CN106461860B - 用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的方法，所述方法包括以下步骤：在光源和所述光学组件之间的光路中设置模式群分离光纤；以及按所述模式群分离光纤的纤芯中心和纤芯半径之间的离散间隔，将波长为λt的光的基准脉冲从所述光源经由所述模式群分离光纤注入到所述光学组件中。所述模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择成使得所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：公式(I)其中：Δτ是连续的模式群之间的时间延迟差；L是所述模式群分离光纤的长度；以及ΔTREF是所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度。

Description

用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的方法
技术领域
本发明涉及光纤传输领域，并且更具体地，涉及这种光纤传输所使用的用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的方法。
背景技术
多模光纤成功地用在高速数据网络中。然而，多模光纤受到由于以下事实而产生的模间色散影响：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群速度，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。
结果，不能完全消除或忽视模间色散。
在这种渐变折射率多模光纤中，存在传播常数大致相同的模式的群。因而，将沿着光纤行进的光模式分类成模式群，其中这些模式群被定义成模式群相同的模式表现出近似相同的群折射率。相邻模式群之间的群折射率差因而以及飞行时间差对于所有的模式群而言近似相同。
长期以来，已对经由诸如光纤等的光学组件的模式群的传播进行了研究。
在所有的模式群在穿过光纤时都经历相同的“飞行时间”的情况下，(作为在文献ISO/IEC 11801中和在TIA/EIA 492AAAD标准中由国际标准化组织进行了标准化的激光优化的高带宽50μm多模光纤的)诸如OM4光纤等的高速多模光纤达到最大速度。这些光纤的设计在很大程度上依赖于工作波长(850nm)处的DMD(差分模式延迟)测量。
如果不同的模式群没有经历相同的飞行时间，则“DMD分布”变宽，并且相关的光学带宽减小。这实际意味着，利用光纤可传输的每秒的最大比特数局限于由所测量到的带宽值所确定的值。如果DMD分布略宽于理想分布(其中，理想分布与离开光纤的所有脉冲都经历相同的飞行时间并且呈现与注入到光纤中的激光脉冲相同的形状的分布相对应)，则一些模式群无法由光纤理想地进行传输，并且导致带宽减小。
然而，现有技术至今无法准确地知晓哪些模式群引起DMD分布的变宽。
针对如光纤到光纤耦合器、衰减器和检测器那样的其它光学组件，可能获知到相同的事实。尽管可以评估这些其它光学组件的整体性能和特性，但不能知晓模式群在穿过这些光学组件时如何表现，也不能知晓这些模式群可能如何对这些光学组件的性能发挥作用。
专利文献US 5,251,022描述了如下的测量系统，其中该测量系统快速且无损地表征多模渐变折射率的带连接器的无源光纤组件的模式依赖的损耗和耦合。
这种测量系统使得能够确定被测光学组件的模式转换矩阵，并且包括：
-模式选择性注入部件，其具有注入条件发生改变的多个光路；
-输入-输出光学部件，其具有至少一个基准光路和该被测无源光纤组件所用的至少一个光路；
-模式选择性检测部件，其包括具有各种模式滤波器的多个光路；以及
-数据存储和矩阵计算所用的部件。
使用经由包括光路的光路线所传播的光功率的测量值来计算模式转换矩阵和模式功率矢量。换句话说，该系统使用模式滤波器和光纤开关来创建光路，其中使用经由各光路传播的功率的测量值来确定无源光纤组件的模式转换矩阵。
因而，这种测量系统相当复杂且麻烦。实际上，该测量系统需要模式选择性注入器、输入/输出部和模式选择性检测部(其中，各部包含一对光开关)的串行组合。
专利文献EP 2 579 483提供用于使用空间多路复用来在多模光纤内传输光信号的方法和相关设备。光信号被多路复用到渐变折射率多模光纤的不同主模式群中。在多模光纤内传输空分多路复用光信号之后，例如利用透镜进行光学傅立叶变换，以从这些空分多路复用光信号中在空间上分离出多路复用光信号作为具有不同半径的环。换句话说，在接收器处，通过光学傅立叶变换来分离不同的主模式群。
因而，专利文献EP 2 579 483提供用于通过光学傅立叶变换来进行空间模式群分离的方法。然而，该方法不允许评估模式群在穿过光学组件时的个体行为。
因而，将期望提供用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的简单方法，从而给出与模式群在穿过例如光纤那样的光学组件时如何表现有关的经验知识。
这种经验知识将服务于光纤的设计改进，并且将使得能够实现最高质量的多模光纤所用的最佳可能设计等。因而，这种经验知识将使得能够增加多模光学系统中的比特率。
发明内容
在本发明的一个特定实施例中，提供一种用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的方法，所述方法包括以下步骤：
在光源和所述光学组件之间的光路中设置模式群分离光纤；以及
将具有波长λt的光的基准脉冲从所述光源经由所述模式群分离光纤，按所述模式群分离光纤的纤芯中心和纤芯半径之间的离散间隔，注入到所述光学组件中。
所述模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择成使得所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：
其中：
Δτ是以ps/m为单位表示的连续的模式群之间的时间延迟差；
L是以m为单位表示的所述模式群分离光纤的长度；以及
ΔTREF是以ps为单位表示的所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度，其中基准脉冲的四分之一最大值全宽度是所述基准脉冲的功率等于该功率的最大值的四分之一处的两个时间值之间的差。
因而，本发明依赖于用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的新颖及有创造性的方法。实际上，本发明创新地利用特定类型的多模光纤，从而允许从时间上分离穿过该特定光纤(因而穿过这种特定MGS光纤的输出处所设置的光学组件)的不同模式群。因而，可以研究穿过光学组件的各模式群的个体行为，由此可以评估该模式群对光学组件的性能的影响。
根据本发明的方面，这种方法包括以下步骤：
测量针对所述模式群分离光纤的被称为基准差分模式延迟分布的色散模式延迟分布；
测量所述光学组件的输出处的被称为所得差分模式延迟分布的色散模式延迟分布；以及
将所述基准差分模式延迟分布与所述所得差分模式延迟分布进行比较，从而表征穿过所述光学组件的多模光的模式群特性。
根据被测光学组件的类型，可以实现其它类型的测量和分析，以单独评估各模式群的行为。这些测量和分析由于使用MGS光纤而成为可能，从而使得能够在时间上分离各模式群。
根据本发明的方面，所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下等式：
根据本发明的另一方面，所述波长λt包括在800nm～1500nm之间。根据必须对光学组件进行测试的波长λt的值，在满足以上所设置的标准的MGS光纤中选择特定MGS光纤。
根据又一方面，所述模式群分离光纤的纤芯直径为50μm±2.5μm，并且数值孔径为NA＝0.2±0.015，以及其中，
Δτ(λ，α)＝p00+p10*λ+p01*α+p11*λ*α+p02*α2
其中：
p00优选包括在-1.461～-1.116之间，并且更具体地p00＝-1.288，
p10优选包括在-0.001516～-0.00128之间，并且更具体地p10＝-0.001398，
p01优选包括在1.061～1.317之间，并且更具体地p01＝1.189，
p11优选包括在0.0006583～0.0007706之间，并且更具体地p11＝0.0007145，以及
p02优选包括在-0.3125～-0.2581之间，并且更具体地p02＝-0.2853。
根据本发明的另一实施例，所述模式群分离光纤是少模光纤，所述少模光纤包括具有半径R1和最大折射率n0的光纤芯以及包围所述光纤芯的光包层，
所述光包层在外边缘处具有折射率nC1，
其中，所述光包层包括直接包围所述光纤芯的内包层和被称为槽的包围所述内包层的凹型折射率ntrench的区域，所述内包层具有内半径R1和外半径R2以及恒定的折射率n2，其中R2≥R1，n2＝nCl，所述槽具有内半径R2和外半径R3，其中R2≥R1，R3＞R2。
优选地，
R1＝14μm±0.5μm
R2＝15.3μm±0.5μm
R3＝21.4μm±0.5μm
An3＝ntrench-nCl＝-5×10-3±0.5×10-3以及
Δτ(λ，α)＝p00+p10*λ+p01*α+p11*λ*α+p02*α2
其中：
p00优选包括在-1.947～-1.604之间，并且更具体地p00＝-1.776，
p10优选包括在-0.001977～-0.001743之间，并且更具体地p10＝-0.00186，
p01优选包括在1.389～1.644之间，并且更具体地p01＝1.517，
p11优选包括在0.0009262～0.001038之间，并且更具体地p11＝0.000982，以及
p02优选包括在-0.3776～-0.3235之间，并且更具体地p02＝-0.3505。
使用少模光纤作为MGS光纤使得能够表征穿过诸如少模光纤本身等的一些特定光学元件的模式群的行为。
根据本发明的又一方面，L＝550m并且ΔTREF＝40ps。
根据又一方面，所述光学组件属于包括以下的组：
可变光学衰减器即VOA；
光纤；
耦合器；以及
检测器。
根据又一方面，这种方法还包括以下步骤：
将所述光学组件输出的光收集到第二模式群分离光纤中；
其中，所述第二模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择成使得所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：
其中：
Δτ是以ps/m为单位表示的连续的模式群之间的时间延迟差；
L是以m为单位表示的所述模式群分离光纤的长度；以及
ΔTREF是以ps为单位表示的所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度。
因而，可以使用分别配置于光路上的被测光学组件之前和之后的两个MGS光纤。除评估经由第一MGS光纤注入到光学组件中的模式群的行为外，还允许研究光学组件内的模式耦合现象。这两个MGS光纤可以是相同的或者呈现不同的特征，只要这两者都满足上述标准即可。
本发明还提供一种用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的系统，所述系统包括：
光源，用于发出具有波长λt的光的基准脉冲；
模式群分离光纤，其在所述光源和所述光学组件之间的光路中；
注入光纤，用于将光的所述基准脉冲注入到所述模式群分离光纤的输入侧；
用于按离散步长使所述注入光纤的位置在如下两个位置之间改变的部件：所述注入光纤与所述模式群分离光纤的纤芯中心对准的位置以及所述注入光纤与所述模式群分离光纤的纤芯半径对准的位置；以及
检测器，用于检测所述光学组件所输出的光信号，
其中，所述模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择成使得所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：
其中：
Δτ是以ps/m为单位表示的连续的模式群之间的时间延迟差；
L是以m为单位表示的所述模式群分离光纤的长度；以及
ΔTREF是以ps为单位表示的所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度。
根据本发明的另一实施例，一种用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的方法，所述方法包括以下步骤：
将具有波长λt的光的基准脉冲从光源注入到所述光学组件中；以及
将所述光学组件输出的光信号收集到模式群分离光纤中。
所述模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择成使得所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：
其中：
Δτ是以ps/m为单位表示的连续的模式群之间的时间延迟差；
L是以m为单位表示的所述模式群分离光纤的长度；以及
ΔTREF是以ps为单位表示的所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度。
与上述的第一实施例相比，在本第二实施例中，MGS光纤和被测光学组件的各个位置发生了改变。这种方法使得能够针对被测光学组件根据给定脉冲注入条件进行模式功率分布测量。因而，MGS光纤用作用于分离被测光学组件中由于光源所引起的模式群的工具。
本发明还提供一种用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的系统，所述系统包括：
光源，用于发出具有波长λt的光的基准脉冲；
注入部件，用于将光的所述基准脉冲注入到所述光学组件中；
模式群分离光纤，用于收集所述光学组件所输出的光信号；以及
检测器，用于检测所述模式群分离光纤所输出的光信号。
所述模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择为使得所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：
其中：
Δτ是以ps/m为单位表示的连续的模式群之间的时间延迟差；
L是以m为单位表示的所述模式群分离光纤的长度；以及
ΔTREF是以ps为单位表示的所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度。
附图说明
参考以示例方式给出的并且没有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1～6说明根据本发明实施例的模式群分离光纤的特征，其中：
○图1示出针对具有标准化脉冲功率的两个连续模式群的、根据本发明实施例的多模光纤的标准中所使用的参数Δτ和ΔTREF；
○图2示出作为波长λt和α参数的函数的Δτ时间延迟差的近似；
○图3示出根据本发明实施例的长度为L＝550m且基准脉冲的FWQM为ΔTREF＝40ps的多模光纤的标准的列线图；
○图4描述根据本发明实施例的少模光纤的折射率分布；
○图5示出针对图4的FMF的图2的近似；
○图6示出针对图4的FMF的图3的列线图；
-图7～13说明使用根据图1～6的特定模式群分离光纤的根据本发明的方法和系统的实施例的多个特征，其中：
○图7示出根据本发明实施例的MGS光纤的DMD分布；
○图8示出由于图13的系统而测量到的DMD分布；
○图9示出针对图7和8的这两个DMD测量所标绘的作为以μm为单位表示的注入位置的函数的脉冲(脉冲串)的功率；
○图10示出进入图13的VOA的光的模式功率分布；
○图11示出离开图13的VOA的光的模式功率分布；
○图12示出图13的VOA内部的每模式群编号的损耗；
○图13示出用于表征穿过诸如可变光学衰减器等的光学组件的模式群的行为的系统的实施例。
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专门设计的模式群分离光纤的使用，其中该模式群分离光纤插入在光源和被测光学组件之间的光路上，并且具有用以在将模式群注入到被测光学组件之前或之后在时域上分离这些模式群的能力。结果，可以彼此独立地研究这些模式群在穿过光学组件时的行为。
因而，本发明的实施例提供用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的简单且有价值的方法。如此实现的实验结果可用于改善多模光纤和少模光纤的设计以及光学组件的设计。
图1～6说明根据本发明实施例的模式群分离光纤的特征。
如前面在本文献中所述，在光纤中，可以传播特定数量的模式。最低阶的LP模式是还被称为基模的LP01。各模式与特定传播常数相关联。在典型的多模光纤中，可以按传播常数相同或非常相似的模式的集合(主模式群)来将这些模式分组到一起。特定主模式群内的模式具有非常相似的特性。因此，代替个体模式，经常按照模式群处理这些模式。模式的数量随着模式群编号m而增加：尽管最低阶模式群仅包含一个模式，但更高阶模式群将包含多个模式。在具有传播常数相同的模式的主模式群中，模式延迟针对各模式通常相同。这就是模式群经常被视为针对所有模式具有单个模式延迟的一个模式群的原因。
在第一阶段，连续的模式群之间的飞行时间差是α值、数值孔径(或纤芯的德尔塔)、纤芯直径和工作波长的函数。在第二阶段，连续的模式群之间的该飞行时间差是纤芯内的掺杂物含量的函数(根据纤芯是完全掺杂有锗、完全掺杂有氟还是表现出锗和氟共掺杂)。
根据本发明的实施例，可以改变这些参数，使得可以在DMD测量中在时间上分离模式群。可以如下所述表示该条件：
其中：Δτ是以ps/m为单位的连续的模式群之间的时间延迟差，L是以m为单位表示的DMD测量中要使用的最小光纤长度，ΔTREF是以ps为单位表示的DMD测量中所使用的基准脉冲的FWQM(Full Width Quarter Maximum，四分之一最大值全宽度)，并且X是大于4且更优选大于5的阈值。
在本文献中，术语“DMD测量”表示由于模式色散所引起的延迟的测量(已知为首字母缩写为DMD的“色散模式延迟(Dispersion Modal Delay)”图形表示)。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，由此利用光纤长度对总延迟进行标准化。
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的光脉冲的引入带来径向偏移，从而覆盖多模光纤的纤芯整体。
图1示出针对具有标准化脉冲功率的两个连续模式群的、根据本发明的多模光纤的标准中所使用的参数Δτ和ΔTREF。在图1上，x轴与以ps为单位表示的时间相对应，并且y轴与标准化功率相对应。
通过经由数值模拟对(如Ronald E.Freund等人在2010年2月15日出版的Journalof Lightwave Technology的第28卷第4号中发表的“High-Speed Transmission inMultimode Fibers”中所述的)标量波方程进行求解，针对具有数值孔径NA＝0.200的50μm的MMF，可以按照如下所述来近似Δτ：
Δτ(λ，α)＝p00+p10*λ+p01*α+p11*λ*α+p02*α2
其中：
p00＝-1.288(-1.461，-1.116)
p10＝-0.001398(-0.001516，-0.00128)
p01＝1.189(1.061，1.317)
p11＝0.0007145(0.0006583，0.0007706)
p02＝-0.2853(-0.3125，-0.2581)，
以及其中：括号()之间的值与95％的置信界限相对应。
如在图2上所示，可以以图形方式显示这种近似，其中：X轴与以纳米为单位表示的波长λ相对应，Y轴与MMF光纤的α值相对应，并且Z轴与以ps/m为单位的连续模式群之间的时间延迟差相对应。图2上的各黑点与根据以上针对Δτ(λ，α)的模型方程所计算出的值相对应，而灰色阴影面与可以基于所计算出的点进行近似的面相对应。
假设所使用的MGS光纤的长度是L＝550m(其中，基准脉冲的FWQM为ΔTREF＝40ps)，则可以推导出图3上所显示的列线图，其中：X轴与以纳米为单位表示的波长λ相对应，并且Y轴与MMF光纤的α值相对应。图3的列线图上所绘制的不同曲线与上述标准的第一部分相对应。各曲线上所设置的数字表示范围为4～10的的值。
如在图3上可以观察到，与大致包括在1.7～2.3之间的α值相对应的空白区域是利用多模光纤不能实现以上所设置的标准的禁区。可以通过在波长λ＝850nm处选择1.6以下或2.7以上的α值或者在λ＝1500nm处选择2.3以上的α值来满足这种标准。
根据本发明的其它实施例，模式群分离光纤还可以是还已知为FMF的少模光纤。
图4示出这种FMF的折射率分布，其中该折射率分布描述折射率值n和从光纤中心起的距离r之间的关系。x轴表示径向位置，其中x＝0表示纤芯区域的中心，并且y轴表示除非另外说明否则被表示为折射率差Dn的折射率。
在图4的实施例中，光纤包括具有如下所述定义的折射率分布n(r)的光纤芯：
其中r≤r1
其中：
r是表示光纤的半径的变量，
r1是光纤芯半径，
Δ是标准化折射率差，其中
n1是光纤芯的最小折射率，
n0是光纤芯的最大折射率，
α是定义光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数。
光纤芯被光包层直接包围，其中该光包层包括具有内半径r2和外半径r3的还被称为槽的凹型折射率环、以及具有内半径r3的外包层。在一些实施例中，这种外包层包括纯二氧化硅玻璃(SiO2)，因而其折射率nC1是二氧化硅玻璃的折射率。该槽相对于外包层的折射率具有负的折射率差dn3＝ntrench-nCl。
包层还包括具有内半径r1和外半径r2的内包层。因而，槽经由内包层与纤芯分隔开。内包层具有恒定的折射率n2，使得n2＝nCl。
在本发明的典型实施例中，这种FMF呈现以下特征：
R1＝14μm±0.5μm
R2＝15.3μm±0.5μm
R3＝21.4μm±0.5μm
Δn3＝ntrench-nCl＝-5×10-3±0.5×10-3
如前面与图2和3有关地所述，通过经由数值模拟对标量波方程进行求解，针对这种FMF光纤，可以按照如下所述来近似Δτ：
Δτ(λ，α)＝p00+p10*λ+p01*α+p11*λ*α+p02*α2
其中：
p00＝-1.776(-1.947，-1.604)
p10＝-0.00186(-0.001977，-0.001743)
p01＝1.517(1.389，1.644)
p11＝0.000982(0.0009262，0.001038)
p02＝-0.3505(-0.3776，-0.3235)
以及其中：括号()之间的值与95％的置信界限相对应。
如图5所示，可以以图形方式显示这种近似，其中X轴与以纳米为单位表示的波长λ相对应，Y轴与FMF光纤的α值相对应，并且Z轴与以ps/m为单位的连续模式群之间的时间延迟差Δτ相对应。图5上的各黑点与根据以上针对Δτ(λ，α)的模型方程所计算出的值相对应，而灰色阴影面与可以基于所计算出的点进行近似的面相对应。
假设所使用的MGS光纤的长度是L＝550m(其中基准脉冲的FWQM为ΔTREF＝40ps)，则可以推导出图6上所显示的列线图，其中：X轴与以纳米为单位表示的波长λ相对应，并且Y轴与FMF光纤的α值相对应。图6的列线图上所绘制的不同曲线与上述的标准的第一部分相对应。各曲线上设置的数字表示范围为4～10的的值。
如在图6上可以观察到，与大致包括在1.8～2.2之间的α值相对应的空白区域是利用多模光纤不能满足以上所设置的标准的禁区。可以通过在波长λ＝850nm处选择1.8以下或约2.45以上的α值或者在λ＝1500nm处选择约2.25以上的α值来满足这种标准。
图7～13说明使用如以上与图1～6有关地所述的特定模式群分离光纤的根据本发明的方法和系统的实施例的多个特征。
在以下所述的实施例中，模式群分离(MGS)光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中该多模光纤的α值与通常呈现接近2的α值的传统多模光纤相比低得多。实际上，MGS光纤的α值接近1.6。此外，这种光纤的纤芯直径为50μm±2.5μm并且其数值孔径为NA＝0.200±0.015。如在图3的列线图上所示，如此这种MGS光纤针对850nm～1500nm之间的任何波长满足标准
图7示出长度为L＝550m的该MGS光纤的DMD分布。
使用波长为λ＝850nm的Ti(钛):蓝宝石激光器作为用于获得MGS光纤的DMD分布的光源。利用5μm的“注入光纤”(即，注入光斑大小的直径为5μm)将激光脉冲注入到MGS光纤的输入侧。注入光纤的位置按1或2μm的步长改变，从而从MGS光纤芯的中心处开始并且于MGS光纤芯的外半径处结束。这种DMD测量符合IEC 60793-2-10中的规格，因而完全标准化。
数字信号分析器检测离开MGS光纤的脉冲。对所标绘的脉冲进行标准化：从纤芯中心起的25μm处所注入的“外部脉冲”具有最大噪声，这是因为该脉冲在纤芯的边缘处行进并且被部分地注入到MGS光纤的非引导包层中。结果，较少的脉冲功率到达检测器。
图7的标绘图清楚地示出MGS光纤所输出的不同的模式群位于不同的时间位置：因而利用MGS光纤在时间上分离了这些模式群。将该标绘图的左侧设置为0.0ns。
如可以观察到，从第1个模式群到第13个模式群，所有的模式群都在时间位置上呈现恒定的距离。从(图7上围起来的)第14个模式群起，图案开始在一定程度上变得不规则，这可能是由来自泄漏模的包层效应和/或作用所引起的。
然而，图7清楚地示出：由于上述的特定MGS光纤，可以在DMD测量中在时间上分离模式群，从而如与图8～13有关地更详细地所述，使得能够表征这些模式群在穿过光学组件时的行为。
这些图关注于本发明的研究可变光学衰减器的模式群选择性衰减的实施例。
还已知为VOA的可变光学衰减器通常用于光纤的误码率(BER)测量的目的。然而，已知VOA呈现模式群选择性衰减。必须已知并且考虑到VOA的这种模式群选择性衰减来测量光纤的BER。否则，针对光纤质量所得出的结论可能发生改变并且与VOA特性混合。
图13示出用于表征穿过诸如VOA等的光学组件的模式群的行为的系统的实施例。
这种系统包括作为波长λ＝850nm处的Ti:蓝宝石激光器的激光器1。耦合器2实现激光器1所输出的激光束与注入光纤3的耦合。注入光纤3具有直径为5μm的光斑并且与扫描单元4相关联，从而实现将脉冲注入到模式群分离光纤5中。注入位置按1μm或2μm的步长发生偏移，从而从MGS光纤5的纤芯中心开始到达纤芯外半径。
被测光学组件8配置在MGS光纤5的输出和检测器10之间的光路上。两个耦合器6和7使得能够进行相对于光学组件8的光的耦合。如以下更详细地所述，在本发明的典型实施例中，这种光学组件是VOA。
然而，必须注意，如果在框8中不存在光学组件，则图13的系统可以允许表征经由检测器尾纤9所输入的穿过检测器10的模式群的行为。
图8示出由于图13的系统所测量到的DMD分布，其中VOA插入在框8中。光脉冲被注入到MGS光纤5中，并且在被检测器10检测到之前，穿过VOA 8。
可以将所得DMD分布与图7所示的MGS光纤5的DMD分布进行比较。在图7和8这两者上使用相同的时间刻度。此外，在Y轴上，这些标绘图示出以μm为单位表示的注入位置处的标准化脉冲。因而，在DMD分布标绘图上不能直接看见各模式群的功率差。然而，可以注意，与仅针对MGS光纤所测量到的图7的DMD分布相比，针对在VOA的输出处所测量到的DMD分布中的外部脉冲，存在噪声的增加。
图9提供对利用或不利用VOA 8的DMD测量的结果进行标绘的另一方式：针对这两个DMD测量，标绘作为以μm为单位表示的注入位置的函数的脉冲(脉冲串)的功率。
曲线91示出作为针对MGS光纤5的注入位置的函数的脉冲功率。曲线92示出作为针对已穿过MGS光纤5和VOA 8这两者的DMD光脉冲的脉冲注入位置的函数的脉冲功率。在曲线91和92之间出现的阴影区域是针对VOA的模式群选择性衰减的度量。
根据本发明的实施例，由于DMD分布中的模式群在时间上彼此分开这一事实，利用MGS光纤所执行的DMD测量还使得能够生成针对各个体模式群的功率的比。
图10示出进入VOA 8的光的“模式功率分布”(MPD)。换句话说，作为X轴上的以μm为单位表示的偏移注入和Y轴上的模式群编号的函数，在Z轴上示出光脉冲的功率。在图13中在光路上不存在VOA的情况下，在MGS光纤5的输出处测量这种“模式功率分布”。这种三维表示是通过使用与图7的DMD分布有关的信息所获得的，尽管在图9的各注入位置处在各个个体模式群内对功率进行“去标准化”和计算。
同样，图11示出离开VOA的光的“模式功率分布”(MPD)。
可以根据图10和11分别示出的进入和离开VOA的光的“模式功率分布”(MPD)来计算VOA内部的针对各模式群编号的(以dB为单位表示的)损耗，并且利用图12示出该损耗。针对各模式群的不同偏移注入位置所添加的图10和11之间的脉冲功率的差使得能够计算由VOA 8针对各模式群所引起的损耗。
如可以观察到，针对各模式群的平均损耗为6dB，但更高阶模式群衰减得更多。这可能是光学组件的非理想对准的典型结果，这是因为在纤芯的边缘附近行进的模式群更容易丢失。
在本发明的替代实施例中，可以将第二模式群分离MMF添加至图13的实验设置中的被测光学组件8的输出处。
这种第二MGS可以帮助分析在光学组件内发生的模式耦合现象。如此可以观察到模式耦合所引起的新模式。
在本发明的又一实施例中，可以通过交换光学组件8的位置和MGS光纤5的位置来改变图13的实验设置。注入光纤3和扫描单元4仅需考虑到向着光学组件8的一个给定注入条件。因而，MGS光纤5用作用以从给定注入条件来分离光学组件8中由于光源1所引起的模式功率分布的工具。
必须注意，对于上述的所有实施例，重要参数是图13的系统中的MGS特殊光纤的折射率分布的精度、该光纤的长度的选择以及注入光纤扫描单元和耦合器的位置精度。检测器特性在测试除检测器本身以外的光学组件的情况下也至关重要。
尽管上述的实施例关注于测试BER设备内所使用的VOA，但也可以考虑许多其它实施例，例如使得能够进行连同作为用以使OM4光纤合格的最重要测量的SML DMD合格性确认一起使用的各种光学检测器的合格性确认的实施例等。
还可以使用本发明的实施例的方法来使诸如“少模光纤”和遭受微弯曲的光纤等的新类型的光纤合格。

Claims (16)

1.一种用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的方法，所述方法包括以下步骤：
在光源(1)和所述光学组件(8)之间的光路中设置模式群分离光纤(5)；
将具有波长λt的光的基准脉冲从所述光源(1)经由所述模式群分离光纤(5)，按所述模式群分离光纤的纤芯中心和纤芯半径之间的离散间隔注入到所述光学组件(8)中；以及
检测所述光学组件(8)所输出的光信号，
其中，所述模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择成使得所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：
其中：
Δτ是以ps/m为单位表示的连续的模式群之间的时间延迟差；
L是以m为单位表示的所述模式群分离光纤的长度；以及
ΔTREF是以ps为单位表示的所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度，其中基准脉冲的四分之一最大值全宽度是所述基准脉冲的功率等于该功率的最大值的四分之一处的两个时间值之间的差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括以下步骤：
测量针对所述模式群分离光纤的被称为基准差分模式延迟分布的色散模式延迟分布；
测量所述光学组件的输出处的被称为所得差分模式延迟分布的色散模式延迟分布；以及
将所述基准差分模式延迟分布与所述所得差分模式延迟分布进行比较，从而表征穿过所述光学组件的多模光的模式群特性。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下等式：
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下等式：
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述波长λt包括在800nm～1500nm之间。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述模式群分离光纤的纤芯直径为50μm±2.5μm，并且数值孔径为NA＝0.2±0.015，以及其中，
Δτ(λ，α)＝p00+p10*λ+p01*α+p11*λ*α+p02*α2
其中：
p00包括在-1.461～-1.116之间，
p10包括在-0.001516～-0.00128之间，
p01包括在1.061～1.317之间，
p11包括在0.0006583～0.0007706之间，以及
p02包括在-0.3125～-0.2581之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
p00＝-1.288，
p10＝-0.001398，
p01＝1.189，
p11＝0.0007145，以及
p02＝-0.2853。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述模式群分离光纤是少模光纤，所述少模光纤包括具有半径R1和最大折射率n0的光纤芯以及包围所述光纤芯的光包层，
所述光包层在外边缘处具有折射率nCl，
其中，所述光包层包括直接包围所述光纤芯的内包层和被称为槽的包围所述内包层的凹型折射率ntrench的区域，所述内包层具有内半径R1和外半径R2以及恒定的折射率n2，其中R2≥R1，n2＝ncl，所述槽具有内半径R2和外半径R3，其中R2≥R1，R3＞R2。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
R1＝14μm±0.5μm
R2＝15.3μm±0.5μm
R3＝21.4μm±0.5μm
Δn3＝ntrench-nCl＝-5×10-3±0.5×10-3，以及
Δτ(λ，α)＝p00+p10*λ+p01*α+p11*λ*α+p02*α2
其中：
p00包括在-1.947～-1.604之间，
p10包括在-0.001977～-0.001743之间，
p01包括在1.389～1.644之间，
p11包括在0.0009262～0.001038之间，以及
p02包括在-0.3776～-0.3235之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，
p00＝-1.776，
p10＝-0.00186，
p01＝1.517，
p11＝0.000982，以及
p02＝-0.3505。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，L＝550m，并且ΔTREF＝40ps。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述光学组件属于包括以下的组：
可变光学衰减器即VOA；
光纤；
耦合器；以及
检测器。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，还包括以下步骤：
将所述光学组件输出的光收集到第二模式群分离光纤中；
其中，所述第二模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择成使得所述第二模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：
其中：
Δτ是以ps/m为单位表示的连续的模式群之间的时间延迟差；
L是以m为单位表示的所述第二模式群分离光纤的长度；以及
ΔTREF是以ps为单位表示的所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度。
14.一种用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的系统，所述系统包括：
光源，用于发出具有波长λt的光的基准脉冲；
模式群分离光纤，其在所述光源和所述光学组件之间的光路中；
注入光纤，用于将光的所述基准脉冲注入到所述模式群分离光纤的输入侧；
用于按离散步长使所述注入光纤的位置在如下两个位置之间改变的部件：所述注入光纤与所述模式群分离光纤的纤芯中心对准的位置以及所述注入光纤与所述模式群分离光纤的纤芯半径对准的位置；以及
检测器，用于检测所述光学组件所输出的光信号，
其中，所述模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择成使得所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：
其中：
Δτ是以ps/m为单位表示的连续的模式群之间的时间延迟差；
L是以m为单位表示的所述模式群分离光纤的长度；以及
ΔTREF是以ps为单位表示的所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度，其中基准脉冲的四分之一最大值全宽度是所述基准脉冲的功率等于该功率的最大值的四分之一处的两个时间值之间的差。
15.一种用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的方法，所述方法包括以下步骤：
将具有波长λt的光的基准脉冲从光源注入到所述光学组件中；
将所述光学组件输出的光信号收集到模式群分离光纤中；以及
检测所述光学组件所输出的光信号，
其中，所述模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择成使得所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：
其中.
Δτ是以ps/m为单位表示的连续的模式群之间的时间延迟差；
L是以m为单位表示的所述模式群分离光纤的长度；以及
ΔTREF是以ps为单位表示的所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度，其中基准脉冲的四分之一最大值全宽度是所述基准脉冲的功率等于该功率的最大值的四分之一处的两个时间值之间的差。
16.一种用于表征穿过光学组件的多模光的模式群特性的系统，所述系统包括：
光源，用于发出具有波长λt的光的基准脉冲；
注入部件，用于将光的所述基准脉冲注入到所述光学组件中；
模式群分离光纤，用于收集所述光学组件所输出的光信号；以及
检测器，用于检测所述模式群分离光纤所输出的光信号，
其中，所述模式群分离光纤是具有α分布渐变折射率纤芯的多模光纤，其中α值被选择为使得所述模式群分离光纤在波长λt处满足以下标准：
其中：
Δτ是以ps/m为单位表示的连续的模式群之间的时间延迟差；
L是以m为单位表示的所述模式群分离光纤的长度；以及
ΔTREF是以ps为单位表示的所述基准脉冲的四分之一最大值全宽度，其中基准脉冲的四分之一最大值全宽度是所述基准脉冲的功率等于该功率的最大值的四分之一处的两个时间值之间的差。
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