CN108572419B - 长距离有源光缆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学组装件和使用该光学组装件来减少干涉的方法。所述光学组装件可以包括光缆和光收发器模块。所述光收发器模块可以包括插座、电光换能器和光学灯，所述插座被配置用于接纳所述光缆，而所述电光换能器被配置用于生成光信号。所述光学灯可以包括光学棱镜，该光学棱镜可以经由第一表面接收所述光信号，将所述光信号分散成所述光信号的多个模式，以及经由第二表面输出所述多个模式。反射镜可以将所述光信号从在所述第一表面与所述反射镜之间延伸的第一方向反射到在所述反射镜与所述第二表面之间延伸的第二方向。所述光学灯可以将所述光信号的所述多个模式中的至少一个引导到所述光缆中。

Description

长距离有源光缆

背景技术

光纤是包覆在低折射率材料中的能够传输光信号的细丝。本领域中存在各种类型的光纤，包括单模光纤(SMF)和多模光纤(MMF)。传统上，SMF由细玻璃纤维组成，并且通常用于较长距离和高速应用中。MMF的配置类似于SMF，但被设计用于同时传送多个模式的光信号，每个信号以稍微不同的反射角进行传输。不同于可以长距离传送光信号的SMF，MMF通常用于较短的传输距离。对于覆盖大距离，MMF通常由于光纤模式的过度噪声和干扰而不可操作。SMF具有减少的干扰，但制造和安装的成本通常过高。

因此，光纤可以用作由光电收发器生成的光信号的传输介质。例如，光纤往往与各种类型的发光组件结合使用，这些发光组件基于电输入来生成用于通过光纤传输的光信号。例如，经常使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)来发射通过光纤线缆的光。其他光源包括边缘发射激光器、边缘发射硅光子组件、准直VCSEL、透镜集成表面发射激光器(LISEL)以及其他光源。

申请人已经确定出与常规光纤收发器、耦合器、接口和其他关联系统相关联的多种缺陷和问题。经由实施的努力、独创性和创新，通过开发包括在本发明实施方式中的解决方案已经解决了所确定的这些问题中的许多问题，其中的许多示例在本文中详细描述。

发明内容

因此，本文描述了被配置用于改善光学组装件的性能和成本效益的光学组装件、有源光缆以及对应的使用和制造方法。

在一些实施方式中，可以提供一种包括光缆和光收发器模块的光学组装件。光收发器模块可以包括插座、电光换能器和光学灯，所述插座被配置用于接纳光缆，而所述电光换能器被配置用于生成光信号。光学灯可以包括限定第一表面和第二表面的光学棱镜。光学棱镜可被配置用于经由第一表面接收光信号，将光信号分散成该光信号的多个模式，以及经由第二表面输出该多个模式。光学灯还可以包括反射镜，该反射镜被配置用于将光信号从在第一表面与反射镜之间延伸的第一方向反射到在反射镜与第二表面之间延伸的第二方向。光学灯可被配置用于将光信号的多个模式中的至少一个引导到光缆中。

在一些实施方式中，光学组装件可以包括被限定在光学灯的第一表面上的第一透镜。第一透镜可被配置用于在电光换能器与第一表面之间折射光信号。光学组装件可以包括被限定在光学灯的第二表面上的第二透镜，其中所述第二透镜被配置用于在第二表面与光缆之间折射光信号的多个模式中的至少一个。

在一些实施方式中，第一方向可以基本上垂直于第二方向。

反射镜可被限定在光学灯的第三表面上。在一些实施方式中，第一表面、第二表面和第三表面中的每一个在光学灯内与第一表面、第二表面和第三表面中的其他表面中每一个光连通。第一方向可以基本上垂直于第二方向，而第三表面可以相对于第一表面和第二表面两者定向成大约45度。

在一些实施方式中，光缆可被配置成与比光信号的多个模式中的所有模式少的模式对准。在一些实施方式中，光缆可被配置成与光信号的三个、四个或五个模式对准。在一些实施方式中，光缆可被配置成与光信号的一个模式对准。

光学灯可被配置用于在第二表面上的不同位置处输出多个模式中的每一个。在一些实施方式中，光学灯可被配置用于将多个模式中的每一个分开至少5μm。光缆可被配置成位于与多个模式中的至少一个的不同位置相邻之处。

在一些实施方式中，光缆可以是多模光纤光缆。在一些实施方式中，电光换能器是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

在另一实施方式中，可以提供一种减少有源光缆中的干扰的方法。有源光缆可以包括光缆和光收发器模块，所述光收发器模块可以包括被配置用于接纳光缆的插座；电光换能器；以及光学灯。光学灯可以包括限定第一表面和第二表面的光学棱镜，以及反射镜，所述反射镜被配置用于将所述光信号从在所述第一表面与所述反射镜之间延伸的第一方向反射到在所述反射镜与所述第二表面之间延伸的第二方向。所述方法可以包括使用电光换能器生成被引导向第一表面的光信号，以使得光学棱镜接收入射于第一表面的光信号；将光信号在光学棱镜内分散成光信号的多个模式；以及将光信号的多个模式中的至少一个引导到光缆中。

在一些实施方式中，将光信号的多个模式中的至少一个引导到光缆中可以包括将比光信号的多个模式中的所有模式少的模式引导到光缆中。

有源光缆还可以包括被限定在光学灯的第一表面上的第一透镜，并且可以通过第一透镜来折射所生成的光信号。在一些实施方式中，有源光缆可以包括被限定在光学灯的第二表面上的第二透镜，并且可以通过第二透镜来折射光信号的多个模式中的至少一个。

附图说明

已经如此一般性地描述了本发明，现在将对不一定按比例绘制的附图作出参考，并且其中：

图1示出了根据本文讨论的一些实施方式的收发器模块；

图2示出了图1的收发器模块的剖视图；

图3示出了根据本文讨论的一些实施方式的与光缆对准的光学灯组装件的实施方式的简化示意图；

图4示出了具有光信号路径的图3的简化示意图；

图5示出了根据本文讨论的一些实施方式的光学灯组装件的剖视图；以及

图6示出了根据图5的光学灯组装件的透视图。

具体实施方式

光缆由光纤组成。可以将光缆与内建在位于光缆末端的收发器模块和系统中的用于发射和接收由光纤传送的光通信信号的光学发射器和接收器相结合使用，以形成有源光缆(AOC)。收发器模块可以包括小型可插拔(SFP)收发器或双SFP收发器。收发器模块或系统可以插入到交换和计算设备的合适的电通信端口，诸如千兆位以太网或

端口。收发器模块和系统中的光电子和光机械组件可将端口所输出的高速电信号转换成光信号以通过光纤传输。另外，这些组件可以将通过光纤接收的光信号转换成高速电信号以输入到端口。

在许多收发器模块和系统中，使用诸如VCSEL等激光二极管来生成用于通过光纤传输的光信号。VCSEL因其高带宽和高效率而尤其受到青睐。在一些实现中，使用这样的VCSEL的阵列来驱动对应的光纤阵列，所述光纤阵列以带状配置连结在一起。光纤可以连接到VCSEL和相对端上的光电二极管配置，以使得一个或多个光电二极管可以接收来自VCSEL的光并将入射光转换成电信号。一个或多个源可以提供电信号以供从发射装置进行发射或者在从发射装置接收之后接收电信号，并且每个源可以与一个或多个VCSEL和/或光电二极管相关联。所述源可以向VCSEL提供电信号，以供经由光纤传输，或者可以接收由光电二极管经由光纤接收的电信号。

AOC可以用于数据中心和其他大型联网环境中，以实现服务器之间的快速、具有成本效益的通信。由于每个服务器所需的AOC的数量相对较多，因此成本往往是数据中心硬件的驱动因素。虽然MMF提供了相对具有成本效益的连接手段，但发明人已经发现MMF的性能对于新的大型数据中心所需的较大通信距离会下降。特别是，发明人已经发现当前的MMF技术的最显著的弱点出现在200米和更大的线缆长度下。发明人已经发现，当光信号的许多模式在光纤内随机地且不可预测地发生反射和折射直到信号在大距离上变得无法辨认时，光信号中的干扰和噪声往往导致这样的性能下降。虽然SMF提供了更好的远程性能，但它们在大型数据中心中运行往往过于昂贵和耗时。

本文所描述的光收发器模块的一些实施方式包括光学灯，所述光学灯对MMF光信号进行空间滤波以减少远程干扰。尽管一些干扰减少技术可以包括阻挡光的某些波长的平面光学滤波器，但这些滤波器迫使AOC仅在穿过滤波器的光的特定波长中工作，并且滤波器所允许的波长往往随温度而变化，从而使得其不适用于温度可能波动的情况。

参考图1，示出了其上连接了光缆28的收发器模块26的示意图。壳体23包括手柄25和连接到一个或多个光缆28的印刷电路板(PCB)36。手柄25可以将PCB 36插入到与服务器的接口/从与服务器的接口弹出。PCB 36经由铜输入端34将电通信信号传导到模块26中，并且支持诸如VCSEL、光电二极管(PD)以及其他换能器，控制器等组件，以用于将电信号转换成光通信信号和/或反之亦然。光缆28的光纤在收发器模块之间传送光通信信号。

收发器模块26包括具有顶盖的壳体23，并且包括模块的电气和光学组件。铜输入端34经由PCB 36将电通信信号传导到光接口模块中，该光接口模块将电通信信号转换成光通信信号。收发器模块26可以包括诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)等多个换能器，并且可以包括控制器，该控制器可以是微处理器。VCSEL接收来自PCB 36的电输入并将其转换成光信号。光缆28的光纤传送光通信信号。

在图2的实施方式中，示出了图1的收发器模块26的剖视图。收发器模块26可以接合一个或多个光缆28，并且可以通过这些线缆发射和接收光信号。在一些实施方式中，光缆28可以包括插入到收发器26中的插座43的多光纤推开/关(MPO)连接器42，以将线缆与收发器光学地连接起来。电光换能器44可以发射和/或接收光信号。为了将换能器44与光缆28的连接器42连接起来，可以使用根据本文描述的任何实施方式的光学灯组装件40。

参考图3-图4，示出了光学灯组装件40的实施方式的简化示意图，该光学灯组装件40被光学耦合到具有MPO连接器42的光缆28和换能器44。在一些实施方式中，光学灯组装件40包括用于分散和分离光信号的不同模式的棱镜46。光学灯组装件40还可以包括反射镜48，以在光信号穿过棱镜46时对其进行重定向。反射镜48可以是棱镜46的表面，或者可以是施加到棱镜表面的单独的反射表面。在一些实施方式中，光学灯组装件40可以包括一个或多个透镜50、52，用于将光信号折射成与光缆28对准。在一些实施方式中，透镜50、52可以折射光以将光信号重定向或聚焦到线缆的预定位置上。透镜50、52可以位于光信号所穿过的棱镜46的表面54、56上。例如，在图3中所示的实施方式中，第一透镜50位于棱镜46的第一表面54上，并且第二透镜52位于棱镜的第二表面56上。在其中换能器44进行发射(例如，其中换能器是VCSEL)的实施方式中，光信号可以从换能器行进到第一透镜50，穿过第一表面54，在反射镜48上反射，穿过第二表面56，并且穿过第二透镜52到达光缆28。在一些实施方式中，可能不需要透镜，或者可以单独使用第一透镜50和第二透镜52中之一。

图4演示了样本光信号58穿过光学灯40的棱镜46的路径，包括模式60、61、62、63和64。棱镜46通过根据光信号各部分的各自波长将其弯曲不同的角度来分散光信号58。尽管光信号58可以作为单个信号进入第一表面54，但模式60、61、62、63、64基于其不同的波长而在棱镜46内彼此分离并且在第二表面56处彼此空间分离地离开棱镜。

图4的实施方式描绘了发射侧的光学灯40，其从VCSEL 44接收光信号58并且在将光信号发射到光缆28之前对光信号进行空间滤波。类似地，在一些实施方式中，光学灯40可以位于有源光缆的接收端，以使得光信号进入第二表面56并且在被传输到光电二极管或光电检测器(在VCSEL 44的位置处)之前得到空间滤波。在一些实施方式中，光学灯46可以位于光缆的发射侧和接收侧。在一些实施方式中，光学灯可以仅位于发射侧。

在一些实施方式中，光学灯46可以是玻璃棱镜。光学灯46可以包括用于模式分离的模式选择机制。在一些实施方式中，光学灯46可以包括位于光学灯内的物理波导，以将不同模式引导到棱镜表面上的不同出口位置。物理波导可以限定与剩余的灯不同的材料或光学属性的路径，这会将模式传递和引导到预定路径。在一些实施方式中，可以通过布置光信号向灯中的入口将模式引导到物理波导，以使得每个模式使用不同的传播矢量，所述矢量与相应的波导对准。例如，在一些实施方式中，灯的棱镜效应可以沿着不同的相应传播矢量来折射光信号的模式，并且波导可以被形成到灯中以接收被分离的模式。在一些实施方式中，单独地或与棱镜效应结合地，光信号的角度和/或发射条件可以将模式在空间上与相应的波导对准。

在一些其他实施方式中，模式选择机制可以包括灯自身的棱镜效应。在又一些其他实施方式中，可以使用任何其他空分复用技术对光信号的模式进行空间分离。

通过使用在第二表面56处的光信号58的输出模式60、61、62、63、64的空间分离，光缆28可以仅与光信号的携带感兴趣波长的部分对准，同时在空间上排除不期望的波长。在这样的实施方式中，对应于不同的相应波长的每个模式入射在输出表面的不同位置上(例如，在其中换能器44进行发射的实施方式中，棱镜46的第二表面56)。通过不将光缆28与棱镜的输出表面上的对应模式60、61、62、63、64的位置对准，可以排除不期望的波长。在一些实施方式中，可以使用多个光缆28，并且每个光缆可以与模式的不同子集(例如，本文所讨论的一个、两个、三个、四个、五个或更多个模式)对准。

在一些实施方式中，模式60、61、62、63、64沿着棱镜46的表面56以预定距离间隔开。例如，模式60、61、62、63、64可以在灯中间隔开大约5μm。在一些实施方式中，模式60、61、62、63、64可以沿着棱镜46的表面56间隔开大约5μm或更大距离。在一些实施方式中，模式之间的差异可以在VCSEL处为0.5nm，并且在灯46的第一表面54处为几微米(例如，大约5μm)，并且灯的第二表面56处为大约125μm或更大。第二表面56处的出射间隔可以等于多光纤布置中的光纤间距。本领域普通技术人员将会理解，本文所使用的术语“大约”或“基本上”表示所伴随的尺寸不需要以数学精度实现，而是表示具体尺寸达到制造公差和物理限制内的标准误差裕度。在一些实施方式中，光信号58可包括在850nm附近具有大约0.2-1.6nm波长间隔(例如，均匀分布在850nm附近，诸如850nm以下和以上的三个模式)的多达6个模式。例如，在一些实施方式中，光信号58可以包括在850nm附近具有0.5nm的波长间隔(例如，848.75nm、849.25nm、849.75nm、850.25nm、850.75nm和851.25nm)的6个模式。在一些其他实施方式中，光信号58的模式可以以0.2nm、0.3nm、0.4nm、0.5nm、0.6nm、0.7nm、0.8nm、0.9nm、1nm、1.1nm、1.2nm、1.3nm、1.4nm、1.5nm或1.6nm的波长差异间隔开。

在一些实施方式中，光缆28可以与比光信号58的所有模式少的模式对准，以减少干扰和增大AOC的传输范围。例如，参考图4，图中示出光缆28与光信号58的模式62对准。在一些实施方式中，光缆28仅与单个模式对准。在一些实施方式中，光缆28与光信号58的3个、4个或5个模式对准。在一些实施方式中，光缆28与光信号58的2个模式对准。在一些实施方式中，光缆28与光信号58的多于5个模式对准。如本文所讨论的，在一些实施方式中，可以使用多个光缆28，并且每个光缆可以与模式的不同子集对准(例如，如本文所讨论的一个、两个、三个、四个、五个或更多个模式)。在一些实施方式中，可以使用850nm附近的多达6个模式。

可以通过对一个或多个透镜、线缆或全部两者进行定向来选择与线缆对准的模式的数目和位置，以沿着一个或多个光缆引导一个或多个优选模式。在一些实施方式中，一个或多个透镜50、52可被设计用于折射光信号58，以便与一个或多个光缆28对准地输出一个或多个期望的模式。在一些实施方式中，可以调整一个或多个光缆的位置(例如，通过对插座43、连接器42和/或线缆光纤28的位置进行重定向)以与期望的模式的位置对准。在一些实施方式中，可以使用一个或多个透镜以及一个或多个线缆定位的组合。

可以根据从光学灯组装件的近场到远场的结果来设计光学灯组装件，以将期望的模式与光信号对准。通过测试换能器44和光学灯46的输出以及选择具有最高带宽的一个模式或多个模式，可以在制造之前选择一个或多个期望的模式。在这样的实施方式中，可以使用灯40(例如，经由透镜50、52)和/或光缆28将一个或多个高带宽模式引导成与线缆对准，并且可以将收发器组装件构建成具有期望的对准。

参考图5，示出了光学灯40的剖视图。光学灯组装件40包括对准销70，该对准销70对准线缆连接器42并与之连接(图3-图4中所示)。棱镜46可以按上述实施方式中描述的方式来分散和导引光信号58(图4中所示)。在换能器44发射光信号的情况下，光信号可以穿过可形成于棱镜的第一表面54上的第一透镜50并且进入第一表面。继而，光信号可以在棱镜46内分散成多个模式。分散的光信号可以从形成于棱镜46的第三表面上的反射镜48向第二表面56反射，并且分散的光信号的模式可以穿过第二表面并穿过形成于第二表面上的第二透镜52。在一些实施方式中，光信号58(图4中所示)可以垂直于第一表面穿过第一表面54，并且在一些实施方式中，光信号的至少一个模式可以垂直于第二表面穿过第二表面56。

第一表面54、第二表面56和第三表面(其上安设有反射镜48)中的每一个可以彼此光连通。在这样的实施方式中，光信号可以从第一表面54传递到第二表面56，在第三表面处从反射镜48反射，而不离开棱镜46。在一些实施方式中，可以将反射镜48定向成与第一表面54和第二表面56中的每一个成45度，其中第一表面和第二表面彼此垂直。在一些实施方式中，反射镜48可以将光信号从在第一表面与反射镜之间延伸的第一方向反射到在反射镜与第二表面之间延伸的第二方向，并且在一些实施方式中，可以在垂直于第二表面的第二方向上反射在垂直于第一表面的第一方向上传递的光信号。

参考图6，示出了光学灯组装件40的透视图。所描绘的光学灯组装件40包括一对用于接合光缆28的连接器42的对准销70(均在图3中示出)。所描绘的灯组装件40包括用于接纳连接器42和光缆28的端头的凹槽72，并且该组装件包括安设在第二表面56上的多个第二透镜52。多个透镜可以用于例如以带状配置与多组光纤对准。类似地，可以按这样的配置使用多个第一透镜和换能器。在这样的实施方式中，可以针对多个光路径中的每一个(例如，从给定换能器到给定线缆的路径)使用单个灯，或者可以针对每个光路径使用多个灯。在图6中所示的实施方式中，可以线性地布置包括换能器、第一透镜、第二透镜和/或光缆的光路径，如图6中所示。

受益于在前述说明书和相关联附图中呈现的教导的本发明所属领域的技术人员将会想到本文中阐述的本发明实施方式的许多修改和其他实施方式。尽管附图仅示出了本文描述的装置和系统的某些组件，但应当理解，各种其他组件(例如，通常安装在收发器的PCB组装件上的组件)也可以是收发器组装件的一部分。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施方式，并且旨在将修改和其他实施方式包括在所附权利要求的范围内。尽管在此使用了特定的术语，但这些术语仅用于一般和描述性的意义，而不是为了限制的目的。

Claims (16)

1.一种光学组装件，包括：

光缆；以及

光收发器模块，所述光收发器模块包括：

插座，其被配置用于接纳所述光缆；

电光换能器，其被配置用于生成光信号；

光学灯，所述光学灯包括：

光学棱镜，其限定第一表面和第二表面，其中所述光学棱镜被配置用于经由所述第一表面接收所述光信号，将所述光信号分散成所述光信号的多个模式，以及经由所述第二表面输出所述多个模式；以及

反射镜，其被配置用于将所述光信号从在所述第一表面与所述反射镜之间延伸的第一方向反射到在所述反射镜与所述第二表面之间延伸的第二方向；并且

其中所述光学灯被配置用于将所述光信号的所述多个模式中的至少一个引导到所述光缆中，和

其中所述光缆被配置成与比所述光信号的所述多个模式中的所有模式少的模式对准。

2.根据权利要求1所述的光学组装件，还包括：

第一透镜，其被限定在所述光学灯的所述第一表面上，其中所述第一透镜被配置用于在所述电光换能器与所述第一表面之间折射所述光信号。

3.根据权利要求1所述的光学组装件，还包括：

第二透镜，其被限定在所述光学灯的所述第二表面上，其中所述第二透镜被配置用于在所述第二表面与所述光缆之间折射所述光信号的所述多个模式中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的光学组装件，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。

5.根据权利要求1所述的光学组装件，其中所述反射镜被限定在所述光学灯的第三表面上，并且其中所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面中的每一个在所述光学灯内与所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面中的其他表面中的每一个光连通。

6.根据权利要求5所述的光学组装件，其中所述第一方向垂直于所述第二方向，并且其中所述第三表面相对于所述第一表面和所述第二表面两者定向成45度。

7.根据权利要求1所述的光学组装件，其中所述光缆被配置成与所述光信号的三个、四个或五个模式对准。

8.根据权利要求1所述的光学组装件，其中所述光缆被配置成与所述光信号的一个模式对准。

9.根据权利要求1所述的光学组装件，其中所述光学灯被配置用于在所述第二表面上的不同位置处输出所述多个模式中的每一个。

10.根据权利要求9所述的光学组装件，其中所述光学灯被配置用于将所述多个模式中的每一个分开至少5μm。

11.根据权利要求9所述的光学组装件，其中所述光缆被配置成位于与所述多个模式中的所述至少一个的不同位置相邻之处。

12.根据权利要求1所述的光学组装件，其中所述光缆是多模光纤光缆。

13.根据权利要求1所述的光学组装件，其中所述电光换能器是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

14.一种减少有源光缆中的干扰的方法，所述有源光缆包括光缆和光收发器模块，所述光收发器模块包括被配置用于接纳所述光缆的插座；电光换能器；以及光学灯，所述光学灯包括限定第一表面和第二表面的光学棱镜，以及反射镜，所述反射镜被配置用于将光信号从在所述第一表面与所述反射镜之间延伸的第一方向反射到在所述反射镜与所述第二表面之间延伸的第二方向上；所述方法包括：

使用所述电光换能器生成被引导向所述第一表面的光信号，以使得所述光学棱镜接收入射于所述第一表面的所述光信号；

将所述光信号在所述光学棱镜内分散成所述光信号的多个模式；以及

将所述光信号的所述多个模式中的至少一个引导到所述光缆中，

其中将所述光信号的所述多个模式中的至少一个引导到所述光缆中包括将比所述光信号的所述多个模式中的所有模式少的模式引导到所述光缆中。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述有源光缆还包括被限定在所述光学灯的所述第一表面上的第一透镜，并且其中通过所述第一透镜来折射所生成的光信号。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述有源光缆还包括被限定在所述光学灯的所述第二表面上的第二透镜，并且其中通过所述第二透镜来折射所述光信号的所述多个模式中的所述至少一个。

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