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單模光纖傳輸系統(tǒng)容量始終無法突破它固有的香農(nóng)極限。為了使通信系統(tǒng)容量能進(jìn)一步提高，基于少模光纖的模分復(fù)用技術(shù)(modedivisionmul-tiplexing，MDM)應(yīng)運(yùn)而生。利用少模光纖中有限的正交模式作為獨(dú)立信道進(jìn)行信息傳送，以成倍地提升系統(tǒng)傳輸容量。由于少模光纖的模式具有比較大的模場面積，因此其非線性容限也很高，這樣既提高了光傳輸系統(tǒng)的容量，又避免了非線性效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的干擾。理論上，利用MDM技術(shù)，少模光纖可以實(shí)現(xiàn)個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)模的傳輸。適合應(yīng)用于模分復(fù)用系統(tǒng)的高性能的少模光纖的研究與設(shè)計(jì)目前已成為光纖通信領(lǐng)域的又一研究熱點(diǎn)。
差分模式時(shí)延(differentialmodedelay，DMD)是評(píng)判少模光纖傳輸性能的重要參數(shù)。少模光纖中，不同的模式具有不同的有效折射率，導(dǎo)致模式間存在時(shí)延。DMD需要利用多輸入多輸出均衡來補(bǔ)償，從而增加均衡復(fù)雜性。為減小均衡復(fù)雜性，方法有兩個(gè)：使用具有小DMD的少模光纖和使用具有正負(fù)DMD的光纖來補(bǔ)償DMD。2012年，Grüner-Nielsen等設(shè)計(jì)了帶有外下陷的漸變式兩模光纖，DMD為0.076psm?1。2013年，文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種帶有外下陷的漸變式四模光纖，波長在1530nm處三個(gè)高階模的DMD為，文中還分析了多階兩模光纖，DMD低至2.49psm。
本文設(shè)計(jì)了兩種少模光纖，即帶有外下陷的漸變式光纖和多階(multi-step-index，MSI)少模光纖。綜合考慮光纖損耗和DMD的大小，通過合理改變光纖的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，降低DMD，控制光纖模式數(shù)量，使設(shè)計(jì)出的少模光纖具有更優(yōu)越的差分模式時(shí)延特性。在1530-1570nm的波長范圍內(nèi)，帶有外下陷的漸變式光纖支持四模傳輸，LP11，LP21，LP02模式的DMD的絕對(duì)值均小于0。015psmMSI光纖支持兩模傳輸，LP11的差分模式時(shí)延低于0.185psm。與文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)的光纖相比，本文設(shè)計(jì)的光纖的DMD及其斜率更小；兩種光纖結(jié)構(gòu)均比較簡單，易于拉制。
本文利用了Comsol有限元分析軟件進(jìn)行少模光纖的特性分析。Comsol軟件可通過有限元方法精確地計(jì)算導(dǎo)模的傳輸特性，可靠地估算模場特性，如有效折射率、場分布、截止波長。在有限元方法中，由標(biāo)量波動(dòng)方程來分析導(dǎo)模的性質(zhì)。其中，0是真空中的波數(shù)，eff是有效折射率，是光纖橫截面的折射率分布。給定光纖結(jié)構(gòu)和折射率參數(shù)，根據(jù)方程就能惟一確定，從而計(jì)算出eff。把研究區(qū)域劃分成三角形網(wǎng)格，因?yàn)槿切巫訁^(qū)間的計(jì)算格式是最為簡單的，三角形元素越小，場域的分割就越細(xì)，計(jì)算的精度就會(huì)越高。因而在實(shí)際應(yīng)用中是按精度的要求來決定場域內(nèi)各處三角形元素的大小，把求解連續(xù)的變分方程問題離散化為求解線性方程組，再利用給定的邊界條件就可以解出本征值。本文采用有限元方法研究分析了少模光纖的模式特性，如電場分布、有效折射率及DMD等。
由于少模光纖中支持的各個(gè)導(dǎo)模在光纖中的傳輸速度不同，傳輸一段距離后各個(gè)模式信道間的光信號(hào)會(huì)出現(xiàn)時(shí)延，即產(chǎn)生DMD。LPuv模式的其中，是折射率指標(biāo)數(shù)，1是纖芯半徑，2是纖芯到包層下陷的距離，3是下陷的寬度的，下陷與包層的折射率差。與文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)不同，本文選擇了較小的，較大的芯徑。下陷部分的設(shè)計(jì)主要為減小光纖損耗，不作為控制DMD的主要參數(shù)變量。
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