基于模分与波分混合复用的直接检测光纤传输系统研究

光纤中线性偏振模式的选择是影响模分复用系统传输质量的关键因素。为此首先设计了基于模分与波分混合复用的直接检测光纤传输系统;其次,基于光纤中线性偏振模式理论,利用Optisystem15.0软件仿真研究LP₀₁、LP₁₁、LP₀₂、LP₁₂、LP₂₁5个模式在该光纤传输系统中的传输特性;然后,将LP₀₁、LP₁₁、LP₀₂、LP₁₂四模式复用,仿真得到了折射率渐变多模光纤纤芯半径在19～25μm范围内变化时,各通道Q因子均在7以上的纤芯半径最优化值为21～22μm,且此最优值不随传输距离而变化;最后,在八通道混合复用系统中采用直接检测方式实现了误码率在10^-9以下的2.0 km短距离传输。     

少模光纤布喇格光栅的光谱特性研究

相较于传统的单模光纤布喇格光栅(FBG)传感器,少模FBG传感器在测量时不易受到外界无关参量的影响,精度更高,但其在光栅参数设计上缺乏相应的理论依据。针对此问题,基于FBG耦合模理论,利用OptiGrating和Matlab软件模拟分析了纤芯中存在LP₀₁模、LP₁₁模的少模FBG的反射谱。仿真结果表明:区别于传统单模FBG的单峰结构,少模FBG的反射谱具有三峰结构,光栅周期、光栅长度和折射率调制深度的变化会对各波峰的反射率及中心波长产生规律性的影响。     

同时输出LP01/LP11模式的布里渊少模光纤激光器研究

为了获得光纤激光器的基模LP₀₁和高阶模式LP₁₁同时输出,采用环形腔结构,少模光纤的受激布里渊散射效应和单模掺铒光纤的增益共同提供腔内放大,利用模式选择耦合器进行腔内模式间的转换,单模/少模光纤耦合器分别提供激光输出。实验结果表明,LP₀₁模式和LP₁₁模式能够同时输出,和种子光相比波长偏移均为0.12 nm,输出光谱信噪比分别为22.69 dB和74.827 dB,功率转换效率分别为4.6×10^-3%和7.827%,波长稳定性分别为0.54 nm和0.026 nm,功率稳定性分别为3.277 dB和1.262 dB。研究结果可为多输出模式光纤激光器的后续应用提供参考光源。     

基于MIMO预均衡的模分复用无源光网络模式间串扰的消除方法

为解决模分复用无源光网络(MDM-PON)模式间串扰的问题，本文提出了一种基于多输入多输出(MIMO)预均衡的串扰消除方法。利用帧头插入的时分训练序列，在接收端相干检测后估计信道的冲激响应，并将其用于发送端MIMO均衡器抽头系数的计算。采用线偏振(LP)模式的模分复用(MDM)传输仿真系统对所提方法进行验证，并将所提方法与基于迫零(ZF)预编码的串扰消除方法进行了对比。结果表明：连接5 km少模光纤(FMF)时，与迫零预编码相比，MIMO预均衡使各模式(LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₃₁)信号的误码率在满足7%硬判决-前向纠错(HD-FEC)门限时的发送光功率分别降低了3.0 dB、4.1 dB、1.2 dB和9.2 dB。另外，考虑到光纤色度色散的影响，本文进一步提出了带色散预补偿的MIMO预均衡器结构，该结构可以实现对色散的补偿。     

高增益、低DMG少模掺铒光纤及其放大性能研究

空分复用技术是大幅提高单根光纤数据传输容量的重要技术之一。对于长距离模分复用传输系统而言，少模掺铒光纤放大器是补偿光纤传输损耗必不可少的器件。因此，在少模掺铒光纤支持的所有模式中获得均衡增益至关重要，高差分模态增益会降低系统的传输性能。本文通过改进的化学气相沉积技术制备了18μm/124μm少模掺铒光纤，实验演示了基于该光纤的两模掺铒光纤放大器。当使用LP_11b模式泵浦时，该放大器所支持的LP₀₁和LP_11a模式可以在1535～1560 nm波段获得19.4 dB以上的增益，差分模态增益最大为0.66 dB。     

基于少模掺铒光纤的10模式光纤放大器

对于模分复用系统,结合高模式增益和宽带宽增益特性的少模掺铒光纤(FM-EDF)放大器具有较高的应用价值。利用改进的化学气相沉积法(MCVD)结合溶液法制备了一种新型FM-EDF。该FM-EDF在976 nm和1 530 nm处的吸收系数分别为10.6 dB/m和35.0 dB/m;由COMSOL软件中有限元差分模块理论计算可得,其可支持10个空间模式(LP₀₁、LP_11a/b、LP_21a/b、LP₀₂、LP_31a/b以及LP_12a/b模式)的光传输。基于该FM-EDF搭建了全光纤放大系统并对其光模式放大特性进行了实验研究,研究结果表明,该光放大系统在40 nm带宽(1 525～1 565 nm)范围内获得10个模式的增益均大于17.0 dB,且差分模式增益均小于0.5 dB。因此,FM-EDF放大技术在模分复用系统中的广泛应用可进一步扩展光纤通信容量,具有重要的实际应用意义。     

一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器的设计

提出了一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器,三个纤芯包括两个相同的单模纤芯和一个少模纤芯,在少模纤芯中写入长周期光纤光栅以实现单模纤芯中LP01模与少模纤芯中LP11模间的转换。同时从两个单模纤芯输入LP01模,能激发少模纤芯中两个简并的LP11,a模和LP11,b模。采用光束传播法分析了该模式复用器/解复用器的耦合特性及串扰。数值模拟结果显示,若以少模纤芯中LP11模输出能量大于-1dB的波长范围作为该模式复用器/解复用器的工作带宽,则能够达到23nm,并且少模纤芯中生成的其他模式的输出能量皆比LP11模的输出能量小-21dB以上。该模式复用器/解复用器能够实现对少模光纤的模式复用与解复用,并具有极低的串扰。     

长飞少模光纤分析

阐述光纤通信的发展现状,分别介绍长飞低串扰少模光纤、长飞低群差分时延少模光纤、长飞低衰减少模光纤、长飞Ring-core少模光纤4种少模光纤的特点,并对空分复用技术的发展提出建议.     

温度不敏感的少模光纤应变传感

为了解决光纤传感器中普遍存在的温度和应变交叉敏感问题,基于少模光纤的模间干涉原理,研究了LP01和LP02模式干涉的应变和温度传感特性,详细分析了模间干涉传感的相位灵敏度理论。结合少模光纤的数值仿真结果,设计了一种温度不敏感的应变传感少模光纤,其纤芯直径为15.1μm,在1550nm下纤芯折射率为1.4512,包层折射率为1.444。搭建了实验系统来研究少模光纤温度和应变传感特性,结果表明:理论计算能够较好地预测实验结果;少模光纤在0~600μm范围内,应变的相位灵敏度为0.0196rad/μm,在30~330℃范围内,对温度不敏感,可有效改善温度和应变的交叉敏感问题。     

一种低损耗低模式串扰渐变型少模光纤

提出了一种纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布的 两模光纤,实现了渐变折射率少模光纤低差分模式群时延和纯二 氧化硅芯光纤低损耗优点的有效结合。采用全矢量有限元方法研究表明,所提出的少模光纤 纤芯采用纯二氧化硅实现了 低损耗,采用纤芯渐变折射率实现了低差分群延迟,包层处采用凹陷折射率实现了低弯曲损 耗,采用模式大折射率差实 现了低模式串扰,采用大有效面积实现了低非线性系数;该光纤具有非线性系数和差分模式 群时延在1.5～1.65 μm波长范围内平坦特性。     

少模光纤干涉仪性能的数值仿真研究

本文用数值仿真的方法研究了基于LP01模和LP02模干涉的少模光纤干涉仪的性能与光纤参数的关系.用有限差分法数值求解少模光纤干涉仪中单模光纤和少模光纤的导模.在少模光纤的LP03模截止且LP02导通的参数范围内,计算了调制深度和耦合效率与少模光纤参数的关系.计算结果表明,在采用SMF-28作为输入输出单模光纤的情况下,通过优化设计少模光纤的参数,可以使得调制深度大于98%,耦合效率接近于0.5.     

低弯曲损耗少模光纤传输特性研究

提出一种采用少模阶跃光纤与单模光纤连接的方法,实现低弯曲损耗传输的新型光纤通信系统。采用有限元法研究了在模场直径相同的情况下少模光纤纤芯半径与折射率差的关系,以及不同参数下光纤的弯曲损耗;采用光束传播法计算了少模光纤的各种模式与普通单模光纤的基模的连接损耗。证明了采用少模光纤可以利用模式间的正交性实现有效的单模传输,并具有低的弯曲损耗和连接损耗。     

少模光参量放大器的光纤设计与串扰特性

研究了少模光参量放大器（FMOPA）的串扰特性,详细描述了发生在少模光纤模式内和模式间的四波混频及其相位匹配条件。给出了少模光纤中与时间无关的非线性薛定谔传输方程,利用数值求解方法描述了FMOPA的模间串扰,并推导出相应的半解析解。首先,设计了一种新的光纤结构,能在C波段（1530～1565 nm）以20 nm带宽传输五个模式。然后,用COMSOL仿真软件获得不同模式的模场分布,并用Matlab软件计算了这些模式间的传播常数与非线性系数。最后,通过合理调整每个模式的传输功率,在150 m长的光纤上使不同模式间的最大差分增益减小到0.7 dB。实验结果表明,半解析解与数值求解方法得到的串扰结果一致性较高。     

少模光纤干涉仪中光纤对准偏差的研究

本文利用数值仿真研究了少模光纤干涉仪中少模光纤与单模光纤的对准偏差对调制深度的影响.基于阶跃折射率光纤的矢量波动方程,数值求解导模的场分布.按无对准偏差时对光纤参数进行优化,使调制深度达到1.数值仿真了单模光纤偏心激励少模光纤情况下,少模光纤中的模式功率分布.仿真结果表明可用光功率检测的方法辅助少模光纤和单模光纤对准熔接,当光功率控制在极小值2%范围内时,横向对准偏差小于3微米.论文仿真了少模光纤干涉仪中光纤熔接对准误差与调制深度的关系.结果表明,当对准偏差小于3μm时,调制深度大于96%;当对准偏差大于4μm后,调制深度随对准偏差的增大而急剧减小.     

弯曲限模对大模场光纤横模不稳定效应的影响

横模不稳定效应已经逐渐成为引起高功率光纤激光光束质量急剧恶化并限制其输出功率进一步提升的首要瓶颈问题。基于全光纤化正向泵浦的窄线宽高功率放大平台，对大模场光纤激光器中的横模不稳定效应进行了一系列的探索研究。根据耦合模方程的计算结果，所用大模场光纤25/400 μm中LP₀₁、LP₁₁模之间的非线性耦合强度最大，这也直接诱导了横模不稳定效应的发生。为了抑制LP₁₁模在主放大级的产生和放大，通过弯曲限模这种可操作性强的模式滤波技术，将主放增益光纤的弯曲半径从6 cm缩小至5 cm的过程中，高功率光纤激光系统的横模不稳定阈值从1000 W量级提高到了1600 W量级，而且激光器的其他输出性能几乎没有受到影响。这为构建实际的窄线宽高功率全光纤化的激光系统提供了强有力的实验参照。     

用于模式复用的少模光纤设计及特性分析

针对模式复用技术的特点,设计了一种用于模式复用的四模光纤。通过分析不同Δn(纤芯与包层的折射率差)值与少模光纤有效面积、有效折射率、微弯损耗以及色散之间的关系,确定合适的Δn值为0.96%。仿真分析了该少模光纤的模式特性,给出了光纤的主要参数,并与已有文献的相关参数进行了比较。结果表明:所设计四种模式的光纤的有效面积达120μm2以上,损耗小于0.2dB/km,其他各项参数较好,是一种适合模式复用技术应用的少模光纤。     

短距离弱耦合空分复用实时光传输技术

短距离光纤传输系统的容量扩展受到越来越广泛的关注。空分复用光传输技术提供了纤芯和模式两个新维度,可以大大提升单根光纤的传输容量。然而空间信道间的串扰严重限制了空分复用技术的实用化。首先研究了弱耦合空分复用光纤,通过在纤芯引入环形折射率微扰的方法实现了模式之间的有效分离;其次,提出了一种可以处理非圆对称简并模式的全光纤复用/解复用器件以及低插损、低串扰扇入扇出器;在此基础上,使用低成本商用强度调制直接检测光模块,实现了短距离弱耦合模分复用及多芯少模复用实时光传输;最后对空分复用实时光传输技术进行了展望。     

光网络中大功率带间串扰攻击研究

理论分析了光网络中大功率带间串扰攻击的产生机理,得出了攻击信号功率和光纤非线性折射率系数是大功率带间串扰攻击对用户信号质量产生破坏影响的主要因素。在VPI中搭建仿真实验系统,以误码率为信号质量评价指标,研究了大功率带间串扰攻击对用户信号质量的攻击影响及其攻击传播能力。结果表明,大功率带间串扰攻击会造成和攻击信号使用同一条光纤进行传输的用户信号质量劣化。攻击信号功率越高,信道间隔距攻击信号越近,光纤非线性折射率系数越大,用户信号受攻击影响越严重。大功率带间串扰攻击具有一定的攻击传播能力,当攻击信号功率高于用户信号功率27 dB时,攻击信号的攻击影响可传播至第四个光交叉连接器。     

折射率剖面非均匀的少模光纤光栅的数值仿真

对折射率剖面非均匀的少模光纤Bragg光栅（FM-FBG）的反射特性进行了数值仿真。用shooting法数值求解了耦合模方程,得到了FM-FBG中线偏振模的反射谱。当不考虑光敏特性的饱和效应,且光纤芯对紫外光的吸收系数不变时,仿真结果表明,光纤纤芯对紫外光的吸收导致折射率变化横截面分布的不均匀,在不考虑饱和长度的情况下,模式间的互耦合峰总是存在的。线偏振模间的互耦合峰反射率随纤芯边界最大光致折射率变化的增大而呈二次形增长,LP01模、LP11模自耦合峰反射率也分别呈近似六次和四次多项式形增大。     

一种新型圆形掺杂光子晶体光纤负色散特性的分析

针对目前使用的光纤中普遍存在的色散问题，利用有限元法并结合COMSOL Multiphysics仿真软件设计了一种双芯圆形液体掺杂的光子晶体光纤。研究结果表明，随着空气孔直径d₁与空气孔层间距Λ的比值d₁/Λ变小，有效折射率的最大变化率和色散逐渐向长波长方向移动；随着中心孔直径d₂变大，有效折射率的最大变化率和色散的最小值也逐渐向长波长方向移动；此外，随着掺杂液体折射率n_L增大，有效折射率的最大变化率和色散的最小值同样逐渐向长波长方向移动。当Λ=1550μm、d₁/Λ=0.7、d₂/Λ=0.833以及n_L=1.753时,可在1550 nm处获得-132720 ps·nm^-1·km^-1的大负色散值。