CN110678790A - 用于空分多路复用光通信的同心光纤及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

空分多路复用的光纤包括由相对低折射系数材料和相对高折射系数材料的交替区域围绕的相对高折射系数光芯区域，从而在芯周围形成同心高系数环。光芯区域支持光沿着与光芯区域相关联的至少第一径向模式的传播，并且高系数环区域支持光沿着与高系数环区域相关联的至少第二径向模式的传播。第二径向模式不同于第一径向模式。

Description

用于空分多路复用光通信的同心光纤及其使用方法
相关申请的交叉引用
本申请于2018年6月1日作为PCT国际专利申请提交，并要求于2017年6月2日提交的美国专利申请序列No.62/514,581的优先权，该美国专利申请的公开内容通过引用被整体并入本文。
背景技术
本发明一般而言涉及光通信，并且更具体而言涉及增加单个光纤的信息传输容量的改进方法。
历史上，已经采取了若干步骤来改善单模光纤(SMF)光通信系统中的信息传输带宽，这些系统通常用于在一公里或更长的距离上传输信息。低传输损耗的石英光纤是在1970年代末和1980年代初开发的，从而允许在更长的距离内使用石英光纤。掺铒光纤放大器(EDFA)的出现为1550nm左右的信号提供了放大，从而允许信号在甚至更远的距离上传输，而波分多路复用/解复用(WDM)的引入通过允许单模石英光纤承载不同波长的不同光信号而扩展了石英光纤的带宽。光通信系统进一步受益于先进技术的引入，诸如偏振复用和更高阶的调制方案，以提高频谱效率(bits/s/Hz)。但是，当前的SMF光传输系统现在正接近其固有容量极限，并且预计它们将无法满足未来的容量需求。
正被考虑用于增加光纤容量的一种方法是空分多路复用(SDM)，其中不同的光信号在同一光纤内在物理上(空间上)彼此分离。SDM的一种特定实现方式是使用多芯光纤(MCF)，其中多个不同的单模芯被包含在同一包层材料中，在该包层内彼此横向分离。MCF的一个重要问题是芯或模式之间的串扰会随着传输距离的增加而增加，和/或由于弯曲和光纤缺陷而产生。因此，需要进行大量的数字信号处理从而以类似于无线电系统中的多输入多输出(MIMO)传输的方式来进行信道表征并应对串扰。此外，制造在单个包层中具有多个芯的光纤既困难又昂贵。此外，MCF的连接非常复杂，因为多个芯需要光纤末端围绕光纤轴进行精确的旋转对齐，以使芯对齐。
SDM的另一种建议实现方式依赖于具有单芯的光纤，其直径大于单模操作所需的直径，并且支持少量模式的传播。这种光纤被称为“少模光纤”(FMF)。在完全笔直且圆形对称的光纤中，模态电磁场不会相互作用，因为当总电磁场在光纤中传播时，每个模式所承载的功率保持不变，因此理论上每个模式都可以充当独立的传输信道。但是，由于光纤的缺陷和/或弯曲，一个模式会将功率耦合到其它模式，主要是那些具有相似传播系数的模式。在长距离上，光功率可能会分布在多个模式上。但是，这可能是有问题的，因为一个模式耦合到所有FMF模式的特定线性组合，并且对另一个模式的激励耦合到所有FMF模式的仍然正交的线性组合。借助于数字信号处理，原始信号因此仍然可以被恢复。典型的FMF的折射系数分布在芯区域中具有抛物线形状，以减轻差模延迟，即，以确保所有模的到达时间非常相似。这放宽了对接收器处信号分析所需的数字信号处理器(DSP)的大小的要求。
SDM的另一种建议实现方式依赖于光纤中的光角动量(OAM)复用。这种方法的困难包括实现具有高模式选择性并且避免与级联分束器相关联的1/N插入损耗的模式(解)复用器。
因而，需要可以减少上述问题的影响的实现SDM的改进方法。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种光纤，该光纤具有由具有第一折射系数的材料形成的相对高折射系数的光芯区域、围绕该光芯区域并且由具有小于第一折射系数的第二折射系数的材料形成的第一低系数区域、围绕第一低系数区域并且由具有高于第二折射系数的第三折射系数的材料形成的第一高系数环区域，以及围绕第一高系数区域并且由具有小于第三折射系数的第四折射系数的材料形成的第二低系数区域。光芯区域支持沿着与光芯区域相关联的至少第一径向模式的光的传播，并且第一高系数环区域支持沿着与第一高系数环区域相关联的至少第二径向模式的光的传播，第二径向模式不同于第一径向模式。
在一些实施例中，第一折射系数和第三折射系数相同，而在其它实施例中，第一折射系数大于第三折射系数。在一些实施例中，第二折射系数和第四折射系数相同。
本发明的另一个实施例涉及一种通信的方法，该方法包括生成第一光信号和生成第二光信号。该方法还包括提供同心空分多路复用(SDM)光纤，该光纤具有由具有第一相对高折射系数材料的第一材料形成的芯和围绕该芯由具有第二相对高折射系数的第二材料形成的第一高系数环，芯和第一高系数环由具有小于第一相对高折射系数并且小于第二相对高折射系数的第三折射系数的第三材料的环隔开。第一光信号被传输到同心SDM光纤的基本上沿着芯传播的第一模式中。第二光信号被传输到同心SDM光纤的基本上沿着第一高系数环传播的第二模式中。在沿着同心SDM光纤传播之后，第一光信号被检测，而基本上没有第二光信号。在沿着同心SDM光纤传播之后，第二光信号被检测，而基本上没有第一光信号。
本发明的以上方面内容并非旨在描述本发明的每个图示的实施例或每个实施方式。以下的各图和详细描述更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
考虑以下结合附图对本发明的各种实施例的详细描述，可以更完全地理解本发明，其中：
图1示意性地图示了使用空分多路复用以不同的同心光纤模式沿着单个光纤传播光通信信号的光通信系统的实施例；
图2A和图2B示意性地图示了如在本发明的实施例中使用的示例性圆形对称径向折射系数分布；
图3A和图3B示意性地图示了如在本发明的另一个实施例中使用的另一个示例性圆形对称径向折射系数分布；
图4A和图4B示意性地图示了如在本发明的另一个实施例中使用的另一个示例性圆形对称径向折射系数分布；
图5A-5G图示了计算的结果，该计算的结果示出了根据本发明的实施例的在具有同心芯的SDM光纤中存在的模态光功率；
图6A-6H图示了计算的结果，该计算的结果示出了根据本发明的实施例的在具有同心芯的示例性高约束SDM光纤中各种模式的光功率；
图7A-7H图示了计算的结果，该计算的结果示出了根据本发明的实施例的在具有同心芯的示例性低约束SDM光纤中各种模式的光功率；
图8A示出了i)少模光纤，ii)根据本发明的实施例的具有同心芯的高约束SDM光纤，以及iii)根据本发明的另一个实施例的具有同心芯的低约束SDM光纤的三个示例性折射系数分布；
图8B示出了具有图8A所示的折射系数分布的光纤的模式的计算出的群速度和相对相速度；以及
图9示意性地图示了根据本发明的对于将光信号多路复用/解复用到同心SDM光纤中和从同心SDM光纤中多路复用/解复用出光信号有用的光灯的实施例。
虽然本发明可以进行各种修改和替代形式，但是其细节已经通过示例的方式在附图中示出并且将被详细描述。但是，应该理解的是，其意图不是将本发明限于所描述的特定实施例。相反，其意图是涵盖落入由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同形式和替代形式。
具体实施方式
本发明涉及一种利用同心环状芯的空分多路复用(SDM)方法。在环彼此相对远离地分开和/或环与包层之间的折射系数差足够大的情况下，模态电磁场相对牢固地绑定到各个环上。绑定到特定环的模态场可以构成独立的传输信道。对于特定环可以存在的大量模态场可以促进在环级别上采用空分多路复用。由于同心环芯可以被实现为圆形对称几何形状，因此这种光纤的连接比多芯光纤(MCF)更简单，多芯光纤(MCF)需要绕光纤轴旋转对齐以确保各个芯与其各自的配接物(mate)对齐。
在其它情况下，在环彼此靠得更近和/或环和包层之间的折射系数差较小的情况下，模态电磁场可能跨越多于一个环。这样的设计可以以类似于少模光纤(FMF)的方式使用。与FMF中相比，同心环光纤的模式的传播系数可能具有更好的隔离度，从而使模态功率分布对微观弯曲和/或宏观弯曲更不敏感。在一些情况下，与FMF中相比，这种设计的模态群速度可能具有更大的变化，但这不太可能对较短的光通信信道造成问题。
在图1中示意性地图示了光通信系统100的示例性实施例。光通信系统100通常具有发射器部分102、接收器部分104和光纤部分106。光纤部分106耦合在发射器部分102和接收器部分104之间，用于将光信号从发射器部分102传输到接收器部分104。
在这个实施例中，光通信系统100具有空分多路复用(SDM)设计。光信号在发射器部分102内生成，并被组合成去往接收器部分104的光纤部分106中的同心SDM光纤128的不同模式，其中，沿着不同光纤模式传播的信号在空间上分离并定向到相应的检测器。虽然图示的实施例示出了在空间上多路复用四个不同信号的光通信系统100，但是将认识到的是，光通信系统可以在空间上多路复用不同数量的信号，例如，两个、三个或多于四个。
发射器部分102具有产生相应的光信号116、118、120、122的多个发射器单元108、110、112、114。光通信系统100可以以任何有用的波长操作，例如，在800-950nm范围内，或在其它波长范围内，诸如1250nm-1350nm、1500nm-1600nm或1600nm-1650nm。每个发射器单元108、110、112、114经由空分多路复用器124耦合到光纤系统106，空分多路复用器124将光信号116、118、120、122引导到光纤系统106的同心SDM光纤128的相应模式中。
多模光信号126沿着光纤系统106传播到接收器部分104，在接收器部分104中，多模光信号126被分成光信号116、118、120、122，光信号116、118、120、122与同心SDM光纤128的被来自空分多路复用器124的光所激励的不同模式对应。因此，根据这个实施例，发射器单元108产生光信号116，该光信号116经由同心SDM光纤128的第一模式被传输到接收器单元132；发射器单元110产生光信号118，该光信号118经由同心SDM光纤128的第二模式被传输到接收器单元134；发射器单元112产生光信号120，该光信号120经由同心SDM光纤128的第三模式被传输到接收器单元136；以及发射器单元114产生光信号122，该光信号122经由同心SDM光纤128的第四模式被传输到接收器单元138，其中所有光信号116、118、120、122都沿着相同的光纤128传播。以这种方式，可以在接收器单元132处检测到光信号116，而基本上没有光信号118、120和122；可以在接收器单元134处检测到光信号118，而基本上没有光信号116、120和122；可以在接收器单元136处检测到光信号120，而基本上没有光信号116、118和122；以及可以在接收器单元138处检测到光信号122，而基本上没有光信号116、118和120。
此外，在许多光通信系统中，存在沿着光纤在两个方向上传播的光信号。图1中指示了这种可能性，其中光信号用双向箭头表示。在这种情况下，发射器单元和接收器单元可以由收发器单元代替，该收发器单元生成和接收沿着同心SDM光纤128的特定模式传播的信号。在其它实施例中，在光纤系统106的每一端处可以存在用于一个信号的单独的发射器单元和接收器单元。
此外，来自发射器的信号不必仅限于一个波长。例如，发射器单元108、110、112和114中的一个或多个可以产生各自的波分多路复用信号116、118、120、122，它们沿着同心SDM光纤128的相应模式传播。在这种情况下，接收器单元132、134、136和138可以各自配备有波分解复用单元，使得可以独立于其它波长的光信号来检测一个特定波长的光信号。
同心SDM光纤是包含两个或更多个同心的材料环的光纤，该材料具有比周围紧邻的材料更高的折射系数。同心SDM光纤的一个实施例的折射系数分布在图2A和图2B中示出。图2A示出了折射系数作为从光纤的中心到径向位置的函数，而图2B示出了光纤的横截面轮廓的折射系数。在这个实施例中，存在具有相对高折射系数n1的材料的中心芯202。中心芯202被低系数材料的第一环204围绕，该低折射系数材料具有相对低的折射系数ncl。低系数材料的第一环204被具有相对高折射系数n1的相对高系数材料的第一环206围绕。相对高系数材料的第一环206被具有相对低系数的材料208(折射系数为ncl)围绕。
同心SDM光纤不限于仅具有两个同心的高系数材料部分，高系数材料部分的折射系数也不限于对于每个高系数部分都相同。例如，在图3A和图3B所示的同心SDM光纤的实施例的折射系数分布中，存在三个相对高折射系数材料部分，即，中心芯302和两个同心环306、310，它们散布在具有相对低折射系数的材料部分304、308、312中。在这个实施例中，低系数部分304、308、312的折射系数为ncl。中心芯302的折射系数为n1，第一高系数环306的折射系数为n2，n2小于n1但大于ncl，并且第二高系数环310的折射系数为n3，n3小于n2，但大于n'1。
同心SDM光纤不限于仅具有同心的两个或三个高折射系数材料部分，并且可以包括四个或更多个。此外，低折射系数部分不必全部具有相同的折射系数。例如，在图4A和图4B所示的同心SDM光纤的折射系数分布中，中心芯402的折射系数为n1，并且第一高系数环406的折射系数为n2，n2小于n1。最里面的低系数区域404的折射系数为ncl1，并且第一高系数环406外的低系数区域408的折射系数为ncl2，ncl2不必与ncl1相同。在所示的实施例中，ncl2的值小于ncl1，但是在一些实施例中它可以大于ncl1。
可以使用用于在光纤中提供期望的折射系数分布的已知工艺来制造同心SDM光纤，包括化学气相沉积技术，如改进的化学气相沉积(MCVD)或等离子增强化学气相沉积(PCVD)，或在美国专利No.6,062,046中描述的工艺，该专利通过引用并入本文。
在图2A和图2B中描述的同心SDM光纤的实施例中，芯区域202的折射系数为1.452，并且半径为4μm，第一低系数区域的折射系数为1.447，并且存在于距光纤中心4μm至8μm的径向区域中。高系数环206具有与芯区域202相同的折射系数，并且位于距光纤中心8μm至10μm之间。外部低系数区域208具有与第一低系数区域204相同的折射系数，并且位于距光纤中心大于10μm的径向距离处。因此，光纤的这个实施例的高系数区域和低系数区域之间的折射系数差为0.005。
在图3A和图3B中描述的同心SDM光纤的实施例中，芯区域302具有1.452的折射系数并且具有4μm的半径。第一低系数环304位于4μm和8μm之间的半径处并且具有1.447的折射系数。第一高系数环306具有1.451的折射系数，并且位于8μm和10μm之间的半径处。第二低系数环308具有与第一低系数环304相同的折射系数，并且位于10μm与15μm之间的半径处。第三高系数环310具有1.449的折射系数，并且位于15μm和16μm的半径之间。第三低系数区域312具有与第一低系数环304相同的折射系数，并且位于大于16μm的径向距离处。因此，高系数芯302与第一低系数环304之间的折射系数差为0.005，而第一高系数环306与低系数材料304、308之间的折射系数差为0.004，并且第二高系数环310与低系数材料308、312之间的折射系数差为0.002。
在图4A和图4B中描述的同心SDM光纤的实施例中，芯区域402具有1.452的折射系数和4μm的半径。第一低系数环404具有1.448的折射系数，并且位于4μm至8μm的径向距离处。第一高系数环406具有1.451的折射系数，并且径向上位于8μm和10μm之间。第二低系数区域位于大于10μm的径向距离处，并且具有1.447的折射系数。因此，高系数芯区域402和第一低系数环404之间的折射系数为0.004，并且第一高系数环406与围绕的低系数区域404、408之间的平均折射系数差由n1-((ncl1+ncl2)/2)＝0.004给出。
本发明不限于图2A-2B、图3A-3B和图4A-4B中描述的同心SDM光纤的实施例，也不限于光纤的各个部分的折射系数的值，以及相邻光纤区域之间伴随的折射系数差，也不限于各个光纤区域的具体半径。在图2A、图2B、图3A、图3B、图4A和图4B所示的示例中使用的折射系数的值是用于波长为1550nm的光，但是应该认识到的是，可以使用其它折射系数的值用于该波长或其它波长。所示的实施例的这些值应仅视为说明性的。此外，在所示的实施例中，相邻光纤区域之间的折射系数存在阶跃变化。这不是要限制本发明，并且应该理解的是，区域之间的折射系数的变化可以在光纤内的半径的非零范围上发生。图2A、图2B、图3A、图3B、图4A和图4B中所示的阶跃折射系数变化仅用于说明性目的。
图5A-5G图示了在类似于图2A和图2B所示的具有两个同心高系数区域的光纤中存在的光模式的数值建模的结果。这些图的y坐标和x坐标使用不同的比例，因此即使计算出的模式图案是圆形的，也自然地可能看起来不是圆形的。
在用于产生所示结果的模型中假设了以下参数。
参数 值
高系数芯折射系数 1.452
高系数芯外半径(μm) 4
第一低系数环折射系数 1.447
第一低系数环内半径(μm) 4
第一低系数环外半径(μm) 8
第一高系数环折射系数 1.451
第一高系数环内半径(μm) 8
第一高系数环外半径(μm) 10
第二低系数环折射系数 1.447
第二低系数环内半径(μm) 10
第二低系数环外半径(μm) 13
第三高系数环折射系数 1.451
第三高系数环内半径(μm) 13
第三高系数环外半径(μm) 15
光波长(nm) 1310
由于折射系数的相对小的对比度，因此与其结构在上表中描述的光纤相关联的模态电磁场会被强烈地线性极化，因此可以按照与具有单芯和包层的典型多模光纤中出现的LP模式相似的方式进行标记，并且因此参考LP模式来描述在同心SDM光纤中出现的模式。图5A示出了在基本模式下计算出的功率分布，该基本模式仅在光纤芯区域中传播，并且可以被称为LP01模式。图5B示出了在较高阶模式下计算出的功率分布，该模式是圆形对称的，并且在内芯和高系数围绕环中均承载功率。该模式可以被称为LP02模式。
图5C和5D分别示出了占据内芯和第一高系数环的较高阶模式的功率分布。这些可以被称为LP12模式。
图5E、图5F和图5G分别示出了仅包含在第一高系数环内的较高阶模式的功率分布。这些模式可以被称为LP21模式。
在同心环相距足够远和/或高系数区域与包层之间的折射系数差足够高的情况下，每个模式可以被有效地约束到单个环。这可以被称为高约束。例如，对于具有以下折射系数分布的光纤，计算每种模式的光功率：
范围(距光纤中心的μm) 折射系数
中央高系数区域 0-4.06 1.4523
第二高系数区域 10-12 1.4533
第三高系数区域 20-21 1.4523
包层 1.4470
包层是高折射系数的区域之间(例如，在4.06μm和10μm之间、在12μm和20μm之间以及超过21μm)的材料。
在图6A-6H中针对八个模式示出了该光纤中的功率分布。在每种情况下，高系数区域的位置都由红色同心线描绘。图6A示出了基本的LP01模式几乎完全约束于中央高系数区域。LP02模式基本上约束于第二高系数区域，参见图6B，其中在中央高系数区域中只有少量的功率。如图6C、图6D和图6E分别所示，LP11、LP21和LP31模式几乎完全约束于第二高系数区域。同样，如图6F、图6G和图6H所示，LP03、LP12和LP22模式几乎完全约束于第三高系数区域。在一些实施例中，每个LP模式的超过90％的功率被约束到单个高系数区域，其中小于10％的功率出现在另一个高系数区域中，并且优选地小于5％的功率出现在另一个高系数区域中，并且更优选地小于1％的功率出现在另一个高系数区域中。
在本发明的其它实施例(其中高折射系数的区域更靠近在一起和/或高系数区域之间的折射系数差和分级更低)中，由LP模式所承载的光功率的大部分可以在一个高系数区域中找到，同时功率的一个显著分数(fraction)承载在另一个高系数区域中，或者，光功率可以基本上在两个或更多个高系数区域上共享。此外，一些光功率可能存在于高系数区域之间的包层中。这种情况可以被称为低约束。例如，对于具有以下折射系数分布的光纤，计算每种模式下的光功率：
范围(距光纤中心的μm) 折射系数
中央高系数区域 0–4.06 1.4523
第二高系数区域 8.06-10 1.4538
第三高系数区域 13–15 1.4528
包层 1.4470
在图7A-7H中针对八个模式示出了该光纤中的功率分布。图7A示出了基本的LP01模式几乎完全约束于中央高系数区域。LP02模式包括主要在中央高系数区域和第二高系数区域中的功率，参见图7B。LP11模式包括主要在第二高系数区域中的功率，其中一些功率也在第三高系数区域中，参见图7C。LP21模式包括主要在第二高系数区域中的光功率，并且一些光功率也在第三高系数区域中，参见图7D。LP41模式的大部分光功率在第三高系数区域中，其中一些功率向内延伸到第二高系数区域，参见图7E。LP03和LP12模式包括中央高系数区域、第二高系数区域和第三高系数区域中的光功率，参见图7F和图7G。LP31模式的光功率主要在第三高系数区域中，较小程度地在第二高系数区域中，但在中央高系数区域中不存在。
同心SDM光纤中的不同模式具有各自的群速度，其可以使用常规的方法来计算。群速度色散(group velocity dispersion)可能会限制特定光纤的带宽距离乘积。但是，可以调整各个同心环的大小和折射系数，以使得群速度色散最小化，以及保持模态场绑定到光纤。例如，高系数芯可以在径向范围上受到限制，使得它仅支持LP01模式，或者可以使第一高系数环在径向上足够窄，使得仅支持一个径向模式。因此，限制由高系数芯或环承载的径向模式的数量减少了由于色散引起的带宽限制。
此外，可以使模式组的群速度多少有些相似，使得在模式组内传播的光比在不同模式组中传播的光色散得少。下面示出了具有上面提供的低约束示例的特性的光纤的LPln模式(其中l是角索引，并且n是径向索引)的示例性模式群速度：
l n 群速度(10<sup>8</sup>m s<sup>-1</sup>)
0 1 2.06450445089241
0 2 2.06466904574457
0 3 2.06393351529015
1 1 2.06590901339276
1 2 2.06490135791618
2 1 2.06546843408278
2 2 2.06433573452656
3 1 2.06505406068231
4 1 2.06463064549477
特别期望的是，对于沿着单个环传播的不同模式，群速度的值vg彼此靠近，以便减小模态群速度色散。例如，这可以通过对光纤进行改造，使得距光纤中心越远的高系数环具有越减小或越增大的折射系数值来实现，其类似图3A或图8A中所示的方式。还优选的是，不同环中的vg的值相对彼此靠近，使得同时发射到光纤中的信号在大约同一时间被检测到。
设计同心芯光纤的另一个考虑因素是同心环的宽度。如果环越窄和/或与包层的折射系数差越小，则模式将越差地约束于环。另一方面，如果环太宽，则环可能支持多个模式，这可能会导致由于模式间色散而造成的带宽限制。
参考图8A和图8B讨论了FMF与本发明的光纤的群速度和相速度的比较。图8A示意性地示出了三种不同的光纤折射系数分布，其是距光纤的中心的径向距离的函数。平滑曲线802表示如可能在FMF中找到的抛物线分布。虚线所示的阶跃分布曲线表示以上参考图6A-6H讨论的高约束光纤的折射系数分布，而实线806所示的阶跃分布曲线表示以上参考图7A-7H讨论的低约束光纤的折射系数分布。FMF的折射系数分布802被选择以使得FMF支持与具有分布804和806的示例性同心环光纤大约一样多的模式。
图8B示出了三个示例性光纤中的每一个的模式的群速度对相速度的图。线812示出了FMF的模式的相速度和群速度对，FMF的折射系数分布为图8A中的曲线802。这条线上两个点旁边的括号“(2)”指示存在其群速度和相速度几乎重叠的两个模式。线814示出了高约束同心光纤的模式的相速度和群速度对，高约束同心光纤的折射系数分布是图8A中的曲线804。线816示出了低约束同心光纤的模式的相速度和群速度对，低约束同心光纤的折射系数分布是图8A中的曲线806。
FMF(线812)的若干个模式在相速度上等距，尤其是在相对相速度值大于约1.4475时。此外，线812的在相对相速度值高于约1.4485的相对平坦部分指示由于FMF折射系数分布的抛物线性质而导致的低的群速度色散。对于示例性同心光纤(线814和816)，这些模式具有差异更大的群速度和相速度的值，因此这些模式更加隔离。与FMF相比，这预期会带来在较少模式混合的情况下的提高的弯曲性能。
可以使用各种合适类型的空间多路复用器/解复用器来将光信号发射到它们各自的高系数芯或环中。一种方法是使用光子灯，这是将多模光纤连接到支持更少(通常为单个)模式的若干个光纤芯的低损耗光波导设备。已经开发了与少模光纤一起使用的这样的设备：例如，在Birks TA等人的“The Photonic Lantern”，Advances in Optics andPhotonics,7 107-167(2015)(“Birks的文章”)中更详细描述的。它们也适合于与同心SDM光纤一起使用，因为同心SDM光纤承载与少模光纤所支持的模式多少有些相似的光模式，但由于同心SDM光纤的同心环结构，因此径向模式之间的隔离度有所提高。
在图9中示意性地图示了光子灯700的示例性实施例。光子灯700包括多个单模光纤(SMF)芯702，其在锥形过渡区域704至SDM芯区域706中逐渐变细。SDM芯区域706的输出端710处的锥形芯708的位置与同心SDM光纤端部处的高系数芯和环形区域的位置相匹配，使得光在同心SDM光纤的高系数区域和锥形芯之间高效地传输。在Birks的文章中描述了制造光子灯的多种方法，该文献通过引用并入本文。
在阅读本说明书后，本发明所针对的本领域技术人员将清楚本发明可适用的各种修改、等效处理以及许多结构。例如，虽然本文提供的示例描述了具有圆形对称的折射系数分布曲线的光纤，但是本发明也涵盖其折射系数分布曲线为椭圆形对称并且可以用于光沿着光纤中偏振保持信道进行多模传输的光纤。权利要求旨在涵盖这样的修改和设备。
如上所述，本发明适用于光纤通信和数据传输系统。因而，本发明不应被认为限于上述特定示例，而应被理解为涵盖如所附权利要求书中合理阐述的本发明的所有方面。

Claims (17)

1.一种光纤，包括：
相对高折射系数的光芯区域，由具有第一折射系数的材料形成；
第一低系数区域，围绕所述光芯区域并且由具有比所述第一折射系数低的第二折射系数的材料形成；
第一高系数环区域，围绕所述第一低系数区域并且由具有比所述第二折射系数高的第三折射系数的材料形成；以及
第二低系数区域，围绕所述第一高系数区域并且由具有比所述第三折射系数低的第四折射系数的材料形成；
其中，所述光芯区域支持沿着与所述光芯区域相关联的至少第一径向模式的光的传播，并且所述第一高系数环区域支持沿着与所述第一高系数环区域相关联的至少第二径向模式的光的传播，所述第二径向模式不同于所述第一径向模式。
2.如权利要求1所述的光纤，其中，所述第一折射系数基本上等于所述第三折射系数。
3.如权利要求1所述的光纤，其中，所述第一折射系数大于所述第三折射系数。
4.如权利要求1所述的光纤，其中，所述第二折射系数基本上等于所述第四折射系数。
5.如权利要求1所述的光纤，其中，所述第二折射系数大于所述第四折射系数。
6.如权利要求1所述的光纤，其中，所述第二折射系数小于所述第四折射系数。
7.如权利要求1所述的光纤，还包括：第二高系数环区域，所述第二高系数环区域围绕所述第二低系数区域并且由具有第五折射系数第四折射系数的材料形成；以及第三低系数区域，所述第三低系数区域围绕所述第二高系数环区域并且由具有比所述第五折射系数低的第六折射系数的材料形成。
8.如权利要求7所述的光纤，其中，所述第五折射系数基本上等于所述第一折射系数。
9.如权利要求7所述的光纤，其中，所述第五折射系数小于所述第三折射系数并且大于所述第二折射系数和所述第四折射系数中的每一个。
10.一种通信的方法，包括：
生成第一光信号；
生成第二光信号；
提供同心空分多路复用SDM光纤，该光纤具有芯以及围绕所述芯的第一高系数环，所述芯由具有第一相对高折射系数材料的第一材料形成，所述第一高系数环由具有第二相对高折射系数的第二材料形成，所述芯和所述第一高系数环由第三材料的环隔开，所述第三材料具有小于所述第一相对高折射系数且小于所述第二相对高折射系数的第三折射系数；
将所述第一光信号传输到所述同心SDM光纤的基本上沿着所述芯传播的第一模式中；
将所述第二光信号传输到所述同心SDM光纤的基本上沿着所述第一高系数环传播的第二模式中；
在沿着所述同心SDM光纤传播之后，检测所述第一光信号，而基本上没有所述第二光信号；以及
在沿着所述同心SDM光纤传播之后，检测所述第二光信号，而基本上没有所述第一光信号。
11.如权利要求10所述的方法，其中，将所述第一光信号传输到所述同心SDM光纤的所述第一模式中包括在所述同心SDM光纤的第一端处将所述第一光信号传输到所述同心SDM光纤的所述第一模式中，并且其中，将所述第二光信号传输到所述同心SDM光纤的所述第二模式中包括在所述同心SDM光纤的所述第一端处将所述第二光信号传输到所述同心SDM光纤的所述第二模式中。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一光信号是第一波分多路复用WDM光信号。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第二光信号是第二WDM信号。
14.如权利要求10所述的方法，其中，将所述第一光信号传输到所述同心SDM光纤的所述第一模式中包括将所述第一光信号传输到空间多路复用器/解复用器中以及将所述第一光信号从所述空间多路复用器/解复用器传输到所述同心SDM光纤的所述第一模式中，并且，将所述第二光信号传输到所述同心SDM光纤的第二模式中包括将所述第二光信号传输到所述空间多路复用器/解复用器中以及将所述第二光信号从所述空间多路复用器/解复用器传输到所述同心SDM光纤的所述第二模式中。
15.如权利要求10所述的方法，其中，在沿着所述同心SDM光纤的长度传播之后检测所述第一光信号而基本上没有所述第二光信号包括：将所述第一光信号从所述同心SDM光纤传输到空间多路复用器/解复用器中以及将所述第一光信号从所述空间多路复用器/解复用器传输到第一检测器单元。
16.如权利要求15所述的方法，其中，在沿着所述同心SDM光纤的长度传播之后检测所述第二光信号而基本上没有所述第一光信号包括：将所述第二光信号从所述同心SDM光纤传输到所述空间多路复用器/解复用器中以及将所述第二光信号从所述空间多路复用器/解复用器传输到第二检测器单元。
17.如权利要求10所述的方法，其中，所述同心SDM光纤还包括第二高系数环，所述第二高系数环由围绕所述第一高系数环的具有第三相对高折射系数的材料形成，并且通过第二低系数环与所述第一高系数环隔开，所述第二低系数环由折射系数小于第二相对高折射系数和第三相对高折射系数的材料形成；并且所述方法还包括：
生成第三光信号；
将所述第三光信号传输到所述同心SDM光纤的基本上沿着所述第二高系数环传播的第三模式中；以及
在沿着所述同心SDM光纤的长度传播之后，检测所述第三光信号，而基本上没有所述第一光信号和所述第二光信号。
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