CN112424660A - 用于使用多模光纤的模分复用的光纤连接器 - Google Patents

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Abstract

第一多模光纤承载模分复用(MDM)光信号。MDM光信号被从第一多模光纤传输到第二多模光纤中。第一多模光纤和第二多模光纤经由光纤连接器耦接。连接器处两根光纤之间的侧向偏移小于2μm。

Description

用于使用多模光纤的模分复用的光纤连接器
相关申请的交叉引用
本申请作为PCT国际专利申请于2019年7月18日提交，并要求2018年7月19日提交的美国专利申请序列号62/700,662的权益，其公开内容通过引用完整地并入本文。
背景技术
本发明总体上涉及光通信，并且更具体地涉及连接在模分复用系统中使用的多模光纤的改进方法。
通过将光从光源(通常是半导体发光二极管(LED)或半导体激光器)注入到光纤的一端中来沿着光纤传输光信号。光源和光纤需要正确对准，使得大量来自光源的光耦合到光纤中。小于大约一千米的距离的光纤通信通常由多模光纤承担，多模光纤即支持沿着超过一个光纤模式传播光的光纤。光纤模式中的一些低阶模式主要位于光纤芯的中心附近，而称作高阶模式的其它模式更靠近芯包层界面延伸。
限制可沿着光纤传输的光学数据量的因素之一是光纤信道的带宽。为了增加光纤容量而考虑的一个方法是空分复用(SDM)，其中不同光信号在同一光纤内彼此物理(在空间上)分离。SDM的一种拟议实施依赖于具有单根直径大于单模操作所需的且支持多种模式传播的芯的光纤。可以将不同的光信号在其输入端处发射到多模光纤(MMF)的不同空间模式中。不同空间模式中的光可以在MMF的输出端处在空间上被分离，因此可以检索到不同的光信号。这种对SDM的特定方法可以被称为“模分复用”。正在考虑用于SDM的MMF的子集包括“少模光纤”，其通常维持比MMF更少的模式的传播。
模分复用(MDM)已作为可用于提高已安装的多模光纤网络容量的技术而引起关注。每个单独的数据信号沿着其自身单独的模式组传播。这样减轻了当模式传播时信号之间的串扰，因为在不存在模式混合事件的情况下，不同模式组之间的功率耦合的可能性远小于相同模式组中的模式之间的功率耦合。数据信号可以使用诸如光子灯和多平面光转换(MPLC)单元的装置进行复用(MUX)和解复用(DEMUX)。这种方法已经在常规OM1和OM2多模光纤上展示，在不使用多输入多输出(MIMO)或其它复杂处理算法的情况下显著增大了容量。
先前的MDM展示集中于实现沿着单根光纤或融合光纤的MDM传输，或依赖于昂贵且耗时的信号后期处理来校正模式混合。妨碍广泛采用MDM技术的一个挑战是，光纤连接器，尤其是传统多模链路中发现的光纤连接器，可能并不合适。另外，连接可以包括具有略微不同的芯位置、芯直径、数值孔径和轮廓形状的不相似光纤。对于MDM，光纤几何形状之间的任何失配都可能导致增大的损耗、模式混合、串扰、信号劣化和有限的传输距离。
因此，需要开发连接用于MDM布置中的多模光纤的方法，该方法不需要熔接并且可以能够使用传统多模链路。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种光通信系统，其具有传输模分复用(MDM)光信号的第一多模光纤。第一多模光纤具有第一端。第二多模光纤的第一端被耦接以从第一多模光纤的第一端接收MDM光信号。多模光纤连接器具有保持第一多模光纤的第一端的第一部分和保持第二多模光纤的第一端的第二部分，多模光纤连接器的第一和第二部分彼此呈固定空间关系。第一多模光纤的第一端与第二多模光纤的第一端之间的侧向偏移小于2μm。
本发明的另一个实施例涉及一种光通信系统，其具有发射器部分，发射器部分至少包括能够生成第一光信号的第一光学发射器和能够生成第二光信号的第二光学发射器。第一多模光纤具有第一端和第二端。模分复用器被耦接以从第一光学发射器接收第一光信号并从第二光学发射器接收第二光信号，并且被耦接以将模分复用(MDM)光信号引导到第一多模光纤的第一端中，MDM光信号包括第一光信号和第二光信号。第二多模光纤具有第一端和第二端。多模光纤连接器被附接到第一多模光纤的第二端和第二多模光纤的第一端。多模光纤连接器对准第一和第二多模光纤，从而将MDM光信号从第一多模光纤传输到第二多模光纤。模分解复用器被耦接以从第二多模光纤的第二端接收MDM光信号。接收器部分至少包括被耦接以从模分解复用器接收第一光信号的第一光学接收器和被耦接以从模分解复用器接收第二光信号的第二光学接收器。
本发明的上面的发明内容不旨在描述本发明的每个图示的实施例或每种实施方式。接下来的附图和详细描述更具体地例证这些实施例。
附图说明
与附图结合考虑下面对本发明的各个实施例的详细描述可以更完全地理解本发明，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的光通信系统的实施例，该光通信系统使用空分复用来沿着连接的多模光纤传播光通信信号；
图2A-2F示出了沿着多模光纤传播的各种LP(线性偏振)光学模式的轮廓；
图3A示意性地示出了根据本发明的用于耦接模分复用通信系统中使用的两根多模光纤的光学连接器的实施例；
图3B示意性地示出了一根多模光纤相对于另一多模式光纤的侧向偏移；
图3C示意性地示出了根据本发明的用于耦接模分复用通信系统中使用的多模光纤的无套管光纤连接器的实施例；
图4示意性地示出了用于测量模分复用光通信系统中的传输损耗的实验设置；
图5A至5D给出了曲线图，其针对三种不同的光纤配置，示出了作为针对使用图4中示意性示出的设备测试的四个相应模式组的四个不同波长的接收功率的函数的误码率。对于每幅曲线图，在x轴上示出了-22dBm到-10dBm范围上的接收功率，并且在y轴上示出了10-13到1范围上的误码率；
图6示意性地示出了用于测量传输和串扰对侧向偏移的依赖性的实验设置；
图7A-7D给出了曲线图，示出了使用图6中示意性示出的设备测量的针对相应四个模式组，针对四种不同偏移方向，作为侧向偏移的函数的传输损耗；并且
图8A-8D给出了曲线图，示出了作为两根光纤之间侧向偏移的函数，在激励出共同传播模式组时，相应模式组接收的功率。
虽然本发明易于有各种修改和替代形式，但是其具体细节已在附图中通过实例示出并将详细地描述。然而，应当理解，目的并不是将本发明局限于所描述的具体实施例。相反，本发明要覆盖落入如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、等同和替代方式。
具体实施方式
本发明涉及一种在多模光纤中采用空分复用(SDM)的光学系统。
图1中示意性地示出了光通信系统100的示范性实施例。光通信系统100大体上具有发射器部分102、接收器部分104和光纤部分106。光纤部分106耦接在发射器部分102与接收器部分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。
在本实施例中，光通信系统100具有模分复用(MDM)设计。光信号在发射器部分102内生成且被组合成光纤部分106的多模光纤(MMF)128a的不同模式。光信号被引导到接收器部分104，在其中信号在空间上被分离并且被引导到相应的检测器。所示实施例示出了在空间上复用四个不同信号的光通信系统100，但应当认识到，光通信系统可以在空间上复用例如两个、三个或多于四个的不同数目的信号。
发射器部分102具有多个发射器单元108、110、112、114，其产生相应的光信号116、118、120、122。光通信系统100可以在任何有用的波长下运行，例如在范围800-950nm中，或在其它波长范围内，例如1250nm-1350nm、1500nm-1600nm或1600nm-1650nm。每个发射器单元108-114可以产生波分复用(WDM)的光信号，所述光信号包括不同波长处的多个分量。在一些实施例中，不同波长彼此分隔至少10nm，并且在其它实施例中分隔超过15nm。例如，发射器单元可以产生具有在1270、1290、1310和1330nm处的分量的WDM信号。在另一个示例中，发射器单元可以产生具有在870nm、890nm、910nm和930nm处的分量的WDM信号。发射器单元可以产生具有不同数目，例如2、3或多于四个的波长分量的WDM光信号。WDM光信号通常通过以下方式产生：在不同波长处独立地生成单个波长的光信号，然后使用光学波长复用器将单个波长的信号组合成WDM信号。
用于以上文论述的波长操作的许多MMF具有50μm的芯径和125μm的包层，例如OM2、OM3和OM4光纤，而OM1光纤具有62.5μm的芯径和125μm的包层直径。也可使用具有较窄芯的光纤，其仍支持超过单一模式的传播但模数数目比标准OM1、OM2、OM3或OM4光纤更少。此类光纤可以被称为少模光纤(FMF)。应当理解，如本文中所使用的术语多模光纤或MMF旨在包括可被称为少模光纤的光纤。多模光纤是维持超过单一模式的传播的光纤。
每个发射器单元108、110、112、114经由模分复用器124耦接到光纤系统106，模分复用器将光信号116、118、120、122引导到光纤系统106的MMF 128a的相应模式中。
模分复用器124可以是将不同光信号引导到MMF的不同模式或模式组的任何合适类型的空分复用器。实施模分复用器124的一种方法由于其低的固有插入损耗而具有吸引力，即采用光子灯，例如，如Birks TA等人的文章中所述：“The Photonic Lantern”，Adv.inOpt.and Phot.(2015)7 107-167。也具有低插入损耗的另一种方法基于多平面光转换(MPLC)。例如，在Labroille G等人的以下文章中描述了在MMF中使用MPLC进行MUX和DEMUX：“Characterization and applications of spatial mode multiplexers based onMulti-Plane Light Conversion”，Optical fiber Technology(2017)3593-99，其在此通过引用并入本文。还报道过其它技术，例如，使用二元相位板转换器(例如参见，Ryf R等人，“Mode-division multiplexing over 96km of few-mode fiber using coherent 6x6MIMO processing”，J.Lightwave Technol.(2012)30 521-531)以及使用熔合耦合器(例如参见，Chang SH等人，“Mode division multiplexed optical transmission enabledby all-fiber mode multiplexer”，Opt.Express(2014)22 14229-14236以及Gross S等人，“C-Band mode-selective couplers fabricated by the femtosecond laserdirect-write technique”，Opt.Fiber Commun.Conf.(2015)Paper W3B.2.)。
光纤系统106包括第一MMF 128a和通过多模光纤连接器140耦接到第一MMF的第二MMF 128b。包括光信号116、118、120、122的组合光信号126沿着光纤系统106传播到接收器部分104，在接收器部分，其被分成对应于第二MMF 128b的不同模式的光信号116、118、120、122，这些光信号被来自空分复用器124的光所激发。因此，根据该实施例，发射器单元108产生第一光信号116，其经由MMF 128a、128b的第一模式传输到接收器单元132，发射器单元110产生第二光信号118，其经由MMF 128a、128b的第二模式传输到接收器单元134，发射器单元112产生第三光信号120，其经由MMF 128a、128b的第三模式传输到接收器单元136，并且发射器单元114产生第四光信号122，其经由MMF 128a、128b的第四模式传输到接收器单元138，所有光信号116、118、120、122沿着相同的光纤128a、128b传播。
接收器部分104包括模分解复用器130，其将传播出第二MMF 128b的空间分离的信号分开，并且将它们引导到相应的接收器单元。通过这种方式，可以在接收器单元132处检测到光信号116，基本上不含光信号118、120和122，可以在接收器单元134处检测到光信号118，基本上不含光信号116、120和122，可以在接收器单元136处检测到光信号120，，基本上不含光信号116、118和122，并且可以在接收器单元138处检测到光信号122，基本上不含光信号116、118和120。如果光信号是WDM信号，则接收器单元可以配置有波长解复用单元以分离不同波长的分量，从而实现独立检测。
如本文所用，术语“复用器”是将两个或更多个单独信号组合成单个信号的装置。“解复用器”是接收单个信号并将其分为两个或更多个信号的装置。复用器和解复用器可以对光信号的各个方面进行操作，例如波长或光纤内的空间位置。在许多情况下，同一装置可以充当在第一方向上穿过的光信号的复用器，以及在相反方向上穿过的光信号的解复用器。
在许多光通信系统中，光信号沿着光纤信道在两个方向上传播。图1中指示了这种可能性，其中，光信号用双头箭头标示。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替代，收发器单元生成并接收沿着MMF 128a、128b的特定模式传播的信号。在其它实施例中，在光纤系统106的每一端处可存在用于信号的单独发射器单元和接收器单元。
由于各个光信号沿着第一MMF 128a的相应模式或模式组传播，因此重要的是光纤连接器140将第一MMF 128a的模式精确地对准第二MMF128b的等效模式。这有助于减少光信号之间的传输损耗和串扰。具体而言，本发明涉及减少MDM系统中的侧向偏移的影响，使得减少或甚至消除对多输入多输出(MIMO)处理的需要。
光沿着MMF的传播由一组LPmn(“线偏振”)模式很好地表征，其中m和n是整数。这些在标准教科书中有描述，例如“Fiber Optic Communications Technology”，D.K.Mynbaev和L.L.Scheiner,Prentice Hall,2001,Upper Saddle,NJ.。图2A-2F分别示出了最低LP模式，即LP01、LP11、LP21、LP02、LP31和LP12的归一化强度曲线。通常，最低阶模式往往将光功率集中在光纤芯的中心或轴线附近，而较高阶模式往往使光功率远离轴线。
图3A中示意性示出了用于将一个MMF连接到另一个MMF的示范性连接器。第一MMF302具有由第一包层306包围的第一芯304，其以虚线示出。第二MMF 308具有由第二包层312包围的第二芯310，其也以虚线示出。每根光纤302、308的端部由相应的套管314、316包围，套管可以由塑料、金属或某种其它合适的材料形成。第一外壳318提供于第一套管314上，并且第二外壳320提供于第二套管316上。外壳318、320允许MMF保持光学对准，以便允许光信号从一个MMF的端部耦合到另一个MMF的端部。为此，外壳318、320设置有锁定特征322，所述锁定特征允许两个外壳318、320被一起锁定在固定位置。在所示实施例中，锁定特征322在一个外壳318、320上包括在一端具有突起的弹簧臂324。弹簧臂324被插入到另一外壳318、320上的凹部326中，在该凹部中，突起与凹部326的凸缘接合。应当理解，可以使用其它锁定机构将外壳318、320以固定的相对位置锁定在一起。在此图示中，第一MMF 302的轴线332(显示为点虚线)与第二MMF 308的轴线重合。
外壳318、320还设置有对准特征328，其确保第一MMF 302与第二MMF 308对准。在所示的实施例中，对准特征328包括插入外壳318、320中的对准孔中的销330(以虚线示出)。可以使用其它类型的对准特征确保MMF 302、308之间的对准。
应当理解，在本发明中可以使用连接器的许多不同设计，包括例如LC、MPO和SC连接器。然而，如下文所论述，此类连接器设计可能需要制造具有更小公差以实现低损耗低串扰MDM操作。
图3B示意性地示出了两个MMF 352、358。第一MMF 352具有第一包层356中的第一芯354。第一MMF 352具有对应于第一芯354的中心的第一光纤轴线364，以点虚线示出。第二MMF 358具有第二包层362中的第二芯360。第二MMF 358具有对应于第二芯360的中心的第二光纤轴线366，以双点虚线示出。在所示的实施例中，第一光纤轴线364和第二光纤轴线366不重合，而是彼此侧向偏移被示为“δ”的量。该分离δ在本文中被称为侧向偏移。如果轴线364、366是重合的，则不存在侧向偏移且δ等于零。
可以使用不需要使用套管的其它类型的光纤连接器。图3C中示意性地示出了无套管连接器370的一个实施例。连接器370包括对准块372，在其上将两根光纤374、376彼此对准。对准块372可包括例如v形槽378，或对准块372的表面上具有某种其它适当截面的细长凹部，光纤374、376在其中对准就位。第一压力元件380向第一光纤374施加压力以维持其在v形槽378中的位置。第二压力元件382向第二光纤376施加压力以维持其在v形槽378中的位置。在其它实施例中，两根光纤374、376可以从相同元件接收压力以维持其在v形槽378中的位置。连接器370可以包含在外壳384内。无套管连接器370可以包括未示出的其它元件，例如，将每根光纤374、376纵向朝向另一光纤推动，以确保在光纤374、376的端部处接触，并且从而增强耦合效率的元件，以及在压力元件380、382上施加力以将其相应光纤374、376保持在适当位置的元件。
无套管连接器的适当设计的一个示例包括3M VolitionTM VF-45连接器。无套管连接器的其它示例包括美国专利号9575263、PCT公开号WO2017/223072和美国专利号9481129中所示和所述的设计，在此通过引用将其公开并入本文。然而，如下文所论述，此类连接器设计可能需要制造成具有更严格公差以实现低损耗低串扰MDM操作。也可以使用无套管连接器的实施例，例如其中光纤通过弯曲光纤生成的力而被保持在v形槽中的连接器，在这种情况下，可以不需要压力元件380、382。由于没有套管以及其导致不对准的伴随原因，相对于带套管连接器，在满足连接承载MDM光信号的MMF所需的更严格公差方面，无套管连接器的一些实施例可提供优势。
下文描述了实验的结果，与流行信念相反，这使本发明人理解，可以使用连接的MMF来实现有效的MDM。
下文讨论的MPLC MUX和DEMUX实验利用了OM4梯度折射率光纤中的前四个拉盖尔多项式(Laguerre polynomial)模式组。模式组1仅包括LP01模式，模式组2包括LP11a和LP11b模式，模式组3包括LP02、LP21a和LP21b模式，并且模式组4包括模式LP31a、LP31b、LP12a和LP12b。每个光信号在不同模式组中传播。组内存在强模式间耦合，但不同组的模式之间为弱模式间耦合。因此，将光信号注入到特定模式有效地将光信号注入到包含该特定模式的模式组中。一组内的模式的光学群速是相似的，因此色散较低，即使光信号在组内的模式之间耦合也如此。MPLC复用器用于复用和解复用多模光信号。MPLC复用器将单模输入映射到目标模式组中的一种模式。在这种情况下，不同组的目标模式是：对于模式组1–LP01模式，对于模式组2–LP11a模式，对于模式组3–LP21a模式，以及对于模式组4–LP31a模式。MPLC DEMUX装置将来自特定模式组的所有模式的信号映射到单根多模光纤上。这样允许即使光信号在模式组内的模式之间混合，但模式组中的所有光功率都被接收器捕获。这种设置利用了双向传输。模式组1和4在一个方向上传播，并且模式组2和3在另一个方向上传播。
如果模式组编号相差一个，则拉盖尔多项式模式组与另一个拉盖尔模式组相邻。例如，包括LP11a和LP11b的拉盖尔模式组2与模式组1和模式组3相邻。然而，承载MDM光信号的模式组不必全部相邻。换句话说，对于仅由相邻模式组承载的MDM光信号，在承载光信号的模式组编号中不存在间隙，例如由模式组1、2和3或由模式组2、3和4承载。如果MMF在模式组1和4中承载MDM光信号，则信号由不相邻模式组承载。作为另一示例，如果MDM光信号由模式组1、3和5承载，但不由模式组2或4承载，则MDM光信号仅由不相邻模式组承载。此外，光信号可以由模式组1、2和4承载。在这种情况下，由至少两个相邻模式组(组1和组2)承载光信号，但并非所有承载信号的模式组都是相邻的，例如模式组4。在又一示例中，光信号由模式组1、2和3以及模式组7、8和9承载。在这种情况下，存在相邻模式组的两个集合，即包括模式组1、2和3的相邻模式组的第一集合，以及包括模式组7、8和9的相邻模式组的第二集合。然而，相邻模式组的两个集合彼此不相邻，因为集合之间的模式组，即模式组4、5和6未用于承载光信号。
实验1：传输测试
用于传输测试的实验设置如图4所示。可从德克萨斯Allen的Anritsu Company获得的40G以太网测试仪402，即Anritsu型号MT1100A被耦接到可从加利福尼亚Santa Clara的Arista Networks,Inc.获得的第一和第二40G通用收发器404a、404b，即Arista型号no.XVR-00071-01收发器。每个收发器404a、404b能够同时在四个波长下传输，即1270nm、1290nm、1310nm和1330nm，每个波长的速度为10Gbit/s。换句话说，由每个收发器404a、404b产生的光信号是波分复用信号。第一收发器404a和第二收发器404b可与符合IEEE40GBASE-LR4的收发器互操作。收发器404a、404b为连接器损耗分配2.0dB的功率预算。假设典型结构化布线链路中有4个连接器，则平均连接器损耗预期小于0.5dB，或者对于2个连接器的情况，损耗小于1.0dB。每个收发器404a、404b具有标记为Tx的发射端口和标记为Rx的接收端口。
由第一收发器404a和第二收发器404b发射的光信号沿着相应的光纤406a、406b被引导到相应的3-dB分路器408a、408b，然后被发射到相应的第一MPLC MUX/DMUX 410a和第二MPLC MUX/DMUX 410b中，即可以从法国Rennes的CaiLabs SAS获得的Aroona型号P2P的复用器。在图4所示的特定设置中，来自第一通用收发器404a的光信号被引导到对应于模式组1的第一MUX/DMUX 410a的DMUX侧上的端口和对应于模式组2的第二MUX/DMUX 410b的DMUX侧上的端口。同时，来自第二通用收发器404b的光信号被引导到对应于模式组4的第一MUX/DMUX 410a的DMUX侧上的端口和对应于模式组3的第二MUX/DMUX 410b的DMUX侧上的端口。
第一MUX/DMUX 410a和第二MUX/DMUX 410b的MUX侧上的端口是OM4多模光纤412a、412b，并且被熔接在一起用于背靠背测量(BtB)，被熔接到1000m的OM4光纤线轴414(1kmOM4)，如图所示，或者被熔接到OM4的两个500m的线轴(两个线轴被熔接到一起，实现1000m传输距离(2×500m OM4))。两个500m线轴不是从同一预制件获得的，因此可能存在芯径或数值孔径失配。
同时将光信号发射到所有四个模式组内。光信号沿着模式组1和4从第一MUX/DMUX410a传输到第二MUX/DMUX 410b，并且沿着模式组2和3从第二MUX.DMUX 410b传输到第一MUX/DMUX 410a。通过发射到4个单独模式中，总计数据率为160Gbit/s。
为了进行检测，来自每个模式组的信号被多模跳线416在MUX/DMUX 410a、410b的DEMUX侧一次捕获一个，通过可变衰减器418，并被相应的通用收发器404a、404b接收。在所示实施例中，通过第二MUX/DMUX 406b的模式组4端口检测由第二通用收发器404b传输到第一MUX/DMUX 406a中的模式组4的信号，并最终经由可变衰减器418传输到第二通用收发器404b的接收端口。为了测量在模式组1中传输的光信号，将跳线416连接到第二MUX/DMUX410b的DMUX侧上的模式1端口。为了检测经由模式组2和3传输的光信号，将可变衰减器418连接到第一通用收发器404a的接收端口。为了测量由模式组2传输的光信号，然后将跳线416连接到第一MUX/DMUX 410a的模式组2端口，并且为了测量由模式组3传输的光信号，将跳线416连接到第一MUX/DMUX 410a的模式组3端口。
针对背靠背条件，并且在1km的OM4光纤和2x500m的OM4光纤上进行传输测试。针对每个模式组中的每个波长的接收功率测量误码率(BER)。图5A-5D分别示出了模式组1-4的实验结果。对于每种情况，标记为“BtB”的曲线(由菱形表示的数据点)表示当背对背操作端口412a和412b时获得的结果。标记为“1km”的曲线(由正方形表示的数据点)表示当使用OM4光纤的单个1km线轴时的结果。标记为“2×500m”的曲线(由三角形表示的数据点)表示当使用OM4光纤的两个500m线轴时的结果。在所有情况下，曲线图都显示了在1至10-12范围内的BER和给出为-22dBm至-10dBm的接收功率。
在一些情况下，MUX/DMUX插入损耗限制了可用的接收功率。模式组1的结果产生了平滑曲线。对于模式组2、3和4，一些阶梯行为是显而易见的。这暗示对于这些模式组，在模式组之间存在一些由于光纤传播而随时间改变的耦合。在所有情况下，功率代价较小，大约在2dB或更小的量级上。虽然在所有模式组之间，对于1000m线轴和熔接在一起的2x500m线轴的性能相似，但对于更多情况，连续线轴似乎具有更平滑的行为。这可能是由于两个500mOM4光纤之间的光纤参数不匹配带来了模式混合。
实验2：模式组损耗与侧向偏移
使用图6中所示的布置测量四个模式组的插入损耗以及共传播模式组之间的串扰。以1310nm工作的激光光源602经由MMF 604连接到对应于所研究模式组的第一MUX/DMUX410b的DMUX端口。在所示实施例中，MMF 604连接到第一MUX/DMUX 410a的模式组1端口。功率检测器606连接到第二MUX/DMUX 410b的对应模式组的端口。功率检测器606和光源602是加利福尼亚Camarillo的Optotest Corporation销售的OP930 IL/RL测试套装的一部分。因此，在所示实施例中，功率检测器606经由MMF 608耦接到第二MUX/DMUX 410b。图中的虚线示出了测量各种其它模式组的传输的可能性。
光从第一MUX/DMUX 410a经由MMF 412a和412b耦合到第二MUX/DMUX 410b。平移台610改变一个MMF 412a、412b的端部相对于另一个MMF 412、410的端部的相对位置，以便测量侧向偏移的影响。根据图中所示的坐标系，z方向平行于MMF 412a、412b的轴线，x方向正交于z方向并且在图的平面中，而y方向(未示出)正交于x方向和z方向两者，并且指向图的平面中。
对准两个MMF 412a、412b光纤，使得沿所有四个方向，即+x、-x、+y和-y方向，在距中心点10μm处接收的功率相等。图7A-7D中分别给出了模式组1-4的结果。图7A示出了作为四个方向+x、-x、+y和-y上的侧向偏移的函数的模式组1的损耗。损耗随着侧向偏移而增加。另外，当在所有四个方向上，即+x、-x、+y和-y上形成侧向偏移时，损耗是相似的。这种相似性归因于LP01模式的对称性质，并且证实光纤在0μm偏移处居中良好。对于小于2μm的侧向偏移，损耗小于0.5dB，当侧向偏移小于4μm时，为1dB。图7A还示出了标记为“EF”的曲线，其针对两根相同的OM4光纤示出了作为侧向偏移的函数的损耗，该两根光纤具有环形通量(EF)相容发射，即，发射到许多模式和模式组中。对于EF曲线，在8μm偏移处观察到1dB的损耗。对于特定偏移值而言，LP01模式经受的损耗高于EF发射，因为LP01模式的目标发射区域小于MMF的芯。使用MDM的多模链路将需要更严格公差的侧向偏移，以便其连接器实现与传统多模链路相同的损耗目标。
图7B中示出了作为侧向偏移的函数的模式组2的插入损耗。在这种情况下，损耗曲线是不对称的，+x和-y方向在0-8μm范围内经受更高损耗。然而，即使在最坏的情况下，对于模式组2，2μm的侧向偏移也导致1dB的损耗，在1μm处下降到0.5dB的损耗。
图7C示出了作为侧向偏移的函数的模式组3的损耗。虽然四个象限之间的变异性小于模式组2，但损耗仍存在显著差异。模式组3仍然比符合EF的多模光纤对侧向偏移敏感得多，因为达到2μm偏移的侧向偏移时实现过1dB阈值，而在小于1μm的侧向偏移处观测到0.5dB的损耗。
图7D中示出了模式组4的损耗。像其它模式那样，在1μm偏移的侧向偏移处见到0.5dB的损耗，而在2μm偏移处超过了1dB的插入损耗。由于模式组的不对称性质，具体损耗取决于偏移的方向。
实验3：模式组间串扰与侧向偏移
与非MDM状况相比，除了由于侧向偏移而增大的损耗之外，信道之间的串扰也可能增加。在EF条件适用的非MDM状况下，损耗的任何光仅仅是在芯中无法传播的光，并且将不会进一步劣化信号。然而，在MDM状况下，从模式组损失的光可能会耦合到另一模式组，这将导致模式组串扰。因此，改变连接器接口处的模式的任何光都可能导致光学数据信号的劣化。
使用与图6中所示的相同设置来测量串扰。然而，在此情况下，光源602耦接到不同端口以测量串扰。例如，当耦接功率检测器606以测量模式组1的输出时，在不同时间耦合光源602以将光注入模式组1和模式组4两者，即沿着MMF 412a、412b与模式组1共同传播的模式组。
图8A示出了在两种条件下，即当光源602仅耦合到模式组1(标记为“MG1”)时，以及当光源602仅耦合到模式组4(标记为“MG4”)时，作为-x方向上的侧向偏移的函数的模式组1接收的功率。随着侧向偏移增大，来自模式组1的功率减小(与图8中相同的数据)，来自模式组4(干扰信道)的功率增大。在-x方向上2μm偏移处，其中观察到0.5dB的插入损耗，模式组1与模式组4之间的消光比劣化了3dB。在-x方向上4μm偏移处，其中观察到1dB的插入损耗，模式组1与模式组4之间的消光比为6.6dB。在12μm的侧向偏移处，两条曲线交叉，即从干扰信道检测到更多功率。接近零偏移，模式组4中的信号消光大于25dB。
图8B示出了模式组4的接收功率。在这种情况下，来自模式组1的任何光都是干扰信道。在此，功率在9μm偏移处交叉。然而，消光比在0至2μm的侧向偏移范围内保持不变。接近零偏移，模式组1中的信号消光大于10dB。
图8C示出了在两种条件下，即当光源602仅耦合到模式组2(标记为“MG2”)时，以及当光源602仅耦合到模式组3(标记为“MG3”)时，作为-x方向上的侧向偏移的函数的模式组2接收的功率。虽然图8C中的干扰功率对于模式组2永远不会超过信号功率，但对于超过6μm的侧向偏移值，干扰信道在数据信道以下仅～1dB。然而，在0到2μm的侧向偏移范围内，消光比仅变化1.2dB。接近零偏移，模式组3中的信号消光好于8dB。
图8D示出了当光源602仅耦合到模式组2(“MG2”)时，以及当仅耦合到模式组3(“MG3”)时，作为-x方向上的侧向偏移的函数的模式组3接收的功率。对于模式组3，交叉点仅在5μm处发生。在2μm偏移处，模式组3的消光比从零偏移值劣化了0.2dB。接近零偏移，模式组2中的信号消光约为7dB。
通过连接器引入的任何侧向偏移将降低信号与干扰信道之间的消光比。模式组1对侧向偏移引入的串扰最敏感，并且模式组2和3之间具有最低的消光比。在这种情况下，每个方向只有一个信号模式和一个干扰模式。如果支持模式的数量增加，则干扰模式的机会也会增加。
然而，已经表明，维持不超过2μm、优选不超过1μm且更优选0.5μm的侧向偏移，对于在MDM中操作的多模光纤光通信系统，损耗和串扰是可接受的。
可以使用不同的方式来实现两个光纤芯之间2μm或更小的侧向偏移。例如，可以使用比包层直径和芯-包层同心度的标准所允许的值具有更严格公差的光纤来减小侧向偏移。此外，对环氧化物使用量以及带套管连接器中的套管和连接器的机械规格的更严格的公差可以减小侧向偏移。另外，不用套管来配合光纤的连接器，例如上文所述和/或上文通过引用并入的无套管连接器还允许更小的侧向偏移：与带套管连接器相比，无套管连接器中使用的更少数量的部件可以进一步减小侧向偏移的量。此外，用于减小单模光纤中的侧向偏移的技术，例如光纤调谐，也可用于改进多模光纤连接器中的芯对准。
本发明所针对的领域的技术人员查看本说明书后将容易明白对本发明可以适用的各种修改、等同过程以及各种结构。权利要求书旨在覆盖这些修改和装置。
如上面提到的，本发明适用于光纤通信和数据传输系统。因此，本发明不应被认为局限到上面描述的具体实例，而是应当理解为覆盖如所附权利要求书中合理列出的本发明的所有方面。

Claims (28)

1.一种光通信系统，包括：
第一多模光纤，所述第一多模光纤传输模分复用(MDM)光信号，所述第一多模光纤具有第一端；
第二多模光纤，所述第二多模光纤的第一端被耦接以从所述第一多模光纤的所述第一端接收MDM光信号；
多模光纤连接器，所述多模光纤连接器具有保持所述第一多模光纤的所述第一端的第一部分和保持所述第二多模光纤的所述第一端的第二部分，所述多模光纤连接器的所述第一部分和所述第二部分彼此呈固定空间关系；
其中，所述第一多模光纤的所述第一端与所述第二多模光纤的所述第一端之间的侧向偏移小于2μm。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述侧向偏移小于1μm。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述侧向偏移小于0.5μm。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括生成第一光信号的第一光源；生成第二光信号的第二光源；模分复用器，所述模分复用器被耦接以接收所述第一光信号和所述第二光信号，并且在所述第一多模光纤的第二端处将所述第一光信号引导到所述第一多模光纤的第一模式组中，并且在所述第一多模光纤的所述第二端处将所述第二光信号引导到所述第一多模光纤的第二模式组中，所述第一光信号和所述第二光信号在包括MDM光信号的所述第一多模光纤之内传播。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一多模光纤的所述第一模式组包括LP01模式。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一多模光纤的所述第二模式组至少包括LP11模式。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一多模光纤的所述第二模式组包括LP02和LP21模式中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一多模光纤的所述第二模式组包括LP31和LP21模式中的至少一种。
9.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一模式组不与所述第二模式组相邻。
10.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一模式组与所述第二模式组相邻。
11.根据权利要求4所述的系统，还包括生成第三光信号的第三光源，其中，所述模分复用器接收所述第三光信号，并且在所述第一多模光纤的所述第二端处将所述第三光信号引导到所述第一多模光纤的第三模式组中，所述第一光信号、所述第二光信号和所述第三光信号在包括所述MDM光信号的所述第一多模光纤之内传播。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一模式组、所述第二模式组和所述第三模式组是相邻模式组。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一模式组、所述第二模式组和所述第三模式组中的至少一个不与其它模式组相邻。
14.根据权利要求11所述的系统，还包括生成第四光信号的第四光源，其中，所述模分复用器接收所述第四光信号，并且在所述第一多模光纤的所述第二端处将所述第四光信号引导到所述第一多模光纤的第四模式组中，所述第一光信号、所述第二光信号、所述第三光信号和所述第四光信号在包括所述MDM光信号的所述第一多模光纤之内传播。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第一模式组、所述第二模式组、所述第三模式组和所述第四模式组是相邻模式组。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第一模式组、所述第二模式组、所述第三模式组和所述第四模式组中的至少一个不与其它模式组相邻。
17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第一模式组、所述第二模式组、所述第三模式组和所述第四模式组中的两个相邻以包括相邻模式组的第一集合，并且所述第一模式组、所述第二模式组、所述第三模式组和所述第四模式组中的另外两个相邻以形成相邻模式组的第二集合，其中，所述相邻模式组的所述第一集合和所述第二集合彼此不相邻。
18.根据权利要求4所述的系统，其中，由所述第一光源生成的所述第一光信号是波分复用信号。
19.根据权利要求4所述的系统，还包括：第一检测器单元，所述第一检测器单元经由模分解复用器耦接到所述第二多模光纤的第二端以检测所述第一光信号；以及第二检测器单元，所述第二检测器单元经由所述模分解复用器耦接到所述第二多模光纤的第二端以检测所述第二光信号。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多模光纤连接器是无套管光纤连接器。
21.一种光通信系统，包括
发射器部分，所述发射器部分至少包括能够生成第一光信号的第一光学发射器和能够生成第二光信号的第二光学发射器；
第一多模光纤，所述第一多模光纤具有第一端和第二端；
模分复用器，所述模分复用器被耦接以从所述第一光学发射器接收所述第一光信号并且从所述第二光学发射器接收所述第二光信号，并且被耦接以将模分复用(MDM)光信号引导到所述第一多模光纤的所述第一端中，所述MDM光信号包括所述第一光信号和所述第二光信号；
第二多模光纤，所述第二多模光纤具有第一端和第二端；
多模光纤连接器，所述多模光纤连接器附接到所述第一多模光纤的所述第二端和所述第二多模光纤的所述第一端，所述多模光纤连接器对准所述第一多模光纤和所述第二多模光纤，以便将所述MDM光信号从所述第一多模光纤传输到所述第二多模光纤；
模分解复用器，所述模分解复用器被耦接以从所述第二多模光纤的所述第二端接收所述MDM光信号；以及
接收器部分，所述接收器部分至少包括被耦接以从所述模分解复用器接收所述第一光信号的第一光学接收器和被耦接以从所述模分解复用器接收所述第二光信号的第二光学接收器。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述多模光纤连接器中的所述第一多模光纤和所述第二多模光纤之间的侧向偏移小于2μm。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述多模光纤连接器中的所述第一多模光纤和所述第二多模光纤之间的侧向偏移小于1μm。
24.根据权利要求21所述的系统，其中，所述多模光纤连接器中的所述第一多模光纤和所述第二多模光纤之间的侧向偏移小于0.5μm。
25.根据权利要求21所述的系统，其中，所述第一光信号是波分复用光信号。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，至少所述第一光学发射器包括以不同波长生成第一光信号分量的两个或更多个源，以及将所述第一光信号分量组合以产生所述第一光信号的波分复用器。
27.根据权利要求21所述的系统，其中，所述模分复用器是多平面光转换复用器。
28.根据权利要求21所述的系统，其中，所述第一光学接收器以比所述第一光信号低至少7dB的信号电平接收所述第二光信号，并且所述第二光学接收器以比所述第二光信号低至少7dB的信号电平接收所述第一光信号。
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