CN108964765A - 一种多模光纤传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模光纤传输装置，包括：光发射器、多模光纤、滤模器和光接收器；光发射器用于产生光脉冲信号，并将光脉冲信号发送至多模光纤；多模光纤用于传输光脉冲信号；滤模器用于滤出传输在多模光纤中的部分模式，获得过滤后的光脉冲信号；其中，滤模器位于光发射器和光接收器之间传输光路的任意位置；光接收器用于接收过滤后的光脉冲信号，并将过滤后的光脉冲信号转化为电脉冲信号。因此，本发明通过设置滤模器能够减少和控制在多模光纤传输系统的光路中实际传输的模式数量，从而降低光信号模式色散量和光信号脉冲的展宽或畸变，增大多模光纤的有效模式带宽。

Description

一种多模光纤传输装置

技术领域

本发明涉及光纤通讯领域，特别是涉及用于短途多模光纤传输的数据通讯装置。

背景技术

多模光纤自上世纪80年代进入市场以来，经历了从OM1、OM2、OM3到OM4的演进。其中，OM3是针对垂直腔面发射激光光源优化的多模光纤，有效模式带宽(EMB，EffectiveModal Bandwidth)达到2000MHZ.Km，支持100GBase-SR10距离达到100米，而OM4有效模式带宽(EMB)相比OM3提高了1倍多，达到4700MHZ.Km，然而支持100GBase-SR10距离仅有150米，相对于OM3光纤，100G以太网传输距离仅仅增加了50％，仍然无法满足未来网络的需求。经研究发现由于多模光纤的模式色散导致所传输信号的失真，限制了多模光纤的有效模式带宽，进而导致无法长距离的传输信号。因此，如何降低多模光纤的模式色散，是目前光纤通讯领域急需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种多模光纤传输装置，能够减少和控制在多模光纤传输系统中光路实际传输的模式数量，从而降低光信号模式色散量和光信号脉冲的展宽或畸变。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述多模光纤传输装置包括：光发射器、多模光纤、滤模器和光接收器；

所述光发射器，用于产生光脉冲信号，并将所述光脉冲信号发送至所述多模光纤；

所述多模光纤，用于传输所述光脉冲信号；

所述滤模器，用于滤出传输在所述多模光纤中的部分模式，获得过滤后的光脉冲信号；其中，所述滤模器位于所述光发射器和所述光接收器之间传输光路的任意位置；

所述光接收器，用于接收所述过滤后的光脉冲信号，并将所述过滤后的光脉冲信号转化为电脉冲信号。

可选的，所述滤模器为熔融双拉锥多模光纤滤模器或者为熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器或者为熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器或者为自由空间光阑滤模器；所述滤模器用于串行通讯光路传输、并行通讯光路传输或者TAPs通讯光路传输。

可选的，所述熔融双拉锥多模光纤滤模器是由一根多模光纤拉伸制作而成；所述熔融双拉锥多模光纤滤模器包括五个部分，依次为第一原光纤区、第一渐小过渡锥区、第一锥腰区、第一渐大过渡锥区以及第二原光纤区；所述第一原光纤区为进光区域；所述第二原光纤区为出光区域；所述第一渐小过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变小；所述第一渐大过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变大；所述第一渐小过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；所述第一渐大过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；其中，所述绝热近似(Adiabatic Approximation)条件的公式为：β₁、β₂为第一锥腰区所支持的与在过渡锥区任意一点z处传输的相对应阶数的任意两个模式的传播常数；R(z)为z处的半径；所述过渡锥区包括第一渐小过渡锥区和第一渐大过渡锥区。

可选的，所述第一锥腰区的横截面积介于未拉伸多模光纤横截面积的百分之十至百分之七十之间。

可选的，所述融双拉锥多模光纤滤模耦合器是由两根拉伸后的多模光纤组成，且两根所述拉伸后的多模光纤的中间部分纤芯是熔融重合的，形成所述融双拉锥多模光纤滤模耦合器的耦合区，两根所述拉伸后的多模光纤的两端部分纤芯是相离的，形成所述融双拉锥多模光纤滤模耦合器的第一端部区和第二端部区；其中，所述第一端部区为进光区域，包括两个第三原纤光区和两个第二渐小过渡锥区；所述第二端部区为出光区域，包括两个第四原纤光区和两个第二渐大过渡锥区；所述第二渐小过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变小；所述第二渐大过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变大；所述第二渐小过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；所述第二渐大过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；其中，所述绝热近似(Adiabatic Approximation)条件的公式为：β₁、β₂为耦合区所支持的与在过渡锥区任意一点z处传输的相对应阶数的任意两个模式的传播常数；R(z)为z处的半径；所述过渡锥区包括第二渐小过渡锥区和第二渐大过渡锥区。

可选的，所述耦合区的横截面积介于两个未拉伸多模光纤横截面积之和的百分之十至百分之七十之间。

可选的，所述熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器是由两根拉伸后的多模光纤组成，两根所述拉伸后的多模光纤的中间部分纤芯设有第一距离，使两根所述拉伸后的多模光纤的中间部分形成所述熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的欠饱和耦合区，两根所述拉伸后的多模光纤的两端部分纤芯是设有大于所述第一距离的第二距离，使两根所述拉伸后的多模光纤的两端部分形成所述熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的第三端部区和第四端部区。

可选的，所述第三端部区为进光区域，包括两个第五原纤光区和两个第三渐小过渡锥区；所述第四端部区为出光区域，包括两个第六原纤光区和两个第三渐大过渡锥区；所述欠饱和耦合区包括两个所述第二锥腰区；所述第三渐小过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变小；所述第三渐大过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变大；所述第三渐小过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；所述第三渐大过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；其中，所述绝热近似(Adiabatic Approximation)条件的公式为：β₁、β₂为欠饱和耦合区所支持的与在过渡锥区任意一点z处传输的相对应阶数的任意两个模式的传播常数；R(z)为z处的半径；所述过渡锥区包括第三渐小过渡锥区和第三渐大过渡锥区。

可选的，所述欠饱和耦合区的横截面积介于两个未拉伸多模光纤横截面积之和的百分之七十至百分之百之间。

可选的，所述自由空间光阑滤模器为采用孔径光阑结构的滤模器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种多模光纤传输装置，包括：光发射器、多模光纤、滤模器和光接收器；光发射器用于产生光脉冲信号，并将光脉冲信号发送至多模光纤；多模光纤用于传输光脉冲信号；滤模器用于滤出部分传输在多模光纤中的模式，获得过滤后的光脉冲信号；其中，滤模器位于光发射器和光接收器之间传输光路的任意位置；光接收器用于接收过滤后的光脉冲信号，并将过滤后的光脉冲信号转化为电脉冲信号。因此，本发明通过设置滤模器能够减少和控制在多模光纤传输系统中光路实际传输的模式数量，从而降低光信号模式色散量和光信号脉冲的展宽或畸变，增大多模光纤的有效模式带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例多模光纤传输装置的结构示意图；

图2为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤滤模器的结构示意图；

图3为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤滤模器工作过程示意图；

图4为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器的结构示意图；

图5为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器工作过程示意图；

图6为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的结构示意图；

图7为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器工作过程示意图；

图8为本发明实施例自由空间光阑滤模器工作过程示意图；

图9为本发明实施例多模光纤通讯传输系统一结构示意图；

图10为本发明实施例多模光纤通讯传输系统二结构示意图；

图11为本发明实施例多模光纤通讯传输系统三结构示意图；

图12为本发明实施例四通道并行传输系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的提供一种多模光纤传输装置，能够减少和控制在多模光纤传输系统中光路实际传输的模式数量，从而降低光信号模式色散量和光信号脉冲的展宽或畸变。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

首先简单介绍下多模光纤。

多模光纤是数据中心等短途通讯中首选的较为经济的布线介质，这是由于采用多模光纤(Multimode Optical Fiber)以及垂直腔面发射激光(VCSEL)光源会对整个通讯系统带来很大的成本优势。

多模光纤可以容纳多个横模模式传输，不同模式的传播常数(PropagationConstants)也是不同的，称为模式色散(Modal Dispersion)，不同模式的空间能量分布(Spatial Power Distribution)也是不同的，从光纤出射到自由空间后的能量分布和发散角也不同。在弱导近似下，光纤的线偏振模记为LPnm，其中n取值自然数0，1，2，3......N，m取值正整数1，2，3，4......M，n，m的值越大，模式的阶数就越高，LP01是最低阶的模式，称为基模。光纤的归一化频率越大，则N、M的值越大，即光纤能支持的模式数量就越多。一般的多模光纤内可支持几百或上千个模式；其它条件不变时，光纤纤芯的横截面积越大，则光纤的归一化频率越大。当光由光源耦合进入多模光纤后，可在光纤内激发这些模式中的一部分或全部，每个模式上获得能量或多或少，具有一定的分布，称为模式能量分布(MPD，ModePower Distribution)，这些被激发了的模式集合称为模式群，一个模式群中可根据n、m值分为数个n、m连续取值的子模式集合，称为子模式群。含有基模LP01的子模式集合称为低阶子模式群，近邻低阶子模式群的较高阶子模式集合称为中阶子模式群，近邻中阶子模式群的较高阶子模式集合称为高阶子模式群。大部分光能量可集中在一个或一个以上子模式群中，子模式群中光的总能量除以子模式群中的模式总数量的值，称为子模式群平均光能量。较低阶模式的传播常数大于较高阶模式的，较低阶模式的速度则小于较高阶模式的，对于同样的多模光纤，模式数量越多，模式间的传播常数差异就大，色散量就越大。相邻模式间的传播常数差异最小，模式色散量也最小。模式阶数越高，其能量分布越靠近纤芯边界。从光纤出射进入自由空间后，模式阶数越高的光，发散角越大。

在多模光纤通讯中，不同模式间的色散可导致光脉冲信号被展宽或畸变，相应的电脉冲信号也被展宽或畸变，不易被分辨，导致误码率(BER，Bit Error Rate)增加，眼图(Eye Diagram)变差，限制了多模光纤的有效模式带宽。因此需要减少模光纤的模式色散，增加多模光纤的有效模式带宽，以便为下一代可能出现的更高速的以太网提供余量空间。

熔融拉锥技术(Fused Biconical Tapering)

熔融拉锥技术(Fused Biconical Tapering)主要是采用燃气、激光、电热或者微波局部加热多模光纤至熔融状态并同时向两端拉伸，最终使多模光纤形成双锥对称结构，其中，燃气包括但不限于氢和氧气、一氧化碳和氧气，激光包括但不限于二氧化碳气体激光器。

多模光纤纤芯半径与所能支持模式数量的关系

对于阶跃折射率分布的多模光纤所能支持传输的模式数量近似为V²/2，对于梯度折射率分布的多模光纤所能支持传输的模式数量近似为V²/4，归一化频率λ₀为波长，n₁为纤芯最大折射率，n₂为包层折射率。当折射率一定时，半径R(z)越小，多模光纤能容纳的模式越少。

因此，本发明是在满足光接收器灵敏度(Receiver Sensitivity)的前提下，减少并控制多模光纤通讯系统中进入光接收器光敏面上的模式数量，使光接收器光敏面接收到尽量大的子模式群平均光能量，就可减少模式色散，降低脉冲信号被展宽或畸变的程度。具体为：在光信号在多模光纤传输阶段减少并控制多模光纤中实际传输的模式数量，从而降低光信号脉冲的展宽或畸变或者光信号离开多模光纤后、进入光接收器中光敏面前，在自由空间减少并控制与多模光纤模式相对应的拉盖尔-高斯模式(Laguerre-gaussian Mode)的数量。极端情况时，将全部传输的能量集中在一个模式上，比如，全集中在多模光纤的基模PL01或者自由空间的高斯基模上，就如同单模光纤传输一样，完全不存在模式色散带来的脉冲展宽。

另外为简化叙述过程，在本发明以后的叙述中，多模光纤中的模式及其自由空间对应的拉盖尔-高斯模式都用相同符号表示，不做特意区分，只表示二者的对应关系，并非表示二者的模式相同。

图1为本发明实施例多模光纤传输装置的结构示意图，如图1所示，本发明提供的多模光纤传输装置包括：光发射器101、多模光纤102、滤模器103和光接收器104；

所述光发射器101，用于产生光脉冲信号，并将所述光脉冲信号发送至所述多模光纤102；

所述多模光纤102，用于传输所述光脉冲信号；

所述滤模器103，用于滤出传输在所述多模光纤103中的部分模式，获得过滤后的光脉冲信号；其中所述滤模器103位于所述光发射器和所述光接收器之间传输光路的任意位置；

所述光接收器104，用于接收所述过滤后的光脉冲信号，并将所述过滤后的光脉冲信号转化为电脉冲信号。

滤模器103可以为熔融双拉锥多模光纤滤模器、或者为熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器、或者为熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器、或者为自由空间光阑滤模器。

上述四种滤模器光传输中的可以交叉组合使用，一般用于串行通讯光路传输、并行通讯光路传输或者TAPs通讯光路传输。

熔融双拉锥多模光纤滤模器、熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器和熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器是利用熔融拉锥技术制作加工而成的。由于加热火头的温度场是渐变的，所以上述三种滤模器的外边缘变化是平滑的，不会有拐点。

另外，滤模器的滤模结果是用美国电信工业协会标准TIA-526-14-B定义的方法测量。

图2为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤滤模器的结构示意图，如图2所示，所述熔融双拉锥多模光纤滤模器是由一根多模光纤拉伸制作而成；所述熔融双拉锥多模光纤滤模器包括五个部分，依次为第一原光纤区201、第一渐小过渡锥区202、第一锥腰区203、第一渐大过渡锥区204和第二原光纤区205。其中，图2中的标号206为熔融双拉锥多模光纤滤模器的纤芯，图2中的标号207为熔融双拉锥多模光纤滤模器的包层。

所述第一原光纤区201为进光区域；所述第二原光纤区为出光区域205；所述第一渐小过渡锥区202的横截面积沿着光传输方向逐渐变小；所述第一渐大过渡锥区204的横截面积沿着光传输方向逐渐变大；所述第一渐小过渡锥区202的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；所述第一渐大过渡锥区204的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；其中，所述绝热近似(Adiabatic Approximation)条件的公式为：β₁、β₂为第一锥腰区所支持的与在过渡锥区任意一点z处传输的相对应阶数的任意两个模式的传播常数；R(z)为z处的半径；所述过渡锥区包括第一渐小过渡锥区和第一渐大过渡锥区。另外，还可以通过增加火头宽度加热光纤或者来回移动火头位置以扫描方式加热光纤可获得熔融双拉锥多模光纤滤模器更长的第一渐小过渡锥区和第一渐大过渡锥区。

所述第一锥腰区203的横截面积介于未拉伸多模光纤横截面积的百分之十至百分之七十之间。

熔融双拉锥多模光纤滤模器内部纤芯和外部包层的半径大小是按照熔融双拉锥多模光纤滤模器外沿线的规律而变化，具体以近似以e指数方式而变化。

熔融双拉锥多模光纤滤模器的工作原理为由第一原光纤区201入射的各种模式的光，经过第一渐小过渡锥区202和第一锥腰区203后，其中能够被第一锥腰区203所支持的模式都几乎无损耗地通过，进入第一渐大过渡锥区204，再几乎无损耗地进入第二原光纤205；不能被第一锥腰区203所支持的模式则在第一渐小过渡锥区202逐步转变成辐射模，离开多模光纤。因此，熔融双拉锥多模光纤滤模器，具有滤模作用和减少脉冲展宽作用。

第一锥腰区203所支持的模式的数量取决于第一锥腰区203的最小归一化频率，当熔融双拉锥多模光纤滤模器内部纤芯和外部包层折射率大小一定时，则只取决于第一锥腰区203的最小半径，半径越小，归一化频率越小，则熔融双拉锥多模光纤滤模器内的模式数量越少。但第一锥腰区203半径无论怎样小，都至少会支持一个单基模传输通过。第一渐小过渡锥区202和第一渐大过渡锥区204横截面积变化过程对绝热近似条件符合程度的高低，将决定第一锥腰区203所支持的模式的损耗大小，越远离绝热近似条件，则第一锥腰区203模式的损耗越大。

下面用一个简化模型具体说明熔融双拉锥多模光纤滤模器的滤模作用和减少脉冲展宽作用。

图3为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤滤模器工作过程示意图，如图3所示，仅仅只画出熔融双拉锥多模光纤滤模器的纤芯以及包层在纤芯附近的部分，在光的传输方向并未画出多模光纤的实际长度。实际上，熔融双拉锥多模光纤滤模器可处于从光发射器101到光接收器104之间的长达数百米多模光纤光路中的任意一处位置。例如，集成在多模光纤跳线的进光端连接器或者出光端连接器内部，或者光纤中部，或者在多模光纤跳线的进光端连接器和出光端连接器内部各设置一个，或者在光发射组件(TOSA)或光接收组件(ROSA)内的短光纤插芯(Fiber Stub)中，或者在带状光纤(Ribbon Fiber)中，或者在MTP等多芯光纤连接器中，或者光纤阵列中。

现在选择选择在长度为850nm，纤芯为62.5um或50um的多模光纤进行加工成熔融双拉锥多模光纤滤模器，则熔融双拉锥多模光纤滤模器的第一渐小过渡锥区202和第一渐大过渡锥区204的长度大于5mm，通常的取值范围为5mm至50mm，可满足绝热近似条件。

假设熔融双拉锥多模光纤滤模器工作过程只有基模L0(LP01)、中阶模L1(LP11)和高阶模L2(LP21)三个模式参与通讯(实际中，常常是数个子模式群)，即包含了三个模式L0、L1和L2及其脉宽为T的光脉冲信号P1从多模光纤的第一原光纤区201左侧端口入射，沿多模光纤传输一段距离(通常为数百米)后，由于不同模式的光脉冲传输群速度不同，基模L0最快，高阶模L2最慢，中阶模L1居中，三者的光脉冲的叠加后，形成的新光脉冲会被展宽(严重时，脉冲形状畸变，由单个脉冲峰变为多个子峰)，但是由于在光纤传输途中熔融双拉锥多模光纤滤模器的存在，熔融双拉锥多模光纤滤模器的第一锥腰区203不支持高阶模L2，高阶模L2变为辐射模排除出光纤光路之外，中阶模L1和低阶模L0则低损耗地通过，实际形成的新光脉冲P2′中不再包括L2，新光脉冲P2′的脉宽为T+ΔT′，ΔT′小于前面所述的相同长度光纤光路中不含熔融双拉锥多模光纤滤模器时的脉冲展宽量ΔT，光脉冲P2′离开光纤后耦合到光敏面301，转化为电脉冲P3′输出，P3′的脉宽为T+ΔT′(不计光电探测器对电脉冲的展宽作用)。因此，熔融双拉锥多模光纤滤模器减小了脉冲信号的展宽量，改善了通讯系统的误码率。

如果进一步减小熔融双拉锥多模光纤滤模器的第一锥腰区203的半径，使得L1模式也不再是锥腰区所支持的模式，L1模式也被从多模光纤中去除，只保留L0模式，则到达光敏面301的脉冲展宽量会被进一步减少，误码率进一步会得到改善。

熔融双拉锥多模光纤滤模器是全光纤器件，熔融双拉锥多模光纤滤模器还具有使光路紧凑、维修和升级方便、成本低等优点。

熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器

熔融拉锥技术制备常规多模光纤耦合器是通过局部加热两根紧挨着的多模光纤至熔融状态并同时向两端拉伸，最终使两根光纤形成双锥对称结构而形成耦合器的，也就是说，实质上两个多模光纤的纤芯在耦合区熔融重合，形成饱和耦合，这样的多模耦合器具有额外损耗(Excess Loss)小、分光比与模式几乎无关的光学性能。

常规的多模耦合器追求的目标之一就是降低耦合器的额外损耗(Excess Loss)以及额外损耗与模式的相关性，在耦合器的结构上尽量避免耦合区每根光纤纤芯的锥腰区半径相比原光纤的半径减少过多，以便最大限度地支持原光纤中所传输的全部模式的光通过耦合器。实际中，原多模光纤中实际在传输的模式数量小于原多模光纤所支持的本征模式的总数量，特别是在使用Vcsels激光器做光源时，其所激发的模式数量远小于原多模光纤所支持的本征模式总数量，而且大部分能量都集中在基模和低阶模式上，所以实际中，耦合器的锥腰区半径即使一定程度地变小了，也不会明显产生额外损耗，除非变小到不能支持原光纤实际所传输的模式的程度。

本发明中的熔融拉锥技术制备的熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器追求的目标与常规的多模耦合器不同，其目标是具有一定的与模式相关的额外损耗，以便减少参与光脉冲传输的模式数量，减少光脉冲的脉冲展宽量。

图4为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器的结构示意图，如图4所示，所述融双拉锥多模光纤滤模耦合器是由两根拉伸后的多模光纤组成，且两根所述拉伸后的多模光纤的中间部分纤芯是熔融重合的，形成所述融双拉锥多模光纤滤模耦合器的耦合区403，两根所述拉伸后的多模光纤的两端部分纤芯是相离，形成所述融双拉锥多模光纤滤模耦合器的第一端部区和第二端部区；其中，所述第一端部区为进光区域，包括两个第三原纤光区401和两个第二渐小过渡锥区402；所述第二端部区为出光区域，包括两个第四原纤光区405和两个第二渐大过渡锥区404；所述第二渐小过渡锥区402的横截面积沿着光传输方向逐渐变小；所述第二渐大过渡锥区404的横截面积沿着光传输方向逐渐变大。

同样，熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器的四个过渡锥区(两个第二渐小过渡锥区402和第二渐大过渡锥区404)的外径变化也需满足绝热近似条件，即所述第二渐小过渡锥区402的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；所述第二渐大过渡锥区404的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；其中，所述绝热近似(Adiabatic Approximation)条件的公式为：β₁、β₂为耦合区所支持的与在过渡锥区任意一点z处传输的相对应阶数的任意两个模式的传播常数；R(z)为z处的半径；所述过渡锥区包括第二渐小过渡锥区和第二渐大过渡锥区。另外，还可以通过增加火头宽度加热光纤或者来回移动火头位置以扫描方式加热光纤可获得熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器更长的第二渐小过渡锥区和第二渐大过渡锥区。

所述耦合区403的横截面积介于两个未拉伸多模光纤横截面积之和的百分之十至百分之七十之间。

下面用一个简化模型说明熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器具有的滤模作用和减少脉冲展宽的作用。

图5为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器工作过程示意图，如图5所示，仅仅只画出熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器的纤芯以及包层在纤芯附近的部分，在光的传输方向并未画出原多模光纤的实际长度，实际上，熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器可处于从光发射器101到光接收器104之间的长达数百米多模光纤光路中的任意一处位置。

其中，在本实施例中任选一个第三原纤光区401作为进光区域。

假设熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器工作过程只有基模L0(LP01)、中阶模L1(LP11)和高阶模L2(LP21)三个模式参与通讯(实际中，常常是数个子模式群)，即包含了三个模式L0、L1和L2及其脉宽为T的光脉冲信号P1从熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器第三原纤光区401的左侧端口入射，沿多模光纤传输一段距离后，进入的第二渐小过渡锥区402，高阶模L2变为辐射模排除出光纤光路之外，剩余的模式L0、L1在耦合区403将一部分能量耦合转移给一个第二渐大过渡锥区404，另一部分能量耦合转移给另一个第二渐大过渡锥区404，然后从光纤出射至第一光敏面501和第二光敏面502，这第一光敏面501和第二光敏面502所接收的光脉冲P2′和P2″中不再包括L2的能量，光脉冲P2′和P2″的脉宽都为T+ΔT′，脉冲展宽量ΔT′小于同样长度的光纤光路中不含熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器时的脉冲展宽量ΔT，光脉冲P2′和P2″再转化为电脉冲P3′和P3″输出，P3′和P3″的脉宽都为T+ΔT′(不计光电探测器对电脉冲的展宽作用)。因此，熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器减小了脉冲信号的展宽量，改善了通讯系统的误码率。

熔融拉锥工艺可制作单向的1X2熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器，也可制作双向的2X2熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器。1X2和2X2熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器能用于光无源TAPs(Passive Optical Traffic Analysis Points)中，既能分流光信号，又能减小脉冲信号(包括所分流的监控信号)的展宽量，降低通讯系统的误码率。

熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器是全光纤器件。熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器还具有使光路紧凑、维修和升级方便、成本低等优点。

熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器

与前述熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器类似，熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器也使用常规多模光纤耦合器的熔融拉锥技术制备。

常规的多模耦合器追求的另一个目标是降低耦合器耦合分光比的模式相关性。多模光纤中高阶模的能量分布和基模等低阶模式的能量分布相比，高阶模的能量更远离纤芯中心、接近包层，因而，当两个光纤纤芯开始接近，耦合刚发生时，只有一部分高阶模参与耦合，随着纤芯进一步靠近和自身半径进一步变小，越来越多的模式参与光耦合，最终全部模式都参与耦合并达到耦合分光比比几乎不随拉伸长度而改变的状态，此时称为饱和耦合，在此之前的状态称为欠饱和耦合区。对于处于欠饱和耦合区状态的器件，只要激发输入的模式数和模式分布有所变化，或输入波长有所变化，分光比就会发生明显变化，使多模光纤耦合器工作性能不稳定。与常规多模光纤耦合器不同的是，熔融拉锥技术制备的熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器恰恰是工作在欠饱和耦合区状态，将高阶模群和低阶模群分离，使它们分别在副光纤和主光纤中传输，这样副光纤和主光纤中参与脉冲信号传输模式数量分别都相对减少了，从而可降低光信号脉冲的展宽量。

图6为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的结构示意图，如图6所示，所述熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器是由两根拉伸后的多模光纤组成，两根所述拉伸后的多模光纤的中间部分纤芯设有第一距离，使两根所述拉伸后的多模光纤的中间部分形成所述熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的欠饱和耦合区，两根所述拉伸后的多模光纤的两端部分纤芯是设有大于所述第一距离的第二距离，使两根所述拉伸后的多模光纤的两端部分形成所述熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的第三端部区和第四端部区。

所述第三端部区为进光区域，包括两个第五原纤光区601和两个第三渐小过渡锥区602；所述第四端部区为出光区域，包括两个第六原纤光区605和两个第三渐大过渡锥区604；欠饱和耦合区包括两个所述第二锥腰区603；所述第三渐小过渡锥区602的横截面积沿着光传输方向逐渐变小；所述第三渐大过渡锥区604的横截面积沿着光传输方向逐渐变大。

同样，耦合器的四个过渡锥区的外径变化也需满足绝热近似条件，即所述第三渐小过渡锥区602的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；所述第三渐大过渡锥区604的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；其中，所述绝热近似(Adiabatic Approximation)条件的公式为：β₁、β₂为欠饱和耦合区所支持的与在过渡锥区任意一点z处传输的相对应阶数的任意两个模式的传播常数；R(z)为z处的半径；所述过渡锥区包括第三渐小过渡锥区和第三渐大过渡锥区。另外，还可以通过增加火头宽度加热光纤或者来回移动火头位置以扫描方式加热光纤可获得熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器更长的第三渐小过渡锥区和第三渐大过渡锥区。

所述欠饱和耦合区的横截面积介于两个未拉伸多模光纤横截面积之和的百分之七十至百分之百之间。

下面用一个简化模型说明熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的滤模作用和减少脉冲展宽作用。

图7为本发明实施例熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器工作过程示意图，如图7所示，仅仅只画出熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的纤芯以及包层在纤芯附近的部分，在光的传输方向并未画出原多模光纤的实际长度，实际上，熔融双拉锥多模光纤滤模器可处于从光发射器101到光接收器104之间的长达数百米多模光纤光路中的任意一处位置。

假设熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器工作过程只有基模L0(LP01)、中阶模L1(LP11)和高阶模L2(LP21)三个模式参与通讯(实际中，常常是数个子模式群)，包含了三个模式L0、L1和L2，脉宽为T的光脉冲信号P1从熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的主光纤701的第五原光纤区601的左侧端口入射，沿多模光纤传输一段距离，通过熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的第三渐小过渡锥区602后，发生欠饱和耦合区，高阶模L2的能量进入熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的副光纤702纤芯，成为副光纤702的L2模式，剩余的模式L0、L1的能量则留在主光纤701中，副光纤702中的光和主光纤701的光分别通过各自的第三渐大过渡锥区604和一段长度的原光纤后，从光纤出射至各自的光敏面704和703，光敏面704接收了来自副光纤702脉宽为T的光脉冲P2″，转化为同样脉宽的电脉冲P3″(不计光电探测器对电脉冲的展宽作用)，光敏面703接收了来自主光纤701脉宽为T+ΔT′的光脉冲P2′，转化为同样脉宽的电脉冲P3′(不计光电探测器对电脉冲的展宽作用)，ΔT′小于同样长度的光纤光路中不含熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器时的脉冲展宽量ΔT，熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器在主光纤和副光纤中都减小了脉冲信号的展宽量，改善了通讯系统的误码率。熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器实际上是粗略的空间模式解复用器(Spatial Mode Multiplexer)。

熔融拉锥工艺可制作单向的1X2熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器，也可制作双向的2X2熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器。1X2和2X2熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器能用于光无源TAPs中，既能分流光信号，又能减小脉冲信号(包括所分流的监控信号)的展宽量，降低通讯系统的误码率。

熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器还具有使光路紧凑、维修和升级方便、成本低的作用。

所述自由空间光阑滤模器为采用孔径光阑结构的滤模器。；其中，通过所述孔径光阑所处位置和所述孔径光阑的通光区域面积，确定所述自由空间光阑滤模器的滤模功能。

滤模器是自由空间光阑滤模器，多模光纤中传输的各种模式的光，在出射光纤后会形成各自对应阶数的拉盖尔-高斯模式光束，不同阶数的拉盖尔-高斯模式光束的发散角不同，在距光纤端面一定距离的光电探测器光敏面附近设置一定大小半径的光阑，在自由空间滤掉某些高阶模的能量，使得光电探测器仅仅接收到数量较少的一群相邻模式的光脉冲能量，在本发明中，称之为自由空间光阑滤模器。

下面用一个简化模型说明自由空间光阑滤模器的滤模作用和减少脉冲展宽作用。

图8为本发明实施例自由空间光阑滤模器工作过程示意图，如图8所示，仅仅只画出自由空间光阑滤模器的纤芯以及包层在纤芯附近的部分。

假设自由空间光阑滤模器工作过程只有基模L0(LP01)、中阶模L1(LP11)和高阶模L2(LP21)三个模式参与通讯(实际中，常常是数个子模式群)，802为光电探测器的光敏面，803为置于多模光纤801和光敏面802之间的自由空间光阑滤模器，包含了三个模式L0、L1和L2，脉宽为T的光脉冲信号P1从多模光纤的左侧端口入射，沿多模光纤传输一段距离(通常数百米)后，由于不同模式的光脉冲传输群速度不同，基模L0最快，高阶模L2最慢，中阶模L1居中，三者的光脉冲的叠加后，形成的新光脉冲会被展宽(严重时，脉冲形状畸变，由单个脉冲峰变为多个子峰)，但是由于自由空间光阑滤模器803的存在，将高阶模L2遮挡，使得光敏面802只接收到L0，L1两个模式的光脉冲，其转化为电脉冲P3的脉宽T+ΔT′(不计光电探测器对电脉冲的展宽作用)小于从光纤出射时的光脉冲P2的脉宽T+ΔT。自由空间光阑滤模器减小了脉冲信号的展宽量，改善了通讯系统的误码率。

如果进一步减小自由空间光阑滤模器的通光孔径，使得L1、L2都被遮挡，只保留L0模式，则到达光敏面的脉冲展宽量会被进一步减少，误码率进一步会得到降低。

自由空间光阑滤模器既可用在串行通讯的单个光电探测器的光敏面前，也可用在多通道并行通讯的光电探测器阵列前。

下面通过具体实施例来说明。

图9本发明实施例多模光纤通讯传输系统一结构示意图；如图9所示，多模光纤通讯传输系统一由光发射器901、多模光纤902、光接收器903、介于光发射器901和光接收器903之间的多模光纤902光路上的熔融双拉锥多模光纤滤模器904组成，光发射器901发射的光脉冲信号从自由空间耦合进入多模光纤902，激发起数百上千种模式传输。期间，被熔融双拉锥多模光纤滤模器904滤去高阶模式所承载的大部分光信号能量，剩余的大部分光信号能量集中在数量较少的低阶模式上继续经过多模光纤传输一段距离后，离开多模光纤，进入自由空间，再入射到光接收器903的光敏面，转化为电脉冲信号。由于最终参与光脉冲信号的模式数量相对较少，因而可减少光脉冲的展宽量，改善了通讯系统的误码率。

其中，熔融双拉锥多模光纤滤模器904可以集成在多模光纤进光端的光连接器中或者出光端的连接器或者多模光纤光路中任意位置。

图10本发明实施例多模光纤通讯传输系统二结构示意图；如图10所示，多模光纤通讯传输系统二具有TAPs功能和滤模功能；多模光纤通讯传输系统二由光发射器1001、多模光纤1002、光接收器1003、介于光发射器1001和光接收器1003之间的多模光纤1002中的1x2熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器1004以及监控光接收器1005组成。光发射器1001发射的光脉冲信号从自由空间耦合进入多模光纤1002传输，激发起数百上千种模式传输。期间，1x2熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器1004将较高阶模式群的大部分能量耦合分离到副光纤，传输至监控光接收器1005，剩余的大部分光信号能量集中在数量较少的低阶模式上继续经过多模光纤传输一段距离后，离开多模光纤，进入自由空间，再入射到光接收器1003的光敏面，转化为电脉冲信号。由于最终参与进入信号光接收器和监控光接收器的光脉冲信号的模式数量都相对减少，因而减少了光脉冲的展宽量，改善了通讯系统的误码率，即多模光纤通讯传输系统二具有TAPs功能和滤模功能。

为了光路紧凑，本实施例将1x2熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器1004集成在多模光纤进光端的光连接器之中。1x2熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器1004可以在多模光纤光路中任意位置。

图11本发明实施例多模光纤通讯传输系统三结构示意图；如图11所示，多模光纤通讯传输系统三由光发射器1101、多模光纤1102、信号光接收器1103、介于光发射器1101和信号光接收器1103之间的多模光纤1102中的1X2熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器1104以及监控光接收器1105组成，光发射器1101发射的光脉冲信号从自由空间耦合进入多模光纤1102传输，激发起数百上千种模式传输，其间，1X2熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器1104一方面滤去高阶模式所承载的大部分光信号能量，剩余的大部分光信号能量集中在数量较少的低阶子模式群上，另一方面同时也将剩余模式的光信号能量一分为二，较少部分的光信号能量进入监控光接收器1105，较大部分的光信号能量继续经过多模光纤传输一段距离后，离开多模光纤，进入自由空间，再入射到信号光接收器1103的光敏面，转化为电脉冲信号。由于最终参与进入信号光接收器和监控光接收器的光脉冲信号的模式数量都相对减少，因而减少了光脉冲的展宽量，改善了通讯系统的误码率，即多模光纤通讯传输系统三具有TAPs功能和滤模功能。

为了使光路紧凑，本实施例将1X2熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器集成在多模光纤进光端的光连接器之中。

图12本发明实施例四通道并行传输系统结构示意图，如图12所示，所述四通道并行传输系统由四通道光发射器阵列1201、多模光纤阵列1202、四通道信号光接收器阵列1203、介于四通道光发射器阵列1201和四通道信号光接收器阵列1203之间的多模光纤阵列1202光路中的四个熔融双拉锥多模光纤滤模器1204(或者为四个熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器或者为四个熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器或者为四个自由空间光阑滤模，本实施选择的四个为熔融双拉锥多模光纤滤模器)以及四通道监控光接收器1205组成。

本实施例在四通道并行传输的40GBASE-SR4传输系统中的每一个多模光纤的进光端设置了熔融双拉锥多模光纤滤模器。

熔融双拉锥多模光纤滤模器可处于多模光纤光路中的任意一处位置。本实施将熔融双拉锥多模光纤滤模器设置于多模光纤的进光口。

熔融双拉锥多模光纤滤模器滤掉了高阶模式的大部分能量，使得最终参与光脉冲信号的模式数量相对减少，因而减少了光脉冲的展宽量，改善了通讯系统的误码率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述多模光纤传输装置包括：光发射器、多模光纤、滤模器和光接收器；

所述光发射器，用于产生光脉冲信号，并将所述光脉冲信号发送至所述多模光纤；

所述多模光纤，用于传输所述光脉冲信号；

所述滤模器，用于滤出传输在所述多模光纤中的部分模式，获得过滤后的光脉冲信号；其中，所述滤模器位于所述光发射器和所述光接收器之间传输光路的任意位置；

所述光接收器，用于接收所述过滤后的光脉冲信号，并将所述过滤后的光脉冲信号转化为电脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述滤模器为熔融双拉锥多模光纤滤模器或者为熔融双拉锥多模光纤滤模耦合器或者为熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器或者为自由空间光阑滤模器；所述滤模器用于串行通讯光路传输、并行通讯光路传输或者TAPs通讯光路传输。

3.根据权利要求2所述的一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述熔融双拉锥多模光纤滤模器是由一根多模光纤拉伸制作而成；所述熔融双拉锥多模光纤滤模器包括五个部分，依次为第一原光纤区、第一渐小过渡锥区、第一锥腰区、第一渐大过渡锥区以及第二原光纤区；所述第一原光纤区为进光区域；所述第二原光纤区为出光区域；所述第一渐小过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变小；所述第一渐大过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变大；所述第一渐小过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；所述第一渐大过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；其中，所述绝热近似(AdiabaticApproximation)条件的公式为：β₁、β₂为第一锥腰区所支持的与在过渡锥区任意一点z处传输的相对应阶数的任意两个模式的传播常数；R(z)为z处的半径；所述过渡锥区包括第一渐小过渡锥区和第一渐大过渡锥区。

4.根据权利要求3所述的一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述第一锥腰区的横截面积介于未拉伸多模光纤横截面积的百分之十至百分之七十之间。

5.根据权利要求2所述的一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述融双拉锥多模光纤滤模耦合器是由两根拉伸后的多模光纤组成，且两根所述拉伸后的多模光纤的中间部分纤芯是熔融重合的，形成所述融双拉锥多模光纤滤模耦合器的耦合区，两根所述拉伸后的多模光纤的两端部分纤芯是相离的，形成所述融双拉锥多模光纤滤模耦合器的第一端部区和第二端部区；其中，所述第一端部区为进光区域，包括两个第三原纤光区和两个第二渐小过渡锥区；所述第二端部区为出光区域，包括两个第四原纤光区和两个第二渐大过渡锥区；所述第二渐小过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变小；所述第二渐大过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变大；所述第二渐小过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；所述第二渐大过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；其中，所述绝热近似(Adiabatic Approximation)条件的公式为：β₁、β₂为耦合区所支持的与在过渡锥区任意一点z处传输的相对应阶数的任意两个模式的传播常数；R(z)为z处的半径；所述过渡锥区包括第二渐小过渡锥区和第二渐大过渡锥区。

6.根据权利要求5所述的一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述耦合区的横截面积介于两个未拉伸多模光纤横截面积之和的百分之十至百分之七十之间。

7.根据权利要求2所述的一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器是由两根拉伸后的多模光纤组成，两根所述拉伸后的多模光纤的中间部分纤芯设有第一距离，使两根所述拉伸后的多模光纤的中间部分形成所述熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的欠饱和耦合区，两根所述拉伸后的多模光纤的两端部分纤芯是设有大于所述第一距离的第二距离，使两根所述拉伸后的多模光纤的两端部分形成所述熔融双拉锥多模光纤模式分离耦合器的第三端部区和第四端部区。

8.根据权利要求7所述的一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述第三端部区为进光区域，包括两个第五原纤光区和两个第三渐小过渡锥区；所述第四端部区为出光区域，包括两个第六原纤光区和两个第三渐大过渡锥区；所述欠饱和耦合区包括两个所述第二锥腰区；所述第三渐小过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变小；所述第三渐大过渡锥区的横截面积沿着光传输方向逐渐变大；所述第三渐小过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；所述第三渐大过渡锥区的横截面积渐变过程满足绝热近似条件；其中，所述绝热近似(Adiabatic Approximation)条件的公式为：β₁、β₂为欠饱和耦合区所支持的与在过渡锥区任意一点z处传输的相对应阶数的任意两个模式的传播常数；R(z)为z处的半径；所述过渡锥区包括第三渐小过渡锥区和第三渐大过渡锥区。

9.根据权利要求7所述的一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述欠饱和耦合区的横截面积介于两个未拉伸多模光纤横截面积之和的百分之七十至百分之百之间。

10.根据权利要求2所述的一种多模光纤传输装置，其特征在于，所述自由空间光阑滤模器为采用孔径光阑结构的滤模器。