高速DP-QPSK模分复用信号在少模掺铒光纤放大器中的传输实验

模分复用(MDM)与高速光传送网(OTN)相结合,能缓解日益增长的带宽需求压力和降低已有相干通信设备的使用成本。搭建了100 Gbit/s双偏振正交相移键控(DP-QPSK)MDM信号放大传输系统,主要包括MDM信号收发单元和少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA),其中FM-EDFA采用少模隔离型波分复用器(FM-IWDM)构建。三模(LP₀₁、LP_11a和LP_11b)放大传输实验表明,相对于无FM-EDFA的MDM系统,各信道的接收机灵敏度(以10^-2误码率为参考)分别劣化0.55 dB、1.47 dB和0.99 dB。研究了两模(LP₀₁和LP_11b)放大情形下模式增益差(DMG)对信道灵敏度均衡性的影响,结果显示两者无明显的依赖关系。所得结论可为双偏振(DP)信号的MDM放大传输研究提供参考。     

具有四模式的低串扰及大群时延多芯微结构光纤的设计

针对光纤空分复用及模分复用传输系统中大容量和耦合串扰问题, 本文提出了一种具有四模式特性低串扰及大群时延的大容量多芯微结构光纤, 通过有限元法计算该光纤电磁场分布进而对其他参数进行分析. 结果表明: 合理的选定光纤结构参数, 可使得该光纤在C+L波段内同时实现19芯的LP₀₁, LP₁₁, LP₂₁, LP₀₂四个偏振模式的传输. 同时, 利用空气孔对电磁场较好的隔离作用来优化芯间串扰并得到较大的模式差分群时延及较为平坦的色散. 此外, 这种结构的光纤制作简单, 在短距离大容量的信息传递系统中具有重要应用.     

基于少模光纤的模分复用系统多输入多输出均衡与解调

针对光纤模分复用传输系统中模式耦合串扰问题, 设计并制备了一种新型少模光纤, 其较高的模式差分群延时保证各模式信道独立传输.在此基础上, 提出一种级联多输入多输出(MIMO)延时均衡算法, 进一步减少源于模式复用器和解复用器的模式串扰, 提高基于少模光纤的模分复用传输系统的传输距离和传输容量.与传统MIMO均衡算法相比, 级联MIMO延时均衡算法在没有显著增加计算复杂度的条件下, 能够应用于模式差分群延时很大的模分复用传输系统.对单信道传输速率为 40 Gbps的四相相移键控两模复用传输系统进行仿真, 经40 km少模光纤传输后, 采用级联MIMO均衡算法较普通MIMO均衡算法有1.7 dB的质量因子的提升. 仿真结果证明, 使用少模光纤和级联MIMO延时均衡算法能够有效地消除模分复用信号间的串扰, 有望在下一代大容量光纤传输系统中获得 推广应用. 关键词： 模分复用 少模光纤 模式差分群延时 多输入多输出均衡     

一种沟槽辅助气孔隔离的低串扰高密度异质多芯少模光纤

以单模光纤为基础的传统光通信系统的容量已趋近其理论极限,多芯少模光纤是突破现有传输容量瓶颈的一种有效方式.本文设计了一种低串扰5-LP模的弱耦合异质芯7芯光纤,采用沟槽辅助和气孔隔离相结合的方法,在标准125μm外径的情况下实现了芯间和模间的低串扰.利用有限元法计算了纤芯之间的串扰、有效模面积等.经过设计优化,光纤在光通信C+L波段可以稳定传输5个LP模式,其中LP₂₁与LP₀₂模之间的有效折射率差最小,且大于1.1×10^–3;光纤中LP₃₁模式的芯间串扰最大且低于–50 dB/km,因此该光纤可以同时实现模间和芯间的低串扰传输. 7个纤芯中5个LP模的有效模面积均大于86μm~2,在波长1550 nm处相对纤芯复用因子为57.63,该光纤可用于大容量高速光纤传输系统.     

低差分模式时延少模光纤的有限元分析及设计

针对少模光纤展开研究, 利用Comsol软件计算其模场分布、有效折射率, 进而分析光纤的差分模式时延. 通过分析不同结构参量对模式数量和差分模式时延的影响, 设计出了两种低差分模式时延的少模光纤, 即带有外下陷的渐变式光纤和多阶少模光纤. 波长在1530–1570 nm 范围内, 带有外下陷的渐变式光纤支持四模传输, LP₁₁, LP₂₁, LP₀₂模式的差分模式时延的绝对值小于0.015 ps·m^-1; 多阶少模光纤支持两模传输, LP₁₁的差分模式时延低于0.185 ps·m^-1. 两种少模光纤均具有良好的差分模式时延特性, 适于在模分复用技术中应用.     

偏分复用系统中偏振模色散补偿与偏分解复用一体化方案

本文建立了偏分复用系统中偏振模色散与信号偏振态变化引起信道串扰的数学模型, 分析了偏振模色散对偏分复用信道射频功率的影响, 并提出了适用于偏分复用系统的光域偏振模色散补偿与偏分解复用同时进行的方案: 用信道的射频功率作为反馈控制信号, 监测链路中偏振模色散和偏振态变化引起的信道串扰的大小, 用改进的粒子群优化算法对偏振控制器进行自适应控制, 同时完成偏振模色散补偿与偏分解复用. 在112 Gb/s偏分复用-差分正交相移键控(PDM-DQPSK)传输系统中仿真验证了该方案的有效性. 结果表明该方案可以使112 Gb/s-PDM-DQPSK传输系统完成自适应偏分解复用的同时, 在1 dB的光信噪比代价下, 使系统对偏振模色散的容忍度提高20 ps. 关键词： 偏分复用系统 信道串扰 偏振模色散 偏分解复用     

一种基于三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器的设计与研究

本文提出了一种基于非对称三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器.该器件主要是由位于光纤中心的可提供基模和高阶模传输的中心纤芯和分别位于中心纤芯两侧的可提供基模传输的2个旁芯构成.根据光耦合理论,在输入端对3个纤芯分别输入LP₀₁模式的光,在传输过程中左旁芯的LP₀₁模式的光将逐步向中心纤芯耦合并转换为LP₂₁模式传输,而右旁芯中的LP₀₁模式的光则逐步耦合并转换为中心纤芯中的LP₃₁模式来传输.通过对光纤结构的优化设计和光纤长度的选择,使得在输出端同时完成旁芯LP₀₁模向中心纤芯LP₂₁和LP₃₁模的最佳转换,从而实现LP₀₁、LP₂₁和LP₃₁ 3种模式的光在中心纤芯中的复用.反之,若将该器件的输出端用作输入端则可以实现中心纤芯中3种模式的光向3个纤芯的解复用.本文利用有限元法和光束传播法进行了优化设计和仿真,并将光耦合理论与超模理论相结合进行了分析计...     

模式耦合对模分复用同传系统中量子误码率的影响

基于少模光纤模分复用的量子—经典信号同传方案中,光纤内的模式耦合效应会导致信道间发生串扰,造成误码。为此,构建了少模光纤分段化链路模型,研究了光纤拼接误差导致的模式耦合强度大小,并在此基础上推导了存在模式耦合时系统的量子误码率(QBER)公式。通过比较各模式所受到的耦合强度,确定该同传方案中量子信号的最优传输模式;进一步讨论了不同纤芯轴向偏移距离、扭转角度和光纤长度对系统QBER的影响。结果表明,这三个影响链路模式耦合强弱的因素都与QBER成正相关,光纤拼接误差较小的短距离量子—经典信号模分复用同传系统可有效降低QBER。     

基于少模光纤的全光纤熔融模式选择耦合器的设计及实验研究

提出了三种基于少模光纤的全光纤熔融模式选择耦合器. 根据模式匹配原理采用单模光纤与少模光纤熔融连接方式, 运用耦合模理论及光束传播法模拟分析了模式选择耦合器的结构参数对模式选择及耦合特性的影响, 实现了单模光纤中基模到少模光纤中不同阶模式的转换, 以满足不同的应用需求. 实验上以2× 2熔融光纤耦合器为例, 采用对称和非对称熔融拉锥方式, 分别实现了从基模到LP₁₁, LP₂₁模式的转换. 实验结果表明所得到的LP₁₁, LP₂₁模式在1530–1560 nm的波长带宽范围内均有较高的模式纯净度, 且模式耦合效率高于80%, 与理论模拟结果基本一致.     

三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件

提出了一种三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件,该器件由单层石墨烯覆盖的一维光子晶体纳米梁腔电光调制模块和纳米线波导模分复用模块组成。利用三维时域有限差分法进行仿真分析,结果表明,该器件可以同时实现TE₀模、TE₁模和TE₂模的调制和模分复用功能。当波长为1 570 nm时,消光比大于28.3 dB,插入损耗小于0.21 dB,信道串扰小于-28.6 dB,调制器的3 dB带宽达到100 GHz,器件尺寸约为100μm×13μm。该集成器件性能优良,在大容量光通信系统中具有重要的应用价值。     

基于伴随法逆向设计的硅基分模器

基于伴随优化设计算法逆向设计了一种高集成度硅基分模器。通过优化设计得到横电模TE₀和TE₁双模分模器的尺寸仅为5.5μm×4μm,其可在不改变模阶数的情况下实现模式高效分离。理论结果显示：当输入TE₀模式时,中心波长处的插入损耗和串扰分别为0.14 dB和-23.8 dB;当输入TE₁模式时,插入损耗和串扰分别为0.48 dB和-22.45 dB;工作带宽覆盖150 nm时,TE₀和TE₁模式的插入损耗分别低于0.44 dB和1.16 dB。基于全矢量三维有限时域差分法分析了±15 nm制备容差,两种模式的插入损耗低于0.79 dB,串扰低于-18.37 dB。所提出的紧凑型硅基分模器可应用于片上模分复用系统,为大容量片上光通信和光互联提供可行器件。     

基于对称双环嵌套管的低损耗弱耦合六模空芯负曲率光纤

本文设计了一种具有对称双环嵌套管结构的新型低损耗少模空芯负曲率光纤,该光纤支持LP₀₁, LP₁₁,LP₂₁, LP₀₂, LP_31a, LP_31b共6种纤芯模式.所设计的光纤以SiO₂作为基底材料,采用特殊的对称双环嵌套结构将包层区域进行划分,能够有效地减小纤芯模式与包层模式的耦合.使用有限元法对该少模空芯负曲率光纤的结构参数进行优化,并分析了纤芯各个模式的限制损耗和弯曲损耗.仿真结果表明,所提出的少模空芯负曲率光纤能够同时支持弱耦合的6种纤芯模式独立传输(相邻模式间的有效折射率差均大于10^–4,有效地避免了纤芯内模式间的耦合).在400 nm带宽(1.23—1.63μm,覆盖O, E, S, C, L波段)范围内,纤芯中的6个模式均保持低损耗稳定传输.各模式限制损耗在1.4μm处达到最低,其中基模LP₀₁模式的限制损耗最低,为4.3×10^–7 d B/m.此外,当弯...     

基于概率成形和交织编码的少模光纤传输系统

对于少模光纤的理论模型分析尚未完善,采用光纤段的位移和旋转理论建立了少模光纤信道模型,该模型综合考虑了模式串扰和差分模时延等因素。为了提高系统性能,研究了采用概率成形和交织编码对信号传输性能的影响。仿真结果表明,16阶QAM（Quadrature Amplitude Modul）信号经过长为50 km的少模光纤传输后,在前向纠错极限为3.8×10^-3的情况下,光信噪比需求降低了3 dB,而且有效提升了传输距离。     

32.768 Tbit/s净速率1000km长少模光纤波分复用系统

为了满足日益增长的数据需求,实现“超大容量、超长距离”通信,结合波分复用、偏振复用、模式复用3种复用技术,演示了一个少模光纤传输系统。实验生成符合ITU-T标准的80个通道,利用两个正交偏振及LP11a、LP11b两个模式,在最长达1000 km的少模光纤上传输32 GBaud的16QAM信号。为了减少色散效应和严重的偏振间、模间串扰产生的影响,在接收端数字信号处理（DSP）中,采用基于时域和频域的多输入多输出（MIMO）均衡解复用技术,显著提升系统性能。实验结果表明,经500/1000 km的少模光纤传输,系统的比特误码率（BER）分别能满足7%低密度奇偶校验码（LDPC）硬判决门限（3.8×10-3）和25%LDPC软判决门限（4.2×10-2）。当少模光纤传输距离为1000 km时,系统实现的净速率为32.768 Tbit/s,属于国内领先水平。     

低差分模式群时延少模光纤的变分法分析及优化

基于少模光纤的模分复用技术可使传输容量增加数倍,是目前光纤通信系统的研究热点.当复用模式数量较多时,模式之间的串扰可在接收端采用多输入多输出数字信号处理算法解决.差分模式群时延(DMGD,DMGD)越大,算法复杂度越高,为了降低接收机的复杂度需要使用低DMGD的少模光纤.本文提出了使用变分法分析任意芯层折射率高于包层的少模光纤,推导出了这类光纤中基模的模斑尺寸、各个模式归一化传播常数、相对于基模的DMGD的解析表达式,以及它们与归一化频率和光纤制造参数的关系.在此基础上,以梯度型少模光纤为研究对象,优化了光纤参数,得到能够传输前6个LP模,在C和L波段|τ_DMGD|<15 ps/km的少模光纤的优化参数为:最大芯层折射率与包层折射率之差n₁-n₂=0.01,纤芯半径a=14μm,折射率分布指数α=1.975.最后讨论了光纤制造误差对DMGD的影响.     

少模光纤熔接点处模式耦合测量

在少模光纤的模分复用(MDM)系统中,少模光纤之间的熔接不可避免。精确测量少模光纤熔接点处的模式耦合,可以为评估熔接质量和定位系统故障提供可靠依据。基于背向瑞利散射原理,分析了少模光纤熔接点处模式耦合特性,基于光子灯笼结构和光纤环形器建立了少模光纤熔接点耦合测量系统,成功测试了两段3模光纤(长度分别为0.9km和9.8km)熔接点处的模式耦合。实验结果表明:当偏移量为1.5μm和2.0μm时,熔接点处模式耦合分别为-14.9dB和-13.9dB。     

基于MZI结构的二氧化硅波导模式选择开关

设计并且制备了一种基于马赫-曾德尔干涉仪结构的二氧化硅波导模式选择开关。该器件由不对称定向耦合器及金属电极组成。通过金属电极产生的热场改变单模波导中的模式相位,实现了单模波导中E₀₀模式向多模波导中E₁₀模式的转换。器件采用标准CMOS工艺制备,在调制臂两侧引入空气槽,提高热场调制效率,降低开关功耗。实验结果表明,当输入E₀₀模式时,输出端的串扰小于-17.13 dB,消光比大于16.7 dB;当输入E₁₀模式时,输出端的串扰小于-19.84 dB,消光比大于22.5 dB。模式开关的上升时间和下降时间分别为0.7 ms和1 ms。该模式选择开关在模分复用系统中具有良好的应用前景。     

一种具有低串扰低非线性的双沟槽环绕型十三芯五模光纤

信息化对高速大容量光纤网络的需求日益强烈,空分/模分复用是继波分复用之后可使通信容量翻倍的新一代光纤通信技术.本文提出了一种双沟槽环绕型十三芯五模光纤,以满足未来对高速大容量信息传输的需求.针对空分-模分复用中降低串扰的目标设计优化光纤,采用双沟槽环绕结构,将光能量更好地限制在纤芯内,从而减小芯间和模间串扰.利用全矢量有限元法与功率耦合理论相结合计算并分析多芯光纤的串扰和传输特性.经过优化结构参数,可使光纤在1.3—1.7μm波段内稳定传输LP01, LP11, LP21, LP02,和LP31 5个模式;信号在1.55μm波长处传输60 km时,对应于以上5个模式相邻纤芯的芯间串扰分别为–122.37,–114.76,–106.28,–100.68,–92.81 d B,相邻模式之间的有效折射率差大于1.026×10–3,芯间和模间串扰可以被有效抑制; 5个模式对应的非线性系数分别为0.74, 0.82, 0.88, 1.26, 0.93 W–1·km–1,均可保持低非线性传输.该光纤结构简单紧凑,可利用气相沉积法和堆叠法制备预制棒,进一步拉制成具有低串扰低非线性的十三芯五模光纤,可应用于长距离高速大容量光纤传输系统.     

基于预编码的模群复用信号串扰抵消技术

在基于光子灯笼强度调制直接检测(IM-DD)的模群复用传输系统中,提出一种用于降低信号串扰的基于单端信道估计的预编码方案。该方案使用环形器和分路器作为信号返回机制,将信号返回到发送端进行发送端单端信道估计,然后将得到的信道传递矩阵用于预编码。实验结果表明,经所提预编码方案的处理,在背靠背及连接500 m少模光纤的模群复用传输系统中,信号误码率(BER)在1.3×10~(-2)前向纠错(FEC)门限时,LP_(01)-LP_(01)和LP_(11a)-LP_(11b)信道的信号发送功率分别降低了约3 dB和1 dB。本研究为解决点到多点的IM-DD模群复用传输系统中的信号串扰问题提供了一种有效的方案。     

七芯及十九芯大模场少模光纤的特性研究和比对分析

提出了一种新型的多芯大模场少模光纤.包含缺失空气孔的特殊结构使其具有独特的少模特性, 仅传输HE₁₁模和HE₂₁模.分析表明七芯大模场少模光纤能维持稳定的双模式运转, 且基模有效面积可达866.54 μm². 系统研究了光纤结构参数影响模式特性和基模有效面积的规律, 并分析了纤芯数目增加带来的性能相似性和差异性–-进阶的十九芯大模场少模光纤在继承少模特性的同时, 模场面积大大增加, 其基模有效面积可高达3617.55 μm². 对比已报道的少模光纤, 多芯大模场少模光纤获得了更大的有效面积, 并具有良好的弯曲特性, 有望被用于更高功率的光纤放大器、光纤激光器以及高速大容量光纤传输系统中. 关键词： 少模光纤 多芯 大模场面积 弯曲损耗