[发明专利]一种光纤本征模复用通信方法和系统

说明书

本发明公开了一种光纤本征模复用通信方法和系统，该方法直接利用光纤本征模作为信息载体，将多个光纤本征模在本征模分离的多模光纤中低串扰复用传输。该系统包括发射端，多通道本征模复用器，本征模分离的多模光纤，本征模分离的光放大器，多通道本征模解复用器和接收端。其中，本征模分离的多模光纤支持的多通道光纤本征模之间有效折射率差大、串扰低，多通道本征模复用器实现多通道高斯模到光纤本征模的转换和复用，多通道本征模解复用器实现多通道光纤本征模到高斯模的转换和解复用，复用解复用可扩展且提供单模光纤接口。本发明支持多通道光纤本征模低串扰复用通信，无需多进多出数字信号处理，兼容单模光纤，可有效提高通信容量和频谱效率。

技术领域

本发明属于光纤通信和导波光学领域，更具体地，涉及一种光纤本征模复用通信方法和系统。

背景技术

伴随着社会的高度信息化，对光通信系统特别是骨干光通信系统提出了更高的要求，表现为信息容量大、传输距离长、通信质量高和系统可靠性好等特性。根据目前的发展速度，整个网络的容量将在未来十年至少提升100倍，而同期常规单模光纤通信系统容量的提升将会落后网络流量增速一个数量级。与此同时，近年来随着移动互联网的快速发展，数据量日益增长，催生了新的网络运营模式，比如通过大量信息技术基础设施构建的云计算，这其中要用到数据中心和超级计算机，大量的数据要经过这里进行存储、处理和交换。这些业务以前所未有的方式汇集数据，使得数据量急速增长，迫切需要实现数据中心的高速光互连以及超级计算机的高速光互连。因此，如何可持续提高光通信/光互连系统容量，以应对不断增长的容量需求，已成为光通信亟待解决的关键问题。事实上，所有的光通信技术追根溯源都是围绕光波的维度资源展开，光波的基本维度资源包括幅度、相位、频率/波长、偏振、时间和横向空间分布。提升光通信容量的各种复用技术和先进高级调制技术正是对光波的幅度、相位、频率/波长、偏振和时间维度资源的充分利用，但随着这些熟知光波维度资源被开发殆尽，光通信开始显现“新容量危机”。为了进一步提高光通信系统的容量和频谱效率，空分复用技术(Space-Division Multiplexing，SDM)在国内外引起了广泛关注。空分复用技术利用光波的空间维度，包括基于少模光纤、多模光纤、环形光纤等的模分复用技术和基于多芯光纤的芯分复用技术。模分复用技术是指将不同的正交空间模式(空间可以重叠)作为不同的传输信道，从而实现空间复用的技术。芯分复用技术是指将空间分离的不同纤芯(空间不重叠)作为不同的传输信道，从而实现空间复用的技术。类似光通信发展过程中波分复用(多个波长作为多个传输信道)这一里程碑技术，空分复用技术作为一种新的光纤中多信道复用技术可以进一步有效提升光通信容量及频谱效率。

在基于光纤的空分复用技术中，目前，大多数模分复用技术利用的空间模式都是少模光纤、多模光纤、环形光纤等中的线偏振模式(LinearlyPolarized，LP)或轨道角动量模式(Orbital Angular Momentum，OAM)。实际上，线偏振模式和轨道角动量模式都不是光纤的本征模式，而是光纤本征模式的线性叠加。从某种意义上来说，线偏振模式、轨道角动量模式、本征模式可以看成是不同的模式基。既然可以利用线偏振模式和轨道角动量模式实现模分复用，当然也可以利用本征模式实现模分复用。特别地，利用光纤本征模式的模分复用更加直接。当光纤发生弯曲、形变及其他扰动时，由本征模线性叠加而成的线偏振模式和轨道角动量模式容易受到影响，相比之下，直接基于光纤本征模的复用通信具有潜在优势。另外，对于传统基于线偏振模式的模分复用，由于线偏振模式间严重的模式串扰，需要在线偏振模式复用通信系统中辅助以多进多出数字信号处理技术(Multiple-InputMultiple-Output Digital Signal Processing，MIMO-DSP)，这显著增加了系统的成本和复杂度，并且随着模式数目的增加急剧增长。对于基于轨道角动量模式的模分复用，当模式串扰较大时(比如弱导少模光纤和多模光纤中)，同样需要在轨道角动量复用通信系统中辅助以MIMO-DSP技术。鉴于此，对于光纤本征模复用通信，不仅是直接利用光纤本征模来进行复用通信，更加希望可以通过低串扰本征模复用通信来降低系统成本和复杂度，实现无需MIMO-DSP技术的光纤本征模复用通信系统。这将为解决光通信新容量危机实现光通信可持续扩容提供新思路和新途径。