復用集成光通信傳輸系統的示意圖

  光子集成芯片中的MDM技術(shù)

  與傳統微電子領(lǐng)域的摩爾定律不同，光子集成芯片(PIC)的器件密度受限于光波的本征特性，即波長(cháng)尺寸無(wú)法做到像電子器件一般緊湊密集。因此，PIC的集成密度存在難以突破的瓶頸。為了打破這個(gè)瓶頸，在PIC中采用MDM技術(shù)能夠實(shí)現在一個(gè)多模波導中傳播多個(gè)模式進(jìn)而提升信道密度。MDM光子集成芯片中，片上光波導進(jìn)行多模信號的產(chǎn)生、調制、交換與處理的關(guān)鍵器件包括：芯片與光纖耦合的多模光接口、多模無(wú)源器件(如彎曲、交叉、功率分束器、模式復用器等)和多模有源器件(如光開(kāi)關(guān))。目前，片上MDM的模式通道數最多為12個(gè)，而如何降低更高階模式復用效率對加工誤差的敏感性是更高階模式復用技術(shù)得以應用的關(guān)鍵挑戰。多模無(wú)源器件如：光接口、彎曲和交叉，還較難實(shí)現支持多于6個(gè)模式的高性能器件。更多模式數、更低損耗和模間串擾、更普適的多模設計，仍是多模器件今后的研究趨勢和難點(diǎn)。此外，具有優(yōu)化的交換網(wǎng)絡(luò )結構和緊湊的系統尺寸的多模光開(kāi)關(guān)，也是大規模MDM光子集成互連的關(guān)鍵挑戰之一。研究發(fā)現，將2到6個(gè)模式的MDM系統與波分復用相結合可以有效提升整個(gè)通信系統的傳輸容量，這也是未來(lái)MDM的發(fā)展趨勢。

  光纖通信中的MDM技術(shù)

  近50年來(lái)，光纖通信在經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器、波分復用技術(shù)、先進(jìn)調制編碼、數字信號處理等技術(shù)的升級革新后，傳統單模光纖的傳輸容量已逐漸逼近極限，空分復用(也包括最關(guān)鍵的模分復用)已成為維持光纖通信容量繼續沿摩爾定律演進(jìn)最具競爭力的解決方案。近年來(lái)，關(guān)于MDM光纖傳輸系統的研究，在少模光纖、全光纖模式復用器、少模光纖放大器以及MDM光纖傳輸鏈路等領(lǐng)域都取得了眾多成果。研究發(fā)現，一種逆向設計的方法，具有高準確率、高效率、低復雜度、計算速度快和可重復利用的優(yōu)點(diǎn)，可用來(lái)設計弱耦合少模光纖(FMF)。此外，少模光纖放大器在長(cháng)距離MDM傳輸中具有舉足輕重的地位，分布式拉曼放大器(DRA)可降低模式差分增益、提供更靈活、可定制的少模放大設計。更大容量和更長(cháng)距離一直是MDM傳輸不變的目標，將多芯光纖和波分復用技術(shù)與MDM結合，是面向下一代超大容量光纖通信強有力的技術(shù)路線(xiàn)。

  MDM系統的具體實(shí)施需根據實(shí)際應用進(jìn)行適配。對于光子集成芯片，MDM器件的實(shí)現仍舊依賴(lài)傳統工藝流程的穩定性能，而最關(guān)鍵的問(wèn)題在于芯片與光纖之間的光耦合接口，其受集成光波導與光纖之間顯著(zhù)的模場(chǎng)失配限制，較難實(shí)現高效耦合。對于光纖傳輸系統，MDM的配置有兩種方式：一是采用一個(gè)全新的完全匹配MDM的多模傳輸系統，二是維持單模光纖的輸入輸出同時(shí)能實(shí)現多模功能的子系統，從而更好地與傳統單模系統進(jìn)行匹配?？紤]到穩定性的問(wèn)題，采用弱耦合少模光纖的無(wú)MIMO短距傳輸系統是目前來(lái)看更可行性的方案。因此，將集成光收發(fā)模塊與基于弱耦合少模光纖和少模光纖放大器的有源光纜相結合，可能會(huì )成為未來(lái)MDM光通信系統應用的趨勢。綜上所述，不論是芯片級短距互連，還是長(cháng)距通信，MDM技術(shù)都已經(jīng)成為光纖通信系統克服容量瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)方案。對于集成光子芯片和光纖傳輸系統來(lái)說(shuō)，MDM器件及系統在實(shí)際應用之前仍面臨著(zhù)眾多挑戰。譬如：如何增加模式復用通道數，降低每個(gè)模式通道的平均成本，并提高M(jìn)DM與單模系統的兼容性。未來(lái)，還需要更多關(guān)于MDM的突破性研究，來(lái)引領(lǐng)光纖通信容量的發(fā)展沿著(zhù)摩爾定律繼續前進(jìn)。

  科學(xué)編輯 | 杜江兵 上海交通大學(xué)

  編輯 | 劉校榮