模分复用光纤通信系统中模式激励与模式转换的研究

Mode division multiplexing (MDM) proposes a new dimension of multiplexing way for fiber communication systems. It is one of the most promising methods for increasing the capacity of optical communication systems, also a frontier researching topic in the field of international optical communication systems. Mode excitation and mode conversion are the essential parts and technical difficulties of MDM fiber communication systems, which need to be solved firstly. Therefore, this project focuses on the requirements and principal problems of MDM fiber communication systems, researching on "mechanism and mothods of high efficiency excitation of any mode"and"the condition of mode conversion and achievement methods of controllable mode conversion". High efficiency, low crosstalk and low complexity methods of mode excitation and mode conversion are to be proposed. Through theoretical research and experimental verification, we will make innovation in "excitation methods of any mode with the function of mode selection and mode magnification". The achievements of this project will provide important guidance for the development of MDM fiber communication systems in China, and lay solid foundations for the next generation of ultra-high speed, ultra-high capacity fiber communication systems.

模分复用在光纤通信系统中增加了一维新的复用方式，是大幅增加光纤通信的信道容量的最有前景的方法之一，在国际上已成为当前光通信领域的前沿与热点研究课题。模式激励和模式转换模块是模分复用光纤通信系统的最基本组成部分，是实现模分复用的必需首先研究的基本问题，也是是当前实现模分复用的一个难点技术。当前的模式激励和模式转换方法还远不成熟。因此，本项目面向未来模分复用光纤通信系统的需求和基本问题，对"任意模式的高效激励机理与方法"和"模式转换的条件及可控模式转换实现方法"进行研究，重点探讨模式分布特征及模式传递函数，提出高效率、低串扰、低复杂度的模式激励和控制方法，通过理论研究和实验验证，在"具有模式选择和模式放大功能的任意模式激励方法"方面形成自己的创新。本项目的研究成果将为我国模分复用光纤通信系统的发展提供重要参考，为下一代超高速率、超大容量的光纤传输系统的发展提供有力支撑。

模分复用是大幅增加光纤通信的信道容量的最有前景的方法之一，近年来已成为国内外光通信领域的前沿与热点研究课题。本项目在4年的研究工作中，面向未来模分复用光纤通信系统的发展需求和基本科学问题，对“任意模式的高效激励机理与方法”和“模式转换的条件及可控模式转换实现方法”进行了深入细致的研究，围绕基于空间光调制器和基于光子晶体光纤的模式控制方法，提出了多种高效率、低串扰、低复杂度的模式激励和转换的方法、技术和新型结构，建立了模式转换仿真平台和实验平台，通过理论分析、仿真和实验研究验证了所提出的创新方法和技术，这些成果可为我国模分复用光纤通信系统的发展提供重要参考，为下一代超高速率、超高频谱效率的模分复用光纤传输系统的发展提供有力支撑。. 在基于空间光调制器的模式控制方法的研究中，课题组从理论上分析了模场分布特点及其控制原理，推导了理想模式转换传递函数，建立了4f 共焦系统模型和菲涅耳衍射分析模型，提出并实验实现了空间频谱匹配、模场半径预匹配、联合相位和幅度调制、闪耀光栅偏射等有创新的模式控制技术。利用课题组提出的这些创新技术，不仅高精度地实现了20多个高阶模式的激励或转换，而且实现了两种高效率、高精度的实验系统：利用单个空间光调制器实现4个模式同时激励并复用的实验系统和基于光学谐振的按需模式产生实验系统，并开发成相应的原型器件，为模分复用系统的发展提供了重要参考。. 课题组顺应模式控制发展和应用的需求，将研究领域扩展到基于光子晶体光纤的模式控制方法，在深入探讨了基于耦合模理论的光子晶体光纤的模式转换技术的理论基础上，提出三种可实现模式转化的光子晶体光纤及模式耦合器的新型结构，设计了多个模式同时转换和复用的模块结构，并仿真验证了三种方案的可行性。仿真结果显示，三种方法均容易控制，并具有模块化结构，扩展性及控制性能良好。. 项目组的相关成果已发表科技论文52篇，其中SCI收录的论文34篇；申请国家专利4项，已授权1项；培养硕士研究生7人，博士研究生3人。本项目无论从研究内容、研究成果和技术指标上均超出了预期，全面圆满完成了预定的全部研究任务。