光子轨道角动量光纤通信单跨无中继传输距离突破100千米

2020年7月1日,中山大学电子与信息工程学院刘洁副教授、余思远教授团队联合长飞光纤光缆股份有限公司首次报道了100千米距离轨道角动量(OAM)单跨无中继光纤通信系统实验,相关的研究成果在线发表于Photonics Research 2020年第7期,张俊威博士生为第一作者,刘洁副教授、余思远教授为论文共同通讯作者(Junwei Zhang, Junyi Liu, Lei Shen, et al. Mode-division multiplexed transmission of wavelength-division multiplexing signals over a 100-km single-span orbital angular momentum fiber[J]. Photonics Research, 2020, 8(7): 07001236)。

基于光子轨道角动量(OAM)模式实现单光纤模分复用多信道传输是近年提出的大幅度扩充光纤通信信息容量的新方法,在社会信息量持续以每十年百倍速率指数式增长、而现有光纤通信技术容量日趋饱和的形势下,对于保证未来信息网络继续可持续扩容具有重要意义。

项目团队基于自主创新的折射率梯度调制超低模间串扰光纤设计理论,由中山大学负责光纤设计、长飞光纤光缆股份有限公司负责进行光纤拉制,成功研制出单跨段长度100 km的新型低损耗、超低串扰轨道角动量(OAM)环芯光纤,突破了超低串扰模分复用光纤核心技术。

项目团队同时利用新型超低模间串扰OAM环芯光纤特殊的模式分群特性,提出了在接收端仅需要小规模(4x4)的模块化多入多出(MIMO)均衡算法即可实现多信道传输的OAM模分复用系统新架构。该架构单位传输容量的均衡算法复杂度不随通信容量增加,因而具有优良的可扩展性和实用性。

图1:基于新型低损耗、超低串扰OAM环芯光纤的高可扩展模分复用通信系统示意图。插图:(a) 100km单跨段光纤实物图;(b) 光纤截面照片。注:图中+/- l代表OAM模式的阶数;X, Y分别代表每个OAM模式的两个正交偏振态;|l|代表包含+/- l OAM模式的模式组阶数。

团队基于上述新系统架构和新型OAM环芯光纤开展大容量长距离光信息传输实验,首次成功实现了单跨无中继100 km光子轨道角动量(OAM)光纤通信链路。在该链路上仅使用两个4x4 MIMO均衡模块实现了8个OAM模式信道的模分复用,每个模式信道同时传输了10路与现有光纤通信技术完全兼容的波分复用/偏振复用/正交相位调制(QPSK)光信号,从而实现了单光纤80路光信号的并行传输,达到了2.56 Tbit/s的总传输容量、10.24 bit/(s·Hz) 的频谱效率和高达256 (Tbit/s)·km的容量-距离乘积,为目前OAM光纤通信的最高纪录。

该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、973计划、广东省珠江人才计划本土创新科研团队项目以及中山大学光电材料与技术国家重点实验室等的大力支持。