多模传输

.光纤通信技术术语

多模传输允许主模和一个或多个高次模同时传输。能维持多个模同时传输的波导为多模波导。同时能传输许多模的光纤为多模光纤。

特点

光缆由两层折射率不同的材料组成。内层是具有高折射率的玻璃单根纤维体组成，外层包层折射率较低的材料。光缆的传输形式分为单模传输和多模传输，单模传输性能优于多模传输。所以，光缆分为单模光缆和多模光缆，单模光缆传送距离为几十千米，多模光缆为几千米。光缆的多模传输速率可达到每秒几百兆位。

导模总数的计算

梯度多模光纤

多模传输允许主模和一个或多个高次模同时传输。能维持多个模同时传输的波导为多模波导。同时能传输许多模的光纤为多模光纤。多模光纤芯径一般为50~70μm，实现多模传输的条件为归一化频率v>2.405。梯度多模光纤导模总数量近似为：

其中，v为归一化频率，n1和n2位光纤材料的折射率，a和k0为光纤的参数，多模光纤对光源的要求较低，可用于非外差式接收系统，此时只有功率和群速度是重要的，而波的相位和偏振方向并不重要。

阶跃多模光纤

多模阶跃光纤的导模数为：

在光纤中允许存在的模式数目可估算为：

可见，传输模式的数目随v的值增加而增多，当归一化频率v减小到v<2.405时，只有LP01（HE11）一个模式存在，其余模式全部截止。

提高多模传输容量的技术

虽然多模光纤具有诸多的优势，但有一个致命的缺点，那就是其众多模式之间的模间色散。所谓的模间色散，是指多模光纤中存在的各个导模的群速度不一样，在传输过程中具有了不同的群时延和相位延迟，导致信号劣化。当模间色散引起的光脉冲展宽大于码元宽度时，信号衰落基本上无法被恢复。模间色散在传输高速率信号或者传输长距离的时候表现的更加明显。目前常规商用多模光纤的传输带宽积大约只有，的窄高斯光束在多模光纤中只能传输米，远没有达到未来的大容量长距离传输的要求。

电子色散补偿

电子色散补偿技术的原理是在电域使用电子学的处理方法对信号在光纤中传输引起的各种色散效应进行补偿，是电子均衡技术的一个具体应用。我们知道光纤信道的模间色散效应在时域对应着脉冲展宽，在频域则对应不同频率分量上非线性变化的相位延迟和不同的损耗因子。电子色散补偿就是需要在电域对这种非线性效应进行弥补。

模式选择激射技术

模式选择激射技术的思路就是改变多模光纤的入射条件或接收条件，只有很少的模式群被激射或者被光电探测器接收，从而达到减少模间色散的目的。模式选择激射技术的最理想情况就是多模光纤中只有一个携带信号能量的模式在传输并被探测器接收，此时的多模光纤就是一粗芯径的单模光纤。比较常用的模式选择激射技术有：模式滤除，偏心注入以及模斑整形。

模式滤除法就是在接收机端采用模式滤波器，只接收很少的一部分模式。有一种“模式滤除法”，其系统结构如图所示。该方案中，在多模光纤的输入端，使用单模光纤和接头结合的方式，只在多模光纤中激射较低阶的模式，而在接收端，另外一个旋转接头和单模光纤对多模光纤的输出模式进行滤波，只有很少的一些低阶模式才能称合进入单模光纤中。

特种设计的多模光纤

这种思路实际上已经改变了使用现有多模光纤的初衷，该方式通过对多模光纤折射率和结构的优化设计来实现对多模光纤传输性能的优化。比如渐变折射率的多模光纤就要比阶跃折射率的多模光纤传输性能要好，而芯径包层尺寸为的多模光纤则要优于的62.5-125um类多模光纤。多芯光纤，少模光纤等特种光纤更是吸引了众多的关注。结构的复杂自然带来成本的增加，这就需要在良好的性能与低廉的成本之间寻找一个平衡点。值得注意的是，和补偿单模光纤模内色散的色散补偿光纤类似，在文献中提出了补偿模间色散的多模光纤的概念。如果能够设计出真正意义上的模间色散补偿光纤，无论是对于现有多模光纤网络的升级还是铺设新的多模网络都有极其重要的意义。

光OFDM技术

正交频分复用技术是最开始在无线通信领域应用的，以解决无线信道的多径衰落问题。最基本的工作机制就是把原始的高速率信号分成多路低速信号后调制到一组正交的副载波上，最后并行的在信道中传输。由于子载波的信号带宽远小于原始信号，因而能够抵抗更大的多径时延，即把频率选择性衰落信道变成多个平坦衰落信道。无线通信中的OFDM系统框图如右图所示。其中上调制正交子载波的过程是由傅里叶逆变换实现的。多模光纤的模间色散从某种意义上讲也是一种多径效应，将OFDM引入多模光纤通信中，就是希望利用OFDM来降低多模光纤模间色散的影响。

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