少模光纤的模式耦合测量技术研究

发布时间：2018-03-01 22:10

本文关键词： 光纤通信模分复用少模光纤模式耦合测量　出处：《吉林大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着社会信息化进程的不断推进,以物联网、大型数据中心、IPTV等为代表的带宽消耗型业务不断涌现,数据流量不断攀升。在过去的二十年里,骨干网数据流量以每年60%的速度呈指数型增长,而且在可预见的几年内,仍然会以这样的速度继续增长。这给以单模光纤作为传输媒介的骨干网带来了巨大的带宽压力。伴随着波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)WDM技术的飞速发展,单模光纤的通信容量已经被充分挖掘,寻求新的扩容方式已迫在眉睫。为了解决这一难题,发展新型传输技术成为学术界和工业界竞相研究和角逐的热点。模分复用(Mode-Division Multiplexing,MDM)技术利用少模光纤中模式之间的正交性进行模式分集复用,能突破传统单模光纤通信的容量极限,极大提升光纤通信系统的容量,近年来备受关注。然而,伴随传输容量和传输速率的提升,少模光纤的特有损伤如模式耦合、差分群时延等严重影响着系统的传输性能。其中,模式耦合的存在使原本独立的传输信道之间发生能量交换,造成信道串扰,导致系统传输性能恶化,传输距离受限,是影响MDM系统商用化的重要原因之一。因此,本文针对这一问题,从理论和实验两个方面对少模光纤的模式耦合测量进行了研究。本文首先介绍了光纤中的瑞利散射现象,然后简要介绍了少模光纤的传输特性,包括其模场分布情况、模式之间的正交性,分析了模式耦合发生的原因以及产生的影响,随后,根据少模光纤的特性,建立了少模光纤的背向瑞利散射模型,从理论上证明了利用背向散射光测量模式耦合的可行性。最后,搭建了少模光纤模式耦合测量系统,成功实现了对少模光纤中模式耦合分布以及熔接点处的模式耦合的测量。相关的具体工作如下:首先,简单介绍了光纤中的瑞利散射现象,给出了单模光纤瑞利散射模型,对依据瑞利散射原理制成的光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer,OTDR)进行了介绍,主要介绍了其测量原理和特性参数,这对于搭建少模光纤的测量系统具有很大的参考价值。接着对少模光纤的模式传输特性进行了介绍。从麦克斯韦方程组出发,推导了光纤的场结构,利用Lorentz互易定理推导了模式之间的正交性。分析了简并模之间、非简并模之间的模式耦合,并针对少模光纤的传输特性,建立了少模光纤的背向瑞利散射模型。其次,搭建了少模光纤模式耦合分布测量系统,对测量原理进行了介绍,在此基础上,对9.8km长的三模光纤的模式耦合进行了测量,通过对不同模式激发时耦合系数的计算,验证了模式耦合的对称性,通过从光纤的两端对模式耦合的分布进行测量,并与传统的测量方法所测出的结果进行对比,验证了测量结果的一致性。另外,分析了入射光脉冲峰值功率、重复频率、脉冲宽度和光纤端面的菲涅尔反射对测量结果的影响。最后,对少模光纤熔接点处的模式耦合进行了测量,通过对沿光纤中径向分布的模式耦合矩阵和熔接点处的耦合矩阵的分析,推导出了熔接点处模式耦合与沿光纤径向分布的模式耦合之间的关系式,通过对背向散射曲线中几个特定位置处的散射功率的测量,利用牛顿迭代法,得到了熔接点位置处的模式耦合值,并与传统方法测得的值进行了对比,结果一致。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN253

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