多模光纤核心几何形状对光通信的影响研究

引言

光纤作为现代电信的基础设施，为高速数据传输提供了支持，推动了我们的数字世界发展。随着单模光纤接近理论容量极限，研究人员正在探索创新方法来提高传输速率。一个有潜力的方向是空间分复用技术，该技术利用多模光纤(MMF)中的多个横向模式来编码额外的信息通道。

Henry C. Hammer和Ravitej Uppu的研究探讨了多模光纤核心几何形状如何影响频率相关性和信道容量。研究结果表明，矩形核心光纤相比传统圆形核心光纤具有显著优势，特别是在空间复用应用方面。让我们了解这项研究的关键概念、方法和意义[1]。

多模光纤及其挑战

多模光纤的核心直径明显大于单模光纤，允许多个光路或"模式"同时在光纤中传播。虽然这创造了在不同空间模式上编码信息的机会，但也带来了挑战。主要障碍包括光学损耗、光纤缺陷引起的模式混合、环境因素以及模式依赖的群延迟。

模式混合尤其成问题，因为混合会扰乱传输的信息，使接收端难以恢复原始信号。随着光纤模式数量的增加，这个问题变得更加复杂，这限制了大多数实验研究只能在少模MMF上进行。

从物理角度看，MMF中的模式混合类似于无序介质中的波散射，研究人员已经观察到相干波传输中的时空相关性。理解这些相关性对开发有效的"解扰"技术以恢复原始信号非常重要。

虽然空间相关性已经被广泛研究，但频率相关性方面——特别是对使用宽带光脉冲的高容量通信——研究较少。频率相关带宽表示光纤能保持相干传输的频率范围有多广，直接影响其信道容量。

研究方法

研究人员使用两种类型的阶跃折射率多模光纤进行实验：

• 圆形核心光纤，核心直径为105 μm (Thorlabs FG105LCA；数值孔径NA = 0.22)
• 矩形核心光纤，核心横截面为60 × 180 μm²（Ceramoptec Optran NCC；NA = 0.21）
  
  

选择这些商用现成光纤是为了确保研究结果可以直接应用于实际光通信系统。核心面积和数值孔径的选择使两种光纤具有可比的引导光学模式数量——在1550 nm波长下，圆形核心光纤约为1100个模式，矩形核心光纤约为1250个模式。

图1：显示光束传播方向的实验装置。系统包括光纤激光器、光束扩展器、DMD（数字微镜器件）、偏振分束器、物镜和用于捕获光纤输出的SWIR相机。

实验装置（图1）使用了一个工作在C波段的可调谐连续波激光器，线宽小于100 kHz。激光束被扩展以填充数字微镜器件(DMD)的区域，通过李全息术实现相位波前成形。这种技术允许研究人员控制进入光纤的光的相位，从而创建结构化波前，使光聚焦在光纤输出端面的特定点上。

共形照明和传输矩阵重建

为了确保对不同光纤几何形状进行公平比较，研究人员实现了光纤核心的共形照明。这意味着他们设计的照明模式与每种光纤核心的特定形状匹配，确保可以激发MMF中的所有可用模式。

图2：圆形和矩形核心光纤的共形照明模式，显示相位模式、李全息图以及与各自光纤核心几何形状匹配的傅里叶平面图像。

研究人员采用逐步序列算法构建MMF传输矩阵，该矩阵表征光如何在光纤中传播。通过调制输入波前各个部分的相位，并测量光纤输出上目标位置处的强度，他们可以确定在任何所需位置聚焦光所需的最佳相位模式。

这一过程使他们能够在光纤输出处创建衍射限制的焦点，有效地解除了传播过程中发生的模式混合。聚焦增强度被测量为焦点处的强度与背景散斑模式相比的比率，实验值与理论预测非常接近。

测量频率相关性

为了量化重建的传输矩阵在不同频率下的性能，研究人员在调谐激光频率时监测焦点处的强度，频率范围为100 GHz，步长为1 GHz。这些测量在圆形和矩形核心光纤的不同焦点位置进行。

图3：(a)圆形和(c)矩形核心光纤中波前成形焦点的测量频率相关带宽的位置依赖性。(b)面板显示在两个位置（中心A和边缘B）处激光频率调谐的测量强度。

结果显示两种光纤几何形状有显著差异。在圆形核心光纤中，频率相关带宽(Δνcorr)从中心的10.5 GHz降低到边缘的6.5 GHz，降幅约38%。相比之下，矩形核心光纤的带宽无论焦点位置如何，都保持在9.0 ± 0.4 GHz的一致水平。

理解频率相关性的空间依赖性

为了理解这种行为，研究人员研究了不同光纤模式如何贡献于在光纤输出端面的各个位置的聚焦。他们发现，在圆形核心光纤中，在光纤周边聚焦光需要激发具有更广传播常数分布的高阶模式。当频率调谐时，这导致更快的相位累积和输出场解相关，从而产生更窄的频率相关带宽。

图4：在两个位置（中心A和周边B）频率带宽Δνcorr与照明半径的关系，分别对应(a)圆形核心和(b)矩形核心光纤。

为了证实这一解释，研究人员进行了额外实验，通过控制超像素大小来改变照明的光纤模式子集，有效地改变光纤输入端面的照明半径。如预期，当聚焦在圆形核心光纤中心时，无论照明半径如何，频率相关带宽保持相对恒定。然而，当聚焦在周边时，随着更多高阶模式被激发，带宽减小。

相比之下，矩形核心光纤由于其正弦场分布表现出强烈的模式混合，这阻止了在圆形核心光纤中发生的传输矩阵块对角化。这种所有模式间的均匀混合导致无论焦点位置或照明半径如何，频率相关带宽都保持一致。

对信道容量的影响

矩形核心光纤的一致且更高的频率相关带宽对光通信信道容量有重要影响。在空间编码信息传输中，信道容量由两个因素决定：

• 每次传输的编码比特数(b = log₂Nmodes)
• 重复率(R ≈ Δνcorr)
  
  

由于适当的光纤参数选择可以使两种光纤中的空间模式数量相当，重复率成为影响信道容量的关键因素。

对于圆形核心MMF，在光纤周边的6.5 GHz带宽将最短变换限制脉冲限制为约68 ps。相比之下，矩形核心MMF，其在所有焦点位置具有一致的9 GHz带宽，可以支持约48 ps的更短变换限制脉冲。这种最小脉冲长度的30%减少允许更紧密间隔的脉冲序列，有效地将信道容量提高约20%。

应用和未来方向

虽然长距离通信受到频率相关带宽随着光纤长度增加而线性减少的限制，研究人员提出了他们发现的近期应用：

• 用于可扩展光量子技术硬件的芯片间光纤互连
• 连接二维和三维集成光电子芯片
• 增强对多模干涉的控制，用于光量子行走和量子模拟
  
  

未来研究可以探索优化矩形核心几何形状以获得更高的模态容量，或结合渐变折射率核心，通过控制模态混合程度来适应更长距离的通信网络。

结论

多模光纤的核心几何形状对其频率相关特性及其信道容量有显著影响，矩形核心光纤相比圆形核心光纤的频率相关带宽增加高达40%，特别是当光聚焦远离光纤中心时——这在空间复用光通信中很常见。

这种增强的带宽转化为光通信信道容量提高20%，突显了矩形核心光纤在高容量数据传输中的潜力。除了电信外，在这些光纤中观察到的新型时空波相关性可以应用于光量子处理器的芯片间互连，促进量子技术的发展。