用于空分复用的模式复用技术研究

第44卷第4期激光与红外Vol. 44. No 42014年4月Laser INfraredApril, 2014文章编号:1001-5078(2014)04042405光纤技术用于空分复用的模式复用技术研究高松,刘艳,陈润秋,韩高峰(北京交通大学,北京100044)摘要:空分复用技术作为克服单模光纤通信系统容量局限的一种可能解决方案近年来受到日益广泛的重视,具有多种实现方案,例如采用多芯光纤、MIMO技术( Multiple- .Input multipleOutput)、基于多模光纤、空间光学元件的模式复用等。针对空分复用技术,分析了几种模式复用解决方案,阐述原理的同时,介绍了各方案的最新实验结果,最后对各种方案的特点进行了评述。关键词:光纤通信;模式复用;多模光纤;多芯光纤中图分类号:TN929.11文献标识码:ADOI:10.3969/jisn.10015078.2014.04.16Study on mode multiplexing used in space-division multiplexingGAO Song, LIU Yan, CHEN Run-qiu, HAN Gao-fengSchool of Electronic Engineering, Beijing Jiao Tong University, Beijing 100044, ChinaAbstract: Space division multiplexing, as a possible solution to overcome the limitations of single-mode fiber commu-nication system, has attracted more and more attentions in recent years. It has a variety of implementations, such amulticore fiber, MIMO processing, mode-division based on multimode fiber and space optical component. Some solttions of mode multiplexing are analyzed, their principles are elaborated, and the latest progress of each solution is introduced. Finally. the characteristics of the various solutions have been revieweKey words: optical fiber communication; mode multiplexing; multimode fiber; multicore fiber1概述般采用在一个大直径包层里大角度分布几根纤芯来近年来,虽然传统基于单模光纤( Singlemode避免能量耦合进入聚合物涂层,每一根纤芯作为ber,sMF)的通信系统的容量不断增加,但始终无个独立的传输通道1-3法突破固有的香农极限。为了使光通信系统容量能如果通过MMF的模式复用技术来实现SDH进一步的提高,空分复用技术( Space- Division multi-可以使用模式选择复用器或滤波器,独立激发出不plexing,SDM)便应运而生。SDM技术的最终目的同的高阶模式,形成相互独立的传输信道;也可就是要使不同的光信号在空间范围内分开传输,互以利用一些空间光学元件的特性,在MMF中实现不干扰。由于MMF( Multimode fiber)中存在很多高特定高阶模式的激发。阶模式,每个模式都有成为一个独立传输信道的可能,所以基于MMF的空分复用成为现在研究的主基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(Na2013JBM5)流,而采用MMF的空分复用中的关键是如何实现资助作者简介:高松(1987-),男,硕士,主要从事光传感器方面的模式复用。研究工作。E-mail:11120083@bjtu.edu.cn采用多芯光纤来作为SDM技术的解决方案,收稿日期:2013406-26;修订日期:20130903激光与红外No.42014高松等用于空分复用的模式复用技术研究425在MMF中,高阶模式的激发往往会伴随着通过模式选择装置实现的。具体实现方案如图2其他一些不需要的模式的激发,为了克服这一问所示。题,很多MDM解决方案会应用只能传输几种模x通过具体的MDM解决方案来说明如何实现模式+2((M式的少模光纤FMF(few- mode fiber)3。下面就2MMF Demu复用图2模式组模式复用器结构图2基于光纤结构的模式复用以两路不同的信号为例( signal1, signal2)。2.1多芯光纤结构模式复用器signal1在MMF纤芯的中心位置处耦合进入,将会Chin-ping Yu教授在文献[6]中通过多芯光纤在MMF中激发低阶模式组; signal2在偏移中心位来将入射光场分布模拟为MMF中要激发的高阶置一段距离处耦合,激发高阶模式组,能量分布如图模式的光场分布,从而在MMF中激发出相应分布3(b)中黑色线条与灰色线条所示。的高阶模式,实现模式复用。具体解决方案如图1Launch position所示。Signal I at centerL(a)Mode multiplexer at transmitter side00(b)Power distrlbution in the MMF (c)Detection areas at the recelver side3输岀端、MMF能量分布及探测区域示意(a)LPu与LP1b光场能量分布图在输出端,如图3(c)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纤芯中的耦合位置。Schollmann教授在文献[9]中报道了采用这种方法将10.7Gb/s的信号传输了300m的实验(b)多芯光纤模式复用器结构图图1多芯光纤模式复用器原理示意图结果。图1(a)为运用光東传播法计算出的MMF前模式组复用系统使光信号传输了10m多埃因霍温科技大学的H.S.Chen教授也曾提10个引导模式中的第2个与第3个,用m=2与到过这种思想,与 Stefan Schollmann教授所不同的=3表示,它其实就是LP1模式的两个简并是,他采用了三组模式群,实现了3×30光模式图1(b)中,一个相位控制器和一个模式复用器2.3双芯光纤结构模式复用器来模拟m=2与m=3的场分布,由TXl输入的光模这种方法是通过控制光纤复用器相互作用的拟m=2时的光场分布,X2中输入的光模拟m=3参数来实现模式复用器与解复用器( MUX/DE时的光场分布。MUX)。这样,在MMF中就可以激发出LP1与LP1两如图4(a)所示,模型采用长周期光纤布拉格光个相应的模式,来作为两个不同信道传输信号。栅( LPFBG)来将LP模式转换为UP1模式,当光栅此外,可以采用FMF来代替MMF,从而减少不需要周期A为480um时,光栅可以将LPm模式转换为的高阶模式的激发。LP1模式1212.2模式组结构模式复用器在2×2的对称光纤复用器中,图4(b)和图4Stefan Schollmann教授在文献[8]中提出:不同(c)所示为不同模式的耦合比随着两根纤芯距离的的信号在MMF纤芯中的不同位置耦合进入,使得变化曲线,图4(b)对应直通臂,图4(c)对应交叉不同的信号在MMF中激发出不同的模式组,以此臂。可以看出,当相互作用区间长度和纤芯距离为来建立不同的传输信道。在输出端,信号的分离是特定值时,可以使LPo模式的能量基本都保持在直激光与红外第44卷通臂中,而LP模式的能量基本都在耦合臂中,因在图5中即为后半部分的MIMO全通滤波器,按照此,可以将光纤复用器作为模式解复用器(DE-一定的规则将各个采样端合理耦合,就能实现模式MUX)。由于此过程的可逆性,还可以将光纤复用复用。器作为模式复用器(MUX)。H. Bulow教授在文献[14]中将复用模式数增LPo+LPu加到了5个,并且更加具体说明了如何配置MIMocoreSeparation of two cores全通滤波器。3基于空间光学元件的模式复用3.1相位波片结构模式复用器LPFBGLPor+LPIL文献[15]介绍了一种应用相位波片制作的相双芯光纤模式复用器结构示意LPI位全息图模式复用器模式复用器的主要作用是将输入端的光束耦合进入MMF中的不同模式中,如图6所示,0端口输e0.6入的光束直接耦合进入3MF的LPo模式,1端口和2端口都有一个薄全息图来将它们对应耦合进入(b能量分布示意图AmSeparation of twoLP1模式。模式和相位分布如图7所示图4双芯光纤结构模式复用器原理示意图2.4光圈探针采样结构模式复用MF纽伦堡大学教授 H. Bulow在文献[13]中提出图6相位波片结构模式复用器结构示意图了基于光圈探针采样结构的模式复用方案,下面以在接收端的模式解复用器为例来说明其原理,具体结构模型如图5所示,由于系统的可逆性,该结构同样可以作为模式复用器。lIb PUla+LPub图7各模能量和相位分布示意图CC1 WI1 CC2 CC3对于LP1模式,如图7所示,它有两个简并模LPe XI式,全息图由两个具有T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端口的光耦合至一D为3MF,3MF为归一化频率为5的折射率下陷分布图5光圈探针结构模式复用器结构示意图光纤该结构中,MMF端面与若干个抽样光圈相连文中采用了一种特殊的方法来评价信道串接,后面通过一个由定向复用器级联并联组成的扰,文献[16]采用此文中提出的模型,通过6×6MIMO全通滤波器,来达到解复用的目的。相干 MIMIO处理,成功进行了10km三模光纤空抽样向量y=K·z,K为抽样转换矩阵,一般由分复用实验。光纤特征参数决定,为已知;z为输入矩阵3.2SLM( Spatial Light Modulator)结构模式复用器为了消除信道串扰,需要将K矩阵中的各列转文献[17]采用了图8(a)所示的模式转换原换为线性无关的向量组,T=R.K,T即为K矩阵理,从SMF端面到MMF端面之间构成4F光学系的正交表示,输出端的矩阵表示即为x=T·z。R统,利用4F系统,可以把相位分布物变换成可以激光与红外No.42014高松等用于空分复用的模式复用技术研究427观察到的光强分布,进行所谓的“相幅转换”。图虽然上述各种模式复用和解复用的方案结构8(b)为实际应用的模式转换器。LCOs( liquid不同,原理不同,但是最终都达到了利用不同模式crystal on silicon)作为衍射元件设置在4F光学系建立不同信道的目的,使MMF的传输容量得到了统的傅里叶变换面上对横向光场的相位进行调大幅提升,为空分复用技术的实现提供了很好的制,图中从SMF输出的光经左侧透镜准直后经过解决方案,也为未来通信系统容量的增加提供了一透镜,此透镜的作用相当于傅里叶变换,再经过可能。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参考文献第一个透镜的焦距要和所需模式匹配。通过这种[1]Bzhu, T F Taunay, M FYan,eta. Seven-core multicore方式,就可以在MMF中激发所需模式,进而实现fiber transmissions for passive optical network[ J]. Opt模式复用。Express,2010,18(11):1117-1112Spatial phase[2 B Zhu, T F Taunay, M F Yan, et al. 70-Gb/s multicore multimode fiber transmissions for optical data links[J]. IEEE3]BZhu,TFTaunay,MFisheyn,etal.space,wavelength-, polarization-division multiplexed transmission of56-Tb/s over a 76 8-km seven-core fiber[ C]. Optical Fi-IFTber Communication Conference. oSa Technical Digest(a)SLM模式复用器示意图CD)( Optical Society of America, 2011), paper PDPB7[4 A R Shah, R C J Hsu, A Tarighat, et al. Coherent opticalMIMO( COMIMO )[J.J Lightwave Technol., 2005, 235 A Li, AA Amin, X Chen, et al. Reception of mode andlarization multiplexed 107-Gb/s COOFDM signal over ao-mode fiber[C]. Optical Fiber Communication ConferOSA Technical Digest( CD)( Optical Society of A-图8SIM模式复用器及实际应用SLM复用器示意图merica, 2011), paper PDPB84结论[6 Chin Ping yu, Liou Jiahong, Chiu Ijen, et al. Mode mul-本文介绍分析了多种不同的MDM解决方案,tiplexer for multimode transmission in multimode fibers大致可以分为光纤结构和非光纤结构两大类[J].Opt. Express,2011,19(13):12673-12678多芯光纤结构模式复用器、相位波片结构模70Hsm, Y Takashima, Y C Chung Transmissio0式复用器本质上是通过模拟固定的模式场分布来over 3. 7 km of multimode激发相应模式;双芯光纤结构模式复用器利用两Fiber using mode-Field Matched Center Launching tech种不同模式在两个纤芯中能量的交换来实现模式ique[ C]//Proceedings of OFC 2007, Anaheim, USA2007),OTul复用与解复用;这三类解决方案一般应用在少量[8 Stefan Schollmann, Chunmin Xia, Werner Rosenkranz E模式复用系统之中。模式组结构模式复用器通过mental investigations of mode group diversity multiplexin激发模式组来实现模式复用,增加不同的耦合位multimode fiber[ C]. Optical Society of America, 2011置可以增加激发的模式组数目;光圈探针采样结[o1 Stefan Schollmann Steven Sonef, Werner rosenkranz.构模式复用器可以通过配置MMO全通滤波器来7 Gb/s over 300 m GI-MMF using a 2 x 2 MIMO system增加复用模式数目;SLM结构模式复用器利用模based on mode group diversity multiplexing[ C]//Proceed式转换来实现模式复用,这三类解决方案既可以ings of OFC 2007, Anaheim, USA, 2007). OTuL2应用在基于多模光纤的复用系统之中,也适用于[101 H S Chen, H P A van den boom, A M J Kooner.30Gi/s少模光纤复用系统。33 optical mode group division multiplexing system with激光与红外第44卷mode-selective spatial filtering C]. OSA/OFC/NFOEClexers and mIMo processing[ C //Proc. OECC, 20122011,OTuL2.2011[Il Nobutomo Hanzawa, Kunimasa Saitoh, Taiji Sakamoto, et [15 R Ryf, C Bolle, J von Hoyningen-Huene Optical couplingsion over 10 km two-mode fiber with mode coupler[C][C//Optical Fiber Communication Conference, OSAOSA/OFC/NFOEC 2011. OTuL2 2011Technical Digest( CD)(Optical Society of America[12]S Savin, et al. Tunable mechanically induced long-period2011), paper PDPB12fber[16 R Ryf, et al[13] H Bulow. Optical-mode demultiplexing by optical MIMOthree-mode fiber using coherent 6 x 6 MIMO processing C]filtering of spatial samples[ J ]. IEEE Technology LettersProc. Opt. Fiber Commun. Conf. (OFC), P. PDPB10, 20112012,24(12):1045-1047[17 B Franz, H Bulow Mode group multiplexing over graded[14 H Bulow, H Al-Hashimi, B Schmauss Spatial mode multidex multimode fiber[ J]. IEEE ICTON(2012), Th. A1.3