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(hào):1001-5078(2014)04042405光纖技術(shù)用于空分復(fù)用的模式復(fù)用技術(shù)研究高松,劉艷,陳潤(rùn)秋,韓高峰(北京交通大學(xué),北京100044)摘要:空分復(fù)用技術(shù)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(lái)受到日益廣泛的重視,具有多種實(shí)現(xiàn)方案,例如采用多芯光纖、MIMO技術(shù)( Multiple- .Input multipleOutput)、基于多模光纖、空間光學(xué)元件的模式復(fù)用等。針對(duì)空分復(fù)用技術(shù),分析了幾種模式復(fù)用解決方案,闡述原理的同時(shí),介紹了各方案的最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果,最后對(duì)各種方案的特點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)述。關(guān)鍵詞:光纖通信;模式復(fù)用;多模光纖;多芯光纖中圖分類號(hào):TN929.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(gè)大直徑包層里大角度分布幾根纖芯來(lái)近年來(lái),雖然傳統(tǒng)基于單模光纖( Singlemode避免能量耦合進(jìn)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(wú)個(gè)獨(dú)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(guò)MMF的模式復(fù)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)SDH進(jìn)一步的提高,空分復(fù)用技術(shù)( Space- Division multi-可以使用模式選擇復(fù)用器或?yàn)V波器,獨(dú)立激發(fā)出不plexing,SDM)便應(yīng)運(yùn)而生。SDM技術(shù)的最終目的同的高階模式,形成相互獨(dú)立的傳輸信道;也可就是要使不同的光信號(hào)在空間范圍內(nèi)分開傳輸,互以利用一些空間光學(xué)元件的特性,在MMF中實(shí)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(gè)模式都有成為一個(gè)獨(dú)立傳輸信道的可能,所以基于MMF的空分復(fù)用成為現(xiàn)在研究的主基金項(xiàng)目:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(Na2013JBM5)流,而采用MMF的空分復(fù)用中的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)資助作者簡(jiǎn)介:高松(1987-),男,碩士,主要從事光傳感器方面的模式復(fù)用。研究工作。E-mail:11120083@bjtu.edu.cn采用多芯光纖來(lái)作為SDM技術(shù)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(fù)用的模式復(fù)用技術(shù)研究425在MMF中,高階模式的激發(fā)往往會(huì)伴隨著通過(guò)模式選擇裝置實(shí)現(xiàn)的。具體實(shí)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(wèn)所示。題,很多MDM解決方案會(huì)應(yīng)用只能傳輸幾種模x通過(guò)具體的MDM解決方案來(lái)說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)模式+2((M式的少模光纖FMF(few- mode fiber)3。下面就2MMF Demu復(fù)用圖2模式組模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)圖2基于光纖結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用以兩路不同的信號(hào)為例( signal1, signal2)。2.1多芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器signal1在MMF纖芯的中心位置處耦合進(jìn)入,將會(huì)Chin-ping Yu教授在文獻(xiàn)[6]中通過(guò)多芯光纖在MMF中激發(fā)低階模式組; signal2在偏移中心位來(lái)將入射光場(chǎng)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(chǎng)分布,從而在MMF中激發(fā)出相應(yīng)分布3(b)中黑色線條與灰色線條所示。的高階模式,實(shí)現(xiàn)模式復(fù)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(cè)區(qū)域示意(a)LPu與LP1b光場(chǎng)能量分布圖在輸出端,如圖3(c)所示,可以通過(guò)選取不同的檢測(cè)區(qū)域來(lái)區(qū)分信號(hào),這兩個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)輸入端信號(hào)在MMF纖芯中的耦合位置。Schollmann教授在文獻(xiàn)[9]中報(bào)道了采用這種方法將10.7Gb/s的信號(hào)傳輸了300m的實(shí)驗(yàn)(b)多芯光纖模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)圖圖1多芯光纖模式復(fù)用器原理示意圖結(jié)果。圖1(a)為運(yùn)用光東傳播法計(jì)算出的MMF前模式組復(fù)用系統(tǒng)使光信號(hào)傳輸了10m多埃因霍溫科技大學(xué)的H.S.Chen教授也曾提10個(gè)引導(dǎo)模式中的第2個(gè)與第3個(gè),用m=2與到過(guò)這種思想,與 Stefan Schollmann教授所不同的=3表示,它其實(shí)就是LP1模式的兩個(gè)簡(jiǎn)并是,他采用了三組模式群,實(shí)現(xiàn)了3×30光模式圖1(b)中,一個(gè)相位控制器和一個(gè)模式復(fù)用器2.3雙芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器來(lái)模擬m=2與m=3的場(chǎng)分布,由TXl輸入的光模這種方法是通過(guò)控制光纖復(fù)用器相互作用的擬m=2時(shí)的光場(chǎng)分布,X2中輸入的光模擬m=3參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模式復(fù)用器與解復(fù)用器( MUX/DE時(shí)的光場(chǎng)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(zhǎng)周期光纖布拉格光個(gè)相應(yīng)的模式,來(lái)作為兩個(gè)不同信道傳輸信號(hào)。柵( LPFBG)來(lái)將LP模式轉(zhuǎn)換為UP1模式,當(dāng)光柵此外,可以采用FMF來(lái)代替MMF,從而減少不需要周期A為480um時(shí),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(jié)構(gòu)模式復(fù)用器在2×2的對(duì)稱光纖復(fù)用器中,圖4(b)和圖4Stefan Schollmann教授在文獻(xiàn)[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(hào)在MMF纖芯中的不同位置耦合進(jìn)入,使得變化曲線,圖4(b)對(duì)應(yīng)直通臂,圖4(c)對(duì)應(yīng)交叉不同的信號(hào)在MMF中激發(fā)出不同的模式組,以此臂。可以看出,當(dāng)相互作用區(qū)間長(zhǎng)度和纖芯距離為來(lái)建立不同的傳輸信道。在輸出端,信號(hào)的分離是特定值時(shí),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(fù)用器作為模式解復(fù)用器(DE-一定的規(guī)則將各個(gè)采樣端合理耦合,就能實(shí)現(xiàn)模式MUX)。由于此過(guò)程的可逆性,還可以將光纖復(fù)用復(fù)用。器作為模式復(fù)用器(MUX)。H. Bulow教授在文獻(xiàn)[14]中將復(fù)用模式數(shù)增LPo+LPu加到了5個(gè),并且更加具體說(shuō)明了如何配置MIMocoreSeparation of two cores全通濾波器。3基于空間光學(xué)元件的模式復(fù)用3.1相位波片結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器LPFBGLPor+LPIL文獻(xiàn)[15]介紹了一種應(yīng)用相位波片制作的相雙芯光纖模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意LPI位全息圖模式復(fù)用器模式復(fù)用器的主要作用是將輸入端的光束耦合進(jìn)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(jìn)入3MF的LPo模式,1端口和2端口都有一個(gè)薄全息圖來(lái)將它們對(duì)應(yīng)耦合進(jìn)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(jié)構(gòu)模式復(fù)用器原理示意圖2.4光圈探針采樣結(jié)構(gòu)模式復(fù)用MF紐倫堡大學(xué)教授 H. Bulow在文獻(xiàn)[13]中提出圖6相位波片結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖了基于光圈探針采樣結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用方案,下面以在接收端的模式解復(fù)用器為例來(lái)說(shuō)明其原理,具體結(jié)構(gòu)模型如圖5所示,由于系統(tǒng)的可逆性,該結(jié)構(gòu)同樣可以作為模式復(fù)用器。lIb PUla+LPub圖7各模能量和相位分布示意圖CC1 WI1 CC2 CC3對(duì)于LP1模式,如圖7所示,它有兩個(gè)簡(jiǎn)并模LPe XI式,全息圖由兩個(gè)具有T相位差的半波片組成模型中使用三個(gè)準(zhǔn)直器,在3MF的端面前設(shè)置兩個(gè)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(jié)構(gòu)模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖光纖該結(jié)構(gòu)中,MMF端面與若干個(gè)抽樣光圈相連文中采用了一種特殊的方法來(lái)評(píng)價(jià)信道串接,后面通過(guò)一個(gè)由定向復(fù)用器級(jí)聯(lián)并聯(lián)組成的擾,文獻(xiàn)[16]采用此文中提出的模型,通過(guò)6×6MIMO全通濾波器,來(lái)達(dá)到解復(fù)用的目的。相干 MIMIO處理,成功進(jìn)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(fù)用實(shí)驗(yàn)。光纖特征參數(shù)決定,為已知;z為輸入矩陣3.2SLM( Spatial Light Modulator)結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器為了消除信道串?dāng)_,需要將K矩陣中的各列轉(zhuǎn)文獻(xiàn)[17]采用了圖8(a)所示的模式轉(zhuǎn)換原換為線性無(wú)關(guān)的向量組,T=R.K,T即為K矩陣?yán)?從SMF端面到MMF端面之間構(gòu)成4F光學(xué)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(fù)用的模式復(fù)用技術(shù)研究427觀察到的光強(qiáng)分布,進(jìn)行所謂的“相幅轉(zhuǎn)換”。圖雖然上述各種模式復(fù)用和解復(fù)用的方案結(jié)構(gòu)8(b)為實(shí)際應(yīng)用的模式轉(zhuǎn)換器。LCOs( liquid不同,原理不同,但是最終都達(dá)到了利用不同模式crystal on silicon)作為衍射元件設(shè)置在4F光學(xué)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(duì)橫向光場(chǎng)的相位進(jìn)行調(diào)大幅提升,為空分復(fù)用技術(shù)的實(shí)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(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)解決方案,也為未來(lái)通信系統(tǒng)容量的增加提供了一透鏡,此透鏡的作用相當(dāng)于傅里葉變換,再經(jīng)過(guò)可能。LCOS進(jìn)行空間相位調(diào)制后,通過(guò)第二個(gè)透鏡,相當(dāng)于進(jìn)行傅里葉反變換,為了優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的性能參考文獻(xiàn)第一個(gè)透鏡的焦距要和所需模式匹配。通過(guò)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)fiber transmissions for passive optical network[ J]. Opt模式復(fù)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(fù)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(fù)用器及實(shí)際應(yīng)用SLM復(fù)用器示意圖merica, 2011), paper PDPB84結(jié)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(jié)構(gòu)和非光纖結(jié)構(gòu)兩大類[J].Opt. Express,2011,19(13):12673-12678多芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器、相位波片結(jié)構(gòu)模70Hsm, Y Takashima, Y C Chung Transmissio0式復(fù)用器本質(zhì)上是通過(guò)模擬固定的模式場(chǎng)分布來(lái)over 3. 7 km of multimode激發(fā)相應(yīng)模式;雙芯光纖結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器利用兩Fiber using mode-Field Matched Center Launching tech種不同模式在兩個(gè)纖芯中能量的交換來(lái)實(shí)現(xiàn)模式ique[ C]//Proceedings of OFC 2007, Anaheim, USA2007),OTul復(fù)用與解復(fù)用;這三類解決方案一般應(yīng)用在少量[8 Stefan Schollmann, Chunmin Xia, Werner Rosenkranz E模式復(fù)用系統(tǒng)之中。模式組結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器通過(guò)mental investigations of mode group diversity multiplexin激發(fā)模式組來(lái)實(shí)現(xiàn)模式復(fù)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(jié)[o1 Stefan Schollmann Steven Sonef, Werner rosenkranz.構(gòu)模式復(fù)用器可以通過(guò)配置MMO全通濾波器來(lái)7 Gb/s over 300 m GI-MMF using a 2 x 2 MIMO system增加復(fù)用模式數(shù)目;SLM結(jié)構(gòu)模式復(fù)用器利用模based on mode group diversity multiplexing[ C]//Proceed式轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)模式復(fù)用,這三類解決方案既可以ings of OFC 2007, Anaheim, USA, 2007). OTuL2應(yīng)用在基于多模光纖的復(fù)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(fù)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