CN115542472A - 一种光模块及网络设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种光模块及网络设备。该光模块包括：多模光源、滤模装置和耦合装置；所述滤模装置靠近所述多模光源，用于滤除所述多模光源输出的多模光信号中除所需模式外的模式；所述耦合装置的一端靠近所述滤模装置，所述耦合装置的另一端靠近多模光纤，用于将所述滤模装置输出的光信号耦合至所述多模光纤。基于本申请提供的光模块，能够在多模光纤中传输少量模式的光信号，较大程度地减小了模间色散的影响，从而能够在维持传输距离不变的基础上，提高光信号在多模光纤中的传输速率。

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。由于多模光纤中同时传输多种模式的光信号，会产生模间色散效应，使得传输信号失真，限制了多模光纤的有效模式带宽，进而导致多模光纤无法长距离传输信号。并且，随着传输速率的增加，多模传输通信系统的传输距离会进一步缩短。
随着人们通信需求的不断增加，通信容量也在进一步加大，这就要求传输速率进一步提升。在此情景下，传统的多模传输系统已经难以实现在提升传输速率的基础上维持当前的传输距离。
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速率升级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速率升级且成本较低的网络改造方法。
发明内容
本申请提供了一种光模块以及网络设备，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传输系统作为数据传输媒介，传输速率较低的问题。
本申请第一方面提供一种光模块，包括：多模光源、滤模装置和耦合装置；所述滤模装置靠近所述多模光源，用于滤除所述多模光源输出的多模光信号中除所需模式外的模式。例如，LP01模式和LP11模式为所需模式(即需要保留的模式)，所述滤模装置将所述多模光信号中除了LP01模式以及LP11模式之外的模式滤除，使得滤模装置所输出的光信号中只包括LP01模式以及LP11模式。所述耦合装置的一端靠近所述滤模装置，所述耦合装置的另一端靠近多模光纤，用于将所述滤模装置输出的光信号耦合至所述多模光纤。也就是说，所述耦合装置可以使得所述滤模装置所输出的光信号中的模式与所述多模光纤中的模式匹配，而不会激发出新的模式。
本方案中，通过光模块中的滤模装置滤除多模光源所输出的光信号中的部分模式，得到仅包含少量模式的光信号。并且，由耦合装置将滤模后的光信号耦合至多模光纤中，避免激发其他模式，保证了多模光源输出的光信号能够以少量模式在多模光纤中传输。由于多模光纤中传输的是少量模式的光信号，较大程度地减小了模间色散的影响，从而能够在维持传输距离不变的基础上，提高光信号在多模光纤中的传输速率。
在一种可能的实现方式中，所述滤模装置包括第一芯层和第二芯层，所述第一芯层的第一端靠近所述多模光源，所述第一芯层的第二端与所述第二芯层的第一端连接，从所述第一芯层的第一端到所述第一芯层的第二端，所述第一芯层的芯径逐渐减小；所述第二芯层的芯径固定，且所述第二芯层的芯径值与所述第一芯层的第二端的芯径值相同。
在一种可能的实现方式中，所述耦合装置包括第三芯层，所述第三芯层的第一端与所述第二芯层的第二端连接，且所述第三芯层的第一端的芯径值与所述第二芯层的芯径值相同；从所述第三芯层的第一端到所述第三芯层的第二端，所述第三芯层的芯径逐渐增大。
在一种可能的实现方式中，所述第一芯层的第一端的芯径值使得所述所需模式的耦合效率大于设定的阈值，所述第一芯层的第二端的芯径值使得仅有所述所需模式的光信号通过所述第二芯层，所述第三芯层的第二端的芯径值使得所述所需模式与所述多模光纤中的模式匹配。例如，假设光信号中所需模式为LP01模式和LP11模式，设定的阈值为95％，则第一芯层121的第一端的芯径值可以为12-14微米(μm)。类似地，假设光信号中所需模式为LP01模式和LP11模式，所述第一芯层的第二端的芯径值可以为9-10微米，第三芯层的第二端的芯径值可以为12-14微米。
在一种可能的实现方式中，所述第一芯层的长度使得多模光信号中的所述部分模式被充分滤除，所述第三芯层的长度使得多模光信号中的所述所需模式与所述多模光纤中的模式匹配。例如，假设光信号中所需模式为LP01模式和LP11模式，设置第一芯层的长度大于2毫米，可以使得多模光信号中除LP01模式和LP11模式之外的模式被充分滤除；设置第三芯层的长度大于2毫米，可以使得多模光信号中的LP01模式和LP11模式与所述多模光纤中的模式匹配，提高多模光信号的耦合效率。
在一种可能的实现方式中，所述滤模装置和所述耦合装置一体成型。
在一种可能的实现方式中，所述滤模装置包括准直透镜和阻挡靶，所述耦合装置包括汇聚透镜；所述准直透镜用于接收所述多模光源输出的多模光信号，并将所述多模光信号转换为平行的光信号；所述阻挡靶用于阻挡所述平行的光信号中除所述所需模式外的模式,并使得所述平行的光信号中的所需模式通过；所述汇聚透镜用于将经过所述阻挡靶的光信号耦合至所述多模光纤。
在一种可能的实现方式中，所述阻挡靶使得多模光信号中除所述所需模式外的模式被充分滤除，而仅通过多模光信号中的所需模式。
在一种可能的实现方式中，所述阻挡靶为圆环形状，所述阻挡靶的内径为0.5-1.5毫米，所述阻挡靶的外径大于2毫米。
在一种可能的实现方式中，所述滤模装置输出的光信号所包括的模式为LP01模式和LP11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一种光传输系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的多模光发送模块的一种结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种滤模装置和耦合装置的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的多模光发送模块的另一种结构示意图；
图5为本申请实施例提供的阻挡靶的一种结构示意图；
图6为本申请实施例提供的光强分布示意图。
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。由于各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，可在光纤内激发这些模式中的一部分或全部。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。
在多模光纤通讯中，不同模式间的色散可导致光信号被展宽或畸变，导致光信号转换得到的电脉冲信号也被展宽或畸变，不易被分辨，最终导致误码率(bit error rate，BER)增加，从而限制了多模光纤的有效模式带宽。因此，通过减少多模光纤中的模式色散，可以增加多模光纤的有效模式带宽，提高光信号在多模光纤中的传输速率。
图1为本申请实施例提供的一种光传输系统的结构示意图。如图1所示，该光传输系统包括多模光发送模块10、多模光纤20以及多模光接收模块30。其中，多模光发送模块10输出具有部分模式的多模光信号，并将该多模光信号耦合至所述多模光纤，最终由多模光接收模块30接收多模光纤中的多模光信号。
图2为本申请实施例提供的多模光发送模块的一种结构示意图。如图2所示，上述的多模光发送模块10包括：多模光源11、滤模装置12和耦合装置13。其中，所述多模光源11用于输出多模光信号，且所述多模光源11所输出的多模光信号包括多个模式，例如LP01模式、LP11模式、LP02模式、LP12模式以及LP21模式等。
所述滤模装置12靠近所述多模光源11，用于滤除所述多模光源11输出的多模光信号中除所述所需模式外的模式。例如，所述滤模装置11将所述多模光信号中除了LP01模式以及LP11模式之外的模式滤除，使得滤模装置11所输出的光信号中只包括LP01模式以及LP11模式。
所述耦合装置13的一端靠近所述滤模装置12，所述耦合装置13的另一端靠近多模光纤，用于将所述滤模装置12输出的光信号耦合至所述多模光纤。也就是说，所述耦合装置13可以使得所述滤模装置12所输出的光信号中的模式与所述多模光纤中的模式匹配，而不会激发出新的模式。
图3为本申请实施例提供的一种滤模装置和耦合装置的结构示意图。如图3所示，滤模装置12包括第一芯层121和第二芯层122。所述第一芯层121例如为图2中的A-B段芯层，所述第二芯层122例如为图2中的B-C段芯层。所述第一芯层121的第一端(即图3中的A端)靠近多模光源，所述第一芯层121的第二端(即图3中的B端)与所述第二芯层122的第一端连接。从所述第一芯层121的第一端到所述第一芯层121的第二端(即从图3中的A端到B端)，所述第一芯层121的芯径逐渐减小。所述第二芯层122的芯径固定，且所述第二芯层122的芯径值与所述第一芯层121的第二端的芯径值相同。
所述耦合装置13包括第三芯层131，所述第三芯层131的第一端与所述第二芯层122的第二端连接，且所述第三芯层131的第一端的芯径值与所述第二芯层122的芯径值相同。从所述第三芯层131的第一端到所述第三芯层131的第二端(即从图3中的C端到D端)，所述第三芯层131的芯径逐渐增大。
当多模光源输出光信号之后，第一芯层121的第一端接收多模光源所输出的光信号，并且耦合多模光源所输出的光信号中的部分模式(即光信号的所需模式)，滤除多模光源所输出的光信号中的其余模式。芯径固定的第二芯层122继续传输第一芯层121所输出的光信号，并进一步滤除该光信号中除了所需模式之外的其余模式。最终，由芯径逐渐增大的第三芯层131将第二芯层122所输出的光信号耦合至多模光纤中，从而使得第二芯层122所输出的光信号的模式能够与多模光纤中的模式匹配。
可选的，滤模装置12和耦合装置13可以为一体成型的光波导。该光波导包括滤模装置12、耦合装置13和包层123。其中，包层123是指在承载光信号的芯层外面所覆盖的一层玻璃或其他的透明材料。包层123具有比芯层略低的折射系数，因此能将光信号限制在芯层里传播。
本实施例中，通过光模块中的滤模装置滤除多模光源所输出的光信号中的部分模式，得到仅包含少量模式的光信号。并且，由耦合装置将滤模后的光信号耦合至多模光纤中，避免激发其他模式，保证了多模光源输出的光信号能够以少量模式在多模光纤中传输。由于多模光纤中传输的是少量模式的光信号，较大程度地减小了模间色散的影响，从而能够在维持传输距离不变的基础上，提高光信号在多模光纤中的传输速率。
可选的，通过设置所述第一芯层的第一端的芯径值，能够使得光信号中所需模式的耦合效率大于设定的阈值。例如，假设光信号中所需模式为LP01模式和LP11模式，设定的阈值为95％，则第一芯层121的第一端的芯径值可以为12-14微米。
当光信号通过芯径逐渐减小的第一芯层时，非所需模式的部分光信号进入包层区域而耗散掉，属于所需模式的光信号则继续传输。
所述第一芯层的第二端的芯径值则使得仅有所述所需模式的光信号通过所述第二芯层，而非所需模式的光信号则无法通过所述第二芯层，从而充分滤除光信号中的其余模式。例如，假设光信号中所需模式为LP01模式和LP11模式，则所述第一芯层的第二端的芯径值可以为9-10微米。
所述第三芯层的第二端的芯径值使得光信号中的所需模式与所述多模光纤中的模式匹配。例如，假设光信号中所需模式为LP01模式和LP11模式，由于LP01模式和LP11模式在多模光纤中的模场直径约为13微米，因此，第三芯层的第二端的芯径值可以设置为12-14微米，以确保光信号中的所需模式与所述多模光纤中的模式匹配。
可选的，通过设置所述第一芯层的长度，可以使得多模光信号中的部分模式(即除所需模式之外的模式)被充分滤除。例如，假设光信号中所需模式为LP01模式和LP11模式，设置第一芯层的长度大于2毫米，可以使得多模光信号中除LP01模式和LP11模式之外的模式被充分滤除。
通过设置所述第三芯层的长度，可以使得多模光信号中的所需模式与所述多模光纤中的模式匹配。例如，假设光信号中所需模式为LP01模式和LP11模式，设置第三芯层的长度大于2毫米，可以使得多模光信号中的LP01模式和LP11模式与所述多模光纤中的模式匹配，提高多模光信号的耦合效率。
图4为本申请实施例提供的多模光发送模块的另一种结构示意图。如图4所示，滤模装置包括准直透镜124和阻挡靶125，所述耦合装置包括汇聚透镜132。
其中，所述准直透镜124靠近于多模光源11，用于接收所述多模光源11输出的多模光信号，并将所述多模光信号转换为平行的光信号。例如，在图4中，多模光源11所输出的多模光信号为发散的光信号a，经过所述准直透镜后，则转换为了平行的光信号b。
所述阻挡靶的一侧靠近于所述准直透镜124，用于阻挡所述平行的光信号中除所述所需模式外的模式,并使得所述平行的光信号中的所需模式通过。
所述汇聚透镜132用于将经过所述阻挡靶的光信号耦合至所述多模光纤。具体地，所述汇聚透镜132将经过所述阻挡靶的平行光信号汇聚至多模光纤。在实际应用中，通过调整汇聚透镜132的交点与多模光纤端面之间的距离，即可实现汇聚透镜132所汇聚的光信号的模式与所述多模光纤中的模式匹配。
可选的，所述阻挡靶125用于使得多模光信号中的部分模式被充分滤除，而仅通过多模光信号中的所需模式。示例性地，图5为本申请实施例提供的阻挡靶的一种结构示意图。如图5所示，假设光信号中所需模式为LP01模式和LP11模式，所述阻挡靶125例如可以为圆环形状，且所述阻挡靶125的内径r1为0.5-1.5毫米，所述阻挡靶125的外径r2大于2毫米。
一般来说，多模激光器所输出的光信号的模式为低4阶模组(mode group)。其中，LP01模式和LP11模式属于低2阶模组。模式的阶数越低，则模式的模场直径越小。
如图6所示，图6为本申请实施例提供的光强分布示意图。图6表示的是多模光源出射点处各阶模式的光强分布。具体地，图6中的(a)表示的是1阶模组和2阶模组(即LP01模式和LP11模式)的模场分布，1阶模组和2阶模组的模场直径约为4微米。图6中的(b)表示的是3阶模组和4阶模组的模场分布，3阶模组和4阶模组的模场直径约为8微米。
当多模光源所输出的光信号经过准直透镜124后，经由准直透镜124放大，1阶模组和2阶模组的模场直径约为1毫米，3阶模组和4阶模组的模场直径约为2毫米。因此，通过设置阻挡靶的内径为0.5-1.5毫米，且阻挡靶125的外径大于2毫米，可以通过1阶模组和2阶模组的光信号，而阻挡3阶模组和4阶模组的光信号，从而起到滤模的效果。
此外，由于光信号经过准直透镜124后，光信号的各阶模组的模场直径会受到准直透镜124的放大倍率的影响，因此在实际应用中可以根据准直透镜124的实际放大倍率来调整阻挡靶的内径和外径，以实现通过1阶模组和2阶模组的光信号，而阻挡3阶模组和4阶模组的光信号。
本申请上述各实施例中的第一芯层、第二芯层和第三芯层通常可以是被包裹在外壳中，该外壳的直径大小和材质可以根据需要选择，本申请不做限制。所述第一芯层和第二芯层及其外壳的组合，可以是光纤或其他的能够传输光信号的光波导。
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：多模光源、滤模装置和耦合装置；
所述滤模装置靠近所述多模光源，用于滤除所述多模光源输出的多模光信号中的除所需模式外的模式；
所述耦合装置的一端靠近所述滤模装置，所述耦合装置的另一端靠近多模光纤，用于将所述滤模装置输出的光信号耦合至所述多模光纤。
2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述滤模装置包括第一芯层和第二芯层，所述第一芯层的第一端靠近所述多模光源，所述第一芯层的第二端与所述第二芯层的第一端连接，从所述第一芯层的第一端到所述第一芯层的第二端，所述第一芯层的芯径逐渐减小；
所述第二芯层的芯径固定，且所述第二芯层的芯径值与所述第一芯层的第二端的芯径值相同。
3.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述耦合装置包括第三芯层，所述第三芯层的第一端与所述第二芯层的第二端连接，且所述第三芯层的第一端的芯径值与所述第二芯层的芯径值相同；
从所述第三芯层的第一端到所述第三芯层的第二端，所述第三芯层的芯径逐渐增大。
4.根据权利要求3所述的光模块，其特征在于，所述第一芯层的第一端的芯径值使得所述所需模式的耦合效率大于设定的阈值，所述第一芯层的第二端的芯径值使得仅有所述所需模式的光信号通过所述第二芯层，所述第三芯层的第二端的芯径值使得所述所需模式与所述多模光纤中的模式匹配。
5.根据权利要求3或4所述的光模块，其特征在于，所述第一芯层的长度使得多模光信号中的所述部分模式被充分滤除，所述第三芯层的长度使得所述多模光信号中的所述所需模式与所述多模光纤中的模式匹配。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的光模块，其特征在于，所述滤模装置和所述耦合装置一体成型。
7.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述滤模装置包括准直透镜和阻挡靶，所述耦合装置包括汇聚透镜；
所述准直透镜用于接收所述多模光源输出的多模光信号，并将所述多模光信号转换为平行的光信号；
所述阻挡靶用于阻挡所述平行的光信号中的除所述所需模式外的模式；
所述汇聚透镜用于将经过所述阻挡靶的光信号耦合至所述多模光纤。
8.根据权利要求7所述的光模块，其特征在于，所述阻挡靶使得多模光信号中的除所述所需模式外的模式被充分滤除。
9.根据权利要求8所述的光模块，其特征在于，所述阻挡靶为圆环形状，所述阻挡靶的内径为0.5-1.5毫米，所述阻挡靶的外径大于2毫米。
10.根据权利要求1-8任意一项所述的光模块，其特征在于，所述滤模装置输出的光信号所包括的模式为LP01模式和LP11模式。
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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