用于空分復(fù)用的模式復(fù)用技術(shù)研究

高 松，劉 艷，陳潤秋，韓高峰

(北京交通大學(xué)，北京 100044)

用于空分復(fù)用的模式復(fù)用技術(shù)研究

高 松，劉 艷，陳潤秋，韓高峰

(北京交通大學(xué)，北京 100044)

空分復(fù)用技術(shù)作為克服單模光纖通信系統(tǒng)容量局限的一種可能解決方案近年來受到日益廣泛的重視，具有多種實現(xiàn)方案，例如采用多芯光纖、MIMO技術(shù)(Multiple-Input Multiple-Output)、基于多模光纖、空間光學(xué)元件的模式復(fù)用等。針對空分復(fù)用技術(shù)，分析了幾種模式復(fù)用解決方案，闡述原理的同時，介紹了各方案的最新實驗結(jié)果，最后對各種方案的特點進(jìn)行了評述。

光纖通信;模式復(fù)用;多模光纖;多芯光纖

1 概 述

近年來，雖然傳統(tǒng)基于單模光纖(Singlemode Fiber，SMF)的通信系統(tǒng)的容量不斷增加，但始終無法突破固有的香農(nóng)極限。為了使光通信系統(tǒng)容量能進(jìn)一步的提高，空分復(fù)用技術(shù)(Space-Division Multiplexing，SDM)便應(yīng)運而生。SDM技術(shù)的最終目的就是要使不同的光信號在空間范圍內(nèi)分開傳輸，互不干擾。由于MMF(Multimode Fiber)中存在很多高階模式，每個模式都有成為一個獨立傳輸信道的可能，所以基于MMF的空分復(fù)用成為現(xiàn)在研究的主流，而采用MMF的空分復(fù)用中的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)模式復(fù)用。

采用多芯光纖來作為SDM技術(shù)的解決方案，一般采用在一個大直徑包層里大角度分布幾根纖芯來避免能量耦合進(jìn)入聚合物涂層，每一根纖芯作為一個獨立的傳輸通道［1－3］。

如果通過MMF的模式復(fù)用技術(shù)來實現(xiàn)SDH，可以使用模式選擇復(fù)用器或濾波器，獨立激發(fā)出不同的高階模式，形成相互獨立的傳輸信道［4］;也可以利用一些空間光學(xué)元件的特性，在MMF中實現(xiàn)特定高階模式的激發(fā)。

在MMF中，高階模式的激發(fā)往往會伴隨著其他一些不需要的模式的激發(fā)，為了克服這一問題，很多MDM解決方案會應(yīng)用只能傳輸幾種模式的少模光纖FMF(few-mode fiber)［5］。下面就通過具體的MDM解決方案來說明如何實現(xiàn)模式復(fù)用。

2 基于光纖結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用

2.1 多芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器

Chin-ping Yu教授在文獻(xiàn)［6］中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，從而在MMF中激發(fā)出相應(yīng)分布的高階模式，實現(xiàn)模式復(fù)用。具體解決方案如圖1所示。

圖1 多芯光纖模式復(fù)用器原理示意圖

圖1(a)為運用光束傳播法計算出的MMF前10個引導(dǎo)模式中的第2個與第3個，用m=2與m=3表示，它其實就是 LP11模式的兩個簡并模式。

圖1(b)中，一個相位控制器和一個模式復(fù)用器來模擬m=2與m=3的場分布，由TX1輸入的光模擬m=2時的光場分布，TX2中輸入的光模擬m=3時的光場分布。

這樣，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［7］。此外，可以采用FMF來代替MMF，從而減少不需要的高階模式的激發(fā)。

2.2 模式組結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器

Stefan Schollmann教授在文獻(xiàn)［8］中提出: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，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現(xiàn)的。具體實現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2 模式組模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)圖

以兩路不同的信號為例(signal 1，signal 2)。signal 1在MMF纖芯的中心位置處耦合進(jìn)入，將會在MMF中激發(fā)低階模式組;signal 2在偏移中心位置一段距離處耦合，激發(fā)高階模式組，能量分布如圖3(b)中黑色線條與灰色線條所示。

圖3 輸出端、MMF能量分布及探測區(qū)域示意圖

在輸出端，如圖3(c)所示，可以通過選取不同的檢測區(qū)域來區(qū)分信號，這兩個區(qū)域分別對應(yīng)輸入端信號在MMF纖芯中的耦合位置。

Schollmann教授在文獻(xiàn)［9］中報道了采用這種方法將10.7Gb/s的信號傳輸了300 m的實驗結(jié)果。

埃因霍溫科技大學(xué)的H.S.Chen教授也曾提到過這種思想，與Stefan Schollmann教授所不同的是，他采用了三組模式群，實現(xiàn)了3×30Gbit/s光模式組復(fù)用系統(tǒng)，使光信號傳輸了10m［10］。

2.3 雙芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器

這種方法是通過控制光纖復(fù)用器相互作用的參數(shù)來實現(xiàn)模式復(fù)用器與解復(fù)用器(MUX/DEMUX)［11］。

如圖4(a)所示，模型采用長周期光纖布拉格光柵(LPFBG)來將LP01模式轉(zhuǎn)換為LP11模式，當(dāng)光柵周期Λ為480μm時，光柵可以將LP01模式轉(zhuǎn)換為LP11模式［12］。

在2×2的對稱光纖復(fù)用器中，圖4(b)和圖4 (c)所示為不同模式的耦合比隨著兩根纖芯距離的變化曲線，圖4(b)對應(yīng)直通臂，圖4(c)對應(yīng)交叉臂?？梢钥闯?，當(dāng)相互作用區(qū)間長度和纖芯距離為特定值時，可以使LP01模式的能量基本都保持在直通臂中，而LP11模式的能量基本都在耦合臂中，因此，可以將光纖復(fù)用器作為模式解復(fù)用器(DEMUX)。由于此過程的可逆性，還可以將光纖復(fù)用器作為模式復(fù)用器(MUX)。

圖4 雙芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器原理示意圖

2.4 光圈探針采樣結(jié)構(gòu)模式復(fù)用

紐倫堡大學(xué)教授H.Bülow在文獻(xiàn)［13］中提出了基于光圈探針采樣結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用方案，下面以在接收端的模式解復(fù)用器為例來說明其原理，具體結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，由于系統(tǒng)的可逆性，該結(jié)構(gòu)同樣可以作為模式復(fù)用器。

圖5 光圈探針結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖

H.Bülow教授在文獻(xiàn)［14］中將復(fù)用模式數(shù)增加到了5個，并且更加具體說明了如何配置MIMO全通濾波器。

3 基于空間光學(xué)元件的模式復(fù)用

3.1 相位波片結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器

文獻(xiàn)［15］介紹了一種應(yīng)用相位波片制作的相位全息圖模式復(fù)用器。

模式復(fù)用器的主要作用是將輸入端的光束耦合進(jìn)入MMF中的不同模式中，如圖6所示，0端口輸入的光束直接耦合進(jìn)入3MF的LP01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LP11模式。模式和相位分布如圖7所示。

圖6 相位波片結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 各模能量和相位分布示意圖

對于LP11模式，如圖7所示，它有兩個簡并模式，全息圖由兩個具有π相位差的半波片組成。

模型中使用三個準(zhǔn)直器，在3MF的端面前設(shè)置兩個分束器，分別將0端口和2端口的光耦合至3MF，3MF為歸一化頻率為5的折射率下陷分布光纖。

文中采用了一種特殊的方法來評價信道串?dāng)_，文獻(xiàn)［16］采用此文中提出的模型，通過6×6相干MIMIO處理，成功進(jìn)行了10 km三模光纖空分復(fù)用實驗。

3.2 SLM(Spatial Light Modulator)結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器

文獻(xiàn)［17］采用了圖8(a)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”。圖8(b)為實際應(yīng)用的模式轉(zhuǎn)換器。LCOS(liquid crystal on silicon)作為衍射元件設(shè)置在4F光學(xué)系統(tǒng)的傅里葉變換面上對橫向光場的相位進(jìn)行調(diào)制，圖中從SMF輸出的光經(jīng)左側(cè)透鏡準(zhǔn)直后經(jīng)過一透鏡，此透鏡的作用相當(dāng)于傅里葉變換，再經(jīng)過LCOS進(jìn)行空間相位調(diào)制后，通過第二個透鏡，相當(dāng)于進(jìn)行傅里葉反變換，為了優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的性能，第一個透鏡的焦距要和所需模式匹配。通過這種方式，就可以在MMF中激發(fā)所需模式，進(jìn)而實現(xiàn)模式復(fù)用。

圖8 SLM模式復(fù)用器及實際應(yīng)用SLM復(fù)用器示意圖

4 結(jié) 論

本文介紹分析了多種不同的MDM解決方案，大致可以分為光纖結(jié)構(gòu)和非光纖結(jié)構(gòu)兩大類。

多芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器、相位波片結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器本質(zhì)上是通過模擬固定的模式場分布來激發(fā)相應(yīng)模式;雙芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器利用兩種不同模式在兩個纖芯中能量的交換來實現(xiàn)模式復(fù)用與解復(fù)用;這三類解決方案一般應(yīng)用在少量模式復(fù)用系統(tǒng)之中。模式組結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器通過激發(fā)模式組來實現(xiàn)模式復(fù)用，增加不同的耦合位置可以增加激發(fā)的模式組數(shù)目;光圈探針采樣結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器可以通過配置MIMO全通濾波器來增加復(fù)用模式數(shù)目;SLM結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器利用模式轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)模式復(fù)用，這三類解決方案既可以應(yīng)用在基于多模光纖的復(fù)用系統(tǒng)之中，也適用于少模光纖復(fù)用系統(tǒng)。雖然上述各種模式復(fù)用和解復(fù)用的方案結(jié)構(gòu)不同，原理不同，但是最終都達(dá)到了利用不同模式建立不同信道的目的，使MMF的傳輸容量得到了大幅提升，為空分復(fù)用技術(shù)的實現(xiàn)提供了很好的解決方案，也為未來通信系統(tǒng)容量的增加提供了可能。

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Study on modemultip lexing used in space-division multip lexing

GAO Song，LIU Yan，CHEN Run-qiu，HAN Gao-feng
(School of Electronic Engineering，Beijing JiaoTong University，Beijing 100044，China)

Space division multiplexing，as a possible solution to overcome the limitations of single-mode fiber communication system，has attracted more and more attentions in recent years.It has a variety of implementations，such as multicore fiber，MIMO processing，mode-division based onmultimode fiber and space optical component.Some solutions ofmodemultiplexing are analyzed，their principles are elaborated，and the latest progress of each solution is introduced.Finally，the characteristics of the various solutions have been reviewed.

optical fiber communication;modemultiplexing;multimode fiber;multicore fiber

TN929.11

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.016

1001-5078(2014)04-0424-05

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(No.2013JBM005)資助。

高 松(1987－)，男，碩士，主要從事光傳感器方面的研究工作。E-mail:11120083@bjtu.edu.cn

2013-06-26;

2013-09-03