面向弱耦合模分复用通信系统的全光纤型模式选择复用/解复用器的理论与实验研究

The weakly-coupled mode division multiplexing (MDM) system, which employs weakly-coupled few mode transmission fiber and mode multiplexer/demultiplexer that intrinsically has mode selectivity, needs MIMO-free process at receiver and can integrate the transmitting/receiving module, reduce the optical fibers in data center, increase the routing recourse in the network and decrease the cost and power consumption. It can be widely used in the short-reach access network and data center. However, in the current weakly-coupled MDM systems, we still cannot use all-fiber multiplexer/demultiplexer to multiplex/demultiplex the eigenmodes in asymmetric structure weakly-coupled optical fiber. Targeting this bottleneck problem, in this project, we creatively propose a new photonics lantern with asymmetric structure which can realize the all-fiber mode multiplexing/demultiplexing in weakly-coupled few mode fiber with low insertion loss, low crosstalk. The project plans to theoretically investigate the mode propagating mechanism in asymmetric structure photonics lantern, build up the simulation systems and design-fabricate-test the asymmetric structure mode selective photonics lanterns. By using the fabricated device, the project targets to finish the weakly-coupled MDM transmission experiment with more than six modes. The relevant theories and experiment achievements can highly promote the development of weakly-coupled MDM transmission systems and theoretically and technically provide strong support to the research of multi-dimension high capacity optical communication network.

弱耦合模分复用通信系统采用弱耦合少模传输光纤和具有选模特性的模式复用解复用器，不需要复杂的接收端MIMO-DSP算法，可提高发送接收模块的集成度，减少数据中心的光纤数量，增加网络路由资源，降低系统的成本和功耗。在短距离接入网络和数据中心中具有广泛的应用前景。然而，当前弱耦合模分复用系统中的非对称结构弱耦合少模传输光纤中本征模式仍然无法进行全光纤化复用和解复用。本项目针对这一瓶颈问题，创新性提出采用非对称结构的新型光子灯笼实现弱耦合光纤中模式的低损耗、低串扰、全光纤化复用解复用。项目预计研究非对称结构光子灯笼的模式传输理论机制，建立数值仿真平台，完成非对称结构选模光子灯笼的设计、制作和测试，并基于该器件进行6模以上的弱耦合模分复用传输实验。相关理论和实验成果能够促进弱耦合模分复用传输系统的快速发展，为多维度大容量光通信网络的研究提供强有力的理论和技术支撑。

本项目建立了少模光纤和光子灯笼的模场演变理论模型，基于该模型进行了面向多种应用的光子灯笼设计与制备。针对短距离光接入网和数据中心中弱耦合模分复用光纤通信系统的需求，设计制备了匹配弱耦合椭圆芯少模光纤的非对称椭圆光子灯笼和匹配弱耦合轨道角动量少模光纤的轨道角动量光子灯笼器件。基于所制备的光子灯笼器件开展了6模式的模分复用光纤传输实验，对106Gbps的双偏振QPSK调制信号、60Gbps的单偏振16QAM调制信号、28Gbps的单偏振PAM8信号进行了1km的弱耦合模分复用传输。平均误码率均低于1E-3。面向空天地一体化网络中的星地激光传输和地面应急通信等大气激光通信需求，针对大气湍流导致大气激光通信容量和可用度难以提升的问题，提出基于光子灯笼模式分集的大气湍流补偿方法，设计制备了用于模式分集接收的模式数不匹配多模光子灯笼，提升空间至光纤耦合效率，降低耦合损耗。基于课题研制的光子灯笼，开展了20Gbps 单偏振QPSK调制信号的大气湍流传输桌面演示实验研究，实验结果表明，相比单模光纤接收，采用模式分集在不同湍流强度下均可以有效增加无误码传输的概率。.本项目研究过程中发表SCI论文14篇，国际会议论文1篇，其中包括1篇中科院分区1区期刊和6篇2区期刊，获得授权专利5项，其中一项实现了成果转让。项目培养博士研究生4人，硕士研究生5人，1人晋升高级职称。为大容量、高集成度、低功耗、低成本的光接入网和空天地一体化网络发展提供理论、人才和技术储备。