第44卷第4期激光與紅外Vol. 44. No 42014年4月Laser INfraredApril, 2014文章編號:1001-5078(2014)04042405光纖技術用于空分復用的模式復用技術研究高松,劉艷,陳潤秋,韓高峰(北京交通大學,北京100044)摘要:空分復用技術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( Multiple- .Input multipleOutput)、基于多模光纖、空間光學元件的模式復用等。針對空分復用技術,分析了幾種模式復用解決方案,闡述原理的同時,介紹了各方案的最新實驗結果,最后對各種方案的特點進行了評述。關鍵詞:光纖通信;模式復用;多模光纖;多芯光纖中圖分類號:TN929.11文獻標識碼: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概述般采用在一個大直徑包層里大角度分布幾根纖芯來近年來,雖然傳統(tǒng)基于單模光纖( Singlemode避免能量耦合進入聚合物涂層,每一根纖芯作為ber,sMF)的通信系統(tǒng)的容量不斷增加,但始終無個獨立的傳輸通道1-3法突破固有的香農(nóng)極限。為了使光通信系統(tǒng)容量能如果通過MMF的模式復用技術來實現(xiàn)SDH進一步的提高,空分復用技術( Space- Division multi-可以使用模式選擇復用器或濾波器,獨立激發(fā)出不plexing,SDM)便應運而生。SDM技術的最終目的同的高階模式,形成相互獨立的傳輸信道;也可就是要使不同的光信號在空間范圍內(nèi)分開傳輸,互以利用一些空間光學元件的特性,在MMF中實現(xiàn)不干擾。由于MMF( Multimode fiber)中存在很多高特定高階模式的激發(fā)。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的空分復用成為現(xiàn)在研究的主基金項目:中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(Na2013JBM5)流,而采用MMF的空分復用中的關鍵是如何實現(xiàn)資助作者簡介:高松(1987-),男,碩士,主要從事光傳感器方面的模式復用。研究工作。E-mail:11120083@bjtu.edu.cn采用多芯光纖來作為SDM技術的解決方案,收稿日期:2013406-26;修訂日期:20130903激光與紅外No.42014高松等用于空分復用的模式復用技術研究425在MMF中,高階模式的激發(fā)往往會伴隨著通過模式選擇裝置實現(xiàn)的。具體實現(xiàn)方案如圖2其他一些不需要的模式的激發(fā),為了克服這一問所示。題,很多MDM解決方案會應用只能傳輸幾種模x通過具體的MDM解決方案來說明如何實現(xiàn)模式+2((M式的少模光纖FMF(few- mode fiber)3。下面就2MMF Demu復用圖2模式組模式復用器結構圖2基于光纖結構的模式復用以兩路不同的信號為例( signal1, signal2)。2.1多芯光纖結構模式復用器signal1在MMF纖芯的中心位置處耦合進入,將會Chin-ping Yu教授在文獻[6]中通過多芯光纖在MMF中激發(fā)低階模式組; signal2在偏移中心位來將入射光場分布模擬為MMF中要激發(fā)的高階置一段距離處耦合,激發(fā)高階模式組,能量分布如圖模式的光場分布,從而在MMF中激發(fā)出相應分布3(b)中黑色線條與灰色線條所示。的高階模式,實現(xiàn)模式復用。具體解決方案如圖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輸岀端、MMF能量分布及探測區(qū)域示意(a)LPu與LP1b光場能量分布圖在輸出端,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)域分別對應輸入端信號在MMF纖芯中的耦合位置。Schollmann教授在文獻[9]中報道了采用這種方法將10.7Gb/s的信號傳輸了300m的實驗(b)多芯光纖模式復用器結構圖圖1多芯光纖模式復用器原理示意圖結果。圖1(a)為運用光東傳播法計算出的MMF前模式組復用系統(tǒng)使光信號傳輸了10m多埃因霍溫科技大學的H.S.Chen教授也曾提10個引導模式中的第2個與第3個,用m=2與到過這種思想,與 Stefan Schollmann教授所不同的=3表示,它其實就是LP1模式的兩個簡并是,他采用了三組模式群,實現(xiàn)了3×30光模式圖1(b)中,一個相位控制器和一個模式復用器2.3雙芯光纖結構模式復用器來模擬m=2與m=3的場分布,由TXl輸入的光模這種方法是通過控制光纖復用器相互作用的擬m=2時的光場分布,X2中輸入的光模擬m=3參數(shù)來實現(xiàn)模式復用器與解復用器( MUX/DE時的光場分布。MUX)。這樣,在MMF中就可以激發(fā)出LP1與LP1兩如圖4(a)所示,模型采用長周期光纖布拉格光個相應的模式,來作為兩個不同信道傳輸信號。柵( LPFBG)來將LP模式轉(zhuǎn)換為UP1模式,當光柵此外,可以采用FMF來代替MMF,從而減少不需要周期A為480um時,光柵可以將LPm模式轉(zhuǎn)換為的高階模式的激發(fā)。LP1模式1212.2模式組結構模式復用器在2×2的對稱光纖復用器中,圖4(b)和圖4Stefan Schollmann教授在文獻[8]中提出:不同(c)所示為不同模式的耦合比隨著兩根纖芯距離的的信號在MMF纖芯中的不同位置耦合進入,使得變化曲線,圖4(b)對應直通臂,圖4(c)對應交叉不同的信號在MMF中激發(fā)出不同的模式組,以此臂?？梢钥闯?當相互作用區(qū)間長度和纖芯距離為來建立不同的傳輸信道。在輸出端,信號的分離是特定值時,可以使LPo模式的能量基本都保持在直激光與紅外第44卷通臂中,而LP模式的能量基本都在耦合臂中,因在圖5中即為后半部分的MIMO全通濾波器,按照此,可以將光纖復用器作為模式解復用器(DE-一定的規(guī)則將各個采樣端合理耦合,就能實現(xiàn)模式MUX)。由于此過程的可逆性,還可以將光纖復用復用。器作為模式復用器(MUX)。H. Bulow教授在文獻[14]中將復用模式數(shù)增LPo+LPu加到了5個,并且更加具體說明了如何配置MIMocoreSeparation of two cores全通濾波器。3基于空間光學元件的模式復用3.1相位波片結構模式復用器LPFBGLPor+LPIL文獻[15]介紹了一種應用相位波片制作的相雙芯光纖模式復用器結構示意LPI位全息圖模式復用器模式復用器的主要作用是將輸入端的光束耦合進入MMF中的不同模式中,如圖6所示,0端口輸e0.6入的光束直接耦合進入3MF的LPo模式,1端口和2端口都有一個薄全息圖來將它們對應耦合進入(b能量分布示意圖AmSeparation of twoLP1模式。模式和相位分布如圖7所示圖4雙芯光纖結構模式復用器原理示意圖2.4光圈探針采樣結構模式復用MF紐倫堡大學教授 H. Bulow在文獻[13]中提出圖6相位波片結構模式復用器結構示意圖了基于光圈探針采樣結構的模式復用方案,下面以在接收端的模式解復用器為例來說明其原理,具體結構模型如圖5所示,由于系統(tǒng)的可逆性,該結構同樣可以作為模式復用器。lIb PUla+LPub圖7各模能量和相位分布示意圖CC1 WI1 CC2 CC3對于LP1模式,如圖7所示,它有兩個簡并模LPe XI式,全息圖由兩個具有T相位差的半波片組成模型中使用三個準直器,在3MF的端面前設置兩個分束器,分別將0端口和2端口的光耦合至一D為3MF,3MF為歸一化頻率為5的折射率下陷分布圖5光圈探針結構模式復用器結構示意圖光纖該結構中,MMF端面與若干個抽樣光圈相連文中采用了一種特殊的方法來評價信道串接,后面通過一個由定向復用器級聯(lián)并聯(lián)組成的擾,文獻[16]采用此文中提出的模型,通過6×6MIMO全通濾波器,來達到解復用的目的。相干 MIMIO處理,成功進行了10km三模光纖空抽樣向量y=K·z,K為抽樣轉(zhuǎn)換矩陣,一般由分復用實驗。光纖特征參數(shù)決定,為已知;z為輸入矩陣3.2SLM( Spatial Light Modulator)結構模式復用器為了消除信道串擾,需要將K矩陣中的各列轉(zhuǎn)文獻[17]采用了圖8(a)所示的模式轉(zhuǎn)換原換為線性無關的向量組,T=R.K,T即為K矩陣理,從SMF端面到MMF端面之間構成4F光學系的正交表示,輸出端的矩陣表示即為x=T·z。R統(tǒng),利用4F系統(tǒng),可以把相位分布物變換成可以激光與紅外No.42014高松等用于空分復用的模式復用技術研究427觀察到的光強分布,進行所謂的“相幅轉(zhuǎn)換”。圖雖然上述各種模式復用和解復用的方案結構8(b)為實際應用的模式轉(zhuǎn)換器。LCOs( liquid不同,原理不同,但是最終都達到了利用不同模式crystal on silicon)作為衍射元件設置在4F光學系建立不同信道的目的,使MMF的傳輸容量得到了統(tǒng)的傅里葉變換面上對橫向光場的相位進行調(diào)大幅提升,為空分復用技術的實現(xiàn)提供了很好的制,圖中從SMF輸出的光經(jīng)左側(cè)透鏡準直后經(jīng)過解決方案,也為未來通信系統(tǒng)容量的增加提供了一透鏡,此透鏡的作用相當于傅里葉變換,再經(jīng)過可能。LCOS進行空間相位調(diào)制后,通過第二個透鏡,相當于進行傅里葉反變換,為了優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的性能參考文獻第一個透鏡的焦距要和所需模式匹配。通過這種[1]Bzhu, T F Taunay, M FYan,eta. Seven-core multicore方式,就可以在MMF中激發(fā)所需模式,進而實現(xiàn)fiber transmissions for passive optical network[ J]. Opt模式復用。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模式復用器示意圖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-圖8SIM模式復用器及實際應用SLM復用器示意圖merica, 2011), paper PDPB84結論[6 Chin Ping yu, Liou Jiahong, Chiu Ijen, et al. Mode mul-本文介紹分析了多種不同的MDM解決方案,tiplexer for multimode transmission in multimode fibers大致可以分為光纖結構和非光纖結構兩大類[J].Opt. Express,2011,19(13):12673-12678多芯光纖結構模式復用器、相位波片結構模70Hsm, Y Takashima, Y C Chung Transmissio0式復用器本質(zhì)上是通過模擬固定的模式場分布來over 3. 7 km of multimode激發(fā)相應模式;雙芯光纖結構模式復用器利用兩Fiber using mode-Field Matched Center Launching tech種不同模式在兩個纖芯中能量的交換來實現(xiàn)模式ique[ C]//Proceedings of OFC 2007, Anaheim, USA2007),OTul復用與解復用;這三類解決方案一般應用在少量[8 Stefan Schollmann, Chunmin Xia, Werner Rosenkranz E模式復用系統(tǒng)之中。模式組結構模式復用器通過mental investigations of mode group diversity multiplexin激發(fā)模式組來實現(xiàn)模式復用,增加不同的耦合位multimode fiber[ C]. Optical Society of America, 2011置可以增加激發(fā)的模式組數(shù)目;光圈探針采樣結[o1 Stefan Schollmann Steven Sonef, Werner rosenkranz.構模式復用器可以通過配置MMO全通濾波器來7 Gb/s over 300 m GI-MMF using a 2 x 2 MIMO system增加復用模式數(shù)目;SLM結構模式復用器利用模based on mode group diversity multiplexing[ C]//Proceed式轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)模式復用,這三類解決方案既可以ings of OFC 2007, Anaheim, USA, 2007). OTuL2應用在基于多模光纖的復用系統(tǒng)之中,也適用于[101 H S Chen, H P A van den boom, A M J Kooner.30Gi/s少模光纖復用系統(tǒng)。33 optical mode group division multiplexing system with激光與紅外第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