CN104412526B - 具有模式混合的多模式光学通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种设备，所述设备包含具有多个光学数据调制器和光学端面耦合器的光学发射器。所述光学数据调制器的每一者经配置以输出相应的经数据调制的光学载波。所述光学端面耦合器经配置以将所述经数据调制的载波引导到光束图案中以使用光点图案照亮多模式光纤的端面。所述光学端面耦合器经配置以使所述经数据调制的光学载波中的每一者激发所述多模式光纤的一组标准正交光学传播模式。所述组的一些标准正交光学传播模式具有重大不同的光强和/或相位分布。

Description

具有模式混合的多模式光学通信设备

本申请案主张美国临时专利申请案第61/608139号、第61/669612号和第61/701646号的权益。

技术领域

本发明涉及用于多模式光学通信的设备和方法。

背景技术

本段引入可促进对本发明的更好的理解的方面。因此，应从这个角度理解本段的陈述而不是将其理解为关于什么是现有技术或什么不是现有技术的许可。

近年来，光学传播模式复用作为一种用于提供光学通信的方法而研究。在光学传播模式复用中，多模式光纤的一组标准正交光学传播模式在光学发射器与光学接收器之间传送数据。所述组包含具有不同侧向光强和/或相位分布的标准正交模式。由于不同的光学传播模式可用于传送不同的数据流，因此多模式光纤具有比单模式光纤(其中数据传输速率在每一光纤和每一波长信道的基础上测量)支持更高的数据传输速率的潜力。

发明内容

第一设备的实施例包含具有多个光学数据调制器和一个端面耦合器的光学发射器。所述光学数据调制器的每一者经配置以输出相应的经数据调制的光学载波。光学端面耦合器经配置以将经数据调制的光学载波引导入能够使用光点图案照亮多模式光纤的端面的光束图案中。所述光学端面耦合器经配置以引起经数据调制的光学载波中的每一者激发多模式光纤的一组标准正交光学传播模式。所述组的一些标准正交光学传播模式具有重大不同的光强和/或相位分布。

在第一设备的一些实施例中，光学耦合器可经配置以使经数据调制的光学载波中的每一者的光学功率被大体上均匀地分散在所述组的正交光学传播模式上。所述光学耦合器可经配置以使经数据调制的光学载波中的至少一者的光学功率被大体上均匀地分散所述光学传播模式上，以使光学传播模式中的每一者接收光学传播模式彼此至少1/2的光 学功率。

在第一设备的任何实施例，光学端面耦合器可以是进一步包含经定位和定向以将经数据调制的光学载波重新导向为大体上平行的一组反射器的自由空间光学装置。

在第一设备的替代实施例中，光学端面耦合器可包含锥形光纤束，所述锥形光纤束具有经连接以接收经数据调制的光学载波的输入光纤以及能够使用光点图案照亮端面的输出端。

在第一设备的任何实施例中，光学端面耦合器可经配置以引起经数据调制的载波器中的每一者大体上激发具有不同角动量本征值的至少三个光学传播模式。

在第一设备的任何实施例中，光学端面耦合器可经配置以产生在关于多模式光纤轴的一组不连续旋转下不变的光点图案。在此种实施例中，所述光点可处于第一和第二组，以使每一组的光点形成居中于光纤的端面中心的图案。接着所述组中的一者的光点比所述组中的另一者的一或多个光点距离端面中心更远。

在第一设备的任何实施例中，所述第一设备可进一步包含具有全光端连的多模式光纤段序列的全光多模式光纤信道。所述多模式光纤是所述序列中的光学多模式光纤段的第一者的片段。在一些此类实施例中，所述序列中的一些多模式光纤段可以是经构造以提供微分群延迟补偿的混合光纤段。一些此类实施例可进一步包含光学接收器，所述光学接收器经配置以通过对关于从全光多模式光纤信道接收到的光的测量集合执行MIMO处理来评估由经数据调制的光学载波传送的数据流。

在第一设备的一些实施例中，光学端面耦合器可包含3D波导装置。

第二设备的实施例包含光学发射器，所述光学发射器经配置以通过使用光点图案照亮多模式光纤的端面的方式并行地发射多个经数据调制的光学载波。光点中的每一者通过经数据调制的光学载波中的相应一者形成。在所述图案中，每个光点相对地定位以将经数据调制的光学载波中的相应一者的光学功率分散在多模式光纤中具有不同侧向亮度和/或相位分布的一组标准正交光学传播模式上。

在第二设备的一些实施例中，子集的光点具有定位在圆上的中心。子集的光点在圆上具有大约相等的弧间隔。在一些此类实施例中，子集由奇数个光点形成，例如3个、5个、7个或9个光点。所述图案包含围绕圆的中心定位的光点中的一者。在根据本段的一些实施例中，光点的第二子集包含三个或三个以上光点。第二子集的光点具有沿着与第一圆同心且具有不同半径的第二圆定位的中心。所述两个子集可由不同数目的光点形成。

在第二设备的任何实施例中，光学发射器可发射经数据调制的光学载波中的至少一 者的功率，以使所述组的每一光学传播模式接收所述组的光学传播模式的彼此经数据调制的光学载波中的至少一者的至少1/2的功率。

在第二设备的任何实施例中，光学发射器可包含经连接以接收在其输入光纤上的经数据调制的光学载波的锥形光纤束且可经配置以通过传输从其端面接收的光形成图案。

在第二设备的任何替代实施例中，光学耦合器可以是自由空间光学装置，其中反射器将经数据调制的光学载波重新定向为大体上平行的。

在第二设备的任何实施例中，第二设备可进一步包含经串联以形成全光多模式光纤信道的多模式光纤段序列。所述序列的多模式光纤的第一者具有经定位以通过由光学发射器形成的图案照亮的端面。在一些此类实施例中，第二设备可进一步包含经光学连接以接收由所述序列的多模式光纤的最后者传输的光的光学接收器且可经配置以解调由其光学传播模式中的不同者传送的数据流。

在第二设备的一些实施例中，光学发射器可包含3D波导装置，所述3D波导装置经连接以接收其输入光纤上的经数据调制的光学载波且经配置以通过传输从其端面接收的光形成图案。

附图说明

图1是说明具有多模式光纤(MMF)的传输段序列的光学通信系统的框图；

图2是图示地说明图1的光学发射器的框图；

图3说明图2的光学发射器的实施例在光学多模式光纤通信信道(例如，图1的光纤通信信道)中的第一传输段的MMF的端面上形成的光点图案的实例；

图4示出图1的光学发射器的一些实施例可能使用的3个光点的图案，例如，以将3个单个经数据调制的光学载波的光学功率大体上均匀地分散在MMF的3个线性极化(LP)的模式，例如，具有角动量本征值0、+1和-1的LP模式上；

图5示出图1的光学发射器的一些实施例可能使用的6个光点的图案，例如，以将单个经数据调制的光学载波的光学功率大体上均匀地分散在MMF的6个LP模式上；

图6A是说明图2的光学发射器的实施例的框图，其中光学端面耦合器基于图4的光点图案将3个单独的经数据调制的光学载波分散在MFA的标准正交光学传播模式的混合上；

图6B具有说明在图6A的光学端面耦合器的自由版本中的三个经数据调制的光学载波的横截面图案的演化的一系列横截面图；

图7是图2的光学端面耦合器的锥形光纤束的实施例的横截面图；以及

图8是三维(3D)波导装置的倾斜图，所述三维波导装置是图2的光学端面耦合器的实施例。

在图和文本中相同的参考数字功能地和/或结构地指示类似元件。

在图中，一些特征的相对尺寸可经放大以更清晰地说明其中的设备。

在本文中，通过附图和说明性实施例的详细描述更全面地描述了各种实施例。然而，本发明可以各种形式体现且不局限于在附图和说明性实施例的详细描述中描述的特定实施例。

具体实施方式

以上提及的第61/608139号、第61/669612号和第61/701646号临时专利申请案以引用方式全文并入到本文中。

在本文中，多模式和单模式光纤指的是具有轴对称形式的光纤，其在光学电信C、L和/或S波长带中传送光。此类光纤的实例可由掺杂的和/或未掺杂的二氧化硅玻璃光学核心和光学包层构成。一些此类光纤可具有阶跃折射率或缓变折射率结构。此类光纤包含，例如，在径向折射率分布中具有单个阶且在折射率分布中具有多个阶的光纤，例如，例如在凹陷型包层折射率光纤中。

在本文中，多模式光纤(MMF)可具有不同数目的光学传播模式。MMF的实例包含少模光纤(FMF)，其经构成以具有2个至大约15个光学传播模式，例如，在缺乏偏振退化的情况下或经构成以具有4个至大约30个具有偏振退化的光学传播模式。MMF的其它实例包含具有更多光学传播模式的光纤。

在本文中，光纤的相对正交光学传播模式具有重大不同的光强或振幅分布。特定来说，假如所述模式在光纤的横截面上具有相差超过一个常数的振幅或相位分布，则两种模式的所述分布重大不同。举例来说，两个此类光学传播模式通常将具有不同的角动量本征值或轴向径向本征值。

经由MMF的不同标准正交光学传播模式发射经数据调制的光学载波可能会显著影响光学退化的量，光学传输对经数据调制的光学载波造成光学退化。的确，任一或所有光学衰减、光学串扰和非线性光学失真可以是显著模式依赖的。当每个单个经数据调制的光学载波在相应的和相对正交的光学传播模式上发射时，在光学传输过程中光学退化的模式依赖性可足够大以使得一些经数据调制的光学载波变得过于退化以致于无法在光学接收器处重新调制。

发明者相信模式依赖性的上述不希望的效应可通过经由MMF的一组标准正交光学传播模式而不是经由单个光学传播模式以光学方式发射每一经数据调制的光学载波来减少。所述组将包含MMF的两个或两个以上相对正交的光学传播模式，且所述组的两个或两个以上相对标准正交的光学传播模式具有相差超过一个常数的相位和/或光强分布。特定来说，发明者相信通过每一单个经数据调制的光学载波大体上分散在一组相对正交的光学传播模式(例如具有重大不同的光强和/或相位分布的两个或两个以上此类模式)上可使光学传输产生光学退化的一个有益平均。此种平均可降低光学退化对经数据调制的光学载波的依赖性。减少此依赖性还可以促进在光学接收器处接收到的光信号流的均等和/或多输入多输出(MIMO)处理。

同样，通过将单个经数据调制的光学载波的光学功率大体上分散在预选择的一组此一组相对正交的光学传播模式上可减少光学插入损耗。某些将此经数据调制的光学载波的光学功率大体上均匀地分散在MMF的此预选择的一组光学传播模式上的光学耦合器可以极低的光学插入损耗将光学载波插入到MMF的端面中。

图1说明光学通信系统10，其将每一单个经数据调制的光学载波的光学功率大体上分散在预选择的一组光学传播模式上。所述预选择组具有标准正交的传播模式，其光强和/或相位分布相差超过一个常数，例如，所述组可包含具有不同径向动量本征值和/或角动量本征值的模式。光学通信系统10包含光学发射器12、光学接收器14和将光学接收器14光学连接到光学发射器12的全光多模式光纤信道16。

光学发射器12激发具有一组中的每一初始经数据调制的光学载波的预选择的一组全光多模式光纤信道16的M个相对正交的空间光学传播模式。所述组初始经数据调制的光学载波由M个或更少的光学载波组成，其使用单独的数字数据流调制。光学发射器12可(例如)平行地激发具有所述组初始经数据调制的光学载波的M个光学传播模式中的每一者。特定来说，光学发射器12在所述组的初始经数据调制的光学载波与全光多模式光纤信道16的M个空间光学传播模式之间产生线性独立的光学耦合。由于光学耦合的线性独立性，调制到单独的初始经数据调制的光学载波上的单独的数字数据流可在光学接收器14处恢复，例如经由MIMO处理和/或均等方法。

在一些实施例中，光学发射器12可将初始经数据调制的光学载波的能量大体上均匀地分散在预选择组的相对正交的空间光学传播模式上。所述预选择组包含光强和/或相位分布相差超过一个常数的标准正交光学传播模式，例如具有不同径向动量本征值和/或角动量本征值的光学传播模式。举例来说，光学发射器12可经配置使得初始经数据调制的光学载波激发全光多模式光纤信道16的M个空间光学传播模式中的不同者以具有在预选择组上变化的能量，例如变化3个或3个以下的分贝、变化2个或2个以下分 贝或甚至变化1个或1个以下分贝。假如各种初始经数据调制的光学载波通过此种大体上一致的模式传播由光学发射器12发射，则初始经数据调制的光学载波中的不同者可在通过全光多模式光纤信道16传输的过程中经受类似量的光学退化。

在本文中，光学发射器将经数据调制的光学载波的光所传播到的预选择组的MMF的光学传播模式可以是或不是光纤的光学传播模式的完整组。也就是说，预选择组包含多个相对正交的模式，但此组中的模式可形成或不形成在MMF中模式的一个极化或两个极化的完整基础。每一预选择组包含MMF的至少3个相对正交光学传播模式，其具有重大不同的光强和/或相位分布。

在一些实施例中，光学发射器12可并入有波长多路复用。在此类实施例中，光学发射器12可(例如)以一个波长信道接着一个波长信道的基础执行初始经数据调制的光学载波的模式传播。

光学接收器14可选择地或单独地检测从由光学发射器12激发的预选择组的M个单个光学传播模式接收到的光值系列。举例来说，光学接收器14可经配置以选择地或单独地检测从单个空间光学传播模式接收到的光，如在第20110243490号美国专利申请公开案和第20110243574号美国专利申请公开案中描述，这两个申请案以引用方式全文并入到本文中。

此外，光学接收器14可评估初始数字数据流，所述初始数字数据流基于从预选择组的相对正交的空间光学模式的单个者接收到的光值的平行测量，通过光学发射器12调制到光学载波上。在光学接收器14中，初始数字数据流的评估可涉及执行常规MIMO处理和/或平行测量的光值流的均等。在一些实施例中，光学接收器14还可在执行此种MIMO处理和/或均等之前执行差分群速度补偿。MIMO处理和/或均等可(例如)大致使预选择组的光学传播模式的信道矩阵和光学发射器12的光学耦合矩阵的乘积对角化。光学耦合矩阵定义在初始经数据调制的光学载波组与预选择组的个M空间光学传播模式之间的耦合。

全光多模式光纤信道16包含MMF的N个光学传输段18₁、18₂、…、18_N序列和物理地光学端连传输段18₁至18_N的邻近端的(N-1)个光学处理单元20₁、…、20_N-1。数字N可以是等于或大于一的任何整数。每个光学传输段18₁至18_N可以是(例如)相同种类的MMF，以使N个光学传输段18₁至18_N具有相同的或类似的空间光学传播模式的正交组。

光学传输段18₁至18_N可由常规MMF的片段形成。每一片段可以是(例如)常规阶跃折射率MMF、常规渐变折射率MMF或常规凹陷型包层折射率MMF的单个片段。

可选地，光学传输段18₁至18_N中的一或多者可由混合MMF的片段形成，例如， 由不同类型MMF的端融合片段形成的MMF的片段。当然，此种混合MMF可经构成以例如，基于一段接着一段的基础在预选择组的不同光学传播模式之间减小或本质上补偿累积的差分群延迟(DGD)。提供此种DGD补偿的此种混合MMF段的使用可促进在光学接收器14中的MIMO处理和/或均等。

在一些实施例中，每个光学传输段18₁至18_N仅具有几个空间光学传播模式，即，为少模光纤。光学传输段18₁至18_N序列的正交空间光学传播模式的数目等于或大于在光学传送数据的预选择组中的相对正交光学传播模式的数目。

光学处理单元20₁至20_N-1可在预选择组的光学传播模式之间执行光学放大、光学色散补偿和累积的DGD补偿中的一或多者。在一些实施例中，可选的最后的光学处理单元20_N可用于在预选择组的光学传播模式之间减少或移除任何残余DGD和/或提供放大，和/或减少或移除光学传播模式的残余分布。

MMF的单个光学传输段18₁至18_N和全光处理单元20₁至20_N可具有任何合适的形式，例如，为相关领域的普通技术人员熟知的常规形式。可构造单个光学传输段18₁至18_N和/或全光处理单元20₁至20_N，(例如)如在2012年6月30日提交的第13/539371号美国专利申请案中所描述。一些全光处理单元20₁至20_N可包含如在2012年9月30日提交的第13/632038号美国专利申请案中和/或在2012年8月24日提交第61/692735号美国临时专利申请案中所描述的多模式光学放大器。在本段中引用的申请案以引用方式全文并入本文中。

在一些实施例中，光学发射器12和/或光学接收器14可并入有波长复用。在此类实施例中，光学发射器12可(如已经描述)基于一个波长信道接着一个波长信道的基础执行(例如)光学模式传播。类似地，对于一或多个波长信道，光学接收器14可经配置以评估单个数据流，所述数据流(如已经描述)基于一个波长信道接着一个波长信道的基础调制到光学发射器12中的光学载波上。

图2说明图1的光学发射器12。光学发射器12包含M个光学数据调制器ODM₁、…、ODM_M；M个光学波导OW₁、…、OW_M；以及光学端面耦合器6。每个光学数据调制器ODM₁至ODM_M输出由电气数字数据流DATA₁至DATA_M调制的光学载波，其在光学数据调制器ODM₁至ODM_M处接收。每个光学波导OW₁至OW_M将光学数据调制器ODM₁至ODM_M中的相应一者光学耦合到光学端面耦合器6。光学端面耦合器6将M个光学波导OW₁至OW_M光学耦合到MMF的相邻的和附近的端面30，例如在图1中的第一光学传输段18₁的MMF。

光学端面耦合器6在相邻的和附近的端面上产生由每个光学波导OW₁至OW_M发射 的光束产生的相应的光点。举例来说，光学端面耦合器6可包含一组经布置以产生所述光点的自由空间光学装置，例如反射器、光圈，和聚焦和/或准直镜头和/或镜像系统。由不同光学波导OW₁至OW_M产生的光点通常具有中心，其在MMF30的相邻端面30上空间分离。对于光学端面耦合器6的一些实施例，光点完全地或大体上完全地在端面30上分离。在此类实施例中，光学端面耦合器6通常在MMF的相邻端面30上产生M个单独的光点。在其它实施例中，光学端面耦合器6可产生空间重叠的光点图案，例如发光区域。在各种实施例中，所述图案的单个光点中的不同者耦合到MMF的预选择组的光学传播模式的线性独立组合。

在MMF的相邻端面30上，每个光点图案定义在相应光学波导OW₁至OW_M与MMF的预选择组的光学传播模式之间的光学耦合。特定来说，光学端面耦合器6可将每个最初经数据调制的光学载波的光能或光学功率(例如，来自光学波导OW₁至OW_M中的一者)大体上均匀地传播到预选择组的空间光学传播模式。预选择组包含正交光学传播模式，其光强和/或相位分布相差超过一个常数值，例如，所述组可包含具有不同径向本征值和/或角动量本征值的模式。也就是说，每个初始经数据调制的光学载波通过光学传播模式的混合在MMF中传播。举例来说，光学端面耦合器6可经配置使得M个初始经数据调制的光学载波中的每一者从光学调制器ODM₁至ODM_M激发具有光学功率的MMF的M个相对正交空间光学传播模式，所述光学功率通过预选择组的模式变化3个或3个以下分贝、2个或2个以下分贝或甚至1个或1个以下分贝。

因此，来自每一光学波导OW₁至OW_M中的光大体上耦合到预定的一组MMF的多光学传播模式(也就是说，耦合到光学传播模式的混合)。光学耦合在初始经数据调制的光学载波之间定义光学耦合矩阵，所述光学载波由光学数据调制器ODM₁至ODM_M以及MMF的预选组的光学传播模式产生。此光学耦合矩阵通常是可逆的且近似归一的。

图3说明光学发射器12的可选实施例可在图2中的MMF的端面30上形成的光点图案的实例。光学发射器12的不同实施例可将初始经数据调制的光学载波的组光学耦合到图2的MMF的光学传播模式的不同预选择组。此外，光学发射器12的各种实施例可将所述组的初始经数据调制的光学载波中的单个一者的光学功率大体上均匀地分散在预选择组的光学传播模式上。特定来说，图案中的每个光点可激发在预选择组的光学传播模式上变化，例如，3个或3个以下的分贝、2个或2个以下分贝或甚至1个或1个以下分贝的光学功率。每个预选择组包含光强和/或相位分布以重大方式区分的标准正交光学传播模式，例如，预选择组可包含具有不同径向本征值和/或角动量本证值的模式。

图3示出可选图案A、B、C、D和E，其分别具有3、6、8、10、12和15个空间 上分离的光点。在每个图案A至F，光点通过实心圆指示。在图3中，连接一些光点的线不是图案A至F的部分。包含所述线以有助于各种图案A至F的形式的可视化。

对于图2的MMF的适当形式，每个图案A至F的单个光点激发预定的一组线性极化(LP)模式，所述线性极化模式接近MMF的光学传播模式，MMF为具有较小光核心光包层折射率差异的阶跃折射率光纤。在每个图案A至F中，光点的数目等于或大于光点组可激发的光学传播模式的独立组合的数目。分别具有3、6、10、12和15个光点的图案A至F的单个光点可(例如)激发LP模式的下列相应的预选择组：

{LP₀₁,LP_11a,LP_11b}，

{LP₀₁,LP₀₂,LP_11a,LP_11b,LP_21a,LP_21b}，

{LP₀₁,LP₀₂,LP_11a,LP_11b,LP_21a,LP_21b,LP_31a,LP_31b}，

{LP₀₁,LP₀₂,LP_11a,LP_11b,LP_21a,LP_21b,LP_31a,LP_31b,LP_12a,LP_12b}，

{LP₀₁,LP₀₂,LP_11a,LP_11b,LP_21a,LP_21b,LP_31a,LP_31b,LP_41a,LP_41b,LP_12a,LP_12b}，以及

{LP₀₁,LP₀₂,LP₀₃,LP_11a,LP_11b,LP_21a,LP_21b,LP_31a,LP_31b,LP_41a,LP_41b,LP_12a,LP_12b,LP_22a,LP_22b}。

在每个图案中，光点对称地或规则地布置在一或多个居中于MMF的轴上的环上。此类布置的一些非限制性实例在图3中示出。在一种图案中，环的数目由预选择组的LP_mn模式的不同径向量子数“n”的数目给出。多环图案可激发径向LP_mn模式的线性独立组合。

为了将光学载波的功率大体上均匀地分散在预选择组的LP模式上，在图2的MMF的端面30上由光学载波形成的光点应在端面30上具有合适的位置、尺寸和形状。对于此种光点，发明者相信位置、尺寸和形状的优选值应在图2的光学端面耦合器6中引起低模式依赖损耗和/或低插入损耗。发明者相信在传输到MMF之前，此类损耗中的低模式依赖可增强MIMO处理的能力以恢复调制到光学载波上的数据流。

光学端面耦合器6界定通过图2的光学端面耦合器6以及MMF中的光学传播模式投射到MMF的端面30上的光点之间的有效耦合矩阵M。在矩阵M中，每个矩阵元素由在根据所述元素的光点的电场与光学传播模式之间的整体重叠给出。通常，矩阵M可分解为形式其中U和V是单式矩阵，且A是对角矩阵，其非零对角输入是M的本征值。发明者相信图2的光学端面耦合器6的优选实施例具有有效的耦合矩阵M，对应的矩阵对于其具有非零对角输入，所述非零对角输入的比例具有接近于1的量值。光学端面耦合器6的此类优选实施例可易于由相关领域的普通技术人员在未做过度实验的情况下基于本申请案的揭示内容而发现。

图4和图5说明3个光点和6个光点图案的实例，所述实例可由图2的光学端面耦 合器6的一些实施例实施。在这些实例中，对于图2的MMF的适当形式，图案的单个光点可分别将其中的光学功率大体上均匀地分散在图2的MMF的合适形式的LP模式组{LP₀₁,LP_11a,LP_11b}和{LP₀₁,LP₀₂,LP_11a,LP_11b,LP_21a,LP_21b}上。特定来说，在合适MMF的端面30上产生这些图案的光学端面耦合器可提供有效的耦合矩阵M，所述耦合矩阵大体上是单式矩阵且具有比率接近1的量值的本征值。

3个光点的实例图案

图4示出一种图案，其中具有大约相等尺寸和形状的3个光点对称地或规则地布置在图2中MMF端面30的中心周围。特定来说，不同光点的中心通过关于端面30的中心旋转120度互换。此外，每一光点可具有近似高斯光强分布和圆形形状。

在所述图案中，3个光点中的每个光在离图2的光纤的端面30的中心相同的径向距离处定位。径向距离经选择以使每一光点能够激发具有大约相等功率的MMF的LP₀₁模式和MMF的LP_11a+iLP_11b模式。此处，LP_11a+iLP_11b和LP_11a-iLP_11b模式是MMF中的角动量本征值，即，光强关于MMF的轴轴向对称的模式。根据上述要求，相关领域的普通技术人员将能够容易地确定来自图2的MMF的中心的此类光点的径向距离。的确，普通技术人员将理解，将此类光点耦合到LP₀₁模式和LP_11a+iLP_11b模式的相对强度取决于所述径向距离，因为LP₀₁模式通常在MMF的轴上具有其最高光强，且LP_11a+iLP_11b模式通常在离MMF的轴的非零径向距离处具有其最高光强。

在上述图案中，每一光点同样可具有经配置以产生低插入损耗的尺寸。对于作为阶跃折射率少模光纤或缓变折射率少模光纤(例如，仅具有近似的LP₀₁、LP_11a和LP_11b模式)的实例MMF，每一光点可具有约为标准单模光纤中的模场直径的直径，前提是MMF的光学核心具有约17微米的直径并且MMF具有V＝3.92的归一化频率。当MMF是少模光纤时，所述模场直径通常与MMF的有效区域的平方根有关。

使用3个光点图案将图1的光学发射器12的初始经数据调制的载波耦合到其全光多模式光纤信道16可提供优势。特定来说，3个光点可耦合到一组在全光多模式光纤信道16中仅具有2个群速度的光学传播模式。举例来说，在组{LP₀₁,LP_11a,LP_11b}中，LP_11a和LP_11b模式通常具有相同的瞬时群速度，因此光学传播模式的组仅以2个不同的群速度传播。因此，通过形成混合光纤的单个MMF，在一段接着一段的基础上可获得差分群延迟(DGD)补偿。举例来说，此种混合光纤段可具有第一和第二MMF片段，其中离差具有相反的符号。使用此类混合MMF段来提供DGD补偿可有助于在图1的光学接收器14处的接收到的光学信号的MIMO处理。

6个光点的实例图案

图5图示地说明6个光点S₀、S₁、S₂、S₃、S₄、S₅的图案的实例，所述光纤围绕图2中的MMF的端面30的中心布置。光点S₀至S₅的图案可将多达6个单独的初始经数据调制的光学载波光学耦合到具有LP类似的光学传播模式的少模光纤(FMF)的6个光学传播模式上。当包含两种极化时，此种FMF可具有12个相对标准正交的LP模式。作为一个实例，此种FMF可具有(例如)直径为大约17微米(μm)的光学核心和大约0.5％的光学核心到包层折射率对比度。

在该图案中，中心光点S₀具有直径ds₀，且5个外部光点S₀具有直径ds₁。所述5个外部光点S₁沿着具有半径r_c的虚圆C定位在大致相等的弧间隔处，其中虚圆C大约居中于端面30的中心。外部光点S₁接触直径是dc的开孔圆形区域。所述开孔圆形区域同样居中于中心光点S₀。

在所述图案中，每个光点S₀至S₅可具有(例如)近似高斯光强分布和圆形。

光点S₀至S₅的图案可经设计以通过选择参数ds₁、r_c、ds₀和/或dc的合适值在图2的光学模式耦合器6中减少耦合插入损耗和/或损耗的模式依赖性。作为一个实例，为了耦合到上述MMF，假如ds₁设置为大约5.5μm、r_c设置为大约6.6μm、ds₀设置为大约5.1μm且dc设置为大约6.6μm，则光学耦合器6可由大约3dB的耦合插入损耗以及大约1dB的损耗的模式依赖性形成。假如光学传播模式沿着FMF的长度经历大量混合，则可进一步减缓耦合插入损耗的模式依赖性。

图2的光学模式耦合器6的此种6个光点图案可使用自由空间光学器件、(例如，基于与下文在图6A到6B中说明的结构类似的结构)、锥形光纤束或光激性提灯、集成光学装置或3D波导装置制成。在基于自由空间光学器件的光学模式耦合器4的此种实施例中，初始经数据调制的光束可空间地组合以形成6个光点图案，例如，使用具有五边形或其它基的锥形镜像装置。沿着锥形镜像装置的主要轴的中心孔可用于产生图案的中心光点S₀。在基于锥形光纤束或光激性提灯的光学模式耦合器t的实施例中，其六个单模式光纤的锥形部分可在熔融的或锥形的结构FTS中形成横截面图案，其在形式上类似于图5的图案。

具有3点模式耦合器的实例光学发射器

图6A至6B说明图2的光学发射器12的实例12A，其在图2的MMF的邻近端面30上产生图4的3点图案。光学发射器12A使用自由空间光学器件以构成图2的光学端面耦合器6。

参考图6A，光学发射器12A包含三个光学数据调制器22₁、22₂、22₃；三个光学波导OW₁、OW₂、OW₃；镜子M1、M2、M3、M4；以及包含透镜L1、L2的聚焦和/或准 直透镜系统。

每个光学调制器22₁、22₂、22₃将接收到的初始电气数字数据流DATA-1、DATA-2、DATA-3调制到相应的光学载波上且将所得的初始经数据调制的光学载波输出到相应的光学波导OW₁、OW₂、OW₃。可以是(例如)单模式光纤或平面光学波导的每个光学波导OW₁、OW₂、OW₃将初始经数据调制的光学载波经由其输出端传输到镜子M1、M2、M3。

镜子M1、M2、M3、M4将初始经数据调制的光学载波耦合到图2的MMF的邻近端面。三个镜子M1、M2、M3重新排列由初始经数据调制的光学载波1、2、3的光束的横截面形成的图案。这些光束最初以共面的方式从光学波导OW₁、OW₂、OW₃的末端发射。

两个镜子M1、M2重新定向这些光束中的两者，使得三个经数据调制的光学载波1、2、3的光束在图6A的区域AA中共面和平行。在图6B的上部以横截面形式说明了初始经数字数据调制的光学载波1、2、3的光束的此共面和平行布置。

接着，剩余的镜子M3、M4横向地取代中心的初始经数字数据调制的载波3的光束以定位在图6A的区域BB中的另外两个共同定向的初始经数字数据调制的光学载波1、2的光束平面的上方或下方。在图6B的中心部分中说明了初始经数字数据调制的光学载波1、2、3的光束的此新布置。这些剩余的镜子M3、M4可垂直布置，如图6A中的插图所说明。

透镜L1和L2重新设定镜子M1至M4产生的光束图案的尺寸，使得图案具有适于照亮图2中的MMF的端面30的尺寸。举例来说，透镜L1可缩小来自BB区域的三个初始经数字数据调制的光学载波1、2、3的横截面图案以产生较小直径的光束布置。接着，透镜L2可校准三个初始经数字数据调制的光学载波1、2、3以形成MMF的端面30上的所述三个光束产生的光的三点配置。在图6B的下部说明了初始经数字数据调制的光学载波1、2、3的光束的此新布置。

基于光纤装置的实例光学发射器

在其它实施例中，光学波导OW₁至OW_M和图2的光学端面耦合器6可由光纤装置形成，例如，其中每个输入光纤传送初始经数据调制的光学载波中的每一者的锥形光纤束。在光纤束中，单个光纤可根据已经讨论过的点图案(例如图3至5的图案中的一者)中的一者横向地布置在光纤束的熔融的和锥形的部分(FTS)中。

在一些此类实施例中，光纤装置可以是在熔融的和锥形的光学片段(FTS)中绝热地合并M个单模式光纤SMF₁、…、SMF_M的光激性提灯，在所述光学片段中，原始光纤 核心阵列由具有较低折射率的光学包层矩阵环绕。

图7图示地说明具有M个输入单模式光纤SMF₁、…、SMF_M的此种光激性提灯6'的实例，即，针对M＝3的情况。为了形成光激性提灯6'的熔融的和锥形的片段FTS，每一个原始单模式光纤SMF₁至SMF_M的片段可放置在具有较低折射率的单个玻璃毛细管GC中。接着，光纤填充的玻璃毛细管可经熔融或拉动以产生FTS片段的绝热锥化。由于绝热锥化，M个隔离的单模式光学核心的光图案可在熔融的和锥形的片段FTS中演变成新的光束图案，而不具有功率损耗。由于绝热锥化，M个定位光束的原始图案可演变到FTS片段中形成横向重叠光束的图案，其可在MMF的端面上产生重叠发光区域的图案，如本申请案中其他地方所讨论。基于光激性提灯的图2的光学模式耦合器6的实施例可提供较低的模式依赖损耗和/或较低的耦合/插入损耗，例如，当锥化不会使M个单模式光纤的原始传播模式的光演变成熔融的和锥形的光学片段FTS的光学包层模式时。

基于集成装置的实例光学发射器

或者，光学波导OW₁至OW_M和图2的光学模式耦合器6可使用经配置以从M个初始经数据调制的光学载波中产生所需光点图案的平面光学装置来实施。

基于3D波导装置的实例光学发射器

图8说明3D波导装置6"，其提供图2的光学端面耦合器6的实施例。3D波导装置6"经配置以在图2的MMF的邻近的端面30上产生3个光点图案。3D波导设备6"包含在光学材料的大块2(例如二氧化硅玻璃块)中形成的3个光学核心3DC₁、3DC₂、3DC₃。在块2的左侧(LS)与块2的右侧(RS)之间，由光学核心3DC₁、3DC₂、3DC₃形成的横截面图案平滑地演变。在块2的左侧(LS)，所述图案的光学核心3DC₁至3DC₃广泛地间隔成便于端耦合到光学波导OW₁、OW₂、OW₃，所述光学波导连接到3个光学数据调制器(未显示)。在块2的右侧(RS)，光学核心3DC₁至3DC₃具有呈光点图案形式的空间图案(SP)，所述空间图案将投射到MMF的邻近端面30上。

光学核心3DC₁至3DC₃的横截面图案的演化通过在块2的总体积中形成光学核心3DC₁至3DC₃而产生。特定来说，3D波导装置可使用集中的和高光强激光内刻在光学材料块中。举例来说，飞秒脉冲的高光强激光可经操作以产生能够在3D二氧化硅玻璃块的体积中激光写出光学核心的此类复杂图案的集中光束。经由3D微生产激光书写来产生此类3D波导装置的服务是公开可用的，例如，此类服务和3D波导装置可公开购自苏格兰EH54 7GA西洛锡安区利文斯顿阿尔巴大学0/14阿尔巴创新中心Optoscribe有限公司。

然而所说明的光学端面耦合器6经配置以在MMF的邻近端面30上产生3个光点图案，用于图2的光学端面耦合器6的3D波导装置不限制于用于产生3个光点的装置。基于本发明，相关领域中的普通技术人员将容易地制造和使用经配置以在图2中的MMF的端面30上生产光点的其它图案的3D波导装置的其它实施例。确实，此种普通技术人员将理解，此类其它实施例可经配置以产生如在图3中所说明的光点图案A至F中的任一者。

然而在本申请案中，图2的光学端面耦合器6的一些实施例已被说明为生产光点(其中光点中的单个一者空间地分离)的图案，但本发明不局限于此类特定图案。在本文中，表述“光点”包含光的两个局部点，例如，圆形光点和更普遍的发光区域。光点甚至可以是分离的发光区域的集合。确实，可构造图7和8的一些锥形光纤束6'和2d波导装置6"以根据单个接收的光束形成此类发光区域的图案。使用此种发光区域来将单个经数据调制的光学载波耦合到图2的MMF的端面30仍然可以将单个经数据调制的光学载波的功率大体上均匀地分散在预选择组的标准正交传播模式上，其中一些模式具有重大不同的光强和/或相位分布。

图1的光学通信系统10的一些实施例同样可实施差扥群延迟补偿，例如，如在2012年9月15日提交的第61/701613号美国临时专利申请案中所描述。本申请案以引用方式全文并入到本文中。

本发明旨在鉴于描述、图示和权利要求包含对本领域技术人员而言显而易见的其它实施例。

Claims (8)

1.一种用于多模式光学通信的设备，其包括：

光学发射器，其包含多个光学数据调制器和光学端面耦合器，所述光学数据调制器的每一者经配置以输出相应的经数据调制的光学载波，所述光学端面耦合器经配置以将所述经数据调制的光学载波引导到光束图案中以使用光点图案照亮多模式光纤的端面；以及

其中所述光学端面耦合器经配置以使经数据调制的光学载波的每一者激发所述多模式光纤的标准正交光学传播模式的相应组合，所述组合的一些标准正交光学传播模式具有重大不同的光强或相位分布；

其中所述光学端面耦合器经配置以引起经数据调制的载波器中的每一者实质上激发具有不同角动量本征值的至少三个光学传播模式；

其中所述多模式光纤的标准正交光学传播模式的组合是线性独立的；且

其中所述光学端面耦合器经配置以使所述经数据调制的光学载波的每一者的光学功率被大体上均匀地分散在所述相应组合的所述正交光学传播模式上。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学耦合器经配置以使所述经数据调制的光学载波中的至少一者的光学功率被分散在所述光学传播模式上，使得所述相应组合中的光学传播模式中的每一者接收所述光学传播模式彼此的至少1/2的所述光学功率。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学端面耦合器包含锥形光纤束，所述锥形光纤束具有经连接以接收所述经数据调制的光学载波的输入光纤以及能够使用所述光点图案照亮所述端面的输出端。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学端面耦合器包含3D波导装置。

5.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括具有全光端连的多模式光纤段序列的全光多模式光纤信道，所述多模式光纤是所述序列中的所述多模式光纤段的第一者的片段，且其中所述序列的一些所述多模式光纤段是经构造以提供差分群延迟补偿的混合光纤段。

6.根据权利要求5所述的设备，其进一步包括光学接收器，所述光学接收器经配置以通过对关于从所述全光多模式光纤信道接收到的光的测量集合执行MIMO处理来评估由所述经数据调制的光学载波传送的数据流。

7.一种用于多模式光学通信的设备，其包括：

光学发射器，其经配置以并行地发射多个经数据调制的光学载波并且使用光点图案照亮多模式光纤的端面，所述光点的每一者由所述经数据调制的光学载波器中的相应一者形成；

其中在所述图案中，每个光点相对地定位以将所述经数据调制的光学载波中的所述相应一者的光学功率分散在所述多模式光纤中具有不同侧向光强或相位分布的一组标准正交光学传播模式上；以及

其中所述图案的所述光点的子集具有定位在圆上的中心，所述子集的所述光点在所述圆上具有大约相等的弧间隔，且其中所述子集仅由3、5、7或9个所述光点形成。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述光学发射器经配置以发射所述经数据调制的光学载波中的至少一者的功率，使得所述组的每一光学传播模式接收所述组的所述光学传播模式彼此的所述经数据调制的光学载波中的所述至少一者的至少1/2的功率。