長飛與中山大學聯(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，中山大學電子與信息工程學院劉潔副教授、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，相關的研究成果發(fā)表在Photonics Research(中國科學院主管的中國光學期刊)2020年第7期，并被OSA(美國光學學會)選為Spotlight on Optics(光學方面的前沿聚焦點)。

  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限制，可能在未來不遠的時間達到可以預見的“帶寬耗盡”，因此空分復用應運而生。

  空分復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)信道的復用技術，可以成倍地提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，是構建未來光網(wǎng)絡的關鍵技術之一。目前可支持空分復用的光纖主要有：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、熔接效率高和適應各種復雜外界環(huán)境的特征而成為空分復用應用領域的熱點?；谏倌?A href="http://m.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">光纖的空分復用技術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用光纖通信技術研究”(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模分復用系統(tǒng)新架構。該架構單位傳輸容量的均衡算法復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模式信道的模分復用，每個模式信道同時傳輸了10路與現(xiàn)有光纖通信技術完全兼容的波分復用/偏振復用/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用技術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。