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一种基于少模FBG用于模式分割复用系统的新型MUX/DEMUX

摘要：本文提出了一种新的基于少模光纤布拉格光栅（FBG）的模式多路复用/解复用器（MUX/DEMUX），详细阐述了基于少模FBG的多路复用/分路原理，并通过实验获得了优于-20dB的串扰。然后利用我们提出的多路复用/分路复用技术，建立了一个2times;2分复用（MDM）系统。成功地实现了2times;10 Gbps PRBS的传输实验，分别由模式和模式进行。当接收灵敏度大于-14db m和-10db m时，B2B和10km传输的误码率分别都达到。

关键词：光纤通信；模分复用；少模光纤布拉格光栅；少模光纤

1 引言

为了解决新出现的带宽消耗业务给光传输网络带来的巨大压力【1,2】，科学家提出了波分复用（WDM）【3】、偏振分复用（PDM）【4】、相干检测【5】和高级调制技术【6】等多种提高光网络容量的方法。近年来，基于少模光纤的模分复用（FMP）正迅速受到人们的关注【7】。从理论上讲，模分复用（MDM）系统可以通过增加模数的一个因子来增加系统的容量。由于少模光纤的模场面积大，非线性公差大，因此少模光纤不仅可以提高系统的容量，而且可以避免非线性对系统的影响。

当观看MDM传输时，模式多路复用器/分路器是主要设备。采用不同的多路复用技术，例如自由空间光学【9，10】、光纤模式耦合器【11，12】平面光波电路（PLCS）【13、14】或光电灯【15、16】进行了几种模式分复用传输实验。基于MUX/DEMUX的自由空间光学是最广为知晓的技术。通过使用光学四轮变换的多相平面，通过多平面光转换器或相片平面和光束分割来转换和复用模式。它被广泛用于实验，因为它的高选择性，即使该器件并不与光学集成电路实际不兼容。基于对称光纤模式耦合器的模式复用器与长周期光纤布拉格光栅（LPFBG）相结合，可获得精确的交互参数，实现低串扰，平面光波电路（PLC）是实现模式复用的另一种方法，具有结构紧凑、损耗低、质量可生产等优点。基于可编程逻辑控制器（PLC）的模式复用器采用了非对称Y结、T形耦合器、锥形耦合器和空心锥形波导。另外，光子信号灯也引起了人们的广泛关注，它不仅能在少模光纤中将多光束转换成超模，而且能高度集成模式转换和模式复用。

本文提出了一种新的模式复用/解复用方法，该方法是将光纤布拉格光栅（FBG）与光学环行器结合起来实现的。为了验证所提出的模式复用器/分路器的性能，我们通过实验验证了一个2times;10 Gbps的MDM传输在10公里长的双模光纤上。对于我们提出的模式多路复用/解复用器，我们测量了平均插入损耗4 db和平均模式串扰-20 db。接下来，测量了背靠背（b2b）和10 km传输的眼图和误码率。当接收机灵敏度大于-14分贝m和-10分贝m时，B2B和10公里传输的误码率均能达到10。

2 基于少模FBG的模式复用/解复用器

图（1）显示了我们提出的多路复用器/分路器的配置，该模式多路复用器/分路器是由几种模式FBG结合光学环行器实现的。

图1 多路模式复用器（a）和解复用器（b）的基本原理

在本实验中，我们利用一个周期为1023nm的相位掩模，在几种模式光纤上写入FBG。芯径为13。938mu;m，包层直径125mu;m，芯层折射率14630，包层折射率1。4571。归一化频率V的计算值为3.710。在这种情况下，光纤只引导两种模式，即模式和模式。少量模式FBG的测量反射光谱如图2（a）所示。从图2（a）中，双模光纤光栅的光谱具有三个反射峰。反射峰1为模的自共振峰，即模的反射光谱，反射率为97.0%，3dB带宽为1.704nm。反射峰3是模的自共振峰，是模的反射光谱，反射率为98.6%，3dB带宽为1.028nm。对于反射峰2，它是模和模交叉耦合的结果。利用单侧紫外光将我们的几种模式光纤光栅写入光纤中，导致光纤折射率的横向分布不对称。因此，耦合不仅发生在n模式到n模式（自耦合），也发生在n模式到n 1模式和n 1模式到n模式（交叉耦合）之间，因此反射峰2是和模式【17，18】之间交叉耦合的结果。

图2 测量光谱：（a）少量模式FBG的反射光谱；（b）1549.16纳米激光器的光谱（垂

直红色虚线显示反射峰3的中心波长与入射激光束的工作波长之间的对应关系。）（为

了解释本图图例中对颜色的引用，读者可以参考本文的Web版本。）

当入射激光束的工作波长与反射峰1的中心波长相匹配时，模式将被少数模式FBG反射。同样，当入射激光的工作波长与反射峰3的中心波长相匹配时，LP11模式将被少数模式FBG反射。当入射激光束的工作波长与反射峰2的中心波长一致时，模式和模式将同时被少数模式FBG反射。在我们的实验中，我们选择的激光器的工作波长为1549.16nm，与反射峰3的中心波长一致，测量了激光器的光谱，如图3（b）所示。因此，模式复用/解复用可以通过少模光纤布拉格光栅与光环行器结合来实现。

复用/解复用过程如下：在多路复用器中。模从N端口到M端口入射到少模FBG，而模从端口M到端口N入射到少模FBG。在激光器的工作波长与模式的布拉格条件匹配的情况下，模式将由少量模式FBG反射。因此，模式将从光环形器的端口3退出，而模式将不会被少数模式FBG反射，因此与模式一起进入端口2并从端口3退出。在这种情况下，实现了模式和模式的多路复用。

同样，在解复用器中，模式和模式通过光环行器从端口Q入射到少模FBG中，再由少模FBG反射，通过光环行器的端口3输出。同时，模式通过少模FBG传输，并在P口输出，实现了模式和模式的解复用。

在传输实验之前，我们在背靠背配置中评估了我们所提出的多路模式复用/解复用器的性能，其中复用器和解复用器 由一小段FMF（~1 m）连接。我们测量了插入损耗（IL）和多路模式复用/解复用器的串扰，如表1所示。对角线值分别对应于模式和模式的插入损耗。反对角线值是两种模式的串扰水平【19】，定义为：

（1）

其中，是模式b上模式a的耦合，是注入模式J时模式I上测得的功率。在我们的设置中，对于多路复用器上的模式，我们首先通过在注入模式时在解复用器侧测量相同模式的输出功率来获得参考输出功率（），然后通过测量输出功率来获得。在分路侧的另一个模式的功率同样，对于多路复用器上的模式，得到和。根据表1中的反对角线项，我们观察到最坏情况下的模态串音可达-19.6 dB。

表1:多路复用器/解复用器的模态串扰（单位：dB）

3 基于多路模式复用器/解复用器的MDM系统

在此基础上，建立了基于少模FBG的多路复用多路复用传输系统，实验装置如图3所示。波长为1549.16纳米的光波经过强度调制，产生10 Gbps的伪随机二值序列（PRBS）信号。然后用掺饵光纤放大器对光信号进行放大，通过3dB耦合器将光信号分成两束。上路径中的模式是由单模光纤（SMF）和少模光纤之间的中心拼接产生的。

低路径中的模式由单模光纤（SMF）和少模光纤（FMF）【20】之间的纤芯偏移拼接激发（纤芯偏移拼接距离为1.8um）。分别通过上通路和下通路的和模式由复用器多路复用，然后引导到FMF中。在传输后，利用分路器将两种模式分离，然后用光电探测器对两种信号进行检测。最后，测量了眼图和误码率。

图3 MDM传输系统实验装置

首先，测量了不同纤芯偏移拼接距离下的近场模式（NFP），结果如图4（a）所示。从图4（a）可以看出，激发的在SMF和FMF之间的中心拼接作用较小，而模式起主导作用。随着芯偏距拼接距离的增加，激发的模相应增大。在我们的实验中，取芯偏移拼接距离为1.8mu;m，然后使用图4（b）中所示的设置，对纯模式滤波进行实验验证。激光器的工作波长为1549。16纳米，与模式的布拉格波长相匹配。在这种情况下，模式将被少数模式FBG反射，其他模式将通过少数模式FBG传输。因此，可以在Q点获得纯模式，因此利用图3所示的结构，可以在C点实现纯模式和纯模式的复用，经过解复用后，分别在D点和E点获得纯模式和纯模式。

图4（a）：不同芯偏移拼接距离下的近场模式（NFP）；（b）：模式滤波实验装置

为了验证我们提出的MUX/DEMUX的有效性，测量了图3中A、B、C、D、E点的近场模式（NFP），如图5所示，结果分别如图5（a）-（e）所示。A点的近场图接近于模的光场分布，B点的近场图接近于退化模的光场分布。两种模式复用后，C点的近场模式呈现心形轮廓，这是模式和模式叠加的结果。通过解复用后，得到与理想LP模式相似的模式（如图5（d）和（e）所示），分别对应于模式和模式。

图 5 图3中A、B、C、D、E点的近场模式（NFP）测量值

然后测量了B2B和10km传输的眼图，结果如图6所示，并给出了传输信号的眼图。我们传输系统中的主要性能下降是由于我们的多路复用器/分路器的串扰和FMF中模式之间的耦合。B2B传输系统的人眼图显示，我们提出的多路复用器/解复用器的串扰较低，因此可以看出，10公里传输的人眼图退化主要是由于FMF中模式之间的耦合造成的，因此，如果FMF的串扰足够低，MDM传输就会出错。在接收端不需要复杂的数字信号处理（DSP）技术的情况下，我们提出的多路复用/分路器可以实现无误差级别的性能。

最后，我们测量了基于少数模式FBG的MDM系统的误码率，结果如图7所示。三角形和矩形实线分别显示了B2B和10km传输的误码率。从图7可以看出，当接收机灵敏度分别为-14dBm和-10dBm时，分别达到分贝的误码率,误码率相对较大。一个可能的原因是我们光电探测器（PD）的老化导致其噪声系数的增加和光电转换效率的降低。另一个可能的原因是接收端有多个熔接，导致了模态串扰，降低了信号光束的光功率。利用前向纠错（FEC）译码，可以获得的误码率。

图7 BER曲线与接收功率：（a）：模式传输（b）：模式传输

为了证明模分复用通信系统的稳定性，我们测量了和模式10公里传输在-10 dBm的接收功率下，误码率性能随运行时间的变化。结果如图8所示。从图8可以看出，当系统运行时间增加时，误码率可达。两种模式的误码率都是稳定的。

图 8 对于模式和模式传输，BER曲线与运行时间之间的关系。

4 结论

综上所述，我们提出了一种基于少模光纤光栅的多路复用/解复用方案，从理论上分析了基于少模光纤光栅的多路复用/解复用方案的可行性。给出了插入损耗和模态串扰。然后将所提出的多路复用/分路技术应用于MDM传输系统中，成功地实现了一个10km以上的2x10Gbps模式分复用，并测量了背对背和10km传输的眼图和误码率。我们提出的多路复用/解复用器具有低模态串扰、结构简单、相对稳定、易于实现和与光纤链路耦合的优点。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（NSFC）（61575078和61177066）、吉林省科技厅（2014020300 9GX）和吉林省发展与改制委员会（2014Y0870）的支持，对他们表示衷心的感谢。

参考文献

【1】R.-J.Essiambre，G.Kramer，P.J.Winzer，G.J.Foschini，B.Goebel，光纤网络容量限制，]。光波技术。28（4）（2010）662-701

【2】P.P.Mitra，Jason B Stark，《光纤通信的非线性信息容量限制》，自然411（2001）1027-1030

【3】G.Bosco，A Carena，P.Poggiolini，F Forghieri，《高速PM-QPSK系统中Nyquist WDM和CO-OFDM的性能限制》，IEEE光子学技术，Let22（15）（2010）1129-1131.D.

【4】Qian，M.-F.Huang，E.IP，Y.-K Huang，Y Shao，J.Hu，T.Wang，101.7-tb/s370 x 294-gb/s）PDM-128QAM-OFDM传输3 x 55 k m SSM，基于导频的相位噪声抑制，in:OFC会议记录，2011年3月，第1-3页，论文PDPB5

【5】E IP，A.P.T.Lau，D.F Barros，J.M.Kahn，光学纤维系统中的相干检测，Opt.Express 16（2）（2008）753-791

【6】D.S.Millar，T.Koike Akino，S.O.Anik，K Kojima，K.Parsons，T.Yoshida，T Sugihara，《相干光通信系统的高维调制》，OPT.Express 22（7）（2014）8798-8812.

【7】Bai Neng，IP Ezra，Yue Kai Huang，带嵌入式少模光纤放大器的模分复用传输，Opt.Express 203）（2012）2668-2680

【8】叶宗仁，李明军，黄月凯，等.146A 6 x 19 Gbaud波长和模分复用传输，跨越10 x 50 km的few mode光纤，增益均衡的几种模式EDFA，光波技术.32（4）（2010）790-797

【9】K Igarashi，D.Souma，T.Tsuritani，I Morita，10模光纤基于相位板的选择性模式转换性能评估，Opt.Express22（17）（2014）20881-20893

【10】 Hilippe Genevaux，Christian Simonneau，Guillaume Labroille，Bertrand Denolle，Olivier Pinel，Pu Jian，Jean-Francois Morizur，Gabriel Charlet，6-modispatial multiplexer with

资料编号：[3278]