面向模分复用系统的遗传-MIMO均衡参数优化技术

在模分复用系统的数字信号处理单元中,多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)均衡技术可用来补偿由各类模式相关噪声引起的信号误码率(Bit Error Rate,BER)劣化问题.而MIMO均衡算法的工作性能严重依赖于步长因子μ以及抽头数K,因此在固化均衡器之前,确定MIMO均衡算法中μ-K参数组合的最优值至关重要.为提高参数优化效率,提出了一种基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)的MIMO均衡参数优化方案,即遗传-MIMO(GAMIMO),在保证最小BER输出的同时降低参数优化过程所需的计算开销.为验证GA-MIMO的工作性能,构建了基于10 km六模光纤的点对点通信实验系统,使用新方案补偿并行通信的六路数据,并与最速下降法和迭代算法进行性能比较.实验结果表明,所提GA方案可实现MIMO均衡中最高99.98%的最优μ-K参数命中率,且GA-MIMO算法的全局搜索性使其相比于最速下降法和迭代算法可最多分别节省86.14%和90.3%的均衡算法调用次数,有效降低了确定最优μ-K参数组合时的计算开销.

光纤线性偏振模式组合对模分复用系统的影响研究

在纤芯直径为50μm的多模光纤中研究了7个光纤线性偏振(LP)模式的6种四模式组合对模分复用系统的影响。这7个LP模式由已报道的3个低阶模式(LP_(01)、LP_(11)、LP_(21))和4个传播常数(β)相差较大的模式(LP_(02)、LP_(12)、LP_(13)、LP_(14))组成,根据模式光斑形状及耦合特性选择6种不同的四模式组合并在Optisystem平台进行仿真。结果表明,在进行模分复用短距离传输时,选择LP_(01)、LP_(11b)、LP_(12a)以及LP_(21b)的模式组合,其Q因子最高,眼图效果最好,即该模式组合传输效果最佳。

光子灯笼模分复用系统MIMO-free高速传输实验

为考察无需多输入多输出模分复用系统的高速信号传输能力,采用模式选择光子灯笼型模式复用/解复用器构建了2×100 Gb/s双偏振正交相移键控模分复用通信实验系统,系统中用到的少模偏振控制器状态可由LP_(01)和LP_(11b)两个模式信道的信串比参数准确表征。测试了系统误码率与信串比关系,实现两个信道纠后无误码传输的条件为信串比约大于8 dB。当两个信道的信串比分别为14.25 dB和13.81 dB时,与背对背收发系统相比,纠后无误码阈值(10^(-2))的接收光功率代价分别为1.40 dB和4.76 dB。分析了光纤衰减、偏振模色散和模式串扰对高速传输系统的影响,估算了串扰受限系统可支持的少模光纤传输距离约为30 km。

三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件

提出了一种三信道石墨烯电光调制和模分复用集成器件,该器件由单层石墨烯覆盖的一维光子晶体纳米梁腔电光调制模块和纳米线波导模分复用模块组成。利用三维时域有限差分法进行仿真分析,结果表明,该器件可以同时实现TE0模、TE1模和TE2模的调制和模分复用功能。当波长为1570 nm时,消光比大于28.3 dB,插入损耗小于0.21 dB,信道串扰小于−28.6 dB,调制器的3 dB带宽达到100 GHz,器件尺寸约为100μm×13μm。该集成器件性能优良,在大容量光通信系统中具有重要的应用价值。

模分复用系统中模式耦合与模式色散的统计特性研究

对模分复用系统中模式耦合和模式色散的统计规律及特性进行了研究。利用基于密度矩阵理论的模式色散统计模型,借助数值模拟分析得到了六模光纤中模式耦合引起的光场能量分布和相干性变化的规律以及与模式色散相关的各物理量的统计分布。结果表明,光纤的随机扰动会造成光场在不同模式之间的相干性于很短的传输距离内迅速衰减为零,因此在相干光通信系统中对模式信号进行处理时,不仅根据能量耦合强度进行分组,需要同时考虑模式间的能量耦合与相干性变化以作全局处理。同时发现,六模光纤中一阶、二阶模式色散的统计分布能够用修正的偏振模色散公式加以描述。以上结论将为模分复用光信号的性能恢复提供理论依据,并有效推动模分复用技术的实用化进程。

基于少模光纤布拉格光栅的模分复用系统实验研究

本文提出了一种基于少模光纤布拉格光栅(Few-mode FBG)的模分复用通信系统,阐述了基于少模光纤布拉格光栅的模分复用/解复用原理,建立了2×2的模分复用实验系统,分别利用LP01和LP11模作为独立信道,实现了1.25Gbps和622Mbps两路伪随机序列(PRBS)的10km传输实验,给出了传输后的眼图,分析了当激光器波长为1549.228nm时,实验系统的误码特性.实验验证了基于少模光纤布拉格光栅的模分复用通信系统的可行性,为进一步实现长距离高速率的模分复用通信奠定了实验基础.

模分复用系统中少模复用（解复用）技术研究

近年来,在模分复用(MDM)光通信领域中采用少模光纤(FMFs)来增加传输容量的方法已经得到高度关注和深入研究,该方法可以突破单模光纤(SMFs)非线性香农极限.结合本课题组开展的模分复用方面的部分工作,比较系统、深入地分析讨论了模分复用研究过程中相对突出、经典的部分研究工作和最新进展,涉及少模模分复用器结构设计、特性及应用.分析讨论了一种基于相位板的三模式模分复用器、基于液晶空间光调制器(LCOS-based SLM)的模分复用器、常规标准型光纤光子灯笼、模式选择光纤光子灯笼、模式组选择光纤光子灯笼、模式组选择刻写波导型光子灯笼的结构设计、特性及应用.最后,给出了本课题组近期提出的新颖的定向耦合模分复用器以及模分复用器研究发展趋势,为模分复用光纤前传等系统应用提供有效支持.今后的较长一段时间,模分复用技术研究中的采用特殊材料和传输信道结构设计来实现低衰减、低串扰、高消光比、高模式选择性等指标仍然是通信领域需要继续探索的研究热点.

模分复用系统关键技术研究进展

近年来,光纤通信主要应用于单模系统中,扩充容量一般应用波分复用技术。而随着传输容量逐渐逼近香浓极限,光纤通信技术开始向空分复用方向发展。模分复用是一种利用光波的空间自由度来增加光通信容量的复用技术。它作为一种可以克服单模光纤通信系统传输容量局限的复用方式,受到了广泛的关注。文中就模分复用系统中关键性技术的研究进展进行了评述,主要包含模分复用/解复用器,少模/多模光纤,以及MIMO数字信号处理3个方面。

基于弱耦合少模光纤的模分复用技术进展(特邀)

近年来模分复用技术被广泛认为是突破传统单模光纤通信系统和网络容量"瓶颈"的有效途径,其典型方案包括强耦合和弱耦合两种。在弱耦合模分复用方案中,模式串扰应尽量被抑制,使得各模式中的信号可独立传输和接收。文章首先对强耦合和弱耦合模式技术原理进行了介绍,之后设计制作了一种弱耦合双环型纤芯结构少模光纤,设计制作了基于模式选择耦合器的模式复用/解复用器,在此基础上演示了6模式、10km弱耦合模分复用传输实验,仅采用强度调制和无数字信号处理的直接检测设计了一种简并模式解复用方案,并基于熔融拉锥工艺制作了该器件,最终首次实现了模分复用实时视频传输,这表明模分复用技术向实际应用迈进了重要一步。

基于模分复用的光分插复用器的设计

为了满足未来大数据光网络中数据的传输和上/下载要求,提出将模分复用(MDM)和波分复用(WDM)相结合,设计了基于光纤光栅模分复用技术的新型光分插复用器(OADM),给出了系统的结构图,阐述了其工作原理。利用OptiSystem软件仿真分析了经光纤光栅反射后少模光纤中1547nm和1550nm波长信道中LP_(01)、LP_(11a)和LP_(11b)三模式加载信号后的传输性能,并分析了接收信号的眼图、误码率及Q因子等特性。结果表明:各模式间串扰低,6路信号的误码率在速率为850Mb/s时均可达到10^(-10)。

基于光子晶体WM腔和纳米线波导的电光调制与模分复用集成器件

为了提高通信速率,扩展信道容量,提出了一种采用宽度调制(WM)谐振腔和纳米线波导将电光调制模块和模分复用器模块进行耦合的集成器件,详细介绍了电光调制器模块和模分复用器模块的原理、结构设计和性能,并采用Lumerical软件对该集成器件进行了仿真和容差分析。仿真结果表明:该集成器件在工作波长为1550 nm时可以先进行电光调制,再进行TE0模与TE1模复用;2种模式的插入损耗分别为0.186 d B和0.18 d B,消光比分别为29.6 d B和24.5 d B,信道串扰分别为-49.57 d B和-49.12 d B,调制深度均为0.999。

基于光子灯笼的2×20Gb/s PAM4信号模分复用传输

为了解决大容量数据传输场景下数据传输速率的问题,基于模式选择性光子灯笼型模式复用/解复用器,建立了2×2的模分复用通信系统。利用LP01与LP11模式作为独立传输信道,采用强度调制-直接检测(IM-DD)系统配置,在50m少模光纤(FMF)的传输条件下实现了2×20Gb/s PAM4信号的传输,为大容量数据传输场景提供了一种解决方案。实验结果表明:在采用判决反馈均衡器(DFE)均衡的情况下,当发送光功率分别为-13.9dBm和-10.7dBm时,LP01和LP11模式的误码率均可以达到3.8×10^(-3),且在2路通道同时传输情况下仍能保持良好的传输性能。

非线性效应对量子模分复用系统误码率的影响

在少模光纤中利用模分复用技术可实现经典信号和量子信号的共纤同传。为了分析量子信号在传输过程中因光纤非线性效应而受到经典光信号的影响,研究了非线性效应引起的串扰功率与光纤长度及经典光信号功率的关系,并构建了在非线性效应影响下的量子误码率模型。针对三模模分系统进行仿真分析,探讨了光纤长度和经典光信号功率对量子误码率的影响。仿真结果表明,当选用信号光波长1550nm,经典光信号功率为-10dBm时,量子安全通信距离可达到155.7km,其中经典光信号的功率是对安全通信距离的最大影响因素。

一种基于三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器的设计与研究

本文提出了一种基于非对称三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器.该器件主要是由位于光纤中心的可提供基模和高阶模传输的中心纤芯和分别位于中心纤芯两侧的可提供基模传输的2个旁芯构成.根据光耦合理论,在输入端对3个纤芯分别输入LP_(01)模式的光,在传输过程中左旁芯的LP_(01)模式的光将逐步向中心纤芯耦合并转换为LP_(21)模式传输,而右旁芯中的LP_(01)模式的光则逐步耦合并转换为中心纤芯中的LP_(31)模式来传输.通过对光纤结构的优化设计和光纤长度的选择,使得在输出端同时完成旁芯LP_(01)模向中心纤芯LP_(21)和LP_(31)模的最佳转换,从而实现LP_(01)、LP_(21)和LP_(31)3种模式的光在中心纤芯中的复用.反之,若将该器件的输出端用作输入端则可以实现中心纤芯中3种模式的光向3个纤芯的解复用.本文利用有限元法和光束传播法进行了优化设计和仿真,并将光耦合理论与超模理论相结合进行了分析计算,结果表明在1.49—1.63μm的波段下,该器件插入损耗最高为0.72 dB,在中心波长1.55μm处器件插入损耗为最低值0.543 dB,远低于大家普遍采用的1 dB插入损耗的评价标准.较低的插入损耗也为级联型多芯光子晶体光纤模分复用器设计提供了可能.与现有的模分复用方案相比,该器件的集成性更高,受外界影响更小,与多芯空分复用光纤搭配使用,可以更好地提高模式转换效率和模式纯度,降低耦合复杂度,拓展通信容量.

模分复用系统中的少模光纤研究新进展

近年来,在模分复用(MDM)光通信领域中采用少模光纤(FMF)来增加传输容量的方法已经得到高度关注和深入研究,该方法可以突破单模光纤(SMF)非线性香农极限.结合本课题组开展的模分复用方面的部分工作,比较系统、深入地分析讨论了模分复用研究过程中相对突出、经典的部分研究工作和最新进展,涉及少模光纤结构设计、特性及应用.分析讨论了折射率阶跃分布和折射率渐变分布单芯少模光纤、用于无MIMO数据传输的椭圆芯少模光纤、用于光学参量放大的椭圆芯少模光纤、由中心圆孔和椭圆环芯组成的保偏少模光纤、具有10种保偏模式的PANDA环芯光纤、用于模分复用传输的低损耗少模环形光纤以及超模光纤的结构设计、特性及应用.最后,给出了本课题组近期提出的新颖的三环芯FMF以及FMF研究发展趋势,为模分复用光纤前传等系统应用提供有效支持.今后的较长一段时间,少模光纤研究中的采用特殊材料和光纤结构设计来实现大有效折射率差、低衰减、低色散、大有效模场面积和低非线性系数等指标仍然是通信领域需要继续探索的研究热点.

降低模分复用传输中信号串扰的预编码技术

为降低点到多点短距离模分复用传输中的模式串扰,提出了一种基于系数回传的预编码方法。设计了联合控制任意波形发生器(AWG)和示波器(DSO)的控制台,以及连接500 m少模光纤(FMF)的光子灯笼强度调制直接检测(IM-DD)模分复用传输系统,并选用LP01-LP01模式信道和LP11a-LP11b模式信道进行对比实验。实验结果表明:使用该方案之后的信号误码率在1.3E-2前向纠错(FEC)(G.975.1-25%OH)门限时,LP01-LP01、LP11a-LP11b进入光子灯笼的信号发送功率分别降低了约5 dBm、2 dBm。

基于光子灯笼的6×6模分复用传输实验

利用模式选择性光子灯笼作为模式复用/解复用器,实验搭建了6×6模分复用通信系统,利用LP 01、LP 11a、LP 11b、LP 21a、LP 21b、LP 02这六个模式作为独立的传输信道,采用强度调制和直接检测(IM-DD)的方法,实现了6×4.25 Gbit/s伪随机信号的B2B、10 km少模光纤(FMF)传输.实验观察了信号的眼图,测试了其误码性能.实验结果表明:对B2B、10 km FMF传输,当接收功率分别高于-16.77、-12.74 dBm时,误码率均能达到10-3量级.

模分复用系统频域盲均衡算法仿真

模分复用系统中的模式耦合和差分模式群时延对信号传输的影响,需在接收端进行均衡补偿以实现信号可靠传输。与时域均衡相比,频域均衡可有效降低DSP复杂度。基于频域盲均衡算法FD-CMA(frequency-domain constant modulus algorithm)和FD-MMA(frequency-domain multimodulus algorithm)在2×56 Gb/s 16 QAM模分复用系统中进行仿真对比。结果表明,从星座图和误码性能角度来讲,FD-MMA对非常数模信号的均衡性能优于FD-CMA。在误比特率为10-3处,FD-MMA较FD-CMA有2.8 dB光信噪比的提升。

基于高维调制的模分复用系统性能研究

为了提高系统的传输容量和传输性能,提出了基于高维调制的模分复用通信技术。通过搭建的基于高维调制的模分复用系统,仿真分析了4b-4D和8b-8D高维信号在不同光信噪比、传输距离和模式耦合系数条件下的传输性能,并与传统的谱效率相同的二维调制信号QPSK进行了对比。实验结果表明,在目标误码率下,4b-4D信号和8b-8D信号所需信噪比分别比QPSK信号降低了2和4dB,传输距离分别比QPSK信号增加了20和40km。可见,随着信号维度的增大,信号的抗噪声性能及抗色散性能越好。此外,实验结果表明模式耦合对误码率的影响也随着信号维度的增加而减小。

光子晶体双波长电光调制和模分复用集成器件

为了实现光电子器件小型化和多功能化,进一步提高信息传输容量和速度,提出了一种基于光子晶体双波长电光调制和模分复用的片上集成器件。该集成器件的电光调制模块由硅基光子晶体波导和两个L3型复合腔组成,模分复用模块由硅基非对称平行纳米线波导组成,两个模块的连接处采用硅基光子晶体波导。采用L3型复合腔和PN掺杂结构实现两个波长TE_(0)模的调制,采用非对称定向耦合结构将两个波长的TE_(0)模转换为TE_(1)模。应用基于三维时域有限差分法(3D-Finite Difference Time Domain,3D-FDTD)的Lumerical软件进行仿真分析,结果表明,在调制电压为1.05 V时,该集成器件可以实现中心波长为1552.1 nm和1556.1 nm的TE_(0)模、TE_(1)模通断调制及两模式模分复用功能。该器件的消光比高达24.67 dB,调制深度均为0.99,插入损耗小于0.57 dB,信道串扰小于−34.68 dB,调制速率最低为17.54 GHz。该集成器件结构紧凑,可望应用于高速大容量光通信系统。