封面 | 基于模式复用技术，实现超大容量光纤传输
封面解析
封面上方所示为一根少模光纤，不同于传统的单模光纤，它能同时支持多个模式的传输，成倍提升通信容量。然而，模分复用带来机遇的同时也带来了挑战，模式间的串扰将会是一个严重的问题。需要借助先进的数字信号处理技术在接收端予以补偿，方可让通信既有“容量”又有“质量”。
导读
为了满足日益增长的数据需求，实现“超大容量、超长距离”通信，本文结合了波分复用，模式复用和偏振复用等三种复用技术，并在接收端采用MIMO-TDLMS与MIMO-FDLMS均衡解复用算法，最终实现了80通道两模式双偏振32GBaud 16QAM信号的后FEC无误码传输。
1.研究背景
随着互联网的不断发展以及大数据、云计算、人工智能等新技术的出现，人们对数据的需求量正呈指数级上升趋势，这需要一个强大的通信网络来支撑。
然而，传统的单模光纤传输系统迎来了危机——其容量已日益逼近理论香农极限。于是，基于少/多模光纤的模式复用（MDM）技术映入了学者们的眼帘，它能以模式为自由度同时独立传输多路信号，数倍提升系统容量。然而与此同时，MDM也会在系统中引入差分模式群时延，从而导致脉冲的叠加，形成码间串扰，严重损害通信质量。
得益于数字信号处理（DSP）技术的发展，在接收端采用先进的DSP算法可以有效降低噪声和串扰对系统的影响，保证通信的稳定进行。目前，国内对MDM系统的研究仍处于追赶国外的阶段。
2.少模光纤传输系统为了实现未来“超大容量、超长距离”通信的需求，复旦大学余建军教授团队搭建了一个基于少模光纤（FMF）的MDM长距离传输系统。该系统还结合了波分复用（WDM）和偏振复用技术（PDM），并在接收端采用了以多输入多输出（MIMO）均衡解复用算法为核心的DSP流程。实验采用的是能支持六个模式的强耦合渐变型FMF，其中LP11a和LP11b两个简并模被用于实际传输。
实验系统及DSP流程如图1所示。在发送端，两组外腔激光器生成共80路符合ITU-T标准的WDM光载波。随后，由Matlab生成16QAM数字基带信号并加载至任意波形发生器转换为电信号以驱动IQ调制器，并在之后分别对调制后的光载波进行PDM和MDM。
实验搭建了光纤环路来还原长距离传输时的情景，并由声光调制器（AOM）进行控制。在每段环路中，模式复用器将两路单模双偏振信号耦合到LP11a和LP11b两个简并模上，经过单跨50km的FMF传输后，模式解复用器将MDM信号重新解耦合成两路单模信号，以分别进行放大和补偿。如此循环进行，直至满足预设的传输距离。
在接收端，集成相干接收机（ICR）对WDM解复用后的信号进行零差检测，并由同步8 通道示波器捕获进行离线DSP，主要包含色散补偿，时钟恢复，基于时域和频域的MIMO均衡解复用算法，盲相位搜索和判决辅助的最小均方算法（DDLMS）。
本实验结合了3种复用技术，系统中的各种串扰是一个严重问题。每一路接收信号中都会包含其它路的信息，故需要将4路（两个模式×双偏振）接收数据放在一起进行均衡，从而恢复出每一路上的数据，完成解复用，符合MIMO模型的特征。时域MIMO-LMS算法的流程如图2所示，每路输入与输出信号之间训练了一个滤波器（共4×4=16个），来模拟它们之间的信道并消除串扰，滤波器系数用LMS算法进行更新。
实验结果表明（图3），在经过500/1000 km的FMF传输后，80通道的两模式双偏振32GBaud 16QAM信号分别能满足LDPC硬判决门限（3.8×10-3@7% HD-FEC）和软判决门限（4.2×10-2@25% SD-FEC），后者所实现的净速率为32×4×2×2×80/(1+0.25)=32.768Tbit/s，无论是传输距离还是系统容量，均属于国内FMF-MDM领域的领先水平。
本文演示了一个基于FMF的WDM-PDM-MDM传输系统，具有长距离、大容量的鲜明特点。在未来的工作中，复旦大学余建军教授团队将主要从以下两个方面进行提升——增加FMF中能有效利用的模式数，并采用更先进的DSP算法来尝试进行更远、更高阶调制格式的信号传输，为中国未来通信技术的发展贡献力量。科学编辑 | 雎洲; 余建军
编辑 | 张浩佳
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