基于模式耦合控制的模分复用光通信技术研究

• 作 者: 刘亚平
• 机 构: 天津大学
• 出 处: 刘亚平
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 模分复用 少模光纤 少模掺铒光纤放大器 扰模器 分布式放大

基于少模光纤的模分复用系统能够使光通信容量得到数量级上的提升,但其中的模式相关损耗/增益、差分模式群延迟以及模式耦合等会影响传输系统的性能。对模式耦合程度的定量控制是缓解上述因素影响的行之有效方案。考虑到不同场景对模式耦合程度的需求不同,深入探究少模光纤中的模式相关特性、链路分立有源/无源器件中的模式耦合控制以及传输系统中的模式串扰抑制显得尤为必要。本论文立足于此,在光纤、放大器、扰模器及系统传输方案几个方面的研究内容有:（1）完善了少模光纤的本征损耗理论模型,探究了模分复用系统中少模光纤的模式损耗差异。仿真研究了不同纤芯掺杂材料和折射率分布情况下的模式损耗,并与单模光纤进行了比较。进一步地,提出了纤芯外围增加空气孔辅助结构的方案以降低模式损耗和模式相关损耗,实现了各模式损耗及模式相关损耗的同时降低。（2）提出了引入模式强耦合的新型放大器方案,降低了模分复用系统中少模光放大器的差分模式增益。基于矩阵耦合模型和铒离子能级跃迁理论,搭建了强耦合少模光纤放大器的增益仿真平台,并探究了与耦合强度相关的单点耦合强度和耦合点数对差分模式增益的影响,实现了铒离子均匀掺杂的光纤放大器中8.2 d B的差分模式增益大幅降低。此外,还探究了宽谱特性以及泵浦特性,并提出了基于CO2激光器在掺铒光纤上刻写长周期光栅实现模间强耦合的方案。（3）设计并实现了基于模间强耦合的宽带扰模器件,利于实现信道间的均衡。提出了基于多点按压结构的光纤扰模器,仿真了单点按压、双点按压以及多点按压情形下的模式耦合效率和宽谱特性,实验上实现了C波段内耦合效率稳定且插损小于1 d B的多点按压式扰模器。同时,利用3D打印技术,设计并实现了低成本两模宽带级联/啁啾长周期光纤光栅。（4）提出了基于分布式放大来减弱多径干扰效应的系统传输方案,缓解了准单模传输系统中的多径干扰影响,提升了系统性能。实验上比较了基于不同放大方案的准单模系统中接收端算法的复杂度,将抽头数量降低了1.6倍。结合低模式交叠的准单模光纤结构设计,进一步将抽头数量降低了3.5倍。