用于光纤模分复用的光纤模式变换和模分复用技术研究

摘要

近年来，在现有的长距离光纤通信系统中，单模光纤传输系统的通信容量得到大幅度的提升，然而，人们对于带宽的需求要远远大于单模光纤传输系统带宽度的增加。为了解决不断出现的“带宽消耗”型业务对光传送网带来的巨大压力，人们通过各种办法提高现有的光传输容量。由于单模光纤自身固有的非线性效应限制，以现在的趋势发展下去，单模光纤可能在不远的将来就要达到“带宽耗尽”，模分复用技术因此应运而生了。模分复用技术利用多模光纤中有限的稳定模式作为独立信道传递信息，可以成倍的提高系统容量和频谱效率，是构建未来光网络的关键技术之一。本文的研究工作主要针对基于多模光纤的模分复用技术进行研究。
　　本文研究内容主要可以分为以下三个部分:
　　第一部分是针对模式理论的研究及BPM(Beam-Propagation-Method)算法理论的分析推导，对模式的本质、多模干涉效应、少模光纤的传输特性等进行了深入的研究。并且从Maxwell方程组出发，经过Pada近似、Crank-Nicholson差分，最终得到BPM差分方程。
　　第二部分是针对现有模分复用传输系统解决方案的研究和分析，按照所用器件的不同可以将现有技术归纳为两大类:一是基于光纤结构的模分复用，此类技术是利用光纤的传输特性在多模光纤中激发可以作为独立传输通道的高阶模式，结构简单、耦合效率高;二是基于空间光学元件的模分复用，此类技术是通过一些分立光学元件（如透镜）来实现模分复用，从结构上来看，比全光纤结构模分复用系统复杂，但可以利用现有的一些成熟技术，易于实现。
　　第三部分是针对全光纤LP02模式转换器的研究，这种转换器是基于多模光纤中的多模干涉效应的，其基本结构由单模光纤(SMF)与少模光纤(FMF)之间用一段多模光纤(MMF)之间连接组成，该模式变换器结构简单，可逆且偏振独立，带宽大，消光比高，耦合效率高，易于实现，在未来模分复用系统中具有良好的应用前景。而且因其可逆性，逆向使用又具有模式过滤功能，可以用于模式解复用。本文利用光束传播法对这种LP02模式转换器进行了仿真模拟，重点研究了MMF长度及光纤芯径等重要参数的变化对模式转换器性能的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1 概述

1．1 光纤传输系统的发展

1．2 模分复用技术(MDM)出现背景

1．3 MDM研究意义

1．4 MDM研究现状

1．5 MDM研究目的

1．6 论文层次

2 模式理论及模分复用传输系统

2．1 模式理论

2．1．1 模式的产生

2．1．2 多模干涉效应

2．1．3 少模光纤

2．2 模分复用解决方案

2．2．1 基于光纤结构的模分复用

2．2．2 基于空间光学元件的模分复用

2．3 本章小结

3 光束传播法仿真

3．1 光束传播法(BPM)发展概况

3．1．1 BPM分类

3．1．2 BPM边界条件

3．1．3 BPM在光波导中的应用

3．2 柱坐标WA-BPM

3．3 程序流程示意图

3．4 LP02模式转换器介绍及其WA-BPM程序模块

3．4．1 LP02模式转换器介绍

3．4．2 初始入射场模块

3．4．3 参考折射率模块

3．4．4 折射率分布模块

3．4．5 计算Pada近似系数模块

3．4．6 确定三对角矩阵系数模块

3．5 本章小结

4 LP02模式转换器BPM仿真结果及分析

4．1 BPM仿真光场图分析

4．2 仿真参数分析

4．2．1 MMF长度对系统性能影响

4．2．2 MMF纤芯半径对系统性能影响

4．3 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历

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