前沿进展 | 轨道角动量光纤通信容量突破1 Pbit/s里程碑

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，中山大学电子与信息工程学院、光电材料与技术国家重点实验室刘洁、余思远课题组与长飞光纤光缆有限公司、光纤光缆制备技术国家重点实验室沈磊课题组、北京理工大学高然、忻向军课题组合作，自行设计研制了世界首根多芯环芯光纤并首次演示了1.2 Pbit/s超大容量轨道角动量（OAM）空分复用（SDM）数据传输，为下一代光纤通信系统提供了以低成本、低功耗扩容的有效方案。相关成果以“1-Pbps Orbital Angular Momentum Fibre-optic Transmission”为题于2022年7月5日在线发表在Light: Science and Applications上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

随着现有单模光纤通信系统传输容量逐渐趋近于其“非线性香农极限”，利用光纤横截面空间/模式维度的SDM技术近年来展现出巨大的扩容潜力。但已报道的各种SDM方案面临一个重要扩容瓶颈，即随着光纤中纤芯数和每纤芯模式信道数的增加，众多信道间的耦合串扰导致接收端MIMO补偿算法复杂度呈平方律增长，造成其数字信号处理模块的成本和功耗增长速度超过信息量增长速度，因而单位信息量成本和能耗可能不降反增。

为克服这一瓶颈，这些方案需使用直径较大的光纤，以在增加纤芯数量的同时仍保持芯间距以确保芯间低串扰，从而降低MIMO复杂度。但直径大于200 μm的光纤拉制、熔接及使用寿命均构成严峻的工程挑战。同时，多芯少模光纤的多空间/模式信道的并行发射和分离（即复用和解复用）涉及复杂的轴外光场模式转换，也是尚待解决的难题。

03 研究创新点

为了突破上述瓶颈，研究团队利用环芯光纤中OAM模式特殊的分组特性，结合OAM模式发射仅需角向相位调控的特点，提出了一种创新的OAM- SDM方案。团队设计了具有离轴相位补偿的7通道相位调控板（图案如图1b所示），在自研的国际首根7环芯OAM光纤（图1c和1d）中同时实现了多个纤芯之间以及纤芯内部多个非简并模式信道组之间的低串扰发射和传输。

图1 a. Pbit/s量级传输系统复用架构示意图; b. 7芯OAM模式螺旋相位板图案；c. 7芯OAM光纤端面；d. 单个纤芯折射率剖面参数; e. 收敛后的4 × 4时域MIMO均衡抽头权重绝对值；f. 经过34 km光纤传输后的所有24960信道的测试误码率该方案仅需要固定规模的4 × 4低复杂度MIMO算法来补偿OAM模式组内部4个简并模式之间的串扰，极大地降低了接收端MIMO复杂度且首次实现了MIMO复杂度不随通信容量增加；同时复用信道数量的扩展可以通过增加每纤芯中模式组数量而非纤芯的数量来实现，从而保证了光纤总直径小于200 μm（如图1c所示7芯OAM光纤直径为180 μm）。团队基于这一创新方案，结合C + L波段密集波分复用（DWDM）技术（总复用架构如图1a所示），实现了单根光纤内24960个数据信道的34 km传输（所有传输信道测试误码率见图1f），总（净）容量达1.223 (1.02) Pbit/s, 频谱效率达156.8 (130.7) bit/s /Hz，且4 × 4时域MIMO均衡模块的抽头数量不超过25个（如图1e所示）。该团队成功实现的首个Pbit/s量级OAM复用光纤传输系统实验演示，不仅MIMO复杂度最低且首次实现复杂度不随容量增加，并且也是光纤半径第二小的多芯少模光纤SDM传输系统。

04 总结与展望

基于光子轨道角动量的光信息技术是近年来一个重要的光学研究前沿。本成果利用环芯光纤中OAM模式的传输和调控特性，实现了多芯OAM光纤系统中纤芯间、纤芯内部模式组信道之间的同时低串扰发射和传输，进一步实现了低复杂度、可拓展的Pbit/s量级超大容量OAM复用光纤数据传输，为解决SDM光纤通信技术研究面临的大通信容量、低MIMO复杂度和小光纤直径不可兼得的主要矛盾、从而实现下一代光纤通信系统以低成本、低能耗扩容提供了有效解决方案。

中山大学博士研究生刘君艺、张景行为共同第一作者，刘洁副教授和余思远教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、广东省重点研发项目、广东省珠江人才计划本土创新科研团队项目等的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-022-00889-3

推荐阅读：

编辑 | 方紫璇

END

由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：

1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）
2. 多给我们点“在看”

欢迎爆料

新闻线索、各类投稿、观点探讨、故事趣事

留言/邮件，我来让你/事红

爆料请联系：[e-mail]

点在看联系更紧密