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过去几十年来，光纤通信系统容量随着人们日益增长的需求剧增，但仍然不能满足爆炸式增长的互联网和宽带无线业务的需求。人们已经利用了时间、波长、偏振、光轨道角动量等复用手段突破容量限制，为了进一步提高单光纤的传输容量，人们开始研究空分复用，包括多芯复用和模分复用。空分复用已成为光通信的研究热点，全球各大公司和高校包括Nokia-Bell实验室、日本NTT公司、英国伦敦大学学院、美国中佛罗里达大学等单位在多芯少模长距离传输、降低模式交叉串扰、增加少模传输的谱效率、多芯的扇入扇出装置方面有相关的研究。但目前还存在包括特殊模分复用器件的设计与制作、模分复用通信系统的信号加载和解调、以及模分复用光网络中存在的串扰等一系列需要解决的问题。
本文针对模分复用光纤通信系统中的关键问题，在模分复用器件及系统应用方面开展了一系列深入的理论与实验研究工作。探索了自零差相干检测方案、导频支持的直检系统的平衡探测方案、片上光互联系统中基于硅基波导的高阶调制格式的模分复用与波长转换、高带宽等离子体模分复用器等内容。主要创新点如下：
(1)针对光纤通信系统中外差检测导致系统复杂度过高的问题，本文提出了基于模分复用的自零差相干检测。利用空间型模分复用器即相位板实现光纤中的基模LP01到高阶模LP11的转换，并在LP01模式下传输导频音、在LP11模式下传输PDM-CO-OFDM(偏振复用的相干光正交频分复用)信号，实验实现了16-QAM的数据传输速率为156Gb/s、64-QAM的的数据传输速率为234Gb/s的SHD-FMF(自零差探测少模光纤)传输系统。(请见YingQiu,etal.TechnicalDigestofICCC’2016)
(2)由于光纤通信系统中相干检测方法存在高复杂度和高成本的缺点，本文采用了导频支持的高阶调制格式传输的直检技术，其结构简单、成本低廉。但直检技术存在SSBI(信号与信号码间干扰)影响系统性能的问题，针对此问题，本文提出少模光纤平衡探测方案，设计并制作了一种具有模式选择性的光纤模分复用器用在此方案中，实现了100Gb/s的少模光纤光OFDM传输的平衡探测并成功地去除了SSBI。(请见YingQiu,etal.TechnicalDigestofECOC’2017和YingQiu,etal.IEEEPhotonicsJournal,2018,10(5):7105010)
(3)针对如何利用硅基波导和它的高非线性解决片上光互联系统的多模高阶调制格式的模式转换以及波长冲突问题，设计并制作了硅基TE0&TE1模分复用器与解复用器。在片上光互联系统中利用OFDM-4QAM的光信号调制，实验实现了模式选择的波长转换，同时实现了102.6Gb/s的速率、4-QAM调制格式的光OFDM信号的传输。(请见YingQiu,etal.OpticsExpress,2017,25(4):4493-4499)
(4)针对模分复用器的高带宽应用，理论研究了基于介质加载表面等离子体激元波导中的TM0&TM1模分复用器，设计了两种结构的TM0&TM1模分复用器，耦合长度均为6~7μm，带宽为400nm，兼具结构紧凑、带宽大的优点。(请见YingQiu,etal.CurrentAppliedPhysics,2020,20:244-248)。
本文针对模分复用光纤通信系统中的关键问题，在模分复用器件及系统应用方面开展了一系列深入的理论与实验研究工作。探索了自零差相干检测方案、导频支持的直检系统的平衡探测方案、片上光互联系统中基于硅基波导的高阶调制格式的模分复用与波长转换、高带宽等离子体模分复用器等内容。主要创新点如下：
(1)针对光纤通信系统中外差检测导致系统复杂度过高的问题，本文提出了基于模分复用的自零差相干检测。利用空间型模分复用器即相位板实现光纤中的基模LP01到高阶模LP11的转换，并在LP01模式下传输导频音、在LP11模式下传输PDM-CO-OFDM(偏振复用的相干光正交频分复用)信号，实验实现了16-QAM的数据传输速率为156Gb/s、64-QAM的的数据传输速率为234Gb/s的SHD-FMF(自零差探测少模光纤)传输系统。(请见YingQiu,etal.TechnicalDigestofICCC’2016)
(2)由于光纤通信系统中相干检测方法存在高复杂度和高成本的缺点，本文采用了导频支持的高阶调制格式传输的直检技术，其结构简单、成本低廉。但直检技术存在SSBI(信号与信号码间干扰)影响系统性能的问题，针对此问题，本文提出少模光纤平衡探测方案，设计并制作了一种具有模式选择性的光纤模分复用器用在此方案中，实现了100Gb/s的少模光纤光OFDM传输的平衡探测并成功地去除了SSBI。(请见YingQiu,etal.TechnicalDigestofECOC’2017和YingQiu,etal.IEEEPhotonicsJournal,2018,10(5):7105010)
(3)针对如何利用硅基波导和它的高非线性解决片上光互联系统的多模高阶调制格式的模式转换以及波长冲突问题，设计并制作了硅基TE0&TE1模分复用器与解复用器。在片上光互联系统中利用OFDM-4QAM的光信号调制，实验实现了模式选择的波长转换，同时实现了102.6Gb/s的速率、4-QAM调制格式的光OFDM信号的传输。(请见YingQiu,etal.OpticsExpress,2017,25(4):4493-4499)
(4)针对模分复用器的高带宽应用，理论研究了基于介质加载表面等离子体激元波导中的TM0&TM1模分复用器，设计了两种结构的TM0&TM1模分复用器，耦合长度均为6~7μm，带宽为400nm，兼具结构紧凑、带宽大的优点。(请见YingQiu,etal.CurrentAppliedPhysics,2020,20:244-248)。