CN107005305B - 用于表征和制造多模光纤链路的方法及改进其性能的方法 - 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以及两个或更多个多模光纤，所述方法包括以下步骤：针对各所述多模光纤，使用色散模式延迟(DMD)的测量来表征该多模光纤，并且针对各所述多模光纤，传送作为径向偏移值r的函数的至少三个光纤特性曲线；利用至少三个源特性曲线来表征所述光源，其中所述源特性曲线示出作为光纤半径r的函数的源的至少三个参数，并且是利用与DMD测量相同的技术所获得的；计算所述多模光纤链路的有效带宽(EB)，其中该步骤包括：使用各所述源特性曲线以及各所述多模光纤的所述至少三个光纤特性曲线中的各光纤特性曲线这两者来计算传递函数。

Description

用于表征和制造多模光纤链路的方法及改进其性能的方法
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，本发明涉及用于表征这些光传输系统中所使用的包括光源和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方面的差异的度量(ps/m)。
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：
Figure GDA0002153404880000011
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。由于材料的折射率随着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(EffectiveModal 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：
Figure GDA0002153404880000031
其中
Figure GDA0002153404880000032
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为单位的光纤的色散参数。
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。
一旦评估了有效模式带宽和色度色散带宽，如下所述计算还被称为有效带宽的总带宽：
Figure GDA0002153404880000041
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送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{Pcd(t，n)}/FT{R(t)}
其中：Pcd(t，n)＝ΣrDcd(r，t，n)＝Ucd(r，t)W(t，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，这种方法依赖于针对完整谱收集的分析来计算色度色散，这暗示了相当复杂的方法。
最后，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送器的数量。
文献US 6,400,450公开了用于在多模光纤与特定激光源一起使用时使多模光纤适合于带宽性能的方法。该方法将特定激光源所激励的模态功率分布(MPD)与光纤的差分模式延迟(DMD)特性组合。通过将测试脉冲注入到光纤的一端并且在另一端检测如此得到的输出脉冲来测量光纤的DMD。测试脉冲被配置为仅激励光纤所支持的模式中的少量模式。使测试脉冲按紧密间隔扫描穿过光纤纤芯，其中输出脉冲存储在各径向位置处。形成输出脉冲的加权和以确定时域脉冲响应，其中所使用的权重与激光源所激励的MPD相对应。然后，利用用于使脉冲响应变换到频域中的标准方法来确定带宽。在本发明的一个实施例中，在确定带宽时使用DMD数据的加权和；而在本发明的另一实施例中，向DMD数据应用去卷积算法以针对光纤的各模式组获得模式延迟时间，然后将这些模式延迟时间与激光源所激励的MPD组合。
尽管值得注意，但这种方法无法得出由光源和多个多模光纤构成的多模光纤链路的有效带宽。此外，源仅以MPD为特征，这不允许准确表征。关于光纤表征，如在多模光纤链路使用期间所实现的那样，收发器正发射脉冲，而不是以期望比特率进行工作。
文献US 6,788,397公开了用于测量将脉冲注入到多模光纤中的光源(例如，激光器)的模态功率分布的技术，其中该技术涉及多模光纤自身在其差分模式延迟方面的表征。然后进行逆向差分模式延迟测量以表征光源与多模光纤的相互作用。通过获知这些特征，随后可以通过使用重建算法来确定源向光纤内的模态功率分布。
再次地，这种技术无法得出由光源和多个多模光纤构成的多模光纤链路的有效带宽。此外，源仅被表征为模式组的函数。关于光纤表征，如在多模光纤链路使用期间所实现的那样，收发器正发射脉冲，而不是按期望比特率利用数字信号进行工作。
因而，已知的现有技术均无法得出由光源和多个多模光纤构成的多模光纤链路的有效带宽。
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大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以及两个或更多个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
根据本发明的实施例，提供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两个多模光纤。所述方法包括以下步骤：
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，其中利用数字电气信号按标称比特率对所述光源进行直接调制，
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，所述源特性曲线各自示出作为所述径向偏移值r的函数的源参数；
使用色散模式延迟即DMD的测量来表征各所述多模光纤，其中，通过使用单模光纤来检测在不同的径向偏移值r处注入到所述多模光纤中的光脉冲的输出轨迹，以及使用所述DMD的测量针对各所述多模光纤来计算作为所述径向偏移值r的函数的至少三个光纤特性曲线；以及
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：使用各所述源特性曲线以及各所述多模光纤的所述至少三个光纤特性曲线中的各光纤特性曲线这两者来计算传递函数。
因而，本发明依赖于包括两个或更多个多模光纤的多模光纤链路的新的创造性的表征方法，其中这两个或更多个多模光纤的长度足够大而对光链路的有效带宽产生影响。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，因而单独计算有效模式带宽和色度色散带宽以考虑模式色散现象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不同光纤段的相关度量，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，可以独立地表征不同的光纤和源。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如IEC 60793-1-49标准和FOTP-220标准中所规定的DMD测量技术在一定程度上相同的新技术。各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的光纤的级联的方法。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，来考核有源或无源组件的作用。
更一般地，这种方法使得能够在无需对级联链路带宽进行实际带宽测量的情况下，通过选择适合级联的多模光纤来优化这些光纤的级联。这种方法使得能够根据单独测量到的特定光纤度量和源度量的知识来高效地评估级联的预期带宽。因而，这种方法允许通过光纤级联来对多模光纤的模式色散和/或色度色散进行补偿。
根据本发明的实施例，通过与实际测量相比快得多且便宜的多的计算来进行光链路的优化，其中这些实际测量由于需要过多的时间和资源因而大多时候实际上无法实现。
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。该方法例如可用于通过添加足够的光纤以使工作波长范围放大或偏移来对所安装的链路(即，原本被设计成按为了850～950nm内的最佳操作而进行了调整的850nm+/-10nm进行工作的链路)的EB进行调整。
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。
构成光链路的多模光纤可以为相同类型或者不同类型(例如，OM3和OM4光纤或者具有不同的玻璃组成的OM3/4)。然而，这些多模光纤的纤芯直径和数值孔径的目标是基本相同(±10％)。
如这里所使用的，多模光纤是能够以期望的工作波长传输超过一个的模式的光纤。
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的函数的所述光源的接收耦合功率Psource(r)的曲线，其中0≤r≤a；
示出作为所述径向偏移值r的函数的所述光源的中心波长λc(r)的曲线，其中0≤r≤a；以及
示出作为所述径向偏移值r的函数的所述光源的均方根谱宽度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，这一点并不明显。
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。
根据另一方面，针对各所述多模光纤所计算出的所述至少三个光纤特性曲线包括：
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≤ai；
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≤ai；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≤ai，
其中，ai是索引i的多模光纤的纤芯半径。
光链路中的所有多模光纤以及用于表征源的标称多模光纤具有目标是基本相等的纤芯直径，使得针对所有的索引i，a＝ai±10％。
从DMD标绘图中提取三个光纤特性曲线。将径向偏移带宽(Radial OffsetBandwidth)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。
根据本发明的一方面，用于表征所述光源的步骤和用于表征各所述多模光纤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。
根据本发明的实施例，用于计算所述多模光纤链路的有效带宽(EB)的步骤根据传递函数
Figure GDA0002153404880000111
来得出所述有效带宽：
Figure GDA0002153404880000112
其中，
Figure GDA0002153404880000113
Figure GDA0002153404880000114
Figure GDA0002153404880000115
Figure GDA0002153404880000116
Figure GDA0002153404880000117
其中，i是由N个多模光纤部分构成的所述多模光纤链路中的多模光纤的索引，i＝1对应于离所述光源最近的多模光纤部分，N是大于或等于2的整数，
Li是索引i的多模光纤在所述多模光纤链路中的长度，
CDi是以ps/nm-km为单位表示的索引i的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，以及
OMBc(r)是计算过满模式带宽权重函数即OMBc权重函数。
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 ModalBandwidths of an OMA Fiber and the Theoretical Challenges”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。优选地，Li大于10m或大于50m，以使光纤段(fiber span)对有效带宽的计算产生影响。
作为示例，所述光链路的所述有效带宽是所述传递函数
Figure GDA0002153404880000121
的-3dB带宽，使得：
Figure GDA0002153404880000122
当然，可以使用根据
Figure GDA0002153404880000123
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
Figure GDA0002153404880000126
或者通过使用-6dB的阈值等。
根据本发明的另一实施例，
Figure GDA0002153404880000124
中的索引i的多模光纤的所述色度色散CDi被波长的函数CDi(λ)替换，使得：
Figure GDA0002153404880000125
在可以知晓色度色散随着波长如何改变的情况下，这种细化给出了值得注意的结果。
根据本发明的另一实施例，所述色度色散CDi对于所述光链路中的所有多模光纤而言被假设为均相同。
根据本发明的又一实施例，模式色散对于所述光链路中的所有多模光纤而言被假设为均相同。
这些假设简化了光纤级联的有效带宽的计算。
本发明的实施例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至少两个多模光纤，所述方法包括以下步骤：
选择一组多模光纤和一组光源；
按照根据本发明所述的方法来计算由所述一组光源其中之一和所述一组多模光纤中的两个或更多个多模光纤所构成的所有可能的多模光纤链路的有效带宽即EB；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。
此外，本发明的实施例还涉及一种用于改进多模光纤链路的性能的方法，所述多模光纤链路包括光源和至少两个多模光纤，所述方法包括以下步骤：
按照根据本发明所述的方法来计算所述多模光纤链路的有效带宽；
针对所述多模光纤中的至少一个多模光纤，重复以下步骤：
修改该多模光纤的长度，
按照根据本发明所述的方法来评估具有修改后的长度的多模光纤链路的有效带宽；以及
针对所述多模光纤中的所述至少一个多模光纤，选择与所述多模光纤链路的最大有效带宽相对应的长度。
本发明的实施例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至少两个多模光纤，所述方法包括以下步骤：
选择一组多模光纤；
选择具有实际上包括在850nm～950nm之间的波长窗内的不同波长的一组光源；
计算步骤，用于针对所述一组多模光纤中的多模光纤的级联，并且针对所述一组光源中的各光源，按照根据本发明所述的方法来计算由所述多模光纤的级联和所述一组光源其中之一所构成的多模光纤链路的有效带宽即EB；
针对所述一组多模光纤中的多模光纤的多个级联，重复所述计算步骤；以及
仅选择用于构成实际上包括在850nm～950nm的整个波长窗内有效带宽即EB>3000MHz-km、更优选为EB>4500MHz-km、甚至更优选为EB>6000MHz-km的多模光纤链路的多模光纤的级联。
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；
-针对给定的光纤级联分选/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；
-分选/优化将提高给定链路的EB的光纤。
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示出根据本发明的用于表征多模光纤链路的方法的概要图；
图2示出包括多模光纤链路的光通信系统的示例；
图3示出DMD测量技术；
图4中的a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4中的b示出根据图4中的a的DMD标绘图所得出的ROD曲线；
图4中的c示出根据图4中的a的DMD标绘图所得出的ROB曲线；
图4中的d示出根据图4中的a的DMD标绘图所得出的PDMD曲线；
图5示出根据本发明实施例的源表征技术；
图6中的a示出本发明典型实施例中的利用图5的技术所表征的源的光谱；
图6中的b示出本发明典型实施例中的利用图5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6中的c示出本发明典型实施例中的利用图5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6中的d示出本发明典型实施例中的利用图5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7a示出本发明典型实施例中的五个收发器Tx1～Tx5的作为径向偏移值的函数的中心波长λc(r)；
图7b示出图7a的典型实施例中的收发器Tx1～Tx5的作为径向偏移值r的函数的均方根谱宽度Δλ；
图7c示出图7a和7b的典型实施例中的收发器Tx1～Tx5的作为径向偏移值r的函数的输出功率Psource；
图7d示出图7a～7c的典型实施例中的收发器Tx1～Tx5的作为径向偏移值r的函数的中心波长和中值波长之间的差；
图8a～8c示出根据本发明实施例的针对被称为光纤1～光纤10的十条多模光纤所得出的三个光纤特性曲线；
图9示出针对由图7a～7d的收发器Tx1～Tx5和图8a～8c的光纤即光纤1～光纤10构成的光链路的通过光纤级联所实现的有效带宽改进。
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不同光纤段这两者的相关度量，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1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。这种光链路包括源以及两个或更多个多模光纤段。这种方法依赖于使用DMD测量技术来对链路中的索引i的各多模光纤进行表征170i。根据本发明的实施例，光纤i的表征170i产生根据DMD标绘图所得出的三个光纤特性曲线。
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170i所传送的光纤特性曲线和步骤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2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、多模光纤链路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以上的数字信号，其中该数字信号直接对VCSEL源9进行调制。
根据本发明的实施例，多模光纤链路4由多个多模光纤段4i的级联构成(尽管在图1中未示出该情况)。
如标准TIA FOTP-220或IEC 60793-1-49(TIA-455-220-A，“Differential ModeDelay Measurement of Multimode Fiber in the Time Domain”(2003年1月))所述，根据本发明的实施例，基于DMD测量来对各多模光纤4i进行表征。
图3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850nm处的光参考脉冲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所激励的模式。如图3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。
根据本发明的实施例，根据DMD标绘图来计算用于表征纤芯半径为a的多模光纤4i的三个曲线：
示出作为径向偏移值r的函数的多模光纤4i的径向偏移带宽ROBi(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4i的径向偏移延迟RODi(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4i的径向耦合功率PDMDi(r)的曲线，其中0≤r≤a，其中该径向耦合功率PDMDi(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
Figure GDA0002153404880000171
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或GHz.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。注意，ROD的绝对值并不相关，仅偏移注入之间的相对值至关重要。
图4中的a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4中的b～d分别示出根据本发明实施例的基于DMD标绘图所得出的作为径向偏移值的函数的ROD曲线、ROB曲线和PDMD曲线。
图5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。利用典型的数字电气信号按典型的比特率来激励源，其中该数字电气信号是利用连同伪随机比特序列一起使用的图案生成器可以获得的。在示出作为以ns为单位表示的时间的函数的以mW为单位表示的信号的功率的图5上，例示出这种数字电气信号。如可以观察到，这种数字信号的图案例示源的可能的多模性质。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实际上相同的纤芯直径和数值孔径。实际上，必须注意，链路中的多模光纤优选具有实际上相同的纤芯直径(±10％)和实际上相同的数值孔径(±10％)。然而，这些多模光纤中的一些多模光纤例如可以是OM3光纤，并且一些其它多模光纤可以是OM4光纤。单模光纤32以与标准DMD测量中所使用的方式相同的方式来扫描标称光纤的输出，由此优选以1微米为步长在0～25μm的范围内进行扫描。还可以进行通过插值所支持的较大步长(例如，2μm)。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(还被称为探测光纤)可以与光纤表征所使用的单模光纤10相同。
尽管图5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的函数的源的接收耦合功率Psource(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6中的a所示，这种源呈现出MG1～MG7这七个模式组。如从图6中的a可以看出，中心波长λc是850.0nm。任意选择源相对于标称多模光纤31的位置。
图6中的b～d示出根据图5的技术的用于表征源-光纤耦合的三个曲线：更精确地，图6中的d示出作为径向偏移值的函数的源的输出功率Psource(r)；图6中的b示出作为径向偏移值的函数的源的中心波长λc(r)；图6中的c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各被测多模光纤的DMD测量、并且一旦使用图5的技术表征了源，则本发明的方法提出计算由源和多个多模光纤段构成的多模光纤链路的有效带宽。
使用针对各多模光纤4i的图4中的b～d的三个光纤特性曲线以及图6中的b～d的三个源特性曲线，根据本发明实施例的方法提出计算有效带宽(以下称为EB)作为传递函数H(f)的-3dB处的带宽，使得：
Figure GDA0002153404880000201
假定模式
Figure GDA0002153404880000202
色散和色度
Figure GDA0002153404880000203
色散的高斯函数和独立径向传递函数、并且考虑到由色度(Δτ(r))色散和模式(ΔτDMD(r))色散分别引起的这些径向传递函数之间的延迟，如下所述，可以利用这些度量来表示通过源和光纤之间的耦合所得到的总传递函数：
Figure GDA0002153404880000204
其中：Δτ(r)＝L·CD·(λc(r)-λDMD)是以ps/nm/km为单位表示的由色度色散(CD)引起的延迟，其中L是所述链路中的多模光纤长度(例如，500m)；
λDMD是还作为链路的工作波长的DMD测量的波长；
ΔτDMD(r)＝L·ROD(r)，
Figure GDA0002153404880000205
与色度色散CD带宽关联；以及
Figure GDA0002153404880000206
OMBc(“计算过满模式带宽”)是与过满注入(overfilled launch)相对应的权重函数。
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。
然而，本发明的实施例处理由至少两个足够长的光纤的级联构成的链路。在这种情况下，利用
Figure GDA0002153404880000211
替换传递函数H(f)，其中如下所述计算
Figure GDA0002153404880000212
Figure GDA0002153404880000213
其中：
Figure GDA0002153404880000214
Figure GDA0002153404880000215
Figure GDA0002153404880000221
Figure GDA0002153404880000222
Figure GDA0002153404880000223
其中，i是由N个光纤部分构成的级联链路中的光纤的索引：i＝1是第一个光纤部分、即最接近源的光纤部分。
因而，假定具有相应的上述度量为已知的源和光纤的集合，本发明的实施例使得能够根据所有可能链路的上述公式来计算有效带宽，以求出最佳链路、即传递最大有效带宽的链路。
应当注意，在所有光纤为相同类型时，预期
Figure GDA0002153404880000224
针对这些光纤大致相同。在本发明的实施例中，假定两个光纤之间的连接不会使模式混合。因此，可以使用任意光纤的PDMD，i(r)。在上述公式中，提出使用平均值。
实际上，在光纤之间还存在连接器以形成光链路。理想地，连接器不会使模式组混合或对模式组进行筛选。换句话说，预计在光纤度量评估期间在光纤输出处配置连接器不会改变光纤的度量。
注意，在知晓色度色散根据波长如何改变的情况下，可以如下所述重新定义公式中的Δτ(r)：
Figure GDA0002153404880000225
Figure GDA0002153404880000226
还可以假定色度色散针对所有的光纤而言基本相等、或者模式色散相同。这些假定简化了级联的公式。
还可以想象评估光纤缩短对光纤性能的影响、或者定义要添加的一个或多个段的光纤度量的规格，从而提高整个链路在一个或多个波长处的性能。
图7a～7d示出根据本发明实施例的针对按10Gbps进行工作的被称为Tx1～Tx5的五个收发器所得出的源特性曲线。
更准确地，图7a示出作为收发器Tx1～Tx5的以μm为单位表示的径向偏移值r的函数的收发器的以nm为单位表示的中心波长λc；图7b示出作为收发器Tx1～Tx5的以μm为单位表示的径向偏移值r的函数的收发器的以nm为单位表示的均方根谱宽度Δλ；图7c示出作为收发器Tx1～Tx5的以μm为单位表示的径向偏移值r的函数的收发器的以μW为单位表示的输出功率Psource；图7d示出作为收发器Tx1～Tx5的以μm为单位表示的径向偏移值r的函数的收发器的以nm为单位表示的中心波长和中值波长之间的差。
图8a～8c示出根据本发明实施例的针对被称为光纤1～光纤10的十条多模光纤所得出的三个光纤特性曲线。
更准确地，图8a针对这十条光纤各自示出作为径向偏移值r的函数的以ps/m为单位表示的径向偏移延迟ROD(r)；图8b针对这十条光纤各自示出作为径向偏移值r的函数的以ps/m为单位表示的径向偏移带宽ROB(r)；图8c针对这十条光纤各自示出作为径向偏移值r的函数的径向耦合功率PDMD(r)。
本发明人计算出由源Tx1～Tx5其中之一以及从十条光纤即光纤1～光纤10中所选择的相同长度的两条光纤的级联构成的所有可能光链路的有效带宽。
图9示出通过光纤的级联所实现的有效带宽改进。更准确地，针对利用正方形表示的各可能光链路，图9示出以下：
在Y轴上，以MHz-km为单位表示的、针对光纤的级联所获得的有效带宽和构成光链路的两个光纤的最大有效带宽之间的差(级联的EB-Max(各光纤段的EB))；
在X轴上，针对光纤的级联所获得的有效带宽(以MHz-km为单位表示的级联的EB)。
对于给定的光链路，在级联的EB和构成链路的两个光纤的最大EB之间的差为正的情况下，这意味着光纤的级联提高了总带宽：换句话说，一个光纤的模式色散和色度色散对第二光纤的模式色散或色度色散进行补偿。
在图9上，附图标记为90的用圆形圈起来的正方形对应于光链路，其中与包括一段光纤的光链路相比，由于光纤的级联因而该光链路的有效带宽得到最佳改进。该最佳改进针对与一段多模光纤即光纤4(其表现出有效带宽EB＝5300MHz-km)和一段多模光纤即光纤10(其表现出有效带宽EB＝5270MHz-km)相连接的收发器Tx1而发生：实际上，如此构建的光链路的有效带宽表现出有效带宽EB＝6300MHz-km。因而，由于光纤的级联，光链路的有效带宽表现出约1000MHz-km的增加。
根据本发明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各光纤的一组曲线。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 (16)

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两个级联的多模光纤，所述方法包括以下步骤：
利用通过以下操作所获得的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，其中利用数字电气信号按标称比特率对所述光源进行直接调制，其中，所述标称多模光纤具有与所述多模光纤链路中所包括的多模光纤基本相同的纤芯直径和数值孔径；
在从所述标称多模光纤的轴即r＝0处至径向偏移值r＝a的范围内、在不同的径向偏移值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，所述源特性曲线各自示出作为所述径向偏移值r的函数的源参数；
使用色散模式延迟即DMD的测量来表征各所述多模光纤，其中，通过使用单模光纤来检测在不同的径向偏移值r处注入到所述多模光纤中的光脉冲的输出轨迹，以及使用所述DMD的测量针对各所述多模光纤来计算作为所述径向偏移值r的函数的三个光纤特性曲线；以及
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：使用各所述源特性曲线以及各所述多模光纤的所述三个光纤特性曲线中的各光纤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的函数的所述光源的接收耦合功率Psource(r)的曲线，其中0≤r≤a；
示出作为所述径向偏移值r的函数的所述光源的中心波长λc(r)的曲线，其中0≤r≤a；以及
示出作为所述径向偏移值r的函数的所述光源的均方根谱宽度Δλ(r)的曲线，其中0≤r≤a。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，针对各所述多模光纤所计算出的所述三个光纤特性曲线包括：
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≤ai；
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≤ai；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≤ai，
其中，ai是索引i的多模光纤的纤芯半径。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，用于表征所述光源的步骤和用于表征各所述多模光纤的步骤使用相同的单模光纤。
5.根据权利要求3或4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
Figure FDA0002381341010000021
来得出所述有效带宽：
Figure FDA0002381341010000022
其中，
Figure FDA0002381341010000031
Figure FDA0002381341010000032
Figure FDA0002381341010000033
Figure FDA0002381341010000034
Figure FDA0002381341010000035
其中，i是由N个多模光纤部分构成的所述多模光纤链路中的多模光纤的索引，i＝1对应于离所述光源最近的多模光纤部分，N是大于或等于2的整数，
Li是索引i的多模光纤在所述多模光纤链路中的长度，
CDi是以ps/nm-km为单位表示的索引i的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，以及
OMBc(r)是计算过满模式带宽权重函数即OMBc权重函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述多模光纤链路的所述有效带宽是所述传递函数
Figure FDA0002381341010000036
的-3dB带宽。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，
Figure FDA0002381341010000037
中的索引i的多模光纤的所述色度色散CDi被波长的函数CDi(λ)替换，使得：
Figure FDA0002381341010000038
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述色度色散CDi对于所述多模光纤链路中的所有多模光纤而言被假设为均相同。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，模式色散对于所述多模光纤链路中的所有多模光纤而言被假设为均相同。
10.一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至少两个多模光纤，所述方法包括以下步骤：
选择一组多模光纤和一组光源；
按照根据权利要求1至9中任一项所述的方法来计算由所述一组光源其中之一和所述一组多模光纤中的两个或更多个多模光纤所构成的所有可能的多模光纤链路的有效带宽即EB；以及
仅选择有效带宽即EB>3000MHz-km的多模光纤链路。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，仅选择有效带宽即EB>4500MHz-km的多模光纤链路。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，仅选择有效带宽即EB>6000MHz-km的多模光纤链路。
13.一种用于改进多模光纤链路的性能的方法，所述多模光纤链路包括光源和至少两个级联的多模光纤，所述方法包括以下步骤：
按照根据权利要求1至9中任一项所述的方法来计算所述多模光纤链路的有效带宽；
针对所述多模光纤中的至少一个多模光纤，重复以下步骤：
修改该多模光纤的长度，
按照根据权利要求1至9中任一项所述的方法来评估具有修改后的长度的多模光纤链路的有效带宽；以及
针对所述多模光纤中的所述至少一个多模光纤，选择与所述多模光纤链路的最大有效带宽相对应的长度。
14.一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至少两个级联的多模光纤，所述方法包括以下步骤：
选择一组多模光纤；
选择具有包括在850nm～950nm之间的波长窗内的不同波长的一组光源；
计算步骤，用于针对所述一组多模光纤中的多模光纤的级联，并且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计算由所述多模光纤的级联和所述一组光源其中之一所构成的多模光纤链路的有效带宽即EB；
针对所述一组多模光纤中的多模光纤的多个级联，重复所述计算步骤；以及
仅选择用于构成包括在850nm～950nm的整个波长窗内有效带宽即EB>3000MHz-km的多模光纤链路的多模光纤的级联。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，仅选择用于构成包括在850nm～950nm的整个波长窗内有效带宽即EB>4500MHz-km的多模光纤链路的多模光纤的级联。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，仅选择用于构成包括在850nm～950nm的整个波长窗内有效带宽即EB>6000MHz-km的多模光纤链路的多模光纤的级联。
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