Page 24 - 网络电信2021年12月刊下
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特   约  专  栏

            于平行空间路径数量（M）、系统带宽（B）和频谱效率（SE)                            采用包括线偏振模式（Linear  Polarization  ,  LP
            之积，即有：C=M×B×SE。在光通信带宽资源有限的条件下，                       mode）、基于相位奇点的轨道角动量（Orbital  Angular
            要实现高速大容量长距离传输，就必须要不断提升空间并行度                          M o m e n t u m , O A M ） 光 束 和 基 于 偏 振 奇 点 的 柱 矢 量 光 束
            和频谱效率。提高频谱效率主要有二个途径：一，高阶调制，                          （Cylindrical  Vector  Beam,  CVB）等的模分复用技术，几个
            二，空分复用。采用高阶调制技术，通过提升码元速率及码元                          正交低阶模式的模分复用，可为光束复用提供新的自由度，提
            调制阶数，尽可能获取单位光带宽下的信号传输速率；空分复                          高光通信系统的容量，在光纤通信技术中具有广阔的应用前
            用技术主要是釆用模分复用及多芯复用，增加新的参数维度以                          景，但相关光放大器的研究同样是挑战。另外，如何平衡差分
            扩展信号的加载范围。SDM实现了多通道平行传输,因而其SE可                       模群时延（DMGD）以及多输入多输出（MIMO）数字均衡技术等
            远超非线性香农极限,  近年中一些公司R&D的英雄实验数据如表                      带来的系统复杂度也值得关注。未来，希望空分复用相关的技
            2所示。由表可见SDM的通信容量的扩展的潜力之巨大。                           术研发可以形成与WDM系统类似的演进路线以推动光纤通信技术
                                                                 的发展。
                                                                     在少模光纤中应用每个模式作为独立通道进行信息传输，
              表 2 超高速率超大容量多芯少模光纤传输系统实验记录
                                                                 在FMF模式复用中，相邻模式之间的传播常数  β相差愈大，或
                                                                 有效折射率n eff 相差（β=n eff k）愈大，模间干扰愈小，反之亦
                                                                 然。低阶模式之间的传播常数β相差较大，高阶模式之间的传
                                                                 播常数β相差较小，因而在FMF模式复用中，主要采用几个低阶
                                                                 模式。
                                                                     2.多芯光纤(MCF)
                                                                     多芯光纤是在一根光纤中可以容纳多个光波导内芯的光
                                                                 纤。多芯光纤的外径通常仍为125μm。可分两种类型；一是芯
                7 . 光 通 信 技 术 的 五 个 物 理 维 度 （ F i v e   P h y s i c a l
                                                                 数较少，芯间距离较大，芯间光场耦合较小,芯间串音干扰较
            Dimensions）
                                                                 小，此类MCF称为弱耦合MCF;另一类是芯数较多,芯间距离较
                光通信技术的五个物理维度：
                                                                 小，芯间光场耦合较强,芯间串音干扰较大，此类MCF称为强耦
                (一)时分复用(TDM)
                                                                 合MCF。
                (二)波分复用(WDM)
                                                                     弱耦合MCF通常釆用阶跃型折射剖面分布设计，降低模间串
                (三)偏振复用(PDM)
                                                                 扰，实现对各LP模式的独立探测接收，无需MIMO补偿，成本较
                (四)高阶调制格式(Quadrature Modulation)
                                                                 低，适用于移动前传、回传，城域汇聚和接入等中短场景。強
                (五)空分复用(模式复用)(SDM)
                                                                 耦合MCF通常采用“梯度折射率分布+沟槽”设计，所有LP模同
                在光纤通信进展的前四个阶段中，应用了前四个维度，
                                                                 时探测接收，依靠MIMO补偿模间串扰，成本较高，适用于城际/
            但通信容量仍无法突破香农极限的瓶颈，必须通过平行的多
                                                                 省际骨干网长距离传输。应当指出，多芯光纤中的每一芯本身
            路传输通道的途径来突破香农极限的制约。这就是第五维度
                                                                 也可作为一根少模光纤实现模分复用。也就是说,可将两者组合
            的空分复用（SDM  Spatial  Multiplexing  或Space  Division
                                                                 起来实现M芯MCF和N模FMF结合的N×M个平行的传输通道。结合
            Multiplexing)。
                                                                 多芯和少模技术，一方面芯数和模数相乘，可实现Pbit/s量级
                                                                 的单纤传输容量以及数百bit/s/Hz的频谱效率。另一方面取长
                五、第五阶段 空分复用系统(SDM)
                目前空分复用中重点开发的是多芯光纤  (MCF，Multi-Core               补短，能以多芯光纤降低高阶模式复用的模间串扰和折射率分
                                                                 布设计的困难，又能以模式复用减轻高密度纤芯设计和制造的
            Fiber)和模分复用(MDM, Mode Division Multiplexing)两类。
                                                                 苛求。
            模分复用又分少模光纤(FMF，Few  Mode  Fiber）中的线性偏振
                                                                     3.光纤波导中的本征模, LP模,OAM模以及CVB模
            模(LP,  Linear-polarized  mode)模分复用、轨道角动量(OAM,
                                                                     3.1 光纤波导中的本征模式（Eigen mode）
            Orbital Angular Momentum)模分复用以及园柱矢量光束（CVB,
                                                                     普通圆形截面的光纤结构相对比较简单，由折射率为n 1 的
            Cylindrical vector beams）模分复用三类。
                                                                 纤芯和折射率为n 2 的包层构成，且其中n 1 >n 2 。光纤中模式的全
                其中，多芯光纤和少模光纤结构见图14所示。
                                                                 解应当包含传导模、辐射模和漏泄模。
              图 14 光纤束、多芯光纤（MCF）、少模光纤（FMF）等空分复用类型                    传导模(Guided  Mode):  传播常数的区间为n 2 k≤β≤n 1 k,
                                                                 β为离散值，每个导模对应一个β值，满足横向谐振条件，用
                                                                 于研究信号在光纤中的传输。
                                                                     辐 射 模 ( R a d i a t i o n   M o d e ) :   传 播 常 数 的 区 间
                                                                 为-n 2 k≤β≤n 2 k,及 -j∞<β<j∞,β值连续，輻射模和传导模一
                                                                 起构成麦克斯韦方程的全解。包层中出现辐射形式的解产生横向
                                                                 辐射，不满足全内反射条件，不满足横向谐振条件，用于研究光
                1.少模光纤的模分复用                                      纤界面不规整引起的辐射及光纤间的耦合以及外场的影响。

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