CN115128743A - 一种光模块及网络设备 - Google Patents

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CN115128743A CN202110313876.1A CN202110313876A CN115128743A CN 115128743 A CN115128743 A CN 115128743A CN 202110313876 A CN202110313876 A CN 202110313876A CN 115128743 A CN115128743 A CN 115128743A
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Abstract

本申请公开了一种光模块以及网络设备。该光模块包括：单模光源、扰模装置和光接收器；所述扰模装置用于接收所述单模光源发出的单模光信号，并使得所述单模光信号以多个模式通过第一多模光纤输出所述光模块；所述光接收器用于接收第二多模光纤中的多个模式的光信号。本申请通过扰模装置激发单模光源所输出的光信号的多种模式，使得光信号能够以多个模式在多模光纤中传输，从而实现单模光源所输出的光信号能够稳定地在多模光纤中传输。由于单模光源所输出的光信号中只存在一个模式，不存在模式竞争所导致的噪声，因此能够有效降低链路的误码率。

Description

一种光模块及网络设备
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种光模块及网络设备。
背景技术
在光纤通信中，光纤是通用的传输介质。光纤分为单模光纤(single-mode fiber，SMF)和多模光纤(multi-mode fiber，MMF)。在一定的工作波长下，多模光纤能传输多种模式，而单模光纤只支持基模(fundamental mode)传输。单模光纤用于长距离光通信，多模光纤主要用于短距光通信。
目前，数据中心以及园区网络等场景中的通信网络通常采用成本较低的多模传输系统。多模传输系统主要包括多模光源以及多模光纤。相较于主要包括单模光源和单模光纤的单模传输系统，多模传输系统的成本更低，更容易在短距离通信场景推广使用。
多模光源所输出的光信号中包括多种模式，且多种模式之间存在竞争关系，导致模式之间的噪声较大，最终影响整个链路的误码率。单模光源所输出的光信号中只存在一个模式，不存在模式竞争所导致的噪声，因此链路的误码率较低。
然而，当前数据中心及园区网络所铺设的光纤大多为多模光纤，如果采用单模传输系统来实现误码率的降低就需要重新铺设单模光纤，以替换掉已有的多模光纤。全面采用单模光纤来替换多模光纤将会大大增加网络的建设成本。因此，目前亟需一种能够实现降低多模传输系统误码率且成本较低的网络改造方法。
发明内容
本申请实施例提供了一种光模块，用于以较低的成本解决当前园区、数据中心网络大都采用多模光纤作为数据传输媒介，链路误码率高的问题。
本申请第一方面提供一种光模块，包括：单模光源、扰模装置和光接收器。所述扰模装置用于接收所述单模光源发出的单模光信号，并使得所述单模光信号以多个模式通过第一多模光纤输出所述光模块；所述光接收器用于接收第二多模光纤中的多个模式的光信号。也就是说，所述扰模装置接收到所述单模光源发出的单模光信号后，激发所述单模光信号中的多个模式，得到包括多个模式的光信号，并将包括多个模式的光信号输出至所述第一多模光纤。这样，经过扰模装置的处理，单模光源所输出的单模光信号最终被转换为多个模式的光信号，且该多个模式的光信号在第一多模光纤中传输。
本方案中，通过将多模传输系统中的多模光源替换为单模光源，并且通过扰模装置激发单模光源所输出的光信号的多种模式，使得光信号能够以多个模式在多模光纤中传输，从而实现单模光源所输出的光信号能够稳定地在多模光纤中传输。由于单模光源所输出的光信号中只存在一个模式，不存在模式竞争所导致的噪声，因此能够有效降低链路的误码率。并且，在网络改造过程中，只需要更换多模传输系统的光模块，不需要重新铺设光纤，改造成本低。
在一种可能的实现方式中，所述光接收器包括透镜和光电二极管，所述透镜用于接收所述第二多模光纤中的所述多个模式的光信号，并将所述多个模式的光信号投射至所述光线二极管；所述光电二极管用于将所述透镜投射的多个模式的光信号转换为电信号。
在一种可能的实现方式中，所述透镜为球面透镜，所述光电二极管的光敏面的直径为30-35微米。由于经过扰模装置的作用后，所述第二多模光纤中的光信号已激发了所有的模式，因此需要增大所述光电二极管的光敏面的直径，以保证所述光电二极管能够接收到包括所有模式的光信号。
在一种可能的实现方式中，所述透镜为非球面透镜，所述透镜上的第一数值孔径大于第二数值孔径，所述第一数值孔径为所述透镜的靠近所述第二多模光纤的一侧的数值孔径，所述第二数值孔径为所述透镜上靠近所述光电二极管的一侧数值孔径。
其中，数值孔径用于表示透镜能够接收的光的角度范围，第一数值孔径的数值越大，则透镜能够接收的光的角度范围越大，即进入透镜的光通量越大，透镜的收光能力越强。因此，为了保证所述光电二极管能够接收到包括所有模式的光信号，可以设置第一数值孔径与第二数值孔径之间的比值大于或等于预设阈值，以增强透镜的聚焦能力，最终使得所述光电二极管能够接收到包括所有模式的光信号。
在一种可能的实现方式中，所述第一数值孔径与所述第二数值孔径的比值大于或等于4。
在一种可能的实现方式中，所述光接收器包括插芯，所述插芯与所述第二多模光纤连接，所述插芯的芯层直径与所述第二多模光纤的芯层直径相同。
本方案中，为了保证所述插芯能够完全接收所述第二多模光纤中的多个模式的光信号，所述插芯的芯层直径与所述第二多模光纤的芯层直径相同，避免所述插芯芯径直径过小时而滤除所述多个模式的光信号中的部分模式。
在一种可能的实现方式中，所述插芯的芯层直径为50-80微米。
在一种可能的实现方式中，所述扰模装置包括第三多模光纤和扰模器；所述第三多模光纤的一端用于接收所述单模光源发出的所述单模光信号，所述第三多模光纤的另一端与所述第一多模光纤连接；所述扰模器作用于所述第三多模光纤上，以将所述第三多模光纤中的光信号激发出多种模式。
在一种可能的实现方式中，所述扰模器包括柱体结构件，所述第三多模光纤弯曲缠绕在所述柱体结构件的表面。
本方案中，通过盘绕光纤的方式来向第三多模光纤施加外界应力，可以使得第三多模光纤中的各个模式之间发生光场重叠，从而使得各个模式之间发生充分耦合，最终激发出第三多模光纤中的所有模式。
在一种可能的实现方式中，所述扰模器包括第一结构件和第二结构件，所述第一结构件的底部具有多个凸起结构，所述第二结构件的顶部具有多个凸起结构，且所述第一结构件上的多个凸起结构与所述第二结构件上的多个凸起结构相互错开；所述第三多模光纤置于所述第一结构件的底部与所述第二结构件的顶部之间，所述第一结构件和所述第二结构件用于挤压所述第三多模光纤，以使得所述第三多模光纤弯曲。
本方案中，通过挤压光纤的方式来向第三多模光纤施加外界应力，可以使得第三多模光纤中的各个模式之间发生光场重叠，从而使得各个模式之间发生充分耦合，最终激发出第三多模光纤中的所有模式。
本申请第二方面提供了一种网络设备，包括本申请上述第一方面或第一方面任一实现方式所述的光模块。
附图说明
图1为本申请实施例提供的光模块10的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的光传输系统的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种光模块10的具体结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种扰模装置的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种扰模装置的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种光接收器13的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的另一种光接收器13的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种插芯的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的另一种光接收器13的结构示意图。
具体实施方式
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
在本申请实施例中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个节点是指两个或两个以上的节点。“至少一个”是指任意的数量，例如，一个，两个或两个以上。“A和/或B”可以是只有A，只有B，或包括A和B。“A、B和C中的至少一个”，可以是只有A，只有B，只有C，或包括A和B，包括B和C，包括A和C，或者包括A，B和C。本申请中的“第一”、“第二”等用语仅用于区分不同的对象，而不用于对象的指示优先级或重要性。
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
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以及垂直腔面发射激光(vertical-cavity surface-emitting laser,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)是不同的。因此，在多模光纤中，不同模式的光线经不同途径传输到终点。由于不同光线的光程长短不同造成的色散，则称为模间色散。一般地，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。当光线由光源耦合进入多模光纤后，可在多模光纤内激发这些模式中的一部分或全部。
图1为本申请实施例提供的光模块10的结构示意图。该光模块10包括：单模光源11、扰模装置12和光接收器13。所述扰模装置12用于接收所述单模光源11发出的单模光信号，并使得所述单模光信号以多个模式通过第一多模光纤输出所述光模块。也就是说，所述扰模装置12接收到所述单模光源11发出的单模光信号后，激发所述单模光信号中的多个模式，得到包括多个模式的光信号，并将包括多个模式的光信号输出至所述第一多模光纤。这样，经过扰模装置12的处理，单模光源11所输出的单模光信号最终被转换为多个模式的光信号，且该多个模式的光信号在第一多模光纤中传输。
所述光接收器13用于接收第二多模光纤中的多个模式的光信号。可选的，所述第二多模光纤中的多个模式的光信号可以是对端的光模块所发送的光信号。其中，对端的光模块也可以通过单模光源和扰模装置来向第二多模光纤输出多个模式的光信号。
图2为本申请实施例提供的光传输系统的结构示意图。该光传输系统包括上述的光模块10、第一多模光纤、光模块20和第二多模光纤。其中，光模块10与光模块20的结构可以是相同的。
在光模块10作为发送端的情况下，单模光源11输出的单模光信号经过扰模装置12后，得到多个模式的光信号；该多个模式的光信号通过第一多模光纤进行传输，最终由光模块20中的光接收器23所接收。
在光模块20作为发送端的情况下，单模光源21输出的单模光信号经过扰模装置22后，得到多个模式的光信号；该多个模式的光信号通过第二多模光纤进行传输，最终由光模块10中的光接收器13所接收。
本方案中，通过将多模传输系统中的多模光源替换为单模光源，并且通过扰模装置激发单模光源所输出的光信号的多种模式，使得光信号能够以多个模式在多模光纤中传输，从而实现单模光源所输出的光信号能够稳定地在多模光纤中传输。由于单模光源所输出的光信号中只存在一个模式，不存在模式竞争所导致的噪声，因此能够有效降低链路的误码率。并且，在网络改造过程中，只需要更换多模传输系统的光模块，不需要重新铺设光纤，改造成本低。
对于直接将单模光源11所输出的单模光信号输入至第一多模光纤而言，由于光纤链路扰动、连接器错位或链路不确定性等因素，会使得单模光信号在第一多模光纤中随机激发其他的模式，最终导致光信号的功率波动。而本方案中通过扰模装置提前激发了光信号中的多个模式。由于光信号中的多个模式已全部被激发，光信号在第一多模光纤中传输时不会再随机激发其他的模式，从而抑制了光信号传输过程中的功率抖动，保证了接收端所接收到的光信号的质量。
为便于理解，以下将对光模块10的内部结构进行详细的介绍。
可以参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种光模块10的具体结构示意图。如图3所示，在发送方向上，单模光发送模块10包括多个用于实现光通信的部件。例如，单模光发送模块10先通过接口电路17接收外部器件发送的数字电信号，并发送给第一补偿电路16(可选)，补偿电路16根据预设的需求(例如，带宽、传输速率、传输距离、模式数等)和算法，调整所述数字电信号(例如，进行带宽预先补偿，或改变信号强度，或提升信号的高频，消除噪音等)，以使所述数字电信号经过单模光发送模块10对应的光链路传输后仍满足该预设需求。可选地，在发送方向上，单模光发送模块10还包括数模转换器(digital to analogconverter，DAC)15，用于将数字电信号(可以是补偿电路16处理过的，或直接从接口电路17获得的)转换为模拟电信号，以将模拟电信号传输给第一放大器14，第一放大器14将该模拟电信号增强后传输给单模光源11，单模光源11根据该增强的模拟电信号生成传输给扰模装置12的光信号。最后，由扰模装置12对单模光源传输的。
在接收方向上，单模光接收模块10中的光接收器13将通过第二多模光纤接收的光信号转换成模拟电信号后传输给第二放大器18，第二放大器18将该模拟电信号放大后传输给模数转换器(analog to digital converter，ADC)19，ADC 19将该模拟电信号转换为数字电信号，该数字电信号被直接传输给接口电路17或由补偿电路16补偿后传输给接口电路17，接口电路17将该数字电信号传输给外部器件。
在一个可能的实施例中，所述扰模装置12包括第三多模光纤和扰模器。所述第三多模光纤的一端用于接收所述单模光源发出的所述单模光信号，所述第三多模光纤的另一端与所述第一多模光纤连接。所述扰模器作用于所述第三多模光纤上，以将所述第三多模光纤中的光信号激发出多种模式。
图4为本申请实施例提供的一种扰模装置的结构示意图。如图4所示，所述扰模装置12包括扰模器121和第三多模光纤122，所述扰模器121为柱体结构件，所述第三多模光纤122弯曲缠绕在所述柱体结构件的表面。所述第三多模光纤122的一端(如图4中的A端)靠近单模光源11，以接收单模光源11所发送的单模光信号；所述第三多模光纤122的另一端(如图4中的B端)与第一多模光纤连接，以向第一多模光纤输出包括多个模式的光信号。可选的，所述第三多模光纤122与所述第一多模光纤可以是一体成型的。
通过盘绕光纤的方式来向第三多模光纤122施加外界应力，可以使得第三多模光纤122中的各个模式之间发生光场重叠，从而使得各个模式之间充分耦合，最终激发出第三多模光纤122中的所有模式。
可选的，为保证光信号在所述第三多模光纤122传输时能够被充分激发出多个模式，可以设置所述柱体结构件的长度为3-8cm，以及所述柱体结构件的直径为2.5-5cm。通过限定柱体结构件的尺寸在上述的范围内，可以激发出所述第三多模光纤122的光信号中的更多模式，从而实现向第一多模光纤输出满模式或接近满模式的光信号。
图5为本申请实施例提供的另一种扰模装置的结构示意图。如图5所示，所述扰模装置12包括扰模器121和第三多模光纤122。所述扰模器121包括第一结构件1211和第二结构件1212，所述第一结构件1211的底部具有多个凸起结构，所述第二结构件1212的顶部具有多个凸起结构，且所述第一结构件1211上的多个凸起结构与所述第二结构件1212上的多个凸起结构相互错开。所述第三多模光纤122置于所述第一结构件1211的底部与所述第二结构件1212的顶部之间，所述第一结构件1211和所述第二结构件1212用于挤压所述第三多模光纤122，以使得所述第三多模光纤122弯曲。
如图5所示，所述第一结构件1211上的多个凸起结构与所述第二结构件1212上的多个凸起结构均为波浪形的凸起结构。在实际应用中，所述第一结构件1211上的多个凸起结构与所述第二结构件1212上的多个凸起结构也可以是其他形状的凸起结构，例如锯齿形状或方形形状等形状，只要能够实现对所述第三多模光纤122的挤压作用，并使得所述第三多模光纤122弯曲即可。本实施例并不对凸起结构的形状做具体限定。
本实施例中通过挤压光纤的方式来向第三多模光纤122施加外界应力，可以使得第三多模光纤122中的各个模式之间发生光场重叠，从而使得各个模式之间发生充分耦合，最终激发出第三多模光纤122中的所有模式。
图6为本申请实施例提供的一种光接收器13的结构示意图。所述光接收器13包括插芯131、透镜132和光电二极管133。所述插芯131与所述第二多模光纤连接，用于接收所述第二多模光纤中的所述多个模式的光信号。所述透镜132用于汇聚所述插芯131中的所述多个模式的光信号，并将汇聚后的所述多个模式的光信号投射至所述光线二极管133。所述光电二极管133用于将所述透镜投射的多个模式的光信号转换为电信号。
如图7所示，图7为本申请实施例提供的另一种光接收器13的结构示意图。所述光接收器13包括插芯131、准直透镜134、波分解复用器135、透镜132和光电二极管133。所述插芯131与所述第二多模光纤连接，用于接收所述第二多模光纤中的所述多个模式的光信号。所述准直透镜134用于接收所述插芯131中的所述多个模式的光信号，并将所述多个模式的光信号投射至所述波分解复用器135。所述波分解复用器135用于对接收到的光信号进行分解，得到多路不同波长的光信号。所述透镜132用于汇聚所述波分解复用器135中的所述多路不同波长的光信号，并将所述汇聚后的多路不同波长的光信号投射至所述光线二极管133。所述光电二极管133用于将所述透镜投射的多路不同波长的光信号转换为电信号。
可选的，为了保证所述插芯131能够完全接收所述第二多模光纤中的多个模式的光信号，所述插芯131的芯层直径与所述第二多模光纤的芯层直径相同，避免所述插芯131的芯径直径过小时滤除所述多个模式的光信号中的部分模式。示例性地，如图8所示为本申请实施例提供的一种插芯的结构示意图。所述插芯131的直径可以为125微米，所述插芯131的芯层1311的直径可以为50-80微米。
可选的，在一种实现方式中，如图6所示，所述光接收器13中的所述透镜132可以为球面透镜，所述球面透镜两侧的数值孔径相同，即所述球面透镜靠近所述第二多模光纤的一侧的数值孔径与所述球面透镜靠近所述光电二极管133一侧的数值孔径相同。所述光电二极管133的光敏面的直径可以为30-35微米，例如所述光电二极管133的光敏面的直径具体为32微米。由于经过扰模装置的作用后，已经激发了所述第二多模光纤中的光信号的所有的模式或多数模式，因此需要增大所述光电二极管133的光敏面的直径，以保证所述光电二极管133能够接收到包括所有激发出的模式的光信号。
可选的，在另一种实现方式中，如图9所示，为本申请实施例提供的另一种光接收器13的结构示意图。所述透镜132为非球面透镜，所述透镜上的第一数值孔径大于第二数值孔径，所述第一数值孔径为所述透镜的靠近所述第二多模光纤的一侧的数值孔径，所述第二数值孔径为所述透镜上靠近所述光电二极管的一侧数值孔径。
其中，数值孔径用于表示透镜能够接收的光的角度范围，第一数值孔径的数值越大，则透镜能够接收的光的角度范围越大，即进入透镜的光通量越大，透镜的收光能力越强。因此，为了保证所述光电二极管133能够接收到包括所有模式的光信号，可以设置第一数值孔径与第二数值孔径之间的比值大于或等于预设阈值，以增强透镜的聚焦能力，最终使得所述光电二极管133能够接收到包括所有激发出的模式的光信号。
示例性地，所述第一数值孔径与所述第二数值孔径的比值大于或等于4，例如所述第一数值孔径与所述第二数值孔径的比值为4：1、5：1或6：1等数值。在实际应用中，可以根据所述光电二极管133的光信号接收能力来设置所述第一数值孔径与所述第二数值孔径的比值。例如，光电二极管133的直径为20微米的情况下，则可以设置所述第一数值孔径与所述第二数值孔径的比值为4：1。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本申请的保护范围。

Claims (11)

1.一种光模块，其特征在于，包括：单模光源、扰模装置和光接收器；
所述扰模装置用于接收所述单模光源发出的单模光信号，并使得所述单模光信号以多个模式通过第一多模光纤输出所述光模块；
所述光接收器用于接收第二多模光纤中的多个模式的光信号。
2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述光接收器包括透镜和光电二极管，所述透镜用于接收所述第二多模光纤中的所述多个模式的光信号，并将所述多个模式的光信号投射至所述光线二极管；
所述光电二极管用于将所述透镜投射的多个模式的光信号转换为电信号。
3.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述透镜为球面透镜，所述光电二极管的光敏面的直径为30-35微米。
4.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述透镜为非球面透镜，所述透镜上的第一数值孔径大于第二数值孔径，所述第一数值孔径为所述透镜的靠近所述第二多模光纤的一侧的数值孔径，所述第二数值孔径为所述透镜上靠近所述光电二极管的一侧数值孔径。
5.根据权利要求4所述的光模块，其特征在于，所述第一数值孔径与所述第二数值孔径的比值大于或等于4。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的光模块，其特征在于，所述光接收器包括插芯，所述插芯与所述第二多模光纤连接，所述插芯的芯层直径与所述第二多模光纤的芯层直径相同。
7.根据权利要求6所述的光模块，其特征在于，所述插芯的芯层直径为50-80微米。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的光模块，其特征在于，所述扰模装置包括第三多模光纤和扰模器；
所述第三多模光纤的一端用于接收所述单模光源发出的所述单模光信号，所述第三多模光纤的另一端与所述第一多模光纤连接；
所述扰模器作用于所述第三多模光纤上，以将所述第三多模光纤中的光信号激发出多种模式。
9.根据权利要求8所述的光模块，其特征在于，所述扰模器包括柱体结构件，所述第三多模光纤弯曲缠绕在所述柱体结构件的表面。
10.根据权利要求8所述的光模块，其特征在于，所述扰模器包括第一结构件和第二结构件，所述第一结构件的底部具有多个凸起结构，所述第二结构件的顶部具有多个凸起结构，且所述第一结构件上的多个凸起结构与所述第二结构件上的多个凸起结构相互错开；
所述第三多模光纤置于所述第一结构件的底部与所述第二结构件的顶部之间，所述第一结构件和所述第二结构件用于挤压所述第三多模光纤，以使得所述第三多模光纤弯曲。
11.一种网络设备，其特征在于，包括权利要求1-10中任意一项所述的光模块。
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