一种光纤本征模复用通信方法和系统与流程

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-divisionmultiplexing，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(orbitalangularmomentum，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-outputdigitalsignalprocessing，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。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种光纤本征模复用通信方法和系统，其目的在于直接利用光纤本征模式作为数据信息载体，实现多通道光纤本征模式低串扰复用通信。

本发明提供的光纤本征模复用通信方法，直接利用光纤本征模式作为数据信息载体，通过多通道本征模复用器将发射端多个高斯模式转换为光纤本征模式并复用在一起，进入本征模分离的多模光纤进行传输，传输后通过多通道本征模解复用器将多个光纤本征模式转换为多个高斯模式并分开，然后送入接收端进行接收。该光纤本征模复用通信方法与单模光纤通信兼容，即发射端和接收端的多个高斯模式匹配单模光纤。

作为上述技术方案的改进，上述方案经过一段本征模分离的多模光纤传输之后，由于传输链路损耗信号变得微弱，不利于接收端接收信号。通过本征模分离的光放大器将经过传输的多个光纤本征模式进行中继放大，再耦合进入另一端本征模分离的多模光纤进行传输。

作为上述方案的进一步改进，上述方案经过多段本征模分离的多模光纤传输时，使用多个本征模分离的光放大器进行中继放大；每经过一段本征模分离的多模光纤传输，对应使用一个本征模分离的光放大器中继放大多个光纤本征模式，再进入下一段本征模分离的多模光纤传输；本征模分离的多模光纤和本征模分离的光放大器交替使用。

本发明提供的一种光纤本征模复用通信系统，包括发射端，多通道本征模复用器，本征模分离的多模光纤，多通道本征模解复用器以及接收端。发射端有n个发射机，n为正整数，提供n个通道光信号；多通道本征模复用器有n个输入端口和1个输出端口，可以将由n个输入端口输入的n个通道单模光纤光信号转换为n个光纤本征模式并高效复用在一起由1个输出端口输出，n个输入端口匹配单模光纤，可以和单模光纤直接对接，n个输入端口与发射端n个发射机依次对应连接，1个输出端口匹配本征模分离的多模光纤并与其输入端连接；本征模分离的多模光纤支持多通道光纤本征模式，且所有光纤本征模式完全分离，光纤本征模式间有效折射率差大、串扰低；多通道本征模解复用器有1个输入端口和n个输出端口，用于将由1个输入端口输入的复用在一起的n个通道光纤本征模式高效解复用为n个通道单模光纤光信号并由n个输出端口输出，1个输入端口匹配本征模分离的多模光纤并与其输出端连接，n个输出端口匹配单模光纤，可以和单模光纤直接对接，n个输出端口与接收端n个接收机依次对应连接；接收端有n个接收机，探测n个通道光信号。

作为上述方案的改进，在本征模分离的多模光纤和多通道本征模解复用器之间加入本征模分离的光放大器和第二段本征模分离的多模光纤。本征模分离的光放大器用于实现多通道光纤本征模式的中继光放大以补偿经过第一段本征模分离的多模光纤的传输损耗，然后多通道光纤本征模式进入第二段本征模分离的多模光纤传输。

作为上述方案的进一步改进，多通道本征模复用器和多通道本征模解复用器之间有m+1段本征模分离的多模光纤和m个本征模分离的光放大器，m为非负整数(m＝0，1，2，…)，本征模分离的多模光纤和本征模分离的光放大器依次交替连接，每一段本征模分离的多模光纤为一个传输跨距，每一个本征模分离的光放大器提供多通道本征模式的中继光放大以补偿传输损耗。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供一种光纤本征模复用通信方法和系统，直接利用光纤本征模式作为数据信息载体实现模式复用通信，这为光纤通信提供了一种全新思路和途径。

(2)相比于传统的单模光纤通信，光纤本征模复用通信利用多模光纤多通道本征模式进行复用通信，通过多通道本征模式复用及并行传输，可以有效提高单根光纤的光通信容量和频谱效率，实现可持续扩容，从而有效应对光通信新容量危机。

(3)基于线偏振模式和轨道角动量模式的模分复用，线偏振模式和轨道角动量模式都是由光纤本征模式线性叠加而成，相比之下，光纤本征模复用通信直接利用光纤本征模式，因此更为直接。

(4)基于线偏振模式和轨道角动量模式的模分复用，当光纤发生弯曲、形变及其他扰动时，由光纤本征模式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，光纤本征模式更显优势。

(5)基于线偏振模式和轨道角动量模式的模分复用，由于存在模式间串扰需要在模式复用通信系统中辅助以mimo-dsp技术，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，相比之下，基于本征模分离多模光纤的本征模复用通信，由于多通道光纤本征模式有效分离，本征模式间有效折射率差大、串扰低，因此可以实现无需mimo-dsp技术的低串扰光纤本征模复用通信，有效降低系统成本和复杂度。

(6)基于线偏振模式和轨道角动量模式的模分复用，目前复用通道数目相对较少，相比之下，基于本征模分离多模光纤的本征模复用通信，可以支持更多的本征模式通道数目，因此可以更有效提高复用通信容量和频谱效率。

(7)光纤本征模复用通信利用的光纤本征模复用技术与现有光纤通信技术相兼容，比如可以与先进高级调制格式、波分复用和时分复用等传统光纤通信技术相结合来更加高效提高光纤通信容量和频谱效率。同时，由于提供单模光纤接口，因此可以和现有单模光纤通信系统无缝融合，实现多个单模光纤通信系统与光纤本征模复用通信系统的对接。

附图说明

图1是本发明提供的光纤本征模复用通信系统的结构示意图。

图2是本发明提供的光纤本征模复用通信系统的一种改进结构示意图。

图3是本发明提供的光纤本征模复用通信系统的另一种改进结构示意图。

图4是实施例中全光纤多通道本征模复用器和解复用器结构图。

图5是实施例中本征模分离的椭圆纤芯多模光纤结构示意及参数。(a)一种本征模分离的椭圆纤芯多模光纤的三维结构图和光纤横截面图。(b)一种本征模分离的椭圆纤芯多模光纤的折射率分布图。(c)一种本征模分离的椭圆纤芯多模光纤支持的6个本征模式。

图6是实施例中椭圆纤芯多模光纤中不同本征模式有效折射率随着拉锥系数m的变化图。

图7是实施例中单模光纤中基模到椭圆纤芯多模光纤中本征模式的耦合仿真结果。

图8是实施例中光纤本征模复用通信系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种光纤本征模复用通信方法和系统，旨在直接利用光纤本征模式作为数据信息载体，提供实现多通道光纤本征模式低串扰复用通信的新方法以及基于该方法的本征模复用通信系统。目标是利用多模光纤的多通道本征模式进行无需mimo-dsp技术的低串扰本征模复用通信，通过构建并组合多个发射机、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多个接收机实现光纤本征模复用通信系统，提高光纤通信容量和频谱效率，实现可持续扩容，以有效应对光通信新容量危机。

如图1所示，本发明提供的一种光纤本征模复用通信方法和系统。

本发明提供一种光纤本征模复用通信方法，具体实施方式如下：

直接利用光纤本征模式作为数据信息载体，通过多通道本征模复用器将发射端多个高斯模式转换为光纤本征模式并复用在一起，进入本征模分离的多模光纤进行传输，传输后通过多通道本征模解复用器将多个光纤本征模式转换为多个高斯模式并分开，然后送入接收端进行接收。该光纤本征模复用通信方法与单模光纤通信兼容，即发射端和接收端的多个高斯模式匹配单模光纤。

本发明提供一种光纤本征模复用通信系统，具体实施方式如下：

发射端100有n个发射机，n为正整数，提供n个通道光信号；多通道本征模复用器200有n个输入端口和1个输出端口，可以将由n个输入端口输入的n个通道单模光纤光信号转换为n个光纤本征模式并高效复用在一起由1个输出端口输出，n个输入端口匹配单模光纤，可以和单模光纤直接对接，n个输入端口与发射端100中n个发射机依次对应连接，1个输出端口匹配本征模分离的多模光纤300并与其输入端连接；本征模分离的多模光纤300支持多通道光纤本征模式，且所有光纤本征模完全分离，光纤本征模式间有效这宿舍率差大、串扰低；多通道本征模解复用器400有1个输入端口和n个输出端口，可以将由1个输入端口输入的复用在一起的n个通道光纤本征模式高效解复用为n个通道单模光纤光信号并由n个输出端口输出，1个输入端口匹配本征模分离的多模光纤300并与其输出端连接，n个输出端口匹配单模光纤，可以和单模光纤直接对接，n个输出端口与接收端500中n个接收机依次对应连接；接收端500有n个接收机，探测n个通道光信号。

如图2所示，本发明提供的一种光纤本征模复用通信改进方法和系统。

本发明提供一种光纤本征模复用通信改进方法，具体实施方式如下：

多个光纤本征模式经过一段本征模分离的多模光纤传输之后，由于传输链路损耗信号变得微弱，不利于接收端接收信号。通过本征模分离的光放大器将经过一段本征模分离的多模光纤传输的多个光纤本征模式进行放大，再耦合进入另一段本征模分离的多模光纤进行传输。

本发明还提供一种光纤本征模通信系统的改进方案，具体实施方式如下：

该系统不仅包括图1中的发射端100，多通道本征模复用器200，本征模分离的多模光纤300，多通道本征模解复用器400，接收端500，还在本征模分离的多模光纤300和多通道本征模解复用器400之间加入了本征模分离的光放大器600和另一段本征模分离的多模光纤700。经过第一段本征模分离的多模光纤300传输之后，信号变得微弱，不利于第二段本征模分离的多模光纤700继续传输。发射端100的n个发射机提供的n个通道高斯模式光信号由多通道本征模复用器200高效复用为n个通道光纤本征模式，经过第一段本征模分离的多模光纤300传输之后的n个通道光纤本征模式微弱信号经过本征模分离的光放大器600进行中继放大，然后再进入第二段本征模分离的多模光纤700继续传输，传输后再进入多通道本征模解复用器400将n个通道光纤本征模式高效解复用为n个通道高斯模式信号并分开，最后由接收端500的n个接收机进行接收。

如图3所示，本发明提供的一种光纤本征模复用通信的另一种改进方法和系统。

本发明提供一种光纤本征模复用通信的进一步改进方法，具体实施方式如下：

上述方案多个光纤本征模式经过多段本征模分离的多模光纤传输时，需要多次中继放大，每经过一段本征模分离的多模光纤传输，对应使用一个本征模分离的光放大器中继放大多个光纤本征模式，再进入下一段本征模分离的多模光纤传输，本征模分离的多模光纤和本征模分离的光放大器交替使用。

本发明还提供一种光纤本征模复用通信系统的进一步改进方案，具体实施方式如下：

多通道本征模复用器200和多通道本征模解复用器400之间有m+1段本征模分离的多模光纤300和m个本征模分离的光放大器600，m为非负整数(m＝0，1，2，……)，本征模分离的多模光纤和本征模分离的光放大器依次交替连接，每一段本征模分离的多模光纤为一个传输跨距，每一个本征模分离的光放大器提供多通道本征模式的中继光放大以补偿传输损耗。

下面介绍本发明提供的光纤本征模复用通信系统的一个具体实施例，以举例说明图1所示的光纤本征模复用通信系统，其中，本征模分离的复用器和解复用器基于光纤定向耦合来实现，本征模分离的多模光纤采用椭圆纤芯多模光纤，支持6个光纤本征模式实施例光纤本征模复用通信系统具体结构如下：

如图4所示是全光纤本征模复用/解复用器结构图。从左向右为复用器，从右向左为解复用器。这里以复用器进行说明。输入端口1，3，5分别输入x方向偏振的高斯模式光信号，输入端口2，4，6分别输入y方向偏振的高斯模式光信号。输入端口1，2的高斯模式光信号经过第一光纤偏振合束器7进行合束后通过第一单模光纤10与椭圆纤芯多模光纤13耦合，输入端口3，4的高斯模式光信号经过第二光纤偏振合束器8进行合束后通过第二单模光纤11与椭圆纤芯多模光纤13耦合，输入端口5，6的高斯模式光信号经过第三光纤偏振合束器9进行合束后通过第三单模光纤12与椭圆纤芯多模光纤13耦合，其中椭圆纤芯多模光纤13是从细到粗缓变的，合束后的高斯模式光信号在不同位置与椭圆纤芯多模光纤13进行有效折射率匹配，可以激发6个不同的光纤本征模式并保持到最终的椭圆纤芯多模光纤13中。这里，还利用了光纤定向耦合的偏振相关性，即x方向偏振的高斯模式定向耦合激发光纤本征模式y方向偏振的高斯模式定向耦合激发光纤本征模式

如图5所示是本征模分离的椭圆纤芯多模光纤结构示意及参数。(a)为椭圆纤芯多模光纤的三维结构图和光纤横截面图。(b)为椭圆纤芯多模光纤的折射率分布图，横轴表示椭圆芯光纤的尺寸，纵轴表示折射率n，其中实线描述椭圆长轴a的折射率分布，虚线描述椭圆短轴b的折射率分布。(c)为椭圆纤芯多模光纤支持的6个光纤本征模式。的上标表示本征模式的偏振方向，下标m，n分别表示x，y方向的光斑个数。这里，椭圆纤芯多模光纤所支持的和有效折射率差还不是太大，所支持的光纤本征模式数目还不是很多，通过将熊猫型应力区光纤或者领结型(也叫蝴蝶型)应力区光纤的结构设计和椭圆纤芯光纤或者椭圆环形芯光纤的结构设计进行融合，可以实现支持多通道光纤本征模式，且所有光纤本征模式完全分离，光纤本征模式间有效折射率差大、串扰低。

如图6所示是椭圆纤芯多模光纤中不同本征模式有效折射率随着拉锥系数m的变化图。由于单模光纤中基模的有效折射率为1.444389，据此图可得出不同光纤本征模式与单模光纤基模相匹配时所对应的椭圆纤芯多模光纤拉锥系数。

如图7所示是单模光纤中基模lp01到椭圆纤芯多模光纤中不同光纤本征模式的耦合仿真结果图。根据图4所示方案和图6中得出的单模光纤基模与椭圆纤芯多模光纤本征模的匹配系数，分别仿真出单模光纤基模到椭圆纤芯多模光纤6个光纤本征模式的耦合过程。

如图8所示是实施例中光纤本征模复用通信系统的结构示意图。发射端100的6个发射机分别将携带不同数据信息的高斯模式光信号送至多通道本征模复用器200的6个输入端口，经过多通道本征模复用器200后得到复用在一起的6个通道光纤本征模式，经过本征模分离的椭圆纤芯多模光纤300传输后，6个通道光纤本征模式进入多通道本征模解复用器400解复用为6个通道高斯模式，分别从多通道本征模解复用器400的6个输出端口输出进入接收端500的6个接收机进行接收，这样就完成了利用光纤本征模式进行通信的光纤本征模复用通信系统。

值得注意的是，本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。