专利名称：一种基于多模光纤环形入射的多输入多输出系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤通信和光网络传输技术领域，具体涉及一种基于多模光纤环形入射的2X2MIM0 (多输入多输出)系统。
背景技术：
信息产业已经成为21世纪国家的重要经济命脉，信息网络的科研前沿突破，会对国家信息产业的国际竞争力、国民经济的快速可持续发展产生深远的影响，具有重要的战略意义。目前我国已建成覆盖全国的有较强通信能力的骨干网络；通信网、互联网、广电网正在向IP化、宽带化和多媒体化发展，三网融合的进程正在加快；固定光网络通信和移动通信正在向更高速率和下一代通信网络发展。目前光通信骨干网的研究主要集中于超高速超大容量超长距离超高谱效率的光传输，竞争日趋白热化，光载波的各项特性包括振幅、相位、频率、偏振、波长均已经被充分挖掘以最大限度的提高系统容量，继相干技术之后，光纤的空间资源极有可能成为光通信容量的下一个增长点，而多模光纤正是由于其丰富的空间模式资源，重新回归人们的视野。 以美国贝尔实验室和德国HHI为代表国际顶级科研机构纷纷开展多模光纤研究工作。相比于单模光纤，多模光纤具有如下的优点(1)芯径粗，易于校准，使用多模光纤可以大大的降低光纤接头的制作成本；(2)能够容忍大的弯曲损耗，大大降低了铺设成本；(3)制作工艺简单，价格便宜；(4)可以直接与光源特别是垂直腔面发射激光器VCSEL 直接耦合。另外，多种行业标准都将多模光纤作为局域网传输介质或内配线使用。而且使用 VCSEL光源的新一代10(ibit，40(;bit和100(ibit以太网标准都将使用多模光纤。这表明，多模光纤在局域网应用中必将有很大的发展空间，有可能是未来光接入网的理想传输介质。限制多模光纤应用范围的最主要的因素是模间色散，当模间色散引起的光脉冲展宽大于码元宽度时，信号衰落基本上无法被恢复。模间色散在传输高速率信号或者传输长距离的时候表现的更加明显。如何解决这个问题成了研究热点。如图1所示为现有的一种提高多模光纤传输性能的方法。在这种方法中，激光器输出的光调制并经过模斑整形后再输入到多模光纤中进行传输，分别采用中心入射和偏心入射，在接收端经过判决反馈均衡技术实现多模光纤性能的改善。经研究发现，这种技术方案只能在一定程度改善多模光纤的性能，对于高传输速率，其模间色散依然很严重；另外这种方案并没有利用多模光纤的模式资源，而是设法克服模间色散。为了充分利用多模光纤的模式资源，另一种基于多模光纤的MIMO技术被提出，如图2所示为现有一种技术方案。在输入端分别中心入射和偏心入射，耦合进多模光纤传输， 在接收端也采用中心探测和偏心探测，再进行信号的均衡，实现基于多模光纤的MIMO系统。经研究发现，该技术也存在以下缺点偏心入射激发的高阶模式众多，中心和偏心两路信号的干扰很严重。基于以上一些事实，本发明首次提出基于多模光纤环形入射的2X2MIM0系统，实现多模光纤的高速传输。目前，没有见到相似内容的报道。
发明内容
本发明的目的在于提出一种传输速率高、模间色散少的多输入多输出系统。本发明提出的多输入多输出系统，是一种基于多模光纤环形入射的2X2MIM0系统，该系统的核心是利用多模光纤的模式资源，实现多输入多输出。把一路高速的数据流分成两路进行传输，总的传输速率可以得到显著提高。其原理图分别如图3和图4所示。整个系统的结构包括VCSEL激光器，环形光场产生装置，单模光纤，多模光纤，空间耦合器，空间分离器，多段探测器。其中
环形光场产生装置用于产生环形光场，环形光场产生装置产生的环形光场和单模光纤输出的圆形光场经空间耦合器耦合进多模光纤，由多模光纤进行传输，在接收端由多段探测器或由空间分离器分离后进行探测，探测后的数据用相应的均衡算法进行恢复。图3是在接收端采用空间分离器，是对经过空间分离器后两路输出，分别探测，探测之后进行算法恢复处理；图4是在接收端采用多段探测器，进行中心和环形探测，探测之后也进行相应的算法恢复处理。本发明中，所述的环形光场产生装置产生的环形光场是一个中间为暗光场的环形光场，具体可以采用几何方法、全息方法或者横模选择法实现。进一步，所述的环形光场产生，可以采用空心光纤实现。从VCSEL激光器输出的光直接耦合进空心光纤中，对空心光纤的折射率，空心尺寸进行合理设置，可以产生环形光场，一般空心光纤的折射率可以采用和对接的多模光纤相同的折射率，空心半径设置成 4-6um。本发明实例中采用的空心光纤的空心半径为5um，纤芯折射率为1. 49，半径为20um， 包层折射率为1. 475，半径为37. 5um。进一步，所述的环形光场，可以通过改变环形光场峰值和中心的距离，自身的半高全宽，从而可以改变其在多模光纤传输系统中的传输特性。半高全宽越小激发的模式越少， 峰值和中心的距离一般选在IOum比较好。环形光场入射激发的模式比较少，本发明中激发的模式耦合系数较大的只有LPOl—LPO 10，其余的耦合系数都很小。这可以很好的克服多模光纤的模间色散。图5给出空心光纤的折射率分布和在OptiFiber中仿真的空心光纤的光场图。激光器输出的激光经过调制后耦合进空心光纤，产生环形光场。
本发明中，所述的空间耦合器，可以采用多模干涉仪，也可以通过搭建光学系统实现， 比如利用半透半反镜把两路光耦合进多模光纤。所述的空间耦合器还可以用拉锥的两根光纤耦合出来实现，分别进行探测。图6给出了一种空间耦合方式，其选用的光学器件是半透半反镜，环形光场和单模光纤输出的光场垂直分布，与半透半反镜成45°，经过该光学器件后可以耦合进多模光纤。本发明中，所述的多段探测器，可以由PD阵列组成中心和环形探测，探测后有两路输出。其特点在于探测面积大，接收的信号强，质量稳定。本发明是基于多模光纤的多输入多输出系统，相比于之前中心注入和偏心注入实现的MIMO系统和选择模式激发技术有如下一些优点
1.本发明中的中心入射和环形入射充分利用了多模光纤的模式资源，能提高系统的带宽，相比于选择模式激发技术，系统传输容量显著增大。
2.相比如偏心注入实现的MIMO系统，环形注入激发的模式更少，因此模间时延更少，信号的最后恢复更简单，系统性能明显改善。3.中心注入和环形注入对整个光纤端面来说是对称的，比偏心注入探测更方便准确，探测的信息量也更多。
图1模式选择激发技术。图2基于多模光纤中心入射和偏心入射的MIMO系统。图3基于多模光纤环形入射、中心和偏心探测的MIMO系统。图4基于多模光纤环形入射、多段探测器探测的MIMO系统。图5空心光纤的折射率分布和产生的光场图。图6 —种空间耦合方式。图7多模光纤的折射率分布。图8环形光场剖面图和俯视图。图9 中心入射、偏心入射和环形入射功率分布的比较。图10中心入射、偏心入射和环形入射眼图和误码率的比较。图11基于多模光纤环形入射的MIMO系统的误码率和眼图。
具体实施例方式下面将根据本发明提出的基于多模光纤环形入射的系统，完整地描述具体实施过程。首先为了体现环形入射的传输效果，和中心入射，偏心入射情况进行了对比。最后分析了基于环形入射的MIMO系统的性能。渐变折射率分布光纤的折射率如下式所示
权利要求
1.一种基于多模光纤环形入射的多输入多输出系统，其特征在于系统结构包括环形光场产生装置，单模光纤，多模光纤，空间耦合器和空间分离器，多段探测器；所述环形光场产生装置用于产生环形光场，环形光场产生装置产生的环形光场和单模光纤输出的圆形光场经所述空间耦合器耦合进所述多模光纤，由多模光纤进行传输；在接收端采用多段探测器或由空间分离器分离后进行探测，探测后的数据用相应的均衡算法进行恢复。
2.如权利要求1所述的多输入多输出系统，其特征在于所述的环形光场产生装置产生的环形光场是一个中间为暗光场的环形光场，由采用几何方法、全息方法或者横模选择法实现。
3.如权利要求2所述的多输入多输出系统，其特征在于所述的环形光场产生采用空心光纤实现。
4.如权利要求3所述的多输入多输出系统，其特征在于所述的环形光场，通过改变环形光场的各个参数来改变其在多模光纤传输系统中的传输特性。
5.如权利要求1所述的多输入多输出系统，其特征在于所述的空间耦合器，采用多模干涉仪，或者通过搭建光学系统实现。
6.如权利要求1所述的多输入多输出系统，其特征在于所述的空间分离器，采用多模干涉仪，或者通过用拉锥的两根光纤耦合出来实现。
7.如权利要求1所述的多输入多输出系统，其特征在于所述的多段探测器，由PD阵列组成中心和环形探测，探测后有两路输出。
全文摘要
本发明属于光纤通信和光网络传输技术领域，具体为一种基于多模光纤环形入射的多输入多输出系统。该系统主要由环形光场产生装置，单模光纤，多模光纤，空间耦合器，空间分离器等组成。环形光场和中心光场经由空间耦合器耦合进多模光纤传输，在接收端采用空间探测，最后用相应的均衡算法进行数据恢复。该发明能利用模间色散，实现基于多模光纤的高速传输，改善信号的传输质量，增大其传输距离，在未来接入网甚至骨干网中都有很好的应用前景。
文档编号H04B10/2581GK102208947SQ201110146048
公开日2011年10月5日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者王源泉, 迟楠 申请人:复旦大学