面向模分复用系统的新结构弱耦合少模光纤

With the continually emergence of large data center and cloud computing services, the increasingly high demand is putting on optical network bandwidth and capacity. The technology related with mode-division-multiplexing (MDM) communication based on few-mode fiber (FMF) has been paid widely attention and development rapidly. Using weakly-coupled MDM technology in the short-range access network or data center can largely increase the integration of transmitting and receiving module. Meanwhile it can also decrease the fiber amount in the data center, increase network routing resource and reduce the cost and power consumption of communication system. A FMF which has weakly-coupled property between degenerate modes, the ability of holding multiple high-order modes and the feature of low mode attenuation, is one of the key points for weakly-coupled MDM optical system. This project creatively puts forward a new type FMF which has an asymmetric index profile in the fiber core. Compared with other current techniques that have been reported, the new fiber has a lower mode attenuation and realize weakly-coupled propagation with more degenerate and nondegenerate modes. The project is expected to study the mode coupling mechanism in the new structure fiber, accomplish the fiber fabrication and test, and further fulfil the weakly-coupled MDM transmission experiment with the newly fabricated fiber. This system experiment will achieve four goals: 1. Propagating with more than 12 modes; 2. Achieving mode dependent loss of less than -20dB; 3.Achieving 100Gbit/s BER-free transmission over 10km. The relevant research results of this project is meaningful for promoting the capacity of weakly-coupled MDM system and mode utilization.

随着大型数据中心和云计算业务的不断涌现，对光网络的带宽和容量的要求越来越高。基于少模光纤的模分复用通信受到广泛关注并飞速发展。在短距离接入网和数据中心中采用弱耦合模分复用技术能够提高发送接收模块的集成度，减少数据中心的光纤数量，增加网络路由资源，降低系统的成本和功耗。而具有简并模弱耦合特性、可支持多个高阶模式且具有低模式损耗的少模光纤是弱耦合系统的关键之一。本项目创新性提出一种纤芯折射率非对称的新型少模光纤结构，与当前报导的方法相比，该新型光纤具有更低的模式损耗，可支持更多个简并和非简并模式的低耦合传输。项目预计研究该新结构光纤的模式耦合机理，完成光纤的制作与测试、并基于所制作的光纤完成支持12个以上模式、耦合损耗小于-20dB的弱耦合模分复用传输实验，无误码传输速率大于100Gbit/s，传输距离大于10km。项目相关研究成果对于提高弱耦合模分复用系统的容量和模式利用率具有重要的意义。

随着大型数据中心和云计算业务的不断涌现，对光网络的带宽和容量的要求越来越高。基于少模光纤的模分复用通信受到广泛关注并飞速发展。在短距离接入网和数据中心中采用弱耦合模分复用技术能够提高发送接收模块的集成度，减少数据中心的光纤数量，增加网络路由资源，降低系统的成本和功耗。对于弱耦合传输系统，具有简并模弱耦合特性、可支持多个高阶模式且具有低模式损耗的少模光纤是最关键的一环。首先,本课题组提出一种纤芯折射率非对称的新型少模光纤结构，能够支持六个空间模式，具有超低的模式弯曲损耗和200nm的带宽，能够与波分复用相结合进行传输。与当前报导的方法相比，该新型光纤在设计的过程避免了高阶模式截止与折射率差之间的均衡问题；支持的模式能够更好的与目前圆形芯模式产生器兼容，从而具有更低的模式插入损耗。与目前弱耦合系统常用的椭圆光纤对比，在模式之间最小折射率差为3.8x10-4的条件下,模式的插入损耗降低2dB。其次，完成了光纤的制作，利用S2法来测试了光纤的模式色散、模式之间的群时延以及支持的模式形态分布。然后，基于高阶琼斯矩阵分析非对称少模光纤中模式演变理论，建立相应的数学模型和弱耦合模分复用传输系统的理论模型。分别做了11.2Gbaud/s的PDM-QPSK和PDM-16QAM到MDM-QPSK和MDM-16QAM的转换实验，在判决极限为3.8×10-3时，功率代价分别为1db和1.8db。最后，基于高阶琼斯矩阵分析非对称少模光纤中模式演变理论，首次提出了输入的任意偏振控制高阶模式旋转方向，有效地解决了全光纤型快速控制高阶模式方向的难题。利用两段应力下的少模光纤，首次提出了输入的偏振控制输出模式形态，产生矢量模式，包含（HE,EH以及OAM模式），是第一款全光纤型矢量模式产生器，并且可以实现模式的快速切换。