CN112636838A - 一种短距多波长多模通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种短距多波长多模通信系统，包括多支波长在850.0nm到950.0nm之间的激光器，片上集成的多路驱动脉冲调制电路，拉锥偏置注入耦合器，50/125μm多模光纤，光栅型解复用器，多个光电探测器和数据接收处理器组成的系统。多个波长的激光器经过片上集成的多路驱动电路调制后，分别耦合到多根标准50/125μm多模光纤进行传输，通过拉锥偏置注入耦合器连接到一根50/125μm宽带多模光纤中，完成多模光纤波分复用过程，拉锥偏置注入使激光中的模式色散显著减少，信号带宽增大，支持更高码速传输，然后利用光栅型解复用器将不同波长分开，并利用多个光电探测器探测接收光信号并将其转变成电信号，最后由数据接收处理器完成信号的处理过程。本发明可实现在宽带多模光纤中完成至多8个波长，单波20Gbps的传输，传输距离100.0～1000.0m。

Description

一种短距多波长多模通信系统
(一)技术领域
本发明涉及的是一种短距多波长多模通信系统，可用于短距离，大容量 高速通信，属于多模光纤短距离通信领域和多模波分复用技术领域。
(二)背景技术
短距离，大容量通信传统上都是多模通信，例如数据中心和LAN。短距 离多模通信具有配套设备价格低、耦合相对无损失、弯曲损失小等优点，
梯度渐变型多模光纤，配合LED或VECSEL激光器，带宽在100MHz～10 GHz以内，传输距离在50.0～500.0m范围内。
激光器，其是多支波长在850.0nm到950.0nm之间的VECSEL激光器 或其它激光器，以VECSEL激光器为最佳选择。目前高速多模通信基本上采用 VECSEL激光器。VECSEL激光器是一种出光方向垂直于谐振腔表面的F-P激光 器。VECSEL激光器相对于边发射激光器，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模 输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点。
多模的并行通信和波分复用系统近年来已经开始流行。例如8根多模光 纤配合8个VECSEL激光器的并行通信模块；或是采用OM5多模光纤配合多 个波长的VECSEL激光器搭建的中、短距离波分复用通信系统。波分复用系统 相对于并行通信价格更有优势，因此其未来前景更受人瞩目。
光纤活动连接器是能在光纤与光纤之间进行可装卸(活动)连接的器件， 使光信号能按所需的通道进行传输，以保证光纤链路的畅通。
根据研究，VECSEL激光器在驱动电流逐步增大的过程中，其横模数目 也会逐步增多，因此，多数VECSEL激光器采用的是50/125μm的输出光纤尾 纤。其总光强随驱动电流增大而增加，采用脉冲调制方式，在多模传输的尾端采 用探测器对光强进行检测，可以获得清晰的眼图数据来进行判决。
要获得稳定的带宽，多数研究表明需要在多模光纤注入端面采用偏置注 入方法。方法一是采用一根单模光纤放在离多模纤芯一定距离但平行于纤芯轴线 的方式；方法二是采用一根单模光纤放在离多模纤芯一定距离但与纤芯轴线的成 一个很小角度的注入方式。相对于平行偏置方法，角度偏置的方法更具有优势。
专利201910698816.9公开了一种基于反向拉锥技术的多芯光纤耦合器 制备方法，通过剥除多芯光纤的涂覆层，反向拉锥多芯光纤，在包层直径最大处 完成切割，对多根单芯光纤进行预处理，按照多芯光纤束的纤芯排列方式制备单 芯光纤束，将单芯光纤束堆叠并固定在玻璃毛细管内，熔融拉锥，在拉锥单芯光 纤束腰部切割，与多芯光纤的包层直径最大处一端对准，完成熔接。
专利201710752028.4公开了一种基于斜光线环形光场的阶跃多模光纤 光镊，包括光源、单模光纤和阶跃多模光纤，阶跃多模光纤的末端设置捕获镊头； 光源光耦合注入单模光纤中，单模光纤给阶跃多模光纤斜入射注光，阶跃多模光 纤中光线以斜光线的形式螺旋向前传输并构成环形光场，环形光在捕获镊头端面 的圆锥台结构全反射汇聚，产生强光阱力。该装置可捕获单细胞及飞升级微液滴， 通过斜入射调节装置改变注光角度、位置、间距，实现对细胞的精确捕获、搬运、 弹射、筛选等操作。
实用新型专利201721083580.0公开了一种基于斜光线环形光场的阶跃 多模光纤光镊，通过单模光纤在多模光纤中斜注入，激发螺旋光线，螺旋光线形 成环形光场，这个环形光场在捕获镊头端面全反射汇聚，产生强光阱力。其设计 了斜入射调节装置Ⅰ和斜入射调节装置Ⅱ，方便调节入射角度。
专利201510980919.6提出了一种多模光纤宽带测量装置，包括：合成扫 源、光发射机、光注入系统、被测多模光纤、环形通量测试系统、光接收机、频 谱分析仪、频率计、计算机。该发明提出使用环形通量测试系统评估光注入态是 否符合满注入条件，保障装置的测量重复性，分析和描述了对多模光纤带宽参数 测量重复性的优化以及改善多模光纤带宽测量结果的不确定度，并给出多模光纤 带宽参数的高斯线型拟合公式。
专利201480080021.7公开了一种用于表征穿过光学组件的多模光的模 式群特性的方法，所述方法包括以下步骤：在光源和所述光学组件之间的光路中 设置模式群分离光纤；以及按所述模式群分离光纤的纤芯中心和纤芯半径之间的 离散间隔，将波长为λt的光的基准脉冲从所述光源经由所述模式群分离光纤注 入到所述光学组件中。
专利201210404567.6公开了一种用于对多模光纤的给定比特错误率的 功率损失进行评估的方法，包括：测量与注入到所述多模光纤内的光在纤芯半径 内的不同偏移注入相对应的基本光纤响应的集合；通过向所述基本光纤响应的集 合应用依赖于所述基本光纤响应的不同偏移注入的加权系数集和延迟来生成全 局光纤响应；以及根据所述全局光纤响应来计算代表光纤功率损失的参数，其中， 所述加权系数集包括相对于彼此存在时间延迟的若干个加权系数子集，至少一个 相对时间延迟未被设置为0，并且各子集的加权系数依赖于所述基本光纤响应的 不同偏移注入。
专利03141953.4公开了一种二维限制的多模干涉功分器，它由一根以上 输入单模波导阵列、X、Y二个方向的等效波导宽度(Wxe，Wye)平方之比是有理 数，即Wxe2/Wye2＝p/q，式中：p，q为整数。该发明采用光波导来构成具有二 维分布光功分器，提供一种实现二维空间光功率分配的基本单元器件，并具有结 构紧凑，集成度高的特点。若在矩形波导区，利用各种光折射效应，如电光效应、 热光效应、载流子注入效应等，可控制输出光波的强度和相位分布，实现三维集 成光波导器件，如结合二维波导光栅阵列器件可实现二维空间分布的波分复用器、 开关光和光可变衰减器阵列等。
专利03102424.6半导体激光与双包层光纤的耦合，特别涉及一种多模光 纤排和棱镜耦合双包层光纤器件及其耦合方法，属于激光耦合技术领域。该发明 提供一种结构新颖的器件及其耦合方法。一是多根多模光纤波导紧密排列，一端 固定成排后研磨抛光为受光面，与光轴成一角度，与双包层光纤光学接触，将泵 光耦合入双包层光纤中。二是棱镜波导耦合，泵浦光注入棱镜波导入射面，直接 耦合入双包层光纤内包层中。可同时多点泵浦，并能进行高泵浦功率的耦合。能 实现双包层光纤的边泵浦、阵列高功率半导体激光器对双包层光纤的同时多点泵 浦、多种结构大功率的双包层光纤激光器、高增益放大器和超荧光光源。
专利200910163912.X公开了在一根多模光纤中传输多个波长，每个波 长配置一根模态色散补偿的光纤，这样，可以使得每个波长的总色散都接近于零； 系统中的多个波长光源连接到多路复用器上。该专利主要解决的是多模光纤在不 同波长的带宽问题，即通过色散补偿方案解决了不同波长的多模光纤的模态色散， 但是其没有描述多个光源的调制和注入方法。
实用新型专利201820111419.8公开了一种空间方式的从一根多模光纤 中分出多个波长的方案，主要是采用鼓透镜、波分复用器、多个滤波器、多个G- lens透镜和多个汇聚透镜组成。根据几何光学原理将不同波长的光在不同位置进 行分离，准直后再次汇聚到不同的探测芯片上。该专利主要解决的是解复用端方 案，且采用空间光学方式，分立元件多，可靠性较低。
目前的方案多采用空间对准方式做偏置注入多模光纤，其方案灵活，方 便，但是可靠性和重复性不好。也有采用单模光纤偏芯熔接方式做偏置注入，位 置固定，可靠性高，但是其只能支持单个位置注入光源。
综上所述，为了实现多模光纤波分复用传输系统以最大带宽传输最远距 离，最佳方式是采用带宽优化的宽带多模光纤，配合偏置注入的VECSEL激光 器，可以实现大容量的短距离多波长多模通信。但是，目前的方案主要解决单 个偏置注入光源装置，多个波长的问题比较复杂，光源之间的干扰，注入条件的 一致性和模式还没有文献阐述清楚这些问题。本发明主要是为解决在多模光纤中 利用波分复用原理实现的多个光源偏置注入的短距离多波长多模通信，包括光源 驱动、拉锥偏置注入耦合器等，实现一致性更好，传输带宽更大更稳当的系统。
(三)发明内容
本发明主要是解决在宽带多模光纤中实现波分复用的技术难题。本发明 中所描述的是一种短距多波长多模通信系统，所述系统包括：激光器，其是多支 波长在850.0nm到950.0nm之间的VECSEL激光器或其它激光器；控制电路， 其是片上集成的多路驱动的脉冲调制电路，脉冲前后沿都不大于20ps；光纤传 输器件：多支激光器耦合到多根标准50/125μm多模光纤，通过拉锥偏置注入耦 合器连接到传输标准50/125μm多模光纤或50/125μm宽带多模光纤；以及光栅 型解复用器、光电探测器、数据接收处理器。宽带多模光纤采用带宽优化的专有 沉积技术，因此，其支持从850.0nm到950.0nm的高带宽传输，通常达到4 GHz*km以上。常规波分复用系统有2波，4波，6波和8波等。针对系统兼容 性好，满足大多数要求的原则，本发明以8波复用为解决目标，兼容2波，4波 和6波传输方案。8个波长的范围在850.0nm到950.0nm之间。本实验选用的 激光器是多支波长在850.0nm到950.0nm之间的VECSEL激光器或其它激光 器。
光纤传输器件：多支激光器耦合到多根标准50/125μm多模光纤，通过 拉锥偏置注入耦合器连接到传输标准50/125μm多模光纤或50/125μm宽带多模 光纤。8根50/125μm的多模光纤耦合8个VECSEL激光器。由于VECSEL激 光器的模斑随驱动电流的增大而变化，主要是发散角变大和模斑尺寸变大。 50/125μm多模光纤非常适合耦合这种激光器的光斑。VECSEL激光器发射波长 在850.0nm到950.0nm之间，根据选用的激光器数量不同(2/4/6/8个)，不同激 光器的波长间隔可以是为50.0nm，也可以是25.0nm，还可以是16.7nm，更佳 的是12.5nm。例如一组VECSEL激光器的中心波长为850.0nm，900.0nm，950.0 nm。例如一组VECSEL激光器的中心波长为850.0nm，875.0nm，900.0nm， 925.0nm，950.0nm。例如另外一组VECSEL激光器的中心波长为850.0nm， 866.7nm，883.3nm，900.0nm，916.7nm，933.3nm，950.0nm。例如另外一组 VECSEL激光器的中心波长为850.0nm，862.5nm，875.0nm，887.5nm，900.0 nm，912.5nm，925.0nm，937.5nm，950.0nm。每个激光器输出的是含多个模 式的光，如在850.0nm，其模式包含LP01,LP02，LP03，LP04，LP05，LP06， LP07，LP11，LP12，LP13，LP14，LP15，LP16，LP21，LP22，LP23，LP24， LP25，LP26，LP31，LP32，LP33，LP34，LP35，LP36，LP41，LP42，LP43， LP44，LP51，LP52，LP53，LP54，LP55，LP56，LP61，LP62，LP63，LP71， LP72等。发射波长是非单色光，谱线宽度≤2nm，如875.0nm，其光谱是875.0 ±1.0nm，每个脉冲宽度最小值约50.0ps，脉冲宽度可调。
8根50/125μm的多模光纤，外包层经过氢氟酸腐蚀之后，8根削除部 分包层的多模光纤放进石英毛细管内堆叠耦合一起进行拉锥，锥度为1.5°～2.0° 之间，拉锥区长度为3.0～4.0mm，拉锥区初始内接圆直径为300.0～375.0μm，拉 锥末端内接圆直径为90.0～112.5μm。纤芯间距约为13.8～15.3μm。拉锥后多模 光纤的纤芯直径由50.0±1.0μm降低到10.0±0.2μm，最终制成一个拉锥偏置注 入耦合器。这8根多模光纤经过绝热拉锥过程，其高阶模式与低阶模式之间发生 耦合，可以使得VECSEL激光器的光束质量变好。这样，原来的激光信号畸变 会导致带宽不稳定，经过拉锥后，光纤中的部分高阶模发生逸散，光纤中的模式 模式色散显著减小，模斑可以得到一定的改善，信号带宽增大，支持更高码速传输。
控制电路，其是片上集成的多路驱动的脉冲调制电路，脉冲前后沿都不 大于20ps。采用目前市场上成熟的驱动电路模块实现多路激光的信号调制，其 中前向驱动电压≥0.4V，驱动电流≤80.0mA，电流纹波≤0.02mA，偏置电流≤5.0 mA，匹配阻值≥15.0Ω，带有恒功率自控功能，输出总速率≤8*20Gbps。片上集 成的8路驱动的脉冲调制电路，脉冲前后沿都不大于20.0ps。
拉锥前的光纤利用氢氟酸对部分包层进行腐蚀，然后放进石英毛细管内 一起进行拉锥。进行腐蚀操作的原因是调整每个纤芯的偏置距离，本发明的拉锥 偏置注入耦合器纤芯的间距大于13.8μm。
由于本发明中不同纤芯连接的VECSEL激光器波长是不同的，因此当这 些波长耦合到同一个纤芯中进行传输时，不需要考虑串扰的问题。
本发明的拉锥偏置注入耦合器，其纤芯的偏置距离具有良好的一致性。 通过控制拉锥的温度，光纤夹具的走速和火焰的走速，可以控制光纤的拉锥一致 性。而且这种控制精度采用工业级的拉锥机可以满足要求，降低了制造成本。本 发明揭示的偏置注入方案是采用端面注入的方式，使得不同波长的带宽一致性得 到保障。
50/125μm的多模光纤的数值孔径为0.2±0.015，因此多模光纤接纳注入 光的最大角度为：±11.5°。多模光纤端面中心圆半径是25.0μm。在本发明中， 我们设计的偏置距离范围为18.1μm～20.0μm，注入角度范围是1.5°～2.0°。8个 光源的注入偏置位置和角度完全对称，且都是从光纤的子午面注入，因此，其在 多模光纤中的传输带宽比较稳定。由于8个波长是各不相同的，因此在空间上多 个波长不存在干涉现象。在横模结构上，波长越长，横模数量越少，因此，长波 长的群速度差更小，带宽更大。拉锥偏置注入耦合器和50/125μm多模光纤连接 方式是活动连接器，这也是目前工业标准的连接方式，保证光纤链路的畅通。但 是我们需要将拉锥偏置注入耦合器出射端面研磨成8°角的APC型，多模光纤 也需要研磨成8°角的APC型，其主要目的是增大回波损耗，保护光源，增大使 用寿命。两个活动连接器的端面都是APC型，连接损耗也更小，且拉锥偏置注 入耦合器是完全对称的，因此对偏置注入条件影响较小。
50/125μm多模光纤已经大规模应用在数据中心等场合。而更优的是 50/125μm宽带多模光纤，其优化了掺杂组分，使得该光纤在850.0nm到950.0 nm范围内的带宽超过4GHz*km，如果采用本发明的系统，可以支持传输不超 过8个波长，单波不大于20Gbps的速率下，传输距离为100.0m～250.0m；或 单波不大于10Gbps，传输距离为200.0m～500.0m；或单波不大于5Gbps，传输 距离为400.0m～1000.0m。
(四)附图说明
图1是8芯拉锥多模偏置注入耦合器入射端面示意图。8根50/125μm 渐变折射率多模光纤如图示堆叠，其中阴影部分为光纤纤芯位置，由SiO2和GeO2构成，直径为50.0μm，纤芯外部是光纤的包层，由SiO2构成，直径为125.0μm。
图2是2芯拉锥多模偏置注入耦合器出射端面示意图。其中阴影部分表 示拉锥后的纤芯位置，纤芯由SiO2和GeO2构成，拉锥后的纤芯中心与注入多模 光纤纤芯中心的偏置距离d为15.0～20.0μm，拉锥后的纤芯直径为10.0～20.0 μm，光纤包层外表面由于拉锥产生皱缩。
图3是4芯拉锥多模偏置注入耦合器出射端面示意图。其中阴影部分表 示拉锥后的纤芯位置，纤芯由SiO2和GeO2构成，拉锥后的纤芯中心与注入多模 光纤纤芯中心的偏置距离d为15.0～20.0μm，拉锥后的纤芯直径为10.0～20.0μm， 光纤包层外表面由于拉锥产生皱缩。
图4是6芯拉锥多模偏置注入耦合器出射端面示意图。其中阴影部分表 示拉锥后的纤芯位置，纤芯由SiO2和GeO2构成，拉锥后的纤芯中心与注入多模 光纤纤芯中心的偏置距离d为16.7～20.0μm，拉锥后的纤芯直径为10.0～16.7μm， 光纤包层外表面由于拉锥产生皱缩。
图5是8芯拉锥多模偏置注入耦合器出射端面示意图。其中阴影部分表 示拉锥后的纤芯位置，纤芯由SiO2和GeO2构成，拉锥后的纤芯中心与注入多模 光纤纤芯中心的偏置距离d为18.1～20.0μm，拉锥后的纤芯直径为10.0～13.8μm， 光纤包层外表面由于拉锥产生皱缩。
图6是拉锥多模偏置注入耦合器剖面示意图。其中阴影部分为纤芯部分， 纤芯由SiO2和GeO2构成，具有渐变折射率，包层部分由SiO2构成。
图7是每个纤芯拉锥后注入光的光斑模拟图。
图8是每个纤芯拉锥后注入光的电场强度图。
图9是短距多波长多模通信系统的示意图。它由多路驱动脉冲调制电路 1、n(2/4/6/8)个VECSEL激光器2、n(2/4/6/8)根标准50/125μm多模光纤3、 拉锥多模偏置注入耦合器4、50/125μm宽带多模光纤5、透镜6、光栅7、n(2/4/6/8) 个光电探测器8、数据接收处理器9组成。图9中的标注10表示8芯拉锥多模 偏置注入耦合器入射端面，标注11表示8芯拉锥多模偏置注入耦合器出射端面。
(五)具体实施方式
以下进一步详细说明的实施例。
实施例1：850.0nm，900.0nm两支VECSEL激光器经过一个片上集成 2路脉冲调制器进行信号调制，产生的调制的光经过标准50/125μm多模光纤， 熔接拉锥偏置注入耦合器的两个信号臂，熔接拉锥偏置注入耦合器通过活动连接 器与50/125μm宽带多模光纤进行连接，连接插损为0.17dB，回波损耗为60.0dB。 其调制的速率为20GHz，在50/125μm宽带多模光纤传输的距离为200.0m。
实施例2：850.0nm，875.0nm，900.0nm，925.0nm四支VECSEL激光 器经过一个片上集成4路脉冲调制器进行信号调制，产生的调制的光经过标准 50/125μm多模光纤，熔接拉锥偏置注入耦合器的四个信号臂，熔接拉锥偏置注 入耦合器通过活动连接器与50/125μm宽带多模光纤进行连接，连接插损为0.15 dB，回波损耗为60.0dB。其调制的速率为10GHz，在50/125μm宽带多模光纤 传输的距离为450.0m。
实施例3：850.0nm，866.7nm，883.3nm，900.0nm，916.7nm，933.3 nm六支VECSEL激光器经过一个片上集成6路脉冲调制器进行信号调制，产生 的调制的光经过标准50/125μm多模光纤，熔接拉锥偏置注入耦合器的六个信号 臂，熔接拉锥偏置注入耦合器通过活动连接器与50/125μm宽带多模光纤进行连 接，连接插损为0.13dB，回波损耗为61.0dB。其调制的速率为5GHz，在50/125 μm宽带多模光纤传输的距离为700.0m。
实施例4：850.0nm，862.5nm，875.0nm，887.5nm，900.0nm，912.5 nm，925.0nm，937.5nm八支VECSEL激光器经过一个片上集成8路脉冲调制 器进行信号调制，产生的调制的光经过标准50/125μm多模光纤，熔接拉锥偏置 注入耦合器的八个信号臂，熔接拉锥偏置注入耦合器通过活动连接器与50/125 μm宽带多模光纤进行连接，连接插损为0.11dB，回波损耗为62.0dB。其调制 的速率为5GHz，在50/125μm宽带多模光纤传输的距离为960.0m。
以上实施例中的设计参数尽管已经优选，上述实施例也对本发明进行 了详细描述，但本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原料和宗旨情 况下可以对这些实施例进行各种变化、修改、替代和变型，本发明的范围由权利 要求及其等同物所限。

Claims (7)

1.一种短距多波长多模通信系统，所述系统包括：
激光器，其是多支波长在850.0nm到950.0nm之间的VECSEL激光器或其它激光器；
控制电路，其是片上集成的多路驱动的脉冲调制电路，脉冲前后沿都不大于20ps；
光纤传输器件：多支激光器耦合到多根标准50/125μm多模光纤，通过拉锥偏置注入耦合器连接到传输标准50/125μm多模光纤或50/125μm宽带多模光纤。
以及光栅型解复用器、光电探测器、数据接收处理器。
2.如权利要求1所述的激光器发射波长在850.0nm到950.0nm之间，根据使用的激光器的个数，不同激光器的波长间隔为50.0nm，也可以是25.0nm，还可以是16.7nm，更佳的是12.5nm。
3.按权利要求1所述的激光器，其特征在于：每个激光器输出的是含多个模式的光，发射波长是非单色光，谱线宽度≤2.0nm，每个脉冲宽度最小值约50.0ps，脉冲宽度可调。
4.按权利要求1所述的控制电路，其特征在于：前向驱动电压≥0.4V，驱动电流≤80.0mA，电流纹波≤0.02mA，偏置电流≤5.0mA，匹配阻值≥15.0Ω，带有恒功率自控功能，输出总速率≤160Gbps。
5.按权利要求1所述的光纤传输器件，其特征在于：拉锥偏置注入耦合器和50/125μm多模光纤的连接方式是用活动连接器进行连接。
6.按权利要求1所述的拉锥偏置注入耦合器，其特征在于：8根多模光纤，消除部分包层，堆叠耦合拉锥，锥度为1.5°～2.0°，拉锥区长度为3.0～4.0mm，拉锥区初始内接圆直径为300.0～405.0μm，拉锥末端内接圆直径为110.0～120.0μm，纤芯间距约为15.0～28.7μm。拉锥后每个纤芯直径为(15±0.3)μm。
7.按权利要求1所述的系统，支持在标准50/125μm多模光纤，更优的是50/125μm宽带多模光纤中传输不超过8个波长，单波不大于20Gbps，传输距离为100.0～250.0m；或单波不大于10Gbps，传输距离为200.0～500.0m；或单波不大于5Gbps，传输距离为400.0～1000.0m。
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