CN102844689A - 利用少模光纤的光传输 - Google Patents

Abstract

在一些实施方式中，光通信系统包括支持至少2个空间模式但不多于50个空间模式的少模光纤。

Description

利用少模光纤的光传输

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年1月27日递交的、序列号为61/298,728、题为“Optical Transmission Using Multi-mode Optical Fiber”的共同待决美国临时申请的优先权，其在此通过引用被全文并入。

背景

光纤是电信中常见的一种通信媒介。其对于长距离通信特别有利，因为与电缆相比，光通过光纤传播时具有很小的衰减，并且因为可能获得较高的数据率。

在大多数长距离通信的场合，使用单模光纤。单模光纤通常具有在约8-10微米（μm）范围内的纤芯直径，并且对于光信号仅能支持单个空间模式或路径。虽然多模光纤能够支持更多的模式（通常为100-200个模式）且因此能够用于传输更多的数据，但多模光纤受到失真问题的困扰，比如模式色散，这成为较长距离上特有的问题。

虽然提供了长距离场合中多模光纤上的优势，单模光纤受到非线性问题的困扰，例如自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、及四波混频（FWM）。这些现象是对光纤传输容量的主要限制。已经付出了大量的努力来降低、减轻或移除非线性所造成的不利后果。这样的努力包括使用色散图，使用具有较高非线性容许度的调制方式例如差分相位键控（DPSK），使用放大方案例如拉曼放大，设计具有较大有效面积的光纤，以及使用数字信号处理（DSP）技术补偿非线性损害。遗憾的是，所有这些方法在其能够降低非线性损害的程度上都是有限的。

附图简述

参考附图，能够更好地理解所公开的实施方式。注意到，附图中所示出的组件不一定按照比例绘制。

图1是少模光纤的第一实施方式的截面图及其相关的折射率分布图。

图2是少模光纤的第二实施方式的截面图及其相关的折射率分布图。

图3是少模光纤的第三实施方式的截面图及其相关的折射率分布图。

图4是少模光纤的第四实施方式的截面图及其相关的折射率分布图。

图5是光传输系统的第一实施方式的框图。

图6是光传输系统的第二实施方式的框图。

图7是光传输系统的第三实施方式的框图。

图8是光传输系统的第四实施方式的框图。

图9是光传输系统的第五实施方式的框图。

图10是光传输系统的第六实施方式的框图。

图11是一实验系统的框图，该实验系统用于测试光传输中的少模光纤的可行性。

图12是绘制了从使用图11的系统的测试得出的所测量的Q因子的图示。

图13是比较在测试中获得的单模光纤和少模光纤的Q因子的图示。

图14是少模光纤的第五实施方式的截面图。

详细描述

如以上所描述的，单模光纤通常用于长距离的光通信中，因为它们不像多模光纤那样受失真问题的损害。然而，单模光纤受到非线性问题的困扰，这是对光纤传输容量的主要限制。如这里所描述的，当使用支持多于一个的空间模式但又比当前所使用的多模光纤支持较少的空间模式的光纤作为传输系统或通信链路的传输媒介时，可获得有利的结果。这样的光纤在此被称为“少模”光纤，且在一些实施方式中，支持约2-50个模式。少模光纤不具有如单模光纤一样的非线性问题，并且能够被配置成不具有对多模光纤普遍存在的模式色散问题。在一些实施方式中，少模光纤在长距离通信链路中代替单模光纤而被使用。在其它实施方式中，少模光纤在这样的通信链路中结合单模光纤而被使用。

在本公开中，描述并示出了特定的实施方式。注意到，这些实施方式仅仅是例子且可能存在许多其它的变化形式。本公开的范围意指包括所有这样的变化形式。

对于长距离光通信系统中较高带宽的要求以比技术发展更快的速率在提升。通过降低光纤损耗或提高光信噪比，降低信道间隔，增加低损耗窗口以适于更多的波分复用（WDM）信道，或通过使用更高阶的调制方式来更好地利用现有的窗口，可增加光纤容量。每种这样的选择都面对一些技术问题，且共同的根本限制是光纤的非线性。因此，很清楚，降低非线性将能够在几个方面增加光纤容量，这取决于哪些方法在技术上更可行。

如以上所述，多模光纤未呈现与单模光纤同样程度的非线性问题。虽然对于长距离通信使用多模光纤已经在过去被考虑和提出，但是，由于多模光纤受到由不同空间模式之间的大的群时延所导致的模式色散的困扰，其被放弃。众所周知，多模光纤具有非常大的纤芯面积和非常大的数值孔径。因此，多模光纤通常支持数百个空间模式。为了解决模式色散问题，已经设计了渐变折射率多模光纤，使得模式具有类似的传播性质。遗憾的是，这样的光纤设计增强了模式耦合。因此，即使在多模光纤的单个模式被激励以传输数据（例如，“单模操作”）时，模式耦合仍能够发生。在其它模式耦合回到最初激励的模式时，模式色散发生。

鉴于以上事实，能够认识到，虽然多模光纤解决了与单模光纤有关的非线性问题，但是模式耦合问题作为长距离通信场合中的障碍依然存在。然而，如果模式耦合能够被降低或消除，则能够获得有利的结果。事实上，如果模式耦合被消除，则甚至不再需要模式色散补偿。

降低模式耦合的一种途径是保证光纤媒介的支持模式具有尽可能不同的传播特性，特别是传播常数，因为在两种模式的传播常数之间的不同增加时，这些模式之间的耦合显著地下降。增加不同模式之间折射率差异的一种途径是降低光纤所支持的模式的数量。因此，支持多个模式但远少于当今所使用的多模光纤的模式的光纤，即，“少模”光纤，被提出用作光通信系统例如长距离通信链路中的传输光纤。

当光纤媒介支持较少模式时模式耦合会下降有几个原因。第一，如果支持少量模式，则给定模式耦合到另一个模式的可能性较小。第二，如果光纤支持较多模式，则在模式传播常数方面，很可能给定模式会具有对其来说密集的很多相邻模式，这就使该模式容易地耦合到相邻模式。第三，支持多个模式的光纤通常具有高数值孔径（NA）。高数值孔径更可能导致模式耦合，因为这些光纤在分割纤芯和包层的边界上通常具有较高的不规则性，这是由于为了获得高NA，光纤在其纤芯和包层之间通常具有高折射率差异。在折射率中的这种高度差异通常通过对用于包层或纤芯的玻璃大量掺杂而获得。在使用高浓度掺杂时，获得完美的边界更加困难。

因为少模光纤能够避免与非线性和模耦合这二者相关的问题，所以少模光纤提供了在单模光纤与多模光纤之间良好的折中。在一些实施方式中，少模光纤能够用于单模工作，其中所有的数据通过仅一个空间模式（例如基模）来传播。

如此处所使用的，术语“少模光学纤维”或“少模光纤”被用于描述一种光纤，其支持多于一个空间模式但支持少于通常被称为“多模光纤”的空间模式，所述多模光纤通常支持一百或几百个模。在一些实施方式中，少模光纤支持大约2至50个空间模式。因为模耦合倾向于随着所支持的模的数量的增加而增大，所以一些优选的少模光纤可支持仅2至10个空间模式或2至5个空间模式。在一些情况下，少模光纤支持少于5个的空间模式，例如2个、3个、或4个空间模式。在一些情况下，给定的少模光纤所支持的模的数量可依赖于其中使用了该光纤的传输系统中所用的光学的和/或电子的色散补偿技术。

阶梯折射率光纤的对光纤的空间模式的数量，N，能够被数学定义为：

N=2n（n+1），        方程1

其中n=V/π并且V为光纤的归一化频率参数，其被给定为V=2πaNΑ/λ，其中a是纤芯半径，NA是数值孔径（此处NA=（n_纤芯 ²-n_包层 ²）^0.5，n_纤芯是纤芯的折射率，并且n_包层是包层的折射率），并且λ是工作波长。对于少模光纤而言，V小于常规的多模光纤，例如V<20、V<10或V<5。在一些实施方式中，对于一给定的V，光纤的纤芯直径保持尽可能大，并且NA保持尽可能小。表格I提供了分别具有V=3.8和V=12.567的示例少模光纤的参数。V数量大于2.405确保了光纤支持多于一个的空间模式。

表格I

少模光纤能够具有与常规的单模和多模光纤类似的结构。因此，在一些实施方式中，少模光纤能够包括实心纤芯，其由实心的保护性包层所围绕。在大多数情况下，少模光纤的纤芯大于单模光纤的纤芯，但是小于多模光纤的纤芯。在一些实施方式中，少模光纤的纤芯具有近似在10至60μm的直径，并且包层具有近似80至300μm的外直径。

少模光纤能够被制造为具有各种折射率分布以便限制和引导光。图1-3示出了少模光纤的三个示例，其中每个少模光纤都具有不同的折射率分布特征。由图1开始，其所示为具有纤芯12和包层14的阶梯折射率少模光纤10。如在相关的折射率分布特征图像16中所示，纤芯12具有一致的折射率，其大于包层14的折射率，而该包层14的折射率也是一致的。回到图2，其所示为多阶梯折射率少模光纤18，其包括纤芯20、包层22、和在纤芯和包层之间的中间区域24，该中间区域具有不同于纤芯和包层的折射率。在图像26中示出了示例的折射率分布特征。在该示例中，中间区域24具有小于纤芯20和包层22两者的折射率，由此形成了W形的折射率分布特征。接下来参考图3，其所示为缓变折射率少模光纤28，其包括纤芯30和包层32。如在图像34中所描绘的，纤芯30和包层32两者都具有随着径向位置的增大而逐步改变（减小）的折射率。

在其他实施方式中，在纤芯和包层之间可存在多个阶段。大量的这些阶段可以是阶梯折射率阶段，并且许多的这些阶段可具有缓变的折射率分布特征。

在其他实施方式中，少模光纤能够形成为光子晶体光纤（PCF）。图4示出了示例的光子晶体光纤36。如该图中所示，光纤36包括纤芯38，在这种情况下为连续不断的中空型纤芯（也就是，空芯）并且包层40围绕该纤芯。在其中的光子晶体光纤为空芯光纤的实施方式中，能够实现比得上单模光纤的损耗。虽然纤芯38已经被显示为空芯，但是要注意的是，在可选的实施方式中，该纤芯能够被形成为实芯。在包层40内提供并且围绕纤芯38有多个通道42，其能够为中空通道或者具有与其周边不同的折射率的实心通道。

少模光纤的模也能够是超模，其由和单一导波结构相关的常规的模的耦合所产生。超模属于多余一个的导波结构。图14显示了支持超模的示例的少模光纤180。在所示实施方式中，光纤180包括四个常规的单模光纤182。在一些实施方式中，每个单模光纤182都是相同的，并且由包层材料184所支撑。当单模光纤182挨近到一起时，光纤的模彼此作用产生超模。每个光纤的模的复合幅度Aj根据以下耦合模方程来耦合：

${-\mathrm{j\&beta;}}_m\left(\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ A_3\\ A_4\end{array}\right)=-j\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{\&beta;}}_0& c_1& c_2& c_1\\ c_1& {\mathrm{\&beta;}}_0& c_1& c_2\\ c_2& c_1& {\mathrm{\&beta;}}_0& c_1\\ c_1& c_2& c_1& {\mathrm{\&beta;}}_0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ A_3\\ A_4\end{array}\right)$ 方程2

其中β₀是每个被隔离的光纤的模的传播常数，c₁是相邻光纤之间的耦合系数，并且c₂是非相邻光纤之间的耦合系数。超模（其为以上矩阵方程的固有模）具有以下传播常数：

β（1）＝β₀+2c₁+c₂；(基础的）

β（2）＝β₀-c₂；

β（3）＝β₀-c₂；

β（4）＝β₀-2c₁+c₂。

在弱耦合条件下，模的数量将与单模光纤的数量相同。正如能够从以上看出的，超模的传播常数能够通过改变耦合常数来进行微调。对于一阶近似，能够假设c₁>>c₂。因此，基础超模的传播常数将与下一个超模（其衰退具有相同传播常数）具有2c₁的差别。因此，在超模的传播常数之间的差别能够被设计为大得足以使得超模不再能够彼此耦合。

应当要注意的是，两个衰退超模将彼此耦合。然而，因为这些衰退超模具有相同的传播常数，因此它们能够传播独立的信息，并且在接收器处解复用。对两个衰退超模的解复用能够使用训练符号（training symbols）或盲源分离（blind source separate）技术来执行，所述盲源分离技术使用了恒模算法或独立分量分析算法。

因为模耦合仅发生在具有近似相同的传播常数的模中，所以图14中的四个单模光纤182能够由多模光纤替代，只要它们支持近似相同的模。例如，如果每个光纤具有两个模，那么所述四个光纤的基模将产生四个超模，并且所述四个光纤的高阶模将产生另外四个超模。这些超模能够被设计为具有其差异足以确保低模耦合的传播常数。

不管少模光纤的特定配置是什么样的，都应当按照在使用时使得长距离光纤能够确保低模耦合的高质量标准来制造。相比之下，当前被制造用于短距离应用的多模光纤不按照这些高质量标准来制造。

除了降低纤芯直径之外，模耦合能够通过微屈（microbending）来减少。已有人提出，随机模耦合的根源之一就是由在与光纤表面相接触的表面上（特别是结成线缆之后）的瑕疵所导致的微屈。因此，将包层直径并且由将整个光纤的直径，从125微米（μm）的典型值增加到150μm或250μm将使得光纤更耐此类微屈。增大光纤直径还具有降低纤芯尺寸和位置的波动的优势，这反过来减少了随机的模耦合。如已知的，在纤芯直径或位置中的突变能够导致在由多模光纤所支持的模之间的耦合。要注意的是，单模组件（比如用于产生通信链路网络的光路由器）能够插入模分布特征调节器80之间。

在当前的光纤制造中，纤芯尺寸的改变在拉制过程中利用反馈机制被最小化，所述反馈机制以非常快的速度控制所拉制的光纤的外直径（包层直径）。因为该反馈并未直接来自于纤芯尺寸而是来自光纤直径，因此，其灵敏度是相对性的。例如，如果125μm光纤的直径被控制有高达5μm的精度，这就意味着12.5μm纤芯的直径被控制有0.5μm的精度。因此，为给定纤芯直径增加包层直径减少了在纤芯直径中的波动的量。为了最小化在纤芯直径、纤芯形状、和纤芯位置中的波动，较好的方法是直接监控纤芯而不是间接通过包层来监测。使用较厚的包层直径额外的好处在于，当使用较大纤芯直径（比如30μm或50μm）时，剩下较少的包层来限制光纤中的模。因此，当使用大的纤芯直径和低的NA光纤来制造少模光纤时，可能需要厚的包层来降低弯曲损耗并实现高度的约束。

如上所定义的，根据本公开的光传输系统包括至少一个少模光纤。图5示出了简单的光传输系统50，其包括发射机52、接收机54、和一定长度的少模光纤56。发射机52可包括能够沿着光纤56（例如使用WDM方法）发射光信号的任何发射机，并且接收机54可包括能够接收这些被发射出的信号的任何接收机。通过举例说明的方式，发射机52包括具有外部调制器的激光器，并且接收机54至少包括光电探测器。如上所描述的，发射机50能够被用于激发少模光纤56中的单个模，比如基模。

图6示出了另一个光传输系统56，其能够被用作长距离通信链路。如图6中所示，系统56包括发射机58和接收机60。此外，系统56包括多个跨段（span）62，其中每个跨段都包括一定长度的少模光纤64。通过举例说明的方式，每个跨段62能够对于海底应用为长度近似40至50km，而对于地面应用为长度80至100km。通信链路的整体长度有可能是无限的，但是在许多情况下将跨域数千公里。沿着在发射机58与接收机60之间的通信链路的长度分隔每个跨段62的是光学放大器66，其放大由少模光纤64所传播的光信号。通过举例说明的方法，放大器66有选择地仅接收基模。虽然系统56已经被描述和示出为在每个跨段62的末端处包括放大器66，但是要注意的是，能够使用其他组件，比如中继器来替代。在图6的实施方式中，系统56的每个光学组件（包括发射机58、接收机60和放大器66）支持与少模光纤64相同的模分布特征。诸如图6中示出的多个通信链路能够以这样一种方式来连接以形成网络。

图7示出了也能够被用于长距离通信的光传输系统68。系统68还包括发射机70、接收机72、以及多个跨段74，其中，每个跨段包括一定长度的少模光纤76。分隔每个跨段74的是光学放大器78，其放大由少模光纤76所传播的光信号。然而，在该实施方式中，系统68的每个光学组件（包括发射机70、接收机72和放大器78）支持单模光纤的模分布特征。为了解决这种差异并且消除或减少耦合损耗，系统68包括模分布特征调节器80，其提供了在少模光纤76的受激模（例如基模）和光学组件之间的低损耗耦合。在每个模分布特征调节器80及其相关光学组件之间延伸的是一定长度的单模光纤82。系统68具有能够利用当前被用在现有的长途通信链路中的光学组件的优势，其适于为单模光纤。要注意的是其他单模组件，比如用于产生通信链路网络的光路由器，能够被插入模分布特征调节器80之间。

图8示出了能够被用于长距离通信的另一个光传输系统84。系统84也包括发射机85、接收机87、以及多个跨段88，其中，每个跨段包括一定长度的少模光纤89。分隔每个跨段88的是光学放大器90，其放大由少模光纤89所传播的光信号。然而，在该实施方式中，假设使用了少模光纤89的高阶模而不是基模。考虑到这一点，系统84包括模转换器92，其将用于传输的高阶模转换成基模，该基模由系统的光学组件支持。单模光纤100在每个模转换器92及其相邻的光学组件之间延伸。在一些实施方式中，传输光纤能够为单模，并且光学组件以较高的模工作。

图9示出了能够被用于长距离通信的又一个光传输系统102。系统102也包括发射机104、接收机106、以及多个跨段108。然而，在该实施方式中，每个跨段108包括一定长度的少模光纤110和一定长度的单模光纤112。在这样一种情况下，少模光纤10用在光信号的功率最大且非线性趋于造成最大问题的位置处。在功率减弱之后，单模光纤112能够被使用，因为其可具有较低的损耗，或者可避免由于各种因素（比如少模光纤中的瑕疵）所造成的时有发生的模式色散。在一些实施方式中，少模光纤110的长度被选择为刚好大于单模光纤将会出现大部分非线性效应的长度。正如图7中的实施方式一样，模分布特征调节器114能够被用于将模分布特征从少模工作调节到单模工作。分隔每个跨段108的是光学放大器116，其放大沿着该跨段传播的光信号。其他的单模光纤118能够被用在光学组件和少模光纤110之间。

上述系统中哪一个最好可能依赖于不同的因素，其中包括少模光纤的模耦合长度。模耦合长度能够被定义为一种长度尺度，在该长度尺度处，经受最大模耦合的空间模式的功率的百分之十泄漏到该光纤所支持的其他模。如果模耦合长度例如为长于一个跨段的长度，则有可能激发少模光纤中的仅一个模，并且该传输光纤中的其他组件能够为单模。如果模耦合长度短于跨段长度，那么可能更加可取的是将短于传输链路中的模耦合长度的少模光纤置于信号功率被预期为较高的位置处，并且为该跨段的剩余部分使用单模光纤。

一般来说，由少模光纤所支持的模的数量越大，则非线性损失越不明显。为了平衡非线性损失和超额损失，在一些实施方式中可能需要将支持大量的模的少模光纤置于光功率较高处，并且将支持较少量的模的少模光纤置于功率低处。这例如能够通过拼接或连接不同的少模光纤来实现，在这种情况下，所支持的模的数量的改变相对突然。在其他情况下，少模光纤的参数能够沿其长度逐渐改变，使得由少模光纤所支持的模的数量也沿其长度逐渐改变。在最简单的情况下，能够通过将光纤折射率分布特征保持固定，但是将光纤NA的纤芯直径沿其长度之间改变来实现。作为改变直径的示例，双模光纤的纤芯例如能够以近似10至60μm开始，并且在近似2至100km的路线上线性地减少至近似8至12μm。具有多于两个模的光纤也能够以类似的方式逐渐变细。

如上所述，可能优选的是仅激发在通信链路中所使用的少模光纤中的单个模，例如基模。然而，在一些实施方式中，能够激发多个模以提供模复用。例如，所支持的模中的全部或其一个子集能够被激发。因为低耦合意味着不同的模相互之间不会有显著的影响，少模光纤中的每个受激发空间模式能够传播不同的信息内容。在这样一种情况下，能够基于所述空间模式正交这一事实使用相关性检测来实现解复用。在两个模的特殊情况下，来自光纤的本振能够被一分为二：一个具有同相的两个模，而另一个则具有不同相的两个模。所产生的相关性检测得到的信号因此分别含有这两个模的场的和与差。这些场中的每一个能够随后通过简单的代数运算来得到。在一些情况下，可能需要激发多于一个的空间模式，但是每个空间模式能够传播相同的信息内容。在接收器处，每个空间模式有助于增加信噪比。

虽然能够执行模复用，但是在这些情况下可能需要进行测量以补偿模耦合。一般来说，补偿模耦合所需的资源不仅依赖于光纤参数和所支持的模的数量，而且还依赖于有多少个所支持的模在发射器处受激发。一般来说，受激发的模的数量越大，则补偿由多模传输所导致的损失就变得越难。

当多个模受到激发时，或者有可能甚至当仅一个模受到激发时，有可能由于光纤缺陷或其他因素使得一些功率从受激发的模泄露到不希望的模中。在一些情况下，耦合到不希望的模中的功率能够被清除，以便减少此种耦合可能具有的损失。如果所述不希望的模被频繁地清除，则在这些不希望的模中的功率能够被防止耦合回到被选定用于传输的模中。在一些情况下，清除不希望的模能够通过简单地将仅支持少模光纤的受激发的模的光纤部分插入传输系统中来实现。可选择地，模清除能够通过绝热地将所述光纤转换到仅支持传输模的光纤来实现。在其他实施方式中，模清除能够通过放入具有对于不希望的模而言大的损耗而对于用来传输的模而言小的损耗的传输系统元件来实现。在又一个实施方式中，能够向传输系统添加元件以便从不希望的模移除功率，正如在图10的实施方式中一样。

图10示出了能够用于长距离通信的另一个光传输系统120，其提供模清除。系统120也包括发射机122、接收机124、和多个跨段126。在该实施方式中，每个跨段126包括第一长度的少模光纤128和第二长度的少模光纤130。在每一段光纤128、130的末端处提供模清除器132，其将不希望的模耦合到包层模，以将其从光纤芯中移除。在一些实施方式中，模清除器132包括光纤光栅（grating）。分隔每个跨段126的是光学放大器134，其放大沿着跨段传播的光信号。虽然模清除已被描述为在每一段光纤的末端处执行，但是在其他实施方式中，清除能够在每个跨段的末端处执行。在一些实施方式中，不希望的模能够被每一跨段清除多于两次。

图11示出了实验性的系统140，其被构造以测试少模光纤用于长距离通信的可行性。系统10被用于使用正交相移键控（QPSK）调制以28吉波特（gigabaud）（Gbaud）发射十个偏振复用WDM信道。每波长的总比特率为112吉比特/秒（Gb/s）。在发射机142中，具有50GHz的信道间隔的十个分布式的反馈（DFB）激光器144被分为五个偶数和奇数信道。这些偶数和奇数信道使用I/Q调制器146以28Gbaud单独调制。这些偶数和奇数信道通过将相同的信号分入两个正交偏振支路，使一支路中的信号延迟，然后将这两条支路中的信号重新组合来进行偏振复用。在I和Q信道中的数据，以及两个偏振信号通过延迟相同的数据模式来获得，所述数据模式通过复用四个7Gb/s支流（tributary）来获得，这些支流中的每一个都传播伪随机二进制序列（PRBS）。这些偶数和奇数信道在发射机142的输出位置处与50GHz梳状滤波器148相组合。

系统140还包括回路150，其包括两个少模光纤跨段，第一跨段152具有76km的长度，而第二跨段54具有72km的长度。在这两个跨段152、154中的少模光纤支持两个模。第一跨段152通过拼接具有39km和37km长度的两个少模光纤卷盘来获得。第二跨段154通过拼接具有50km和22km长度的两个少模光纤卷盘来获得。每个卷盘缠绕在具有25厘米（cm）法兰直径的标准尺寸卷轴上。光纤的损耗因数、色散和有效面积为0.2dB/km、20ps/km/nm和130μm²。

跨段152、154的每个末端使用标准模的熔接机（其用于拼接标准单模光纤）直接拼接到标准单模光纤。拼接损耗使用双向光学时域反射计（OTDR）来测量，并且被发现是每次拼接近似0.2dB。该损耗在当两个跨段152、154在两端拼接之后被测量。第一和第二跨段152和154的损耗被发现分别为15.7dB和15dB，其中包括拼接损耗和连接器损耗。因此，由模耦合所导致的任何超额损耗都是可忽略的。此外，所测量的光纤损耗随着时间的流逝是稳定的，并且没有观察到输出功率中的波动。两个单级的掺铒光纤放大器（EDFA）156被用于补偿跨段损耗，并且另一个EDFA156被用于补偿回路控制损耗。波长选择开关（WSS）158被插入回路150以平衡EDFA增益，并且移除在WDM信道以外的、被放大的自发辐射（ASE）噪声。

相干偏振分集接收机160被用于接收信号。要接收的信号通道通过第二WSS 162来过滤，并且在偏振分集平衡混合器164处与本地振荡器混合。平衡的光电二极管166的输出使用具有16GHz模拟带宽的实时示波器168以40Gsa/s来收集。所接收的数据被离线处理以估算所接收的信号的Q值。所述离线处理包括数字色散补偿、频率偏移估算、相位噪声估算、和基于恒模算法的十五分接时域均衡，其自适应地移除偏振旋转并且补偿偏振模色散和任何的剩余色散。在后处理过程中，不尝试进行对可能由差模延迟（DMD）所导致的任何损失进行补偿或减缓。

图12显示了在对四百万个被接收到的比特求平均值之后、相应于5,032km的34个回路之后所测量的偶数信道的Q值。所有信道的Q值对于两个偏振保持在10dB以上。关于两个点的星图在插图中示出，它们是根据50,000个符号得到的。很清楚的是，在有DMD存在时，将不可能以28Gbaud/s发射信道超过5,000km。因此，得出少模光纤中不存在模耦合的结论是无问题的。

很重要的是，少模光纤不仅会由于大的纤芯面积引发较小的非线性损失，而且还不会有由于DMD因而导致的额外的损失。为了验证这一点，通过以每个均为80km的单模光纤跨段来替换两个少模光纤跨段来重复进行传输实验。光纤具有0.2dB/km、17ps/km.nm、以及80μm²的损耗因数、色散参数、和有效面积。为了比较这两种情况下的非线性性能，所接收到的Q值被绘制为在使用少模光纤（21个回路）即3,100km之后的发射功率的函数，以及在使用单模光纤（19个回路）即3,040km之后的发射功率的函数。比较在3,000km处进行，使得即使在使用单模光纤时也将Q值保持在10dB以上。所得结果在图13中示出，其中所绘制的图线显示了在用于单模光纤和少模光纤传输的中央信道中的两个偏振中的Q值的平均值。在低功率下，这两种情况受到OSNR的限制，并且相类似地执行，这是因为回路损耗对于这两种情况而言是类似的。然而，随着发射功率增加，非线性损失成为衰退的主要原因。因为少模光纤具有大1.6倍的有效面积，少模光纤的最佳工作功率为与单模光纤相比大近似1.6倍。其结果是，在这一距离上可实现的最大Q值比在使用少模光纤的情况下大1.1dB。

尽管单模工作的公差未通过对光纤引发各种程度的机械应力来进行严格的测试，已发现不需要为维持单模工作进行特殊处理。少模光纤跨段被缠绕在具有25cm宽的法兰的标准直径卷盘上，其显示了基模被很好地限制在光纤芯中，并且不受宏屈损耗或微屈损耗的不利影响，其被预期对于具有适度张力的卷盘而言要大。此外，在让实验进行数天之后，除了发射器中的I-Q调制器的偏置点中的漂移之外，没有观察到在性能上的劣化。

Claims (35)

1.一种光通信系统，包括

少模光纤，其支持至少2个空间模式但不多于50个空间模式。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述少模光纤支持2到10个空间模式。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述少模光纤支持2到5个空间模式。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述少模光纤支持2、3或4个空间模式。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述少模光纤具有直径在10μm到60μm之间的纤芯。

6.如权利要求1所述的系统，还包括光发射器。

7.如权利要求6所述的系统，还包括光接收器。

8.如权利要求7所述的系统，还包括光放大器。

9.一种长距离通信链路，包括：

光发射器，其发射光信号；

光接收器，其接收光信号；以及

光纤的多个跨段，其在所述发射器和所述接收器之间延伸，每个跨段包括支持至少2个空间模式但不多于50个空间模式的一段少模光纤。

10.如权利要求9所述的链路，其中所述少模光纤支持2到10个空间模式。

11.如权利要求9所述的链路，其中所述少模光纤支持2到5个空间模式。

12.如权利要求9所述的链路，其中所述少模光纤支持2、3或4个空间模式。

13.如权利要求9所述的链路，其中所述少模光纤具有直径在10μm到60μm之间的纤芯。

14.如权利要求9所述的链路，还包括模式分布特征调节器，该模式分布特征调节器调整所述少模光纤的激励模式内的信号的分布特征，以提供在所激励的模式和所述链路的光组件之间的低损耗耦合。

15.如权利要求9所述的链路，其中每个跨段还包括模式转换器，该模式转换器将由所述少模光纤的高阶模式承载的信号转换为由所述链路的光组件支持的信号。

16.如权利要求9所述的链路，其中每个跨段还包括一段单模光纤，该段单模光纤光学连接到所述一段少模光纤，所述单模光纤在所述少模光纤的下游。

17.如权利要求9所述的链路，其中每个跨段还包括两段少模光纤，其中第一段少模光纤支持第一数量的空间模式，而在所述第一段少模光纤的下游的第二段少模光纤支持较少数量的空间模式。

18.如权利要求9所述的链路，其中每个跨段还包括模式清除器，该模式清除器从所述少模光纤的未被意图用来传输数据的空间模式移除功率。

19.如权利要求9所述的链路，其中每个跨段横跨几十公里延伸，且整个所述链路横跨几千公里延伸。

20.如权利要求9所述的链路，还包括位于每个跨段的末端的光放大器。

21.一种少模光纤，其支持至少2个空间模式但不多于50个空间模式。

22.如权利要求21所述的少模光纤，其中所述少模光纤支持2到10个空间模式。

23.如权利要求21所述的少模光纤，其中所述少模光纤支持2到5个空间模式。

24.如权利要求21所述的少模光纤，其中所述少模光纤支持2、3或4个空间模式。

25.如权利要求21所述的少模光纤，其中所述少模光纤具有直径在10μm到60μm之间的纤芯。

26.如权利要求21所述的少模光纤，其中所述少模光纤是阶梯折射率光纤。

27.如权利要求21所述的少模光纤，其中所述少模光纤是光子晶体光纤。

28.如权利要求21所述的少模光纤，其中所述少模光纤支持超模。

29.如权利要求28所述的少模光纤，其中所述少模光纤合并多个单模光纤。

30.如权利要求21所述的少模光纤，其中所述少模光纤在沿着其长度的第一位置处支持较大数量的空间模式，并在沿着其长度的第二位置处支持较少数量的空间模式。

31.一种在传输系统中传输光信号的方法，所述方法包括：

在所述传输系统中设置少模光纤，所述少模光纤支持至少2个空间模式但不多于50个空间模式。

32.如权利要求31所述的方法，其中仅激励所述少模光纤的一个空间模式。

33.如权利要求31所述的方法，其中仅激励所述少模光纤的基本模式。

34.如权利要求31所述的方法，其中所述少模光纤的多个空间模式被激励并承载相同的信息内容。

35.如权利要求31所述的方法，其中所述少模光纤的多个空间模式被激励并承载不同的信息内容。

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