模分复用的解决
方案
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研究背景
随着二十一世纪的到来,信息通信技术的飞速发展使得人类已经步入了一个全新的信息化时代。近十年来,随着IPTV、高清晰电视、移动多媒体、视频流媒体等新业务的不断涌现,造成了信息传输带宽需求持续以惊人的速度增长。现有的光纤传输资源正在被快速消耗。数据业务以年增幅高达300%的速度爆炸式增长。2014年,随着智慧城市概念的提出以及大数据、云计算和移动互联网等技术的飞速发展,新业务对带宽和容量的需求已极大超出人们的预想。
在光通信的发展历程中,曾采用波分复用(WDM)与掺饵光纤放大器(EDFA)技术相结合。因其简单的系统结构、低廉的成本和良好的传输性能为人们提供了巨大的传输带宽和超长的传输距离,曾经很好地解决了当时的带宽需求问题。但是现在的实际情况却不容乐观,光波频谱效率的利用己经达到了一个非常高的程度。以提高光波的传输信息容量为目的的技术,如:波分复用、时分复用、偏振复用以及高阶调制格式等各种新技术已经在实际的光纤传输系统中广泛应用。由此可见,带宽的需求成为光通信未来发展的首要研宄问题。
在WDM与EDFA应用后的近20年来,实际流量持续呈爆炸式地增长。如果采用继续提高复用的密集程度和提高调制格式的阶数的
方法
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来提高容量的方法,则将会产生很大的信号损伤。而现有的光纤通信网络基本上是基于单模光纤的,虽然其单纤传输容量已逼近l00Tbps的非线性香农极限,但是专家预测出单模光纤传输系统将在2020年左右出现容量危机。由于目前从时间、频率、偏振、多进制调制、多光纤维度的利用等来看,其利用均已接近极限。因此,干线的传输容量已接近极限,提高将十分困难。只有采用新的空间复用技术才有可能进一步提高光纤的传输能力。
二(模分复用解决方案
国内外研究者对这种新型光纤传输技术进行了广泛而深入的研究,主要归纳为基于光纤结构的模分复用以及基于空间光学元件的模分复用。下面就将现有的模分复用解决方案简要
总结
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如下。
基于光纤结构的模分复用
1.多芯光纤结构模分复用器
Chin-ping Yu教授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,从而在MMF中的激发相应分布的高阶模式,由于所激发模式的正交性,在忽略其他高阶模式的前提下,可以认为每一模式就是一独立的传输信道,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2-2所示:
LP11模式的两个简并模式
多芯结构模分复用器
图1为LP11模式的两个简并模式。
图2中,一个相位控制器和一个模式藕合器来模拟m=2与m=3的场分布,由TX1将光信号分别注入不同的两光纤芯,其中一路有一个180?的相位延时器,使输入光场分布和图1所示的m=2时的光场分布相同,同样,TX2中输入的光用来模拟rn=3时的光场分布。
这样,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,从而减少不需要的高阶模式的激发。 2.模式组结构模式耦合器
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,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。具体实现方案如图3所示。
图3
以两路不同的信号为例(signal 1, signal 2)。signal 1在MMF纤芯的中心位置处耦合进入,将会在MMF中激发低阶模式,在传输过程中,这些低阶模式主要集中在MMF纤芯的中心区域(如图4b中黑色圆所示)
表
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明能量大部分集中在中心位置附近(如图4b中黑色线条所示);signal 2在偏移中心位置一段距离处耦合,激发高阶模式,能量主要分布在MMF纤芯的外层区域,(如图4b中灰色区域与灰色线条所示)。
图4能量
分析
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图
在输出端,如图4c所示,可以通过选取不同的检测区域来区分信号,这两个区域分别对应输入端信号在MMF纤芯中的藕合位置。
2.双芯光纤结构模式藕合器
3.光圈探针采样结构模式藕合器
基于空间光学元件的模分复用
1.相位波片结构模分复用器
图5相位波片结构模分复用器
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
LP图5所示,0端口输入的光束直接藕合进入3MF的模式,1端口和2端口都有一个薄全息01
图来将它们对应藕合进入模式。模式和相位分布如图6所示。 LP11
图6模式能量分布图
模式不需要全息图,对于模式,如图6所示,它有两个简并模式,全息图由两个具LPLP0111
有相位差的半波片组成。 ,
模型中使用三个准直器,在3MF的端面前设置两个分束器,分别将0端口和2端口的光藕合至3MF,3MF为归一化频率为5的折射率下陷分布光纤。
2.SLM(Spatial Light Modulator)结构模式藕合器
图7 图8
图7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”。图8为实际应用的模式转换器。LCOS(liquid crystal onsilicon)作为衍射元件设置在4F光学系统的傅里叶变换面上对横向光场的相位进行调制,图中从SMF输出的光经左侧透镜准直后经过一透镜,此透镜的作用相当于傅里叶变换再经过LCOS进行空间相位调制后,通过第二个透镜,相当于进行傅里叶反变换为了优化转换器的性能,第一个透镜的焦距要和所需模式匹配。通过这种方式,就可以在MMF中激发所需模式,进而实现模分复用。
总结
本章第二部分分析了多种不同的MDM解决方案,大致可以分为光纤结构和非光纤结构两大类。
多芯光纤结构模分复用器、相位波片结构模分复用器本质上是通过模拟固定的模式场分
布来激发相应模式;双芯光纤结构模式藕合器利用两种不同模式在两个纤芯中能量的交换来实现模分复用与解复用;这3类解决方案一般应用在少量模分复用系统之中。模式组结构模式藕合器通过激发模式组来实现模分复用,增加不同的藕合位置可以增加激发的模式组数目;光圈探针采样结构模式稱合器可以通过配置MIMO全通滤波器来增加复用模式数目 ; SLM结构模式藕合器利用模式转换来实现模分复用,这3类解决方案既可以应用在多种模分复用系统之中,也适用于少量模分复用系统。
虽然上述各种模分复用和解复用的方案结构原理不同,但是最终都达到了利用不同模式建立不同信道的目的,使MMF的传输容量得到了大幅提升,为空分复用技术的实现提供了很好的解决方案,也为未来通息系统容量的增加提供了可能。
浙公网安备 33021202002483