CN113132007A

CN113132007A - 一种通信系统

Info

Publication number: CN113132007A
Application number: CN201911417874.6A
Authority: CN
Inventors: 郭强; 周锐; 杨志群; 张�林
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: EP4080788A4; JP7438367B2; CN113132007B; US20220342151A1; WO2021136041A1; JP2023509433A; EP4080788A1

Abstract

一种通信系统，用于解决现有技术中通信系统中传输的不同模群间的群延迟较大的问题。本申请中，通信系统可包括至少两个跨段的少模光纤和模式转换器，少模光纤用于传输接收到的M个模群，M个模群在少模光纤中传输的群延时呈中心对称分布；模式转换器用于接收来自少模光纤的M个模群，并将M个模群中的第一模群和第二模群进行模群交换，得到M个交换后的模群，将M个交换后的模群耦合至下一跨段的少模光纤，第一模群的群延时与第二模群的群延时关于中心对称。通过将群延迟关于中心对称的第一模群和第二模群交换模群后，耦合至下一跨段的少模光纤中传输，有助于减小接收端接收到的M个模群间的群延迟。

Description

一种通信系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种通信系统。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，单模光纤通信系统已经无法满足日益增长的通信容量的需求。提出了多模光纤，多模光纤虽然可以满足通信容量的需求(可支持100-200个模式)，但是模式间色散严重，导致信号失真也比较严重。因此，少模光纤通信应用而生，少模光纤既可以减小模式间色散，又可以提升通信系统的容量，因此，被广泛应用在光纤通信系统中。

在光纤通信系统中，承载在不同模式上的信号在传输过程中会发生串扰，因此，接收端需要利用多入多出技术(multi-input-multi-output，MIMO)算法将不同模式上承载的信号进行解调，其中，MIMO算法的复杂度与各个模式的差分模式群延时(differentialmode group delay，DMGD)差成正相关，即模式间的DMGD差越大，MIMO算法越复杂，导致接收端解调信号的时间越长，从而造成接收端解调信号的实时性较差。

为了降低接收端解调信号的复杂度，现有技术中，通常是在每个跨段的少模光纤后级联一段正负模式色散少模光纤来减少DMGD。然而，正负模式色散少模光纤的制备工艺复杂，而且少模光纤与正负模式色散少模光纤较难匹配，级联过程较困难。

发明内容

本申请提供一种通信系统，用于减小不同模群到达接收端时的群延迟。

第一方面，本申请提供一种通信系统，该通信系统可包括至少两个跨段的少模光纤和模式转换器。少模光纤用于传输接收到的M个模群，M个模群在少模光纤中传输的群延时呈中心对称分布，M个模群的群延迟的中心为M个模群的群延迟的最大值与最小值之间的中间值，M个模群的每个模群上承载有信号，M为大于1的整数；模式转换器用于接收来自少模光纤的M个模群，并将M个模群中的第一模群和第二模群进行模群交换，得到M个交换后的模群，将M个交换后的模群耦合至下一跨段的少模光纤，第一模群的群延时与第二模群的群延时关于中心对称，其中，第一模群和第二模群为M个模群中的至少两个模群。

基于该方案，M个模群经少模光纤传输，在到达少模光纤的末端时，M个模群的群延迟呈中心对称分布，群延迟呈中心对称分布的M个模群进入模式转换器，模式转换器将呈中心对称的第一模群和第二模群的模群进行交换，例如，群延迟为最大值的模群与群延迟为最小值的模群发生了交换，群延迟为次大的模群与群延迟为次小的模群发生了交换，以此类推，再将交换后的M个模群耦合至下一跨少模光纤中传输。在下一跨少模光纤中传输时，群延迟为最大值的模群交换为了群延迟为最小值的模群，群延迟为最小值的模群交换为了群延迟为最大值的模群，以此类推，M个模群到达下一跨少模光纤末端时，M个模群的群延时为零。如此，有助于降低接收端的MIMO的算法的复杂度。

在一种可能的实现方式中，M个模群中的任意关于中心对称的第一模群的群延迟与第二模群的群延迟之和相等。进一步，可选地，当M为偶数时，M个群延迟中包括M/2对关于中心对称的群延迟，即M个模群中包括M/2个第一模群和M/2个第二模群；当M为奇数时，M个群延迟中包括

对关于中心对称的群延迟，即M个模群中包括

个第一模群和

个第二模群，以及1个单独的模群。

在一种可能的实现方式中，少模光纤从内向外依次包括纤芯、内包层、沟壑层和外包层。在该少模光纤中，M个模群的群折射率呈中心对称分布；其中，M个模群中的每个模群的群折射率是根据模群的有效折射率确定的，模群的有效折射率是根据少模光纤的纤芯的折射率、内包层的折射率、外包层的折射率、沟壑层的折射率、纤芯的半径、内包层的宽度、沟壑层的宽度以及外包层的宽度确定的。

为了实现将M个模群中的群延迟关于中心对称的第一模群与第二模群进行交换，模式转换器可包括

个不同周期的光纤光栅，一个周期对应一个第一模群和一个第二模群，

表示向下取整；

个不同周期中的每个周期是根据通信波长、对应的第一模群的有效折射率和对应的第二模群的有效折射率确定的。

进一步，可选地，所述光栅周期对应的第一模群的有效折射率与第二模群的有效折射率之差乘以所述光栅周期等于通信波长。

在一种可能的实现方式中，

个不同周期的光纤光栅可为级联结构，也可为叠栅结构。当

个不同周期的光纤光栅为叠栅结构时，有助于避免不同区域的光纤光栅的横截面对相位不匹配的其它模群的耦合造成影响。

在一种可能的实现方式中，模式转换器可包括反射式相位板或透射式相位板。

本申请中，通信系统还包括放大器。模式转换器可位于少模光纤与放大器之间；或者，模式转换器可集成于放大器内。通过将模式转换器集成于放大器内，可以弥补模式转换器引入的插损且可不恶化传输信号的信噪比。

附图说明

图1为本申请提供的一种呈中心对称分布的值的示意图；

图2为本申请提供的一种通信系统的架构示意图；

图3为本申请提供的一种少模光纤的横截面的结构示意图；

图4a为本申请提供的一种阶跃型少模光纤的结构示意图；

图4b为本申请提供的一种阶跃型少模光纤的群折射率分布示意图；

图4c为本申请提供的另一种阶跃型少模光纤的群折射率分布示意图；

图5a为本申请提供的一种渐变型少模光纤的结构示意图；

图5b为本申请提供的一种渐变型少模光纤的群折射率分布示意图；

图5c为本申请提供的另一种渐变型少模光纤的群折射率分布示意图；

图6a为本申请提供的一种光纤光栅的级联结构示意图；

图6b为本申请提供的一种光纤光栅的叠栅结构示意图；

图7a为本申请提供的一种基于相位板的模式转换器进行模群转换的示意图；

图7b为本申请提供的另一种基于相位板的模式转换器进行模群转换的结构示意图；

图7c为本申请提供的一种模式转换器为反射式相位板的结构示意图；

图7d为本申请提供的一种模式转换器为透射式相位板的结构示意图；

图8a为本申请提供的一种模式转换器在通信系统的位置示意图；

图8b为本申请提供的另一种模式转换器在通信系统的位置示意图；

图8c为本申请提供的又一种模式转换器在通信系统的位置示意图；

图9为本申请提供的另一种通信系统的架构示意图。

具体实施方式

以下，对本申请中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解本发明。

一、少模光纤(few mode fiber，FMF)

FMF是一种单芯光纤，具有较大的模场面积，允许多个独立的模式并行传输信号。一般情况下，少模光纤可支持2至50个模式。也就是说，少模光纤是一种纤芯面积比较大，支持同时在多个模式上并行传输信号的光纤。模式可以理解为是光作为电磁波在光纤中传输时形成的一种场型分布形式。即在少模光纤内光行进形成混合型模，该混合型模一般被称为线性偏振(linearly polarized，LP)模式。

少模光纤是基于模分复用技术传输信号的。在理想情况下，不同模式之间是相互正交的。也可以理解为，少模光纤可支持多个相互正交的独立模式，将这些模式作为独立信道，这些模式可以同时承载多路信号。

二、模群

模群是指传播常数一致的多个模式组成的群组。也就是说，一个模群中包括的多个模式的群速率相等。一根光纤可以传输多个模群。

三、差分模式群延时(differential mode group delay，DMGD)

少模光纤中传输的模群具有不同的有效折射率，由于v＝c/n，即不同的模群在少模光纤中的传输的速率不同，因此，不同模群在少模光纤中传输一段距离后，模群间会产生的延迟差即为DMGD，数学表达式如下：

其中，λ表示通信波长，v_g表示群速度，c表示真空中的光速，光信号的传输常数β＝n_eff*k₀，k₀＝2π/λ表示自由化开放空间中存在的光波得到数量，n_eff表示这一模群的有效折射率。

四、有效折射率n_eff

有效折射率是一个可以定量描述波导(如少模光纤)中单位长度相位延迟的量，是相对于真空中单位长度相位延迟而言的。在均匀透明介质中，折射率n可以用于定量描述由介质引起的波数(单位长度的相位变化)的增加程度：其波数是在真空中波数的n倍。有效折射率n_eff有着类似的含义：在波导(如少模光纤)中，其某一波长的β值是真空波数的n_eff倍，其中，

需要说明的是，有效折射率不仅依赖于波长，还依赖于传输的模式，因此，有效折射率也被称为模式折射率。

五、折射率分布

折射率分布是指折射率或相对折射率与光纤的半径之间的关系。例如，n(r)表示在半径r处的折射率。

六、相对折射率差

相对折射率差指两个折射率之差与相对的折射率的比值。例如，沟壑层与外包层的相对折射率差Δn_TR，Δn_TR＝(n_TR-n_CL)/n_CL，其中，n_CL表示外包层的折射率，n_TR表示沟壑层折射率。

七、中心对称分布

在数轴上，习惯把距离原心0距离相等、方向相反的两个值点互称为对称点，例如，7和-7互称为中心对称点。以0为中心的对称点两点值之和为0。在以0点为中心的对称点区间[-a，+a]内，不包括0本身，有效点数为2a个，最多可组成a对对称点。

针对M个数值，按从小到大或从大到小的顺序排列，距离中心距离相等的每对数值的和相等，把这对数值称为关于中心对称。如图1所示，为本申请提供的一种呈中心对称分布的值的示意图。以M＝9为例，M个数值按顺序排列为{a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆，a₇，a₈，a₉}，M个数值的中心值为a₅＝(a₁₊a₉)/2，a₁和a₉距离中心的距离相等，a₂和a₈距离中心的距离相等，a₃和a₇距离中心的距离相等，a₄和a₆距离中心的距离相等；且a₁+a₉＝a₂+a₈＝a₃+a₇＝a₄+a₆＝2a₅，则a₁和a₉关于中心对称，a₂和a₈关于中心对称，a₃和a₇关于中心对称，a₄和a₆关于中心对称。

也可以理解为，呈中心对称分布的M个值中，最大值与最小值距离中心的距离相等，次大值与次小值距离中心的距离也相等，且最大值与最小值的和等于次大值与次小值的和，以此类推。

基于模分复用的少模光纤的通信系统中，利用少模光纤支持的正交模式作为独立信道进行信号的并行传输，可提升通信系统的传输容量。而且由于少模光纤的模式具有较大的模场面积，因此非线性容限也很高。也就是说，包括少模光纤的通信系统，既可提高了通信系统的传输容量，又有助于避免了非线性效应对系统的干扰，但会存在背景技术中所描述的问题。

鉴于背景技术中存在的技术问题，本申请提出一种通信系统。该通信系统可降低通信系统中不同模群间的群延迟，从而有助于降低接收端的MIMO的算法的复杂度，提高传输系统效率。

下面结合附图2至附图9，对本申请提出的通信系统进行详细阐述。

如图2所示，为本申请提供的一种通信系统的架构示意图。该通信系统可包括至少两个跨段的少模光纤和模式转换器。图2以包括两个跨段的少模光纤和一个模式转换器为例。少模光纤用于传输接收到的M个模群，M个模群在少模光纤中传输的群延时呈中心对称分布。模式转换器用于接收来自少模光纤的M个模群，并将M个模群中的第一模群和第二模群进行模群交换，得到M个交换后的模群，将M个交换后的模群耦合至下一跨段的少模光纤，第一模群的群延时与第二模群的群延时关于中心对称，其中，第一模群和第二模群为M个模群中的至少两个模群，M个模群的群延迟的中心为M个模群的群延迟的最大值与最小值之间的中间值，M个模群的每个模群上承载有信号，M为大于1的整数。

本申请中，M个模群中的每个模群对应一个群延迟，M个模群对应M个群延迟。M个群延迟分别为t₁，t₂，…，t_M-1，t_M，其中，t₁>t₂>…>t_M。t₁，t₂，…，t_M-1，t_M呈中心对称分布，则t₁+t_M＝t₂+t_M-1＝…，即t₁和t_M关于中心对称，t₂和t_M-1关于中心对称，以此类推。相应地，t₁对应的模群和t_M对应的模群中一个为第一模群，另一个为第二模群；t₂对应的模群和t_M-1对应的模群中一个为第一模群，另一个为第二模群。例如，t₁对应的模群为第一模群，t_M对应的模群为第二模群，t₂对应的模群为第一模群，t_M-1对应的模群为第二模群，以此类推。再比如，t₁对应的模群为第二模群，t_M对应的模群为第一模群，t₂对应的模群为第二模群，t_M-1对应的模群为第一模群，以此类推。应理解，模式转换器用于将第一模群转换为第二模群，将第二模群转换为第一模群。也就是说，模式转换器用于将第一模群的模场逐步转换为第二模群的模场，将第二模群的模场逐步转换为第一模群的模场。

在一种可能的实现方式中，至少两个跨段的少模光纤的每两个跨段的少模光纤之间包括一个模式转换器，即一个跨段的少模光纤+模式转换器+下一跨段的少模光纤。需要说明的是，至少两个跨段的少模光纤可以是偶数个跨段的少模光纤，可以是奇数个跨段的少模光纤。当至少两个跨段的少模光纤为偶数个跨段时，M个模群经过一个跨段少模光纤+模式转换器+下一个跨段的少模光纤后，可实现M个模群间的群延迟为零。当至少两个跨段的少模光纤为奇数个跨段时，M个模群间的群延迟可为最后一个跨段的少模光纤中的群延迟。

基于上述图2所示的通信系统，M个模群经少模光纤传输，在到达少模光纤的末端时，M个模群的群延迟呈中心对称分布，群延迟呈中心对称分布的M个模群进入模式转换器，模式转换器将呈中心对称的第一模群和第二模群的模群进行交换，例如，群延迟为最大值的模群与群延迟为最小值的模群发生了交换，群延迟为次大的模群与群延迟为次小的模群发生了交换，以此类推，再将交换后的M个模群耦合至下一跨少模光纤中传输。在下一跨少模光纤中传输时，群延迟为最大值的模群交换为了群延迟为最小值的模群，群延迟为最小值的模群交换为了群延迟为最大值的模群，以此类推，M个模群到达下一跨少模光纤末端时，M个模群的群延时为零。如此，有助于降低接收端的MIMO的算法的复杂度。

下面对图2所示的各个结构分别进行介绍说明，以给出示例性的具体实现方案。

一、少模光纤

本申请中，少模光纤从内向外可依次包括纤芯、内包层(inner cladding)、沟壑层(trench)和外包层(outer cladding)。如图3所示，为本申请提供的一种少模光纤的横截面的结构示意图。该少模光纤包括纤芯和包层，包层是指在携带光波的纤芯外面覆盖的一层玻璃或其他的透明材料，具有比纤芯略低的折射系数，因此能将光限制在纤芯内传输。包层包括内包层和外包层，图3中的少模光纤的内包层为包裹于纤芯的环形结构，围绕着内包层的结构为沟壑层(亦称为下陷层)，最外层的环形结构为外包层。

少模光纤基于折射率分布可分为阶跃型(step-index)少模光纤和渐变型(graded-index)少模光纤。如下分别基于阶跃型少模光纤和渐变型少模光纤，详细介绍M个模群在这两种类型的少模光纤中传输时的群延时呈中心对称分布的实现方式。

在一种可能的实现方式中，为了实现M个模群在少模光纤中传输的群延迟呈中心对称分布，可通过设计少模光纤的各参数，如少模光纤的折射率分布、纤芯半径、沟壑层的宽度、内包层的宽度、外包层的宽度等。

类型一、阶跃型少模光纤。

如图4a所示，为本申请提供的一种阶跃型少模光纤的结构示意图。该阶跃型少模光纤的折射率分布函数如下：

其中，n_CO表示纤芯的折射率，n_IC表示内包层的折射率，n_CL表示外包层的折射率，

表示沟壑层的折射率，Δn_TR表示沟壑层与外包层的相对折射率差，Δn_TR＝(n_TR-n_CL)/n_CL，R_CO表示纤芯半径，R_IC表示内包层的宽度，R_TR表示沟壑层的宽度，R_CL表示外包层的宽度。应理解，沟壑层是在内包层和外包层之间挖出的沟壑，因此n_IC＝n_CL。

本申请中，少模光纤传输的模群的数量为M，对应的归一化频率参数为V，可通过如下关系确定少模光纤的各参数的范围：

V＝2πRCONA/λ

其中，NA表示数值孔径，λ表示通信波长，也称为工作波长。需要说明的是，NA是经验值，取值范围为0.12±0.02。为了保证少模光纤具有较高的非线性功率阈值，需要较大的模场面积，因此需要较大的纤芯半径，对应的数值孔径也较大，NA可为0.14。另外，λ的取值范围可为1.5-1.6μm。

进一步，外包层的材料主要为二氧化硅，在λ＝1.55μm时，对应的折射率为1.4444。由于少模光纤在制备过程中可能会存在工艺误差等，因此，外包层的折射率通常有±0.006的误差。也就是说，1.4444-0.006≤n_CL≤1.4444+0.006，即1.4434≤n_CL≤1.4446。根据

可确定出n_CO。Δn_TR为经验值，取值范围为-0.0045≤Δn_TR<0。

为了将模群束缚在纤芯内，沟壑层不能距离纤芯太远，通常R_IC的取值范围为0≤R_IC≤R_CO/2。考虑到少模光纤的制作工艺，沟壑层越宽，拉制成本越高，R_TR的取值范围通常为0≤R_TR≤R_CO，R_CL通常取62.5μm。

基于上述计算，可得到阶跃型少模光纤的各参数范围如下：

1.4502≤n_CO(r)≤1.4514

1.4434≤n_CL＝n_IC≤1.4446

-0.0045≤Δn_TR<0

0≤R_IC≤R_CO/2

0≤R_TR≤R_CO

R_CL＝62.5μm

需要说明的是，R_CO可根据该阶跃型少模光纤传输的模群的数量确定。少模光纤的相关折射率参数的最大误差可为1e-4，少模光纤的结构相关参数R_CO、R_IC和R_TR的最大相对误差为2.5％。

示例性地，以少模光纤传输的模群的数量M＝3为例，可确定出(例如查表)对应的归一化频率参数V的范围为3.8≤V≤5.1。也就是说，少模光纤传输的模群的数量与归一化频率参数之间有对应关系。进一步，可选地，可根据V＝2πR_CONA/λ，确定出R_CO的范围。需要说明的是，通过模拟仿真发现，R_co的范围对模拟仿真的结果影响较小。为了减少模拟仿真的复杂度，可取R_co范围内的一个中间值，例如R_co的范围中最大值和最小值的平均值，即R_co＝8.5μm。进一步，可选地，可根据

确定出1.4502≤n_CO(r)≤1.4514。又由于0≤R_IC≤R_CO/2，得到0<R_IC≤4.25μm。R_TR的取值范围为0≤R_TR≤R_CO，得到0<R_TR≤8.5μm。

基于上述计算，可得到该阶跃型少模光纤传输的模群的数量为3时，该阶跃型少模光纤的各参数范围如下：

1.4502≤n_CO(r)≤1.4514

1.4434≤n_CL＝n_IC≤1.4446

-0.0045≤Δn_TR<0

R_co＝8.5μm

0<R_IC≤4.25μm

0<R_TR≤8.5μm

R_CL＝62.5μm

在一种可能的实现方式中，3个模群经过长度为L的一个跨段的少模光纤的传输后，群延迟分别为

其中，

和

分别为模群对应的群折射率，c为真空中的光速。由此可以确定，模群在少模光纤中传输的群延迟与模群的群折射率呈正比。示例性地，M个模群的群延迟分别为t₁，t₂，…，t_M-1，t_M，M个模群的群折射分别为

要满足t₁+t_M＝t₂+t_M-1＝…，要求

进一步，可选地，模群的群折射率与有效折射率之间满足：n_gi＝n_effi-λ(dn_effi/dλ)，其中，n_gi表示第i个模群的群折射率，n_effi表示第i个模群的有效折射率。

基于上述阶跃型少模光纤的各参数范围，通过仿真软件COMSOL和MATLAB联合仿真，可确定出M个模群的群折射率呈中心对称分布式时，对应的阶跃型少模光纤的参数。

在一种可能的实现方式中，可全面扫描纤芯的半径R_CO、纤芯的折射率n_CO、内包层的宽度R_IC、内包层的折射率n_IC、沟壑层的宽度R_TR、沟壑层与外包层的相对折射率差Δn_TR，得到少模光纤的参数和M个有效折射率的关系，再根据上述模群的有效折射率与模群的群折射率的关系，可确定出少模光纤的参数与M个群折射率的关系。示例性地，可将其中的某一个参数作为变量，扫描的步进为0.1μm，来分别确定M个模群的群折射率。

如表1所示，一组少模光纤的参数{n_CO，n_CL，n_IC，Δn_TR，R_CO，R_IC，R_TR}，可确定出M个有效折射率，进一步可确定出M个群折射率。

表1少模光纤的参数、模群的有效折射率和模群的折射率

nCO

nCL

nIC

ΔnTR

RCO

RIC

RTR

neffi，i取1至M

ngi，i取1至M

基于上述表1，将满足

对应的少模光纤的参数{n_CO，n_CL，n_IC，Δn_TR，R_CO，R_IC，R_TR}确定为实现在该少模光纤中传输的M个模群的群延迟呈中心对称分布的参数。

示例性地，以该阶跃型少模光纤传输的模群为LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁为例，通过仿真可确定出该阶跃型少模光纤的参数为n_CO(r)＝1.45，n_CL＝n_IC＝1.444，R_CO＝8.5μm、R_IC＝1μm、R_TR＝4μm和Δn_TR＝-0.001时，三个模群的群折射率满足

也就是说，三个模群的群延迟满足t₁+t₃＝2t₂，即三个模群的群延迟呈中心对称分布。

参考图4b，为本申请提供的一种阶跃型少模光纤传输的模群为LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁在通信波长为1.5-1.6μm范围内的群折射率分布示意图。图4b所示的三个模群的群折射率是基于COMSOL和MATLAB联合仿真得到的有效折射率确定的。由图4b可以确定，三个模群LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁的群折射率均随通信波长的增加而增大，且变化的趋势相同。在λ＝1.55μm处，三个模群(LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁)的群折射率、群速度和群延迟分别如表2所示。LP₀₁的群折射率为1.46993，群延迟为0；LP₁₁的群折射率为1.47100，群延迟为3.5200ps/m；LP₂₁的群折射率为1.47204，群延迟为7.0431ps/m；从而可确定LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁的群折射率呈中心对称分布，即1.46993+1.47204＝2*1.47100，LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁的群延迟也呈中心对称分布，即2*3.5200＝0+7.0431。

表2 三个模群LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁在λ＝1.55μm处的群折射率、群速度和群延迟

模式	LP<sub>01</sub>	LP<sub>11</sub>	LP<sub>21</sub>
				群折射率	1.46993	1.47100	1.47204
群速度(m/s)	2.0410×10<sup>8</sup>	2.0394×10<sup>8</sup>	2.380×10<sup>8</sup>
				DMGD(ps/m)	0	3.5200	7.0431

在一种可能的实现方式中，呈中心对称分布的M个群延迟可能是等差关系(如表2所示)，也可能是不等差关系。要设计M个模群在少模光纤中传输的群延迟满足等差关系，需要将M个模群中每个模群与前一个模群进行相减来确定是否满足等差关系，一方面，确定少模光纤的折射率分布及结构参数的仿真过程较复杂；另一方，少模光纤的制作成本较高。为了降低少模光纤的制作成本和仿真的复杂度，可将所述少模光纤设计为：在少模光纤中传输的M个模群的群延迟呈中心对称分布且不等差，如下示例性地的示出了一种阶跃型少模光纤的折射率分布和结构参数，可实现在该阶跃型少模光纤中传输的M个模群对应的M个群延迟呈中心对称分布且不等差。示例性地，以该阶跃型少模光纤传输4个模群(LP₀₁，LP₁₁，LP₀₂，LP₃₁)为例，基于上述相同的过程，该阶跃型少模光纤的参数为n_CO(r)＝1.45，n_CL＝n_IC＝1.444，Δn_TR＝0，R_CO＝11.9μm，R_IC＝0μm，R_TR＝0μm，可实现LP₀₁，LP₁₁，LP₀₂，LP₃₁在该阶跃型少模光纤中传输的群延迟呈中心对称分布，且不等差，参阅图4c，λ在1.530-1.565μm范围内，LP₀₁的群延迟为0，LP₁₁的群延迟为2.344ps/m，LP₀₂的群延迟为5.925ps/m，LP₃₁的群延迟为8.221ps/m。

类型二、渐变型少模光纤。

如图5a所示，为本申请提供的一种渐变型少模光纤的结构示意图。该渐变型少模光纤的折射率分布函数如下：

其中，Δn_CO表示纤芯与外包层的相对折射率，Δn_CO＝(n_CO-n_CL)/n_CO，α为折射率剖面形状指数，为经验值，取值范围为2±0.5。n_CO表示纤芯的折射率，n_IC表示内包层的折射率，n_CL表示外包层的折射率，

表示沟壑层的折射率，Δn_TR表示沟壑层与外包层的相对折射率差，Δn_TR＝(n_TR-n_CL)/n_CL，R_CO表示纤芯半径，R_IC表示内包层的宽度，R_TR表示沟壑层的宽度，R_CL表示外包层的宽度。

以该渐变型少模光纤传输的模群数量M＝3为例，参考上述计算阶跃型少模光纤的参数过程，可确定出该渐变型少模光纤的参数为范围为：

1.4502≤n_CO(r)≤1.4514

1.4434≤n_CL＝n_IC≤1.4446

-0.0045≤Δn_TR<0

R_CO＝14.2μm

1.5≤α≤2.5

0<R_IC≤7.1μm

0<R_TR≤14.2μm

R_CL＝62.5μm

基于上述渐变型少模光纤的参数范围，通过仿真软件COMSOL和MATLAB联合仿真，可确定出M个模群的群折射率呈中心对称分布式时，对应的渐变型少模光纤的参数。具体过程可参见上述阶跃型少模光纤的介绍，此处不再一一赘述。可将满足

对应的少模光纤的参数确定为该渐变型少模光纤的参数。

示例性地，以该渐变型少模光纤传输的模群为LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁为例，通过仿真可确定出该渐变型少模光纤的参数为n_CO(r)＝1.45，n_CL＝n_IC＝1.444，R_CO＝14.2μm、R_IC＝1μm、R_TR＝1μm、α＝2.3、Δn_TR＝-0.0045时，三个模群的群折射率满足

参考图5b，为本申请提供的一种渐变型少模光纤传输的模式LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁在1.5-1.6μm范围内的群折射率分布示意图。图5b所示的三个模群的群折射率是基于COMSOL和MATLAB联合仿真得到的有效折射率确定的。从图5b可以看出，三个模群LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁的群折射率均随波长的增加而增大，且变化的趋势相同。在λ＝1.55μm处，三个模群LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁的群折射率、群速度和群延迟如表3所示。LP₀₁的群折射率为1.46929，群延迟为0；LP₁₁的群折射率为1.46944，群延迟为0.49176ps/m；LP₂₁的群折射率为1.46958，群延迟为0.98218ps/m；可确定LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁的群折射率呈中心对称分布，即1.46929+1.46958＝2*1.46944，LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁的群延迟也呈中心对称分布，即2*0.49176＝0+0.98218。

表3 三个模群LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁在λ＝1.55μm处的群折射率、群速度和群延迟

模式	LP<sub>01</sub>	LP<sub>11</sub>	LP<sub>21</sub>
				群折射率	1.46929	1.46944	1.46958
群速度(m/s)	2.0418×10<sup>8</sup>	2.04159×10<sup>8</sup>	2.04140×10<sup>8</sup>
				DMGD(ps/m)	0	0.49176	0.98218

为了降低少模光纤的制作成本和仿真的复杂度，可将少模光纤设计为：在少模光纤中传输的M个模群的群延迟呈中心对称分布且不等差，如下示例性地的示出了一种渐变型少模光纤的折射率分布和结构参数，可实现在该渐变型少模光纤中传输的M个模群对应的M个群延迟呈中心对称分布且不等差。示例性地，以该渐变型少模光纤传输4个模群(LP₀₁，LP₁₁，LP₀₂，LP₃₁)为例，基于上述相同的过程，该渐变型少模光纤的参数为n_CO(r)＝1.45，n_CL＝n_IC＝1.444，R_CO＝19.6μm、R_IC＝2μm、R_TR＝1μm、α＝2.3、Δn_TR＝-0.0045，可实现LP₀₁，LP₁₁，LP₀₂，LP₃₁在该渐变型少模光纤中传输的群延迟呈中心对称分布，且不等差，参阅图5c，在λ在1.530-1.565μm范围内，LP₀₁的群延迟为0，LP₁₁的群延迟为0.3372ps/m，LP₀₂的群延迟为0.6842ps/m，LP₃₁的群延迟为1.021ps/m。

二、模式转换器

本申请中，模式转换器用于实现不同模群之间的转换，即可实现从一个模群转换为另一个模群。模式转换器可用于将接收到的M个模群中群延迟呈中心对称的第一模群和第二模群进行交换。也就是说，模式转换器可实现将传输速度最快(即群延迟最小)的模群与传输速度最慢(即群延迟最大)的模群进行交换，即

将传输速度次快(即群延迟次小)的模群与传输速度次慢(即群延迟次大)的模群进行交换，即

以此类推。例如，M个模群的群延迟分别为t₁，t₂，…，t_M-1，t_M，其中，t₁和t_M关于中心对称，t₂和t_M-1关于中心对称，以此类推；则模式转换器可将t₁对应的模群与t_M对应的模群进行交换，即将t₁对应的模群转换为t_M对应的模群，将t_M对应的模群转换为t₁对应的模群；将t₂对应的模群转换为t_M-1对应的模群，将t_M-1对应的模群转换为t₂对应的模群。

示例性地，t₁对应的模群承载有信号1，t_M对应的模群承载有信号2，将t₁对应的模群转换为t_M对应的模群，t_M对应的模群转换为t₁对应的模群后，信号1承载于t_M对应的模群，信号2承载于t₁对应的模群。

在一种可能的实现方式中，模式转换器可接收来自少模光纤的一束光信号，该光信号中包括M个模群。也就是说，输入模式转换器的为一束光信号，输出模式转换器的也为一束光信号。

本申请中，模式转换器可基于多平面光转换的原理实现，例如基于相位板的模式转换器、或基于空间光调制的模式转换器、或基于超表面结构的模式转换器；模式转换器也可以是基于波导模式耦合理论实现，例如基于光纤光栅的模式转换器、或基于光纤耦合器的模式转换器等。如下以基于相位板的模式转换器和基于光纤光栅的模式转换器为例详细介绍。

结构一，基于光纤光栅的模式转换器。

光纤光栅可以看成是一种纤芯折射率呈周期性变化的光纤。通常来说，光纤光栅是由具有光敏性纤芯的光纤制成的，光纤的外包层的折射率并不发生变化。应理解，光纤光栅作为模式转换器时，光纤光栅的周期较长，因此也称为基于长周期的光纤光栅的模式转换器。

光纤光栅可实现模群之间的耦合，若两个模群在通信波长上满足相位匹配条件，则这两个模群可以发生模群转换。相位匹配条件为：λ＝Δn_eff*Λ，其中，λ是通信波长，Λ是光纤光栅的周期，Δn_eff＝n_eff1-n_eff2，Δn_eff1是第一模群的有效折射率，n_eff2是第二模群的有效折射率。也就是说，当第一模群和第二模群经过该周期的光纤光栅后，第一模群和第二模群可以发生相互转换。例如，当通信波长λ＝1.55μm，Λ＝290.5μm，光纤光栅长度L＝24.9mm，输入上述三个模群LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁，LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁进入光纤光栅后，LP₀₁的模场逐步发生变化，最终可在光纤光栅的另一端转换为LP₂₁，相应地，LP₂₁的模场也逐步发生变化，最终可在光纤光栅的另一端转换为LP₀₁。

本申请中，为了将M个模群中群延迟呈中心对称的第一模群和第二模群进行交换，该模式转换器可包括

个不同周期的光纤光栅，

表示向下取整。一个周期对应一个第一模群和一个第二模群，即一个周期对应一对群延迟关于中心对称的模群。

进一步，可选地，可通过控制每个光纤光栅的周期来实现M个模群中关于中心对称的第一模群和第二模群的交换。例如，M个模群的群延迟分别为t₁，t₂，…，t_M-1，t_M，t₁和t_M关于中心对称，t₂和t_M-1关于中心对称，以此类推；实现将t₁对应的模群与t_M对应的模群的进行交换的光纤光栅的周期为Λ₁，实现将t₂对应的模群转换为t_M-1对应的模群的进行交换的光纤光栅的周期为Λ₂，以此类推。其中，Λ₁＝λ/(t₁对应的模群的有效折射率-t_M对应的模群的有效折射率)，Λ₂＝λ/(t₂对应的模群的有效折射率-t_M-1对应的模群的有效折射率)，以此类推。

进一步，可选地，当M为偶数时，M个群延迟中包括M/2对关于中心对称的群延迟，即M个模群中包括M/2个第一模群和M/2个第二模群；模式转换器可将M个模群中群延迟关于中心对称的第一模群和第二模群两两进行交换。当M为奇数时，M个群延迟中包括

对关于中心对称的群延迟，即M个模群中包括

个第一模群和

个第二模群，以及1个单独的模群，模式转换器可将M个模群中群延迟关于中心对称的第一模群和第二模群两两进行交换，单独的模群不进行交换。

在一种可能的实现方式中，可通过二氧化碳(CO₂)激光器或飞秒激光器在少模光纤上刻写

个不同周期的光纤光栅。进一步，可选地，

个不同周期的光纤光栅可以为级联结构，参见图6a，以两个光纤光栅为例(光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ)；具体可在少模光纤轴向上连续刻写

个不同周期的光纤光栅。或者

个不同周期的光纤光栅可以为叠栅结构，参见图6b，以两个光纤光栅为例(光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ)；具体可沿少模光纤的

个径向(垂直于轴向的任意方向，图6b示例出两个可能的径向)的不同角度刻写

个不同周期的光纤光栅。叠栅结构有助于避免不同区域的光纤光栅的横截面对相位不匹配的其它模群的耦合造成影响。需要说明的，叠栅结构的折射率调制近似为两个光纤光栅折射率调制的线性叠加，其中，纤芯折射率的改变量为：

其中，

为第k个光纤光栅的平均折射率改变量；Λ₁、Λ₂分别为光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ的周期，

和

分别为两个光纤光栅相移或啁啾相关的附加相位。

在一种可能的实现方式中，每个光纤光栅的总长度大于阈值，如此可提高模群转换的效率。

结构二，基于相位板(或称为相位片)的模式转换器。

基于相位板的模式转换器也称为多平面光转换器(multi-plane lightconversion，MPLC)。相位板是在玻璃平板或透镜上的局部区域内(通常是环带)，镀上一层具有一定厚度和折射率的膜层，使透过该区域的光比通过非镀层区的光相位超前或滞后。每个相位板上有不同的像素点，相位板上的像素点可以引入不同的相位，以调制入射光场，可以实现模群之间的转换。基于相位板的模式转换器对空间光场的调控能力较强，理论上可以完成任意模群之间的转换。例如，基于相位板的模式转换器可以实现模群的轮循转换，如图7a所示，入射的模群依次为LP₀₁，LP₁₁，LP₂₁，将入射模群依次转换为LP₁₁，LP₂₁，LP₀₁。再比如，基于相位板的模式转换器可实现群延迟关于中心对称的模群的交换，如图7b所示，入射的模群分别为LP₀₁，LP₁₁，LP₂₁和LP₀₂，可实现LP₀₁和LP₀₂交换，LP₁₁和LP₂₁交换。

在一种可能的实现方式中，模式转换器可包括反射式相位板或者透射式相位板。例如可包括一个或多个透射式相位板，或者包括至少上下两个反射式相位板，或者包括至少一个反射式相位板和至少一个高反镜。该基于相位板的模式转换器可实现将群延迟关于中心对称的第一模群与第二模群进行模群交换。也就是说，基于相位板的模式转换器的交换策略为：群延迟关于中心对称的第一模群和第二模群进行交换。应理解，模式转换器包括的相位板的数量越多，可以调节的相位的精细度越高。

参考图7c，为本申请提供的一种模式转换器为反射式相位板的结构示意图。图7c中模式转换器可为两个反射式相位板，或者也可为一个反射式相位板与一个高反镜的组合。以模式转换器接收到3个模群(LP₀₁、LP₁₁和LP₂₁)为例，LP₀₁、LP₁₁和LP₂₁在反射式相位板内发生多次反射，实现将LP₀₁转换为LP₂₁，将LP₂₁转换为LP₀₁，LP₁₁不变换。

参考图7d，为本申请提供的一种模式转换器为透射式相位板的结构示意图。图7d以模式转换器包括4个透射式相位板为例。以模式转换器接收到3个模群(LP₀₁、LP₁₁和LP₂₁)，为例，LP₀₁、LP₁₁和LP₂₁依次经4个透射式相位板后，可实现将LP₀₁转换为LP₂₁，将LP₂₁转换为LP₀₁，LP₁₁不变换。

三、放大器

本申请中，通信系统还可包括放大器，放大器用于对接收到的M个模群进行放大。放大器可为掺杂光纤放大器。

在一种可能的实现方式中，模式转换器与放大器的之间可包括如下两种位置关系。

位置关系一，模式转换器位于少模光纤与放大器之间。

基于该位置关系一又可分如下两种情形。

情形1，如图8a所示，为本申请提供的一种模式转换器在通信系统的位置示意图。该模式转换器可在少模光纤之后，放大器之前。

基于该情形1，模式转换器用于将群延迟呈中心对称分布的第一模群和第二模群进行转换，将转换后的M个模群传输至放大器，经放大器放大转换后的M个模群后，传输至下一跨段的少模光纤。

情形2，如图8b所示，为本申请提供的另一种模式转换器在通信系统的位置示意图。该模式转换器在少模光纤之前，在放大器之后。

基于该情形2，M个模群经放大器放大后进入模式转换器，模式转换器将放大后的M个模群中群延迟关于中心对称的第一模群和第二模群进行转换，将转换后的M个模群传输至下一跨段的少模光纤。

位置关系二，模式转换器集成于放大器。

如图8c所示，为本申请提供的又一种模式转换器在通信系统的位置示意图。该模式转换器可集成于放大器内。例如模式转换器可位于两端掺杂(例如掺饵)的光纤之间，M个模群进入放大器后，经第一段掺杂光纤放大后，进入可变光衰减器(Variable OpticalAttenuator，VOA)，经VOA信号衰减(以实现放大器的增益可调)后传输至模式转换器，模式转换器将M模群中群延迟呈中心对称分布的第一模群和第二模群进行转换，并将转换后的M个模群传输至第二段掺杂光纤，经第二段掺杂光纤放大后，耦合至下一跨段的少模光纤继续传输。由于模式转换器具有一定的插损，通过将模式转换器集成于放大器，可以弥补模式转换器引入的插损且不恶化传输信号的信噪比。

基于上述内容，下面结合具体的结构，给出上述通信系统的一种具体实现方式。以便于进一步理解上述通信系统的架构及减小接收端接收到的M个模群间的群延迟的实现过程。

如图9所示，为本申请提供的另一种通信系统的架构示意图。该通信系统可包括发射模块、模式复用器、少模光纤、模式转换器、放大器、模式解复用器和接收模块。其中，发射模块可为M个单模发射模块，每个单模发射模块用于发射一路信号，得到M路信号(例如波分信号)，并将M路信号传输至模式复用器，其中，每路信号由一个特定的模群承载。模式复用器用于将每路信号从基模转换成不同的高阶模群，然后将M个承载不同信号的模群复用为一路信号，并将该复用后的信号耦合至少模光纤进行传输。少模光纤、模式转换器、放大器可参见上述关于少模光纤、模式转换器、放大器的介绍，此处不再一一赘述。模式解用器用于将接收到的复用的该路信号分离为M个承载不同信号的模群，并传输至接收模块。接收模块用于接收M个模群。例如，接收模块可包括M个单模接收模块，每个单模接收模块可接收一个对应的模群。

在一种可能的实现方式中，发射模块可包括光源，光源可用于发射相同波长的光信号，也可用于发射不同波长的光信号。示例性地，每个光源可以包括至少一个激光器，该激光器可以发射1.5-1.6μm之间的波长范围的信号。

在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。

本在本申请的文字描述中，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。在本申请的公式中，字符“/”，表示前后关联对象是一种“相除”的关系。

可以理解的是，在本申请中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定。术语“第一”、“第二”等是用于分区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的方案进行示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种通信系统，其特征在于，包括：至少两个跨段的少模光纤，以及模式转换器；其中，

所述少模光纤，用于传输接收到的M个模群，所述M个模群在所述少模光纤中传输的群延时呈中心对称分布，所述M个模群的群延迟的中心为所述M个模群的群延迟的最大值与最小值之间的中间值，所述M个模群的每个模群上承载有信号，所述M为大于1的整数；

所述模式转换器，用于接收来自所述少模光纤的M个模群，并将所述M个模群中的第一模群和第二模群进行模群交换，得到M个交换后的模群，将所述M个交换后的模群耦合至下一跨段的所述少模光纤，所述第一模群的群延时与所述第二模群的群延时关于所述中心对称，其中，所述第一模群和所述第二模群为所述M个模群中的至少两个模群。

2.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述M个模群中的任意关于所述中心对称的第一模群的群延迟与所述第二模群的群延迟之和相等。

3.如权利要求1或2所述的通信系统，其特征在于，所述少模光纤从内向外依次包括纤芯、内包层、沟壑层和外包层；

在所述少模光纤中，所述M个模群的群折射率呈中心对称分布；

其中，所述M个模群中的每个模群的群折射率是根据所述模群的有效折射率确定的，所述模群的有效折射率是根据所述少模光纤的所述纤芯的折射率、所述内包层的折射率、所述外包层的折射率、所述沟壑层的折射率、所述纤芯的半径、所述内包层的宽度、所述沟壑层的宽度以及所述外包层的宽度确定的。

4.如权利要求1至3任一项所述的通信系统，其特征在于，所述模式转换器包括

表示向下取整；

其中，

5.如权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述光栅周期对应的第一模群的有效折射率与第二模群的有效折射率之差乘以所述光栅周期等于通信波长。

6.如权利要求4或5所述的通信系统，其特征在于，所述

个不同周期的光纤光栅为级联结构或叠栅结构。

7.如权利要求1至3任一项所述的通信系统，其特征在于，所述模式转换器包括反射式相位板或透射式相位板。

8.如权利要求1至7任一项所述的通信系统，其特征在于，所述通信系统还包括放大器；

所述模式转换器位于所述少模光纤与所述放大器之间；或者，

所述模式转换器集成于所述放大器内。