模分復(fù)用光通信技

1、模分復(fù)用光通信技術(shù)及解決方 案 第十組成員：唐起超 彭帥 葉宗剛 目錄1.模分復(fù)用光通信技術(shù)研究的意義2. 模式復(fù)用及模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)3.模分復(fù)用解決方案4.總結(jié)與展望1.模分復(fù)用光通信技術(shù)研究的意義模分復(fù)用光通信技術(shù)研究的意義Shannon公式理論也指出了 SMF系統(tǒng)在通信系統(tǒng)容量方面不可能無限制的增長下去,它是有一個極限值極限值存在的, 通過文獻(xiàn)可知，對通信系統(tǒng)的通信容量的要求越來越大,漸漸的逼近了 SMF通信系統(tǒng)通信容量的極限,SMF通信系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足通信的需要無法滿足通信的需要, ,于是產(chǎn)生了在一個空間正交的模式中在增加一個自由度的概念,這一方案的提出,大大提高了通信系統(tǒng)的最大傳輸容

2、量,這種技術(shù)就是模分復(fù)用技術(shù)模分復(fù)用技術(shù)。MDM系統(tǒng)之所以受到特別的關(guān)注,是因為它可以大大增加每增加每根光纖纖芯傳輸信號的數(shù)量根光纖纖芯傳輸信號的數(shù)量。模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)以不同模式為信息載體，以少模光纖為傳輸鏈路，采用多輸入多輸出結(jié)構(gòu)，尚有許多關(guān)鍵的科學(xué)問題函需研究解決，諸如少模光纖傳輸鏈路中的隨機(jī)模式藕合對發(fā)送信號和系統(tǒng)性能的影響以及各種關(guān)鍵設(shè)備(模式轉(zhuǎn)換器、模式復(fù)用器和解復(fù)用器、少模光纖放大器等)的內(nèi)在機(jī)理及設(shè)計等。在深入了解模分復(fù)用的背景意義、掌握模分復(fù)用原理、研究模分復(fù)用結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,設(shè)計一種高傳輸容量、結(jié)構(gòu)簡單、可靠的模分復(fù)用器。這種模分復(fù)用器應(yīng)該盡量具備以下特點(diǎn): 1)結(jié)構(gòu)簡單有

3、效,便于對系統(tǒng)模型進(jìn)行理論分析與研究,有助于使用仿真語言進(jìn)行仿真。 2)高耦合效率,這是衡量一個耦合器性能的主要指標(biāo),直接決定一個耦合器性能的好壞。 3)低信道串?dāng)_,只有保證傳輸藕合進(jìn)入的各個信道之間的信號具有較低信道串?dāng)_,才能保證信號準(zhǔn)確無誤的被接收端解復(fù)用,進(jìn)行處理。 MDM研究目的2.模分復(fù)用傳輸系統(tǒng) 模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)是在1根少模光纖中存在D個并行信道，這樣就將傳輸?shù)娜萘繑U(kuò)展了D倍。由于不同的信道屬于不同模式，這樣在同等傳輸容量的條件下，非線性效應(yīng)的影響要小的多，這樣就減小了由于非線性效應(yīng)導(dǎo)致的信噪比惡化。LPLP模的簡介模的簡介線極化(Linearly Polarized LP)模是D

4、.Glogy在1971年提出來的光纖傳輸模式。LP模具有橫向場(x,y)極化方向不變的特點(diǎn)，可以認(rèn)為它是線性偏振模，用LPmn來表示，下標(biāo)m, n的值表示各模式的場型特征，其中，m表示沿圓周方向上模斑點(diǎn)數(shù)的一半，n表示沿半徑方向除了i=0處的模斑的個數(shù)。這里，模斑的個數(shù)其實(shí)就是光場的極值個數(shù)。LPmn模式的傳播常數(shù)為 模分復(fù)用中的光纖模式及其表達(dá)方式模分復(fù)用中的光纖模式及其表達(dá)方式歸一化頻率V與歸一化傳播常數(shù)B之間的關(guān)系如圖當(dāng)光纖尺寸增大到其V參數(shù)大于2.4048時,光纖就可以傳導(dǎo)下一個高階模式即LP11模。類似的,當(dāng)光纖尺寸增大到其V參數(shù)大于3.8時,光纖中可以同時傳輸4個LP?；P01

5、和高階模LP11,LP21和LP02模。9下表給出了較低階的LP模和其對應(yīng)的矢量模的名稱、簡并度和截止及遠(yuǎn)離截止兩種情況下橫向參數(shù)U的值。模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的組成模式轉(zhuǎn)換器模式轉(zhuǎn)換器在MDM傳輸系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)不同模式之間的信息交換，需要實(shí)現(xiàn)高效率的模式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)高效率的模式轉(zhuǎn)換。另外，當(dāng)傳輸發(fā)生畸變之后，也需要通過模式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模式的校正。模式轉(zhuǎn)換是在發(fā)送端將基模LP01模轉(zhuǎn)換為其他高階模式。當(dāng)前的模式轉(zhuǎn)換技術(shù)以光纖光柵的機(jī)械式擠壓方式光纖光柵的機(jī)械式擠壓方式為主，存在轉(zhuǎn)換效率低、轉(zhuǎn)換速度慢以及只能在少數(shù)幾個低階模之間轉(zhuǎn)換等問題問題。實(shí)驗中還采用相位板實(shí)現(xiàn)各模式之間的轉(zhuǎn)換。 下面闡述一下目前采用的幾

6、種主要方法:機(jī)械壓力光柵機(jī)械壓力光柵(Mechanical Pressure Grating, MPG)(Mechanical Pressure Grating, MPG)法法長周期光纖布拉格光柵法長周期光纖布拉格光柵法相位板法相位板法1 1、機(jī)械壓力光柵、機(jī)械壓力光柵(Mechanical Pressure Grating, (Mechanical Pressure Grating, MPG)MPG)法法 1984年，斯坦福大學(xué)提出通過兩模光纖擠壓金屬光柵原理來進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。這種方法可以使兩模光纖中LP01模和LP11模相互完全轉(zhuǎn)換或部分轉(zhuǎn)換。2011年，墨爾本大學(xué)在在 4.5km 4.5k

7、m兩模雙極化傳輸兩模雙極化傳輸實(shí)驗中實(shí)驗中用此方法實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，并且同時完成了模式的復(fù)用和解復(fù)用。2011年，NTT公司和北海道大學(xué)采用長周期光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)基模實(shí)現(xiàn)基模LPLP0101模向第一高階模模向第一高階模LPLP1111的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換。該方法通過設(shè)計光柵的周期n，使基模LP01,模通過光柵后可以激發(fā)出第一高階模LP11模。如圖2 2、長周期光纖布拉格光柵、長周期光纖布拉格光柵(Long-Period Fiber (Long-Period Fiber Bragg Grating, LPFBG)Bragg Grating, LPFBG)法法2011年，Alcatel-Lucent Bel

8、l實(shí)驗室和Prysmi an/Draka首次實(shí)現(xiàn)了五個模式的模分復(fù)用傳輸，其中模式轉(zhuǎn)換，是通過相位板相位板實(shí)現(xiàn)的.3 3、相位板、相位板(Phase Plate)(Phase Plate)法法基于光纖結(jié)構(gòu)的模分復(fù)用基于空間光學(xué)元件的模分復(fù)用兩大解決類型3.3.模分復(fù)用解決方案模分復(fù)用解決方案1.1.多芯光纖結(jié)構(gòu)模分復(fù)用器多芯光纖結(jié)構(gòu)模分復(fù)用器通過多芯光纖來將入射光場分布模擬為MMF中要激發(fā)的高階模式的光場分布, 可以認(rèn)為每一模式就是一個獨(dú)立的傳輸信道,從而實(shí)現(xiàn)模分復(fù)用,數(shù)倍的提高光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量,具體解決方案如圖:一個相位控制器和一個模式耦合器來模擬m=2與m=3的場分布,由TX1將光信

9、號分別注入不同的兩光纖芯,其中一路有一個一個180180的相位延時器的相位延時器, ,在MMF中就可以激發(fā)出LP11a與LP11b兩個相應(yīng)的模式,來作為兩個不同信道傳輸信號此外,還可以釆用FMF來代替MMF, 減少不需要的高階模式的激發(fā)。2.2.模式組結(jié)構(gòu)模式耦合器模式組結(jié)構(gòu)模式耦合器圖1 模式組結(jié)構(gòu)模式耦合器圖2 能量分析圖 不同的信號在MMF纖芯中的不同位置耦合進(jìn)入,使得不同的信號在MMF中激發(fā)出不同的模式組激發(fā)出不同的模式組,以此來建立不同的傳輸信道;在輸出端,信號的分離是通過模式選擇裝置實(shí)現(xiàn)的。具體實(shí)現(xiàn)如下：1.1.相位波片結(jié)構(gòu)模分復(fù)用器相位波片結(jié)構(gòu)模分復(fù)用器圖1 相位波片結(jié)構(gòu)模分復(fù)用

10、器圖2 模式能量分布圖 模分復(fù)用器的主要作用是將輸入端的光束藕合進(jìn)入MMF中的不同模式中,如圖5所示,0 0端口端口輸入的光束直接耦合進(jìn)入進(jìn)入3MF3MF的模式的模式,1端口和2端口都有一個薄全息圖來將它們對應(yīng)耦合進(jìn)入模式。2.SLM(Spatial Light Modulator)2.SLM(Spatial Light Modulator)結(jié)構(gòu)模式耦合器結(jié)構(gòu)模式耦合器 圖1所示的模式轉(zhuǎn)換原理,從SMF端面到MMF端面之間構(gòu)成4F光學(xué)系統(tǒng),利用4f系統(tǒng),可以把相位分布物變換成可以觀察到的光強(qiáng)分布,進(jìn)行所謂的“相幅轉(zhuǎn)換相幅轉(zhuǎn)換”。圖1常用的模式復(fù)用/解復(fù)用器有以下幾種實(shí)現(xiàn)方案：1、自由空間光學(xué)(Free-Space Optics, FSO)法2、基于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)的可重新編程的自由空間模式復(fù)用和解復(fù)用器3、“光子燈籠”法4、基于結(jié)構(gòu)定向耦合器的模式復(fù)用器5、基于相位控制器和單模光纖組的模式復(fù)用和解復(fù)用器6、基于定向禍合器和波長不敏感耦合器的模式復(fù)用器4.4.總結(jié)與展望總結(jié)與展望模分復(fù)用技術(shù)是指利用多模光纖(或者少模光纖)中有限的彼此正交的模式作為獨(dú)立信道傳輸信息, 辟了一個新的復(fù)復(fù)用自由度用自由度。釆用模分復(fù)用技術(shù)后,光傳輸?shù)乃俾誓軌螂S著復(fù)用的模式數(shù)成倍的增長,再配合其他的光復(fù)