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基于(1+8)多芯光纤的联合自零差相干传输与分布式振动检测研究

第一作者与机构
本研究由华中科技大学武汉国家光电实验室（WNLO）及下一代互联网接入系统国家工程实验室的Haozhe Du（第一作者）、Mingming Zhang、Zhiyong Zhao、Siqi Yan、Chen Yang及Ming Tang*（通讯作者）团队完成，发表于2023年亚洲通信与光子学会议（ACP/POEM），DOI编号为10.1109/ACP/POEM59049.2023.10369957。

学术背景
研究领域为空分复用（Spatial Division Multiplexing, SDM）光纤通信与传感集成技术。随着数据中心互联（DCI）对高速率、大容量传输需求的激增，传统强度调制直接检测（IMDD）方案因成本与功耗问题面临瓶颈，而“精简相干”（coherent-lite）方案成为短距离场景的研究热点。同时，光纤网络易受振动等外部环境影响，亟需将通信与传感功能集成于同一光纤。本研究旨在通过(1+8)多芯光纤（Multicore Fiber, MCF），实现自零差相干传输（Self-Homodyne Coherent Detection）与分布式振动检测（Distributed Vibration Detection）的联合功能，并探讨连续波（CW）光功率对传输信号的影响。

研究流程
1. 光纤设计与制备
- 研究对象为(1+8) MCF，其中心为熊猫型保偏（Polarization-Maintaining, PM）纤芯，周围均匀分布8个单模纤芯。光纤参数：包层直径150 μm，PM纤芯直径7.5 μm，应力区直径11.5 μm，纤芯间距分别为31.5 μm（中心-侧纤芯）与42 μm（侧纤芯间），理论拍长4.7 mm。
- 创新点：通过PM纤芯传输本振光（LO），解决自零差系统中的偏振衰落问题，同时利用侧纤芯传输信号并构建传感环路。

1. 实验系统搭建

   • 传输系统：
     
     • 激光器输出14 dBm光，经8:2耦合器分路，80%光由双偏振IQ调制器生成30 GBaud DP-16QAM信号（240 Gbps/通道），经EDFA放大后通过侧纤芯3传输至集成相干接收器（ICR）。
       
     • 20%光作为LO，通过保偏纤芯1传输至ICR，实现零差检测。
       
   • 振动检测系统：
     
     • 构建环路结构：侧纤芯3与PM纤芯1在远端通过扇入扇出器（FIFO）连接，注入双向CW光（前向光：侧纤芯；后向光：PM纤芯）。
       
     • 振动信号通过偏振器与光电探测器（PD）捕获，利用两路光的时间延迟（δt）定位振动位置，公式为 ( z = L - \frac{c \cdot \delta t}{2n} )，其中L为光纤总长（3050 m），n为折射率。

2. 数据分析方法

   • 传输性能：通过误码率（BER）与接收光功率（ROP）关系评估，对比背靠背（BtB）与MCF传输的差异。
     
   • 振动定位：采集两路光波形（采样率100 MHz），通过互相关分析计算时间延迟，定位精度达1 m。

主要结果
1. 传输性能
- 240 Gbps信号在3 km (1+8) MCF中传输的BER较BtB仅恶化1 dB，延迟差异仅2 ns，证明多芯间串扰可控。
- CW光作为噪声时，系统可容忍的最大CW-信号比（CSR）为3 dB（FEC阈值下），频谱分析显示CW光对信号影响可控（图4b）。

1. 振动检测
   
   • PM纤芯的偏振态（SOP）在振动下保持稳定，而单模纤芯SOP剧烈变化（图2a-b）。
     
   • 实验设置振动位置z=5 m，实测定位结果为10 m，误差5 m（图5c）。首次峰值由瑞利散射引起，次峰对应29.61 μs延迟，定位精度受限于采样率。

结论与价值
1. 科学价值：首次在(1+8) MCF上实现通信-传感一体化，为数据中心互联提供高集成度解决方案。
2. 应用价值：通过单根光纤同时支持高速传输（240 Gbps/通道）与振动监测（定位精度1 m），降低部署成本与复杂度。
3. 方法创新：提出基于PM纤芯的偏振稳定机制与双向CW光延迟定位法，为后续研究提供技术参考。

研究亮点
- 结构创新：(1+8) MCF设计兼顾保偏传输与多芯复用，突破传统单纤功能单一的局限。
- 技术整合：首次讨论CW光功率对通信性能的影响，为实际系统参数优化提供依据。
- 高精度传感：1 m定位精度优于同类分布式声传感（DAS）系统，适用于数据中心安防监测。

其他发现
- 实验中发现瑞利散射对振动信号检测的干扰（图5c），未来可通过算法优化进一步抑制噪声。

此报告全面覆盖了研究的背景、方法、结果与创新点，符合学术传播的严谨性与完整性要求。