大模式数弱耦合模分复用无源光网络基础研究

With the continued increase of network users and emergence of new network business, the capacity and the speed of broadband optical access network need to be improved significantly. Current passive optical network (PON) technologies based on time-division-multiplexing are unable to meet the demands of future access bandwidth and overall capacity. Multiple-dimension-multiplexing (MDM) PON by combining all the dimensions of modes, wavelengths, polarizations, time-slots and multi-level modulation formats is one of the key techniques to break out bottleneck of optical access networks. Especially, mode-division-multiplexing technique has the advantages such as large power budget, naturally colorlessness and high spatial transmission efficiency, and the relative research is of great significance. Based on the research of the applicant's last General Program of NSFC, the research of fundamental theories and key techniques of mode-division-multiplexing passive optical network with a large quantity of modes will be focused on. The research contents include: the design and fabrication of weakly-coupled few-mode optical fiber with larger quantity of modes, the new mechanism of mode multiplexer/demultiplexer with low-modal-crosstalk and low insertion loss, and the optimum transmission strategy for MDM-WDM hybrid access, and the mode management mechanism and scalable strategy. The applicant aims to demonstrate MDM optical access system which supports large quantity of modes based on weakly-couples few-mode fiber, thus to provide theoretical and technical support for next generation multi-dimension multiplexing passive optical network.

随着网络用户的持续增加和新型网络业务的不断涌现，宽带光接入网的速度和支持用户数都面临数量级增长的需要。当前基于时分复用的无源光网络技术无法满足未来的接入带宽和总容量需求。综合模式、波长、时隙和多进制调制的多维度复用技术，是打破光接入网瓶颈的关键技术之一。特别是模分复用技术具有大功率预算、天然无色性、高空间传输效率等优点，其研究具有重要意义。申请人在上一个自然基金面上项目研究的基础上，计划重点展开大模式数模分复用无源光网络的基础理论和关键技术。研究内容包括：大模式数弱耦合光纤的设计和加工，低模式串扰、低损耗的模式复用/解复用器实现机理，模分-波分混合接入时的传输优化策略，模分复用接入的模式管理机制和扩展策略。最终建立大模式数弱耦合模分复用光接入演示系统，支持更高速率，更大分光比的多维接入，为下一代无源光网络的发展与应用提供理论与技术支撑。

随着网络用户的持续增加和新型网络业务的不断涌现，宽带光接入网的速度和支持用户数都面临数量级增长的需要。当前基于时分复用的无源光网络技术无法满足未来的接入带宽和总容量需求。综合模式、波长、时隙和多进制调制的多维度复用技术，是打破光接入网瓶颈的关键技术之一。特别是模分复用技术具有大功率预算、天然无色性、高空间传输效率等优点，其研究具有重要意义。申请人重点展开了大模式数模分复用无源光网络的基础理论和关键技术研究，研究内容和结果包括：1) 大模式数弱耦合光纤的设计和加工，在此方面设计实现了两种弱耦合少模光纤,分别6个和10个模式，测试结果表明均可支持短距离弱耦合模分复用传输，达到了项目最重要的设计目标；2)低模式串扰、低损耗的模式复用/解复用器实现机理，在此方面实现了侧边抛磨型模式定向耦合级联的模式复用解复用器，实验验证了LP01至LP31共5个模式的复用/解复用，并具有极低的损耗和串扰；3)模分-波分混合接入时的传输优化策略，在此方面的典型成果为，首次提出并实验演示了模分、波分、时分三维复用的PON上下行传输实验；4)模分复用接入的模式管理机制和扩展策略，在此方面提出了波长交织、自相干检测等传输策略，可有效提升模式数量和传输性能。本项目除了完成了项目计划书中光纤、器件、系统等全部研究任务外，还在新型光纤设计理论、远距离PON传输等方面超额完成了技术的突破，为下一代无源光网络的发展与应用提供了理论与技术支撑。本项目发表论文34篇，其中SCI检索论文16篇，获批国家专利6项，培养硕博士生9人。