專利名稱：一種基于多模光纖環(huán)形入射的多輸入多輸出系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖通信和光網絡傳輸技術領域，具體涉及一種基于多模光纖環(huán)形入射的2X2MIM0 (多輸入多輸出)系統(tǒng)。
背景技術：
信息產業(yè)已經成為21世紀國家的重要經濟命脈，信息網絡的科研前沿突破，會對國家信息產業(yè)的國際競爭力、國民經濟的快速可持續(xù)發(fā)展產生深遠的影響，具有重要的戰(zhàn)略意義。目前我國已建成覆蓋全國的有較強通信能力的骨干網絡；通信網、互聯(lián)網、廣電網正在向IP化、寬帶化和多媒體化發(fā)展，三網融合的進程正在加快；固定光網絡通信和移動通信正在向更高速率和下一代通信網絡發(fā)展。目前光通信骨干網的研究主要集中于超高速超大容量超長距離超高譜效率的光傳輸，競爭日趨白熱化，光載波的各項特性包括振幅、相位、頻率、偏振、波長均已經被充分挖掘以最大限度的提高系統(tǒng)容量，繼相干技術之后，光纖的空間資源極有可能成為光通信容量的下一個增長點，而多模光纖正是由于其豐富的空間模式資源，重新回歸人們的視野。 以美國貝爾實驗室和德國HHI為代表國際頂級科研機構紛紛開展多模光纖研究工作。相比于單模光纖，多模光纖具有如下的優(yōu)點(1)芯徑粗，易于校準，使用多模光纖可以大大的降低光纖接頭的制作成本；(2)能夠容忍大的彎曲損耗，大大降低了鋪設成本；(3)制作工藝簡單，價格便宜；(4)可以直接與光源特別是垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL 直接耦合。另外，多種行業(yè)標準都將多模光纖作為局域網傳輸介質或內配線使用。而且使用 VCSEL光源的新一代10(ibit，40(;bit和100(ibit以太網標準都將使用多模光纖。這表明，多模光纖在局域網應用中必將有很大的發(fā)展空間，有可能是未來光接入網的理想傳輸介質。限制多模光纖應用范圍的最主要的因素是模間色散，當模間色散引起的光脈沖展寬大于碼元寬度時，信號衰落基本上無法被恢復。模間色散在傳輸高速率信號或者傳輸長距離的時候表現(xiàn)的更加明顯。如何解決這個問題成了研究熱點。如圖1所示為現(xiàn)有的一種提高多模光纖傳輸性能的方法。在這種方法中，激光器輸出的光調制并經過模斑整形后再輸入到多模光纖中進行傳輸，分別采用中心入射和偏心入射，在接收端經過判決反饋均衡技術實現(xiàn)多模光纖性能的改善。經研究發(fā)現(xiàn)，這種技術方案只能在一定程度改善多模光纖的性能，對于高傳輸速率，其模間色散依然很嚴重；另外這種方案并沒有利用多模光纖的模式資源，而是設法克服模間色散。為了充分利用多模光纖的模式資源，另一種基于多模光纖的MIMO技術被提出，如圖2所示為現(xiàn)有一種技術方案。在輸入端分別中心入射和偏心入射，耦合進多模光纖傳輸， 在接收端也采用中心探測和偏心探測，再進行信號的均衡，實現(xiàn)基于多模光纖的MIMO系統(tǒng)。經研究發(fā)現(xiàn)，該技術也存在以下缺點偏心入射激發(fā)的高階模式眾多，中心和偏心兩路信號的干擾很嚴重。基于以上一些事實，本發(fā)明首次提出基于多模光纖環(huán)形入射的2X2MIM0系統(tǒng)，實現(xiàn)多模光纖的高速傳輸。目前，沒有見到相似內容的報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種傳輸速率高、模間色散少的多輸入多輸出系統(tǒng)。本發(fā)明提出的多輸入多輸出系統(tǒng)，是一種基于多模光纖環(huán)形入射的2X2MIM0系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心是利用多模光纖的模式資源，實現(xiàn)多輸入多輸出。把一路高速的數(shù)據(jù)流分成兩路進行傳輸，總的傳輸速率可以得到顯著提高。其原理圖分別如圖3和圖4所示。整個系統(tǒng)的結構包括VCSEL激光器，環(huán)形光場產生裝置，單模光纖，多模光纖，空間耦合器，空間分離器，多段探測器。其中
環(huán)形光場產生裝置用于產生環(huán)形光場，環(huán)形光場產生裝置產生的環(huán)形光場和單模光纖輸出的圓形光場經空間耦合器耦合進多模光纖，由多模光纖進行傳輸，在接收端由多段探測器或由空間分離器分離后進行探測，探測后的數(shù)據(jù)用相應的均衡算法進行恢復。圖3是在接收端采用空間分離器，是對經過空間分離器后兩路輸出，分別探測，探測之后進行算法恢復處理；圖4是在接收端采用多段探測器，進行中心和環(huán)形探測，探測之后也進行相應的算法恢復處理。本發(fā)明中，所述的環(huán)形光場產生裝置產生的環(huán)形光場是一個中間為暗光場的環(huán)形光場，具體可以采用幾何方法、全息方法或者橫模選擇法實現(xiàn)。進一步，所述的環(huán)形光場產生，可以采用空心光纖實現(xiàn)。從VCSEL激光器輸出的光直接耦合進空心光纖中，對空心光纖的折射率，空心尺寸進行合理設置，可以產生環(huán)形光場，一般空心光纖的折射率可以采用和對接的多模光纖相同的折射率，空心半徑設置成 4-6um。本發(fā)明實例中采用的空心光纖的空心半徑為5um，纖芯折射率為1. 49，半徑為20um， 包層折射率為1. 475，半徑為37. 5um。進一步，所述的環(huán)形光場，可以通過改變環(huán)形光場峰值和中心的距離，自身的半高全寬，從而可以改變其在多模光纖傳輸系統(tǒng)中的傳輸特性。半高全寬越小激發(fā)的模式越少， 峰值和中心的距離一般選在IOum比較好。環(huán)形光場入射激發(fā)的模式比較少，本發(fā)明中激發(fā)的模式耦合系數(shù)較大的只有LPOl—LPO 10，其余的耦合系數(shù)都很小。這可以很好的克服多模光纖的模間色散。圖5給出空心光纖的折射率分布和在OptiFiber中仿真的空心光纖的光場圖。激光器輸出的激光經過調制后耦合進空心光纖，產生環(huán)形光場。
本發(fā)明中，所述的空間耦合器，可以采用多模干涉儀，也可以通過搭建光學系統(tǒng)實現(xiàn)， 比如利用半透半反鏡把兩路光耦合進多模光纖。所述的空間耦合器還可以用拉錐的兩根光纖耦合出來實現(xiàn)，分別進行探測。圖6給出了一種空間耦合方式，其選用的光學器件是半透半反鏡，環(huán)形光場和單模光纖輸出的光場垂直分布，與半透半反鏡成45°，經過該光學器件后可以耦合進多模光纖。本發(fā)明中，所述的多段探測器，可以由PD陣列組成中心和環(huán)形探測，探測后有兩路輸出。其特點在于探測面積大，接收的信號強，質量穩(wěn)定。本發(fā)明是基于多模光纖的多輸入多輸出系統(tǒng)，相比于之前中心注入和偏心注入實現(xiàn)的MIMO系統(tǒng)和選擇模式激發(fā)技術有如下一些優(yōu)點
1.本發(fā)明中的中心入射和環(huán)形入射充分利用了多模光纖的模式資源，能提高系統(tǒng)的帶寬，相比于選擇模式激發(fā)技術，系統(tǒng)傳輸容量顯著增大。
2.相比如偏心注入實現(xiàn)的MIMO系統(tǒng)，環(huán)形注入激發(fā)的模式更少，因此模間時延更少，信號的最后恢復更簡單，系統(tǒng)性能明顯改善。3.中心注入和環(huán)形注入對整個光纖端面來說是對稱的，比偏心注入探測更方便準確，探測的信息量也更多。


圖1模式選擇激發(fā)技術。圖2基于多模光纖中心入射和偏心入射的MIMO系統(tǒng)。圖3基于多模光纖環(huán)形入射、中心和偏心探測的MIMO系統(tǒng)。圖4基于多模光纖環(huán)形入射、多段探測器探測的MIMO系統(tǒng)。圖5空心光纖的折射率分布和產生的光場圖。圖6 —種空間耦合方式。圖7多模光纖的折射率分布。圖8環(huán)形光場剖面圖和俯視圖。圖9 中心入射、偏心入射和環(huán)形入射功率分布的比較。圖10中心入射、偏心入射和環(huán)形入射眼圖和誤碼率的比較。圖11基于多模光纖環(huán)形入射的MIMO系統(tǒng)的誤碼率和眼圖。
具體實施例方式下面將根據(jù)本發(fā)明提出的基于多模光纖環(huán)形入射的系統(tǒng)，完整地描述具體實施過程。首先為了體現(xiàn)環(huán)形入射的傳輸效果，和中心入射，偏心入射情況進行了對比。最后分析了基于環(huán)形入射的MIMO系統(tǒng)的性能。漸變折射率分布光纖的折射率如下式所示
權利要求
1.一種基于多模光纖環(huán)形入射的多輸入多輸出系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)結構包括環(huán)形光場產生裝置，單模光纖，多模光纖，空間耦合器和空間分離器，多段探測器；所述環(huán)形光場產生裝置用于產生環(huán)形光場，環(huán)形光場產生裝置產生的環(huán)形光場和單模光纖輸出的圓形光場經所述空間耦合器耦合進所述多模光纖，由多模光纖進行傳輸；在接收端采用多段探測器或由空間分離器分離后進行探測，探測后的數(shù)據(jù)用相應的均衡算法進行恢復。
2.如權利要求1所述的多輸入多輸出系統(tǒng)，其特征在于所述的環(huán)形光場產生裝置產生的環(huán)形光場是一個中間為暗光場的環(huán)形光場，由采用幾何方法、全息方法或者橫模選擇法實現(xiàn)。
3.如權利要求2所述的多輸入多輸出系統(tǒng)，其特征在于所述的環(huán)形光場產生采用空心光纖實現(xiàn)。
4.如權利要求3所述的多輸入多輸出系統(tǒng)，其特征在于所述的環(huán)形光場，通過改變環(huán)形光場的各個參數(shù)來改變其在多模光纖傳輸系統(tǒng)中的傳輸特性。
5.如權利要求1所述的多輸入多輸出系統(tǒng)，其特征在于所述的空間耦合器，采用多模干涉儀，或者通過搭建光學系統(tǒng)實現(xiàn)。
6.如權利要求1所述的多輸入多輸出系統(tǒng)，其特征在于所述的空間分離器，采用多模干涉儀，或者通過用拉錐的兩根光纖耦合出來實現(xiàn)。
7.如權利要求1所述的多輸入多輸出系統(tǒng)，其特征在于所述的多段探測器，由PD陣列組成中心和環(huán)形探測，探測后有兩路輸出。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖通信和光網絡傳輸技術領域，具體為一種基于多模光纖環(huán)形入射的多輸入多輸出系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由環(huán)形光場產生裝置，單模光纖，多模光纖，空間耦合器，空間分離器等組成。環(huán)形光場和中心光場經由空間耦合器耦合進多模光纖傳輸，在接收端采用空間探測，最后用相應的均衡算法進行數(shù)據(jù)恢復。該發(fā)明能利用模間色散，實現(xiàn)基于多模光纖的高速傳輸，改善信號的傳輸質量，增大其傳輸距離，在未來接入網甚至骨干網中都有很好的應用前景。
文檔編號H04B10/2581GK102208947SQ201110146048
公開日2011年10月5日 申請日期2011年6月1日 優(yōu)先權日2011年6月1日
發(fā)明者王源泉, 遲楠 申請人:復旦大學