模分復(fù)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(tuán)隊(duì)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(fù)用技術(shù)從光子集成互連到光纖通信應(yīng)用的研究進(jìn)展。

  模分復(fù)用(MDM)技術(shù)

  模分復(fù)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(dǎo)中共同傳播的技術(shù)。模分復(fù)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(zhǎng)的需求面前逐漸接近瓶頸，模分復(fù)用技術(shù)又重新受到眾多關(guān)注。線偏振模式的模分復(fù)用系統(tǒng)(LP-MDM)是相對(duì)單模系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更容易平穩(wěn)過(guò)渡到多模系統(tǒng)的解決方案，LP-MDM包括弱耦合MDM和強(qiáng)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(shì)，更適用于短距互連場(chǎng)景，而對(duì)于長(zhǎng)距離通信，強(qiáng)耦合MDM具有更低的非線性，且MIMO復(fù)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(kuò)展性，可用于超大容量傳輸鏈路。

模分復(fù)用集成光通信傳輸系統(tǒng)的示意圖

  光子集成芯片中的MDM技術(shù)

  與傳統(tǒng)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(zhǎng)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?qū)崿F(xiàn)在一個(gè)多模波導(dǎo)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(dǎo)進(jìn)行多模信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)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(fù)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(shù)最多為12個(gè)，而如何降低更高階模式復(fù)用效率對(duì)加工誤差的敏感性是更高階模式復(fù)用技術(shù)得以應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。多模無(wú)源器件如：光接口、彎曲和交叉，還較難實(shí)現(xiàn)支持多于6個(gè)模式的高性能器件。更多模式數(shù)、更低損耗和模間串?dāng)_、更普適的多模設(shè)計(jì)，仍是多模器件今后的研究趨勢(shì)和難點(diǎn)。此外，具有優(yōu)化的交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和緊湊的系統(tǒng)尺寸的多模光開(kāi)關(guān)，也是大規(guī)模MDM光子集成互連的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。研究發(fā)現(xiàn)，將2到6個(gè)模式的MDM系統(tǒng)與波分復(fù)用相結(jié)合可以有效提升整個(gè)通信系統(tǒng)的傳輸容量，這也是未來(lái)MDM的發(fā)展趨勢(shì)。

  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(fù)用技術(shù)、先進(jìn)調(diào)制編碼、數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)的升級(jí)革新后，傳統(tǒng)單模光纖的傳輸容量已逐漸逼近極限，空分復(fù)用(也包括最關(guān)鍵的模分復(fù)用)已成為維持光纖通信容量繼續(xù)沿摩爾定律演進(jìn)最具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。近年來(lái)，關(guān)于MDM光纖傳輸系統(tǒng)的研究，在少模光纖、全光纖模式復(fù)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(xiàn)，一種逆向設(shè)計(jì)的方法，具有高準(zhǔn)確率、高效率、低復(fù)雜度、計(jì)算速度快和可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)，可用來(lái)設(shè)計(jì)弱耦合少模光纖(FMF)。此外，少模光纖放大器在長(zhǎng)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(shè)計(jì)。更大容量和更長(zhǎng)距離一直是MDM傳輸不變的目標(biāo)，將多芯光纖和波分復(fù)用技術(shù)與MDM結(jié)合，是面向下一代超大容量光纖通信強(qiáng)有力的技術(shù)路線。

  MDM系統(tǒng)的具體實(shí)施需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行適配。對(duì)于光子集成芯片，MDM器件的實(shí)現(xiàn)仍舊依賴傳統(tǒng)工藝流程的穩(wěn)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(dǎo)與光纖之間顯著的模場(chǎng)失配限制，較難實(shí)現(xiàn)高效耦合。對(duì)于光纖傳輸系統(tǒng)，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(tǒng)，二是維持單模光纖的輸入輸出同時(shí)能實(shí)現(xiàn)多模功能的子系統(tǒng)，從而更好地與傳統(tǒng)單模系統(tǒng)進(jìn)行匹配。考慮到穩(wěn)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(tǒng)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(jié)合，可能會(huì)成為未來(lái)MDM光通信系統(tǒng)應(yīng)用的趨勢(shì)。綜上所述，不論是芯片級(jí)短距互連，還是長(zhǎng)距通信，MDM技術(shù)都已經(jīng)成為光纖通信系統(tǒng)克服容量瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)方案。對(duì)于集成光子芯片和光纖傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，MDM器件及系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用之前仍面臨著眾多挑戰(zhàn)。譬如：如何增加模式復(fù)用通道數(shù)，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(tǒng)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)展沿著摩爾定律繼續(xù)前進(jìn)。

  科學(xué)編輯 | 杜江兵 上海交通大學(xué)

  編輯 | 劉校榮