论文部分内容阅读
在过去的几十年里,互联网、数据中心、移动通信、云存储和云计算、物联网、虚拟现实和增强现实等技术的快速发展导致全球数据流量呈现出指数级别的增长。而当前以波分复用为主的光纤通信骨干网络越来越难以应对这种爆炸式的数据增长。为了满足日益增长的数据需求,模分复用技术利用空间模式的正交性,通过增加复用的模式数目进一步提升通信容量。此外,面对未来大容量通信场景,高级调制格式的速率和复杂度也会不断增加,而传统数字信号处理技术无法满足高速光纤通信系统的发展需求,因此有必要引入先进数字信号处理技术,突破通信系统中器件带宽和信道损伤的限制。将先进数字信号处理技术与模分复用技术相融合,不仅能够持续提升通信容量,也可以解决多种光通信应用场景中的关键问题。本文将围绕先进数字信号处理技术在模分复用通信系统中的应用开展理论分析和实验研究,具体内容如下:（1）实验研究了基于深度学习的光纤模式智能识别。（1）研究了光纤中多种模式基的智能识别。利用LeNet-5神经网络模型实现10 m环形芯光纤中拓扑电荷数|l|=5的线偏振（Linearly polarized,LP）模式、线偏振轨道角动量（Orbital angular momentum,OAM）模式、圆偏振OAM模式以及矢量模式的智能识别,识别率高达100%。提出一种基于光电探测（Photodetector,PD）阵列的更加紧凑和低成本的模式识别方案,通过仿真分析不同尺寸和排布方式的PD阵列与模式基识别结果的关系,仿真结果表明仅使用1×5 PD阵列就可实现模式基100%的识别。（2）研究了光纤中多个高阶圆偏振OAM模式的智能识别。利用LeNet-5神经网络模型实现1 km环形芯光纤中拓扑电荷数l=0,±1,…,±4和2 m空气芯光纤中拓扑电荷数l=±5,±6,±7的左旋和右旋圆偏OAM模式共30个模式的智能识别,识别率达到96.1%,并将模式识别扩展到对光波的全维度识别。（2）实验研究了无载波幅相（Carrierless amplitude and phase,CAP）调制格式在短距离模分复用通信系统中的应用。（1）针对传统2D-CAP和高维3D-CAP调制格式,研究CAP调制格式的基本原理与算法过程,包括整形滤波器和解整形滤波器的设计、信道均衡算法、相关噪声白化等。（2）提出一种基于CAP信号的模分复用无源光网络。利用LP01模式和LP11a模式分别携带2.5 Gbaud 2D-CAP 16信号在1.1 km椭圆芯光纤中实现下行链路的数据复用传输,为每个终端用户提供5 Gbit/s速率的信息传输。（3）研究了3D-CAP信号在短距离OAM模式复用通信系统中的传输性能。OAM01模式和OAM21模式分别携带2.5 Gbaud 3D-CAP 8信号在4.1 km环形芯光纤中实现6路独立数据的复用传输。上述实验结果表明,通过提升CAP调制格式的维度可以成倍地提升模分复用系统的通信容量,进一步增加短距离光互连通信网络的终端用户数目。（3）实验研究了分布式拉曼放大（Distributed Raman amplifier,DRA）在长距离模分复用通信系统中的应用。（1）研究了拉曼散射效应及分布式拉曼放大器的基本原理,仿真研究了多种泵浦方案如前向/后向/双向泵浦、一阶/高阶泵浦以及多波长泵浦方案情况下信号功率随传输距离的变化曲线。（2）实验研究了基于一阶/二阶DRA技术的低噪声OAM模式复用通信。基于一阶双向泵浦方案和全光纤OAM模式（解）复用器,在110 km大芯径光纤中实现了3个OAM模式(OAM01、OAM+11和OAM+21)和22个波长（频率间隔为50 GHz）的复用传输,每个信道分别携带12.5 Gbaud正交相移键控（Quadrature phase-shift keying,QPSK）信号,总传输容量达到1.61Tbit/s,三个OAM模式所能得到的最大增益分别约为10 dB、7.6 dB和5.8 dB。为了进一步提高传输性能,利用二阶后向DRA方案,实现了低噪声OAM模式复用传输实验,相比同等增益的一阶后向DRA方案,其噪声减小约1 dB。最后通过控制泵浦注入光纤的空间模式减小差分模式增益（Differential modal gain,DMG）,实现任意模式间的DMG小于1.3 dB。（3）实验研究了基于多波长泵浦DRA技术在宽带范围内的长距离OAM模式复用传输。在100 km大芯径光纤中实现了2个OAM模式(OAM+11和OAM+21)和8个波长的复用传输,每个信道分别携带12.5 Gbaud QPSK信号。通过合理配置泵浦波长和功率,实现C+L波段（1530 nm～1605 nm）共75 nm范围内的增益平坦,平坦度小于1 dB。上述结果表明以光纤作为增益介质的分布式拉曼放大器对于长距离模分复用和波分复用混合光纤通信系统具有重要的研究意义。（4）实验研究了基于光纤环路系统的长距离模分复用通信。（1）研究了光纤环路基本结构及工作原理,并针对其关键技术给出解决方案。（2）实验实现了长距离OAM模式复用通信。利用两个高阶OAM模式(OAM31和OAM41)分别携带10 GBaud QPSK信号在单跨段50 km、总长度为300 km的低损耗环形芯光纤中实现复用传输。相比于单个OAM在300 km环形光纤中传输,复用两个OAM模式在20%硬判决前向纠错码（Hard-decision forward error correction,HD-FEC）条件下光信噪比的代价约为2 dB,实现了目前基于OAM模式复用光纤通信领域的最远传输距离。提出的光纤环路系统有望在超长距离模分复用光纤通信研究中发挥重要作用。