1、 分类号 学号 M201172906 学校代码 10487 密级硕士学位论文基于模分复用的高速光纤通信系统的关键技术研究学位申请人： 谢意维学科专业： 光电信息工程指导教师： 张敏明 副教授答辩日期： 2014. 1. 11A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering The key technologies of high-speed optical fibercommunication system based on mo
2、de divisionmultiplexingCandidate : Xie YiweiMajor : Opto-electronic InformationEngineeringSupervisor : Associate Prof. Zhang MinmingHuazhong University of Science 第二是研究光纤信道中色散、非线性效应和光放大器噪声的作用机理以及他们对各调制形式的光信号影响，使光传输系统能够适用于速率更高、调制技术更为复杂的信号。当我们比较不同通信系统的有效性的时候，单看他们的传输速率是不够的，还应该关注传输速率下所占信道的带宽。所以真正衡量数字通信系
3、统传输效率的指标是频谱效率，即单位频带宽度上所能传输的信息速率，单位为 bit/s/Hz。对于目前密集波分复用光传输系统(DWDM)中，频谱效率是指每个信道的容量除以信道间隔。因此，如果能提高单位频带上的信息速率也就相当于提高了整个系统潜在的信息容量。从这一角度来说，频谱效率在一定程度上描述了系统的容量。目前扩大光传输频谱效率的有效技术途径就是广泛采用多维复用技术和复杂调制码型，特别是密集波分复用 (DWDM)光纤传输技术与时分复用 (TDM)光纤传输技术相结 合，己成为现代光纤通信干线网的主要复用手段。随着激光器技术进步，光源的线宽不断地减小，同时各种波分复用和解1复用器件的集成性越来越好，
4、促使波分复用系统中波长的间隔不断减小，从 100GHz向 50GHz、25GHz和 12.5GHz推进，光传输系统的频谱效率不断提高。最近，随着 2相干光通信的复苏和广泛应用，偏振复用技术亦被广泛采用在高速光纤通信系统中。偏振复用技术是利用相互正交的两个偏振态传输不变的信息，进一步提高系统频谱使用率，降低单信道的信号速率。目前国际标准化组织 OIF已经建议偏振复用加四相移1华中科技大学硕士学位论文键控(QPSK)或偏振复用加差分四相移键控 (DQPSK)作为 100Gbps以太网主流调制技术。然而，不管是时分复用还是波分复用，单模光纤的传输容量已经接近其香农极限3-6。随着时分复用单信道传输容
5、量不断提高，利用时分复用扩容已日益接近光电器件一些常用材料的技术极限，再加上高速通信传输中出现的模式色散和偏振模式损耗日益加重。另外一些常用的时分复用关键技术，如高重复率超短光脉冲源，超短光脉冲7传输技术，时钟提取技术和时分解复用技术等技术比较复杂，所以时分复用技术在8 9提高系统传输容量上进展非常缓慢。在波分复用技术中，通过增加单根光纤中传输的波长信道数目来提高光纤的传输容量的 10。考虑光纤非线性效应和高速信号传输光信噪比的要求，波长信道间隔不能无限减少，目前已快达到极限。因此必须考虑采用新复用方式来提升光传输容量，增加频谱效率，满足日益增长的容量需求。偏振空间 频率物理维度时间 正交图
6、1-1 光纤传输可利用的物理维度从复用维度上来看，偏振、正交调制、时分、波分都已经在当前光传输系统得到广泛应用。与此同时，基于基于多模光纤的模分复用(MDM)技术和多芯光纤的空分复用(SDM)技术则有望于解决当今通信容量进展的问题，如图 1-1 所示，值得我们深入研究。模分复用理论是激发少模光纤中的少量模式，使其在少模光纤中独立地传输， N个少模光纤中的空间模式能够增大单模光纤传输容量的 N 倍。设计少模光纤时，需要综合考虑到光纤结构参数，使得仅有少量模式被激励并经过 FMF传输。设计的少模光纤可利用光纤中传播的不同模式作为新的自由度实现复用，相比于单模光纤，N 个模式可增加光纤传输容量的 N
7、倍，同时，少模光纤还 具有大的模场半径，可以有效抑制非线性效应。因此，少模光纤技能提高光纤的传输容量，有能提高非线性的容忍度 11；相比于多模光纤，可以控制模式个数，优化模间耦合和损耗参数。因此采用少模光纤中有限的、稳定的模式作为独立信道进行模分复用，可以极大提高系统传输容量，以此来解决未来单模光纤的带宽危机。当光纤的芯包层的相对折射率差 n2，在纤芯与包层分界面处折射率发生突变，其折射率分布呈阶梯状。其折射率分布形式为 n 0 r a,纤芯中n(r) 1 (2-1)n（r a,包 层中 2而在 GIOF中，纤芯中的折射率是变化的，在轴线处最高(n 1)，沿径向则随半径 r增大而减小，在包层与
8、纤芯分界处最低 (n2)，在包层中的折射率一般恒定不变为 n2。多数GIOF遵从 g型折射率分布：12华中科技大学硕士学位论文 12 g r n1 1 2 0 r a,纤芯中（ r a,包层中n(r) (2-2)(2-3) a n2式中，a为纤 芯半径， 为纤 芯轴线折射率与包层折射率的相对差为 n2 n22n1 n212n12n1其中 g为折射率分布参数，它是用于决定折射率分布曲线的形状。当 g时，为 SIOF；当 g=2 时为平方折射率分布或者抛物线折射率分布光纤，又称自聚焦光纤，即所有光线都有相同的空间周期 L；当 g=1时为三角折射率分布光 纤。此外，最近学者提出的外下陷结构光纤，外下
9、陷包层越深或者越宽，其体积就越大，对于光纤的抗弯曲性能的改进就越明显 27，图 2-2(a)和 (b)分别为带有外下陷包层的阶跃型和渐变型的双包层光纤结构，(c)为少模光纤截面图。图 2-2(a)和(b)中，最中间的为芯层，围绕芯层的环为内包层，围绕内包层的环为下陷包层，围绕下陷包层的环为外包层，r1为纤芯半径，r2为内包层半径，r3为外包层半径，1为纤芯与外包层折射率差，2为下陷包层 和外包层的折射率差。纤芯纤芯内包层 43内包层 凹陷凹陷121221r1r2r3r1 外包层外包层r2r3(a) (b) (c)图 2-2 带有外下陷包层光纤的折射率剖面(a)带有外下陷包层的 SIOF，(b)
10、 带有外下陷包层的 GIOF，及 (c)截面示意图2.1.2传输模式根据传输点模数的不同，光纤可分为单模光纤、多模光纤和少模光纤。单模光纤只能允许一束光传播，没有模分散特性。因而，单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大，传输距离长，然而因其需要激光源，成本较高。少模光纤是新提出来的一种光纤，通过控制传输的模式个数，使得仅有有限个模式在光纤候中传输。 V为光13华中科技大学硕士学位论文纤的归一化频率，是一个反映光纤结构特征的重要参数，定义为V 2 a n1 n22 2 (2-4)其中 是真空中光波的波长。当 V很大时，光纤中可传输几个甚至几百个模式；当 V值较小时，则允许传播的数目就与纤芯半
11、径 a 有关。因此，多模光 纤半径较粗(5060m)，而单模光纤芯径就很细(510m)，少模光纤的半径位于其二者之中。对于 SIOF ，单模的归一化截止频率为Vc=2.405，当 SIOF的归一化频率 V1的条件，因此远离截止条件满足式(2-10)的根的数目也就近似等于光纤中支持传输的模式个数。在光纤中允许存在的模式数目可由公式(2-4)来估算：gM 2(g 2)V2 (2-11)可以用于粗略估算在给定 V值时，光纤中允许存在的 导模数目，然而上述公式只能粗略估算多模光纤中允许存在导模数量。实际上的导模个数还是应根据导模截止条件来确定，图 2-5给出的光纤支持标量模和矢量模的截止条件。可以从图
12、中看出，获得单模传输的条件为归一化频率 V2.405 ，而光纤中仅 支持两个低阶模传输时，V3.83 。通过图 2-5 我们得出了标量模的截止频率条件，为接下来的设计少模光纤提供了理论基础。在少模光纤中，一些精确模的传播速度接近相同，他们的传播常数也接近相同，通常把这种现象称为简并，这些模式称为简并模，在图 2-5中，LP21与 LP02模是一对简并模，具有相似的传播常数 k0n，其中 n为 模式的有效折射率，两个模式具有的16华中科技大学硕士学位论文特性也是相似的。V TE02TM02EH21 HE22HE41LP12LP31EH11HE12HE31TE01TM01HE21 LP21HE11
13、LP01LP02LP11V5.520 2.405 3.83 5.13单模光纤两模光纤三模光纤四模光纤图 2-5 低阶模与相应的矢量模的截止条件2.2.3导模模场分布纤芯中的场分布公式为 U r J lm a l(Ey)lm cosl (2-12) Jl (Ulm) 对于 LP 01模来说，其0 U01 2.405，可得到当0 r a时，0 U01r / a 2.405，由贝塞尔函数的特性可得知，LP01模式的光强分布为一圆斑，呈高斯曲线分布。对于其次高阶模 LP 11模，其2.405 U11 3.82以及当0 r a， 2.405 U11r / a 3.82，可得知其场沿径向无零点，沿角向有一
14、条零线。它的场振幅分布在 y轴两侧，其光强分布为两个高斯光斑，而中间为一暗线。对于 LP02模， 3.82 U02 5.1以及当 0 r a，3.82 U02r / a 5.1，在导模场沿径向有一个零点，其光强分布为中心为亮斑，外圈为一亮圆环。最后，分析 LP02的简并模 LP21模，3.82 U21 5.1以及3.82 U 21r / a 5.1当0 r a，其沿径向无零点，而沿角向有两条暗线，将光分为 4个亮斑。光纤前 4个低阶模的 2维和 3维模场分布如图 2-6所示。我们可以由此分析其他高阶模 LPmn的场分布。一般而言，LPmn沿径向的亮斑数 为 m，沿角向的亮斑数为 2l 。17华
15、中科技大学硕士学位论文水平方向(m) 水平方向(m) 水平方向(m) 水平方向(m)LP01(a)LP11(b)LP21(c)LP02(d)图 2-6四个低阶模的场分布图 (a)LP01，(b)LP11，(b)LP21，(d)LP 022.3 少模光纤的设计为了提高光纤传输的容量与精确度，模分复用越来越吸引了研究者的注意。设计少模光纤适用于模分复用系统成为首先要解决的问题。对于模分复用使用的少模光纤的设计标准，研究者们主要以以下两个方面来设计：(1)支持稳定的若干模式设计光纤时，首先考虑到光纤支持的模式个数，因此模式的截止条件尤为重要，这样才能使得模式在光纤中稳定传输。在第二章节，重点介绍了归
16、一化频率和模式截止条件的关系，因此研究二者的关系也为少模光纤的设计提供了重要的依据。在模分复用系统中，模式的数量越多越能增加传输容量，然而在增加模式的同时，还要考虑到模式之间串扰，以获得长距离地传输。目前，应用于模分复用的少模光纤从双模扩展到三模再扩展到四模，研究者们致力于优化少模光纤来实现大容量、低损耗的传输。(2)良好的光学特性少模光纤设计中不仅要求光纤具有支持多个模式的能力，还要求所设计的少模光纤能够适用于实际光传输系统。要求所设计的少模光纤具有小的非线性效应、较小的弯曲损耗、较小的模式耦合等。同时，还必须考虑到 MDGD的取值。低的 MDGD可与MIMO均衡算法相兼容，高 MDGD的少
17、模光纤中模式耦合串 扰低，各个模式信道传输相对独立。因此，少模光纤的设计直接影响到模分复用系统的性能。18华中科技大学硕士学位论文我们首先研究阶跃折射率分布的少模光纤。根据模式本征方程，通过数值计算，得到归一化传播常数与归一化频率的关系曲线，如图 2-7所示。图中每条曲线对应一个导模，V越大，则导模数目越多。若选择 V=3.8 ，保 证所设计的少模光纤只支持 LP01和 LP11 两个低阶模式，当 V为 5.1时，光纤中可支持 LP01，LP11，LP21和 LP02传输。归一化传播常数和归一化频率 B-V 图1V=3.8 V=5.1归一化传播常数B0.80.60.40.2LP01LP11LP
18、21 LP31LP02 LP1202 3 6 7归归一化频率，4一化频率5VV图 2-7 SIOF 归一化传播常数 B和归一化频率 V的关系当我们设计的少模光纤需要传输 4个模式时，我们设置 V=5.1，计算出一系列的纤芯和包层折射率差的组合，如图 2-8所示。在设计时，我们主要考虑到弯曲损耗、非线性效应和模式耦合。一方面，增加 neff ,mn n2的数 值，可有效减少四个导模的宏弯曲。同时增加各个模式间有效折射率差 neff ,mn neff ,mn，可减少模式耦合，其中 neffmn表示 LPmn模的有效折射率，n2为包层半径。当归一化频率参数 V和归一化传播常数 B 确定后，只能通过增
19、加 n1-n2方法实现，其中 n1为纤芯折射率值。当 V=5.1工作波长为 1550 nm的时候，LP 02模式由于其传播常数及其接近于 LP21模式，两模式非常容易发生耦合，LP02为对 宏弯曲最敏感的模式。根据图 2-8，理论计算结果显示，为了减弱 LP02模式对弯曲的敏感性，在设计中尽量使芯包层折射率差必须大于 510。同时当-3neff ,02 neff ,21 0.5103，能 够有效减少 LP 02模式与 LP21模式的耦合。另一方面，对于四模 MDM系统，巨大的入纤功率要求少模光纤具有良好的抗非 线性损伤能力。反映在少模光纤设计上则需要增大各个模式有效面积可有效降低非线性损伤。光
20、纤中传输光功率的平均面积被称为光纤的有效面积 Aeff，其 值为 52：19华中科技大学硕士学位论文2( E(x, y) dxdy) 2Aeff (2-13)4E(x, y) dxdy其中 E(x，y)是光纤基模的 场分布函数，对于我们设计 的圆形波导的单模光纤，由于模式为圆对称，在极坐标下上式可以改写为：2 ( E(r) 2 rdr) 2Aeff E(r) 4 rdr(2-14)对于基模来说，其横向场强分布为公式(2-12)。图2-9给 出四模光纤各模式的有效面积随芯径 a及芯包 层折射率差n1-n2的变化情况。可以看出芯径 a=9.5m，此时各个模式的有效面积都趋近于 200m 2，并设置
21、芯包层折射率差 n1-n 2=5.510来制备少模光纤。此时归一化频率 V=4.87，能够支持 4个低阶模式传-3输。a (m) a (m)(a) (b)a (m)(d)a (m)(c)图 2-8在 1550nm处不同模式(a)LP01，(b)LP11，(c)LP 21，(d)LP02，neff,mn-n cl数值随半径 a和n1 n2的关系图20华中科技大学硕士学位论文a (m) a (m)(a) (b)10a (m) a (m)(c) (d)图 2-9在 1550nm处不同模式(a)LP01，(b)LP11，(c)LP 21，10(d)LP02，各模式的有效面积随 n1-n2和 a的关系图
22、-32.4 差分群时延的优化在少模光纤设计过程中，MDGD数值是影响 MDM系统设计的关键因素。由于少模光纤中支持传输的各个导模在光纤中传播速度不同，传播一段距离后各个模式信道间的光信号会出现时延，也就是模式群时延的由来 53。它可表示为：1 1 d 2 d2c d g c dk0 (2-15)其中 为波长，传播常数 =neffk0，neff为模式的有效折射率，k0是自由空间的光波波数。不同模式通过一段固定长度的光纤所需时间不同，因此高阶模与基模之间的 MDGD表达式为：MDGD(LPmn)(LP01) (2-16)对于折射率阶跃分布的光纤来说，为了支持 4个模式(LP01，LP11，LP12
23、，LP02)传输，归一化频率范围为 3.8V5.1 。考虑到光纤有效面积和弯曲不敏感性，设定光纤芯包层折射率差值为 5.510 -3，纤芯半径为 9.5 m，此时 V=4.87 。对于带有外下陷包层21华中科技大学硕士学位论文的光纤，本论文统一使用参量(r3-r2)/r1=2。图 2-10 (a)，(b)，(c)，(d)分别表示 SIOF、带有外下陷包层的 SIOF、 GIOF和带有外下陷包层的 GIOF的 MDGD随波长变化曲线。此时设定带有外下陷包层光纤 r2/r1=1.5， 1/2=2。由于设定的 3.8V 5.1，所以 SIOF可以实现四模传输。对于折射率 GIOF，模式的归一化截止频
24、率 V 约为V V(1 2 /g1 /)53，其中 V为 SIOF 的归一化截止频率，g为渐变光纤折射率分布函数的指数值。因此对于平方率分布 GIOF(g=2)，模式归一化截止频率比 SIOF大，当 V=4.87时，只能实现 LP01和 LP11的传输。而对于带有外下陷包层的 SIOF，模式的归一化频率V1约为V 1 k0a nm2ax nmin254，nmax 和 nmin分别为光纤剖面折射率分布的最大和最小 值。从图 2-10 中可以看出在 1550 nm处，对于 SIOF，三个高阶模(LP11，LP21，LP02)与基模的 MDGD分别是 2.523 ps/m，4.804 ps/m，3.
25、814 ps/m。带有外下陷包层的 SIOF 的三个高阶模与基模的 MDGD分别是 2.594 ps/m，5.185 ps/m， 4.751 ps/m。对于 GIOF 和带有外下陷包层 GIOF而言，LP11与基模的 MDGD分别是-1.663 ps/m 和-1.285 ps/m。波长(nm) 波长(nm)(a) (b)波长(nm)(c) 波长(nm)(d)图 2-10(a)SIOF，(b) 带有外下陷包 层 SIOF中 LP11，LP21，LP 02与 LP01 MDGD(c)GIOF，(d)带有外下陷包层 GIOF中 LP11与 LP01 MDGD，随波长变化的曲 线因此可以得出结论，对于
26、这四种不同折射率剖面结构，当光纤结构参数相同时，22华中科技大学硕士学位论文带有外下陷包层的 SIOF的 MDGD最大，而带有外下陷包 层的 GIOF 的 MDGD的绝对值最小。2.4.1带有外下陷包层的 SIOF当工作波长为 1530-1570 nm，1/ 2=2，r1= 9.5 m， 1=5.510，光纤内包层半-3径 r2和外包层半径 r1的比值分别为 1.2，1.5和 2时，带有外下陷包层的 SIOF的 LP11与 LP01 的 MDGD和普通 SIOF 的比较如图 2-11(a)所示。从图中可明显看出，不论 r 2和 r1的比值多大，带有外下陷包层的 SIOF的 MDGD都比普通阶跃
27、光纤的要大，且 r2/r1比值越小，带有外下陷包层 SIOF的 MDGD就越大。由于 r1为一固定值，r2/r1比值越小，即 r2越小，MDGD就越大，且文中(r3-r2)/r 1=2固定，r2越小，意味着 r3也越小，MDGD才能增大。图 2-11(b)是当纤芯和外包层折射率差1与下陷包层和外包层折射率差2的比值不同时(r1=9.5 m，r2/r1=1.5， 1=5.5x10-3，)，带 有外下陷包层的 SIOF光纤光纤波长(nm) 波长(nm)(a) (b)4波长(nm) 波长(nm)(c) (d)-3 -3 -3图 2-11 (a) r 2/r1=1.2，1.5，2 (b) 1/2=1，1.5，2，(c) r1=8，9，10 m (d) 1=8x10，8.510，910带有外下陷包层 SIOF的 LP11模与 LP01模的 MDGD随波长变化曲线和 SIOF的对比与普通 SIOF的 LP11模和 LP01模之间的 MDGD随波长变化曲线。1/2比值越小，则带有外下陷包层的 SIOF的 MDGD越大，其中1=5.5x10为一固定值，1/2比值越-323
