CN101738688B

CN101738688B - 多模光学***

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Publication number: CN101738688B
Application number: CN200910174912.XA
Authority: CN
Inventors: A·格霍拉米; D·莫兰; P·西亚尔; Y·吕米纳奥
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2029-11-09
Also published as: FR2938389B1; US8630545B2; US20100142969A1; DK2184868T3; CN101738688A; ATE531145T1; EP2184868A1; EP2184868B1; FR2938389A1

Abstract

一种光学***包括发射多个横模的复色光源(10)、包括多模光纤(50)的至少一部分的光链路以及定位在光源(10)和多模光纤(50)的输入端之间的光学器件(20)。光学器件(20)适于在光纤传播模式中修改由源发射的横模的能量耦合的分布。本发明的***使得使用低成本横多模光源来产生具有优良性能的高带宽以太传输网络成为可能。

Description

多模光学***

技术领域

本发明涉及光纤传输领域，并且更具体地涉及需要宽带宽的短距离光学传输***。

背景技术

多模光纤通常用于短距离应用和局域网。与具有8到9μm的直径和0.12的数值孔径的单模光纤的纤芯相比，多模光纤的纤芯一般具有约50μm的直径和大于0.2的数值孔径。因此，对于特定波长，承载相同的信息的多个光学模式沿着光纤同时传播。带宽直接关联到在光纤的多模纤芯中传播的光学模式的群速度。为了保证宽带宽，所有模式的群速度需要相同；换言之，针对特定波长，模间色散，即，最慢模式和最快模式之间的群速度的差应为零，或至少最小化。多模光纤已经成为标准ITU-T G.651下的国际标准化的对象，ITU-TG.651特别定义了用于涉及光纤间兼容性要求的带宽、数值孔径、纤芯直径的标准。

为了减小多模光纤中模间色散，自1970年代以来已经提出制造具有抛物线形纤芯折射率分布的渐变折射率的光纤。此类光纤已经使用了很多年并且其特性已经特别地在出版物“Multimode theory ofgraded-core fibers”D.Gloge等，Bell System Technical Journal 1973，pp 1563-1578以及“Pulse broadening in graded-index optical fibers”Olshansky等，Applied Optics，Vol.15，No.2，1976年2月中描述。

渐变折射率分布可以由作为从点到光纤中心的距离r的函数的该点处的折射率值n之间的关系定义：

n = n_{1} \sqrt{1 - 2 Δ {(\frac{r}{a})}^{α}}

其中α≥1；(α→∞对应于阶跃折射率分布)；

n₁，多模纤芯的最大折射率；

a，多模纤芯的半径；以及

Δ = \frac{(n_{1}^{2} - n_{0}^{2})}{2 n_{1}^{2}};

其中n₀是多模纤芯的最小折射率，通常对应于包层(通常由硅制成)的折射率。

具有渐变折射率的多模光纤因此具有旋转对称的纤芯折射率分布，从而沿着任何径向，折射率的值从光纤中心向其***连续减小。这些曲线通常表示光纤的理论或设置折射率分布，同时光纤的制造约束可以导致轻微不同的折射率分布。

当光信号在具有渐变折射率的此类纤芯中传播时，不同模式经历了不同的传播介质，这些介质不同地影响它们的传播速度。通过调整参数α的值，因此可能在理论上获得对于所有模式实质上相等的群速度，并且因此获得针对特定波长的减小的模间色散。包括在1.8和2.2之间的参数α的值通常允许令人满意的模态色散限制。

然而，参数α的最佳值仅对特定波长有效。文档US-B-6,363,195提出了通过使用多模光纤的串接来补偿模态色散，从而优化两个传输窗的带宽，其中一个中心在850nm并且另一个中心在1300nm。该文档提出，使用具有包括在0.8和2.1之间的参数值α₁的第一多模光纤的长度，以便优化850nm处的带宽，并且使用具有包括在第一值α₁和8之间的参数值α₂的第二多模光纤的长度，以便优化1300nm处的带宽。

此外，在光纤的制造期间，确切参数值α很难控制。为了补偿具有最佳值α的理论折射率分布的折射率分布偏离，文档US-B-7,139,457提出了串接多模光纤。优化每个光纤的阿尔法分布和每个光纤的长度，从而最大化给定光链路上的带宽。

用于确保补偿模态色散的光纤串接使得光学***更加复杂并且增加了这些***的成本。而且，这些文档不关注所用源的谱色散。

光学传输***中所用的源通常不是单色的。因此，广泛使用的缩写为VCSEL的垂直空腔表面发射激光器具有广谱离散发射。用于高带宽传输的VCSEL通常是纵向单模而不是横向单模的。激光器的每个横模具有对应于发射谱的各种峰的其自己的波长。因此，发射谱具有空间和谱依赖性。

如上所述，多模光纤具有针对给定波长优化的参数α的值的阿尔法分布。因此，在多模光纤中引入源自横多模源的复色光信号使得出现模态色散并且因而降低了带宽。

文档US-A-2004/0184492提出了仅使用VCSEL源的单一横模，并且在其被引入多模光纤之前调整发射的信号。然而，使用VCSEL源的单横模大大地降低了发射信号的功率并且导致在线路末端处光学接收器接收的功率降低，从而导致了光学***的性能降低。而且，VCSEL横模的过滤部分增大了相对强度噪声(RIN)。在该点上，可以参考出版物A.Gholami等，“Optimization of VCSELSpatiotemporal Operation in MMF Links for 10-Gigabit Ethernet”IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.12，No.4，2006年七月/八月。

文档US-A-2005/0078962提出了从多模光纤的中心偏移VCSEL输出，从而将信号引入“大带宽区域”。然而，很难控制此类偏移并且必须针对每个光纤进行调节。而且，该方案导致光学***中显著的功率损耗。

在GB 2 399 963中，使用限制发射技术发射复色光信号的多个横模到多模光纤中，限制发射技术限制发射到光纤中的模式数量。特别地，该文档公开了限制发射到光纤中的环形通量在距离中心的特定半径内的比例，并且限制在其中发射环形通量的较高比例的半径。这种过滤的缺点在于其降低了信噪比。而且，其没有解决每个光纤传播模式的模态色散的波长依赖性问题。

因此，需要一种使用横多模复色源的光学***，该***具有宽的有效带宽而没有由源发射的功率的过量损耗。

发明内容

为此，本发明涉及一种光学***，包括：

复色光源(10)，用于发射包括唯一横模阶的多个横模的光信号；

光链路，包括多模光纤(50)的至少一部分；

光学器件(20)，定位在所述光源(10)和所述多模光纤(50)的输入端之间，

所述光学器件适于根据所述横模阶在空间上重新排列所述多个横模，从而将每个所述横模的能量耦合到合适的传播模式中，以便用色度色散至少部分地补偿所述光链路的模态色散。

本发明提出了在光纤中对由源发射的横模的耦合重新排列，从而限制甚至补偿由复色信号引起的模态色散。该重新排列不需要过滤由源发射的模式；因此，不会恶化***的信噪比。本发明中使用的光学器件适于在光纤传播模式中修改由源发射的横模的能量耦合分布。

在实施方式中，所述光学器件(20)适于将所述横模的至少一个的能量耦合到所述光链路的至少一个合适的传播模式中，其中所述至少一个横模的所述横模阶不同于所述至少一个传播模式的所述阶。这里，光学器件适于将源模式的能量耦合到光纤中不同阶的传播模式中。

根据另一实施方式，所述光学器件适于在多个光纤传播模式中分布源横模的能量耦合。

根据实施方式，所述多模光纤具有小于4700MHz-km的有效模带宽(EMB_c)，并且所述***具有大于或等于6000MHz-km的有效带宽(EB)。

根据实施方式，所述源具有包括在1nm和2nm之间的最大谱宽(Δλ_max)。所述源可以是表面发射激光器(VCSEL)或发光二极管(LED)。

根据实施方式，***具有大于3000Gb/s.m的距离与吉比特以太网数据速率的乘积。

附图说明

通过阅读作为示例并且参考附图给出的本发明实施方式的以下描述，本发明的其他特性和优势将变得明显，在附图中：

图1是VCSEL激光器的发射谱；

图2是示出了根据标准FOTP-220的标准对由模态色散导致的延迟DMD的计算的示意图；

图3是示出了针对单模输入光脉冲绘出的三个多模光纤的三个DMD图的图示的表；

图4是根据本发明的光学***的示意图；

图5是示出了针对包括具有三个不同波长的三个横模的输入光脉冲在不根据本发明的光学***的输出处绘出的图3的多模光纤的三个DMD图的图示的表；

图6是示意性地示出了在图5的光学***的输出处光脉冲展宽的表；

图7是示出了针对包括具有三个不同波长的三个横模的输入光脉冲在根据本发明第一实施方式的光学***的输出处绘出的图3的多模光纤的三个DMD图的图示的表；

图8是示意性地示出了在图7的光学***的输出处光脉冲展宽的表；

图9是示出了针对包括具有三个不同波长的三个横模的输入光脉冲在根据本发明第二实施方式的光学***的输出处绘出的图3的多模光纤的三个DMD图的图示的表；

图10是示意性地示出了在图9的光学***的输出处光脉冲展宽的表。

具体实施方式

本发明提出一种优化的多模光学***以便和具有多个横模的复色源(诸如VCSEL激光器)一起使用。

图1示出了VCSEL激光器的发射谱，其具有用于激励基本模式LP01的、中心在850nm的模式。图1示出了激光器的每个横模具有其自己的波长。通常批准用于高带宽传输的最大RMS谱宽度针对VCSEL是0.45nm RMS(如标准IEEE 802.3ae中定义的)。

因此，当将由VCSEL发射的光学信号引入到多模光纤时，VCSEL的每个横模将不同地衍射：最高阶的横模由于它们的相位和它们能量的空间分布发散(diverge)得更快，因此，它们将更特别地耦合到光纤高阶模式中。将回忆起VCSEL的高阶模式占用谱中的最低波长。VCSEL模式的该谱分布和空间分布导致光纤的最高阶模式主要地承载谱中的最低波长：因此，相对于基本模式的延迟，色度色散将进一步延迟较高阶的模式。

事实上，多模光纤在850nm波长处通常具有-100ps/nm-km级的色度色散。该色度色散在谱范围840-860nm中可以在-80和-120ps/nm-km之间改变。该色度色散将通过进一步延迟具有较低波长的光纤的较高阶模式(因为它们主要由具有最大发散以及因此最低波长的横模激励)引起模态色散；该色散完全独立于模态色散，因为色度色散取决于材料，而模态色散取决于光纤的折射率分布。

因此，色度色散将引起缩写为MDICD的模态色散，MDICD意为“色度色散引起的模态色散”，其导致了带宽的限制。

色度色散引起的模态色散可以根据以下等式表示：

Δτ＝2xΔλ_RMSxDxL

Δt是光脉冲的模态色散；

λ_RMS表示源的发射谱的一半宽度；

D是多模光纤中的色度色散，通常在850nm处为-100ps/nm-km；

以及

L是所考虑光纤的长度。

现在，对于大距离的高带宽以太网传输网络应用来说，特别是对于超过300m(分别为550m)的大于或等于10GbE(10Gb/s)的数据速率来说，需要保证大于或等于2000MHz-km(分别为4700mMHz-km)的有效带宽。标准TIA-492AAAC-A规定了针对50μm直径高带宽多模光纤所需的性能。在多模光纤的情况中，带宽取决于使用的源。当忽略色度色散时，有效模带宽(EMB)对应于源光纤对的带宽。当考虑模态色散和色度色散时，有效带宽(由缩写EB表示)对应于光纤的带宽。

以已知的方式，有效模带宽EMB可以通过对因为模态色散的延迟(其缩写为DMD，从“色散模延迟”图形表示可知)的测量来估计。DMD测量过程已经是标准化的对象(IEC 60793-1-49和FOTP-220)。为了执行该测量，通常谨慎地使用源或光纤长度，从而有效地忽略色度色散：目的在于表征光纤的模态色散。

图2示出了根据标准FOTP-220标准的、归因于模态色散的延迟DMD的计算的示意图，其中标准FOTP-220的出版版本为2002年11月22日的TIA SCFO-6.6。

通过在光纤中心处注入具有给定波长λ₀的光脉冲并且通过测量给定光纤长度L之后的脉冲延迟来获得DMD图示；径向偏移给定波长λ₀的光脉冲的引入来覆盖多模光纤的整个纤芯。

在相对于多模光纤纤芯中心的不同径向位置(r₁、r₂、r₃、r₄)处注入光脉冲。在长度为L的光纤输出处、一般是高度的四分之一处测量脉宽ΔT_ref。然后，在第一时间点t_inner的、在第一轨r₁的前缘的四分之一高度处和在第二时间点t_outer的、在最后一轨r₄的尾缘的四分之一高度之间测量归因于模态色散的延迟DMD_inner&outer。然后，根据以下等式定义DMD_inner&outer的值：

DMD_inner&outer＝(t_outer-t_inner-ΔT_ref)/L

当将多模光纤的参数α设置为最佳值α_optimum时，对于给定波长λ₀实际上不存在光脉冲延迟的漂移(不论脉冲沿其传播的半径r如何)；模间色散低并且有效模带宽大。然而，不论半径r如何，关于光脉冲延迟的DMD图示的该对准仅对针对给定参数α的值，α_optimum的给定波长λ₀有效。

图3是示出了针对与多模源一起使用的三个不同多模光纤的DMD图示的表。

图3的光纤2示出了基本上对准的DMD图；即，每个脉冲在给定的光纤长度后展示出相同的延迟，而不论信号注入的径向点(r/a)如何。因此，对于使用的源的波长，模态色散实际为零。另一方面，光纤1和3没有展现出对准的DMD图；即，这些光纤展现了针对所用源的波长的显著模态色散。因此，这些光纤1和3具有基于它们的DMD图计算的有效模带宽(EMB_c)，它小于光纤2的有效模带宽。因此，可以针对特定的应用移除光纤1和3并且保留光纤2。

然而，当使用具有多个横模的复色源时，引入了模态色散(尽管对参数α进行了优化)。图5示出了针对呈现具有三个不同波长的三个横模的复色源绘出的三个之前的多模光纤的三个DMD图示(应该理解，源可以具有不止三个横模；出于显而易见的澄清公开内容的原因，描述限于三个)。图6是示出了每个光纤输出处的光脉冲展宽的表。

然后，应该指出，光纤1展现了基本上对准的DMD图；即，每个脉冲在给定的光纤长度后具有相同的延迟，而不论信号注入的径向点(r/a)如何。在光纤1的情况中，色度色散使得补偿模态色散成为可能。事实上，不同源模式不完全具有相同的传播波长，并且因此光纤的色度色散在光纤模式间的群速度中引入了附加的差。因此，当在输入处注入的光信号具有多个横模(每个具有不同波长)时，色度色散在光纤中引入了模态色散(MDICD)。该色度色散引起的模态色散将被添加到由折射率分布引起的模态色散。其独立于光纤的折射率分布，因为色度色散基本上取决于光波导的材料。

光纤1(对于多模源展现了非零模态色散(图3))具有最小等同模态色散(图5和图6)。“等同模态色散”意味着考虑色度色散的延迟。

另一方面，应该指出，在图5和图6中，光纤2(对于多模源实际上具有零模态色散(图3))具有归因于色度色散引起的模态色散(MDICD)的更明显的等同模态色散。该等同模态色散在光纤3的情况中变得不可接受。

在实际中，对于寻求宽带宽的某些应用，光纤1和3将被拒绝，因为根据DMD图(EMBc)计算的它们的有效模带宽已经不在适用于以太网络的标准推荐之内了。例如，参考标准TIA-492AAAC-A，针对具有超过550m的大于10GbE的数据速率的以太网络的应用，拒绝任何具有小于4700MHz-km的有效模带宽EMB_c的多模光纤。然而，应该理解根据实施的标准和设想的应用可以选择其他阈值。

现在，从图5和图6指出，光纤1可以在使用具有最小等同模态色散的横多模源并且因此是具有令人满意的有效***带宽的光学***中使用。换言之，必须拒绝光纤3并且在光纤2与横多模源一起使用时光纤2不允许与假设同样显著的有效***带宽。

本发明提出了使利用发射多个横模的复色源实现显著有效带宽成为可能的光学***。不过滤由源发射的模式；因此，不增加***的相对噪声。

为此，本发明提出在光纤传播模式中修改由源发射的横模的能量耦合的分布，从而利用色度色散引起的模态色散(MDICD)或限制其对等同模态色散的影响。

图4图示地示出了根据本发明的此类光学***。图4示出了光源10，该光源10是发射多个横模的复色源，例如VCSEL或发光二极管(LED)。图4还示出了光接收器30和包括多模光纤50的光链路。图4还示出了定位在源10和多模光纤50的输入端之间的光学器件20。该光学器件20适于修改由源发射的横模的空间分布。

因此，由于存在光学器件20，具有较小波长的源的较高阶模式将不必仅耦合在光纤的高阶模式中。因此，光纤的较高阶模式大部分将不承载谱的最低波长：然后，色度色散可以补偿或衰减模态色散。

图7和图8示出了本发明的第一实施方式。在该实施方式中，在光纤传播模式中修改由源发射的横模的能量耦合分布的光学器件使得源模式的能量(例如，分别为基本模式LP₀₁，较高阶模式LP₂₁)耦合到光纤中的不同阶的模式(例如，分别为模式LP₂₁，模式LP₀₁)中成为可能。此类光学器件可以是例如通过衍射光学器件制造的相位掩模板、附加的微透镜、雕刻在源或光纤上的Bragg光栅、或扰模器。APC(角抛光连接器)类型的连接器也可以使用。技术人员将理解，可以使用任何支持改变或重新排列横模空间分布或位置的其他光学器件来实现本发明的结果。

因此，可以指出，光纤3(当与横多模源一起使用时具有明显等同模态色散(图5和图6))在源的基本模式的能量耦合到光纤的较高阶模式中时具有最小等同模态色散(图7和图8)。在该实施方式中，在光纤传播模式中对由源发射的横模的耦合分布的修改使得通过色度色散引起的模态色散补偿归因于多模光纤的折射率分布的模态色散成为可能。

另一方面，在光纤1的情况中，应该指出，对于在光纤传播模式中由源发射的横模的耦合分布的该修改导致了等同模态色散的净增长。在光纤1的情况中，将色度色散引起的模态色散添加到归因于光纤折射率分布的模态色散。根据本发明的光学***使用光纤1具有复色多模源将使得针对高带宽以太网应用实现令人满意的有效带宽成为不可能。

因此，本发明使得在具有适于修改光纤传播模式中的由源发射的横模的能量耦合分布的光学器件、包括横多模光源的光学***中使用具有小于4700MHz-km的有效模带宽的多模光纤(因此针对很多应用将拒绝该光纤)成为可能。因此，***的有效带宽大于6000MHz-km，尽管光纤的模带宽有限。

图9和图10示出了本发明的第二实施方式。在该实施方式中，在光纤传播模式中修改由源发射的横模的能量耦合分布的光学器件使得混合由源发射的不同横模从而展宽多模光纤中每个耦合模式的径向位置成为可能。然后，在光纤中多个传播模式上分布源的不同横模的能量。此类光学器件可以由衍射光学器件、附加的微透镜、雕刻在源或光纤上的Bragg光栅或扰模器制造。APC(角抛光连接器)类型的连接器也可以使用。技术人员将理解，可以使用任何支持改变或重新排列横模空间分布或位置的其他光学器件来实现本发明的结果。

因此，应该指出，光纤1到3中的每个具有类似的等同模态色散(图10)。在该实施方式中，由源发射的每个模式的能量耦合在光纤中的多个(甚至所有)传播模式中；因此，色度色散以基本相同的方式影响每个传输模式，并且色度色散引起的模态色散(MDICD)产生作用以衰减归因于光纤折射率分布的模态色散。

根据该第二实施方式，获得的有效带宽小于在色度色散产生作用以补偿模态色散的情况中获得有效带宽。另一方面，本发明支持使用此类光学器件的***，其中光学器件适于在光纤1或光纤3的多个传播模式中分布源横模的能量耦合，基于它们的DMD标准测量，对于很多应用，已经拒绝了这些光纤。

因此，本发明使得在具有适于在光纤传播模式中修改由源发射的横模的能量耦合分布的光学器件、包括横多模光源的光学***中使用具有小于4700MHz-km的有效模带宽(因此针对很多应用将拒绝该光纤)的多模光纤成为可能。因此，***的有效带宽大于6000MHz-km，尽管光纤的模带宽有限。

源的最大谱宽度可以包括在1nm和2nm之间。大部分商业上可获得的VCSEL具有相对于最大功率波长的标准差测量的包括在0和0.45nm之间的RMS(均方根)谱宽度；0.45nm的λ_RMS值将导致2nm级的最大谱宽度Δλ_max。

多模光纤通常用于短距离应用和局域网；所使用的光纤长度通常包括在几米到数百米之间。在该背景下，色度色散引起的模态色散保持有限。

本发明使得将低成本横多模光源用于产生具有优良性能(距离与吉比特以太网数据速率的乘积大于3000Gb/s.m并且二进制误码率(BER)约为10^-12)的高带宽以太传输网络成为可能。“距离与吉比特以太网数据速率”的乘积对应于所使用的多模光纤的长度乘以***的以太网数据速率。

描述涉及具有渐变折射率、具有50μm的标准化纤芯直径的多模光纤，但是应该理解，本发明适用于在要求保护的光学***中所用的任何类型的多模光纤。

Claims

1.一种光学***，包括：

复色光源(10)，用于发射包括唯一横模阶的多个横模的光信号，其中每个横模具有其自己的波长；

光链路，包括具有渐变折射率纤芯的多模光纤(50)的至少一部分，其中所述多模光纤具有由下式描述的折射率分布：

n = n_{1} \sqrt{1 - 2 Δ {(\frac{r}{a})}^{α}}

其中n₁为所述多模光纤的纤芯的最大折射率；

r为离所述多模光纤的光轴的径向距离；

a为所述多模光纤的纤芯的半径；

Δ为无量纲参数，指示所述多模光纤的纤芯和所述多模光纤的包层之间的相对折射率差；以及

α为无量纲参数，指示所述多模光纤的纤芯的折射率分布的形状；

所述光学器件适于根据所述横模阶在空间上重新排列所述多个横模，从而将所述横模的每个的能量耦合到合适的传播模式中，以便用色度色散至少部分地补偿所述光链路的模态色散。

2.根据权利要求1所述的***，其中所述光学器件(20)适于将所述横模的至少一个的能量耦合到所述光链路的至少一个合适的传播模式中，其中所述至少一个横模的所述横模阶不同于所述至少一个传播模式的所述阶。

3.根据权利要求1所述的***，其中所述光学器件相对于所述光链路的所述传播模式阶将所述横模阶反转。

4.根据权利要求1所述的***，其中所述光学器件(20)适于耦合所述光学信号，从而在光纤的多个传播模式中分布横模的能量。

5.根据权利要求1所述的***，其中所述多模光纤具有小于4700MHz-km的有效模带宽(EMBc)，并且所述***具有大于或等于6000MHz-km的有效带宽(EB)。

6.根据权利要求1所述的***，其中所述复色光源(10)具有包括在1nm和2nm之间的最大谱宽Δλ_max。

7.根据权利要求1所述的***，其中所述复色光源(10)是表面发射激光器。

8.根据权利要求1所述的***，具有大于3000Gb/s.m的距离与吉比特以太网数据速率的乘积。

9.根据权利要求1所述的***，其中所述光学器件包括以下组中的至少一个元件，所述组包括相位掩模板、微透镜、Bragg光栅、扰模器以及角抛光连接器(APC)类型的连接器。