随着光纤通信网络规模、容量和业务量的不断扩大,单模光纤的光传输容量已经达到100 Tb/s并趋近香农极限,这将对光通信网络提出前所未有的重大挑战。因此,寻求一种新的高速、大容量的光纤传输技术迫在眉睫,这也将是未来光通信网络发展的关键。在此背景下,为解决目前光通信网络中的传输瓶颈,模分复用技术再次成为人们所关注的焦点。在短距离模分复用系统中,模式信道串扰会导致在接收端的多输入多输出数字信号处理方法的复杂度、功耗和成本随模式数目增加而剧增。因此,本文提出了一种无需多输入多输出数字信号处理的新型模分（解）复用器;并且,针对模分复用传输,利用少模光纤的特性搭建了一种模分复用实验传输系统,即基于少模光纤的准单模实验传输系统。本文的主要创新性工作如下:针对无需使用多输入多输出技术（Multiple-Input-Multiple-Output-Free,MIMO-FREE）的场景,本文提出了一种基于椭圆纤芯传输信道的低损耗、低串扰的新型模分复用器/解复用器（Multiplexer/De-Multiplexer）,称为MIMO-FREE-（DE）MUX。该模分（解）复用器由相同的折射率阶跃型椭圆纤芯构成。该模分（解）复用器采用模式间大有效折射率差(LP01与LP11a之间的有效折射率差大于3.92×10-3)的椭圆纤芯作为模式传输主信道和模式耦合信道,可以有效降低模式串扰,提高MIMO-FREE-（DE）MUX的模式消光比。同时,打破了LP11a和LP11b的模式简并,实现了保模功能。为了有效降低光通信系统中的传输损耗和熔接损耗,椭圆纤芯采用纯二氧化硅材料,在C波段上,本文所提出的椭圆纤芯传输信道的本征损耗均小于0.162d B/km,可在MIMO-FREE应用场景中实现LP01、LP11a和LP11b模式的（解）复用。在本文中,采用光束传播法和有限元法研究了MIMO-FREE-（DE）MUX的性能指标。研究了模分（解）复用器中传输信道的折射率分布特性、本征损耗随不同入射波长的变化关系、耦合效率随传输距离变化的传输特性以及模分复用器的模式耦合效率和模式消光比随不同入射波长的变化关系。在1520 nm-1600 nm波段,MIMO-FREE-（DE）MUX中三种模式的耦合效率优于-2.26 d B,消光比均优于39.93 d B;在C波段,MIMO-FREE-（DE）MUX中三种模式的耦合效率优于-0.58 d B,消光比均优于41.18 d B,比以前文献中的消光比高出19.98 d B。这种新型的模分（解）复用器可以提高光通信系统的传输容量、降低损耗和串扰、降低光通信系统的成本、获得高耦合效率和高消光比等高性能指标,且其他特性也优于以前文献中的参数。提出了一种基于少模光纤的准单模实验传输系统。在基于少模光纤的准单模实验传输系统中,首先,分析了在不同输入光功率下,传输0.46 km和19.27 km后的星座图;然后,分析了信号的误差矢量幅度、Q-Factor和误码率随输入光功率的变化;最后,证明了基于少模光纤的准单模实验传输系统可以应用于光传输,也为基于少模光纤的模分复用传输系统的进一步研究提供了有力支持。
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