模分复用技术：从集成光子芯片到光纤传输

  上海交通大学杜江兵研究员、何祖源教授团队在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)发表了一篇综述文章，综述了近期模分复用技术从光子集成互连到光纤通信应用的研究进展。

  模分复用(MDM)技术

  模分复用(MDM)技术，是指具有不同路径和模场分布、携带不同信息的多个正交模式，在同一多模光波导中共同传播的技术。模分复用概念的首次提出可以追溯到约40年前。近年来，由于光纤通信容量与集成光子领域的摩尔定律演进在日益增长的需求面前逐渐接近瓶颈，模分复用技术又重新受到众多关注。线偏振模式的模分复用系统(LP-MDM)是相对单模系统来说更容易平稳过渡到多模系统的解决方案，LP-MDM包括弱耦合MDM和强耦合MDM，其中弱耦合MDM无需多入多出(MIMO)器件具有低成本的优势，更适用于短距互连场景，而对于长距离通信，强耦合MDM具有更低的非线性，且MIMO复杂度也可进一步降低，是更合适的选择。此外，轨道角动量(OAM)MDM具有更高的可扩展性，可用于超大容量传输链路。

模分复用集成光通信传输系统的示意图

  光子集成芯片中的MDM技术

  与传统微电子领域的摩尔定律不同，光子集成芯片(PIC)的器件密度受限于光波的本征特性，即波长尺寸无法做到像电子器件一般紧凑密集。因此，PIC的集成密度存在难以突破的瓶颈。为了打破这个瓶颈，在PIC中采用MDM技术能够实现在一个多模波导中传播多个模式进而提升信道密度。MDM光子集成芯片中，片上光波导进行多模信号的产生、调制、交换与处理的关键器件包括：芯片与光纤耦合的多模光接口、多模无源器件(如弯曲、交叉、功率分束器、模式复用器等)和多模有源器件(如光开关)。目前，片上MDM的模式通道数最多为12个，而如何降低更高阶模式复用效率对加工误差的敏感性是更高阶模式复用技术得以应用的关键挑战。多模无源器件如：光接口、弯曲和交叉，还较难实现支持多于6个模式的高性能器件。更多模式数、更低损耗和模间串扰、更普适的多模设计，仍是多模器件今后的研究趋势和难点。此外，具有优化的交换网络结构和紧凑的系统尺寸的多模光开关，也是大规模MDM光子集成互连的关键挑战之一。研究发现，将2到6个模式的MDM系统与波分复用相结合可以有效提升整个通信系统的传输容量，这也是未来MDM的发展趋势。

  光纤通信中的MDM技术

  近50年来，光纤通信在经过掺铒光纤放大器、波分复用技术、先进调制编码、数字信号处理等技术的升级革新后，传统单模光纤的传输容量已逐渐逼近极限，空分复用(也包括最关键的模分复用)已成为维持光纤通信容量继续沿摩尔定律演进最具竞争力的解决方案。近年来，关于MDM光纤传输系统的研究，在少模光纤、全光纤模式复用器、少模光纤放大器以及MDM光纤传输链路等领域都取得了众多成果。研究发现，一种逆向设计的方法，具有高准确率、高效率、低复杂度、计算速度快和可重复利用的优点，可用来设计弱耦合少模光纤(FMF)。此外，少模光纤放大器在长距离MDM传输中具有举足轻重的地位，分布式拉曼放大器(DRA)可降低模式差分增益、提供更灵活、可定制的少模放大设计。更大容量和更长距离一直是MDM传输不变的目标，将多芯光纤和波分复用技术与MDM结合，是面向下一代超大容量光纤通信强有力的技术路线。

  MDM系统的具体实施需根据实际应用进行适配。对于光子集成芯片，MDM器件的实现仍旧依赖传统工艺流程的稳定性能，而最关键的问题在于芯片与光纤之间的光耦合接口，其受集成光波导与光纤之间显著的模场失配限制，较难实现高效耦合。对于光纤传输系统，MDM的配置有两种方式：一是采用一个全新的完全匹配MDM的多模传输系统，二是维持单模光纤的输入输出同时能实现多模功能的子系统，从而更好地与传统单模系统进行匹配。考虑到稳定性的问题，采用弱耦合少模光纤的无MIMO短距传输系统是目前来看更可行性的方案。因此，将集成光收发模块与基于弱耦合少模光纤和少模光纤放大器的有源光缆相结合，可能会成为未来MDM光通信系统应用的趋势。综上所述，不论是芯片级短距互连，还是长距通信，MDM技术都已经成为光纤通信系统克服容量瓶颈的关键技术方案。对于集成光子芯片和光纤传输系统来说，MDM器件及系统在实际应用之前仍面临着众多挑战。譬如：如何增加模式复用通道数，降低每个模式通道的平均成本，并提高MDM与单模系统的兼容性。未来，还需要更多关于MDM的突破性研究，来引领光纤通信容量的发展沿着摩尔定律继续前进。

  科学编辑 | 杜江兵 上海交通大学

  编辑 | 刘校荣