CN103842870A - 用于可调制的源的多模光纤 - Google Patents

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Abstract

可调制的源用于生成信号。多模光纤用于传播该信号。该光纤与光纤d*NA关联，该光纤d*NA对应于光纤直径（d）和光纤数值孔径（NA）的积、基本位于1微米弧度至4微米弧度之间。接收器用于接收经传播的信号。

Description

用于可调制的源的多模光纤
背景技术
光纤可以用于信号的通信。单模光纤（SMF）可以支持扩展的传播距离，但是不支持多模信号，如由具有高调制速率的高速垂直腔面发射激光器（VCSEL）生成的那些多模信号。多模光纤（MMF）能够支持多模信号，但是由于色散限制传播效应，当前的MMF不支持信号以高调制速率长距离地传播。
附图说明
图1是根据示例的多模光纤系统的框图。
图2是根据示例的包括源阵列、光纤阵列和光学组件的多模光纤系统的框图。
图3是根据示例的与多模光纤一起使用的空气隙连接器的框图。
图4是根据示例的包括光学组件的多模光纤系统的框图。
图5是根据示例的光功率随多模光纤的距离变化的图。
图6是根据示例的数值孔径随多模光纤的距离变化的图。
图7是根据示例的从包层起的折射率分布差随多模光纤的距离变化的图。
图8是根据示例的折射率和模态功率随多模光纤的距离变化的图。
图9是根据示例的基于使用多模光纤传播信号的流程图。
现在将参考附图描述当前的示例。在附图中，相同的附图标记可以表示相同的或功能类似的元件。
具体实施方式
根据示例的多模光纤（MMF）可以针对长传播距离的高速通信进行优化。通信可以涉及包括激光器在内的各种光源，如具有高调制速率并且以诸如780纳米（nm）、850nm、980nm、1060nm、1300nm的波长以及与信号源关联的其它波长生成信号的高速垂直腔面发射激光器（VSCEL）。本文描述的示例光纤系统可以提供超过其它MMF10倍以上的信号传播距离。根据示例的优化MMF可以使能够以高调制速率进行长距离的、低成本的基于VCSEL的通信，并且还允许降低与传播和/或操纵信号关联的光学组件的复杂度，光学组件包括接收器、解复用器、分离器、连接器、透镜等等。
图1是根据示例的多模光纤系统100的框图。系统100可以包括源102，源102生成待由光纤104传播和由接收器106接收的信号。
源102可以是可调制的，以调制待经由所生成的信号108传输的信息。源直径112和源数值孔径114与源102关联，并且可以与源d*NA，即源直径112和源数值孔径114之积关联。所生成的信号108被光纤104接收。
源102可以包括激光器，如垂直腔面发射激光器（VCSEL）、边发射激光器、单模激光器和其它可调制的源。VCSEL是能够支持高调制速率的空间多模源，并且与对单模光纤（SMF）使用的更昂贵的单模通信激光器相比是节省成本的。然而，由于SMF局限，VSCEL源并不十分适合于对SMF使用。
根据已知的光纤标准，如关于通用电信线缆架设系统（结构化的线缆架设）的国际标准ISO/IEC11801和/或TIA-598C标准，SMF可以具有相对小的直径，如5微米（具有例如0.1弧度的数值孔径和阶跃型折射率分布）。因此，SMF对于与VCSEL源一起使用不是理想的，部分因为其不能够支持可能不被SMF完全传播的VCSEL信号的空间多模特性。此外，SMF与更严格的准直公差要求关联，这增加与SMF关联的组件的成本和准直难度。
与SMF相比，多模光纤（MMF）可以支持由源生成的多个模态。示例MMF是具有50微米或62.5微米芯直径（或更大）的渐变折射率光纤（GIF），即50GIF或62.5GIF MMF。然而，在具有高调制速率的VCSEL源出现以前，50GIF和62.5GIFMMF被标准化为与具有较低调制速率的发光二极管源一起使用。因此，当与VCSEL源一起使用时，50GIF和62.5GIF MMF的能力受它们相对低的带宽-长度（BW*L）之积限制。例如，50GIF OM4光纤（OM4在TIA-492-AAAD“Detailspecification for850-nm laser-optimized,50μm core diameter/125-μmcladdingdiameter class Ia graded-index multimode optical fibers of OM4performance（关于850nm激光器优化的50μm芯直径/125μm包层直径的Ia类具有OM4性能的渐变折射率多模光纤的详细规范）”中定义）可以具有大约4.7GHz*km的BW*L（带宽-长度）之积。相应地，在25Gbps的调制速率和/或数据速率下，传播距离被限制为小于200米。在50Gbp的数据速率下，50GIF OM4光纤会进一步限制传播距离。鉴于与62.5GIF关联的更大芯直径，62.5GIF MMF示出与50GIF相比进一步缩短的传播距离。由VCSEL源生成的且与50GIF/62.5GIF MMF一起使用的信号受色散和其它负面作用影响，这限制与50GIF/62.5GIF MMF一起使用的VCSEL信号的距离和/或带宽。
与SMF和50GIF或62.5GIF MMF相比，光纤104可以与适合于可调制的源102的特性关联。因此，源102可以基于具有高调制速率（例如10Gbps和10Gbps以上的速率）的VCSEL源。光纤104的特性可以包括具有光纤直径116和光纤数值孔径118的MMF光纤。光纤直径116和光纤数值孔径118提供与传播来自与源d*NA积关联的源102的生成的信号108关联的光纤d*NA积，甚至在该信号是以高速率调制的时。
可以将光纤d*NA积调整为允许光纤104使用低成本的VCSEL源，这些低成本的VCSEL源由于SMF中缺少多模支持而不与SMF一起使用。鉴于光纤d*NA积，光纤104可以支持延伸距离的高数据调制速率。例如，与在50Gbps下可能局限于大约94米的最大距离的OM450GIF相比，通过使用光纤104，可以在超过大约700米的距离上支持50Gbps的VCSEL数据速率。
与SMF相比，与光纤104关联的光纤d*NA积可以节省附加成本，因为光纤104可以允许与光纤104关联的光纤耦合器、连接器和其它组件和/或与光纤104关联的光纤通信系统中宽松的准直公差。因此，鉴于放宽的公差，可以更经济地生产与光纤104一起使用的组件，从而增大了整个多模光纤系统的节省。
芯直径和数值孔径的d*NA积（源和/或光纤）可以是波长的函数，并且可以与由d*NA积支持的空间模态的数量相关。在850nm下，示例VCSEL可以生成信号，使得源d*NA积可以是与近似4个空间一维（1D）模态关联的（10微米）*（0.22弧度）=2.2微米-弧度（示例VCSEL源可以与2.0-2.2以及更高的源的d*NA积关联）。相比之下，在850nm下，标准50GIF可以具有（50微米）*（0.2弧度）=10微米-弧度的大约4.5倍大的光纤d*NA积，这支持大约18.5个模态。因此，50GIF支持超过由VCSEL源生成的大约4个空间模态的空间模态。
由渐变折射率光纤支持的BW*L积近似正比于1D模态的数量的平方，其与d*NA积有关。相应地，能够使用支持与较少数量模态对应的d*NA积的光纤104提高BW*L积。因此，光纤104不像支持过多空间模态的50GIF中那样与色散问题和有限传播距离关联。因此，与50GIF相比，光纤104可被设计为具有例如25微米芯直径（25GIF）和0.1弧度数值孔径的渐变折射率光纤，即与850纳米下支持大约4.6个模态关联的2.5微米-弧度的光纤d*NA积。具有与大约4个空间1D模态关联的2.5微米-弧度的d*NA积的光纤104可以支持与大约4个空间1D模态关联的VCSEL源的2.2微米-弧度的d*NA积，同时提供与SMF相比的附加准直公差和与50GIF相比增加的传播距离。
此外，BW*L积正比于比特率*长度积（BR*L积），该比特率*长度积正比于NA如下：
BR · L ~ c n 1 Δ 2
其中c=光速，n=光纤的折射率，并且Δ表达如下：
Δ ~ 1 2 ( NA n ) 2
其中n=光纤的折射率。因此，BR*L积正比于NA的四次幂的倒数。相应地，以2倍因子减小NA可以以10倍以上的因子增加BR*L积，这对应于光纤传播距离的增加。
接收器106用于从光纤104接收经传播的信号110。接收器106能够检测可调制的源，例如与可调制的源102的调制速率相容。接收器106可以包括光接收器，该光接收器能够基于光纤直径116和光纤数值孔径118从光纤104接收经传播的信号110。因此，系统100可以对与通信和/或计算设备（包括用于光纤通信的光互连器）关联的光子学（photonics）使用。
因此，基于示例光纤104的系统（例如，VCSEL优化的渐变折射率MMF，即V-MMF）可以针对高速VCSEL进行模态优化，并且可以支持延伸的带宽-长度积。模态优化的V-MMF可以增加高速VCSEL信号沿MMF光纤能够传播的距离。示例系统的特征使在数据中心或其它通信应用的设计中提供更大灵活性。
图2是根据示例的包括源阵列201、光纤阵列204和光学组件220的多模光纤系统200的框图。多个源202可以向多个光纤204提供多个所生成的信号208。所生成的信号208可以与源直径212和源数值孔径214关联。光纤204可以是与BW*L积关联的渐变折射率MMF，光纤204可以向多个光学组件220提供多个经传播的信号210。经传播的信号210可以与光纤直径216和光纤数值孔径218关联。
光学组件220可以包括尾纤（pigtail）组件222、波分复用（WDM）链路组件224、复用器组件226、解复用器组件228、分离器组件230、透镜组件232、光纤接触连接器组件234、空气隙连接器组件236、附加光纤203和接收器206。
光纤204非常适合于各光学组件220，部分因为支持较低的d*NA积和对应数量的空间模态。尾纤组件222可能在输入光纤204支持较少模态时更容易设计，因为更大的公差可以与尾纤组件222的尾纤关联。诸如功率分离器、模态分离器、极化分离器和/或基于空金属波导（HMWG）或Z字方法的波长分离器之类的分离器组件230的设计可以为更经济的组件生产和宽松的准直公差而简化。光纤204的特征可以被优化，以支持简化的和更低成本的使用解复用器组件228的波长解复用、使用WDM链路组件224的WDM系统以及与VCSEL系统（如系统200）关联的其它光学组件220。光纤204可以与束发散性关联，该束发散性与适合于对多种光学组件220使用的功率分离、准直和/或分离信号的不同波长的增强能力关联。光纤204的光纤d*NA使能够利用与光纤204关联的特定直径透镜的准直长度的优势而将光学组件220做得更小和更经济。
在示例系统中，光纤204可以与波长解复用器组件228一起使用来运输来自多个源的信号。更具体地，多波长源202可以连接至波长复用器组件226，以将源202复用成向光纤204传播的经复用的生成信号208。光纤204可以将该信号传播至与数个检测器/接收器206通信的波长解复用器组件228。系统可以类似地使用分离器来分离/合并信号。
源阵列201可以使用与被选择的体系结构关联的各种连接器来连接至基于一维（1D）体系结构或二维（2D）体系结构的光纤阵列205。源阵列201不必须是与光纤阵列205相同的体系结构。例如通过对源202和/或光纤204进行复用，所使用的源202的数量可以不同于所使用的光纤204的数量。线缆可以包括与多个源连接的多个光纤，这能够支持经由该线缆的高带宽通信。
示例阵列配置包括耦接到光纤204的2D阵列中的源202的2D VCSEL阵列。在示例中，源202的4×12VCSEL阵列可以对每个行使用不同的波长。Z字形耦接器可以将4×12的源阵列201耦接到1×12的光纤阵列205（例如使用WDM来将四个耦合成一个）内。
光纤连接器，如空气隙连接器组件236和光纤接触连接器组件234可以用来连接光纤204。光纤204可以针对与光纤接触连接器组件234或空气隙连接器组件236一起使用而进行优化。
可以使用尾纤组件222，其中包含具有用于输入连接和/或输出连接的尾纤组件222的光纤。示例光纤204可以被用作向尾纤光纤的输入，因为与光纤204关联的光纤d*NA积提供准直公差并且能够按比例缩小设备尺寸来促进信号/光的控制。因此，尾纤组件222可以在与光纤204一起使用时以增强的性能操作。
鉴于与上面提到的光纤204关联的光纤d*NA积关联的特性，可以实现附加益处，上面提到的光纤204包括结合VCSEL源支持2和6个1D空间模态的VCSEL优化的多模光纤204（V-MMF），使用具有运行在10Gbps或更大数据速率的VCSEL的V-MMF，使用V-MMF结合一维或二维VCSEL阵列，使用具有多个光纤阵列连接器（光纤接触连接器和/或使用透镜的空气隙连接器）的V-MMF，使用合并有WDM VCSEL链路的V-MMF，使用具有光纤尾纤式功率分离光学总线的V-MMF，以及其它应用实现上述支持。
图3是根据示例的与多模光纤304一起使用的空气隙连接器336的框图。空气隙连接器336使信号能够使用透镜332通过空气从光纤304发送至附加光纤303。
光纤304传播从光纤304作为发散信号342发射出的信号。透镜332接收发散信号342，将该信号作为扩展信号340传输，并且将该信号作为会聚信号344发送至附加光纤303。透镜332被空气隙分离。相应地，两个光纤可以在没有刮擦或引起透镜332彼此接触的情况下连接。信号束可以在透镜332处扩展，例如将光束从大约25微米的光纤芯展宽至大约200微米大小的扩展信号340。扩展信号340可抵抗灰尘或其它微粒，否则灰尘或其它微粒会衰减未扩展信号，因为扩展信号340中由灰尘微粒衰减的那部分在该扩展包含的总体信号中是微不足道的。
由于支持宽松公差的光纤d*NA特性，光纤（例如光纤304和/或附加光纤303）可以终止于空气隙连接器，使得每个光纤可以终止于空气隙连接器并且不限于配合连接器/接触连接器。终止光纤的空气隙连接器可以连接至终止另一光纤的另一空气隙连接器。光纤的阵列可以与多个透镜的阵列关联。
空气隙连接器336非常适合于灰尘环境，如包括计算系统的底板在内的底板应用。计算机的底板是有灰尘的，并且普通的配合连接器/接触连接器制造起来昂贵并且在脏的/多灰的环境中成功操作是不可行的。光纤304的示例与空气隙连接器336相容，空气隙连接器336在这样的应用中比配合连接器/接触连接器更经济和更强健。
图4是根据示例的包括光学组件的多模光纤系统400的框图。光纤404提供经传播的信号410，该信号410被传递至透镜432、分离器430、透镜阵列446和接收器406。
透镜432可以将经传播的信号410准直，以由分离器430接收。分离器430可以是从光纤404接收信号的Z字式光学组件。光纤404可以是一维输入光纤阵列和/或使用WDM携带多个波长的单个光纤。分离器430可以用于WDM复用器/解复用器和/或1×N光功率分离器。经传播的信号410被示出为从光纤404行进至接收器406。然而，光学组件可以进行逆操作（例如多个行被输入到单个输出行中），从而接收器406被一组件代替，该组件提供待由分离器430合并和由光纤404接收的向透镜阵列446行进的多个信号。
与光纤404关联的光纤d*NA积允许更小和更低损失的光学组件，使得系统400可以具有增强的效率和增大的公差。分离器430包括选择镜450和准直镜448。选择镜450可以是波长选择的，例如在WDM解复用器的情况中，和/或部分反射的，例如在1×N功率分离器的情况中。如图所示，选择镜450传输所选择范围的波长/功率并且反射选择的范围。准直镜448是弯曲的反射镜，以在光束穿过分离器430时对光束进行重新准直。准直镜448可以补偿例如由衍射引起的光束发散。所透射的光束被传送至透镜阵列446，在透镜阵列446这里，光束被聚焦以以被接收。例如，来自透镜阵列446的光束可以被附加光纤的阵列（未示出）或被接收器406（例如接收器的阵列）接收。
作为功率分离器组件，分离器430可以将功率分离至多个不同的目的地（例如，不同的光纤、不同的透镜、不同的接收器和/或其它组件）。与分离器430的Z字形方法相对照，空心的金属波导（HMWG）（其可以是尾纤组件）可以用来对光进行准直，来行进更远的距离并且具有更少的模态。信号中的功率可以与信号被分离多少而成比例地下降。可以保持该信号的每次分离中的模态数量以及每次输出中的每个模态的相同比例的功率，以避免模态分配噪声。
图5是根据示例的光功率随与多模光纤的距离变化的图500。传播的信号510由多模光纤提供，并且与光纤直径516和光纤数值孔径518关联。
如图所示，将数值孔径518示出为与经传播的信号510关联的远场发散角，即与光纤面的距离（沿光纤轴线测量的所表示的距离）。数值孔径518对应于NA0，其中NA0是r=0的光纤中心处的数值孔径。
光纤还与对应于光纤d*NA积的模态560关联。图500示出在离开光纤的芯的光纤面时（例如示例中的25GIF）模态560的最高阶（m=4）的强度分布。当模态560在离开光纤芯以后传播到自由空间中时，最高阶模态根据经传播的信号510的曲线发散。最大d*NA（即数值孔径518的函数）通过用于渐变折射率光纤的最高阶模态的值来设置。
图6是根据示例的数值孔径随渐变折射率多模光纤的距离变化的图600。距离是相对于光纤的芯的中心。内部的实曲线，光纤数值孔径618a对应于具有12.5微米半径（25微米直径）的芯。外部的虚曲线，光纤数值孔径618b对应于具有25微米半径（50微米直径）的芯。
数值孔径可以被表达为半径r的函数，其中r从零（在光纤的径向中央）变化至a（在光纤芯的外部固定半径处，即a是光纤芯的直径除以2）。对于光纤数值孔径618a，a=12.5微米。对于光纤数值孔径618b，a=25微米。特定半径r处的数值孔径还可以被表达为NA0的函数，其中NA0是r=0的光纤中央处的数值孔径。因此NA(r)可以表达如下：
NA ( r ) ≈ NA 0 1 - ( r a ) 2
数值孔径是二次方值，如上面的表达式中所示。在从芯的中央起的任何半径处，数值孔径可以取不同的值。如图6所示，NA0对应于r=0的光纤的中央。因此，光纤数值孔径618a的NA0对应于0.1弧度。光纤数值孔径618b的NA0对应于0.2弧度。在光纤d*NA积和源d*NA积的表达式中一般地表示的数值孔径NA对应于光纤中央处的NA0。
图7是根据示例的从包层起的折射率分布差随多模光纤的距离变化的图700。距离是相对于光纤的芯的中央。内部的实曲线，光纤折射率770a对应于具有12.5微米半径（25微米直径）的芯。外部的虚曲线，光纤折射率770b对应于具有25微米半径（50微米直径）的芯。
光纤的折射率分布可以针对为优化目的而相互关联的三个参数进行优化：群速度（由光纤传播的模态相对于彼此行进的相对速度的量）、弯曲损耗（影响与光纤中引起较高阶模态的损耗的弯曲关联的信号传播的损耗）以及材料色散（在光纤的传播介质中由信号的色散引起的损耗）。可以改变光纤的折射率分布，以整体优化光纤的特性的设置。如图7和图8的曲线所示，折射率分布可以近似二次方分布。折射率分布可以被优化为在材料色散和模态色散之间折衷，以获得最小的信号衰减并且最大化与BW*L成比例的“比特率*长度”积（BR*L积）。
光纤，如与光纤折射率770a关联的示例V-MMF，可以在其芯中与关联于光纤折射率770b的50GIF相比使用更少的锗掺杂。在示例光纤中，较少的锗掺杂被用来获得与光纤折射率770a关联的较低浓度峰值，并且光纤折射率770a具有与关联于光纤折射率770b的光纤相比更小的直径/面积。因此，掺杂的总量，即由峰值光纤折射率和光纤直径的积计算的量，对光纤折射率770a而言少得多。因此，与光纤折射率770a关联的示例V-MMF能够比与光纤折射率770b关联的50GIF更经济地制造，因为比50GIF光纤在芯中需要更少的锗掺杂。
图8是根据示例的折射率和模态功率随多模光纤的距离变化的图800。虚曲线对应于折射率分布值，即光纤折射率870a。实曲线对应于模态功率，即第一模态880、第二模态882和第三模态884以及第四模态886。
第一模态880、第二模态882、第三模态884和第四模态886的实曲线图示位于光纤折射率870a的虚线内部的四个最低厄米特-高斯模态的形状。每个模态前进穿过光纤并且局限在横向尺度中，在该横向尺度中，该模态衰减，由到达光纤折射率870a的虚曲线的实曲线的尾部边缘所示。当每个模态相对于峰值折射率在不同的有效折射率处前进时，每个模态与光纤折射率870a的虚曲线的宽度关联。所传播的光在芯外部衰减，例如在光纤折射率虚曲线870a的外部衰减，在此处光纤变化到包围该光纤的光纤包层中。每个模态（第一模态880、第二模态882、第三模态884和第四模态886）在不同有效折射率处前进，沿竖向阶梯中相等地间隔开。
d*NA积（例如光纤和/或源）可以表达为模态的函数如下：
d * NA = 2 λ π × m max
其中mmax是一维厄米特-高斯模态的最大数量，并且λ是波长。
图9是根据示例的基于使用多模光纤传播信号的流程图900。在步骤910中，使用可调制的源生成信号。例如，VCSEL源被用来生成该信号。在步骤920中，使用多模光纤传播该信号。该光纤与光纤d*NA关联，光纤d*NA对应于光纤直径（d）和光纤数值孔径（NA）的积。光纤d*NA基本位于1微米弧度和4微米弧度之间。在步骤930中，在接收器处接收经传播的信号。例如，光接收器可以接收并解码来自可调制的源的调制信号。
本发明的宽度和范围不应受上面描述的示例中任何示例的限制，而是应当根据下面的权利要求和它们的等同物来限定。

Claims (15)

1.一种系统，包括：
可调制的源，用于生成信号；
多模光纤，用于传播该信号，其中该光纤与光纤d*NA关联，该光纤d*NA对应于光纤直径（d）和光纤数值孔径（NA）的积、基本位于1微米弧度至4微米弧度之间；以及
接收器，用于接收所传播的信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述源包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述光纤是渐变折射率光纤（GIF）。
4.根据权利要求1所述的系统，其中基于与所述光纤的折射率分布关联的模态色散、材料色散以及弯曲损耗的均衡，所述光纤用于扩展与光纤带宽（BW）和光纤长度（L）的积对应的光纤BW*L特性。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括光学组件，该光学组件用于在所述接收器接收经传播的信号以前光学地对经传播的信号进行操纵。
6.一种方法，包括：
使用可调制的源生成信号；
使用多模光纤传播该信号，其中该光纤与光纤d*NA关联，该光纤d*NA对应于光纤直径（d）和光纤数值孔径（NA）的积、基本位于1微米弧度至4微米弧度之间；以及
在接收器处接收经传播的信号。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括以基本等于或大于10吉比特每秒（Gbps）的数据速率传播所生成的信号。
8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括基于Z字形光学组件光学地操纵所述信号。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述光纤d*NA基于基本等于25微米的光纤直径和基本等于0.1弧度的光纤数值孔径。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述光纤d*NA基本在1.5微米弧度至3微米弧度之间。
11.一种系统，包括：
可调制的垂直腔面发射激光器（VCSEL）源，用于生成信号；
多模光纤，用于传播该信号，其中该光纤与光纤d*NA关联，该光纤d*NA对应于光纤直径（d）和光纤数值孔径（NA）的积、基本位于1微米弧度至4微米弧度之间；以及
接收器，用于接收经传播的信号。
12.根据权利要求11所述的系统，进一步包括：基于阵列的光纤连接器，其用于连接所述多模光纤来传播所述信号，其中所述基于阵列的光纤连接器用于连接至与所述光纤d*NA关联的多个多模光纤。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述光纤用于基于波分复用（WDM）传播多个波长。
14.根据权利要求11所述的系统，进一步包括空气隙连接器，其用于连接所述多模光纤来传播所述信号。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述光纤使用空气隙连接器被用于计算系统的底板。
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