基于多芯光纖的空分復用光傳輸系統(tǒng)基礎理論與關鍵技術研究.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)網業(yè)務的興起和普及，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用的空分復用技術，能夠大幅提升光纖通信系統(tǒng)容量?；诙嘈竟饫w的空分復用光傳輸系統(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)演進升級的技術選擇之一。
　　盡管基于多芯光纖的長距離傳輸實

2、驗進展很快，但多芯光纖在短距傳輸，尤其是接入網系統(tǒng)中的應用仍然缺少研究。另外，在基礎理論方面，關于多芯光纖串擾波長相關性的研究，以及非線性傳輸中串擾機理，仍存在理論空白。
　　本論文在基礎理論方面，針對波分-空分復用系統(tǒng)芯間串擾在長波長處更嚴重的問題，研究了多芯光纖芯間串擾波長相關性的機理，探討了抑制芯間串擾波長敏感性的方法；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探討了在傳輸中串擾對信號的損

3、傷機理。在關鍵技術方面，本論文開展了多芯光纖的設計、拉制以及測試工作，攻克了復用/解復用器的技術瓶頸，制備了高質量的復用/解復用器。在空分復用光傳輸系統(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，驗證了多芯光纖在移動前傳系統(tǒng)中的應用，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擾的基本原理，研究了多芯光纖芯間串擾的波長相關性，提出了通

4、過減小芯間距來抑制芯間串擾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的多芯光纖芯間串擾的波長敏感性下降0.05dB/nm。
　　(2)基于芯間串擾的統(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過多芯光纖傳輸后，芯間串擾對信號的損傷可視為一種加性高斯白噪聲。將多芯光纖設計與多芯光纖非線性傳輸性能緊密聯(lián)系起來，通過優(yōu)化多芯光纖結構，既增加了多芯光纖有效面積，降低非線性噪聲，又避免了增加串擾，

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構設計工作，研究了結構參數(shù)對光學性能的影響。采用COMSOL作為光纖設計的方法之外，根據(jù)推導出的芯間串擾解析解，采用matlab數(shù)值計算的方法對影響芯間串擾的結構參數(shù)進行優(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，芯間串擾低于-40dB/100km的七芯光纖。
　　(4)采用化學腐蝕光纖束并結合光纖冷加工接續(xù)的方法，在自由空間

6、將排列好的光纖束與多芯光纖進行對準，制備了低串擾(<-50dB)、低插入損耗(<1dB)、高回波損耗(>50dB)的多芯光纖復用/解復用器，性能達到世界領先水平。以此為基礎，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)容量達到33.6Tb/s，頻譜效率達到44.8bit/s/Hz，驗證了多芯光纖及關鍵器件的穩(wěn)定性。
　　(5)演示了基于多芯光纖的波分-空分大容量接入網系統(tǒng)，研究了多芯光纖在下一代接入網擴容以及增強接

7、入網系統(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。
　　(6)研究了多芯光纖在移動前傳系統(tǒng)中的應用，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)對芯間串擾的容忍度，并基于此研究結果針對5G中的關鍵技術massive MIMO設計了64芯光纖，芯間串擾低于-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用技術作為一種在物理層復用維度上擴充系統(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，人為地調控并優(yōu)化信道質量，挖掘光纖信道的擴容潛力是空分復用技術的關鍵科學問題。因此本論文圍繞這些科學問題在多芯光纖的設計與結構優(yōu)化、芯間串擾對信號的損傷機理、多芯光纖的非線性傳輸建模等方面開展了大量基礎理論工作。在攻克了光纖與復用/解復用器件制備的技術瓶頸之后，本論文實現(xiàn)