基于多模VCSEL的多模光纤链路仿真的研究

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1、摘要摘要随着高速光互连和短距离通信系统的迅速发展，多模光纤以其连接简便，成本低等优点在其中扮演了重要的角色。本文以VCSEL(VerticalCavitySurface．EmittingLaser)作为信号光源，通过建立多模光纤传输链路模型，研究了VCSEL高阶横模、VCSEL与多模光纤的对准偏差以及光纤连接器对多模光纤链路传输性能的影响。本文首先参考经典的有限差分方法求解了多模光纤标量波动方程，构建了四阶精度的差分边界条件，提高了求解精度。基于多模光纤标量波动方程的本征模传播常数解，用样条插值方法求解多模光纤导模的群延时。多横模

2、VCSEL出射场采用Laguerre．Gaussian光束模型。VCSEL与多模光纤的耦合基于耦合模理论进行研究。在考虑VCSEL与多模光纤横向偏差情况下，通过VCSEL出射模场与多模光纤的导模场进行重叠积分得到耦合效率。在多模光纤链路中还考虑了光纤连接器的影响，多模光纤连接器基于耦合模理论建模，在考虑横向对准偏差的条件下，建立输入输出光纤线偏振模间的光功率转移矩阵。最后，在上述各链路模块的理论模型的基础上，建立了多模光纤链路仿真模型。并对传输距离小于300m的多模光纤链路进行了数值仿真研究，研究了VCSEL出射场中高阶模式、VC

3、SEL与多模光纤的横向偏差以及光纤连接器等因素对多模光纤链路传输性能的影响，并得出了以下结论：1)多模光纤链路输出信号的ISI(码间干扰)代价随着VCSEL与多模光纤横向对准偏差的增大而增大，当横向对准偏差大于59m时这种趋势更为显著，IsI代价最大时达30dB。此外还发现，ISI代价随VCSEL出射功率中高阶模的比例增大而增大。2)固定VCSEL出射场的情况下，随着光纤连接器中光纤横向对准偏差的增大，输出信号眼图的张开度减小。而当VCSEL高阶模式功率比例上升时，光纤横向对准偏差的大小对脉冲展宽影响更加明显，当VCSEL高阶模功

4、率比例达到激光器辐射总功率的80％，且光纤横向对准偏差大于lpm时，输出信号眼图的张开度几乎为零。3)链路接收端信号幅度受光纤连接器的横向对准偏差的影响较大。当光纤连接器横向对准偏差为39m时，接收端信号幅度最大降幅达80％。关键词：VCSEL高阶模式多模光纤耦合效率光纤连接器对准偏差东南人学硕士学位论文AbstractWiththefastdevelopmentofhigh—speedopticalinterconnectionandshortdistancecommunicationsystem，themultimodefib

5、erisplayingamoreimportantroleduetOitsconvenientconnectionandlowcost．UsingVCSEL(VerticalCavitySurface—EmittingLaser)asthelasersource，amultimodefiberlinkmodelisbuiltandnumericallystudiedwhichconsiderstheinfluenceofhigher-ordermodesofVCSEL，themisalignmentbetweenVCSELandM

6、MF(Multimodefiber)，aswellastheoffsetoffiberconnectorintheMMFlink．Firstly,finitedifferencemethodisusedtosolvethescalarwaveequationofMMFwhichusesafourth·orderprecisionboundaryconditioninordertoimprovetheaccuracyoftheresults．Fielddistributionandthemodegroupdelaysofguided

7、modesareobtainedusingtheeigenmodesolutionofthescalarwaveequation．Secondly,basedonLaguerre—GaussianBeammodel，themodefielddistributionofthefundamentalmodeandhigher-ordermodeofVCSELarederived．ThecouplingefficiencybetweenVCSELandMMFisthenobtainedconsideringboththehigher-o

8、rdermodesofVCSELandthemisalignmentofVCSELandMMFoThirdly,thefiberconnectormodelisbuiltbycalculatingtheopticalpowercouplingmat