基于高速容量光纤通信用大芯径光纤与多芯光纤研发

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1、基于高速容量光纤通信用大芯径光纤与多芯光纤研发1绪论1.1引言自1966年光纤诞生之日起，历经40多年的发展，光纤通信已成为当今信息化社会的基石。波分复用（)技术，特别是密集波分复用（D)技术的诞生，可以充分挖掘光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，光纤通信进入了高速光纤通信的发展阶段。自从1991年朗讯公司提供了第一个实用的以来，波分复用/解复用器、掺辑光纤放大器(EDFA)、激光外调制、色散管理等关键技术日趋成熟。截至20世纪末，D系统实验室水平的传输容量已达6.4Tbit/s，16Tbit/s和32Tbit/s

2、的D系统也处于开发中。21世纪初，商用的D系统传输容量已达400Gbit/s，1.6Tbit/s和6.4Tbit/s的D系统即将投放市场。进入21世纪，一方面波分复用设备、光学元器件等日趋成熟，D技术逐渐从核心网向城域网、接入网渗透；另一方面光交叉连接（OXC)、光分插复用（OADM)的幵发应用，点到点的系统正在向面向用户提供光路由的全光网络演进。随着社会对信息需求的日益增长，现如今光纤通信系统日益向超高速大容量长距离发展，高速光纤通信的传输速率从10Gbit/s、40Gbit/s到400Gbh/s、1.6Tbit/s甚至100Tbit/s迅速飞跃

3、，要构建实用化的高速、大容量全光通信网，还需解决3个方面的问题：通信系统中光纤的损耗、色散累积和非线性光学效应。掺银光纤放大器（EDFA)有源器件的发明，对光信号的放大作用解决了光纤长距离传输中的损耗问题；而采用数字信号处理（DSP)技术，通过数字化算法，在电域进行色度色散补偿以及偏振态色散补偿，可以有效解决传输中的色散补偿和PMD(偏振模色散）补偿，使得光纤在100Gbit/s系统上的长距离传输中的色散容限高达±50000ps/nm,PMD(偏振模色散）容限60ps。目前唯一面临的问题就是光纤在高功率大容量传输中的非线性效应。非线性

4、效应是由于光纤的纤芯尺寸较小，当输入的光功率过高，达到非线性阈值时，由于介质的非线性极化而引起的。由于受到非线性效应的限制和影响，使得光纤中脉冲形状发生畸变，传输光束的质量大大下降，影响光功率的进一步增大。1.2多芯光纤的研究进展随着波分复用技术的广泛应用和发展，光纤作为光网络物理层面的传输介质，其传输特性受到极大的挑战，将极大的影响下一代光通信系统的性能。由于光纤在传输过程中受到损耗、色散及非线性效应的限制和影响，目前光通信系统的传输容量已经接近其物理极限，为了打破传统光纤的传输极限，人们开始寻求各种新型的光纤类型，而多芯光纤正是其中的一种。随着

5、多芯光纤的出现以及应用，为了获得更优的传输性能以增大传输距离和传输容量，对多芯光纤的理论研究越来越受到人们的重视。针对多芯光纤的传输特性，目前有两种理论模型：一种是稱合模理论，它为描述多芯光纤之间的相互作用和影响提供了理论依据。另一种是功率親合理论，在实际问题中，当光纤实际长度较长时，如超过几十米后，按照模式间的功率交换来描述多芯光纤之间的相互作用，将会更加直观、有效和精确。2多芯光纤的耦合模理论及功率耦合理论2.1引言为了增大光纤系统的传输容量，多芯光纤（MCF)近年来被广泛的应用于空分复用系统中。在多芯光纤的研究中，稱合模理论为描述光波在波导中

6、的传输和模式之间的相互作用提供了理论依据。因此要想分析多芯光纤之间的相互作用和影响，必须首先建立七芯光纤的稱合理论。以往针对多芯光纤串扰特性的研究大多是利用双芯模型来进行估算[4]。而利用七芯模型进行理论分析目前还鲜有报道。由于七芯光纤模型较复杂，因此目前仅有的针对均匀七芯光纤的親合模理论计算只考虑了相邻纤芯的親合，而忽略非邻近纤芯间的稱合[5]。但这种方法得出的解只是近似解，在分析七芯光纤的性能时，完整的七芯親合模解析解显然更加全面和精确。在多芯光纤的长距离传输中，低串扰设计是必不可少的。因此明确多芯光纤的串扰长度依赖性在实际应用中是极其重要的。

7、事实上，研究证明串扰的长度依赖性并不是周期性的，因而用于研究光波之间稱合的稱合模理论并不能给出很好的解释。这是因为当光纤实际长度超过几十米后，由于实际铺设及使用过程中弯曲和应力起伏引起的不规则性[4，6]，使得光纤串扰的长度依赖性不再呈现理想的周期性变化。相比之下，功率稱合理论在估计串扰性能上则更加有效和精确。目前利用功率親合理论分析多芯光纤串扰的报道已有很多[7_9]，但大部分都是利用双芯模型推导衍化出七芯模型的理论结果。对于直接利用七芯模型分析功率稱合理论的完整解析解目前尚未研究，利用完整的功率稱合模型分析其串扰特性也未见报道。..2.2耦合模

8、理论在沿轴向均匀分布的光波导中，存在不同的传输模式，并且各个模式之间满足正交性。如果波导之间相互靠近，每个光波导中的模式将