CN106104336A - 将光学信号流空间模式多路复用到多模光纤上 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设备，所述设备包含：光学空间模式多路复用器，其具有多个光学输入及一个光学输出；以及光学空间模式滤光器，其端接到所述光学空间模式多路复用器的所述光学输出。所述光学空间模式滤光器经配置以端接到具有光学传播模式集合的多模光纤且经配置以使在所述多模光纤中的速度在选定范围内的所述集合的所述光学模式通过且阻挡所述集合的所述光学模式中的剩余者。

Description

将光学信号流空间模式多路复用到多模光纤上
优先权申请
本申请案主张2014年3月10日申请的第61/950,803号美国临时申请案的权益。
技术领域
本发明涉及光学空间模式多路复用器及使用光学空间模式多路复用器的方法及设备。
背景技术
本节介绍可有助于促进更好理解本发明的方面。因此，应从这个角度来阅读本节的陈述且不应将其理解为对属于现有技术的内容或不属于现有技术的内容的承认。
在一些光学通信系统中，通过多模光纤传输光学通信信号。在光学通信系统使用光学空间模式多路复用的情况下，此多模光纤可支持较高的数据传输速率。在光学空间模式多路复用中，具有不同横向空间密度分布的传播模式可携载光学数据信号流(例如)使得多模光纤的总传输容量高于单模光纤的传输容量。在此光学通信系统中，光学接收器可使用多输入多输出(MIMO)技术及数字信号处理器(DSP)来解调来自在光学接收器处所接收的光学数据流的数据。
发明内容
遗憾的是，一些多模光纤产生空间传播模式的不同群组之间的较强分散。在此处，各种示范性设备、系统及方法经配置以选择性地激发多模光纤的传播模式的部分，而不激发传播模式的其它者。特定来说，示范性设备可激发传播模式的真子集，其相速度在预设范围中，例如，所有传播模式具有在预设范围中的相速度。传播模式的此选择性激发可实现较高数据速率及/或多模光纤链路的较长跨度的使用。一些此设备、系统及方法也可提供对所激发的传播模式的数目的可调节性。
第一实施例提供一种设备，所述设备包含：光学空间模式多路复用器，其具有多个光学输入及一个光学输出；以及光学空间模式滤光器，其端接到所述光学空间模式多路复用器的所述光学输出。所述光学空间模式滤光器经配置以端接到具有光学传播模式集合的多模光纤且经配置以使其在所述多模光纤中的速度在选定范围内的所述集合的所述光学模式通过且阻挡所述集合的所述光学模式中的剩余者。
在所述设备的一些第一实施例中，所述光学空间模式滤光器可包含多模光纤片段，所述片段具有在其两端上的锥形片段。在一些此类实施例中，所述多模光纤片段的中央片段具有光学核心，所述光学核心具有比位于所述多模光纤片段的两端处的片段更小的直径。
所述设备的第一实施例中任何者可进一步包含光学发射器，其能够经由光学空间模式多路复用将光学信号流并行发射到所述多模光纤。所述光学发射器包含光学数据调制器阵列。所述阵列中的每一光学数据调制器光学连接到所述多个光学输入中的一者。一些此类实施例进一步包含所述多模光纤及光学数据接收器，所述光学数据接收器经连接以经由所述多模光纤从所述光学发射器接收所述光学信号流。
在所述设备的一些第一实施例中，所述光学空间模式滤光器可包含以背对背配置连接的光学空间模式解多路复用器及光学空间模式多路复用器。
在所述设备的一些第一实施例中，所述光学空间模式滤光器可为可经电重新配置以仅使第二集合的光学模式通过，其中所述第二集合是所述第一集合的真子集。
在所述第一实施例中的任何者中，所述光学空间模式滤光器可经配置以使所述集合的所述光学模式中的所述剩余者的光比其在所述多模光纤中的速度在所述选定范围内的所述集合的所述光学模式的光多衰减至少10分贝。
第二实施例提供一种系统，其包含：光学发射器；及至少一个跨度的多模光纤。所述光学发射器经配置以经由光学空间模式多路复用来发射光学信号。所述至少一个跨度的多模光纤具有经连接以从所述光学发射器接收所述经发射的光学信号的近端且具有光学传播光学模式集合。所述系统经配置以经由所述多模光纤通过所述传播光学模式集合的真子集来发射光学信号，而不显著激发所述真子集之外的那些所述光学传播模式。所述真子集包含具有在选定区间中的光学速度的所述集合的所述光学传播模式。
在所述系统的所述第二实施例中的任何者中，所述光学发射器可包含光学空间模式滤光器，其经配置以使所述真子集之外的所述光学传播模式上的光比所述真子集中的所述光学传播模式上的光多衰减至少10分贝。
在所述系统的所述第二实施例中的任何者中，所述光学数据发射器可包含光学空间模式滤光器，其经配置以阻挡所述真子集之外的所述光学传播模式上的光。
在所述第二实施例中的任何者中，所述至少一个跨度的多模光纤可具有远端，其经连接以将其中的光发射到全光学处理器，所述全光学处理器选择性地使所述真子集之外的所述光学传播模式上的光比所述真子集中的所述光学传播模式上的光更多地衰减。
在系统的所述第二实施例中的任何者中，所述光学数据发射器可包含串联连接到光学空间模式滤光器的光学空间模式多路复用器。
在所述第二实施例中的任何者中，所述系统可进一步包含光学数据接收器，其经连接以经由所述多模光纤接收所述经发射的光学信号且仅基于所述真子集中的那些空间光学模式而对从所述多模光纤接收的光执行多输入多输出处理或均衡化。
第三实施例提供一种方法，所述方法包含并行光学空间模式多路复用多个经数据调制的光学载波以产生光学数据携载光束。所述方法还包含对所述光学数据携载光束进行光学空间模式滤光以移除能够在多模光纤的端面处激发具有在预设范围之外的速度的光学传播模式的光。所述方法包含将所述经光学空间模式滤光的数据携载光束发射到所述端面以激发具有所述预设范围中的速度的所述多模光纤的光学传播模式。
在所述第三实施例中的任何者中，所述方法可进一步包含在所述经发射的、经光学空间模式滤光的数据携载光束豆已横越所述多模光纤的一或多个跨度之后，对所述经发射的、经光学空间模式滤光的数据携载光束执行光学空间模式滤光。所述执行可经配置以移除由具有预设范围之外的速度的所述光学传播模式所携载的光。
在所述第三实施例中的任何者中，所述方法可进一步包含光学空间模式解多路复用所述经发射的、经光学空间模式滤光的数据携载光束且对通过所述光学空间模式解多路复用所产生的光束执行均衡化或MIMO处理。
附图说明
图1是说明用于执行光学空间模式多路复用的光学设备的框图。
图2说明通过图1的光学设备的一些实施例可将经空间模式多路复用的光发射到其的光纤的横截面的折射率分布；
图3说明图1的光学设备的一些实施例可将经空间模式多路复用的光发射到其的多模光纤的一个实例的脉冲响应；
图4A说明可用于图1的光学空间模式滤光器的一个实施例中的双锥形光纤的纵向截面图；
图4B是说明图1的光学空间模式滤光器的另一实施例的框图；
图4C是说明图1的光学空间模式滤光器的模式可重新配置的实施例的框图；
图5是使用图1的光学设备来(例如)执行经数据调制的光学载波的光学空间模式多路复用的光学发射器的框图；
图6是(例如)使用图5的光学发射器来执行经数据调制的光学载波的光学空间模式多路复用的光学通信系统的框图；及
图7是说明(例如)使用图5的光学发射器及/或图6的光学通信系统来执行经数据调制的光学载波的光学空间模式多路复用的方法的流程图。
在图式及上下文中，相似参考符号指示具有类似或相同功能及/或结构的元件。
在一些图式中，一些特征的相对尺寸可经夸大以更清楚地说明其中的结构中的一或多者。
此处，发明内容、图式及具体实施方式更全面描述各种实施例。然而，本发明可体现于各种形式中且不应被限于发明内容、图式及具体实施方式中所描述的实施例。
具体实施方式
此处，光学空间模式多路复用器可响应于在其光学输入中的一者处接收光而激发多模光纤的光学传播模式的组合，条件是多模光纤的端面相对于多路复用器的光学输出适当定位。当在光学空间模式多路复用器的光学输入中的不同者处接收光时，不同的受激发的组合具有相差一个以上常数因子的横向于多模光纤的轴的相位及/或振幅分布。每一此受激发的组合可主要为此模式的正交规范集的单个光学传播模式，或可为此正交模式的叠加。不同的受激发的组合可为或可不为近似正交的。
此处，光学空间模式解多路复用器是光学空间模式多路复用器，但将其论述为在光传播方向反转的情况下操作。
此处，多模光纤具有包含相差一个以上偏振旋转的至少两个此类模式的光学传播模式的完全正交规范集。
各种实施例至少包含经配置以处理以常规光学电信C、L及S波长带中的一或多者中的波长的光的设备、系统及方法。
图1说明能够通过光学输出OO将N个光学信号流并行光学地传输到多模光纤6的邻近及面对端面2的光学设备10。整数N等于或大于2。光学设备10包含光学空间模式多路复用器12及光学空间模式滤光器14。光学空间模式多路复用器12具有：N个光学输入I1、…、IN的阵列，其用以接收N个个别光学信号流；及光学输出O(即，N个所接收的个别光学信号流被发射到其的光学输出)。光学空间模式滤光器14端接到光学空间模式多路复用器12的邻近光学输出O，且端接到光学设备10的光学输出OO。光学设备10可任选地包含准直、聚焦及/或放大光学器件(例如，块状透镜及/或镜)，其定位于光学空间模式多路复用器12的光学输出O与光学空间模式滤光器14的光学输入之间及/或定位于光学空间模式滤光器14的光学输出OO与多模光纤6的端面2之间。
光学空间模式多路复用器12经配置以发射N个光学信号流(其在N个光学输入I1到IN中的个别者处接收)中的每一者作为光图案，所述光图案在多模光纤6的端面2处激发多模光纤6的光学传播模式中的一或多者的对应组合。不同组合在横向于多模光纤6的轴的平面上具有不同相位及/或振幅分布，即，具有横向于轴的线性独立相位及/或振幅分布。不同组合可为或可不为近似正交的。
光学空间模式多路复用器12可为常规自由空间光学耦合器或多路复用器、光子灯笼式耦合器或多路复用器或3D光学波导耦合器或多路复用器。在第2014/0055843号、第2013/0068937号、第2012/0177384号、第2011/0243574号、第2011/0243490号及第2010/0329670号美国专利申请案公开案中的一或多者及/或第13/78684号美国专利申请案中可描述此常规光学耦合器或多路复用器的实例。可通过组合本申请案的教示与以上引用的美国专利申请案公开案中的一或多者及/或以上引用的美国专利申请案的教示来解释光学空间模式解多路复用器12的各种实施例。以上列举的美国专利申请案公开案及以上引用的美国专利申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
归因于制造及/或对准缺陷，常规N×1光学空间模式多路复用器将通常响应于到N×1光学空间模式多路复用器的N个光学输入中的一者的光的输入而激发端接到其的多模光纤的多个光学传播模式。如果多模光纤具有许多正交光学传播模式，那么此受激发的光学传播模式的集合中的部分相较于主要由此N×1光学空间模式多路复用器激发的光学传播模式将通常具有显著不同的相速度。当光学信号的发射导致具有非常不同的速度的光学传播模式的激发时，经发射的光可在具有大范围的相对延迟的情况下到达多模光纤的第二端面。此大范围的相对到达延迟可干扰在多模光纤的远端面处(例如)经由常规均衡化及/或多输入多输出(MIMO)技术解调所接收的光学信号的能力。实际上，具有显著不同速度的光学传播模式的平行激发可对用于光学数据传输的多模光纤的可用长度加以较强上限，及/或可对多模光纤中的光学数据传输速率加以较强上限。
在各种实施例中，光学空间模式滤光器14经构造以减少光学空间模式多路复用器12对在多模光纤6中具有非常不同相速度的光学传播模式的激发。特定来说，光学空间模式滤光器14移除或强烈衰减具有非所要横向分布的光(即，耦合到多模光纤6的非所要光学传播模式的光)，且使具有所要横向分布的光(即，仅耦合到多模光纤6的所要光学传播模式的光)大体上通过。所要光在光学空间模式滤光器14的光学输入及光学输出的横截面上方及/或多模光纤6的端面上方的通常具有与非所要光的消失的重叠积分。所要光激发在多模光纤6中的速度在预设范围中的多模光纤6的那些光学传播模式。非所要光激发在多模光纤6中的速度在相同预设范围之外的多模光纤6的光学传播模式中的一或多者。
光学空间模式滤光器14可经构造以产生足够小以不阻碍多模光纤6(例如，作为多模光学通信链路)的使用的相速度的预设范围。举例来说，光学空间模式滤光器14可经构造以通过使此非所要的光衰减比光学空间模式滤光器14使仅激发多模光纤6的所要光学传播模式的光衰减多至少10dB(优选地多至少15dB或多甚至至少20dB)来移除所述非所要光。此非所要光的强烈衰减可实现具有比常规少模光纤多得多的传播模式的多模光纤6的类型的使用且仍使所得光学链路能够具有相当长的长度。非所要光学传播模式的此模式选择性及强烈衰减的可得性也可使相同多模光纤6的未来重新配置能够在其光学传播模式中的较多者或较少者上携载光学数据流，即，借此提供空间模式多路复用中的可扩缩性。
图2展示通过可用作图1的多模光纤6的实例光纤的横截面的折射率分布。实例光纤具有具约50微米(μm)的渐变折射率光学核心。所说明的折射率分布展示光学核心的折射率与光学包层的折射率之间的百分比差异(Δ)随与实例光纤的轴相距的距离(D)而变化。
作为实例，由纽约伊萨卡的康宁公司(Corning of Ithaca New York)(www.corning.com)出售且以商标CLEAR推广的OM3+OM4二氧化硅多模光纤可用于(例如)图1的多模光纤6。
替代地，多模光纤6可具有类似于但不同于由康宁公司出售的OM3+OM4二氧化硅多模光纤的径向折射率分布的径向折射率分布。特定来说，径向折射率分布可经修改以减少或最小化在所要光学通信波长(例如1550纳米)下多模光纤6的各种传播模式之间的差分群组延迟。
图3是说明图1的多模光纤6的一个实例的脉冲响应的曲线图。所述曲线图展示输出光强度及光横越多模光纤6的实例的相对延迟。所述曲线图还包含对应于多模光纤6的实例的LP01、LP11、LP02、LP21及更高阶的LP模式(HOM)的峰值的标记。值得注意的是，LP01与LP11之间的相对到达延迟较短(即，约1.5纳秒(ns))，LP01模式与LP02及LP21模式之间的相对到达延迟较长(即，约2ns)，且LP01模式与HOM之间的相对到达延迟最长(即，大于2ns)。因此，在多模光纤6的此渐变折射率实例中，相对到达延迟大致上随LP模式数目的增加而增加。
对于多模光纤6的此实例，图1的光学设备10可具有不同实施例。在第一实施例中，光学空间模式多路复用器12能够将光发射到多模光纤6的实例的LP01及LP11模式且不能够显著地将光发射到多模光纤的较高LP模式。在此第一实施例中，光学空间模式滤光器14经配置以使耦合到LP01及LP11模式的光通过且移除耦合到其它LP模式(即，图3的LP02及LP21模式及HOM)的光。因此，多模光纤6中的所要光学传播模式的速度的预设范围将导致在多模光纤6的实例的远端面处的1.5ns的预设范围中的相对到达延迟。在替代第二实施例中，光学空间模式多路复用器12能够将光发射到多模光纤6的实例的LP01、LP11、LP02及LP21模式。在此第二实施例中，光学空间模式滤光器14经配置以使耦合到LP01、LP11、LP02及LP21模式的光通过且移除耦合到图3的HOM的光。因此，多模光纤6的实例中的所要传播模式的速度的预设范围将比在第二实施例中大且可引起高达2ns的相对到达延迟。
图4A、4B及4C说明图1的光学模式滤光器14的各种实施例14A、14B、14C。
参考图4A，光学空间模式滤光器14A包含多模光纤的片段20，其具有由光学包层24环绕的光学核心22。多模光纤的片段20具有端片段26、28，其具有使光学核心22的直径远离片段20的端面而逐渐减小的椎体。片段20还具有中央子片段30，其连接两个端片段26、28。在中央子片段30中，光学核心22及光学包层24比在端片段26、28中更薄且在其中具有大约恒定的直径。
在片段20的第一端面处，第一端片段26可具有(例如)与图1的多模光纤6相同的折射率分布。
在片段20的第二端面处，第二端片段28可具有适于端接到图1的光学空间模式多路复用器12的光学输出O的折射率分布。举例来说，分布可能不会引起在光学输出O处传播的光学空间模式的任何非所要失真或混合。
第一端片段26及第二端片段28可关于片段20的中间反射对称。举例来说，在图1的光学空间模式多路复用器12的光学输出O是与图1的多模光纤6类型相同的多模光纤的片段的情况下，可使用此构造。
在片段20中，中央子片段30经配置以衰减原本将耦合到图1的多模光纤6的非所要光学传播模式的传播光。特定来说，在中央子片段30中，光学核心22经构造以变得更窄使得光学核心22相较于端片段26、28或图1的多模光纤6引导更少的光学传播模式。在中央子片段30中，由此类未经引导的光学传播模式携载的光从光学核心22泄漏到光学包层24且可接着从中央子片段30的侧表面泄漏出，借此衰减此未经引导的光学传播模式。在中央子片段30中，光学包层24也可比在端片段26、28中更薄，且光学包层24也可由中央子片段30中具有匹配或相对较高折射率的第二包层材料32环绕。此特征两者通常将致使来自此类未经引导的光学传播模式的光从光学包层24、32泄漏出，借此从光学模式滤光器14A的侧表面散失。中央子片段30经构造以足够长从而产生此类未经引导的光学传播模式的预选定的、所要数量的衰减，使得此类模式的光并不大量保留以稍后激发图1的多模光纤6的非所要光学传播模式。
在第一及第二实例中，中央子片段30具有不同形式使得光学空间模式滤光器14A将作用为光学空间模式滤光器14的第一及第二实施例，其已在上文参考图3进行描述。在第一实施例中，中央子片段30的光学核心22具有将仅引导仅耦合到图3的多模光纤6的以上实例的LP01及LP11模式的光学传播模式的直径。接着，在中央子片段30中强烈衰减可激发图3的较高LP模式(即，LP02及LP21模式及HOM)的那些光学传播模式。在第二实施例中，中央子片段30的光学核心22具有将仅引导将仅耦合到图3的多模光纤6的实例的LP01、LP11、LP02及LP21模式的光学传播模式的不同直径。接着，在中央子片段30中强烈衰减仅可激发图3的HOM模式的光学传播模式。
对于一些渐变折射率多模光纤，发明者相信LP模式将具有相速度及以定性规则方式随模式数目而增加的距光纤轴的平均距离。对于此类渐变折射率多模光纤，发明者相信通常可能设计且构造光学空间模式滤光器14A的中央子片段30，其光学核心22具有足够小的直径以不引导原本将端激发在此渐变折射率多模光纤中的高于所要阶数的LP模式的那些光学传播模式。
参考图4B，光学空间模式滤光器14B包含1×M个光学空间模式解多路复用器40及M×1个光学空间模式多路复用器42，其以背对背的方式连接。1×M个光学空间模式解多路复用器40具有通过M个光学波导461、…、46M连接到1×M光学空间模式多路复用器42的M个光学输入481、…、48M中的对应者的M个光学输出441、…、44M。光学空间模式滤光器14B的光学输入50是1×M个光学空间模式解多路复用器40的光学输入。光学空间模式滤光器14B的光学输出52是M×1个光学空间模式多路复用器42的光学输出。
1×M个光学空间模式解多路复用器40及M×1个光学空间模式多路复用器42可被制作为自由空间光学装置、光子灯笼或3D光学波导装置，如已关于图1的光学空间模式解多路复用器12所论述。
当针对光学解多路复用操作时，光学空间模式解多路复用器40及光学空间模式多路复用器42可为(例如)功能相同的光学装置。因此，如果图1的多模光纤6的端面2经定位邻近且面对光学输入50或光学输出52，那么光学空间模式解多路复用器40或多路复用器42将酌情把从端面2接收的光分离成大致相同图案，即，在光学输出441到44M或光学输入481到48M上。但是，如果图1的多模光纤6的端面2输出其中的先前所论述的、非所要光学传播模式的光，那么光学空间模式解多路复用器40及多路复用器42经配置以将极少光或不将光发射到光学输出441到44M或光学输入481到48M。出于这样的原因，1×M个光学空间模式解多路复用器40及光学空间模式多路复用器42的背对背组合是作为滤光器，其选择性地移除从图1的多模光纤6的非所要传播模式接收的光，且使从图1的多模光纤6的所要光学传播模式接收的光通过。
M个光学波导461、…、46M可预补偿及/或后补偿由多模光纤6的光学传播模式的不同者携载的光之间的相对到达延迟。作为实例，光学波导461、…、46M的不同者可经连接以携载耦合到多模光纤6的相对正交传播模式的光。在此类实施例中，光学波导461、…、46M可具有适当不同长度以预补偿及/或后补偿在光传播通过多模光纤6时所产生的此类相对到达延迟。
图4C说明可重新配置的光学空间模式滤光器14C。可重新配置的光学空间模式滤光器14C及光学空间模式滤光器14B是类似的，这是因为两者皆包含以背对背配置来连接的光学空间模式解多路复用器40及光学空间模式多路复用器42，其中个别光学输出441到44M连接到个别光学输入481到48M的对应者。在两个装置14B、14C中，当光学输入50经配置以经由图1的多模光纤6的多模光纤6的邻近及面对端面2而接收第一集合的光学传播模式的光时，1×M个光学空间模式解多路复用器40的M个光学输出441到44M将发射光。在空间模式滤光器14C中，当光学输入50经由图1的多模光纤6的邻近及面对端面2接收来自图1的多模光纤6的第二集合的光学传播模式的光时，1×M个光学空间模式解多路复用器40的仅K个光学输出441到44K将发射光。在光学空间模式滤光器14C中，K个光学输出441到44K经由光学波导461到46k连接到对应K个光学输入481到48K，且剩余(M-K)个光学输出44K+1到44M经由(M-K)个光学波导46K+1到46M连接到对应(M-K)个光学输入48K+1到48M。此处，第二集合是第一集合的真子集。
光学模式滤光器14C还包含一或多个光学阻挡件54，例如可变光学衰减器及经连接以操作光学阻挡件54的电子控制器连接器56。一或多个光学阻挡件54沿(M-K)个光学波导46K+1到46M的片段定位，(M-K)个光学波导46K+1到46M连接到光学空间模式解多路复用器40的最后(M-K)个光学输出44K+1到44M。光学输出44K+1到44M在多模光学滤光器6的端面2邻近且面对光学输入50而定位的情况下不从多模光学滤光器6的第二集合的光学传播模式接收光。
电子控制器30操作一或多个光学阻挡件54以选择性地使其处于“通过状态”或“阻挡状态”。在“通过状态”中，光学阻挡件54允许光通过对应M-K个光学波导46K+1到46M，使得光学空间模式滤光器14C的所有M个光学波导461到46M可在光学空间模式解多路复用器40与光学空间模式多路复用器42之间传输光。在“阻挡状态”中，光学阻挡件54强烈衰减或阻挡(M-K)个光学波导46K+1到46M中的光，使得仅K个光学波导461到46K可在光学空间模式解多路复用器40与光学空间模式多路复用器42之间传输光。
“通过状态”及“阻挡状态”是光学空间模式滤光器14C的滤光配置，其移除图1的多模光纤6的不同集合的光学传播模式。作为实例，1×M个光学空间模式解多路复用器40可经构造以仅将从图3的实例多模光纤6的LP01及LP11模式所接收的光发射到其第一K个光学输出441到44K，且仅将从图3的实例多模光纤6的LP02及LP21模式接收的光发射到其最后(M-K)个光学输出44K+1到44M。接着，在“通过状态”中，光学空间模式滤光器14C将使从图3的实例多模光纤6的LP01、LP11、LP02及LP21接收的光通过，且将移除从图3的实例多模光纤6的其它LP模式接收的光。相反，在“阻挡状态”中，光学空间模式滤光器14C将使仅从图3的实例多模光纤6的LP01及LP11模式接收的光通过，且将移除从图3的实例多模光学滤光器6的其它LP模式接收的光。在“阻挡状态”中，图1的光学空间模式多路复用器12还将经配置以仅发射来自N个光学输入I1到IN的子集的光学数据流，例如，来自耦合到图3的实例多模光学滤光器6的较小的第二组光学传播模式的光学输入I1到IN的光学数据流。
图5说明经配置以使用空间模式多路复用的光学发射器60。光学发射器60包含图1的光学设备10且还包含N个光学数据调制器621到62N及N个对应光源641到64N的平行阵列。每一光学数据调制器621到62N光学连接到光学空间模式多路复用器12的N个光学输入I1到IN中的对应一者。每一个别光学调制器621到62N将对应所接收的数字数据流DATA1、…、DATAN调制到从光源641到64N中的对应一者接收的光学载波上。
每一光学数据调制器621到62N可为(例如)任何常规外部光学调制器，其经配置以根据任何已知光学调制格式来调制光学载波。合适光学调制格式的实例包含ON-OFF键控、二元相移键控(PSK)、正交PSK及正交振幅调制(QAM)，例如，4QAM、8QAM、16QAM、32QAM或64QAM。
光源641到64N的阵列可包含N个不同的光学激光器或替代地可仅包含单个光学激光器(在来自单个光学激光器的输出光是分离的(例如强度分离)情况下)以将N个单独的光学载波提供到N个光学数据调制器621到62N。N个光源641到64N可具有相同或大致相同的光学波长，这是因为光学设备10使用多模光纤6的N个光学传播模式来携载N个平行光学数据流，而非N个不同波长的光学载波。
在一些实施例中，光学发射器60还可包含N个光源641到64N阵列中的Q个光源、N个光学数据调制器621到62N中的Q个光学数据调制器及光学设备10中的Q个光学设备的平行阵列(未展示)。Q个此阵列的平行结构可提供波分多路复用(WDM)。举例来说，实施例可支持具有偏分多路复用的Q/2个光学载波波长或不具有偏分多路复用以及已在图5中的光学发射器60中说明的光学空间模式多路复用的Q个光学载波波长。
图6说明经由光学空间模式多路复用传输数据的光学通信系统70。光学通信系统包含光学发射器60、光学接收器70及全光学系列的P个跨度的多模光纤61、62、…、6P。此处，P是等于或大于一的整数。
已关于图5描述光学发射器60。
P个跨度的多模光纤61、62、…、6P是常规多模光纤，例如，图1的多模光纤6的以上实例中的任何者。每一跨度的多模光纤61到6P通常(但不一定)可具有大约相同折射率分布，且因此，所述系列的P跨度将具有相同的光学传播模式集合。跨度的邻近者由光学地再生所接收的光学信号的(P-1)个全光学处理器641、642、…、64P-1连接。此光学再生可包含光学放大、光学分散补偿及光学空间模式滤光中的任何者或全部以移除在跨度的非所要光学传播模式上传播的光。此跨度间光学空间模式滤光可在光学放大器或使用少模光纤的分散补偿器中执行。举例来说，此少模光纤可经构造以不引导非所要光学传播模式。替代地，此跨度间光学空间模式滤光可在类似于或等同于图1的光学空间模式滤光器14的装置中执行。
光学接收器62经配置以从最后一个或第P个跨度的多模光纤6P的端面接收N个光学信号流。光学接收器62包含光学空间模式解多路复用器66、电子及/或光学处理器68及任选地光学空间模式滤光器70。
光学空间模式解多路复用器66可具有类似于光学发射器60的光学空间模式多路复用器12的构造。光学空间模式解多路复用器66空间模式分离所接收的光，使得每一光学输出O1、…、ON接收从多模光纤6P的N个所要光学传播模式中的一者所接收的光。处理器68可对所得N个光学信号流执行(例如)光学及/或电子均衡化及/或可对所得N个光学信号流执行电子MIMO处理以移除不同数据流之间的混合。举例来说，光学接收器62可经配置以移除非所要光学空间模式混合，所述非所要光学空间模式混合由P个跨度的多模光纤61、62、…、6P中的缺陷、温度或机械改变所致。
任选光学空间模式滤光器70可具有类似于光学发射器60中的光学空间模式滤光器14的构造。光学空间模式滤光器70经配置以移除或强烈衰减从多模光纤6P的非所要光学传播模式所接收的光。此光学空间模式滤光可进一步简化光学空间模式解多路复用器66及/或处理器68对从多模光纤6P的所要光学传播模式所接收的光的处理。
图7说明经由光学空间模式多路复用(例如，使用图5的光学发射器60及/或图6的光学通信系统70)来光学地传送数据的方法80。
方法80包含并行光学空间模式多路复用多个经数据调制的光学载波以产生光学数据携载光束(步骤82)。举例来说，可通过图6的光学空间模式多路复用器12来执行步骤82。
方法80包含对光学数据携载光束进行光学空间模式滤光以移除所述光束中的能够在多模光纤的端面处激发多模光纤中具有在预设范围之外的速度的光学传播模式的光(步骤84)。举例来说，可通过图6的光学空间模式滤光器14来执行步骤84。
方法80包含将经光学空间模式滤光的数据携载光束(即，在步骤84处所产生的光束)发射到多模光纤的端面以激发具有相同预设范围中的速度的多模光纤的光学传播模式(步骤86)。举例来说，发射步骤86可将经光学空间模式滤光的数据携载光束发送到图6的多模光纤61的端面，其最接近并面对光学发射器60的光学输出OO且与其横向对准。
在各种实施例中，方法80还可包含在横越多模光纤的一或多个跨度(例如，图6的跨度多模光纤61到6P的子集)之后，对经发射的、经光学空间模式滤光的数据携载光束执行光学空间模式滤光。所述执行可经配置以移除由具有预设范围之外的速度的光学传播模式所携载的光。可在(例如)全光学处理器641、642、…、64P-1中的任何者中及/或在图6的光学数据接收器62的光学空间模式滤光器70中执行光学空间模式滤光。
在各种实施例中，所述方法还可包含光学空间模式解多路复用经发射的、经光学空间模式滤光的数据携载光束，且对通过解多路复用所产生的光束执行均衡化或MIMO处理以移除多模光纤中的数据调制的光学载波所致的模式混合。可在(例如)图6的光学接收器62的相应光学空间模式解多路复用器66及处理器68中执行解多路复用及处理。
在一些实施例中，上述设备及方法可涉及激发高达预选定的LP模式数目的多模光纤(图1的光纤6或图6的光纤61)的所有LP模式。
本发明希望还包含鉴于描述、图式及权利要求书将对所属领域的技术人员显而易见的其它实施例。

Claims (10)

1.一种设备，其包括：
光学空间模式多路复用器，其具有多个光学输入及一个光学输出；及
光学空间模式滤光器，其端接到所述光学空间模式多路复用器的所述光学输出；且
其中所述光学空间模式滤光器经配置以端接到具有光学传播模式集合的多模光纤且经配置以使在所述多模光纤中的速度在选定范围内的所述集合的所述光学模式通过且阻挡所述集合的所述光学模式中的剩余者。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学空间模式滤光器包含多模光纤片段，所述片段是在所述多模光纤片段的两端上的锥形片段；且其中所述多模光纤片段的中央片段具有光学核心，所述光学核心具有比位于所述多模光纤片段的两端处的片段更小的直径。
3.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：
光学发射器，其能够经由光学空间模式多路复用将光学信号流并行发射到所述多模光纤，所述光学发射器包含光学数据调制器阵列，所述阵列中的每一调制器光学连接到所述多个光学输入中的一者。
4.根据权利要求3所述的设备，其进一步包括所述多模光纤及光学数据接收器，其经连接以经由所述多模光纤从所述光学发射器接收所述光学信号流。
5.一种系统，其包括：
光学发射器，其经配置以经由光学空间模式多路复用来发射光学信号；及
至少一个跨度的多模光纤，其具有经连接以从所述光学发射器接收所述经发射的光学信号的近端且具有光学传播光学模式集合；且
其中所述系统经配置以经由所述多模光纤通过所述传播光学模式集合的真子集传输光学信号，而不显著激发所述真子集之外的那些所述光学传播模式，所述真子集包含具有在选定区间中的光学速度的所述集合的所述光学传播模式。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述光学发射器包含光学空间模式滤光器，其经配置以使所述真子集之外的所述光学传播模式上的光比所述真子集中的所述光学传播模式上的光多衰减至少10分贝。
7.根据权利要求5所述的系统，其进一步包括光学数据接收器，其经连接以经由所述多模光纤接收所述经发射的光学信号且仅基于所述真子集中的那些所述空间光学模式而对从所述多模光纤接收的光执行多输入多输出处理或均衡化。
8.一种方法，其包括：
并行光学空间模式多路复用多个经数据调制的光学载波以产生光学数据携载光束；
对所述光学数据携载光束进行光学空间模式滤光以移除能够在多模光纤的端面处激发具有在预设范围之外的速度的光学传播模式的光；以及
将所述经光学空间模式滤光的数据携载光束发射到所述端面以激发具有所述预设范围中的速度的所述多模光纤的光学传播模式。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：
在所述经发射的、经光学空间模式滤光的数据携载光束豆已横越所述多模光纤的一或多个跨度之后，对所述经发射的、经光学空间模式滤光的数据携载光束执行光学空间模式滤光。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述执行经配置以移除由具有预设范围之外的速度的所述光学传播模式所携载的光。
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CN108923857A (zh) * 2018-07-13 2018-11-30 长春理工大学 超高速大视场接收空间激光通信接收系统
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