基于光纤模式复用的多维度传输理论及技术研究

As a new effective method to increase both spectral efficiency and optical transmission capacity, mode multiplexing has attracted more and more attention. It offers an assumption that two or even more modes carry siginals separately while intermodal dispersion between those modes are relatively small, which can achieve another leap in optical transmission capacity after dense wavelength division multiplexing. This research will focus on the following aspects: theory of mode selective excitation and mode coupling; mode switching theory based on the physical characteristics of liquid crystal on sillicon and fiber grating; theory modal of modal interaction in long-haul multimode fiber; MDN-MIMO signal processing algorithms which can compensate for dispersion damage; finally we will set up multi-dimensional transmission system which combines of higher order modulation formats, dense wavelength division multiplexing, polarization multiplexing and modal multiplexing. By innovative theoretical research and scientific experiments, we try to achieve major breakthroughs in mode selective excitation, conversion between high-low modes, high speed DSP module compensating inter-modal dispersion, and mode multiplexing experimental systems, etc. The anticipated results can lay a foundation for application of multi-dimensional fiber transmission system in the future.

光场模式复用作为一种有效提升光谱效率、增加光通信传输容量的新方案，正逐渐受到学术界的高度关注。若能在光纤中使两个甚至多个模式分别承载信息，各模式互无干扰，近乎独立地在同一光纤中独立进行传输，则可大幅度提升单纤容量，这将是光纤通信中继密集波分复用之后的又一场质变。本项目将对如下内容进行重点研究：模式选择性激发及多模式耦合的相关理论，基于硅基液晶和光栅的物理特性研究模式转换的机理，长距离多模光纤传输链路中模间交叉作用的理论模型，降低模式交叉噪声补偿模间色散损伤的MDM-MIMO信号处理算法，最终构建基于高阶调制格式、密集波分复用、偏振复用与模式复用多维度复用相结合的验证系统。通过以上创新性理论研究工作和科学实验工作，拟在模式选择性激发、高低阶模相互转换、补偿模间色散的高速数字信号处理模块、多模光纤模式复用系统等方面实现突破，预期成果可为未来多维度复用光纤通信系统应用奠定一定基础。

本项目对基于光纤模式复用的多维度传输理论及技术进行了深入研究，在对模式转换和耦合的关键技术研究分析的基础上，建立了低阶模与高阶模之间相互转化与耦合理论，实现模式转化过程中的模式分布及能量的精确预测。设计了一种新型多阶跃少模光纤，提出并验证了用正负模式色散光纤改善传输性能的方法。深入研究少模光纤信道模型，发现链路的弯折、光纤折射率等随机扰动会使原本的正交模式耦合，因此提出基于非均匀模场分布的少模多芯光纤信道建模方案，以及将芯间耦合器和模间耦合器串联的少模多芯传输系统MIMO均衡器。在模场分布和光线传播基本理论的研究分析基础上，针对多模多芯光纤提出了基于矩阵变化的MIMO均衡方案，研究表明本项目提出的均衡方法能降低均衡器复杂度，有效抑制串扰。基于对少模、多模光纤传输模型以及MIMO均衡算法的研究成果，建立了包含衰减、色度色散及模间交叉作用的完整的少模光纤模式复用系统，建立基于新型矩阵变换的9×9模式复用系统链路仿真模型，提出并验证利用注水算法提升系统容量的方法，对建模进行完善。搭建基于七芯光纤的光传输系统实验平台，完成了距离为58.7km的大容量长距离T比特DS传输实验，验证了上述理论模型以及均衡算法的正确性，为未来进一步提高光通信系统性能奠定了坚实的基础。在此研究基础上，课题组发表了19篇高水平学术论文，其中被SCI检索11篇，被EI检索8篇，申请5项国内发明专利，培养了6名博士生和9名硕士生。