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随着波分复用(WDM)、偏振复用(PDM)和高阶调制等技术的使用,单模光纤的传输容量已经快速接近其香农极限。目前有望突破该极限的方法是空分复用(SDM),这使得多模光纤重新受到关注。基于多模光纤的多输入多输出(MIMO)技术是解决信息爆炸式增长的新领域。研究并比较了光MIMO系统的各种实现方式,其中重点介绍了模群分集复用(MGDM)技术;同时也阐述了相干多输入多输出系统(COMIMO)相应的内容。最后指出多模光纤MIMO系统中存在的问题,以期对以后的研究有所裨益。
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激光与光电子学进展
48
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100601
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2011
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○
C
2011
《中国激光》杂志社
多模光纤链路中多输入多输出技术的研究
王源泉
方武良
陶
理
朱江波
迟
楠
(复旦大学通信科学与工程系专用集成电路与系统国家重点实验室,上海
200433
)
摘要
随着波分复用(
WDM
)、偏振复用(
PDM
)和高阶调制等技术的使用,单模光纤的传输容量已经快速 接 近其香
农极限。目前有望突破该极限的方法是空分复用(
SDM
),这使得多模光纤重新受到关注。基于多 模 光纤的 多 输入
多输出(
MIMO
)技术是解决信息爆炸式增长的新领域。研究并比较了光
MIMO
系统的各种实现方式,其中 重点介
绍了模群分集复用(
MGDM
)技术;同时也阐述了相干 多 输 入 多 输 出 系 统(
COMIMO
)相 应 的 内 容。最 后 指 出 多 模
光纤
MIMO
系统中存在的问题,以期对以后的研究有所裨益。
关键词
光通信;多模光纤;多输入多输出;波分复用;正交频分复用;模群分集复用
中图分类号
TN929.11
文献标识码
A
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060.2330
;
040.0040
;
250.0250
收稿日期:
20110411
;收到修改稿日期:
20110516
;网络出版日期:
20110806
基金项目:国家
973
计划(
2010CB328300
)、国家自然 科 学 基 金(
600837004
,
60777010
)、中 国 博 士 后 基 金(
20090460593
)、
上海博士后自然科学基金(
10R21411600
)和上海市曙光学者基金资助课题。
作者简介:王源泉(
1990
—),男,博士研究生,主要从事光纤通信系统方面的研究。
Email
:
s
p
eedbo
y
_
yq
@
163.com
导师简介:迟
楠(
1974
—),女,教授,博士生导师,主要从事光通信系统方面的研究。
Email
:
nanchi
@
fudan.edu.cn
1
引
言
多模光纤是最早用于数据传输的导波介质,相对于单模光纤,其对 准容 忍度 高,数 值孔 径大,开销 低,安
装方便,容量理论上比单模光纤要大
[
1
]
。特别是针对短距离传输高带宽需求的接入网,多模光纤占据着主导
地位。但由于模间色散的影响,其距离带宽积受到严重限制,因此应用远不及单模光纤广泛。随着波分复用
(
WDM
)、偏振复用(
PDM
)和多 维 多阶调 制 等技术 的 使用,单模光 纤 的传输 容 量已经 快 速地接 近 其 香 农 极
限
[
2
]
,目前有望突破这一极限的办法是空分复用(
SDM
),因此国内外对多模光纤开始进行初步探索,使其在
接入网、光互连等领域发挥更大作用。
为了提高多模光纤的传输性能,降低系统成本,目前主要有以下两方面研究:
1
)系统中新型器件的研制
给系统性能带来很大提升,比如垂直腔面发射激光器(
VCSEL
)及 其模 块的 商用 化大 大降 低了 运行 成本,多
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激光与光电子学进展
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ournal.net
芯多模光纤的使用增大了系统的传输容量
[
3
]
;
2
)新的 多模 光纤 通信 技术 可以 用来 提高 系统 的传 输能 力,单
输入单输出(
SISO
)系统中,先进的均衡技术
[
4
]
可支 持更 高的 传输 速率,多输入 多 输出(
MIMO
)系 统 中可以
采用的实现方式有选择模式激发技术
[
5
]
、
WDM
[
6
]
、副载波复用/正交频分复用(
OFDM
)
[
7
]
、角度/模式复用
[
8
]
等,这些复用方式都是基于传输自由 度的 去耦。
MIMO
链路 的传 输容 量理 论上 与 发射机/接 收 机 的最 小 数
目呈线性增长关系,这使得其有望成为突破带宽瓶颈的一种很有前景的方法
[
9
]
。
MIMO
技术在无线通信中已经获 得 深入研究,利 用 多 发 射 和 多 接 收 天 线 来 获 得 显 著 的 复 用 和 阵 列 增
益。它可以在有限的频谱资源、不增加发射功率的前提下,以较小的系统复杂度换来性能的大幅提升。多模
光纤中的多模传输和模间耦合类似于无线通信中的多径和散射环境
,因此可以把
MIMO
技术引入到多模光
纤中
。同样,基于多模光纤的
MIMO
链路也包含多个发射机和多个接收机,在接收端还有电信号处理单元。
与早期多模光纤分集技术不同的是传输通道之间不要求保持物理去耦,这可以由接 收端 电信 号处 理单 元来
实现非相关,给
MIMO
技术的实现提供了很大的可操作性。
2
MIMO
实现方式
2.1
波分复用
波分复用技术通过增加并行传输波长的数量来增加系统的容量,目前密集波分复用(
DWDM
)技术已经成
为长距离、高速率、大容量光通信系统的主流技术,而且只需在发射端和接收端分别增加复用和解复用器,并对
链路做一定的改造,就可以轻松实现系统的升级。为了满足局域网爆炸式信息增长需求,引入
WDM
技术是个
不错的选择。文献[
10
]中利用自适应光学和
DWDM
基于多模光纤的实验系统实现了
10×10Gb
/
s
无电中继
传输
2.2km
,但是
DWDM
的成本阻碍 了 它在接 入 网中进 一 步的应 用。为 了 解决这 个 问题,稀疏波 分 复用
(
CWDM
)技术应运而生。
CWDM
技术以比
DWDM
宽得多的波长间隔进行波分复用,从而对激光器和复用
解复用器的要求都降低了不少。基于多模光纤波分复用系统的收发机的设计以及光纤布拉格光栅在此系统
中的应用分别在文献[
11
]、[
12
]中有所研究。为了克服模间色散的影响,此系统中广泛使用的是中心注入技
术
[
13
,
14
]
,可以限制高阶模式的激发,从而 减小 模间 时延。一 种基 于中 心注 入的多 模 光纤
WDM
系统实 验 框
图如图
1
所示
[
13
]
。
图
1
波分复用传输系统框图
Fi
g
.1 Blockdia
g
ramoftheWDMtransmissions
y
stem
系统中采用窄线 宽 分 布 反 馈 (
DFB
)激 光 器 和 单 模 光 纤 中 心 注 入 激 发 有 限 模 式 的 方 法 来 减 少 色 散。
图
1
中发射机由
10
个波长可调的窄线宽
DFB
激光器组成,波长范围为
1540.56
~
1554.96nm
,波长间隔为
1.6nm
,用商用的
40
通道波长阵列光栅耦合和解耦。
20Gb
/
s
的非归零(
NRZ
)信号分别加载到这
10
路波
长信道中实现
200Gb
/
s
的传输。经过调制后由单模光纤中心注入激发多模光纤的低阶模式,再用单模光纤
把传输后的低阶模式耦合出来。测试和观察工具为误码率(
BER
)分析仪和信号分析仪。采用这种系统可以
获得的容量为
1Tb
/(
s
·
km
)。
2.2
正交频分复用
除了上述的波分复用技术之外,
OFDM
技术 也常 用于 多模 光纤
MIMO
系统 中。
OFDM
是一 种特 殊的
多载波复用技术,其基本原理是将高速传输的信号转化成多路低速的数据流,并加 载到 正交 的副 载波 上分
别经过调制后发送出去。与传统的频分复用技术相比,其子载波的频谱可以相互重叠,这样不但可以减小载
1006012
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