少模光纖理念之模式復用通信科技概述

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1、少模光纖理念之模式復用通信科技概述第1章緒論1.1論文的研究背景及意義上世紀60年代，從華裔諾貝爾物理學獎得主高錕博士的一篇具有劃時代意義的論文開始，光通信開啟了現代化研究進程。光通信技術經歷了近60年的發(fā)展，憑借其得天獨厚的帶寬優(yōu)勢，已經成為信息化社會的承載主體。各種新技術、新應用不斷涌現，以解決日益增長的帶寬緊張問題。進入21世紀以來，互聯網業(yè)務、IPTV[1]、移動互聯網[2]、物聯網及新一代的應用云計算的大型數據中心等帶寬消耗型業(yè)務不斷增多，隨著現代社會信息化進程的不斷加快，在移動領域大量移動智能終端

2、已經帶來巨大數據需求。所有的這些數據業(yè)務和數據消耗會最終形成一次新技術革命的數字洪水[3]。這就對承載這些洪水的管道光網絡的傳送能力提出了越來越高的要求。在過去幾年中，我國光網絡業(yè)務量和新需求量的增長率達200%。單載波的網絡需求已經從上世紀90年代的100Mb/s發(fā)展到現在的100Gb/s的帶寬需求，20年間，網絡需求提升了1000倍。長距離光網絡自誕生之后的很長一段時間內一直以超越摩爾定律的速度發(fā)展?，F網的傳送技術也正式進入到100Gb/s的時代，2010年，100G技術開始在世界范圍內的運營商網絡中鋪開

3、。100G時代才剛到來[4]，更大數據需求的400G技術也正在醞釀。2013年2月7日，法國電信聯合阿爾卡特朗訊共同建造了從法國巴黎到里昂的400G網絡[5]，這標志了400G商用網絡已正式建成，400G建設浪潮正式開啟。未來光傳送網的發(fā)展正明確地朝著三超方向邁進，即超長距離、超大容量、超高速率。為了應對這種帶寬的爆炸式增長，光傳送技術經歷了幾次技術革新，從傳輸媒質看，由傳統(tǒng)的多模光纖轉向更大容量的單模光纖；從光源看，傳統(tǒng)的發(fā)光二極管（LightEmittingDiode,LED）已經被優(yōu)質的激光二極管（La

4、serDiode,LD）所取代；從技術選擇上看，從時分復用（TimeDivisionMultiplexing,TDM）到波分復用（ultiplexing,），進一步向密集波分復用（Denseultiplexing,D）轉變；從檢測方式上看，正逐步從直接檢測到相干檢測過度。為了不斷提升光網絡的傳輸容量，研究者們采用一系列新技術來開辟更多的自由度以增大光網絡的傳輸容量。如圖1.2所示：大容量光傳輸技術的演進從上世紀90年代初的電時分復用（ElectricalTimeMultiplexing,ETDM）到90年代末

5、的光波分復用，傳輸容量也從2.5Gb/s到10Gb/s。在技術中，從大柵格的粗波分復用[6]（Coarseultiplexing,C）到現在更加精細和靈活的小柵格D[7]技術。為了增加現有系統(tǒng)的傳輸容量，利用光纖中正交的偏振態(tài)實現偏振復用[8]，將頻譜效率提高到2bit/s/Hz，在原有的系統(tǒng)上，容量直接加倍。隨著編碼調制技術的發(fā)展，光調制格式也由以前的開關鍵控向高階調制格式轉變，如M-QAM[9]，OFDM[10]等，先進的調制格式為系統(tǒng)提供了更高的頻譜效率和容錯能力，如采用256QAM-OFDM的光傳輸系

6、統(tǒng)實現了14bit/s/Hz的超高頻譜效率[11]。隨著更高調制格式的采用，星座點的歐氏距離逐漸減小，伴隨著色散和非線性容忍度下降，對系統(tǒng)光信噪比OSNR的要求增高，這就要求線路提供更高的光功率，這時由于光學kerr效應產生的四波混頻、交叉相位調制等非線性畸變會使系統(tǒng)性能急劇下降。因此，單模光纖由于其固有的非線性效應與放大器ASE噪聲的限制，使得系統(tǒng)容量已經越來越接近香農極限[12-15]。為了解決以上問題，人們將目光轉移到了模式復用，開辟新的自由度解決單模光纖日益緊張的帶寬資源和即將來到的帶寬瓶頸。光通信已

7、開發(fā)的自由度有幅度、相位、偏振態(tài)。模式這一未被利用的自由度成為了人們新的關注焦點。模式并不是一個新的概念，由于光纖制作工藝的限制，人們最初制作的光纖都是多模光纖。根據信息論的觀點，多模光纖中的每一個正交模式都可以看做一個獨立的信道[16]。但眾多的模式也帶來了嚴重的模式色散，限制了多模光纖通信的性能提升。但由于多模光纖的成本和配套器件價格較低，成為短距離接入網絡和數據中心的理想傳輸媒質[17]。由于傳統(tǒng)多模光纖眾多難以控制的模式，使得我們將目光投向了新一代的可以支持少量魯棒模式的新型多模光纖，即少模光纖?；?/p>

8、少模光纖的模式復用，是指利用少模光纖中有限的正交模式作為獨立信道進行信息傳送，以成倍的提升系統(tǒng)傳輸容量。少模光纖采用光纖中的不同模式，做為新的自由度加以利用，成功地提高了系統(tǒng)的頻譜效率；由于少模光纖的模式具有比較大的模場面積，因此其非線性容限也很高，這樣既提高了光傳輸系統(tǒng)的容量，又避免了非線性效應對系統(tǒng)的干擾。因此采用少模光纖中有限的、穩(wěn)定的模式作為獨立信道進行模式復用，可以極大提高系統(tǒng)容量，解決未