多模傳輸

光纜由兩層折射率不同的材料組成。內層是具有高折射率的玻璃單根纖維體組成，外層包層折射率較低的材料。光纜的傳輸形式分為單模傳輸和多模傳輸，單模傳輸性能優於多模傳輸。所以，光纜分為單模光纜和多模光纜，單模光纜傳送距離為幾十千米，多模光纜為幾千米。光纜的多模傳輸速率可達到每秒幾百兆位。 ^[3] 

多模傳輸允許主模和一個或多個高次模同時傳輸。能維持多個模同時傳輸的波導為多模波導。同時能傳輸許多模的光纖為多模光纖。多模光纖芯徑一般為50~70μm，實現多模傳輸的條件為歸一化頻率v>2.405。梯度多模光纖導模總數量近似為： ^[1] 

其中，v為歸一化頻率，n₁和n₂位光纖材料的折射率，a和k₀為光纖的參數，多模光纖對光源的要求較低，可用於非外差式接收系統，此時只有功率和羣速度是重要的，而波的相位和偏振方向並不重要。 ^[1] 

多模階躍光纖的導模數為： ^[1] 

在光纖中允許存在的模式數目可估算為： ^[1] 

可見，傳輸模式的數目隨v的值增加而增多，當歸一化頻率v減小到v<2.405時，只有LP₀₁（HE₁₁）一個模式存在，其餘模式全部截止。 ^[1] 

雖然多模光纖具有諸多的優勢，但有一個致命的缺點，那就是其眾多模式之間的模間色散。所謂的模間色散，是指多模光纖中存在的各個導模的羣速度不一樣，在傳輸過程中具有了不同的羣時延和相位延遲，導致信號劣化。當模間色散引起的光脈衝展寬大於碼元寬度時，信號衰落基本上無法被恢復。模間色散在傳輸高速率信號或者傳輸長距離的時候表現的更加明顯。目前常規商用多模光纖的傳輸帶寬積大約只有，的窄高斯光束在多模光纖中只能傳輸米，遠沒有達到未來的大容量長距離傳輸的要求。 ^[2] 

電子色散補償技術的原理是在電域使用電子學的處理方法對信號在光纖中傳輸引起的各種色散效應進行補償，是電子均衡技術的一個具體應用。我們知道光纖信道的模間色散效應在時域對應着脈衝展寬，在頻域則對應不同頻率分量上非線性變化的相位延遲和不同的損耗因子。電子色散補償就是需要在電域對這種非線性效應進行彌補。 ^[2] 

模式選擇激射技術的思路就是改變多模光纖的入射條件或接收條件，只有很少的模式羣被激射或者被光電探測器接收，從而達到減少模間色散的目的。模式選擇激射技術的最理想情況就是多模光纖中只有一個攜帶信號能量的模式在傳輸並被探測器接收，此時的多模光纖就是一粗芯徑的單模光纖。比較常用的模式選擇激射技術有：模式濾除，偏心注入以及模斑整形。 ^[2] 

模式濾除法就是在接收機端採用模式濾波器，只接收很少的一部分模式。有一種“模式濾除法”，其系統結構如圖所示。該方案中，在多模光纖的輸入端，使用單模光纖和接頭結合的方式，只在多模光纖中激射較低階的模式，而在接收端，另外一個旋轉接頭和單模光纖對多模光纖的輸出模式進行濾波，只有很少的一些低階模式才能稱合進入單模光纖中。 ^[2] 

這種思路實際上已經改變了使用現有多模光纖的初衷，該方式通過對多模光纖折射率和結構的優化設計來實現對多模光纖傳輸性能的優化。比如漸變折射率的多模光纖就要比階躍折射率的多模光纖傳輸性能要好，而芯徑包層尺寸為的多模光纖則要優於的62.5-125um類多模光纖。多芯光纖，少模光纖等特種光纖更是吸引了眾多的關注。結構的複雜自然帶來成本的增加，這就需要在良好的性能與低廉的成本之間尋找一個平衡點。值得注意的是，和補償單模光纖模內色散的色散補償光纖類似，在文獻中提出了補償模間色散的多模光纖的概念。如果能夠設計出真正意義上的模間色散補償光纖，無論是對於現有多模光纖網絡的升級還是鋪設新的多模網絡都有極其重要的意義。 ^[2] 

正交頻分複用技術是最開始在無線通信領域應用的，以解決無線信道的多徑衰落問題。最基本的工作機制就是把原始的高速率信號分成多路低速信號後調製到一組正交的副載波上，最後並行的在信道中傳輸。由於子載波的信號帶寬遠小於原始信號，因而能夠抵抗更大的多徑時延，即把頻率選擇性衰落信道變成多個平坦衰落信道。無線通信中的OFDM系統框圖如右圖所示。其中上調製正交子載波的過程是由傅里葉逆變換實現的。多模光纖的模間色散從某種意義上講也是一種多徑效應，將OFDM引入多模光纖通信中，就是希望利用OFDM來降低多模光纖模間色散的影響。 ^[2]