少模光纤理念之模式复用通信科技概述

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1、少模光纤理念之模式复用通信科技概述第1章绪论1.1论文的研究背景及意义上世纪60年代，从华裔诺贝尔物理学奖得主高锟博士的一篇具有划时代意义的论文开始，光通信开启了现代化研究进程。光通信技术经历了近60年的发展，凭借其得天独厚的带宽优势，已经成为信息化社会的承载主体。各种新技术、新应用不断涌现，以解决日益增长的带宽紧张问题。进入21世纪以来，互联网业务、IPTV[1]、移动互联网[2]、物联网及新一代的应用云计算的大型数据中心等带宽消耗型业务不断增多，随着现代社会信息化进程的不断加快，在移动领域大量移动智能终端

2、已经带来巨大数据需求。所有的这些数据业务和数据消耗会最终形成一次新技术革命的数字洪水[3]。这就对承载这些洪水的管道光网络的传送能力提出了越来越高的要求。在过去几年中，我国光网络业务量和新需求量的增长率达200%。单载波的网络需求已经从上世纪90年代的100Mb/s发展到现在的100Gb/s的带宽需求，20年间，网络需求提升了1000倍。长距离光网络自诞生之后的很长一段时间内一直以超越摩尔定律的速度发展。现网的传送技术也正式进入到100Gb/s的时代，2010年，100G技术开始在世界范围内的运营商网络中铺开

3、。100G时代才刚到来[4]，更大数据需求的400G技术也正在酝酿。2013年2月7日，法国电信联合阿尔卡特朗讯共同建造了从法国巴黎到里昂的400G网络[5]，这标志了400G商用网络已正式建成，400G建设浪潮正式开启。未来光传送网的发展正明确地朝着三超方向迈进，即超长距离、超大容量、超高速率。为了应对这种带宽的爆炸式增长，光传送技术经历了几次技术革新，从传输媒质看，由传统的多模光纤转向更大容量的单模光纤；从光源看，传统的发光二极管（LightEmittingDiode,LED）已经被优质的激光二极管（La

4、serDiode,LD）所取代；从技术选择上看，从时分复用（TimeDivisionMultiplexing,TDM）到波分复用（ultiplexing,），进一步向密集波分复用（Denseultiplexing,D）转变；从检测方式上看，正逐步从直接检测到相干检测过度。为了不断提升光网络的传输容量，研究者们采用一系列新技术来开辟更多的自由度以增大光网络的传输容量。如图1.2所示：大容量光传输技术的演进从上世纪90年代初的电时分复用（ElectricalTimeMultiplexing,ETDM）到90年代末

5、的光波分复用，传输容量也从2.5Gb/s到10Gb/s。在技术中，从大栅格的粗波分复用[6]（Coarseultiplexing,C）到现在更加精细和灵活的小栅格D[7]技术。为了增加现有系统的传输容量，利用光纤中正交的偏振态实现偏振复用[8]，将频谱效率提高到2bit/s/Hz，在原有的系统上，容量直接加倍。随着编码调制技术的发展，光调制格式也由以前的开关键控向高阶调制格式转变，如M-QAM[9]，OFDM[10]等，先进的调制格式为系统提供了更高的频谱效率和容错能力，如采用256QAM-OFDM的光传输系

6、统实现了14bit/s/Hz的超高频谱效率[11]。随着更高调制格式的采用，星座点的欧氏距离逐渐减小，伴随着色散和非线性容忍度下降，对系统光信噪比OSNR的要求增高，这就要求线路提供更高的光功率，这时由于光学kerr效应产生的四波混频、交叉相位调制等非线性畸变会使系统性能急剧下降。因此，单模光纤由于其固有的非线性效应与放大器ASE噪声的限制，使得系统容量已经越来越接近香农极限[12-15]。为了解决以上问题，人们将目光转移到了模式复用，开辟新的自由度解决单模光纤日益紧张的带宽资源和即将来到的带宽瓶颈。光通信已

7、开发的自由度有幅度、相位、偏振态。模式这一未被利用的自由度成为了人们新的关注焦点。模式并不是一个新的概念，由于光纤制作工艺的限制，人们最初制作的光纤都是多模光纤。根据信息论的观点，多模光纤中的每一个正交模式都可以看做一个独立的信道[16]。但众多的模式也带来了严重的模式色散，限制了多模光纤通信的性能提升。但由于多模光纤的成本和配套器件价格较低，成为短距离接入网络和数据中心的理想传输媒质[17]。由于传统多模光纤众多难以控制的模式，使得我们将目光投向了新一代的可以支持少量鲁棒模式的新型多模光纤，即少模光纤。基于

8、少模光纤的模式复用，是指利用少模光纤中有限的正交模式作为独立信道进行信息传送，以成倍的提升系统传输容量。少模光纤采用光纤中的不同模式，做为新的自由度加以利用，成功地提高了系统的频谱效率；由于少模光纤的模式具有比较大的模场面积，因此其非线性容限也很高，这样既提高了光传输系统的容量，又避免了非线性效应对系统的干扰。因此采用少模光纤中有限的、稳定的模式作为独立信道进行模式复用，可以极大提高系统容量，解决未