CN103916186A - 一种减弱光纤模式复用中模式耦合效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减弱双模光纤模式复用传输系统不同模式传输信号光之间由于链路随机耦合造成串扰的方法。该方法基于模式耦合的产生机理，用一段受可调信号调制折射率的声光光纤，使链路中模式耦合造成的信号串扰得到有效消除，提高了模式复用系统传输质量。本发明主要利用受调制的声光光纤对模式的耦合作用，通过调整声光光纤参数，对链路输出模式信号进行可控的耦合，还原受随机模式耦合影响的信号。采用本发明的方法，能够提高系统的信号传输质量，并可有效降低系统的接收终端的信号处理难度。

Description

一种减弱光纤模式复用中模式耦合效应的方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种双模光纤模式复用传输系统中，基于一种可调声光作用光纤对输出模式信号进行人为可控耦合，补偿光纤链路中的随机耦合对模式信号的串扰。 

背景技术

当前信息化社会对于网络带宽的需求达到了前所未有的高度。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。其固有的非线性效应与放大器ASE噪声的限制，使得系统容量已经越来越接近香农极限，以现在的趋势发展下去，单模光纤可能在未来不远的时间达到可以预见的“带宽耗尽”，为解决在高速光传输系统中传输容量将面临的瓶颈，利用多芯光纤以及通过新型设计的多模光纤如少模光纤中不同传输模式的模式复用技术作为新兴方案逐渐成为各科研机构的研究热点。模式复用技术是一种基于光纤波导传输模式，采用除了基本传输模式外还包括更高阶模式作为载波，进行模分复用，实现更高容量，更高传输速率的新型光通信技术。在模式复用传输系统中，由于少模光纤（一般传输模式数2～10）具有较大的模场面积，因此模式传输中受到模间色散、模间耦合以及非线性损伤的影响要比传统多模光纤更轻微， 因此有很大的研究价值。而双模光纤则是最简单的少模光纤，可以在其基础上分析和构建模式复用通信系统。 

然而，由于少模光纤在制造过程中不可避免的存在着材料、工艺等造成的折射率分布缺陷，以及在铺设工程中受外力影响造成的微弯、光纤跨段失配等影响，原本正交的传输模式在传输中发生相互耦合串扰，这种耦合是随机的，造成接收端模式信号的模糊，传输性能受到限制。 

对少模光纤模式耦合效应的分析可以由以下传输矩阵模型进行：光纤传输链路被划分为多个分段，在每个分段之间考虑模式之间的耦合。对于两种模式传输的情况，有以下传输过程： 

$\frac{d{A}_1\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=-j{\mathrm{\β}}_1{A}_1\left(z\right)-j{\mathrm{\α}}_2{A}_2\left(z\right)$

$\frac{d{A}_2\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=-j{\mathrm{\β}}_2{A}_2\left(z\right)-j{\mathrm{\α}}_1{A}_1\left(z\right)$

其中A₁、A₂表示两模式信号幅度，α₁、α₂表示耦合系数。则链路传输矩阵可以近似为以下过程： 

M^(t)(ω)＝M^(k)(ω)M^(k-1)(ω)...M⁽²⁾(ω)M⁽¹⁾(ω)， 

对于每段光纤， 

$M^{\left(k\right)}=\left(\begin{array}{cc}\sqrt{1-\mathrm{\α}}& \sqrt{\mathrm{\α}}\\ -\sqrt{\mathrm{\α}}& \sqrt{1-\mathrm{\α}}\end{array}\right),$ 近似为一酉矩阵。 

在现阶段的研究和实施中，针对光纤链路耦合造成的串扰，多是在接收端进行电域的MIMO信号处理，通过发送训练序列，进行信道估计，得到信道传输矩阵M，进而通过调整接收滤波器阵列抽头，使接收信号与一附加矩阵W进行运算，从而从受耦合串扰的信号中 分别解出模式信号。这种技术虽然在一定程度上可以降低模间耦合的影响，但却都相应地受到实际环境，解码复杂度，操作困难等因素的制约。 

光纤中的声光效应基本原理是通过挠行声波引入折射率微扰，激发光纤中基模与高阶模式间光功率的耦合。电声换能器（PZT）通过硅制尖锥将挠行声波加载到双模光纤上，使光纤发生周期性微弯。由于光纤材料的弹光效应，光纤横截面会出现反对称分布的折射率调制，并且调制强度沿光纤纵向呈周期性变化。这种折射率调制形式会使特定波长的模式之间产生耦合。利用声光效应，人们已进行过声光光纤滤波器的研究。 

双模声光作用光纤的耦合效应可由下式表示: 

$\frac{{\mathrm{dE}}_{01}}{\mathrm{dz}}+i{\mathrm{\κ}}_s{e}^{i{\mathrm{\δ}}_{s}z}{E}_{11}=0$

$\frac{{\mathrm{dE}}_{11}}{\mathrm{dz}}+i{\mathrm{\κ}}_s{e}^{-i{\mathrm{\δ}}_{s}z}{E}_{01}=0,$

其中耦合系数为 ${\mathrm{\κ}}_s=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_0}}{n}_0\underset{A}{\∫}{\mathrm{\ψ}}_{01}(r,\mathrm{\θ})\mathrm{\Δn}{\mathrm{\ψ}}_{11}(r,\mathrm{\θ})\mathrm{d\θdr},$ Δn为受到调制的折射率变化。 

发明内容

（一）要解决的技术问题： 

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够根据接收端误码情况自动调谐接收端状态，来达到减弱或消除双模光纤模式复用传输系统 中模式链路随机耦合效应，进而提升双模光纤模式复用传输系统的传输能力。 

（二）技术方案： 

本发明解决技术问题的技术方案是：提供了一种基于自动调谐声光作用光纤对模式复用系统传输链路中累积的模间随机耦合进行补偿的方法。该方法通过调节声光光纤驱动信号参数改变光纤折射率分布来产生一附加耦合矩阵，补偿链路随机耦合的影响。 

本发明中，光纤传输链路分为两段，第一段采用纤芯直径为12μm，相对折射率差为0.001的阶跃型光纤，传输信号波长为1550nm，满足双模传输的条件；第二段采用一种模间色散与前段相反的负色散光纤，补偿模间色散。在链路末端，接入一段直径为13μm，其它参数与链路光纤相同的无包层双模光纤纤芯，用一受末端信号驱动的压电陶瓷为其加载扰动声波，驱动信号由接收端根据误码率调整产生。 

本发明还提供了一种上述模间耦合补偿方法采用的基于双模光纤的光传输系统实例。包括光发射机模块，光接收模块，模式转换器、模式复用/解复用器，和一段上述的光传输线路段；光接收模块包括信号接收模块、模式滤除、模式转换和模式解复用。所述的光传输线路段在光传输终端可实现传输链路累积的模间耦合补偿。 

与现有技术相比，本发明的基于少模光纤的模式复用系统中的模间耦合补偿方法，不需要终端复杂的数字信号处理技术，无需改变模式复用系统的基本传输结构。 

附图说明

图1为本发明中补偿双模光纤模式复用传输系统总体结构示意图。 

图2为声光作用光纤与连接结构示意图。 

具体实施方式

为使本方法的目的、技术方案及优点更加清楚明白，一下参照附图并举例实施，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

本发明提供了一种基于声光作用光纤产生一附加耦合矩阵对光纤链路模式耦合进行补偿的方法。图1为本发明的一种系统实施案例。该模式复用传输系统中，11和12为光发送机，111、112为光接收机，13、110为空间相位盘，功能是LP₀₁、LP₁₁模式间的转换，14、19为模式复用/解复用模块，15、16为技术方案中所述的正负色散光纤补偿模间色散的光纤链路，17为线路掺铒光纤放大器EDFA，18为声光作用光纤模块，113为信号处理模块，其作用为根据接收训练序列信号的无码情况，产生对声光作用模块的驱动信号。 

图2为声光作用模块的结构组成，其中23为技术方案中所述的双模裸光纤，26为受反馈信号驱动的压电陶瓷和对光纤加载信号的硅锥，21、25为双模光纤，22、24为光纤连接器。 

本系统的工作过程为，首先由发送端发送训练序列信号  $T=\left(\begin{array}{c}T1\\ T2\end{array}\right),$ 经模式转换器和复用器，在光纤传输过程中，发生随机耦 合，至接收端时信号为（信号衰减已被补偿），M(ω)为链路总的耦合矩阵，信号再经过声光光纤，得到接收信号为R＝T(ω)*M(ω)*W(ω)，其中W(ω)为声光光纤折射率受调制后产生的耦合矩阵，此时根据接收信号R对发送训练序列T的误码率，产生驱动信号，搜索调节声光作用光纤上加载声波信号的强度A和角频率w，则声光光纤的折射率调制强度Δn和周期Λ随之变化，进而改变W(ω)，当W(ω)＝M^-1(ω)时，接收端误码率最小，此时调谐过程结束，链路随机耦合已被补偿，此时发送端发送信号，所受模式耦合影响将最小。 

以上所述仅为本方法的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。对于本领域的技术人员来说，对于本发明的多种修改将是显而易见的，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。 

Claims (8)

1.一种双模光纤模式复用系统的模式链路耦合补偿方法，提供传输双模光纤与声光作用双模光纤的级联形式。

2.如权利要求1所述的光纤模式耦合补偿方法，其特征在于：在传输双模光纤末端，利用声光作用双模光纤引起接收模式信号的再耦合，控制声光作用光纤驱动信号调节耦合系数。

3.一种基于上述结构构成的光传输系统，包括光发射模块和光接收模块，至少一段如权利要求1和2所述的传输线路段。

4.如权利要求3所述，光传输系统的发射模块，其特征在于：包含两个信号发生模块，模式激发模块，模式转换模块以及模式复用模块，两个信号发生模块与模式激发模块相连，同时激发基本传输模式LP₀₁，其中一路与模式转换模块相连，将基本传输模式LP₀₁转换为LP₁₁模。两路信号的承载传播模式包含基本传输模式和高阶模式后同时接入模式复用模块，将两路信号进行复用。

5.如权利要求3所述，光传输系统的光接收模块，其特征在于：包含两个信号接收模块，模式解复用模块，模式转换模块，模式滤除模块以及信号处理模块。光发射模块传送的信号经上述传输线路段后，经过模式解复用模块得到两路包含基本模式和高级模式的光信号，其中高阶模式再经过模式转换模块转换为基本模式，并进一步经过模式滤除模块，滤除高阶模式，使转换获得基本传输模式更为纯净。这样的两路信号在经过终端信号处理模块进行信息解码。

6.一种基于上述结构构成的光传输系统，传输线路包括两段模间色散符号相反的双模光纤，补偿模间色散的影响。

7.一种双模光纤模式复用系统的模间耦合补偿方法，其特征在于包含如下步骤：

提供光发射模块，产生适于如权利要求1和2所述的传输线路段的包含至少两种传输模式。

提供光接收模块，接收经过模间耦合补偿后的两种传模式。

光发射模块产生两种传输模式后，与权利要求1和2要求所述的传输线路段相连，经过一定传输线路长度后，与光接收模块相连。

8.如权利要求6所述的双模光耦合效应的补偿方法，其特征在于：补偿双模光纤模式复用传输系统中LP₀₁模式和LP₁₁模式的模间链路耦合。