模分復用技術：從集成光子芯片到光纖傳輸

  上海交通大學杜江兵研究員、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從光子集成互連到光纖通信應用的研究進展。

  模分復用(MDM)技術

  模分復用(MDM)技術，是指具有不同路徑和模場分布、攜帶不同信息的多個正交模式，在同一多模光波導中共同傳播的技術。模分復用概念的首次提出可以追溯到約40年前。近年來，由于光纖通信容量與集成光子領域的摩爾定律演進在日益增長的需求面前逐漸接近瓶頸，模分復用技術又重新受到眾多關注。線偏振模式的模分復用系統(tǒng)(LP-MDM)是相對單模系統(tǒng)來說更容易平穩(wěn)過渡到多模系統(tǒng)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景，而對于長距離通信，強耦合MDM具有更低的非線性，且MIMO復雜度也可進一步降低，是更合適的選擇。此外，軌道角動量(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(tǒng)的示意圖

  光子集成芯片中的MDM技術

  與傳統(tǒng)微電子領域的摩爾定律不同，光子集成芯片(PIC)的器件密度受限于光波的本征特性，即波長尺寸無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。為了打破這個瓶頸，在PIC中采用MDM技術能夠?qū)崿F(xiàn)在一個多模波導中傳播多個模式進而提升信道密度。MDM光子集成芯片中，片上光波導進行多模信號的產(chǎn)生、調(diào)制、交換與處理的關鍵器件包括：芯片與光纖耦合的多模光接口、多模無源器件(如彎曲、交叉、功率分束器、模式復用器等)和多模有源器件(如光開關)。目前，片上MDM的模式通道數(shù)最多為12個，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得以應用的關鍵挑戰(zhàn)。多模無源器件如：光接口、彎曲和交叉，還較難實現(xiàn)支持多于6個模式的高性能器件。更多模式數(shù)、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。此外，具有優(yōu)化的交換網(wǎng)絡結(jié)構和緊湊的系統(tǒng)尺寸的多模光開關，也是大規(guī)模MDM光子集成互連的關鍵挑戰(zhàn)之一。研究發(fā)現(xiàn)，將2到6個模式的MDM系統(tǒng)與波分復用相結(jié)合可以有效提升整個通信系統(tǒng)的傳輸容量，這也是未來MDM的發(fā)展趨勢。

  光纖通信中的MDM技術

  近50年來，光纖通信在經(jīng)過摻鉺光纖放大器、波分復用技術、先進調(diào)制編碼、數(shù)字信號處理等技術的升級革新后，傳統(tǒng)單模光纖的傳輸容量已逐漸逼近極限，空分復用(也包括最關鍵的模分復用)已成為維持光纖通信容量繼續(xù)沿摩爾定律演進最具競爭力的解決方案。近年來，關于MDM光纖傳輸系統(tǒng)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光纖傳輸鏈路等領域都取得了眾多成果。研究發(fā)現(xiàn)，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，可用來設計弱耦合少模光纖(FMF)。此外，少模光纖放大器在長距離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與MDM結(jié)合，是面向下一代超大容量光纖通信強有力的技術路線。

  MDM系統(tǒng)的具體實施需根據(jù)實際應用進行適配。對于光子集成芯片，MDM器件的實現(xiàn)仍舊依賴傳統(tǒng)工藝流程的穩(wěn)定性能，而最關鍵的問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的模場失配限制，較難實現(xiàn)高效耦合。對于光纖傳輸系統(tǒng)，MDM的配置有兩種方式：一是采用一個全新的完全匹配MDM的多模傳輸系統(tǒng)，二是維持單模光纖的輸入輸出同時能實現(xiàn)多模功能的子系統(tǒng)，從而更好地與傳統(tǒng)單模系統(tǒng)進行匹配?？紤]到穩(wěn)定性的問題，采用弱耦合少模光纖的無MIMO短距傳輸系統(tǒng)是目前來看更可行性的方案。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，可能會成為未來MDM光通信系統(tǒng)應用的趨勢。綜上所述，不論是芯片級短距互連，還是長距通信，MDM技術都已經(jīng)成為光纖通信系統(tǒng)克服容量瓶頸的關鍵技術方案。對于集成光子芯片和光纖傳輸系統(tǒng)來說，MDM器件及系統(tǒng)在實際應用之前仍面臨著眾多挑戰(zhàn)。譬如：如何增加模式復用通道數(shù)，降低每個模式通道的平均成本，并提高MDM與單模系統(tǒng)的兼容性。未來，還需要更多關于MDM的突破性研究，來引領光纖通信容量的發(fā)展沿著摩爾定律繼續(xù)前進。

  科學編輯 | 杜江兵 上海交通大學

  編輯 | 劉校榮