模分复用光通信技

1、模分复用光通信技术及解决方 案 第十组成员：唐起超 彭帅 叶宗刚 目录1.模分复用光通信技术研究的意义2. 模式复用及模分复用传输系统3.模分复用解决方案4.总结与展望1.模分复用光通信技术研究的意义模分复用光通信技术研究的意义Shannon公式理论也指出了 SMF系统在通信系统容量方面不可能无限制的增长下去,它是有一个极限值极限值存在的, 通过文献可知，对通信系统的通信容量的要求越来越大,渐渐的逼近了 SMF通信系统通信容量的极限,SMF通信系统已经无法满足通信的需要无法满足通信的需要, ,于是产生了在一个空间正交的模式中在增加一个自由度的概念,这一方案的提出,大大提高了通信系统的最大传输容

2、量,这种技术就是模分复用技术模分复用技术。MDM系统之所以受到特别的关注,是因为它可以大大增加每增加每根光纤纤芯传输信号的数量根光纤纤芯传输信号的数量。模分复用传输系统以不同模式为信息载体，以少模光纤为传输链路，采用多输入多输出结构，尚有许多关键的科学问题函需研究解决，诸如少模光纤传输链路中的随机模式藕合对发送信号和系统性能的影响以及各种关键设备(模式转换器、模式复用器和解复用器、少模光纤放大器等)的内在机理及设计等。在深入了解模分复用的背景意义、掌握模分复用原理、研究模分复用结构模型的基础上,设计一种高传输容量、结构简单、可靠的模分复用器。这种模分复用器应该尽量具备以下特点: 1)结构简单有

3、效,便于对系统模型进行理论分析与研究,有助于使用仿真语言进行仿真。 2)高耦合效率,这是衡量一个耦合器性能的主要指标,直接决定一个耦合器性能的好坏。 3)低信道串扰,只有保证传输藕合进入的各个信道之间的信号具有较低信道串扰,才能保证信号准确无误的被接收端解复用,进行处理。 MDM研究目的2.模分复用传输系统 模分复用传输系统是在1根少模光纤中存在D个并行信道，这样就将传输的容量扩展了D倍。由于不同的信道属于不同模式，这样在同等传输容量的条件下，非线性效应的影响要小的多，这样就减小了由于非线性效应导致的信噪比恶化。LPLP模的简介模的简介线极化(Linearly Polarized LP)模是D

4、.Glogy在1971年提出来的光纤传输模式。LP模具有横向场(x,y)极化方向不变的特点，可以认为它是线性偏振模，用LPmn来表示，下标m, n的值表示各模式的场型特征，其中，m表示沿圆周方向上模斑点数的一半，n表示沿半径方向除了i=0处的模斑的个数。这里，模斑的个数其实就是光场的极值个数。LPmn模式的传播常数为 模分复用中的光纤模式及其表达方式模分复用中的光纤模式及其表达方式归一化频率V与归一化传播常数B之间的关系如图当光纤尺寸增大到其V参数大于2.4048时,光纤就可以传导下一个高阶模式即LP11模。类似的,当光纤尺寸增大到其V参数大于3.8时,光纤中可以同时传输4个LP模基模LP01

5、和高阶模LP11,LP21和LP02模。9下表给出了较低阶的LP模和其对应的矢量模的名称、简并度和截止及远离截止两种情况下横向参数U的值。模分复用传输系统的组成模式转换器模式转换器在MDM传输系统中，为实现不同模式之间的信息交换，需要实现高效率的模式转换实现高效率的模式转换。另外，当传输发生畸变之后，也需要通过模式转换实现模式的校正。模式转换是在发送端将基模LP01模转换为其他高阶模式。当前的模式转换技术以光纤光栅的机械式挤压方式光纤光栅的机械式挤压方式为主，存在转换效率低、转换速度慢以及只能在少数几个低阶模之间转换等问题问题。实验中还采用相位板实现各模式之间的转换。 下面阐述一下目前采用的几

6、种主要方法:机械压力光栅机械压力光栅(Mechanical Pressure Grating, MPG)(Mechanical Pressure Grating, MPG)法法长周期光纤布拉格光栅法长周期光纤布拉格光栅法相位板法相位板法1 1、机械压力光栅、机械压力光栅(Mechanical Pressure Grating, (Mechanical Pressure Grating, MPG)MPG)法法 1984年，斯坦福大学提出通过两模光纤挤压金属光栅原理来进行模式转换。这种方法可以使两模光纤中LP01模和LP11模相互完全转换或部分转换。2011年，墨尔本大学在在 4.5km 4.5k

7、m两模双极化传输两模双极化传输实验中实验中用此方法实现模式转换，并且同时完成了模式的复用和解复用。2011年，NTT公司和北海道大学采用长周期光纤布拉格光栅实现基模实现基模LPLP0101模向第一高阶模模向第一高阶模LPLP1111的转换的转换。该方法通过设计光栅的周期n，使基模LP01,模通过光栅后可以激发出第一高阶模LP11模。如图2 2、长周期光纤布拉格光栅、长周期光纤布拉格光栅(Long-Period Fiber (Long-Period Fiber Bragg Grating, LPFBG)Bragg Grating, LPFBG)法法2011年，Alcatel-Lucent Bel

8、l实验室和Prysmi an/Draka首次实现了五个模式的模分复用传输，其中模式转换，是通过相位板相位板实现的.3 3、相位板、相位板(Phase Plate)(Phase Plate)法法基于光纤结构的模分复用基于空间光学元件的模分复用两大解决类型3.3.模分复用解决方案模分复用解决方案1.1.多芯光纤结构模分复用器多芯光纤结构模分复用器通过多芯光纤来将入射光场分布模拟为MMF中要激发的高阶模式的光场分布, 可以认为每一模式就是一个独立的传输信道,从而实现模分复用,数倍的提高光纤传输系统的传输容量,具体解决方案如图:一个相位控制器和一个模式耦合器来模拟m=2与m=3的场分布,由TX1将光信

9、号分别注入不同的两光纤芯,其中一路有一个一个180180的相位延时器的相位延时器, ,在MMF中就可以激发出LP11a与LP11b两个相应的模式,来作为两个不同信道传输信号此外,还可以釆用FMF来代替MMF, 减少不需要的高阶模式的激发。2.2.模式组结构模式耦合器模式组结构模式耦合器图1 模式组结构模式耦合器图2 能量分析图 不同的信号在MMF纤芯中的不同位置耦合进入,使得不同的信号在MMF中激发出不同的模式组激发出不同的模式组,以此来建立不同的传输信道;在输出端,信号的分离是通过模式选择装置实现的。具体实现如下：1.1.相位波片结构模分复用器相位波片结构模分复用器图1 相位波片结构模分复用

10、器图2 模式能量分布图 模分复用器的主要作用是将输入端的光束藕合进入MMF中的不同模式中,如图5所示,0 0端口端口输入的光束直接耦合进入进入3MF3MF的模式的模式,1端口和2端口都有一个薄全息图来将它们对应耦合进入模式。2.SLM(Spatial Light Modulator)2.SLM(Spatial Light Modulator)结构模式耦合器结构模式耦合器 图1所示的模式转换原理,从SMF端面到MMF端面之间构成4F光学系统,利用4f系统,可以把相位分布物变换成可以观察到的光强分布,进行所谓的“相幅转换相幅转换”。图1常用的模式复用/解复用器有以下几种实现方案：1、自由空间光学(Free-Space Optics, FSO)法2、基于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)的可重新编程的自由空间模式复用和解复用器3、“光子灯笼”法4、基于结构定向耦合器的模式复用器5、基于相位控制器和单模光纤组的模式复用和解复用器6、基于定向祸合器和波长不敏感耦合器的模式复用器4.4.总结与展望总结与展望模分复用技术是指利用多模光纤(或者少模光纤)中有限的彼此正交的模式作为独立信道传输信息, 辟了一个新的复复用自由度用自由度。釆用模分复用技术后,光传输的速率能够随着复用的模式数成倍的增长,再配合其他的光复