面向数据中心互连通信的环芯光纤模分复用系统关键技术研究

Mode-division multilplexing (MDM) is considered as one of promising solutions to increase the capacity per wavelength in a single optical fiber for next-generation data center interconnections. Compared with the multimode or few-mode fiber (MMF/FMF) based MDM systems, ring-core fiber (RCF) based MDM systems performs better scalability in the fiber mode space as well as lower mode dependent gain in the optical fiber amplification. However, various challenges including larger fiber attenuation and modal crosstalks, lower coupling efficiency of free-space optical beams, as well as unoptimized system impairment compensations, etc., lay before the RCF-MDM schemes. To address these problems, a four-year project on RCF-MDM systems with high capacity density, low fiber attenuation and low digital signal processing (DSP) complexity is proposed. In this project, an optimized micro-bending model will be theoretically analyzed, high-performance RCF as well as the all-fiber weakly fused mode (de)multiplexer will be designed, and system impairment compensation methods will be studied for RCF channel. The abovementioned model, design and method will then be experimentally investigated and evaluated in RCF-MDM data transmission systems.

面对下一代数据中心互连通信对单光纤、单波长容量提升的迫切需求，模分复用技术表现出巨大的扩容潜力。相对于现有多模/少模光纤模分复用系统，环芯光纤模分复用系统表现出更好的高阶模式扩展特性及多模光纤放大性能，但也面临着光纤损耗及模间串扰大、自由空间光束耦合效率低、系统损伤补偿性能尚不优化等一系列实际问题。针对以上问题，本项目从环芯光纤的径向限制结构特点出发，在理论、光纤/器件、系统三个层面展开研究，优化环芯光纤随机微扰传输模型，揭示环芯光纤设计参数与其成品光纤性能的关联；设计并优化不同应用场景下的环芯光纤，以及无需自由空间光束耦合的高性能熔锥光纤模式（解）复用器；研究环芯光纤径向限制特点下的关键系统损伤补偿方法，最终搭建实验平台，对上述研究内容进行验证和评估。本项目旨在实现大容量密度、低损耗、低复杂度、与现有单模光收发机兼容度高的环芯光纤模分复用系统，为下一代数据中心互连通信的升级提供参考依据。

面对下一代数据中心互连通信对单光纤、单波长容量提升的迫切需求，空分（含模分）复用技术表现出巨大的扩容潜力。相对于现有少模光纤空分复用系统，环芯光纤空分复用系统表现出更好的高阶模式扩展特性及多模光纤放大性能，但也面临着光纤损耗及模间串扰大、复用模块拓展性有限、系统损伤补偿性能尚不优化等一系列实际问题。针对以上问题，本项目从环芯光纤的径向限制结构特点出发，在理论、光纤/器件、系统三个层面展开研究。理论层面，提出环芯光纤径向折射率调制新方法，同时提出模块化MIMO通信系统架构。光纤/器件层面，完成低损耗、低串扰环芯光纤的设计和研制，并设计了具有离轴相位补偿的7通道模式转换相位板，针对7环芯OAM光纤实现了纤芯间以及纤芯内部模式组之间的同时低串扰激发和复用。系统层面，提出非线性频域均衡和自适应比特功率加载相结合的算法，实现短距离模式组复用通信系统的传输性能改进，同时完成大容量、长距离OAM模分或空分复用系统的演示，最高传输容量可达1.2 Pbit/s，最长传输距离可达100 km，仅需要低复杂度4×4 多入多出（MIMO）均衡处理，从而验证了新型光纤、复用技术以及通信架构的可行性，为下一代数据中心互连通信的升级提供了技术储备。