【摘要】：在全球數(shù)據(jù)流量爆發(fā)式增長的背景下,發(fā)展新型傳輸技術(shù)是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界競相研究和角逐的熱點(diǎn)�；谏倌９饫w的模分復(fù)用技術(shù)通過利用空間模式的正交性進(jìn)行空間分集復(fù)用,能突破傳統(tǒng)單模光纖通信的非線性香農(nóng)極限,成倍的提升了光纖通信系統(tǒng)的容量,是解決未來光通信網(wǎng)“帶寬危機(jī)”最具競爭力的擴(kuò)容方案。然而,少模光纖中模式耦合、差分模式群時(shí)延、模式相關(guān)損耗嚴(yán)重劣化了模分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸性能,限制了系統(tǒng)的傳輸距離;另外,少模光纖的每個(gè)空間模式的傳輸特性各具差異性,及不同模式之間存在相互作用,這使得少模光纖鏈路故障檢測比單模光纖更為復(fù)雜。因此,研究少模光纖損傷測量和故障檢測技術(shù)是一件重要的工作。這對(duì)于量化損傷與少模光纖參數(shù)之間關(guān)系、優(yōu)化設(shè)計(jì)少模光纖結(jié)構(gòu)、提供模分復(fù)用系統(tǒng)損傷補(bǔ)償理論依據(jù),改善系統(tǒng)傳輸性能等方面具有重要意義。本文緊緊圍繞少模光纖損傷測量及少模光纖鏈路故障檢測問題,在深入分析少模光纖不同損傷機(jī)理及少模光纖鏈路故障特性的基礎(chǔ)上,分別對(duì)少模光纖模式耦合、差分模式群時(shí)延、模式相關(guān)損耗測量及少模光纖鏈路故障檢測理論和方法進(jìn)行了深入的研究。本文的主要工作內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)具體包括以下三個(gè)方面:1.針對(duì)少模光纖前端菲涅爾反射引入的衰減盲區(qū)所造成的模式耦合測量誤差較大問題,提出了一種基于雙光子燈籠+少模光纖環(huán)形器的模式耦合分布測量系統(tǒng)方案。首先基于少模瑞利散射幅值分析的模式耦合理論建立了模式耦合測量數(shù)學(xué)模型,然后通過測量支持不同模式數(shù)量少模光纖的模式耦合分布,對(duì)所提出的系統(tǒng)方案測量性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所提出測量系統(tǒng)方案通過去除自由空間光路部分,有效的消除了少模光纖前端菲涅爾反射及衰減盲區(qū),在一定程度上改善了模式耦合的測量精度,并可實(shí)現(xiàn)不同類型光纖模式耦合分布的測量。此外,針對(duì)少模光纖中非激發(fā)模式背向瑞利散射微弱信號(hào)對(duì)模式耦合測量精度影響問題,在原有測量方案的基礎(chǔ)上提出基于自適應(yīng)小波閾值降噪的模式耦合測量方法。通過改善各空間模式背向散射幅值波動(dòng),實(shí)現(xiàn)模式衰減特征信息的提取,保證模式耦合比曲線的穩(wěn)態(tài)分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法進(jìn)一步提升了模式耦合的測量精度,與此同時(shí),改善了測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍,能夠很好地滿足長距離少模光纖鏈路模式耦合分布的測量。2.針對(duì)模式復(fù)用器串?dāng)_對(duì)少模光纖模式相關(guān)損耗測量精度的限制問題,通過結(jié)合截?cái)喾ê兔}沖響應(yīng)測量技術(shù),提出基于可調(diào)模式功率比的模式相關(guān)損耗測量方法,并通過測量支持不同模式數(shù)量少模光纖的模式相關(guān)損耗,對(duì)所提出的測量方法性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法對(duì)于低消光比模式復(fù)用器具有較強(qiáng)的魯棒性,在一定程度上改善了模式相關(guān)損耗的測量精度。其次,為了實(shí)現(xiàn)選擇性測量所需空間模式之間的差分模式群時(shí)延,降低相近時(shí)延模式之間的相互影響,提出了一種改進(jìn)的基于模式選擇性激發(fā)的少模光纖差分模式群時(shí)延測量方法,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。最后,考慮到上述測量方法單一參數(shù)測量效率低及測量系統(tǒng)復(fù)雜度較高等問題,提出一種基于少模光纖瑞利散射幅值分析的模式相關(guān)損耗和差分模式群時(shí)延同步測量方法。通過對(duì)各空間模式的背向瑞利散射幅值分布測量,并結(jié)合少模光纖模式特性參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行非線性方程組求解,實(shí)現(xiàn)兩種損傷參數(shù)的同步測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法可方便、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種損傷參數(shù)的同步測量,在很大程度上降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度及成本,且具有很好的擴(kuò)展性,可用于支持更高模式數(shù)量少模光纖的測量。3.針對(duì)低階模故障檢測靈敏度較低問題,提出了基于高階模式的少模光纖故障檢測方法。首先對(duì)少模光纖熔接處不同空間模式的耦合特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析,證實(shí)了高階模式更容易表征少模光纖熔接處的故障幅值損耗特性,其故障檢測靈敏度更高。然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在不同熔接質(zhì)量條件下的故障檢測性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于高階模式的少模光纖故障檢測方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同故障幅值損耗事件的有效表征,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)少模光纖鏈路故障事件的綜合評(píng)估。此外,針對(duì)非激發(fā)模式背向散射信號(hào)信噪比過低而導(dǎo)致微小事件的檢測精度較低及系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢等問題,提出基于?_1趨勢濾波的少模光纖故障檢測方法。該方法通過利用其分段線性最優(yōu)估計(jì)特性,對(duì)各空間模式背向瑞利散射信號(hào)進(jìn)行趨勢濾波估計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)故障事件的特性表征及定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于?_1趨勢濾波的故障檢測方法可以改善各空間模式的故障檢測靈敏度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微小故障事件的有效表征及較高的檢測效率。本文通過對(duì)少模光纖損傷產(chǎn)生機(jī)理和少模光纖鏈路熔接點(diǎn)耦合損耗特性的深入研究,分別提出了適用于少模光纖模式耦合、差分模式群時(shí)延、模式相關(guān)損耗損傷參數(shù)測量及少模光纖鏈路故障檢測的新方法。所提出的方法在損傷測量及故障檢測精度,實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性以及系統(tǒng)成本等方面具有一定程度的改善,為進(jìn)一步研究面向多模式、多場景、多參量同時(shí)測量的少模光纖鏈路的智能監(jiān)測、損傷測量和故障定位提供了參考。
【圖文】：

業(yè)發(fā)生了舉世矚目的變革，促成了諸如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)務(wù)與現(xiàn)代制造業(yè)的完美融合，逐漸形成了以互聯(lián)網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)工具和基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)新形態(tài)，與此同時(shí)，深化發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”戰(zhàn)略得到了國家的高度視。在這種發(fā)展新形態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求勢必達(dá)到一個(gè)全新的高度。根據(jù)思科預(yù)測，到 2022 年全球各類互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備每月產(chǎn)生的 IP 數(shù)據(jù)流量將達(dá) 396EB[2]，這種呈現(xiàn)爆炸式增長態(tài)勢的網(wǎng)絡(luò)容量需求，促使光纖通信技術(shù)不斷新（如圖 1.1 所示）[3,4]：從低損耗光纖和低噪聲半導(dǎo)體激光器的實(shí)現(xiàn)到光時(shí)分用（Optical Time Division Multiplexing, OTDM）[5]等技術(shù)的提出，有效的提升單模光纖單波長下的通信速率。自上世紀(jì) 90 年代，波分復(fù)用（Wavelengthvision Multiplexing, WDM）[6]和摻鉺光纖放大器（Erbium-doped Optical Fiberplifier, EDFA）[7]技術(shù)相結(jié)合，成為光通信領(lǐng)域一次重要意義的技術(shù)革命，一面為光纖鏈路的擴(kuò)容增加了新的維度，通過在單模光纖上復(fù)用多個(gè)波長的擴(kuò)容式，，成倍提升了光通信系統(tǒng)容量；另一方面，EDFA 在 1550nm 波段良好的放性能，促使單模光纖通信系統(tǒng)在 1550nm 波段傳輸性能快速飛躍。

呈指數(shù)型增長，那么容量帶寬需求就會(huì)超越單模光纖系統(tǒng)的容量極限逾越的光通信網(wǎng)絡(luò)“帶寬危機(jī)”[16]。因此，探索和發(fā)展新型、低成本的光通信傳輸技術(shù)勢在必行。為了應(yīng)對(duì)如此龐大的網(wǎng)絡(luò)容量，國內(nèi)外研究人員紛紛致力于長距離、技術(shù)的研究。目前，已有的光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容技術(shù)主要包括：光時(shí)分復(fù)用技）、波分復(fù)用技術(shù)（WDM）、光正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）、偏(PDM)以及高階的正交幅度調(diào)制技術(shù)（QAM）等，如圖 1.2 所示。這以傳統(tǒng)單模光纖為傳輸媒質(zhì)來實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容，其中單模光纖光波、時(shí)間、相位、偏振等自由度均被充分利用，然而仍無法滿足日益需求。未來若要成倍的提升光纖通信系統(tǒng)的容量，應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)中帶寬危機(jī)”，只有探索脫離 SMF 的新的空間物理維度來實(shí)現(xiàn)。近年為自由度的空分復(fù)用技術(shù)（Space division multiplexing, SDM）[17-19]成域的一大研究熱點(diǎn)，被認(rèn)為是突破傳統(tǒng)單模光纖通信容量極限，極大信系統(tǒng)的容量，解決未來光通信網(wǎng)“帶寬危機(jī)”最具競爭力的擴(kuò)容方
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN253

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2 文元橋;;分布式多模式耦合系統(tǒng)中的負(fù)載平衡策略研究[J];武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào);2009年23期

3 張靖華;波導(dǎo)臨界截面處的模式耦合[J];上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1997年03期

4 曾祥楷;饒?jiān)平?;長周期光纖光柵傅里葉模式耦合理論[J];物理學(xué)報(bào);2010年12期

5 冀玉領(lǐng);李曙光;周桂耀;侯藍(lán)田;;失調(diào)腔之間的模式耦合與轉(zhuǎn)換[J];激光雜志;2007年02期

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本文編號(hào)：2590488