[发明专利]基于分段思想的弱耦合多芯光纤串扰计算方法

说明书

本发明公开了一种基于分段思想的弱耦合多芯光纤串扰计算方法，包括：获取光纤物理参数，设置光纤分段长度d，计算模耦合系数k；将光纤沿传播方向按d进行等长分段，计算第i段中纤芯n和纤芯m间的等效相位失配Δβ_eq,mn,i(z)并修正耦合模方程；结合k和Δβ_eq,mn,i(z)计算各段修正后的耦合系数gi；通过修正的耦合模方程得到每段光纤末尾纤芯n和纤芯m中电场的解析解并计算第i段增加的串扰ΔXT_i；将各ΔXT_i相加得到纤芯间的总串扰。本发明通过使用等效传播常数和模耦合系数代替随机的常数从而充分考虑了传播常数和模耦合系数的影响，并通过纤芯的等效传播常数来关联纤芯的内在物理特性，相比于传统的串扰计算方法，本发明适用的范围更加广泛且计算结果准确。

技术领域

本发明涉及光纤串扰计算技术领域，具体涉及一种基于分段思想的弱耦合多芯光纤串扰计算方法。

背景技术

随着云计算、在线游戏、物联网等数据业务的快速增长，互联网流量持续增长，光网络作为互联网的骨干传输网，流量的增长趋势对光网络的传输带宽提出了更高的要求。但是，随着现代通信技术对光纤通信系统中时间、频率、波长、偏振等物理维度的充分利用，在以光纤为主要传播媒介的光网络环境中，单芯单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)的实验传输容量已逐渐逼近非线性香农理论极限值100Tbit/s，而基于空分复用(SDM)的多芯光纤技术利用光纤通信中最后一个剩余的物理维度(空间维度)能极大地扩大通信容量，因此开始被广泛研究。

多芯光纤(Multi Core Fiber)是一个共同的包层区中存在多个纤芯，已有的空分复用(SDM)光纤有弱耦合多芯光纤(WC-MCF)、强耦合多芯光纤(SC-MCF)和少模多芯光纤(FM-MCF)等。弱耦合多芯光纤由于纤芯的空间物理距离非常小，不同纤芯中的光信号相互影响产生耦合串扰，会严重影响光通信质量的。耦合模理论为研究这种纤芯间的耦合串扰提供了理论依据，并发现理想弱耦合多芯光纤(不同纤芯间的折射率之差为零)中纤芯间功率耦合呈周期性振荡特性。但由于制造工艺的误差，实际多芯光纤不同纤芯间的折射率会有微小差异，并且在实际传输过程中，还要考虑光纤弯曲和扭转所带来的随机纵向扰动。因此，为研究实际多芯光纤的耦合串扰问题，需要对包含随机纵向扰动的修正耦合模方程进行求解，来研究耦合串扰的特性。

基于纵向扰动的随机特性，Tetsuya Hayashi等人为解决串扰的随机演变问题，采用概率统计方法分析了在恒定弯曲速率的双芯光纤中耦合串扰的统计特性，提出了耦合串扰的一般表达式[1]，从中可见在相位匹配区，芯间串扰的平均功率随弯曲半径和传输长度呈线性变化。此方法使用离散变化模型将串扰看成是一个随机变量，需要利用中心极限理论求串扰实部和虚部的方差，从而求出串扰的概率密度函数和分布函数，最后求得串扰均值的表达式。在理论推导的过程中，其假设不同纤芯间的传播常数完全相同(不同纤芯的固有折射率完全相同)。但是，实际多芯光纤不同纤芯的传播常数会有微小差异，不可能完全相同。因此对于实际多芯光纤，该模型并不适用。并且，该模型只能应用在相位匹配区，不能应用在非相位匹配区。在实际多芯光纤中，其应用范围较小。

Ming-Jun Li等人提出利用分段统计思想推导双芯光纤的平均串扰值，并在分段长度不同的情况下获得了双芯光纤平均串扰值的表达式[2]。此方法中提出的方法和理论表达不够完整，在实际光纤中，就算是两个同质的纤芯，其传播常数不可能完全相同，且其传播常数会因弯曲和扭转的纵向扰动而改变。另外，对于分段的处理也不够完善，其假设传播常数k和传播常数g保持不变，这个假设在实际多芯光纤中是不成立的，因为传播常数k和修正后的传播常数g会受弯曲和扭转的影响沿光纤纵向改变。因此，在求解耦合模方程和计算串扰时必须将这些因素考虑进去。

Lin Gan等人提出直接利用计算机求解耦合模方程的数值解法[3]，此方法中利用四阶龙格库塔法和辛普森积分法相结合来处理耦合模方程中相位积分的问题，从而实现耦合模方程的数值求解。此方法虽然最后的解析结果与理论结果相符合，但通过数值解求解耦合模方程相当耗时不能提供串扰变化的内在物理特性。