CN101997610B - 向多模光纤末端以线性相位模式匹配发射光的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了向多模光纤末端以线性相位模式匹配发射光的方法和装置。方法和装置被提供来以激励出多模光纤(MMF)中的一个或多个较高阶HMG模式群的方式将光发射到光学链路的MMF的入射面中。激励出MMF中的较高阶HMG模式群增大了链路的带宽，同时还提供了降低的模式噪声。另外，选择性地激励MMF中的一个或多个较高阶HMG模式群确保了发射将提供希望的结果，即使在将MMF的末端连接到光学收发器或发送器的连接器相对于光学收发器或发送器的插座偏移的情况中也是如此。该特征允许了制造连接器和插座时的更大制造容差，因为它们之间的精确对准对于实现成功发射并不至关重要。

Description

向多模光纤末端以线性相位模式匹配发射光的方法和装置

技术领域

本发明涉及在光学波导上发送和接收光信号形式的数据的光通信网络。更具体地，本发明涉及用于提供从光源到光学多模光纤(MMF)一个末端的线性相位模式匹配光发射以激励一个或多个厄米-高斯(HMG，Hermite Gaussion)模式群的方法和装置。

背景技术

在光通信网络中，使用光学收发器来经由光纤发送和接收光信号。光学收发器生成代表数据的、受到幅度和/或相位和/或偏振调制的光信号，这些信号随后经由耦合到收发器的光纤被发送。每一个光学收发器包括发送器侧和接收器侧。在光学收发器的发送器侧，激光光源基于所接收的电数据信号来生成光数据信号，并且光耦合系统在光学上将光耦合或成像到光纤的端面上。激光光源通常由生成特定波长或波长范围的一个或多个激光二极管构成。光学耦合系统通常包括一个或多个反射、折射和/或衍射元件。在光学收发器的接收器侧，光电二极管检测经由光纤传输的光数据信号并将光数据信号转换为电数据信号，该电数据信号随后经接收器侧的电路放大并处理而恢复数据。连接在光纤各个末端上的光学收发器与光纤本身的组合通常称为光纤链路。

在高速光纤链路(例如，10吉比特每秒(Gb/s)及更高)中，通常使用多模光纤(MMF)来承载光数据信号。在这种链路中，诸如链路传输距离之类的某些链路性能特性部分地依赖于光学耦合系统的设计、光纤的模式带宽和激光二极管的相对强度噪声(RIN)。光纤的模式带宽和激光二极管的RIN会受激光到MMF末端的发射状况的影响。发射状况又依赖于激光二极管自身的特性并依赖于光学耦合系统的设计和配置。由于光学耦合系统中通常使用的光学元件的可制造性方面的限制，所以控制发射状况的能力主要受限于设计并配置光学耦合系统以控制其在光学上将来自激光二极管的光耦合到MMF的入射面上的方式。

有时候需要使用较老旧的、先前安装的MMF来创建高数据率MMF链路。通常用于此目的的类型(即，OM1或OM2类型)的MMF通常具有低模式带宽。但是，已知诸如中心发射(CL)技术、偏移发射(OSL)技术、或者这两者的组合(称为双发射(DL)技术)之类的发射技术用于显著地增大MMF链路的模式带宽。为此，这些发射技术已经针对10吉比特以太网链路而被标准化。但是，在例如40Gb/s的更高数据率时，这些发射技术在MMF光学链路的模式带宽方面没有产生足够的增大。因此，需要提供具有更高模式带宽的MMF光学链路的新发射技术。

有时候用来提供具有增大的模式带宽的MMF光学链路的一种方法是仅激励MMF中少量的光纤模式群。例如，已经作出各种尝试来激励MMF中的最低阶模式群以增大链路的模式带宽。但是，这种尝试通常使用CL技术，而已知CL技术在模式带宽方面提供不足够的增大。还提议了在链路的接收器中使用模式光纤以增大链路的模式带宽，但是模式光纤通常向链路引入过多的模式噪声。

为了克服这些问题中的某些，已经提议了如下发射技术：其选择性地激励光学链路的MMF中的一个或多个较高阶模式群以增大MMF光学链路的带宽。例如，公知的是可以使用螺旋发射技术来针对MMF中的较高阶模式群，并且对这种技术的使用已被提议为10GBASE-LRM标准处理的一部分。事实上，使用螺旋发射技术仍然是增大MMF光学链路的带宽的一种有效方法。螺旋发射技术针对MMF中的拉盖尔-高斯(LG，LaguerreGaussian)模式群，并且使用被匹配到MMF的特定LG模式群的径向相位掩膜(radial phase mask)。但是，有理由相信螺旋发射技术可能无法提供对连接器偏移量的很大容差。换言之，如果连接器(其将MMF连接到光学收发器的插座)相对于插座在任意径向方向上偏移，从而在发射中引入一定程度的光学失准，则被定为目标的MMF的LG模式群的相位与被发射到MMF的入射面中的光的相位之间可能存在径向相位失配。由于该径向相位失配，目标LG模式群可能得不到充分激励并且/或者MMF的其它非目标LG模式群可能得到激励。这些不想要的结果的后果可能是未能充分地增大MMF光学链路的模式带宽。

因此，需要能够激励MMF的一个或多个较高阶模式群以增大MMF光学链路的带宽的发射技术。还需要提供希望的增大链路带宽的效果而不会增大MMF光学链路中的模式噪声的这种发射技术。还需要实现了这些目的并且同时提供对连接器偏移量的容差的这种发射技术。

发明内容

本发明涉及用于在光学上将激光发射到多模光纤(MMF)中以激励出MMF的至少一个目标较高阶Hermite Gaussian(HMG)模式群的HMG光学发射装置和方法。该HMG光学发射装置包括激光器、至少一个光学元件和线性相位掩膜。激光器产生激光，该激光由所述至少一个光学元件接收。该至少一个光学元件被定位成接收激光器所产生的激光并被配置为将所接收的激光聚焦到至少一个腰部。线性相位掩膜被定位在如下的位置处：该位置使得激光器所产生的激光被所述至少一个光学元件聚焦到腰部并被引导到线性相位掩膜上。线性相位掩膜配置有这样的相位模式：该相位模式致使将引导到线性相位掩膜上的激光的相位变更为与MMF的目标HMG模式群的相位匹配或基本匹配。激光器、至少一个光学元件和线性相位掩膜被相对于彼此并相对于MMF的入射面定位成使得经相位变更的激光具有在MMF的入射面处与MMF的目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配的腰部。入射在MMF的入射面上的该经相位变更的激光致使激励出目标较高阶HMG模式群，这致使增大了MMF的模式带宽。

该方法包括：利用激光器来产生激光；利用至少一个光学元件来接收由所述激光器产生的激光并将所接收的激光聚焦到至少一个腰部；使由所述激光器产生的激光传递通过线性相位掩膜，该线性相位掩膜被定位在下述位置处：该位置使得所述激光被所述至少一个光学元件聚焦到腰部以致使将激光的相位变更为与MMF的目标HMG模式群的相位匹配或基本匹配；以及将经相位变更的激光引导到所述MMF的入射面上以致使激励出所述MMF的目标较高阶HMG模式群。所述激光器、所述至少一个光学元件和所述线性相位掩膜被相对于彼此并相对于所述MMF的入射面定位成使得所述经相位变更的激光具有在所述MMF的入射面处与MMF的目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配的腰部。对所述目标较高阶HMG模式群的激励致使增大了MMF的模式带宽。

本发明的这些和其它特征和优点将从以下描述、附图和权利要求中变得显而易见。

附图说明

图1图示出了如下MMF的一部分的透视图，该MMF具有用笛卡尔坐标系的x和y坐标定义的入射面，以及用笛卡尔坐标系的z坐标定义的光轴。

图2图示出了根据一示例性实施例、用于在光学上将激光耦合到MMF的入射面上的HMG光学发射装置的框图。

图3图示出了一曲线图，其说明了当图2所示的线性相位掩膜与图2所示的MMF的目标较高阶HMG模式群对准时在线性相位掩膜与目标较高阶HMG模式群之间的关系。

图4是一曲线图，其图示出使用图2所示的HMG光学发射装置来激励由图3所示的曲线之一所代表的目标HMG模式群的方式。

图5A是图示出根据本发明一示例性实施例、使用图2所示的HMG光学发射装置利用大体上呈圆形的光束的发射的HMG模式群功率分布图的示图。

图5B是图示出使用已知的螺旋发射装置利用大体上呈圆形的光束的螺旋发射的LG模式群功率分布图的示图。

图6是图示出根据本发明示例性实施例、使用图2所示的HMG光学发射装置利用椭圆形光束而不是圆形光束的发射的HMG模式群功率分布图的示图。

图7图示出了根据另一示例性实施例的HMG光学发射装置100的框图。

图8图示了代表根据示例性实施例、由例如图2和图7所示的HMG光学发射装置执行的HMG发射方法的流程图。

具体实施方式

本发明涉及的方法和装置用于以激励MMF中的一个或多个目标较高阶Hermite Gaussian(HMG)模式群的方式来将光发射到MMF光学链路的MMF的入射面中。激励MMF中的较高阶HMG模式群增大了链路的带宽同时还提供了降低的模式噪声。另外，使用选择性地激励MMF中的一个或多个较高阶HMG模式群的发射方法确保了即使在将MMF的末端连接到光学收发器或发送器的连接器相对于光学收发器或发送器的插座偏移的情况下，发射也将成功。换言之，使用本发明的用于选择性地激励MMF中的一个或多个较高阶HMG模式群的发射方法确保了即使由于连接器相对于相应插座偏移而存在一定量的光学失准，也将实现链路带宽的充分增大。该特征允许了在制造连接器和插座时的更大制造容差，因为它们之间的精确对准对于实现良好发射结果并不至关重要。

HMG模式群对于与其轴正交的发射偏移量相对并不敏感，HMG模式群的轴通常与HMG模式群传播所沿的MMF的光轴同轴。为此，根据本发明确定了可以使用选择性地激励MMF的一个或多个较高阶HMG模式群的发射技术来增大MMF光学链路的带宽而不会增大模式噪声，与此同时提供了对连接器偏移量的容差。虽然已经提议了用于激励MMF中的较高阶HMG模式群的已知方法，但是所提议的方法都没有探究激励较高阶HMG模式群能够增大MMF光学链路的带宽同时还能够提供对连接器偏移量的容差的可能性。已经提议了许多用于激励较高阶HMG模式群的已知发射技术，例如包括：使被发射到MMF的入射面中的激光束横向偏移、使被发射到MMF的入射面中的激光束有角度地偏移、以及使用将所发射的激光束的幅度和相位与MMF的目标HMG模式群的幅度和相位相匹配的掩膜。

但是，对于所有这些用于激励较高阶HMG模式群的已知发射技术，对准都是至关重要的，因为所发射光束与MMF的入射面之间的不想要的失准会产生不希望的结果。因此，用于激励MMF中的较高阶HMG模式群的这些所提议已知发射技术通常不能提供较大的连接器偏移量容差。另外，制造对幅度和相位二者进行匹配的掩膜的任务可能相对较难。因为本发明的发射方法和装置不需要在与HMG模式群的轴正交的方向上的完美对准，所以此发射方法和装置提供了更大的连接器偏移量容差，这简化了与制造本发明的装置中使用的掩膜相关联的任务。

根据本发明，使用线性相位掩膜来对MMF的入射面处的所发射激光束的相位与MMF的目标较高阶HMG模式群的相位进行匹配。光学收发器或发送器的光学耦合系统被配置为确保在MF的入射面处，被发射到MMF中的激光的基模的腰部与目标HMG模式群的腰部匹配。下述(1)和(2)的组合致使在MMF中激励出目标较高阶HMG模式群：(1)在MMF的入射面处，将激光束的基模腰部与MMF的目标HMG模式群的腰部相匹配，和(2)在MMF的入射面处，将激光束的相位与MMF的目标HMG模式的相位相匹配。进而，对MMF的目标较高阶HMG模式群的激励增大了光学链路的带宽而没有增大MMF链路中的模式噪声。此外，如下面将更详细描述的，本发明的发射技术提供了对连接器偏移量的容差，因为即使在与MMF的光轴大致正交的方向上可能存在某种连接器偏移量或失准，也能够实现前述目的。

图1图示了具有入射面2和光轴3的MMF1的一部分的透视图。MMF1的光轴3对应于笛卡尔坐标系的z轴。与关于MMF1的光轴3径向对称的LG模式群不同，HMG模式群往往关于MMF1的光轴3不呈径向对称。换而言之，HMG模式群在与MMF1的光轴3正交的水平(即，x)和垂直(即，y)维度方面展现出行为差异。HMG模式群的相位对应于x维度，而HMG模式群的幅度对应于y维度。x和y维度分别对应于笛卡尔坐标系的x轴和y轴，x轴和y轴彼此共平面并且与笛卡尔坐标系的z轴正交。因为螺旋发射技术针对LG模式群，所以螺旋发射相位掩膜必须在径向与目标LG模式群的相位匹配。因此，当使用螺旋发射技术时，在水平和/或垂直维度(即，径向维度)上相对于MMF1的光轴3的连接器偏移可能产生径向相位失配，而如上所述，径向相位失配会导致失败或不希望的发射结果。

与之不同，因为本发明的线性相位掩膜仅需要在水平维度上(即，沿着x轴)对准，所以该掩膜可以与MMF1的目标HMG模式群相位对准，即使在垂直维度上(即，沿着y轴)存在一定量的连接器偏移量也是如此。因此，本发明的HMG发射技术对连接器偏移量提供了更大容差，这进而使得可以实现希望的发射结果，即使存在一定量的连接器偏移量也是如此。对连接器偏移量的该容差还使得放松了对光学连接器和插座的制造容差。

图2图示了根据一示例性实施例的HMG光学发射装置10的框图。HMG光学发射装置10包括激光器20、光学元件30和线性相位掩膜40。根据此实施例，线性相位掩膜40被定位成接近或者接触MMF50的入射面50a。光学元件30例如可以是一个或多个折射元件(例如，一个或多个聚焦透镜)、一个或多个衍射元件(例如，一个或多个衍射光栅)、一个或多个反射元件(例如，一个或多个反射镜)、一个或多个光学波导、或者这些光学元件中任意一个或多个的组合。另外，光学元件30可以仅仅是在激光器20与线性相位掩膜40之间提供接口的某种气体介质，例如空气。

根据图2的示例性实施例，光学元件30是聚焦透镜，其接收由激光器20产生的扩展激光光束并将该扩展激光光束的基模聚焦在贴近MMF50的入射面50a的位置处的腰部21。这里所使用的术语“腰部”的含义与该术语在光学领域的惯常含义相同，其指的是激光光束沿着其光轴的最小光斑尺寸(spot size)。任意给定HMG模式群的腰部在数学上由公知的数学方程来定义。因此，可在数学上确定MMF50的任意给定HMG模式群的腰部。在腰部21所出现的空间区域22中，线性相位掩膜40被定位在光学元件30与MMF50的入射面50a之间。光学元件30的配置和空间位置使得腰部21在MMF50的入射面50a处与MMF50的目标HMG模式群的腰部(未示出)匹配或基本匹配。因此，光学元件30的配置和空间位置被选择为使得激光器20的基模的腰部21入射在MMF50的入射面50a处的MMF纤心50b上，并且与目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配。这里使用的术语“目标”意指MMF1中已被选择供激励的特定较高阶HMG模式群。

线性相位掩膜40是容易使用标准软件来设计的二进制相位掩膜。如下面将更详细描述的，线性相位掩膜40被设计为使得在贴近入射面50a的位置处，经线性相位掩膜40变更的激光相位与MMF50的目标较高阶HMG模式群的相位匹配或者至少基本匹配。这里所使用的术语“线性相位掩膜”意欲表示：该相位掩膜具有仅沿着一个轴(即所图示的x轴(图1))变化的相位模式。这里用来描述线性相位掩膜40的术语“二进制”意欲表示：该相位掩膜的相位模式仅在两个相位值之间变化，如下面将参考图3、4、5A和6详细描述的。

再次参考图2，应当注意，如果激光器20产生的激光具有收敛到贴近MMF50的入射面50a的区域22中的腰部21的基模，并且腰部21与MMF50的目标HMG模式群的腰部基本匹配，则可以去除光学元件30。在后一种情况中，不改变对线性相位掩膜40的定位，即，仍然将线性相位掩膜40定位在贴近入射面50a的区域22中，并且线性相位掩膜40具有与MMF50的目标较高阶HMG模式群的相位相匹配或基本匹配的相位。

图3图示了一曲线图，其说明了当图2所示的线性相位掩膜40与图2所示的MMF50的目标较高阶HMG模式群对准时在线性相位掩膜40与目标较高阶HMG模式群之间的关系。曲线60代表线性相位掩膜40的相位模式，而曲线70代表目标较高阶HMG模式群。该曲线图的纵轴对应于目标较高阶HMG模式群的归一化幅度，而该曲线图的横轴对应于以微米(μm)为单位的MMF50的x维度。由曲线70代表的目标HMG模式群的腰部近似等于曲线70的峰值70a与70b之间的距离。线性相位掩膜曲线60是具有分别为+1和-1的归一化最大和最小幅度的阶梯函数。因此，在此示例中，归一化二进制相位值为+1和-1。HMG模式群曲线70是归一化幅度处在从约+1的最大值到约-1的最小值的范围内的HMG函数。可见，当曲线60与曲线70同相(例如，图3中的情况)时，曲线60和70的最大幅度彼此一致，并且曲线60和70的最小幅度彼此一致。现在将参考图4描述使用曲线60所代表的线性相位掩膜40来激励曲线70所代表的目标HMG模式群的方式。

图4是一曲线图，其图示出使用图2所示的HMG光学发射装置10来激励图3所示的曲线70所代表的目标HMG模式群的方式。将参考图2、3和4来描述图4的曲线图。图4的曲线图示出了：(1)曲线110，其代表激光器20的基模在光束聚焦于其腰部21并且照射到线性相位掩膜40的区域22中的归一化幅度；(2)图3所示的曲线70，其代表MMF50的目标较高阶HMG模式群；以及(3)曲线130，其代表在MMF50的入射面50a处受激励的目标较高阶模式。为了便于图示，图3所示的曲线60未在图4中示出。但是，在图4的曲线图所示的示例中，假设线性相位掩膜40以图3的曲线图所说明的方式来与目标HMG模式群对准。

曲线70所代表的目标HMG模式群的腰部(如上所述，其近似等于曲线70的峰值70a和70b之间的距离)在图4中被表示为虚线111a和111b之间的距离。激光器20的基模的腰部等于虚线111a和111b之间的距离。因此，激光器20的基模的腰部等于MMF50的入射面50a处的目标HMG模式群的腰部。曲线130(代表激励出的目标较高阶HMG模式群)的形状是通过将如下两个匹配相结合而产生的：在MMF50的入射面50a处将激光器20的基模腰部与MMF50的目标HMG模式群的腰部相匹配，以及在MMF50的入射面50a处将激光器20的基模的相位与MMF50的目标HMG模式群的相位相匹配。

一些激光器发出形状大体为圆形的光束，而一些激光器发出形状大体为椭圆形的光束。例如，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)发出形状大体为圆形的光束，而分布式反馈(DFB)激光器通常发出形状大体为椭圆的光束。为了实现根据本发明的最佳发射结果，激光器20的基模的腰部应当在MMF50的入射面50a处在x和y维度二者上都与MMF50的目标HMG模式群的腰部匹配。为了使激光器20的基模的腰部和MMF50的目标HMG模式群的腰部在x和y维度二者上都匹配，照射到线性相位掩膜40的激光光束的形状应当大体上呈椭圆形。为了使被引导到线性相位掩膜40上的激光光束的形状大体呈椭圆形，要不激光器20应当是发出椭圆形光束的激光器，要不如果激光器20发出圆形光束，则光学元件30或激光器20与线性相位掩膜40之间的某种其它器件或介质应当被配置为将激光器20所发出的大体呈圆形的光束转换为大体呈椭圆形的光束。下面分别参考图5A和图6来描述在使用大体上呈圆形的光束时以及在使用大体上呈椭圆形的光束时由图2所示的HMG光学发射装置10获得的发射结果。

本发明的线性相位掩膜与螺旋相位掩膜的相似之处在于每一种掩膜都被设计为将激光器的基模与光纤的目标模式群相匹配。但是，如上所述，螺旋相位掩膜被设计为关于光纤的光轴在径向将激光器的基模相位与目标LG模式群相匹配，其中，每一径向位置由极坐标系的径向坐标r定义，并且其中，光纤的光轴对应于极坐标系的z轴。与之不同，本发明的线性相位掩膜被设计为仅在x维度上而不在y维度上匹配目标HMG模式群的相位，其中，x和y维度上的位置分别由笛卡尔坐标系的x和y坐标定义。但是，因为本发明的线性相位掩膜与螺旋相位掩膜的相似性，所以如果将圆形光束而不是将椭圆形光束引导到线性相位掩膜，则激光器的基模腰部与MMF的目标HMG模式群的腰部将在x维度上匹配，但是在y维度上将不匹配。因此，可以预期，如果使用圆形光束，则本发明的线性相位掩膜将产生与螺旋相位掩膜所产生的发射结果相似的发射结果。这种相似性由图5A和5B示出。

图5A是图示出根据本发明示例性实施例、使用图2所示的HMG光学发射装置10利用大体上呈圆形的光束的发射的HMG模式群功率分布图的示图。图5B是图示出使用已知的螺旋发射装置(未示出)利用大体上呈圆形的光束的螺旋发射的LG模式群功率分布图的示图。因此，对于图5A，激光器20的基模的腰部21在x维度上而没有在y维度上与目标较高阶HMG模式群的腰部(未示出)匹配。对于图5A所对应的发射，所针对的较高阶HMG模式群是HMG模式群6，而对于图5B所对应的发射，所针对的较高阶LG模式群是LG模式群5。

在图5A中可见，最主要激励出了HMG模式群6，尽管还激励出了某些其它HMG模式群，但是比目标HMG模式群的程度要低。类似地，在图5B中可见，最主要激励出了LG模式群5，尽管还激励出了某些其它LG模式群，但是比目标LG模式群的程度要低。因此，两种发射技术在激励目标模式群方面都是相对比较成功的，尽管本发明的发射技术激励出的目标HMG模式群的程度大于螺旋发射技术所激励出的目标LG模式群。此外，所激励出的除目标HMG模式群之外的HMG模式群的程度小于所激励出的除目标LG模式群之外的LG模式群。因此，本发明的发射技术在将激励局限于目标模式群方面比螺旋发射技术更成功。而且，如现在将参考图6描述的，当使用椭圆形光束来激励目标较高阶HMG模式群时，将实现更加好的结果。

图6是图示出根据本发明示例性实施例、使用图2所示的HMG光学发射装置10但是利用椭圆形光束而不是圆形光束的发射的HMG模式群功率分布图的示图。对于图6的示图所代表的发射，发射状况和目标HMG模式群与用于图5A所代表的情况相同。但是，如在图6中可见，当使用椭圆形光束时，相比于使用圆形光束的情况更大程度地激励出了作为HMG模式群6的目标HMG模式群，并且更小程度或者根本没有激励出非目标HMG模式群。图6的示图所代表的该经改善发射结果的原因在于，当使用椭圆形光束时，在MMF50的入射面50a处，激光器20的基模的腰部21可以在x和y维度二者上都与目标HMG模式的腰部匹配。如上所述，可通过使用产生大体上呈椭圆形的光束的激光器(例如，DFB激光器)或者通过使用产生大体上呈圆形的光束的激光器(例如，VCSEL)并结合将大体上呈圆形的光束转换为大体上呈椭圆形的光束的一个或多个光学元件来获得椭圆形光束。

如上所述，图2所示的布置仅仅是用于实现本发明的HMG发射的许多可能布置中的一个示例。图7图示了HMG光学发射装置100的框图的另一示例性实施例。HMG光学发射装置100包括激光器120、第一光学元件130、线性相位掩膜140和第二光学元件150。根据此实施例，第一光学元件将激光器120的扩展光束聚焦到第一腰部区域122中的第一扩展腰部121。线性相位掩膜140被定位在第一腰部区域122中，使得第一扩展腰部121入射在线性相位掩膜140上。线性相位掩膜的相位模式被扩展为与扩展腰部121匹配。该特征使得制造线性相位掩膜140的任务更加容易，这是因为线性相位掩膜140的细部(detail)大于图2所示被定位在较小腰部区域22中的线性相位掩膜40的细部。

传递通过线性相位掩膜140的光束被第二光学元件150再次聚焦到第二腰部区域124中的第二腰部123。具有入射面160a的MMF160被定位成使得第二腰部123在MMF160的入射面160a处入射在MMF160的纤心上。如同以上参考图2描述的实施例一样，在MMF160的入射面160a处，激光器120的基模腰部123与目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配。线性相位掩膜140以上面参考图3和4描述的方式操作，以致使激光器120所产生的光束的相位与MMF160的目标较高阶HMG模式群的相位匹配或基本匹配。还如上所述，可以使用圆形光束或椭圆形光束，但是优选的是使用椭圆形光束，因为使用椭圆形光束将使得腰部123在x和y维度二者上都与较高阶HMG模式群的腰部匹配，这提供了目标较高阶HMG模式群的更好激励以及非目标HMG模式群的较少激励或根本没有激励。但是，应当注意，在某些情况下，可能希望使得激励出除目标较高阶HMG模式群之外的额外HMG模式群。在这些情况中，使用圆形光束可能是更优选的。

图8图示了代表根据示例性实施例、由例如图2或图7所示的HMG光学发射装置执行的HMG发射方法的流程图。如块201所示，由激光器产生光。如块203所示，将激光器所产生的光聚焦到腰部区域中的腰部。腰部与MMF的目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或至少基本匹配。如块205所示，使激光器所产生的光传递通过线性相位掩膜，该线性相位掩膜将该光的相位与MMF的目标较高阶HMG模式群的相位对准。如块207所示，将相位对准光引导到MMF的入射面到并引导到MMF的纤心中，同时使经相位对准的激光的腰部在MMF的入射面处与MMF的目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或至少基本匹配。如上所述，被引导到MMF的入射面上的、经相位对准且腰部匹配的光致使激励出目标较高阶HMG模式群，从而使得增大了MMG的模式带宽。

参考图2和图7所示的HMG光学发射装置10和100，可在插入并对准线性相位掩膜40、140之前执行激光器20、120、透镜30、150以及MMF50、160的光学对准。如果使用相机(未示出)来监视MMF50、160的光学输出，则所观察到的来自MMF50、160的光斑尺寸将在正确对准时最小，并且将与目标较高阶HMG模式群的光斑尺寸匹配。这种状况是很明显且很容易观察到的。一旦观察到这种状况，就可将线性相位掩膜40、160插入到装置10、100中并在光学上再次对准以使得利用相机(未示出)观察到的光斑尺寸最小化。

以下是说明用于将激光器的基模腰部在MMF入射面处与MMF的目标较高阶模式相匹配以及用于将激光器的基模相位与MMF的目标较高阶HMG模式群的相位相匹配的计算机算法的MATHCAD计算。因为在这些方程中使用的术语以及方程自身是公知的，所以为了简化起见，将不在这里提供对各个方程以及方程中使用的每一个术语的定义。

假设

■初始激光光束是基HMG模式

■假设激光光束具有与要激励的MMF的基模的“y”轴腰部相等的“y”轴腰部

■在“x”轴中，通过柱面透镜来扩展激光光束

■创建螺旋型相位掩膜的线性版本，以使其在MMF入射面处与MMF的特定模式群的相位匹配

■将线性相位掩膜放置在接近MMF入射面的光束腰部中。

部分1：初始化光纤HMG模式常数

c：3·10⁸       光速，m/s

λ：1310·10^-9  工作波长，m

部分2：光纤模式的输入初始数据

光纤的有效半径，单位为m

n1：1.5        纤心的有效峰值折射率

纤心的相对折射率分布

Δv·100＝1.8  以百分比为单位的相对折射率

部分3：计算所需的光纤模式参数：

这是指数律光纤模型的传导模式的近似数

$M\max :=\mathrm{floor}(\sqrt{N\left(2\right)}-1)$ 最大传导模式阶数

基光纤模式的基模的腰部，单位为m

ω0＝6.767×10^-6    光纤基模的腰部的值，单位为m

Mmax＝20

部分4：现在将提出针对HMG光纤模式的方程：

Hermite多项式定义如下：

$H(p,x):=\underset{m=0}{\overset{\mathrm{floor}\left(\frac{p}{2}\right)}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^m\·p!\·{(2\·x)}^{(p-2\·m)}}{m!\·(p-2\·m)!}$

令光纤x方向上的模式场分布为：

$\mathrm{\Ψ}(x,p,\mathrm{\ω}0):={\left(\frac{2}{\mathrm{\π}}\right)}^{\frac{1}{4}}\·\left(\frac{1}{\sqrt{2^p\·p!\·\mathrm{\ω}0}}\right)\·H(p,\sqrt{2}\·\frac{x}{\mathrm{\ω}0})\·e^{-{\left(\frac{x}{\mathrm{\ω}0}\right)}^2}$

令光纤y方向上的模式场分布为：

$\mathrm{\χ}(y,q,\mathrm{\ω}0):={\left(\frac{2}{\mathrm{\π}}\right)}^{\frac{1}{4}}\·\left(\frac{1}{\sqrt{2^q\·q!\·\mathrm{\ω}0}}\right)\·H(q,\sqrt{2}\·\frac{y}{\mathrm{\ω}0})\·e^{-{\left(\frac{y}{\mathrm{\ω}0}\right)}^2}$

部分5：将提出由线性相位掩膜在MMF入射面处导出的线性相位的方程 (将使用双模相位掩膜，并以模式群6为目标)

部分6：在x和y方向上具有不同腰部的基模将乘以相位掩膜来形成激励 光纤的场：

x：-25，-24.9...25

$\mathrm{Lx}\left(x\right):\mathrm{\Ψ}(x,0,\mathrm{\ω}0\·\sqrt{5+1})\·\mathrm{sign}\left(a\sin \left(\mathrm{\φ}\left(x\right)\right)\right)$

Lx(x)是在MMF的入射面处产生的激励。因此，由于二进制线性相位掩膜的作用，激励被计算为扩展激光光束(其基模腰部与MMF的目标较高阶HMG模式群的腰部相匹配)与幅度因子的乘积，其是x的函数。该乘积Lx(x)正是以上示出并参考图3和4描述的。

应当注意，出于说明本发明原理和概念的目的，已经参考一些示例性实施例描述了本发明，并且本发明并不限于这里所描述的示例性实施例。例如，以上参考图2和图7描述的HMG光学发射装置10和100仅仅是用于执行本发明的HMG发射技术以激励MMF的目标较高阶HMG模式群的合适配置的示例。考虑到这里所提供的描述，本领域技术人员将了解，可使用其它光学发射配置来实现本发明的目的。这里所描述的实施例的这些和其它修改例在本发明的范围之内。

Claims (16)

1.一种厄米-高斯HMG光学发射装置，用于在光学上将激光发射到多模光纤MMF中以激励MMF的至少一个目标较高阶HMG模式群，所述HMG光学发射装置包括：

激光器，用于产生激光；

至少一个光学元件，被定位成接收由所述激光器产生的激光，所述至少一个光学元件被配置为将所接收的激光聚焦到至少一个腰部，其中所述腰部为激光光束沿着其光轴的最小光斑尺寸；

线性相位掩膜，被定位在下述位置处：该位置使得由所述激光器产生的激光被所述至少一个光学元件聚焦到腰部并被引导到所述线性相位掩膜中，所述线性相位掩膜配置有相位模式，该相位模式致使将被引导到所述线性相位掩膜的激光的相位变更为与MMF的所述至少一个目标HMG模式群的相位匹配或基本匹配；

其中，所述激光器、所述至少一个光学元件和所述线性相位掩膜被相对于彼此并相对于MMF的入射面定位成使得经相位变更的激光具有在所述MMF的入射面处与MMF的所述至少一个目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配的腰部，并且其中，入射在所述MMF的入射面上的所述经相位变更的激光致使激励出所述目标较高阶HMG模式群，并且其中，对所述目标较高阶HMG模式群的激励致使增大了MMF的模式带宽。

2.根据权利要求1所述的HMG光学发射装置，其中，所述线性相位掩膜的相位模式是二进制相位模式。

3.根据权利要求1所述的HMG光学发射装置，其中，所述至少一个光学元件将所述激光聚焦到第一腰部，所述至少一个光学元件被定位在所述激光器和所述线性相位掩膜之间，所述线性相位掩膜被定位在所述至少一个光学元件和所述MMF的入射面之间，并且其中，所述线性相位掩膜处在所述激光的第一腰部内以使得所述激光的第一腰部传递通过所述线性相位掩膜并且入射在所述MMF的入射面上，并且其中，所述第一腰部在所述MMF的入射面处与所述MMF的目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配。

4.根据权利要求1所述的HMG光学发射装置，其中，所述至少一个光学元件包括至少第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件被定位在所述激光器和所述线性相位掩膜之间，所述第二光学元件被定位在所述线性相位掩膜与所述MMF的入射面之间，所述第一光学元件接收由所述激光器产生的激光的第一扩展光束并将所述第一扩展光束聚焦到入射在所述线性相位掩膜上的第一腰部，该第一腰部传递通过所述线性相位掩膜并扩展为入射在所述第二光学元件上的第二扩展光束，该第二扩展光束具有被所述线性相位掩膜变更为与所述MMF的目标较高阶HMG模式群的相位匹配或基本匹配的所述相位，所述第二光学元件将经相位变更的第二扩展光束聚焦到入射在所述MMF的入射面上的第二腰部，其中，所述第二腰部在所述MMF的入射面处与所述MMF的目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配。

5.根据权利要求1所述的HMG光学发射装置，其中，由所述激光器产生的激光是大体上呈圆形的激光光束。

6.根据权利要求5所述的HMG光学发射装置，其中，所述至少一个光学元件包括用于将所述大体上呈圆形的激光光束转换为大体上呈椭圆形的激光光束以使得由所述至少一个光学元件引导到所述线性相位掩膜上的激光的腰部是大体上呈椭圆形的腰部的一个或多个光学元件，并且其中，入射在所述MMF的入射面上的所述经相位变更的激光的腰部是大体上呈椭圆形的腰部，该大体上呈椭圆形的腰部在笛卡尔坐标系的x维度和y维度上与所述目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配。

7.根据权利要求1所述的HMG光学发射装置，其中，由所述激光器产生的激光是大体上呈椭圆形的激光光束。

8.根据权利要求7所述的HMG光学发射装置，其中，所述至少一个光学元件将所述大体上呈椭圆形的激光光束聚焦到所述线性相位掩膜上，并且其中，入射在所述MMF的入射面上的所述经相位变更的激光的腰部是大体上呈椭圆形的腰部，该大体上呈椭圆形的腰部在笛卡尔坐标系的x维度和y维度上与所述目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配。

9.一种用于执行激光向多模光纤MMF中的厄米-高斯HMG光学发射以激励所述MMF的至少一个目标较高阶HMG模式群的方法，该方法包括：

利用激光器来产生激光；

利用至少一个光学元件来接收由所述激光器产生的激光并将所接收的激光聚焦到至少一个腰部，其中所述腰部为激光光束沿着其光轴的最小光斑尺寸；

使由所述激光器产生的激光传递通过线性相位掩膜，该线性相位掩膜被定位在下述位置处：该位置使得所述激光被所述至少一个光学元件聚焦到腰部以致使将传递通过所述线性相位掩膜的激光的相位变更为与MMF的所述至少一个目标HMG模式群的相位匹配或基本匹配；以及

将经相位变更的激光引导到所述MMF的入射面上以致使激励出所述MMF的目标较高阶HMG模式群，其中，所述激光器、所述至少一个光学元件和所述线性相位掩膜被相对于彼此并相对于所述MMF的入射面定位成使得所述经相位变更的激光具有在所述MMF的入射面处与MMF的所述至少一个目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配的腰部，并且其中，对所述目标较高阶HMG模式群的激励致使增大了MMF的模式带宽。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述线性相位掩膜的相位模式是二进制相位模式。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个光学元件将所述激光聚焦到第一腰部，所述至少一个光学元件被定位在所述激光器和所述线性相位掩膜之间，所述线性相位掩膜被定位在所述至少一个光学元件和所述MMF的入射面之间，并且其中，所述线性相位掩膜处在所述激光的第一腰部内以使得所述激光的第一腰部传递通过所述线性相位掩膜并且入射在所述MMF的入射面上，并且其中，所述第一腰部在所述MMF的入射面处与所述MMF的目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个光学元件包括至少第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件被定位在所述激光器和所述线性相位掩膜之间，所述第二光学元件被定位在所述线性相位掩膜与所述MMF的入射面之间，所述第一光学元件接收由所述激光器产生的激光的第一扩展光束并将所述第一扩展光束聚焦到入射在所述线性相位掩膜上的第一腰部，该第一腰部传递通过所述线性相位掩膜并扩展为入射在所述第二光学元件上的第二扩展光束，该第二扩展光束具有由所述线性相位掩膜变更为与所述MMF的目标较高阶HMG模式群的相位匹配或基本匹配的所述相位，所述第二光学元件将经相位变更的第二扩展光束聚焦到入射在所述MMF的入射面上的第二腰部，其中，所述第二腰部在所述MMF的入射面处与所述MMF的目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，由所述激光器产生的激光是大体上呈圆形的激光光束。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个光学元件包括用于将所述大体上呈圆形的激光光束转换为大体上呈椭圆形的激光光束以使得由所述至少一个光学元件引导到所述线性相位掩膜上的激光的腰部是大体上呈椭圆形的腰部的一个或多个光学元件，并且其中，入射在所述MMF的入射面上的所述经相位变更的激光的腰部是大体上呈椭圆形的腰部，该大体上呈椭圆形的腰部在笛卡尔坐标系的x维度和y维度上与所述目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，由所述激光器产生的激光是大体上呈椭圆形的激光光束。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个光学元件将所述大体上呈椭圆形的激光光束聚焦到所述线性相位掩膜上，并且其中，入射在所述MMF的入射面上的所述经相位变更的激光的腰部是大体上呈椭圆形的腰部，该大体上呈椭圆形的腰部在笛卡尔坐标系的x维度和y维度上与所述目标较高阶HMG模式群的腰部匹配或基本匹配。