CN105637337B - 表征多模光纤链路的方法及相应的制造多模光纤链路的方法和从多个多模光纤中选择多模光纤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于表征多模光纤链路的方法，所述多模光纤链路包括光源和多模光纤，所述方法包括以下步骤：使用色散模式延迟(DMD)的测量来表征所述多模光纤并且传送光纤特性数据(170)；利用至少三个源特性曲线来表征所述光源(171)，其中所述源特性曲线示出作为光纤半径r的函数的源的三个参数，并且是利用与DMD测量相同的技术所获得的；计算链路的有效带宽(EB)(173)，其中该步骤(173)包括：使用所述光纤特性数据和各个所述源特性曲线来计算传递函数(172)。

Description

表征多模光纤链路的方法及相应的制造多模光纤链路的方法 和从多个多模光纤中选择多模光纤的方法
技术领域
本发明涉及光纤传输领域，并且更具体地，涉及相对较长距离和高比特率的系统中所使用的多模光纤。更具体地，本发明涉及表征这些光传输系统中所使用的包括光源和一个或多个多模光纤的多模光纤链路的方法。
背景技术
多模光纤连同通常使用横向多模的垂直腔面发射激光器(更简称为VCSEL)的高速源一起成功地用在高速数据网络中。
有效带宽(Efficient Bandwidth)推进了包括多模光纤和诸如VCSEL等的光源的系统的性能，并且使得能够评估可实现的最高比特率和/或可实现的最长距离。
有效带宽是通过模式色散和色度色散的组合所得到的。
模式色散是通过以下事实所产生的：在多模光纤中，对于特定波长，多个光模式在承载相同的信息的情况下沿着光纤同时传播，但以不同的传播速度行进。模式色散是以差分模式延迟(Differential Mode Delay，DMD)的形式表示的，其中该差分模式延迟(DMD)是穿过光纤的最快模式和最慢模式之间在脉冲延迟(ps/m)方面的差异的度量。
为了使模式色散最小化，数据通信中所使用的多模光纤通常包括呈现如下的折射率的纤芯，其中该折射率从光纤中心向光纤中心与包层的接合部逐渐减小。通常，如下所述，通过已知为“α分布”的关系来给出折射率分布：
其中r≤a
其中：
n0是光纤的光轴上的折射率；
r是相对于所述光轴的距离；
a是所述光纤的纤芯的半径；
Δ是表示光纤的纤芯和包层之间的折射率差的无量纲参数；以及
α是表示折射率分布的形状的无量纲参数。
在光信号在具有渐变折射率的这种纤芯中传播的情况下，不同的模式经历不同的传播介质，从而对这些模式的传播速度产生不同的影响。通过调整参数α的值，由此可以从理论上获得对于所有模式而言实际上均相等的组速度，并且由此可以从理论上获得针对特定波长的有所减小的模间色散。然而，参数α的最佳值仅针对特定波长有效。此外，在光纤的制造期间难以控制准确参数值α以及折射率分布的实际形状。
因而，在评估多模光纤链路的有效带宽的情况下考虑到模式色散很重要。
如上所述，有效带宽还受到色度色散(还被称为材料色散)的影响。由于材料的折射率根据光的波长而发生改变，因此发生色度色散。结果，在多模光纤中，不同的波长以不同的速度行进。由于光的脉冲通常包括多个波长，因此光信号的谱分量在时间上是分散的、或者随着这些谱分量的传播而散开，这样引起脉冲宽度变宽。多模光纤在波长850nm的情况下通常具有数量级为-100ps/nm-km的色度色散。在谱范围840～860nm内，色度色散可以在-80～-120ps/nm-km内改变。
最初，已假定模式色散和色度色散独立地起作用。结果，与考虑到模式色散和色度色散这两者的情况下的光纤的带宽相对应的有效带宽(EB)长期以来被评估为色度色散带宽(Chromatic Dispersion Bandwidth，BWch)和与忽略色度色散的情况下的源-光纤对的带宽相对应的有效模式带宽(Effective Modal Bandwidth，EMB)的单独组合的结果。
更精确地，色度色散带宽是通过考虑到光纤的色度色散的标称值而根据VCSEL的谱宽度所确定的。实际上，色度色散在各光纤之间被认为不会大幅改变。
因而，如下所述计算色度色散带宽：
其中并且D2＝0，7.σ.S0，
其中：
L是以千米为单位的链路长度；
σ是以nm为单位的激光源的均方根(rms)光谱宽度；
λ0是以nm为单位的光纤的零色散的波长；
λC是激光的中心波长；
S0是以ps/(km.nm)2为单位的色散参数。
关于有效模式带宽，通常通过对由于模式色散所引起的延迟(已知为首字母缩写为DMD的“色散模式延迟(Dispersion Modal Delay)”图形表示)进行测量来估计该有效模式带宽。DMD测量过程已成为标准化(IEC 60793-1-49和FOTP-220)的主题，并且还在电信行业协会文件编号TIA-455-220-A中进行了规定。DMD度量是以皮秒/米(ps/m)为单位来表示的，从而利用光纤长度对总延迟进行归一化。如通过DMD所测量到的低模式色散通常导致较高带宽的MMF。
通过在光纤中心注入具有给定波长λ0的光脉冲、并且通过测量给定的光纤长度L之后的脉冲延迟，来获得DMD图形表示；具有给定波长λ0的光脉冲的引入发生径向偏移，从而覆盖多模光纤的纤芯整体。
在评估了有效模式带宽和色度色散带宽之后，如下所述计算还被称为有效带宽的总带宽：
然而，对于相对较长的距离和高比特率，并且特别是在横向多模源的情况下，由于模式色散和色度色散相互作用(Modal and Chromatic Dispersion Interaction，MCDI)，因此源和光纤并不会独立地推进系统性能。
实际上，光传输系统中所使用的源通常不是单色的。因而，广泛使用的VCSEL具有宽谱离散发射。高速传输所使用的VCSEL通常是纵向单模而非横向单模，其中激光器的各横向模式自身的波长与发射谱的各种峰相对应。因而，发射谱具有空间依赖性。
在VCSEL所发射的光信号被引入多模光纤的情况下，VCSEL的各横向模式将以不同的方式发生衍射：最高阶的横向模式由于其相位以及其能量的空间分布而更快速地发散，因此这些横向模式特别是在光纤的高阶模式中将发生更大的耦合。应当重申，VCSEL的高阶模式占用了光谱的最小波长。VCSEL模式的该谱和空间分布使得光纤的最高阶模式主要承载谱中的最小波长：因而，色度色散将使更高阶模式相对于基模的延迟发生进一步延迟。
因而，色度色散将引入被称为“模式色散和色度色散干扰(Modal and ChromaticDispersion Interference)(首字母缩写为MCDI)”的模式色散，这样限制了带宽。
文献US 2011/0054861 A1强调了以下事实：用于确定DMD和EMB的当前标准化算法尽管足以评价特定光纤在特定测量波长处的定量模式色散，但没有正确地解决模式色散效应和色度色散效应这两者；并且公开了目的在于正确地组合模式色散效应和色度色散效应这两者的用于计算特定激光发射器和光纤的组合的带宽的改进算法。
根据该现有技术文献，如下所述，通过传递函数Hfiber(f,n)的计算来评估导致色度色散和模式色散这两者的总带宽，其中传递函数Hfiber(f，n)是通过将DMD测量中所使用的注入参考脉冲R(t)从输出时间响应Pcd(t，n)中去卷积所确定的：
Hfiber(f，n)＝FT{Pc，d(t，n)}/FT{R(t)}
其中：Pcd(t，n)＝∑r Dcd(r，t，n)＝Ucd(r，t)W(r，n)
并且Ucd(r，t)＝FT-1{FT{U(r，t)}.Hcd(f，r)}
其中：U(r，t)是使用在相对于多模光纤光缆的纤芯的一系列径向偏移r处注入到该纤芯中的中心波长为λc的光谱窄且时间短的光脉冲所测量到的多模光纤光缆的时间响应，以及
Hcd(f，r)是根据飞行时间(Time of Flight)TOF(λ)和在径向偏移r处所测量到的收发器的光谱L(λ，r)而在该偏移r处计算出的色度色散传递函数：
Hcd(f，r)＝FT{L(λ，r)TOF(λ)}。
尽管尝试考虑模式色散和色度色散这两者来表征多模光纤系统，但这种方法表现出若干缺陷。
首先，这种方法没有区分源表征和光纤表征。
其次，这种方法没有公开如何使用源度量和光纤度量来得出多模光纤链路的有效带宽，而是仅能够确定带宽范围，并且或许能够确定光纤的最小带宽和激光发射器的数量。
然而，多模光纤链路的有效带宽值例如对于优化系统性能、评估系统距离、评估功率损失或可实现的最高比特率而言非常有用。
因而，期望存在会考虑到色度色散效应和模式色散效应这两者的用于评估包括源和多模光纤的系统的有效带宽的改进方法。
还期望具有不需要现场测量的方法。还期望获得会表征源和多模光纤并且可用于预测系统性能的新度量。
发明内容
在一个方面中，一种用于表征多模光纤链路的方法，所述多模光纤链路包括光源和至少一个多模光纤。所述方法包括以下步骤：使用色散模式延迟即DMD的测量来表征所述多模光纤。所述方法还包括以下步骤：
-用于利用通过以下操作所获得的至少三个源特性曲线来表征所述光源的步骤：
○利用所述光源对标称多模光纤进行激励；
○在所述标称多模光纤的径向偏移值r＝0的轴～径向偏移值r＝a的范围内的不同的径向偏移值r处，利用单模光纤扫描所述标称多模光纤的输出信号，其中a是所述标称多模光纤的纤芯半径；以及
○利用谱分析器针对各径向偏移值r分析所述单模光纤的输出光谱，
其中，所述源特性曲线分别示出作为所述径向偏移值r的函数的源参数；
-用于计算所述链路的有效带宽即EB的步骤，其中该步骤包括：使用所述光纤特性数据和所述源特性曲线中的各源特性曲线这两者来计算传递函数。
因而，本发明依赖于多模光纤链路的新的创造性的表征方法。本发明实际基于如下发现：源和光纤确实对系统性能产生相互作用，因而独立计算有效模式带宽和色度模式带宽以考虑模式色散显像和色度色散现象这两者并不可靠。
根据本发明实施例的方法使得能够分离出表征源和光纤的相关度量，并且提供对这些度量进行处理以评估光链路的有效带宽的新方式。换句话说，根据这种方法，在无需使链路以物理方式评估其潜能的情况下，可以独立地表征光纤和源。然而，模式色散和色度色散之间的相互作用得以保留。
源的表征依赖于从方法上与IEC 60793-1-49标准和FOTP-220标准所规定的DMD测量技术在一定程度上相同的新技术。多模光纤的表征依赖于该标准化DMD测量技术。
用于表征多模光纤链路的这种方法可以有利地用在光纤制造的框架中，以支持用于考核针对给定的一组收发器提供最小EB的光纤的方法。该方法还可用于通过监测链路中所插入的附加的有源或无源组件对源度量和/或光纤度量的作用以及针对链路的有效带宽的影响，来考核该附加的有源或无源组件的作用。
此外，该方法不限于840～860nm的波长范围，并且还可应用于在可供与光纤进行数据通信的整个可用谱范围内(例如，在633～1625nm的范围内甚至超过1625nm(例如，约2μm))进行发射的源。该方法也不局限于基于VCSEL的源，并且例如还可用于DFB(“分布反馈(Distributed Feedback)”)激光器、LED(“发光二极管(Light Emitting Diodes)”)或硅光子(Silicon Photonic)源。该方法特别适合宽谱源、横向和/或纵向多模源。
此外，该方法不限于50μm的渐变折射率多模光纤：该方法例如还可应用于更小纤芯直径10～50μm或更大纤芯直径50～100μm。此外，该方法不限于渐变折射率多模光纤，并且特别适合以关注的工作波长支持一个以上的模式的任何光纤。
如这里所使用的，多模光纤是能够以期望的工作波长传输一个以上的模式的光纤。
在另一方面中，所述源特性曲线包括：
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述源的输出功率P(r)的曲线，其中0≤r≤a；
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述源的中心波长λc(r)的曲线，其中0≤r≤a；以及
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述源的均方根谱宽度Δλ(r)的曲线，其中0≤r≤a。
因而，根据本发明实施例的方法有利地避免了全光谱的使用。相反，该方法仅考虑源的中心波长λc(r)和谱宽度RMSΔλ(r)。本发明人实际证实了这种方法足以得到良好结果，而鉴于谱形状的复杂性，这一点很不明显。
此外，根据本发明实施例的方法有利地使用用于表征源的度量Δλ(r)，其中由于该度量提供如此得到的对于系统余量计算而言为强制性的有效带宽的正确定标，因此该度量很重要。
有利地，所述标称多模光纤呈现与所述多模光纤链路的长度接近的长度。如此在与实际光链路相似的条件中执行源表征。
根据本发明的方面，用于表征所述多模光纤的步骤和用于表征所述光源的步骤使用相同的单模光纤，以避免使用不同的单模光纤将会引起的、源表征和光纤表征之间的任何差异。
在本发明的第一特定实施例中，用于计算所述多模光纤链路的有效带宽即EB的步骤根据传递函数H(f)来得出所述有效带宽：
其中，
和是sDMD(r,t)和sref(t)的傅立叶变换，
L是所述多模光纤链路中的多模光纤的长度，
LDMD是所述色散模式延迟的测量中所使用的多模光纤的长度，
D是以ps/nm-km为单位表示的所述标称多模光纤的色度色散，
λDMD是所述色散模式延迟的测量的波长，
sDMD(r,t)是径向偏移值r的情况下的DMD轨迹，
sref(t)是参考脉冲信号，以及
OMBc(r)是计算过满模式带宽权重函数即OMBc权重函数。
作为示例，计算有效带宽作为H(f)传递函数的-3dB处的带宽，使得：当然，可以使用根据H(f)来得出EB的其它方法，例如通过使用-1.5dB的阈值并将所获得的带宽乘以或者通过使用-6dB的阈值等。
根据本发明的该第一实施例，通过使用完整的DMD标绘图来表征多模光纤。
如Abhijit Sengupta在International Wire&Cable Symposium,Proceedings ofthe 58th IWCS/IICIT中关于50μm渐变折射率MMF的第24-29页发表的“Calculated ModalBandwidths of an OMA Fiber and the Theoretical Challenges”中所公开的，OMBc权重函数是与过满注入(overfilled launch)相对应的权重函数。注意，OMBc权重函数可以是针对任何折射率分布所计算出的，并且必须适用于标称光纤剖面。
根据本发明的第二特定实施例，用于表征所述多模光纤的步骤包括用于根据所述色散模式延迟的测量来计算至少三个光纤特性曲线的步骤，其中所述光纤特性曲线包括：
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述多模光纤的径向偏移带宽ROB(r)的曲线，其中0≤r≤a；
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述多模光纤的径向偏移延迟ROD(r)的曲线，其中0≤r≤a；以及
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述多模光纤的径向耦合功率PDMD(r)的曲线，其中0≤r≤a。
根据该第二实施例，多模光纤的表征使用从DMD标绘图中所提取的更为简单且更便于使用的相关度量，其中与上述第一实施例相比，具有轻微的精度损失。将径向偏移带宽(Radial Offset Bandwidth)ROB(r)和径向偏移延迟(Radial Offset Delay)ROD(r)归一化为DMD测量中所使用的光纤长度，并且通常分别以MHz.km和ps/m为单位来表示。
根据该第二实施例的方面，用于计算所述多模光纤链路的有效带宽即EB的步骤根据传递函数H(f)来得出所述有效带宽：
其中，
L是所述多模光纤链路中的多模光纤的长度，
LDMD是所述色散模式延迟的测量中所使用的多模光纤的长度，
D是以ps/nm-km为单位表示的所述标称多模光纤的色度色散，
λDMD是所述色散模式延迟的测量的波长，
sDMD(r,t)是径向偏移值r的情况下的DMD轨迹，以及
OMBc(r)是计算过满模式带宽权重函数即OMBc权重函数。
作为示例，计算有效带宽作为H(f)传递函数的-3dB处的带宽，使得：当然，可以使用根据H(f)来得出EB的其它方法，例如通过使用-1.5dB的阈值并将所获得的带宽乘以或者通过使用-6dB的阈值等。
应当注意，将SDMD(r,t)和Sref(t)归一化为DMD测量中所使用的光纤长度LDMD，如此以s/m为单位来表示SDMD(r,t)和Sref(t)中的t自变量。OMBc权重函数是Abhijit Sengupta在International Wire&Cable Symposium,Proceedings of the 58th IWCS/IICIT的第24-29页发表的“Calculated Modal Bandwidths of an OMA Fiber and the TheoreticalChallenges”中所公开的权重函数，但经过了调整以考虑标称光纤的折射率分布。
根据本发明的另一实施例，利用半径的函数D(r)来替换Δτ(r)中的所述色度色散D，使得：
Δτ(r)＝L.D(r).(λc(r)-λDMD)。
实际上，在λc(r)接近λDMD波长的情况下，以上针对本发明的第一实施例和第二实施例所述的这两个方法有效。然而，在λc(r)与λDMD波长非常不同的情况下，可能发生一些差异。这归因于色散模式延迟DMD根据DMD测量期间所使用的工作波长λDMD而改变这一事实。考虑到该现象，可以通过利用半径函数D(r)对Δτ(r)的等式中的色度色散D进行修改，来校正本发明的第一实施例和第二实施例这两者中所使用的传递函数H(f)。
优选地，D(r)＝D0+a.r2+b.r，其中D0、a和b是使用属于包括以下内容的组的方法所计算出的系数：
-在如DMD那样的激励的情况下进行沿着半径的色度色散测量；
-比较以两个不同的波长所获得的ROD曲线。
本发明还涉及一种用于制造多模光纤链路的方法，所述多模光纤链路包括光源和多模光纤，所述方法包括以下步骤：
-选择一组多模光纤和一组光源；
-针对所述一组多模光纤中的各多模光纤以及针对所述一组光源中的各光源，按照根据权利要求1至9中任一项所述的方法来表征利用所述多模光纤和所述光源所形成的所述多模光纤链路；以及
-仅选择有效带宽即EB>3000MHz-km、更优选为EB>4500MHz-km、甚至更优选为EB>6000MHz-km的多模光纤链路。
本发明还涉及一种用于从多个多模光纤中选择多模光纤的方法，所述方法包括以下步骤：
-选择多个多模光纤和一组光源度量；
-针对所述多个多模光纤中的各多模光纤和所述一组光源度量中的各光源度量，按照根据权利要求1至9中任一项所述的方法来表征利用所述多模光纤和所述光源度量所形成的所述多模光纤链路；以及
-仅选择针对整个所述一组光源度量的最小的计算有效带宽>3000MHz-km、更优选>4500MHz-km、甚至更优选>6000MHz-km的多模光纤链路，
其中，所述一组光源度量是通过对代表性的一组光源进行测量或建模所获得的。
更一般地，根据本发明的用于表征多模光链路的方法所计算出的有效带宽可用于进行以下操作：
-针对给定的源或一组源来分选/优化光纤，以优化系统性能(低损失)和/或扩展距离；
-针对给定的光纤或一组光纤分选/优化源，以优化系统性能(低损失)和/或扩展距离；
-针对给定的链路长度和比特率评估功率损失/系统余量；
-对于给定比特率，针对给定的功率损失水平/系统余量评估系统距离；
-评估针对给定的功率损失/系统余量以及给定的链路长度可实现的最大比特率。
附图说明
参考以示例的方式给出的且并不限制保护范围的以下说明和附图，可以更好地理解本发明，其中：
-图1示出包括多模光纤的光通信系统的示例；
-图2示出DMD测量技术；
-图3示出根据本发明实施例的源表征技术；
-图4示出本发明典型实施例中的利用图3的技术所表征的源的光谱；
-图5示出本发明典型实施例中的利用图3的技术所表征的源的作为径向偏移值的函数的输出功率P(r)；
-图6示出本发明典型实施例中的利用图3的技术所表征的源的作为径向偏移值的函数的中心波长λc(r)；
-图7示出本发明典型实施例中的利用图3的技术所表征的源的作为径向偏移值的函数的均方根谱宽度Δλ(r)；
-图8示出本发明典型实施例中所使用的OMBc权重函数；
-图9示出理论有效带宽、根据本发明的两个实施例所计算出的有效带宽以及根据现有技术所计算出的有效带宽的比较；
-图10示出根据本发明实施例所得出的源度量λc(r)和Δλ(r)对于表征源的重要性、以及这两个度量对光链路的有效带宽的计算的影响；
-图11示出理论有效带宽与根据本发明的第一实施例和第二实施例所计算出的EB3有效带宽之间的比较；
-图12A、12B和12C与本发明的另一典型实施例的图5、6和7的曲线相对应；
-图13示出通过DMD测量技术针对图12A～12C的典型实施例的多模光纤所获得的DMD标绘图；
-图14比较通过不同的方法针对图12A～12C的典型实施例的光链路所获得的以MHz-km为单位表示的有效带宽；
-图15和图16均关注本发明的增强实施例；
-图17示出根据本发明的用于表征多模光纤链路的方法的概要图；
-图18示出通过对根据本发明实施例所表征的多模光纤进行DMD测量所得到的DMD标绘图的示例；
-图19示出根据图18的DMD标绘图所得出的ROB曲线；
-图20示出根据图18的DMD标绘图所得出的ROD曲线；
-图21示出根据图18的DMD标绘图所得出的PDMD曲线。
这些附图中的组成部分无需按比例绘制，而是着重示出本发明的原理。
具体实施方式
本发明的一般原理依赖于独立的源表征和光纤表征，从而使得能够分离出表征源和光纤这两者的相关度量，并且依赖于用于从这些新度量开始评估有效带宽的新方法。
图17通过概要图示出根据本发明的用于表征多模光纤链路的方法。这种方法依赖于使用DMD测量技术的多模光纤的表征170。根据本发明的实施例，如通过前述将更清楚地示出，光纤特性数据是DMD标绘图本身(方法1、还被称为本发明的第一实施例)、或者根据DMD标绘图所得出的三个光纤特性曲线(方法2、还被称为本发明的第二实施例)。
这种方法还依赖于使用与DMD测量技术相似的技术的源的独立表征171，从而使得能够获得三个源特性曲线。
步骤170所传送的光纤特性数据和步骤171所传送的源特性曲线这两者馈送至用于计算传递函数H(f)的计算步骤172。然后，在步骤173中，根据传递函数H(f)来得出多模光纤链路的有效带宽。
以下将针对其它附图更详细地说明所有这些步骤。
图1示出包括作为本有效带宽计算方法的对象的多模光纤的光通信系统的示例。数千兆比特以太网(multi Gigabits Ethernet)光通信系统顺次包括发送器1的驱动器8、发送器1的VCSEL源9、发射跳线2、连接器3、多模光纤4、连接器3、发射跳线2、接收器5的PIN二极管6、接收器5的放大器7。驱动器8生成10Gbps或25Gbps的数字信号，其中该数字信号直接对VCSEL源9进行调制。
为了简化，以下仅考虑一个多模光纤；然而，以下所述的一般原理容易扩展至多个多模光纤串连以形成链路的情况。
根据本发明的实施例，如标准TIA FOTP-220或IEC 60793-1-49(TIA-455-220-A，“Differential Mode Delay Measurement of Multimode Fiber in the Time Domain”(2003年1月))所述，多模光纤4的表征主要是基于DMD测量。
图2示出DMD测量技术。使用单模光纤SMF将超快激光脉冲注入到多模光纤MMF中。SMF进行径向扫描，并且针对各径向偏移位置，使用高带宽光接收器30和采样示波器来记录所发送的脉冲的形状。
更精确地，源发射波长为850nm的光参考脉冲sref(t)，并且该光参考脉冲sref(t)被注入到纤芯直径为5μm的单模注入光纤SMF的纤芯10中。从SMF的端部起，该光参考脉冲sref(t)横跨被测多模光纤MMF的纤芯20。这种MMF的纤芯直径通常为50μm。对于横跨纤芯的各横向偏移(0～24微米)，记录如此得到的输出脉冲的传播延迟。各输出脉冲仅包含给定的输入径向位置处激励的模式。如图2的右部(还被称为DMD标绘图)所示，沿着纵轴标绘各个径向偏移的输出波形，并且这些输出波形移位了1微米的增量。沿着横轴以皮秒/米(ps/m)为单位来标绘各波形的相对脉冲延迟。DMD是通过首先使用最快脉冲的前沿和最慢脉冲的后沿测量延迟的差脉冲所确定的。从该差中减去注入脉冲的时间宽度，从而得到光纤的模式色散。
图3示出根据本发明实施例的源表征技术。该表征与DMD测量技术的表征相似。
首先，利用要表征的源来激励具有直径为50μm的纤芯31的标称多模渐变折射率光纤。这种标称多模渐变折射率光纤具有与链路中所使用的多模光纤明显相同的纤芯直径、数值孔径和单一阿尔法(α)渐变折射率分布。单模光纤32以与标准DMD测量中所使用的方式相同的方式扫描标称光纤的输出，由此优选以1μm为步长在0～25μm的范围内进行扫描。配置于单模光纤32的输出处的光谱分析器30针对SMF的各位置记录输出光谱。
在不失一般性的情况下，源表征所使用的单模光纤32可以与光纤表征所使用的单模光纤10相同。
尽管图3没有示出，但这种技术使得能够收集必须进行后处理的一系列光谱，从而生成三个源特性曲线，即：
-示出作为SMF 32的径向偏移值r的函数的源的输出功率P(r)的曲线，其中0≤r≤a，这种功率可被表示为相对功率；
-示出作为SMF 32的径向偏移值r的函数的源的中心波长λc(r)的曲线，其中0≤r≤a；
-示出作为SMF 32的径向偏移值r的函数的所述源的均方根谱宽度Δλ(r)的曲线，其中0≤r≤a，
其中，a是多模标称光纤31的纤芯半径。
在本发明的第一典型实施例中，发明人模拟了横向多模(且纵向单模)激光向50μm的渐变折射率多模光纤的耦合。如图4所示，这种源呈现出MG1～MG9这九个模式组。如从图4可以看出，中心波长λc是850.0nm，并且谱宽度RMS是0.35nm。激光的束腰(即，基模的光斑半径)为3μm。任意选择源相对于标称多模光纤31的位置。如此得到的插入损耗(insertionloss)小于0.25dB。如此得到的单模光纤32的输出处的环形通量(encircled flux)是在半径为17.1μm的情况下的EF的86％以及在4.5μm处的EF的15.8％。
图5、6和7示出根据图3的技术的表征源-光纤耦合的三个曲线：更精确地，图5示出作为径向偏移值的函数的源的输出功率P(r)；图6示出作为径向偏移值的函数的源的中心波长λc(r)；图7示出作为径向偏移值的函数的源的均方根谱宽度Δλ(r)。值得注意的是，RMS谱宽度Δλ(r)同样沿着光纤纤芯31大幅改变。
一旦执行了用于表征被测多模光纤的DMD测量、并且一旦使用图3的技术表征了源，本发明的方法提出计算多模光纤链路的有效带宽。
根据第一实施例，计算有效带宽(以下称为EB3)作为传递函数H(f)的-3dB处的带宽，使得：
其中：
Δτ(r)＝L.D.(λc(r)-λDMD)
其中：
和是sDMD(r,t)和sref(t)的傅立叶变换；
L是所述链路中的多模光纤长度(例如，500m)；
D是以ps/nm-km为单位表示的标称光纤的色度色散(例如，-100ps/nm-km)(标称光纤优选具有与被测多模光纤相同的掺杂物含量)；
λDMD是色散模式延迟的测量的波长；
sDMD(r,t)是径向偏移值r的情况下的DMD轨迹；
sref(t)是参考脉冲信号；以及
OMBc(r)是OMBc(“计算过满模式带宽(Overfilled Modal Bandwidthcalculated)”的首字母缩写)权重函数。
在Abhijit Sengupta于International Wire&Cable Symposium,Proceedings ofthe 58th IWCS/IICIT上的第24～29页发表的“Calculated Modal Bandwidths of an OMAFiber and the Theoretical Challenges”中可以找到与OMBc权重函数有关的更多信息。如该文献所公开的，可以根据差分模式延迟数据的加权线性组合来预测多模光纤的计算过满模式带宽(OMBc)。
实际上，各模式中的耦合功率是针对各径向偏移位置、根据单模探测光纤(SMPF)的高斯模场和MMF的特定模式的重叠积分所计算出的。计算各径向偏移处的耦合效率作为归一化为单位入射功率的遍历所有模式进行求和所得到的总耦合功率。将过满注入源表示为DMD扫描的径向偏移位置处的SMPF模场的线性组合。按照OFL的定义，优化不同的偏移位置所用的权重，以使得MMF的各模式中的总能量相等。用表格表示这些理论DMD加权值，以获得从0～30微米测量得到的DMD数据(即，完整DMD数据)的OMBc。然后，调整这些权重以针对高于25微米的半径处不存在DMD数据的情况提供最佳值。
根据本发明的第二实施例，有效带宽不是直接根据DMD标绘图和三个源特性曲线所计算出的，但首先必须根据DMD标绘图计算表征多模光纤的三个曲线：
-示出作为径向偏移值r的函数的多模光纤的径向偏移带宽ROB(r)的曲线，其中0≤r≤a；
-示出作为径向偏移值r的函数的多模光纤的径向偏移延迟ROD(r)的曲线，其中0≤r≤a；
-示出作为径向偏移值r的函数的多模光纤的径向耦合功率PDMD(r)的曲线，其中0≤r≤a，其中该径向耦合功率PDMD(r)可以被表示为相对功率。
在包括专利文献EP2207022的多个现有技术文献中说明了径向偏移带宽。如该专利文献所述，将径向偏移带宽ROB(r)定义为传递函数的-3dB带宽，其中：
Se(f)是DMD测量中所注入的输入脉冲se(t)的时间分布的傅立叶变换；Ss(f，r)是被测多模光纤的输出处的针对径向偏移r的输出脉冲ss(t，r)的时间分布的傅立叶变换；以及
f表示频率。
ROB的值得注意的特性是其针对折射率的局部缺陷的高敏感性。因而，如果ROB随着径向偏移r的增加而过快地减小，则光纤有可能呈现不规则的折射率分布。
将ROB归一化为DMD测量中的光纤长度，并且通常以MHz.km为单位来表示。
关于ROD，该ROD与针对给定延迟的光纤输出响应的平均时间位置相对应。
针对光纤的ROD曲线在一定程度上与针对源的λc曲线相对应，而针对光纤的ROB曲线在一定程度上与针对源的Δλ曲线相对应。
将ROD归一化为DMD测量中所使用的光纤长度，从而通常以ps/m为单位来表示。
图18示出通过经由DMD测量技术表征多模光纤所获得的DMD标绘图。图19～21分别示出根据本发明的第二实施例的作为根据DMD标绘图所得出的径向偏移值的函数的ROB曲线、ROD曲线和PDMD曲线。
使用这三个光纤特性曲线以及图5～7的三个源特性曲线，根据本发明的第二实施例的方法提出计算有效带宽(以下称为EB3)作为传递函数H(f)的-3dB处的带宽，使得：
其中：
其中：
其中：
L是链路中的多模光纤长度(例如，500m)；
LDMD是在色散模式延迟的测量中所使用的多模光纤的长度；
D是以ps/nm-km为单位表示的标称光纤的色度色散(例如，-100ps/nm-km)(标称光纤优选具有与被测多模光纤相同的掺杂物含量)；
λDMD是色散模式延迟的测量的波长；
sDMD(r,t)是径向偏移值r的情况下的DMD轨迹；以及
OMBc(r)是OMBc(“计算过满模式带宽”)权重函数。
返回参考图4～7所示的典型实施例，已针对一些光纤计算了(需要本征模式计算并由此需要源和光纤的准确知识的)理论有效带宽、以及EB3有效带宽。图8示出本典型实施例中所使用的OMBc权重函数。
这些光纤被模拟为α在2.05～2.08之间改变的完美α分布。还模拟这些光纤的DMD测量。图9的曲线图公开了理论有效带宽EB和作为α的函数的针对这些光纤且针对该给定源所获得的EB3有效带宽：一致性极佳。
参考图9的说明文字框：
-“理论EB”与根据本征模式计算以及源和光纤的准确知识所获得的理论有效带宽相对应；
-“EB3方法1”与根据本发明的第一实施例所计算出的有效带宽相对应；
-“EB3方法2”与根据本发明的第二实施例所计算出的有效带宽相对应；
-EB1与通过诸如专利文献EP2144096、US7995888、US8260103、US20100028020或US20110293290中公开的技术等的现有技术所评估出的有效带宽相对应；
-EB2与通过诸如专利文献EP2584388或US20130100437中公开的技术等的现有技术所评估出的有效带宽相对应。由于这些技术需要源的先验知识，因此这些技术相对复杂。
图10示出根据本发明实施例所得出的源度量λc(r)和Δλ(r)对于表征源的重要性、以及这些源度量对光链路的有效带宽的计算的影响。实际上，参考图10的说明文字框：
-“理论EB”与根据本征模式计算以及源和光纤的准确知识所获得的理论有效带宽相对应；
-“EB3方法1”与根据本发明的第一实施例所计算出的有效带宽相对应；
-“EBc3(RMS＝0)”与根据本发明的第一实施例所计算出的忽略了源的RMS谱宽度(Δλ(r)＝0)的有效带宽相对应；
-“EBc3(RMS＝0Tau＝0)”与根据本发明的第一实施例所计算出的忽略了源的RMS谱宽度(Δλ(r)＝0)和源的中心波长分布(λc(r)＝0)这两者的有效带宽相对应；
-“EBc3(Tau＝0)”与根据本发明的第一实施例所计算出的忽略了源的中心波长分布(λc(r)＝0)的有效带宽相对应。
本发明人使用根据本发明的第一实施例和第二实施例的用于表征多模光纤链路的方法模拟了多个链路。图11示出理论有效带宽与根据本发明的第一实施例和第二实施例所计算出的EB3有效带宽之间的比较。如图可以观察出，EB3的这两个计算提供了与理论EB接近的结果。
图12A～12C至图14示出本发明的另一典型实施例，该实施例说明了示出作为径向偏移值的函数的RMS谱宽度的第三源特性曲线对于总带宽EB3的评估而言很重要。
图12A～12C分别示出：
-作为VCSEL源的径向偏移值的函数的输出功率P(r)的曲线；
-作为该VCSEL源的径向偏移值的函数的中心波长λc(r)的曲线；
-作为该VCSEL源的径向偏移值的函数的均方根谱宽度Δλ(r)的曲线。
图13示出通过DMD测量技术针对本典型实施例的多模光纤所获得的DMD标绘图。
图14通过以下操作来比较针对本典型实施例的光链路所获得的以MHz-km为单位表示的有效带宽：
-通过理论EB的计算；
-通过根据本发明的第一实施例的有效带宽EB3的计算；
-通过根据本发明的第二实施例的有效带宽EB3的计算；
-代替图12C的完整第三曲线Δλ(r)而使用0.35nm的RMS谱宽度，通过根据本发明的第一实施例的有效带宽EB3的计算。
如图可以观察出，在代替图12C的完整第三曲线Δλ(r)而使用0.35nm的RMS谱宽度的情况下，光链路的有效带宽被明显高估了约15％。
图15和16都关注于本发明的增强实施例。
实际上，在λc(r)与λDMD波长接近的情况下，以上针对本发明的第一实施例和第二实施例所述的这两个方法有效。然而，在λc(r)与λDMD波长非常不同的情况下，可能发生一些差异。这归因于色散模式延迟DMD根据DMD测量期间所使用的工作波长λDMD而改变这一事实。考虑到该现象，可以通过利用半径函数D(r)修改Δτ(r)的等式中的色度色散D，来校正本发明的第一实施例和第二实施例这两者中所使用的传递函数H(f)。
更精确地，可以利用Δτ(r)＝L.D(r).(λc(r)-λDMD)替换Δτ(r)＝L.D.(λc(r)-λDMD)。通常，可以使用2阶多项式：D(r)＝D0+a.r2+b.r。
例如，对于50μm的渐变折射率多模光纤，可以使用以下表达式：
α＝5.10-3ps/nm-km-μm2
b＝-3.42.10-4ps/nm-km-μm
D0＝-91.85ps/nm-km
可以通过在如DMD那样的激励的情况下的沿着半径的色度色散测量或者利用以两个不同的波长λ1和λ2获得的ROD曲线的比较，来计算这些系数。
图15的曲线公布了图16示出作为半径r的函数的色度色散D(r)。系数a、b和D0可以依赖于光纤的制造工艺或光纤的掺杂物含量。
根据本发明的实施例的方法使得能够将用于表征源和多模光纤这两者的相关信息分离并提取成针对源的一组曲线和针对该光纤的一组曲线。因而，这种方法的标准化使用将大大简化分选方法和/或链路工程，并且使得源制造商和光纤制造商之间的协作更加容易。

Claims (17)

1.一种用于表征多模光纤链路的方法，所述多模光纤链路包括光源和至少一个多模光纤，
所述方法包括以下步骤：使用色散模式延迟即DMD的测量来表征所述多模光纤，并且传送光纤特性数据，
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-利用通过以下操作所获得的至少三个源特性曲线来表征所述光源：
○利用所述光源对标称多模光纤进行激励；
○在所述标称多模光纤的径向偏移值r＝0的轴～径向偏移值r＝a的范围内的不同的径向偏移值r处，利用单模光纤扫描所述标称多模光纤的输出信号，其中a是所述标称多模光纤的纤芯半径；以及
○利用谱分析器针对各径向偏移值r分析所述单模光纤的输出光谱，
其中，所述源特性曲线分别示出作为所述径向偏移值r的函数的源参数；
-计算所述多模光纤链路的有效带宽即EB，其中用于计算所述多模光纤链路的有效带宽即EB的步骤包括：使用所述光纤特性数据和所述源特性曲线中的各源特性曲线这两者来计算传递函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述源特性曲线包括：
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述源的输出功率P(r)的曲线，其中0≤r≤a；
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述源的中心波长λc(r)的曲线，其中0≤r≤a；以及
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述源的均方根谱宽度Δλ(r)的曲线，其中0≤r≤a。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述标称多模光纤呈现与所述多模光纤链路的长度接近的长度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述标称多模光纤呈现与所述多模光纤链路的长度接近的长度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，用于表征所述多模光纤的步骤和用于表征所述光源的步骤使用相同的单模光纤。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，用于计算所述多模光纤链路的有效带宽即EB的步骤根据传递函数H(f)来得出所述有效带宽：
<mrow> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>r</mi> <mo>=</mo> <mi>a</mi> </mrow> </msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> <mi>O</mi> <mi>M</mi> <mi>B</mi> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mover> <mi>s</mi> <mo>~</mo> </mover> <mrow> <mi>D</mi> <mi>M</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>,</mo> <mi>f</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mi>L</mi> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>M</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mover> <mi>s</mi> <mo>~</mo> </mover> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mi>L</mi> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>M</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>i</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>f</mi> </mrow> </msup> <mo>.</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <msup> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mi>&amp;sigma;</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow> </msup> </mrow>
Δτ(r)＝L.D.(λc(r)-λDMD)
其中，
和是sDMD(r,t)和sref(t)的傅立叶变换，
L是所述多模光纤链路中的多模光纤的长度，
LDMD是所述色散模式延迟的测量中所使用的多模光纤的长度，
D是以ps/nm-km为单位表示的所述标称多模光纤的色度色散，
λDMD是所述色散模式延迟的测量的波长，
sDMD(r,t)是径向偏移值r的情况下的DMD轨迹，
sref(t)是参考脉冲信号，
P(r)是所述源的输出功率，以及
OMBc(r)是计算过满模式带宽权重函数即OMBc权重函数。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，用于表征所述多模光纤的步骤包括用于根据所述色散模式延迟的测量来计算至少三个光纤特性曲线的步骤，其中所述光纤特性曲线包括：
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述多模光纤的径向偏移带宽ROB(r)的曲线，其中0≤r≤a；
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述多模光纤的径向偏移延迟ROD(r)的曲线，其中0≤r≤a；以及
-示出作为所述径向偏移值r的函数的所述多模光纤的径向耦合功率PDMD(r)的曲线，其中0≤r≤a。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，用于计算所述多模光纤链路的有效带宽即EB的步骤根据传递函数H(f)来得出所述有效带宽：
<mrow> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>r</mi> <mo>=</mo> <mi>a</mi> </mrow> </msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>M</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> <mi>O</mi> <mi>M</mi> <mi>B</mi> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>i</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>M</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> <mi>f</mi> </mrow> </msup> <mo>.</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>&amp;sigma;</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>M</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> <msup> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msup> </mrow>
Δτ(r)＝L.D.(λc(r)-λDMD)
其中，
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L是所述多模光纤链路中的多模光纤的长度，
LDMD是所述色散模式延迟的测量中所使用的多模光纤的长度，
D是以ps/nm-km为单位表示的所述标称多模光纤的色度色散，
λDMD是所述色散模式延迟的测量的波长，
sDMD(r,t)是径向偏移值r的情况下的DMD轨迹，
P(r)是所述源的输出功率，以及
OMBc(r)是计算过满模式带宽权重函数即OMBc权重函数。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，利用半径的函数D(r)来替换Δτ(r)中的所述色度色散D，使得：
Δτ(r)＝L.D(r).(λc(r)-λDMD)。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，利用半径的函数D(r)来替换Δτ(r)中的所述色度色散D，使得：
Δτ(r)＝L.D(r).(λc(r)-λDMD)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，D(r)＝D0+a.r2+b.r，其中D0、a和b是使用属于包括以下内容的组的方法所计算出的系数：
-在如DMD那样的激励的情况下进行沿着半径的色度色散测量；
-比较以两个不同的波长所获得的ROD曲线。
12.一种用于制造多模光纤链路的方法，所述多模光纤链路包括光源和多模光纤，所述方法包括以下步骤：
-选择一组多模光纤和一组光源；
-针对所述一组多模光纤中的各多模光纤以及针对所述一组光源中的各光源，按照根据权利要求1至11中任一项所述的方法来表征利用所述多模光纤和所述光源所形成的多模光纤链路；以及
-仅选择有效带宽即EB>3000MHz-km的多模光纤链路。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，仅选择EB>4500MHz-km的多模光纤链路。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，仅选择EB>6000MHz-km的多模光纤链路。
15.一种用于从多个多模光纤中选择多模光纤的方法，所述方法包括以下步骤：
-选择多个多模光纤和一组光源度量；
-针对所述多个多模光纤中的各多模光纤和所述一组光源度量中的各光源度量，按照根据权利要求1至11中任一项所述的方法来表征利用所述多模光纤和所述光源度量所形成的多模光纤链路；以及
-仅选择针对整个所述一组光源度量的最小的计算有效带宽>3000MHz-km的多模光纤，
其中，所述一组光源度量是通过对代表性的一组光源进行测量或建模所获得的。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，仅选择针对整个所述一组光源度量的最小的计算有效带宽>4500MHz-km的多模光纤。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，仅选择针对整个所述一组光源度量的最小的计算有效带宽>6000MHz-km的多模光纤。
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