基于多芯光纖的空分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著云計算、高清視頻、虛擬現(xiàn)實等大數(shù)據(jù)量互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的興起和普及，承載信息的光纖通信系統(tǒng)面臨著巨大的容量增長壓力。在信號空間維度上對信息復(fù)用的空分復(fù)用技術(shù)，能夠大幅提升光纖通信系統(tǒng)容量。基于多芯光纖的空分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)不僅一次次打破單模光纖通信系統(tǒng)傳輸容量的實驗記錄，并且在各種應(yīng)用場景如接入、移動前傳、長途、數(shù)據(jù)中心等展現(xiàn)出大容量，高靈活度的特點，是最有希望實現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)演進(jìn)升級的技術(shù)選擇之一。
　　盡管基于多芯光纖的長距離傳輸實

2、驗進(jìn)展很快，但多芯光纖在短距傳輸，尤其是接入網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用仍然缺少研究。另外，在基礎(chǔ)理論方面，關(guān)于多芯光纖串?dāng)_波長相關(guān)性的研究，以及非線性傳輸中串?dāng)_機理，仍存在理論空白。
　　本論文在基礎(chǔ)理論方面，針對波分-空分復(fù)用系統(tǒng)芯間串?dāng)_在長波長處更嚴(yán)重的問題，研究了多芯光纖芯間串?dāng)_波長相關(guān)性的機理，探討了抑制芯間串?dāng)_波長敏感性的方法；針對多芯光纖長距離非線性傳輸問題，建立了多芯光纖非線性傳輸模型并以此模型為基礎(chǔ)探討了在傳輸中串?dāng)_對信號的損

3、傷機理。在關(guān)鍵技術(shù)方面，本論文開展了多芯光纖的設(shè)計、拉制以及測試工作，攻克了復(fù)用/解復(fù)用器的技術(shù)瓶頸，制備了高質(zhì)量的復(fù)用/解復(fù)用器。在空分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)方面，本論文提出并搭建了超大容量波分-空分光傳輸系統(tǒng)平臺，演示了基于多芯光纖的大容量波分-空分接入網(wǎng)，驗證了多芯光纖在移動前傳系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要的研究成果如下:
　　(1)基于模式耦合理論和功率耦合理論，闡述了多芯光纖芯間串?dāng)_的基本原理，研究了多芯光纖芯間串?dāng)_的波長相關(guān)性，提出了通

4、過減小芯間距來抑制芯間串?dāng)_的波長敏感性的方法。實驗證明芯間距為35?m的多芯光纖要比42?m的多芯光纖芯間串?dāng)_的波長敏感性下降0.05dB/nm。
　　(2)基于芯間串?dāng)_的統(tǒng)計特征，建立了多芯光纖非線性傳輸模型，并借助此模型在仿真驗證經(jīng)過多芯光纖傳輸后，芯間串?dāng)_對信號的損傷可視為一種加性高斯白噪聲。將多芯光纖設(shè)計與多芯光纖非線性傳輸性能緊密聯(lián)系起來，通過優(yōu)化多芯光纖結(jié)構(gòu)，既增加了多芯光纖有效面積，降低非線性噪聲，又避免了增加串?dāng)_，

5、在兩者之間形成一種平衡，得到理想的系統(tǒng)傳輸性能。
　　(3)開展了多芯光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對光學(xué)性能的影響。采用COMSOL作為光纖設(shè)計的方法之外，根據(jù)推導(dǎo)出的芯間串?dāng)_解析解，采用matlab數(shù)值計算的方法對影響芯間串?dāng)_的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，顯現(xiàn)出計算量小的優(yōu)點。制備了纖芯衰減小于0.25dB/km，芯間串?dāng)_低于-40dB/100km的七芯光纖。
　　(4)采用化學(xué)腐蝕光纖束并結(jié)合光纖冷加工接續(xù)的方法，在自由空間

6、將排列好的光纖束與多芯光纖進(jìn)行對準(zhǔn)，制備了低串?dāng)_(<-50dB)、低插入損耗(<1dB)、高回波損耗(>50dB)的多芯光纖復(fù)用/解復(fù)用器，性能達(dá)到世界領(lǐng)先水平。以此為基礎(chǔ)，搭建并測試了基于多芯光纖的超大容量波分-空分光傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)容量達(dá)到33.6Tb/s，頻譜效率達(dá)到44.8bit/s/Hz，驗證了多芯光纖及關(guān)鍵器件的穩(wěn)定性。
　　(5)演示了基于多芯光纖的波分-空分大容量接入網(wǎng)系統(tǒng)，研究了多芯光纖在下一代接入網(wǎng)擴(kuò)容以及增強接

7、入網(wǎng)系統(tǒng)靈活性等方面的潛力。利用多芯光纖的空間并行信道，實現(xiàn)大容量(300Gb/s)、多用戶(60個ONU)、低成本的單纖雙向傳輸，并兼容移動回傳業(yè)務(wù)。
　　(6)研究了多芯光纖在移動前傳系統(tǒng)中的應(yīng)用，演示了2×2MIMO的無線信號在20km多芯光纖中雙向傳輸?shù)囊苿忧皞飨到y(tǒng)。在該系統(tǒng)中研究了系統(tǒng)對芯間串?dāng)_的容忍度，并基于此研究結(jié)果針對5G中的關(guān)鍵技術(shù)massive MIMO設(shè)計了64芯光纖，芯間串?dāng)_低于-10dB/20km，顯示了

8、多芯光纖在5G中的潛力。
　　基于多芯光纖的空分復(fù)用技術(shù)作為一種在物理層復(fù)用維度上擴(kuò)充系統(tǒng)容量的方法，充分體現(xiàn)出光纖通信系統(tǒng)典型的人工信道特征。研究信道損傷機理，人為地調(diào)控并優(yōu)化信道質(zhì)量，挖掘光纖信道的擴(kuò)容潛力是空分復(fù)用技術(shù)的關(guān)鍵科學(xué)問題。因此本論文圍繞這些科學(xué)問題在多芯光纖的設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、芯間串?dāng)_對信號的損傷機理、多芯光纖的非線性傳輸建模等方面開展了大量基礎(chǔ)理論工作。在攻克了光纖與復(fù)用/解復(fù)用器件制備的技術(shù)瓶頸之后，本論文實現(xiàn)