CN101120526B - 多模光纤上的高比特率光通信 - Google Patents

Abstract

一种光通信系统包括发射机，该发射机接收来自光源的输入光信号并执行滤光，使得来自该发射机的输出信号包括特定一组光纤模式，这组光纤模式被允许通过以便进行进一步处理。接收机接收该输出信号并执行必要的操作，以检索用于表示上述输入信号的信号。

Description

多模光纤上的高比特率光通信

优先权信息

本申请要求2005年2月11日提交的美国专利申请11/056,890的优先权，该申请整体引用在此作为参考。

发明背景

本发明涉及光通信领域，尤其涉及多模光纤上的高比特率光通信。

多模光纤通常用于光通信产业中。通信系统中所使用的大多数多模光纤都具有直径为50微米或62.5微米的纤芯。一些塑料光纤可能具有更大的纤芯直径。这些光纤可以具有阶跃式折射率或径向不断变化的梯度折射率分布。对于所有模式均被激发出来的这些光纤而言典型的带宽-距离乘积(BDP)介于200-2000MHz.km的范围中，较新的梯度折射率光纤占据该BDP范围中较高的一端。这些光纤最初用于≤1.25Gbps通信信道。

目前仍然在寻找各种各样的方法用旧的或新的MM光纤实现更高的BDP。最有希望成功的方法包括发射激光，使得只激发光纤的各种模式中的子集。与光纤的常规BDP(它通常是假定激光已激发出所有模式的情况下计算出的)相比，仔细选出的模式子集具有更小的模式色散。这有效地增大了BDP并且在实验室中显示成增大了MM光纤的有效带宽(EB)，使得它可以符合数据传输需求。

这些限制模式发射(RML)方案中最流行的一个方案是从模式直径为6-10微米的SM光纤发射到离中心有10-15微米偏移的MM光纤。对于许多种光纤类型，这已被视为用于激发模式子集的最有力的手段。在检测器上收集全部接收到的信号。即使使用了RML，在被激发的模式中仍有足够大的模式色散，从而将数据通信速率限制到用户需求以下。因此，随着数据速率增大，可以看到“眼睛闭合”或光纤通道的脉冲响应在数据速率的多个单位间隔上扩展。例如，其折射率偏离理想的平方律折射率分布的62.5微米纤芯光纤可能不支持500米距离上的10Gbps。这使得用低BER很难或不可能直接恢复该信号。因此，接收到的信号接下来经电子处理以便用低BER恢复出原始信号。用于“清理”的方法可以使用纠错码(ECC)和信号处理的组合，以提供电子模式色散补偿。

大多数报道的为增大EB所作的努力都花费在激发模式子集这方面。该领域的许多工作已导致识别出了一组模式，这组模式具有用于高速传输的可接受的BDP。理想情况下，需要挑选出具有如下特征的加强的组：(i)该组中的模式在沿光纤传播的过程中具有很少来自其它组的模式的激发；(ii)完全混合在该组之内，使得激发的诸多细节均平均化，从而产生在接收机上的可靠输出；以及(iii)适用大多数已安装的光纤类型。已证明很难满足上述所有的要求，所以可以设计一种简单且通用的电子色散补偿器。目前，偏移模式发射与EDC一起被视为一种可行的解决方案。

目前需要使用这些遗留的光纤来传输4-10Gbps范围中的更高带宽信号且至少传输300米的距离。因此，需要BDP介于900-2100MHz.km的范围中。这些光纤比单模光纤更受偏好，因为它们很容易耦合、熟悉和重新安装。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种光通信系统。该光通信系统包括发射机，该发射机接收来自光源的输入光信号并执行滤光，使得来自该发射机的输出信号包括特定一组光纤模式，这组光纤模式被允许通过以便进行进一步处理。接收机接收该输出信号并执行必要的操作，以检索用于表示上述输入信号的信号。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于配置光通信系统的方法。该方法包括提供一发射机，该发射机接收来自光源的输入光信号并执行滤光，使得来自该发射机的输出信号包括特定一组光纤模式，这组光纤模式被允许通过以便进行进一步处理。此外，该方法还包括提供一接收机，该接收机接收该输出信号并执行必要的操作，以检索用于表示上述输入信号的信号。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于进行光通信的方法。该方法包括：接收来自光源的输入光信号；以及进行滤光，使得来自发射机的输出信号包括特定一组光纤模式，这组光纤模式被允许通过以便进行进一步处理。此外，该方法还包括接收该输出信号并执行必要的操作以检索用于表示上述输入信号的信号。

附图说明

图1是曲线图，示出了根据本发明所用的各种模式的激发；

图2是曲线图，示出了计算出的到各种主要模数v的耦合，作为离中心的偏移的函数；

图3是示出了本发明的模式滤光技术的示意图；

图4是曲线图，示出了光纤基模的激发和检测；

图5是曲线图，示出了用于激发输出波导的基模和二阶膜的MZI的“0”和“π”状态；

图6是示出了多模耦合器结构的示意图；

图7是示出了本发明的模式滤光技术的备选实施方式的示意图；

图8是示出了模式划分通信系统的示意性方框图；以及

图9是示出了模式切换系统的示意性方框图。

具体实施方式

本发明通过同时使用下列做法来尝试增大MM光纤的EB：(i)来自发射机的特殊形式的受限模式发射；以及(ii)位于输出处的光学滤波器，该滤波器只让特定一组光纤模式通过并且在光信号被光电二极管检测到之前滤除了不需要的模式。上述输出处的光学滤波器是复杂的线性滤波器的示例，使得可以在发射机处选择光纤的各模式的任何线性组合以便进行激发并且在接收机处选择以便进行检测前的过滤。

实现上述概念的最简单方法将是只激发光纤中的基模，基模通常标记为LP₀₁。这是线性偏振模式，并且可以在光纤中主要激发出具有恰当匹配的高斯光束的基模。下文将使用高斯光束，其光腰w的定义如下：

$E_G\left(r\right)=e^{-{\left(\frac{r}{w}\right)}^2}$  方程1

通过选择透镜和其它匹配光学系统，便可以选择光腰w，从而主要激发光纤的基模。例如，对于阶跃折射率光纤而言，可以选择w以使90％的光耦合到MM光纤的基模中。成像光学系统可以简单地将SM光纤的基模(它也是LP₀₁)调整到MM光纤的基模。位置和角度的未对准将激发出(不需要的)更高阶的模式。此外，沿光纤长度方向上的散射、弯曲和其它缺陷将使来自单个模式(本示例中选择成LP₀₁)的信号转移到其它干涉模式中。可以将复杂的光纤系统的脉冲响应写成：

 方程2

其中η_lm、τ_lm、β_lm和m_lm(r)表示振幅、模式群延迟、传播常数以及光纤的归一化模场分布，下面的图中示出了用两个指数标记的各个模式。

模式激发光谱η_lm取决于特定的信号发射技术。在方程2中，输出处的振幅η_lm可以与输入一样，或者可以因沿光纤传播路径存在模式混合而有所变化。在强模式混合的情况下，计算出的模式延迟和激发振幅可以与测得的模式延迟和激发几乎没什么关系，因为数据已沿多个逻辑路径前进，每个逻辑路径都具有相应的信号延迟。现实中，对于短距离传输而言，已观察或假定了下列内容：(a)输出模式激发光谱涉及输入模式激发，这就是为什么RML仍然有效；(b)传播过程往往使电场分布相似且传播常数非常接近的多个模式混合起来。这些均由主模数v＝2m+l来进行更方便地归类，其中m是径向折射率，而l是图1左边所示的方位角的指数(azimuthal index)；以及(c)最低价模式最易受光纤正中心的折射率分布中的误差影响。

通过一种被称为偏移模式发射的技术，最后一条观察已被用于增大光纤的EB。在这种情况下，更高阶模式被激发，这些模式不易受光纤中心的折射率缺陷影响，因为如图1所示这些模式在中心处的电场为零。相同的逻辑应用于在光纤中使用有一定角度的发射，这也激发更高阶模式。通过评估这些模场与输入场的重叠积分，这些模场可以用于估计激发光谱。此外，可以使用关于模式耦合的各种理论或实验观测数据来根据输入激发光谱预测输出激发光谱。

图2示出了计算出的到各种主模数v的耦合作为离中心的偏移的函数。关于MM传输的大多数实验都将注意力聚集在下列两点上：使用接收机收集从光纤中出射的所有光线；以及测量电脉冲响应。电脉冲响应是非线性的，因为光子检测器是平方率器件。因此，即使下面的作为传输系统的MM光纤可以被视为复杂的线性滤波器，电响应也不是线性的。这是因为该电响应可以定义如下：

    方程3

其中积分是在整个检测器表面上进行的，并且尖括号对应于一周期内的时间平均，该周期不比脉冲宽度T短很多。

当然，如果成像系统被用于收集从MM光纤中出来的光，则方程2中的各个模式应该通过合适的手段(比如菲涅耳积分)穿过成像系统传播到检测器。方程3中检测器表面上的积分将不导致交叉项的抵消，因为：(a)不同信道中都有延迟，因为必须首先进行时间积分；以及(b)在穿过成像系统传播到检测器上之后，这些模场通常不形成正交函数组。

正是这电信号中交叉项极难分离并且还依赖于各光纤模式的相对相位和激发光谱。因此，在关于MM数据传输的许多讨论中，都努力通过作出关于数据传输特性的其它假设来再现观察到的脉冲响应函数h_e(t)。此外，这些交叉项对相对光学相位很敏感，并且将额外的噪声添加到测得的电信号中。

本发明除去或滤除了不想要的干涉模式，这些模式是沿传播路径由光纤缺陷引起或者由发射处的模式激发光谱(在光检测器之前会被过滤)引起。这是通过插入一个模式过滤器来实现的，通常该模式过滤器选择输入模式的线性组合。因此，在方程2的求和过程中只有那些想要的项才被光检测器检测到。对于单一模式选择的情况，所有的交叉项都消除了并且等价SM光纤的全部带宽都可以使用。

在模式过滤的一种实现方式中，作为一种发射机设计，使用了中间SM光纤。图3示出了发射机一侧的模式滤波器2与接收机一侧的模式滤波器4相似。发射机一侧的模式滤波器2包括激光光源、SM光纤耦合器8、SM光纤10和MM光纤14，其中SM光纤10将模式转换器12耦合到SM光纤耦合器10。接收机一侧的模式滤波器4包括傅立叶平面18、SM光纤20和检测器22。与SM光纤10相结合作为一种复杂的模式选择滤波器，透镜16便可以用作MM光纤14的模式分布的傅立叶变换器。SM VCSEL可以用作激光光源6，激光模式分布可以由高斯来充分描述，因此，可以直接将SM VCSEL模式成像到MM光纤14的基模。对于边发射器，输出光束是椭圆的，并且使用SM光纤10作为中间步骤简单地消除了像散，但显然引入了额外的耦合损耗。

为了简便，可以用LP01模式或基模来说明上述概念，但是该概念并不限于只激发和检测基模，就像图4所示的那样。主要激发基模是很容易的。在接收机端选择单独激发出的基模进行检测，由此消除了由其它“不想要的”模式所产生的信号传播延迟。在某些情况下其后跟着检测器的常规空间滤波器(比如针孔)已足够了，但是所起的作用通常无法像SM波导那样好，它应该是光纤或集成光学器件。接收机光学系统设计成与发射机光学系统结合在一起。透镜以及位于透镜的傅立叶平面中的SM波导(图4中显示成SM光纤)充当光学模式滤波器。通过仔细选择透镜的焦距，MM光纤的基模匹配于位于上述傅立叶平面中的SM光纤。

如图4所示，可以看到，更高阶模式的场分布较弱地耦合到SM光纤20中。这可以通过如下步骤来显示：在SM WG的输入处，计算在SM波导(光纤20)的基模以及成像系统之后的MM光纤的各个输入模式的模式电场图形之间的重叠积分。这种计算显示出，通过选择成像系统(例如透镜16)，只有MM光纤的基模才可以在SM波导或光纤20中产生相当大的激发。

此外，即使有到SM光纤/波导20的更高阶模式的耦合或到“泄漏”模式的耦合，通过在到达检测器之前使用弯曲或使用带有闭合曲线的波导，这些耦合都可以在到达检测器之前被进一步衰减。

图4示出了在变换平面中的各种场图形。只需显示出沿径向坐标的场，因为角度依赖性的形式为e^ilθ。注意连续的(l，m)模式是如何空间分离并形成同心圆的区域的。结果是，主要模数v表示(l，m)模式的组合，这些模式在傅立叶平面中形成了半径不断增大的多个区域。对于二次折射率光纤而言，这转而意味着，这些区域还对应于与LP₀₁模式有关的几乎单调减小的群延迟。这是因为，在标准WKB-类型近似中，对于相同的v而言，群延迟和传播常数是相同的。因此，对于按正交模式编码的多个信号而言，同心分段检测器将像MDM检测器那样使用。该结果可以被一般化并显示如下，合适的模式滤波器与一组检测器结合在一起便可以用于分离不同模式组中的不同数据流。

实践中，通过使用V型槽(其中MM光纤、梯度折射率透镜和SM光纤都对齐了)便可以实现整个组件。另外，可以对检测器使用集成SM波导耦合器，以进一步简化MM接收机的设计。在用发射机一侧的边发射激光器以激发最低价模式或执行偏移发射的情况下，可以使用相似的解决方案。

本发明允许使用其它光学组件来激发一组更高阶模式。因此，本文的概念不限于光纤的高斯型模式。例如，圆锥形的折射元件将来自激光器的高斯光束变为环形电场分布，该环形电场分布转而激发出更高阶模式组。相似的元件可以相反地用在接收机处。作为另一个示例，可以用分束器和组合器组件或分束相位光栅主要地激发出LP₁₁模式。

很清楚，具有Mach-Zhender干涉仪(MZI)型几何机构的波导可以被用于激发更高阶模式。例如，如果来自MZI的输出波导支持两个模式，则MZI的“0”和“π”状态将分别激发出该输出波导的基模和二阶模式，就像图5所示那样。

可以看出，这可以通过使用多模干涉耦合器(MMI)23而适用于多个模式。MMI24的输出耦合到一组波导25。穿过各个波导的光的相位和振幅接下来被控制信号28调制，以便在多模输出26处主要地激发出输出波导的特定模式，就像图6所示。通过使用公知的基于波导的调制器技术(比如MZI或环形谐振器)，便可以实现相位和振幅控制。

这些元件的每一个都是可逆的，即它们都可以用在接收机端，以便将更高阶模式往回转换到高斯型模式中，该模式可以用SM波导/光纤进行过滤。因此，在挑选模式和提供复杂的线性模式滤波元件等方面，这些波导可以提供极大的灵活性。可以很容易地显出，基于多模干涉的耦合器是灵活的模式滤波器的最简单版本。还很重要的是，注意到，本文所描述的概念应用于任何用于信号传输的多模波导。可以想像，将基板上“印刷的”矩形横截面的多模波导用于板对板或芯片对芯片的通信。这些波导可以具有与光子芯片上的平面波导兼容的模场直径，使得通过在传输印刷波导中激发出多个正交模式的线性组合从而产生基于MDM的多信道的通信。这些可以在接收端通过使用芯片上的波导进行滤波，从而对信号信道进行解密。这可以提供用于高密度通信的最低成本的方法。

应该理解，这允许进行一些非常感兴趣的光交换。为了使通信信道从模式m₁切换到模式m₂，需要创建“可编程的模式转换器”。如关于MZI、MMI所讨论的那样，许多其它普通的部件现在都可以被视为可编程的模式转换器。因此，基于MDM的通信系统可以在不需要使用波长转换器(被模式转换器替代)和高度可靠的谐振结构来分离诸多波长的情况下实现交换，因为大多数模式转换器可以基于具有相等光程的空间干涉。还可以降低对激光光源的波长稳定性的要求，从而使低成本多信道的高速通信成为可能。

在本发明的另一个实施方式中，多模光纤30的末端可以是锥形的。随着半径逐渐减小，以最高的v开始的多个模式将以这样一种方式辐射出去，使得透镜32的效果将是在检测器34处所形成的成像平面上使它们分开。每个模式组都可以被分开，并且使其入射到同心的检测器阵列34上，就像图7所示。

图8是示出了模式划分通信系统40的示意性方框图。模式划分通信系统40主要用于提供在定义好的模式范围中的光通信，这可用于常规光通信中。在这种情况下，模式划分通信系统40包括两个发射机42、44，它们发射具有两个分开的模式组，分别被定义为模式组1和模式组2。发射机42、44将其输出信号提供给模式滤波器46，模式滤波器46选择合适的模式使它们穿过信道通信光纤48。在这种情况下，模式滤波器46被用作两个模式组的组合器。信道通信光纤48接下来用于传输这两组模式。在这种情况下，相同的物理信道，即光纤48，被用于传输来自这两个信道的信息，在这两个信道中发射机42和44可能使用了相同的传输波长或者可能没有使用相同的传输波长。

第二模式滤波器50选择合适的模式并将它们发送到接收机52或54。注意到，接收机52、54将接收不同的信息信道，因为模式滤波器50传递了与发射机42和44相对应的合适的模式组。因此，接收机52和54处理像模式组1或2所定义的那些不同的模式组。注意到，这些是用于发射机42、44的相同的模式组。来自接收机52、54的输出信号被转发到信号提取器件56，以便将光信号转换成合适的电信号等价物。此处所示的方法可以适用于多于两组的发射机和接收机。

图9是示出了模式切换系统60的示意性方框图。这与图8相似。模式切换系统60主要用于提供在定义好的模式范围中的光交换，这可用于常规光通信。在这种情况下，该模式切换系统60包括两个发射机62、64，它们发射具有两个分开的模式组，分别被定义成模式组1和模式组2。发射机62、64将其输出信号提供给模式滤波器66，该滤波器66选择合适的模式让它们穿过信道通信光纤68。同样，模式滤波器66被用作这两个模式组的组合器。信道通信光纤68接下来被用于传输这两组模式。现在，为了交换接收机74和76的输出，额外的元件70被插入光纤68和模式滤波器72之间。元件72、74、76和78的操作分别与元件50、52、54和56相似。差别在于，根据提供给模式交换器的控制信号71，交换器70使与数据信道1和2有关的模式组互换。这是通过像图5所示的MZI这样的装置来实现的。

这种模式交换器的目的将是有效地交换数据路径。通过使用电交换系统，可以切换高速光学数据路径。输入的光学数据被转换成电信号，然后被交换，并且该输出被转换成光信号。过去，曾提出过许多在没有光电转换和电光转换的情况下交换高速数据的方案。避免电转换的动机包括功率、尺寸、成本以及复杂性等方面的减小。之前提出过的光学交换方法包括移动的镜子、波长变换器、各类耦合波导的电光或热光调制等。在本发明中，各种模式被交换。因此，将单个小巧的输入和输出信道用于通信的优点在于：不需要使用精确波长稳定的激光器以及利用非线性光学系统的复杂的波长变换器，这是波分复用系统所具有的优点。相反，可以使用耦合波导设计以及电光或热光或一些其它光学效应的公知方法，以交换与数据信道有关的模式。

本发明不限于常规光纤的使用，而可以应用于支持多个模式的任何波导。这可以是塑料或玻璃波导，形成用于数据的“底板”。这可以是在芯片上，用于将数据从该芯片的一个部分传输到另一个位置。可以使用术语光纤来表示所有此类波导信道。

尽管上文结合若干较佳实施方式显示并描述了本发明，但是在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对其形式和细节作出各种改变、省略和添加。

Claims (7)

1.一种光通信系统，包括：

至少两个发射机，接收来自光源的输入光信号并发射具有至少两个分开的模式组的信号；

第一模式滤波器，从所述发射机接收信号并选择合适的模式使得所述信号穿过信道通信光纤；

第二模式滤波器，从所述信道通信光纤接收信号，选择与所述第一模式滤波器选择的模式相对应的模式；以及

至少两个接收机，接收所述第二模式滤波器所选择的模式以处理与所述发射机相同的模式组。

2.如权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，所述第一模式滤波器用作所述发射机的模式组的组合器。

3.如权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，

所述光通信系统包括两个发射机和两个接收机，所述光通信系统还包括：

模式交换器，所述模式交换器连接在所述信道通信光纤和所述第二模式滤波器之间，用于互换所述发射机的模式组。

4.一种用于配置光通信系统的方法，包括：

提供至少两个发射机，所述发射机接收来自光源的输入光信号，并且发射具有至少两个分开的模式组的信号，

提供第一模式滤波器，从所述发射机接收信号并选择合适的模式使得所述信号穿过信道通信光纤；

提供第二模式滤波器，从所述信道通信光纤接收信号，选择与所述第一模式滤波器选择的模式相对应的模式；以及

提供至少两个接收机，接收所述第二模式滤波器所选择的模式，并且处理与所述发射机相同的模式组。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一模式滤波器用作所述发射机的模式组的组合器。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述光通信系统包括两个发射机和两个接收机，所述光通信系统还包括：

模式交换器，所述模式交换器连接在所述信道通信光纤和所述第二模式滤波器之间，用于互换所述发射机的模式组。

7.一种用于进行光通信的方法，包括：

由至少两个发射机接收来自光源的输入光信号并且发射具有至少两个分开的模式组的信号；

由第一模式滤波器从所述发射机接收信号，并执行模式选择，使得在信道通信光纤传输具有所述至少两个分开的模式组的信号；以及

由第二模式滤波器选择与所述至少两个分开的模式组对应的模式，利用所选择的模式从所述信道通信光纤接收信号并将所接收的信号传送到检测器。

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