CN106461867A - 使用模态调节光纤的多模光学传输*** - Google Patents

使用模态调节光纤的多模光学传输*** Download PDF

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CN106461867A
CN106461867A CN201580031744.2A CN201580031744A CN106461867A CN 106461867 A CN106461867 A CN 106461867A CN 201580031744 A CN201580031744 A CN 201580031744A CN 106461867 A CN106461867 A CN 106461867A
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唐纳德·甘乃迪·霍尔
李明俊
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Abstract

本发明公开一种多模光纤传输***，其使用具有至少一个模态调节光纤的光纤。所述***包括：单模发射器，所述单模发射器产生具有在800nm与1600nm之间的波长的调制光；光学接收器，所述光学接收器被配置来接收并检测所述调制光；多模光纤，所述多模光纤限定所述单模发射器与所述光学接收器之间的光学路径，所述多模光纤具有芯部，所述芯部具有直径D40和折射率分布，所述折射率分布被配置来最佳地传输处于约850nm的标称波长下的光；至少一个模态调节光纤，所述至少一个模态调节光纤可操作地设置在所述光学路径中以进行所述光学调制光的模态过滤和模态转换中的至少一个。

Description

使用模态调节光纤的多模光学传输***
优先权申请
本申请根据专利法要求2014年5月16日提交的美国临时申请序列号第61/994,423号的优先权权益，所述申请的内容是本申请的基础并以全文引用方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及使用多模光纤的光学传输***，并且尤其涉及一种使用至少一个模态调节光纤的光纤传输***。
背景技术
本文中提及的任何公开案或专利文件的整体公开内容是以引用方式并入，包括美国公开案第2013/0266033号和第2013/0322825号。
光纤传输***被用于数据中心中以在装置之间建立通信，所述装置如路由器、服务器、交换器和存储装置。光纤传输***典型地利用干线电缆(例如，数十至数百米长)，所述干线电缆携带许多光纤(例如，十二个、二十四个、四十八个等)。干线电缆的每一端部光学连接至分线组件以从MPO型多光纤干线连接器转变到其他类型的连接器，所述其他类型的连接器则与接插线对接或直接***设备端口中，从而建立装置之间的光学路径。分线组件常常容纳在分线模块中。
数据中心被配置有含有多模光纤的电缆组件。使用这类光纤是因为光学装置中的收发器中的光源为多模光源。此外，历史上利用多模光纤进行工作比利用单模光纤更为容易。遗憾地是，多模光纤由于模态分散而具有较小带宽距离积，这使得难以延伸触及范围或增加光纤传输***的数据速率，并且要达到这种目的非常昂贵。
另外，现有多模光纤被优化用于在850nm的标称波长下操作，在所述标称波长下，多模光纤具有高的色散度。为达较长触及范围或较高数据速率传输，希望具有标称大约1300nm的操作波长，此处色散度最低。例如，设计了如LR和LRM收发器的许多单模收发器，所述单模收发器在1310nm的标称波长下操作。在约1300nm的波长下操作的一些收发器涉及CWDM或利用同一光纤在针对每一波长10Gb/s下传播的四个波长，以便每一收发器的总数据速率为40Gb/s。
每一操作信道的波长标称上为1270nm、1290nm、1310nm和1330nm。传统上，除LRM收发器之外，利用单模光纤来操作收发器，LRM收发器可利用单模至多模光纤在偏移拼接(offset splicing)情况下操作，以便也可使用多模光纤。但最近，在数据中心中使用具有多模光纤的单模收发器来改进互操作性、提供平滑升级路径和达到较易后勤管理方面受到日益增加的关注，所有这些都提供经济和财务益处。
因此，有利的是获得改进多模光纤传输***的性能而不引起必须更换多模光纤的时间、人力和费用的多种方式。
发明内容
本公开的方面针对光学传输***，所述光学传输***在800nm至1600nm范围内的波长下操作并且使用光学地耦合至光纤路径的相应端部的单模光学发射器和光学接收器，所述光纤路径包括设计用于在约850nm的波长下操作的多模光纤。光纤路径使用至少一个模态调节光纤。所述模态调节光纤可用作：1)当相邻所述发射器使用时的模态转换光纤，其用于将发射光转换成接近于所述多模光纤的LP01基模；2)当相邻所述接收器使用时的模态过滤光纤，其用于基本上滤出较高阶模；3)当可操作地设置在所述光学发射器与所述接收器之间的所述光学路径内时的模态转换光纤和模态过滤光纤两者；4)当在相邻所述发射器和所述接收器的所述多模光纤的相应第一端部和第二端部处使用第一模态调节光纤和第二模态调节光纤时的模态转换光纤和模态过滤光纤两者。
当所述模态调节光纤用作模态转换光纤时，其确保主要发射或激发所述多模光纤的基模。当所述模态调节光纤用作模态过滤光纤时，其确保仅检测到来自所述多模光纤或在大多数情况下来自所述多模光纤的所述基模的某一辐射区的光。这允许所述***的各种实施方案具有以下各项的用于接收信号的***带宽：大于2GHz·km；大于4GHz·km；大于8GHz·km；大于10GHz·km；大于15GHz·km；或大于20GHz·km。
所述模态调节光纤可具有相对短的长度，例如，短达4mm，但其可为长于5mm的任何合理长度以实现相同功能。所述模态调节光纤可为单模光纤、少模光纤(few-mode fiber)或多模光纤，其具有直径处于选定范围中的芯部，所述直径例如小于所述主多模光纤的芯部直径。在涉及发射和/或接收基本上仅所述多模光纤的所述基模的实例中，所述模态调节光纤的所述芯部直径可为：a)在10μm和23μm范围内。
在一些其他实施方案中，如果所述模态调节光纤的目的是仅仅剥离出靠近所述多模光纤芯部的边缘行进的极高阶模，那么所述模态调节光纤的芯部大小可在30μm和45μm范围内。在这种情况下，所述光纤可与设计用于10Gb/s至32Gb/s操作的较小面积多模光接收器一起使用，并且实例可在40Gb/s、50Gb/s或高于50Gb/s的甚至更高数据速率下工作。在其他实施方案中，所述模态调节光纤的所述芯部大小(直径)为50微米或更小，或在10微米与50微米之间。
所述至少一个模态调节光纤可被整合在所述光学路径内处于限定所述光学路径的任何部件中，如一个或多个跳线中、作为连接器的部分，或串级至多模光纤的区段，处于分线模块或分线带具(即，扇出带具)内。所述光纤甚至可被拼接来在所述光纤路径的一个或两个端部处形成上文提及的部件或装置的部分，所述一个或两个端部即连接至所述发射器和/或接收器。在实例中，利用本文公开的模调节光纤的所述光学传输***支持10Gb/s、16Gb/s、25Gb/s或甚至较高的数据速率。
本公开的一方面是用于传输数据的光学传输***。所述***包括：单模发射器，所述单模发射器产生具有在800nm与1600nm之间的波长的调制光；光学接收器，所述光学接收器被配置来接收并检测所述调制光；多模光纤，所述多模光纤限定所述单模发射器与所述光学接收器之间的光学路径，所述多模光纤具有折射率分布，所述折射率分布被配置来传输处于约850nm的操作波长下的光；至少一个模态调节光纤，所述至少一个模态调节光纤可操作地设置在所述光学路径中并且具有至少5mm的长度和芯部直径DC，并且其中10μm<DC<50μm；和至少2GHz·km的模态带宽。
本公开的另一方面是用于传输数据的光学传输***。所述***包括：第一收发器和第二收发器，所述收发器各自包括单模(SM)发射器，所述发射器产生具有在800nm与1600nm之间的波长的调制光，并且所述收发器各自包括光学接收器，所述光学接收器被配置来接收并检测所述调制光；第一多模光纤，所述第一多模光纤限定所述第一收发器的SM发射器与所述第二收发器的接收器之间的第一光学路径；第二多模光纤，所述第二多模光纤限定所述第二收发器的所述SM发射器与所述第一收发器的所述接收器之间的第二光学路径；其中所述第一多模光纤和第二多模光纤具有折射率分布，所述折射率分布被配置来传输处于约850nm的操作波长下的光；至少一个第一模态调节光纤，所述至少一个第一模态调节光纤可操作地设置在所述第一光学路径中；至少一个第二模态调节光纤，所述至少一个第二模态调节光纤可操作地设置在所述第一光学路径中；其中所述至少一个第一模态调节光纤和至少一个第二模态调节光纤各自具有至少5mm的长度和芯部直径DC，其中10μm<DC<50μm；和其中所述第一光学路径和第二光学路径各自支持至少2GHz·km的模态带宽。
本公开的另一方面是在光学传输***的光学路径上传输光学信号的方法。所述方法包括：产生单模调制光学信号，所述单模调制光学信号处于在800nm与1600nm之间范围内的波长下；在光学路径上传输所述光学信号，所述光学路径具有至少2GHz·km的模态带宽并且由具有折射率分布的多模光纤的长度限定，所述折射率分布被配置来最佳地传输处于约850nm的操作波长下的光；利用至少一个模态调节光纤进行所述传输光学信号的模态调节，所述至少一个模态调节光纤可操作地设置在所述光学路径中并且具有至少5mm的长度并具有芯部直径DC，其中DC<50μm；和在接收器处接收所传输和模调节的光学信号。
本公开的另一方面是N个光纤的模态调节光纤组件。所述组件包括：第一光纤T＝1至N/2的第一光纤阵列和第二光纤R＝[(N/2)+l]至N的第二光纤阵列，其中N为大于2的偶数，并且其中所述第一光纤阵列和第二光纤阵列的一端端接在第一连接位置处，并且所述第一光纤和第二光纤的另一端端接在第二连接位置处，其中每一光纤T和每一光纤R包括一段模调节光纤，所述模调节光纤具有5mm或更大的长度和芯部直径DC，其中DC<50微米；和其中光纤T和R的对(T、R)限定在所述第一连接位置处。
另外的特征和优点在以下的详述中阐述，并且在部分程度上，本领域技术人员将从说明书清楚地明白这些特征和优点，或者通过实践如所撰写的说明书和其权利要求书以及附图中所描述的实施方案来认识这些特征和优点。应理解，前述一般描述和以下详述仅是示例性的，并且意图提供用以理解权利要求书的性质和特征的概述或框架。
附图说明
包括附图来提供进一步的理解，并被并入本说明书中而构成本说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方案，并且与详述一起用于解释各种实施方案的原理和操作。因而，本公开将从以下结合附图进行的详述而得到更全面地理解，附图中：
图1A为光纤传输***的示意图，所述光纤传输***使用通过多模光纤光学连接的单模发射器和多模接收器；
图1B类似于图1A但使用单模接收器；
图2为用于测量模态带宽的示例性测量***的示意图；
图3A和3B为针对两个不同的OM4类型多模光纤，在1300nm的波长下径向偏移δr(nm)对比用图2的测量***所测量的模态带宽BW(GHz·km)的曲线图；
图4为针对用于多模光纤的中心SM发射条件(即，δr＝0)，使用图2的测量***所测量的测量传递函数TF(dBe)对比频率f(GHz)的曲线图；
图5A至5D为示例性光学传输***的示意图，所述光学传输***被配置来通过将至少一个模态调节光纤并入发射器与接收器之间光学路径中来减少差模延迟的不利影响；
图5E为图5D的光学传输***的一端的近距离升高视图并且说明示例性双光纤收发器和一对端接在双纤光纤接插线的端部的双工单光纤连接器；
图6为针对示例性光纤的中心发射条件(δr＝0)和偏移发射条件(δr＝4.5μm)的测量传递函数TF(dBe)对比频率f(GHz)的曲线图，所述示例性光纤具有串级至较长长度的多模光纤的几米单模光纤，并且图中说明了在测量频率范围内的相对大的带宽；
图7A为示例性光学传输***的示意图，其中单模发射器与接收器之间的光学路径包括通过干线电缆光学连接的两个分线模块，模块利用相应跳线电缆光学连接至发射器和接收器；
图7B为示例性光学传输***的示意图，其中单模发射器与接收器之间的光学路径包括连接至两个分线带具的干线电缆，所述分线带具包括分别附接至发射器和接收器的两个接插式电缆区段；
图7C为示例性分线带具，所述示例性分线带具包括各自具有模态调节光纤的区段的电缆区段；
图8A为示例性跳线的侧视图，所述示例性跳线包括模态调节光纤的区段；
图8B为示例性分线模块的部分剖视图，其中模块内的光纤阵列包括模态调节光纤的区段；和
图8C为示例性模态调节光纤组件的示意图，所述示例性模态调节光纤组件包括两个各自由模态调节光纤制成的光纤阵列，其中两个光纤阵列限定来自两个模态调节光纤阵列的模态调节光纤的选定配对。
具体实施方式
现在详细参考本公开的各种实施方案，其实例在附图说明。在任何可能的情况下，相同或类似的参考数字与符号在所有附图中用于指代相同或类似的部分。附图未必按比例绘制，并且本领域的技术人员将认识到附图已被简化来说明本公开的关键方面。
如下文阐述的权利要求书被并入此详述中并且构成此详述的一部分。
在下文描述中，本文结合下文讨论的光纤和光纤芯部所使用的术语“相对折射率”是定义为：
Δ(r)＝[n(r)2-nREF 2)]/2n(r)2，
其中除非另有规定，否则n(r)为半径r处的折射率。相对折射率是在操作波长下定义，所述操作波长是光纤的多模芯部被设计来最佳工作(例如差模延迟最小化)所处的波长。在一方面，参考折射率nREF为石英玻璃的折射率。在另一方面，nREF为包层的最大折射率。参数n0为折射率分布的最大折射率。大多数情况下，n0＝n(0)。
如本文所使用，除非另有规定，否则相对折射率由Δ表示并且它的值以“％”为单位给出。在区域的折射率小于参考折射率nREF的情况下，相对折射率为负并且称为“沟槽”。除非另有规定，否则最小相对折射率是在相对折射率为最负(most negative)的点处计算。在区域的折射率大于参考折射率nREF的情况下，相对折射率为正并且所述区域可称为凸起的或具有正折射率。针对r＝0的Δ(r)的值表示为Δ0。
如本文所使用的α参数α涉及单位为“％”的相对折射率Δ，其中r为光纤的半径(径向坐标)并且由Δ(r)＝Δ0-[1-Qα]来定义，其中Q＝(r-rm)/(r0-rm)，其中rm为Δ(r)为最大Δ0的点并且r0为Δ(r)％＝0的点。半径r为ri≤r≤rf范围内，其中Δ(r)在上文定义，ri是α分布的初始点，rf为α分布的最终点并且α是为实数的指数。
对于阶跃折射率分布来说，α>10，并且对于梯度折射率分布来说，α<5。应注意，可使用用于芯部半径r0和最大相对折射率Δ0的不同形式，而不会影响对Δ的基本定义。对于实际光纤来说，甚至当目标分布为α分布时，可发生与理想情形的一定程度的偏差。因此，实际光纤的α参数是从所测量折射率分布的最佳拟合来获得。范围2.05≤α≤2.15中的α参数提供在850nm处差模延迟(DMD)的最小值，并且范围1.95≤α≤2.05中的α参数提供在1300nmDMD的最小值。
光纤的模态带宽(或过满带宽)表示为BW，并且在本文中根据IEC 60793-1-41(TIA-FOTP-204)“Measurement Methods and Test Procedures:Bandwidth”而定义为在850nm处使用过满发射条件。所计算的最小有效模态带宽BW可从所测量DMD光谱获得，如由IEC 60793-1-49(TIA/EIA-455-220)“Measurement Methods and Test Procedures:Differential Mode Delay”所规定。光纤的带宽单位可以MHz·km、GHz·km等表示，并且以这些种类的单位表示的带宽在本领域中也被称为带宽距离积。模态带宽部分地由模态分散来定义。在***层面，总带宽可由色散度限制，从而以高比特率限制***性能。
本文中引用的对任何范围的限制被视为包括性的并且因此除非另有规定，否则仍在所述范围内。
符号“μm”意味着“微米(micron/microns)”，并且符号“μm”和用字“微米(micron/microns)”在本文中可互换地使用。
术语“模态调节光纤”用于大体上表示进行如本文公开的模态调节的至少一个光纤。在各种实例中，模态调节光纤可用作：1)当相邻发射器使用时的模态转换光纤，其用于将发射光转换成接近于多模光纤的LP01基模；2)当相邻接收器使用时的模态过滤光纤，其用于基本上滤出较高阶模；3)当可操作地设置在光学发射器与接收器之间的光学路径内时的模态转换光纤和模态过滤光纤两者；4)当在相邻发射器和接收器的多模光纤的相应第一端部和第二端部处使用第一模态调节光纤和第二模态调节光纤时的模态转换光纤和模态过滤光纤两者。模态调节光纤可包括一种类型光纤的单一区段，其进行模态调节，或可包括光纤的两个或更多个区段，其中所述区段中的一个或多个进行所述模态调节。
图1A为现有技术光纤传输***(“***”)10的示意图，所述光纤传输***使用发出调制光22的单模(SM)发射器20S和多模(MM)接收器30M，所述多模(MM)接收器30M由多模光纤(MMF)40光学连接，所述多模光纤(MMF)40具有折射率分布，所述折射率分布被设计来最佳地在大约850nm(例如,840nm至860nm)的标称波长处操作(即，具有850nm的操作波长，此处模分散为最小的)或在800nm至1600nm范围内的波长下操作。MM接收器30被配置来接收调制光22。
图1B类似于图1A，但使用SM接收器30S。SM发射器20S可为用于光学通信收发器(如LR和LR4收发器)中的发射器。对LR4收发器来说，四个波长在同一光纤内共同传播以达到40Gb/s的集合数据速率。MM接收器30M可为用于基于VCSEL的收发器中的MM接收器或用于在大约1300nm处操作的LRM收发器中的MM接收器，或其可为专门设计的MM接收器。SM发射器20S发射调制光22，所述调制光22在实例中具有1300nm的标称波长。更一般来说，SM发射器20S发射具有在800nm至1600nm范围内的波长的调制光(即，调制光学信号)22，并且本文公开的***和方法可具有在这个范围内的操作波长。SM发射器20S也可为基于硅光子学的发射器，其在实例中发射具有在1250nm至1650nm范围内的波长的单模调制光22。
如上文所述，在日益增加关注在使用现有850nm MMF 40(如OM2、OM3或OM4光纤)的情况下，利用在800nm至1600nm范围内(并尤其在1300nm下)的波长下操作的SM发射器20S来在数据中心内或数据中心之间在100m至1000m的距离上传输数据，这取决于如由功率预算和MMF 40的带宽所限制的***能力。本文讨论的SM发射器20S可为基于与单模光纤一起工作的现有标准来设计的SM发射器。这类SM发射器20S可被配置来用于与MMF 40一起使用来确保较好互操作性、可升级性、后勤管理和/或与现有设施的兼容性。还应注意，MMF 40被设计用于在850nm下的最佳操作，但图1A和1B的***10可在1200nm至1600nm范围内的标称波长下并尤其在1300nm的标称波长下操作。
对如图1A所示的***10的基本配置进行带宽测量。图2为用于进行带宽测量的测量***60的示意图。为模拟来自SM发射器20S的发射条件，单模光纤50的短区段的切割端52与MMF 40的短区段的切割端42邻接耦合。单模光纤区段50和MMF区段40被支撑在X-Y-Z对准台70上。可调谐激光器80和光学调制器90光学连接至单模光纤区段50的输入端。网络分析器100光学连接至光学调制器90和MM接收器30M，所述MM接收器30M光学地耦合至MMF区段40的输出端43。
单模光纤区段50最初与MMF区段40对准(中心到中心)。随后使用X-Y-Z对准台70以约1微米步长(增量)引入受控径向偏移δr，并且测量由单模光纤50和MMF区段40限定的光纤带宽。可调谐激光器80产生标称1300nm的激光82。网络分析器100用于发出扫描RF频率信号以驱动光学调制器90，从而从激光82形成光学调制信号82M。
在单模光纤区段50中行进的调制光学信号82M耦合至MMF区段40中并且随后由MM接收器30M接收。随后由网络分析器100分析接收信号，所述网络分析器100产生常常也称为“S21信号”的传递函数TF(f)，其中f代表频率。光纤的带宽可使用标准技术由传递函数确定。例如，带宽可在传递函数TF(f)的3dBo点(由10·log(·)运算符定义)或6dBe点(由20·log(·)运算符定义)处提取。
图3A和3B为针对两个不同的OM4类型MMF 40，在1300nm下径向偏移δr(μm)对比使用测量***60所测量的模态带宽BW(GHz·km)的曲线图。图4为使用测量***60获得的针对中心SM发射条件(即，δr＝0)的测量传递函数TF(dBe)对比频率f(GHz)的曲线图。首先参考图3A，所测试的第一OM4MMF 40示出针对δr<5μm的模态带宽BW>1.5GHz·km。参考图3B，所测试的第二OM4MMF 40在相同偏移范围内的模态带宽BW<1GHz·km。利用超过1.5GHz·km的模态带宽BW，图1的***10可具有在10Gb/s的数据速率下多达约200m的触及范围。然而，在小于1GHz·km模态带宽BW的情况下，图1A的***10的触及范围限于150m或更小，这适用于一些实际应用而不足以用于要求较长***触及范围的应用(包括许多数据中心应用)。
这个观察结果在与对在850nm下的SM发射的常规理解相比时令人意外，所述SM发射认为从特定发射条件至附近模群组或具有不同径向位置的模群组的耦合并不明显。甚至利用SM类型的发射条件观察到低带宽的事实意味着MMF 40中存在一定程度的模耦合。可从发射点并沿MMF 40的长度激发较高阶模。有可能可在1300nm的标称波长下(比在850nm下的那些标称波长更大)发生从较低阶模到较高阶模中的另外耦合。应注意，对针对850nm操作优化的MMF来说，1300nm处较高阶模的时间延迟远高于基模，从而将形成右倾斜DMD图表。
因此，即使更多激光82M靠近MMF 40的中心发射或在具有偏移的小斑点大小的情况下，这种光耦合至在较大径向位置处行进的较高阶模。应注意，针对在标称上850nm下的操作形成OM3和OM4MMF，以便其过满发射(OFL)模态带宽仅保证为在1300nm下高于500MHz-km。在较大径向位置处传播的光82M在其达到MMF 40的另一端时具有显著不同的延迟。当较高阶模的光由MM接收器30M俘获时，所述光使***性能显著地降级。如果来自MMF的完整芯部区域的光由接收器30M检测到，那么***性能无法支持大于约200m或300m的触及范围。
图5A至5D为示例性光学传输***104的示意图，所述示例性光学传输***104是来自图1A和1B的***10的改良版本，并且包括光纤(“光纤”)110，其被配置来减少或基本上消除较高阶模对***性能的不利影响。光纤150可称为“模态调节光纤”，其中模调节可涉及模态转换、模态过滤或两者兼有。
参考图5A，***104包括单模或多模接收器(“接收器”)30和布置在MMF 40与接收器30之间的模调节光纤150。在图5A中，模态调节光纤150用作模态过滤光纤，因为它被设置在MMF 40与接收器30之间。图5A的两个近距离插图示出模态过滤光纤150和MMF 40的横截面图。模态过滤光纤150具有由包层154包围的中央芯部152。中央芯部152具有直径DC。模态过滤光纤150还具有大于5mm的长度，并且可典型地具有0.5m至2m的长度，但将适于大于5mm的任何合理长度。MMF 40具有直径D40的由包层44包围的芯部42。
在图5B中，仅一个模态调节光纤150被设置在SM发射器20S与MMF 40之间。在这个配置中，模态调节光纤150用作模态转换光纤。
图5C类似于图5A和5B，并且包括两个模态调节光纤150：一个被设置在SM发射器20S与MMF 40之间并且用作模态转换光纤，而一个被设置在接收器30与MMF 40之间并且用作模态过滤光纤。
当模态调节光纤150用作模态转换光纤时，在一些实施方案中，目的主要是激发MMF 40的基模。MMF OM2至OM4具有芯部42，其具有50微米的直径D40和在1310nm波长下约15微米的基模LP01的模场直径(MFD)，这大于单模光纤的模场直径。如果单模光纤用于模态转换光纤150，那么性能不预期为最佳的，因为的MFD不匹配MMF 40的基模。
此外，除激发MMF 40的基模之外，还激发较高阶模并且这些较高阶模具有更为不同的时间延迟。为确保基模的最佳发射，模态转换光纤150的芯部直径DC应接近于MMF 40的基模的芯部直径。因此，在一个实例中，模态转换光纤150的芯部直径Dc的范围为10μm≤DC≤23μm，并且在另一实例中，12μm≤DC≤23μm。此外，在实例中，芯部差值(Δ0)在0.2％至2.0％范围内。在此实例中，模态转换光纤150也可视情况为弯曲不敏感光纤，例如，通过在折射率分布中具有沟槽结构而实现。
如上文所讨论，当模态调节光纤150被设置在MMF 40与接收器30之间时，所述模态调节光纤充当模态过滤器。模态过滤光纤150的较小芯部直径DC起作用来滤出可在MMF 40中行进的较高阶模。虽然存在一些模态损耗，但是来自SM发射器20的在光学路径上行进的调制光22将限于如下的那些模：沿MMF 40的中心基本上向下行进并且行进出模态过滤光纤150的芯部直径DC，以便仅基本上从MMF 40的中心发射的光在接收器30处接收。
在一些实施方案中，芯部直径Dc在上述10nm与23nm之间的范围内，以便在光纤110上行进并由接收器30接收的调制光22基本上仅为与基模LP01相关联的调制光。因此，在模态过滤光纤150之后所接收光的模之间的延迟差异(即DMD)将远小于芯部的边缘与当不使用模态过滤光纤150时芯部的中心的较高阶模之间的延迟差异。在示例性实施方案中，模态过滤光纤150具有在上述0.2％至2.0％范围内的芯部差值Δ0。此外，在实例中，模态过滤光纤150可视情况为弯曲不敏感光纤，例如，通过在折射率分布中具有沟槽结构而实现。
模态调节光纤150的一些实例可具有阶跃折射率分布，所述阶跃折射率分布具有小于0.5％的芯部差值Δ0值和小于23微米的芯部直径DC。由Corning,Inc.,Corning,NewYork制成的较大有效面积光纤和为符合这些要求的光纤的示例性类型。在一些实施方案中，模态调节光纤150可基本上作为单模光纤在操作波长(例如，标称1300nm)下操作，即使光纤具有理论上高于操作波长的截止值也是如此。为促使少模光纤以单模操作，光纤的一部分可盘绕来具有在10mm至50mm范围内的线圈直径。
在一些其他实施方案中，模态调节光纤150可为具有α分布的梯度折射率(GRIN)光纤，所述α分布具有在0.3％至2.0％范围内的芯部差值Δ0和在10微米至23微米范围内的上述芯部直径DC。在其他实施方案中，DC≤50微米。
如上文结合图5A至5C所解释，模态调节光纤150可靠近SM发射器20S可操作地设置在光纤110中以用作模态转换光纤，或可靠近接收器30可操作地设置以用作模态过滤光纤。模态调节光纤150也可用于如图5C所说明的两个位置中，即，两个模态调节光纤150可用于光纤110的相反端部处。当第一模态调节光纤150和第二模态调节光纤150分别相邻SM发射器20S和接收器30可操作地设置时，在一些实施方案中，模态转换光纤和模态过滤光纤由同一光纤制成以简化光纤110的形成。
图5D类似于图5A至5C并且说明其中存在两个发射器20S和两个接收器30，其中一个发射器和一个接收器为收发器25的一部分，并且其中在***104的每一端部处存在收发器的实例。光纤110包括两个区段110A和110B，其各自具有MMF 40，所述MMF 40具有可操作地连接至MMF 40的至少一个模态调节光纤150。参考图5E，在实例中，光纤110可在其相应端部处端接有与每一收发器25配接的双光纤连接器27。在实例中，连接器27可为连接器或双工单光纤连接器，如SC或LC连接器，并且收发器25可被配置来与所使用的特定类型的连接器配接。收发器25和连接器27也可为并联光学收发器和连接器。
在实例中，至少一个模态调节光纤150至少部分地包括在每一双光纤连接器27内，如图5E所说明。使用相同类型的模态调节光纤150允许形成光纤110的光纤110a和110B而不需在光纤类型之间区分，从而简化***104的配置和管理。
在图5D中，针对模态调节光纤150的在光纤区段110A和110B中的虚线方框说明任选示例性实施方案，其中每一光纤区段110A和110B包括在相应MMF 40的每一端部处的两个模态调节光纤150。这种配置可修正来使用双工或双光纤跳线，如下文所解释。
在所述概念的简单示范中，长度为几米的单模光纤50的区段连接至图2的测量***60中的MMF 40的区段端部，并且测量这个示例性光纤110的模态带宽。发现，对多达约δr＝5μm的径向偏移来说，支持的模态带宽BW远高于10GHz·km，所述10GHz·km远高于测量***的上限。针对中心SM发射(δr＝0)和针对6r＝4.5μm的偏移发射测量的传递函数TF(f)在图6的传递函数曲线图中示出。图6的曲线图示出对多达频率f＝10GHz来说，传递函数TF(f)远远不降至确定模态带宽所需要的6dBe(或3dBo)。因此，示例性光纤110的模态带宽BW远大于10Ghz，并且因此比足以符合***触及范围要求的情况更大。
在进行上文的测量中，示例性光纤110的模态带宽性质是通过使用单模光纤区段50来从MMF 40的中心发射光和放置在MMF 40的端部处的另一单模光纤区段50来滤出较高阶模而测量。所述配置用于模态带宽表征。具有SM发射器20S和MMF 40的***的性能不仅受模态带宽BW的影响，而且受可达到接收器的功率量以及由光纤110的外部扰动所引起的功率摆动的影响。
如上文所讨论，模态调节光纤150的示例性芯部直径Dc在10nm至23nm范围内以发射基本上仅MMF 40的基模。因此，当模态调节光纤150的芯部直径DC处于这个选定范围内时，预期的是，模态带宽性能将类似于或好于具有可操作地设置在MMF 40的两个端部处的单模光纤的光纤110。
然而，如上文所讨论，使用单模光纤用于在MMF 40的任一端部或两个端部中的模态调节光纤150存在另外的缺点。这是因为与MMF 40的基模相比，的芯部直径DC太小。因此，来自SM发射器20S或发射单模光纤的显著量的光将在光由接收端单模光纤接收并尝试通过所述接收端单模光纤时损耗。此外，与MMF 40之间的LP01模的大的MFD失配引起在MMF 40的发射端处的较高阶模的激发，从而使***性能降级。
利用MMF 40的为1km的单个跨距段，在接收端单模光纤的输出端处测量到最小量(例如，4dB)的光学损耗。这个光学损耗值对约400m至500m的较短距离来说是较小的，例如，约2.5dB。实际上，当使用MMF 40的多个跨距段时，由于在每一连接接头处的轻微偏移，来自单模光纤的所接收光学功率可远小于在其他情况下所预期的。
另外，所接收光学功率还对MMF 40的扰动极为敏感，这在本领域中是不可避免的。因此，功率摆动将太大(例如，大于1dB至2dB)以致于不能确保可靠的由比特错误率测量所计量的性能。比特错误率一直是通过使用针对接收信号的特定阈值来测量。如果信号的总水平也显著地上下漂移，那么将产生显著的比特错误。
另一方面，当使用具有较大芯部的模态调节光纤150时，可大部分地消除对单模光纤观察到的缺点。在上述实验中，两个短的模态调节光纤150由上述可商购的较大有效面积(和因此较大MFD)单模光纤制成，所述单模光纤具有放置在两个光纤端部中的LC连接器。在1550nm下光纤的标称有效区域为大约150μm2以便所估算芯部直径Dc＝13.8μm，这接近于大约15μm的最佳值。
上述实验使用在约1310nm下以10Gb/s操作的LRM收发器25。应注意，LRM收发器25的接收器30为多模接收器，以便其可接收/俘获从用于实验中的光纤输出的光。MMF光纤110由MMF 40(OM3)的四个跨距段形成，所述跨距段具有300m、50m、300m和100m的相应长度以及750m的总长度。MMF 40的每一跨距段与LC连接器27接插并且配接在一起以形成750m MMF光纤。MMF 40的每一端利用LC连接器(参见图5E)与跳线连接以形成光纤110。跳线的另一端***LRM收发器25中的发射器和接收器端部中。
在转到其他测试之前，测量信号至少20分钟是无错误的。通过在数个可接近地方摇动光纤110，来自光纤的输出端的功率摆动仅为0.15dB，这完全在可接受范围内。与不具有跳线光纤的情况相比，光纤的使用引起大约1.5dB的功率损耗，这也完全在可接受范围内。
在另一实验中，使用MMF光纤110，其具有MMF 40(OM3)的三个跨距段，所述跨距段的相应长度为300m、50m和300m，达到650m的总MMF长度。获得了类似的结果，具有在20分钟内的无错误BER性能和极少的由扰动导致的功率摆动。
图7A为示例性***104的示意图，其中SM发射器20S与接收器30之间的光学路径包括通过干线电缆220光学连接的两个分线模块200。分线模块200包括前端部202和后端部204。干线电缆220还包括接插式端部222，所述接插式端部222分别连接至两个分线模块200的后端部204处的适配器214。接插式跳线电缆或“跳线”250用于将SM发射器20S连接至在相邻分线模块200的前端202处的适配器212。同样地，跳线250用于将接收器30连接至相邻分线模块200的前端202处的适配器212。
图7B类似于图7A，但是分线模块200，***104取而代之包括两个分线带具270，例如，MPO至LC带具。分线带具270包括通过提供与设备端口的直接连接而避免需要跳线250的连接器274。
图7C示出如图7B所示的分线带具270的实例。关于图7B和7C，分线带具(还称为“扇出”电缆)270包括主要部分271，所述主要部分271携带(例如包封)多个MMF 40。主要部分271包括分叉点275，其中来自主要部分271的MMF 40在分叉位置275处分线成具有通过连接器274端接的一个或多个MMF的分支或支路272。连接器274可为例如单光纤连接器、双工LC型连接器等。支路272的至少一部分包括模态调节光纤150。主要部分271的与分叉位置275相对的一端通过至少一个主要连接器273来端接。图7C的配置提供分线带具270，所述分线带具具有内置式模态调节能力。在实例中，分线带具270将在连接器273处的MPO连接器输入端与连接器272处的LC连接器输出端连接。也可使用在分线带具270的任一端处的其他连接器格式。
图8A为示例性跳线250的近距离视图。跳线250包括处于相对端部处的连接器252A和252B。跳线250包括相邻连接器250A的模态调节光纤150的区段，而跳线的剩余部分包括MMF 40。两个光纤示出为在位置256处接合，在实例中，所述位置包括拼接件。跳线250因此具有在用于连接至接收器30时的内置式模态过滤能力，和在用于连接至发射器20S时的内置式模态转换能力。在实例中，跳线250包括标志，所述标志示出何处定位有模态过滤光纤150以便可将其定位成最接近于SM发射器20S。在实例中，跳线250包括双光纤连接器252，如连接器或双工单光纤连接器，如SC或LC连接器(参见，例如，图5E)。
图8B为示例性分线模块200的横截面图，所述示例性分线模块200包括模块外壳201，所述模块外壳201限定前端202、后端204和内部206。分线模块内部206容纳光纤阵列208。分线模块200的前端202包括一个或多个前端适配器212，并且分线模块的后端204包括一个或多个后端适配器214。前端适配器212和后端适配器214可为MPO适配器。在实例中，前端适配器212可被配置为并联光学适配器、LC适配器、SC适配器、适配器等。
光纤阵列208由光学连接至(例如，串级至)相应MMF 40的模态调节光纤150构成，其中模态调节光纤的端部与***前端适配器212中的连接器213端接，并且MMF的自由端与***后端适配器214中的连接器(未示出)端接。光纤阵列208被配置来在前端适配器212与后端适配器214之间提供选定光学连接配置。下文描述这类选定光学连接配置的实例。
干线220被示出为例如包括两个多光纤支路220L，所述多光纤支路220L分别经由连接器222光学连接至两个后端适配器214。同样地，跳线250经由前端适配器212光学连接至模块200的前端202。因此，前端适配器212和后端适配器214分别用以提供用于跳线连接器252B和干线连接器222的连接位置，以便完成在SM发射器20S与接收器30之间的光学路径，如图7A所示。
模块200的其他配置是可能的，例如，单一后端适配器214，其包括所有必要的光纤连接位置，用于前端适配器212的不同位置和/或定向等。图8B的配置提供具有内置式模态调节能力的模块200。
图8C为模态调节光纤组件(“光纤组件”)300的示例性实施方案的示意图。光纤组件300可体现为上述分线模块200或体现为上述分线带具270。光纤组件300由两个光纤阵列310T和310R构成，所述光纤阵列分别包括模态调节光纤T(实线)和R(虚线)，其各自由MMF40和模态调节光纤150的区段形成，如图的右手侧的近距离插图中所说明。
光纤组件300示出为例如包括N＝24个光纤，其中每一光纤阵列310T和310R具有N/2＝12个光纤T和R。一般来说，N为大于2的偶数，并且N＝24的选择单纯出于说明目的。在实例中，光纤T编号为1至12，并且光纤R编号为13至24。更一般来说，对总共N个光纤来说，光纤T编号为1至N，并且光纤R编号为(N/2)+1至N。
光纤组件300包括在一侧(左侧)上的第一连接位置320，此处T光纤和R光纤的一侧成对地端接，表示为(T,R)。在示例性实施方案中，配对连接位置320可由一个或多个连接器适配器或一个或多个光纤连接器限定，如上文结合分线模块200和分线带具270所讨论的双工连接器、双光纤连接器等。
光纤组件300还包括在另一侧(右侧)上的第二连接位置330，此处光纤T和R的另一侧成组或成区段的端接，如由(T)和(R)表示。在示例性实施方案中，连接位置330可由一个或多个连接器适配器或一个或多个光纤连接器等限定，如上文结合分线模块200和分线带具270所讨论。
在所示实例中，使用两个多光纤连接器332R和332T，所述多光纤连接器分别限定用于在光纤组件300的右侧上的光纤R和T的连接位置330。在另一实例中，使用单一连接器332，所述单一连接器332包括用于光纤R的第一排或平面(组)的连接位置和用于光纤T的第二排或平面(组)的连接位置。因此，连接位置330用于分离和组群光纤R和光纤T。
在各种实例中，模态调节光纤150可驻留在光纤阵列300的左侧上的连接位置320与光纤阵列的右侧上的连接位置330之间的任何处。模态调节光纤150也可跨越连接位置320与330之间的全距离，以使得MMF 40不为模态调节光纤组件300的一部分。
在优选实施方案中，通过定义简要表示为(T),(R)→(T,R)的光纤组件300的双工光纤对来维持***极性，其中在左侧的发射光纤T和接收光纤R的配对(T,R)可写为(T,R)，其中T＝1至(N/2)并且R＝((N/2)+l)至N。光纤组件300内的光纤T和R的这种配置减少在以下情况中的制造复杂性：性能优化或成本考虑可规定仅使用模态转换光纤或模态过滤光纤，或要求模态转换光纤和模态过滤光纤具有不同光纤类型。进一步公开的是，***极性的适当维持要求干线220的连接器在干线的每一端处以一方式配接至光纤组件300，所述方式使得干线220的每一端上的光纤阵列310T的每一传输光纤被放置成与干线的另一端上的光纤阵列310R的接收光纤光学通信，并且由此形成的光纤路径应如上文所述在每一端处配对。作为实例，对图8B的在每一端上具有两个支路220L的24光纤干线220来说，其中每一支路与12光纤MPO连接器端接并且随后在每一端上配接至体现图8C的示意图300的光纤组件，并且其中332T和332R为12光纤MPO型连接器，所需极性可通过以下方式实现：将每一干线支路220L的光纤定向并端接在干线的一端上并以1至12的前向光纤顺序进入MPO连接器中，并且将每一干线支路220L的光纤定向并端接在干线的另一端上并以12至1的反向光纤顺序进入MPO连接器中。在干线的一端处配接至连接器332T干线支路220L和在干线的另一端处配接至连接器332R的干线支路220L必须彼此处于光学通信。
本公开的方面包括在***104的一个或多个部件处提供模态过滤光纤150，例如，***的一个或两个端部处的跳线250；分线模块200；分线带具270；光纤组件300；沿光学路径任何处使用的连接器以建立用于光学路径的光学连接；或这些部件的组合。同样地，本公开的方面包括在MMF 40的一个或两个端部处提供模态调节光纤150，如图5A至5D的实施方案所示。模调节光纤150的相对短的长度LF允许一个或多个模态调节光纤构成光学路径的相对小的部分，如足够小以便至少部分地装配在上述连接器内或整体地装配在上述连接器内。在适宜时，模态调节光纤150的长度LF可制成长于2cm，例如，其可为一米或多米长。
本领域的技术人员将明白的是，可在不脱离如随附权利要求书中定义的本公开的精神或范围的情况下，对如本文所述的本公开的优选实施方案做出各种修改。因此，本公开涵盖所述修改及变化，前提是所述修改和变化属于随附权利要求书和其等效物的范围内。

Claims (35)

1.一种用于传输数据的光学传输***，其包括：
单模发射器，所述单模发射器产生具有在800nm与1600nm之间的波长的调制光；
光学接收器，所述光学接收器被配置来接收并检测所述调制光；
多模光纤，所述多模光纤限定所述单模发射器与所述光学接收器之间的光学路径，所述多模光纤具有折射率分布，所述折射率分布被配置来传输处于约850nm的操作波长下的光；
至少一个模态调节光纤，所述至少一个模态调节光纤可操作地设置在所述光学路径中并且具有至少5mm的长度和芯部直径DC，并且其中10μm<DC<50μm；和
至少2GHz·km的模态带宽。
2.根据权利要求1所述的光学传输***，其中所述至少一个模态调节光纤具有在0.2≤Δ0≤2.0％范围内的芯部差值Δ0。
3.根据权利要求1所述的光学传输***，其中所述至少一个模态调节光纤包括处于所述操作波长下的单模光纤或少模光纤。
4.根据权利要求1所述的光学传输***，其中由所述单模发射器产生的所述调制光的所述波长标称为1300nm。
5.根据权利要求1所述的光学传输***，其中所述光学路径包括具有光纤阵列的分线模块或分线带具，所述光纤阵列包括所述多模光纤的区段，并且其中所述至少一个模态调节光纤可操作地附接至所述多模光纤区段。
6.根据权利要求1所述的光学传输***，其中所述光学路径包括至少一个跳线，所述至少一个跳线具有所述多模光纤的区段，并且其中所述至少一个模态调节光纤可操作地附接至所述多模光纤区段。
7.根据权利要求1所述的光学传输***，其中所述模态调节光纤的所述芯部直径DC在12μm至23μm范围内。
8.根据权利要求1所述的光学传输***，其中所述模态调节光纤包括单模光纤，其中10μm<DC<23μm。
9.根据权利要求1所述的光学传输***，其进一步包括至少10Gb/s的数据速率。
10.根据权利要求1所述的光学传输***，其进一步包括至少25Gb/s的数据速率。
11.根据权利要求1所述的光学传输***，其中所述至少一个模态调节光纤包括以下至少一个：
a)模态转换光纤，所述模态转换光纤相邻所述单模发射器布置；
b)模态过滤光纤，所述模态过滤光纤直接相邻所述接收器布置。
12.一种用于传输数据的光学传输***，其包括：
第一收发器和第二收发器，所述收发器各自包括单模(SM)发射器，所述发射器产生具有在800nm与1600nm之间的波长的调制光，并且所述收发器各自包括光学接收器，所述光学接收器被配置来接收并检测所述调制光；
第一多模光纤，所述第一多模光纤限定所述第一收发器的所述SM发射器与所述第二收发器的所述接收器之间的第一光学路径；
第二多模光纤，所述第二多模光纤限定所述第二收发器的所述SM发射器与所述第一收发器的所述接收器之间的第二光学路径；
其中所述第一多模光纤和第二多模光纤具有折射率分布，所述折射率分布被配置来传输处于约850nm的操作波长下的光；
至少一个第一模态调节光纤，所述至少一个第一模态调节光纤可操作地设置在所述第一光学路径中；
至少一个第二模态调节光纤，所述至少一个第二模态调节光纤可操作地设置在所述第一光学路径中；
其中所述至少一个第一模态调节光纤和至少一个第二模态调节光纤各自具有至少5mm的长度和芯部直径DC，其中10μm<DC<50μm；和
其中所述第一光学路径和第二光学路径各自支持至少2GHz·km的模态带宽。
13.根据权利要求12所述的光学传输***，其中所述至少一个第一模态调节光纤和所述至少一个第二模态调节光纤各自具有在0.2≤Δ0≤2.0％范围内的芯部差值Δ0。
14.根据权利要求12所述的光学传输***，其中所述至少一个第一模态调节光纤和至少一个第二模态调节光纤各自包括处于所述操作波长下的单模光纤或少模光纤。
15.根据权利要求12所述的光学传输***，其中由所述第一收发器和第二收发器的所述单模发射器产生的所述波长标称为1300nm。
16.一种在光学传输***的光学路径上传输光学信号的方法，其包括：
产生单模调制光学信号，所述单模调制光学信号处于在800nm与1600nm之间范围内的波长下；
在光学路径上传输所述光学信号，所述光学路径具有至少2GHz·km的模态带宽并且由具有折射率分布的多模光纤的长度限定，所述折射率分布被配置来最佳地传输处于约850nm的操作波长下的光；
利用至少一个模态调节光纤进行所述传输光学信号的模态调节，所述至少一个模态调节光纤可操作地设置在所述光学路径中并且具有至少5mm的长度并具有芯部直径DC，其中DC<50μm；和
在接收器处接收所述传输和模调节光学信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述调制光学信号的所述波长标称上为1300nm。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述光学路径包括具有光纤阵列的分线模块或分线带具，所述光纤阵列包括所述多模光纤的区段，并且其中所述至少一个模态调节光纤可操作地附接至所述多模光纤区段。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述光学路径包括至少一个跳线，所述至少一个跳线具有所述多模光纤的区段，并且其中所述至少一个模态调节光纤可操作地附接至所述多模光纤区段。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述模态调节光纤的所述芯部直径DC在10μm至23μm范围内。
21.根据权利要求16所述的方法，其中所述光学路径支持至少10Gb/s的数据速率。
22.根据权利要求16所述的方法，其中执行所述模态调节包括以下至少一个：
a)使用相邻所述单模发射器布置的至少一个模态转换光纤进行模态转换；和
b)使用直接相邻所述接收器布置的至少一个模过滤光纤进行模态过滤光纤。
23.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个模态调节光纤包括处于所述操作波长下的单模光纤或少模光纤。
24.一种N个光纤的光纤组件，其包括：
第一光纤T的第一光纤阵列和第二光纤R的第二光纤阵列，其中所述第一光纤阵列和第二光纤阵列的第一端部端接在第一连接位置处，并且所述第一光纤阵列和第二光纤阵列的第二端部端接在第二连接位置处，
其中第一光纤阵列T和第二光纤阵列R的光纤对(T,R)限定在所述第一连接位置处。
25.如权利要求24所述的光纤组件，其中所述第一光纤阵列T包括光纤1至N/2并且第二光纤阵列R包括光纤[(N/2)+l]至N，其中N为大于2的偶数。
26.根据权利要求24所述的光纤组件，其中所述第一光纤阵列的至少一个光纤或所述第二光纤阵列的至少一个光纤包括模态调节光纤，所述模态调节光纤具有5mm或更大的长度和<50微米的芯部直径DC。
27.根据权利要求26所述的光纤组件，其中所述模态调节光纤的所述芯部直径DC在10μm至23μm范围内。
28.根据权利要求26所述的光纤组件，其中所述光纤组件被配置为分线模块或分线带具。
29.根据权利要求24所述的光纤组件，其中所述第一光纤阵列的至少一个光纤由至少一个特性与所述第二光纤阵列的至少一个光纤区别。
30.根据权利要求29所述的光学组件，其中所述至少一个特性为折射率分布、芯部大小、模场直径、包层直径、组成或长度。
31.根据权利要求29所述的光学组件，其中所述至少一个特性为带宽距离积、偏斜、差动模态延迟、衰减性能、弯曲灵敏度、模态分散、色散度、极化模分散、截止波长或在给定操作条件下支持的传输方式。
32.根据权利要求29所述的光学组件，其中所述至少一个特性为长度。
33.一种具有多个光纤的模态条件光纤组件，其中至少一个光纤包括具有5mm或更大的长度的模调节光纤的长度和芯部直径DC，其中DC<50微米。
34.根据权利要求33所述的模态调节光纤组件，其中所述模态过滤光纤的所述芯部直径Dc在10μm至20μm范围内。
35.根据权利要求33所述的模态调节光纤组件，其中所述光纤组件被配置为分线模块或分线带具。
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