High Capacity Optical Transmission Systems Based on Mode Division Multiplexing

摘要

O presente trabalho relata a investigação de sistemas de transmissão de alta capacidade com multiplexação por divisão modal (MDM) em fibras com poucos modos (FMFs). MDM em FMFs é uma solução atractiva para ultrapassar a iminente exaustão das fibras monomodais (SMFs) convencionais com uma poupança potencial no custo, espaço e consumo energético. Um sistema MDM-FMF básico é composto por: FMFs, multiplexadores modais (MMUXs) e demultiplexadores modais (MDMUXs), amplificadores multimodais (MMAs), e processamento digital de sinal (DSP) para sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO). As características chave das FMFs são uma maior capacidade de transmissão teórica, uma vez que cada modo pode ter uma capacidade igual a uma SMF, e reduzidos coeficientes não-lineares. Contudo, a natureza multimodal das FMFs introduz limitações ausentes nas SMFs: atraso modal diferencial (DMD), diafonia modal linear (XT), atenuação dependente do modo (MDL), e efeitos não-lineares intermodais. Estas limitações têm que ser abordadas para cumprir todo o potencial das FMFs. Os MMAs são um componente chave no projecto de sistemas MDM-FMF economicamente competitivos e energeticamente eficientes. A potência das bombas tem que ser partilhada entre os canais MDM para atingir uma poupança no custo e consumo energético. Uma das maiores dificuldades no projecto de MMAs é a obtenção de um ganho dependente do modo (MDG) reduzido. Os MMUXs/MDMUXs são responsáveis por um mapeamento aproximadamente unitário entre os sinais de entrada e os modos guiados pelas FMF e vice-versa, para que seja possível reverter os efeitos de transmissão utilizando DSP-MIMO.Nesta tese, as principais limitações dos sistemas MDM-FMF acima identificadas são modeladas de forma a permitir o desenvolvimento de várias técnicas para reduzir o seu impacto. Um modelo não-linear semi-analítico para a transmissão em FMFs é desenvolvido. O projecto de máscaras de fase para MMUXs/MDMUXs é proposto, especificando os requisitos na resolução, ruído de fase e alinhamento. O projecto de FMFs adequadas para transmissão de longo alcance é proposto considerando até 12 modos não-degenerados linearmente polarizados. Além disso, são propostos três métodos para a extensão do alcance de transmissão de sistemas MDM-FMF através da redução da DMD e MDL/MDG acumuladas. Finalmente, um estudo alargado dos efeitos não-lineares intermodais é apresentado, identificando os efeitos dominantes bem como potenciais técnicas para a redução da penalidade induzida pelos mesmos.