[论文解读] Towards 1000-mode Optical Fibres

Filipe Ferreira, Fabio A. Barbosa|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2022

Optical Network Technologies被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新型多模光纤设计，可在C波段内支持高达870个空间与偏振模式，同时保持低差分模式延迟。该方法利用先进的模式复用技术与优化的折射率分布，实现高容量、低畸变的光传输，标志着迈向下一代通信系统1000模光纤的重要进展。

ABSTRACT

We report on the design of multimode-mode fibres guiding up to 870 spatial and polarization modes for low differential mode delay over the C-band.

研究动机与目标

• 通过在光纤光学中实现空间复用，应对日益增长的高容量光通信系统需求。
• 克服高模数量光纤中高差分模式延迟（DMD）带来的挑战，该问题限制了系统性能。
• 开发一种支持高达1000个模式的光纤设计，同时在C波段窗口保持低模态色散。
• 优化折射率分布，以同时实现高模数量与低DMD。
• 推动少模光纤及少模光纤系统向实用化、高容量传输方向发展。

提出的方法

• 采用模式分复用（MDM）方法，在单根光纤中支持空间与偏振模式。
• 设计渐变折射率分布，以控制模式传播并最小化差分模式延迟。
• 使用数值仿真建模模式传播，并评估C波段（1530–1565 nm）内的DMD性能。
• 优化纤芯与包层的折射率结构，以在保持低DMD的同时最大化模数量。
• 应用模式场分析与有效折射率计算，以预测模式行为与约束特性。
• 通过计算建模方式验证设计，包括模式场分布与传播常数的仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 在C波段内，单根光纤可支持的最低差分模式延迟的空间与偏振模式最大数量是多少？
• RQ2 如何优化折射率分布，以同时实现模数量最大化与模态色散最小化？
• RQ3 对于支持超过800个模式的光纤设计，可实现的DMD性能如何？
• RQ4 能否设计出一种实用的光纤几何结构，以支持接近1000模容量且具有低模间串扰？
• RQ5 在高模数量光纤中，模数量、DMD与光纤制造复杂性之间存在哪些权衡？

主要发现

• 所提出的光纤设计在C波段内可支持高达870个空间与偏振模式，且差分模式延迟较低。
• 优化后的折射率分布使DMD在C波段内始终低于10 ps/km，支持高保真度传输。
• 数值仿真结果证实，所设计的光纤几何结构具有稳定的模式约束与低模间串扰。
• 与现有少模光纤相比，该设计在模容量方面实现显著提升，已接近1000模阈值。
• 结果表明，只要妥善管理DMD，1000模光纤在当前制造与设计技术下是可行的。
• 本研究为设计高模数量、低模态畸变的未来光网络光纤提供了可扩展的框架。