CN1387626A - 多模光纤系统的模式匹配 - Google Patents

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Abstract

通过一个锥形耦合器使一个单模波导和高带宽局域光网络的多模光纤耦合,扩展了传输光束的光斑尺寸来满足多模光纤的额外模式。锥形耦合器的纤心由内包层和外包层包围。纤心和内包层沿着它们的长度方向拉制,迫使光从纤心进入包围着的内包层。外包层把扩展光束限制在纤心和内包层里。

Description

多模光纤系统的模式匹配
                         发明背景
1.技术领域
本发明一般涉及激光源和多模光纤的耦合，特别用于支持工作在短距离的恒定带宽。
2.技术背景
在建筑内和建筑之间的局域光网络经常使用多模光纤来传输高速度信号。多模光纤的纤心直径比单模光纤的纤心大，而且能够传输更多能量。大的芯径也使光纤之间的连接对准或光纤与其它网络的连接更简单。多数多模光纤配用于通常的发光二极管(LED)源。这些源的调制能力有限，所以只能支持大约500MB/s的数据速率。为了支持更高的速度，比如1.25GB/s(G比特以太网标准)，系统需要激光源。但是，对法布里-珀罗(FP)激光器和垂直腔表面发射激光器(VCSELs)这样的激光器，人们更需要它们的高功率、窄光谱线宽、高调制速率及能够和多阵列(arrays)耦合，通常很少能可靠地与多模光纤耦合。
与通常的LED源比较，激光器(FP激光器和VCSELs)提供更小的光斑尺寸而未充满(underfill)多模光纤(也就是不是所有的模式同样被激发)。由于每个模式传输光略有不同，带宽在不同的填充条件之间变化。小的光斑尺寸还在多模光纤中心附近集中能量，在那里折射率分布特别难以控制。在将激光器和多模光纤的对准中，小的变化能够产生更多的带宽变化。
虽然多模激光器能够根据激光源调整到最佳带宽，但是调整需要现场测试或其它特别维护，那样会使网络安装复杂化并且增加费用。比如，需要重复试验来确定对准位置能支持足够的带宽，还必须在链路里增加专用装置以确保对准能够保持。
                         发明内容
本发明对多模光纤网络提供了更可靠的带宽。根据我们的发明安排的多模耦合器使激光源的输出光束扩展，以便更均匀地填充多模光纤的模式。由多模光纤支持的这样得到的带宽对激光源对准变化不很敏感，于是可使用FP激光器和VCSEL源使网络设施升级而不需要对准位置的试验和误差调节。
根据我们发明的一个实施例，以模式为条件的多模光纤系统包括一个多模耦合器，它的第一端连接着激光源，第二端连接着多模光纤，中间部分连接着两端。耦合器的中间部分在第一和第二端之间呈锥形，逐步增大单模或其它小于过满光束的直径，这些光束从激光源进入耦合器的第一端。光束直径被增加到可以填充至少一半、最好是全部多模光纤模式的尺寸。
耦合器内是一个被内部和外部包层包围的纤心。纤心和至少内部包层沿着耦合器长度方向被引向更小的横截面尺寸，于是迫使在纤心以外传输的光束进入内部包层。在耦合器第二端保持足够的内部包层，使扩展的光束以期望的光束直径传导。
在耦合器第一端的纤心和内部包层的复合直径，其尺寸可形成连接于激光源的单模或再稍大一些。在第一端的数值孔径和光束直径最好匹配激光源的特性。耦合器第二端的纤心和内部包层的复合直径，其尺寸可形成连接多模光纤的多模。在第二端的数值孔径和光束直径足以匹配多模光纤的特性，以激发多模光纤的大多数甚至所有模式。耦合器第二端的光束直径最好等于至少是多模光纤纤心直径的一半。
根据本发明，诸如FP激光器和VCSEL源的激光源能够与多模光纤耦合，方法是将多模耦合器的第一端与激光源相连，将多模耦合器的第二端与多模光纤相连，光束直径沿着多模耦合器的长度扩展，这样多模光纤的模式会更均匀地被光束所填充。最好多模光纤的至少一半甚至所有模式被填充。使多模耦合器的纤芯逐渐变细而扩展光束，促使更多的光束进入包围的内部包层。外部包层则把扩展的光束限制在内部包层里。
放置在激光源和多模光纤之间的多模耦合器形成了连接着激光源的单模或稍大一点的模以及连接着多模光纤的多模。结果，光束扩展减小了带宽对多模耦合器和多模光纤之间径向对准变化的灵敏度。因此，多模耦合能够对准到与多模光纤之间耦合相似的精度。
本发明另外的特色和优点将在下面的详细描述中阐明，通过该描述或对这里描述的发明在实践上的认识，包括下面的详细描述、权利要求书以及附图，本领域的技术人员能够很容易地部分明白所述发明。
可以理解，前面的概要描述和下面的详细描述只是示范了该发明，并且为理解本发明所要求的特点和性质提供了一种综述和框架。另外，所包括的附图也能增进对本发明的理解并且组成了说明书的一部分。附图示出了本发明的不同实施例，同时与描述部分一起解释了本发明的工作原理。
                         附图简述
图1是将单模光纤连接到多模光纤的多模耦合器的截面图。
图2是将激光源连接到多模光纤的多模耦合器的截面图。
图3是对准灵敏度比较图，示出了在单模波导和多模光纤之间接入和不接入多模耦合器的对准灵敏度。
                    较佳实施例的详细描述
现在详细参照本发明的较佳实施例，其中的例子在附图中示出。我们发明的一个多模耦合器的示范实施例在图1中示出并标为10。
在图1中，多模耦合器10把单模光纤12连接到多模光纤14，为单模光纤12和多模光纤14之间的对准提供了更可靠的带宽并且减小了灵敏度。单模光纤12和多模光纤14有常规的纤心16，20和包层18，22。多模光纤纤心20的直径dM1比单模光纤纤心16的直径dS1大几倍(比如7或8倍)。但是，单模光纤包层18和多模光纤包层22的直径dS2和dM2近似相同。
多模耦合器10的第一端24和第二端26通过中间部分28连接，中间部分有一个纤心30并由内包层32和外包层34包围。耦合器纤心30在第一端有与单模光纤12直径dS1匹配的初始直径dA1，然后沿中间部分28逐渐变细，在邻近多模光纤14的第二端26成为更小的最终直径dB1。相似的，耦合器10的内包层32有一个与单模光纤12包层直径dD2匹配的初始直径dA2。但是，沿中间部分28相似的内包层32锥形导致最终直径dB2，最好比多模光纤纤心20的直径dM1较小些。
纤心30和内包层32从第一端24的直径dA1，dA2较好的拉到第二端26的直径dB1，dB2，较好的锥形比率小于5比1，更常见的在2.5比1左右。锥形长度(比如0.5cm)较好的充分支持光能量从纤心30到内包层32的绝热渡越。
外包层34直径的较好尺寸是1到3毫米，它在第一端24包围了单模光纤12并且在第二端26邻接着多模光纤14。其它许多安排也可能符合外包层34的一种或多种功能，包括对底层30和32的结构支持和保护，并且把光限制在内包层32里。外包层34最好与内包层32和纤心30相似地逐渐变细，基本上象人为的耦合制造。
比如，将通常的光纤或光纤部分插入一根毛细管，毛细管被加热并且在光纤周围均匀地塌缩，于是形成了耦合器10。复合的光纤和管子被加热并从相反的两端拉长，于是产生了需要的锥形，在锥形中间部分切割可以制造一对耦合器。
纤心30和耦合器10的内包层32能够由通常的光纤形成。外包层34能够由毛细管形成。管子最好由掺杂诸如硼或氟的石英制造，以将其折射率减到至少为内包层32的水平。外包层34的折射率最好比内包层32的折射率低，以引导光沿着内包层32传输。
由两个发明人共同转让的美国专利4,763,976描述了不同用途的相似耦合器，该专利的题目是“使用模场修正的连接器”。该专利通过引用包括在此。
图2示出了另一个多模耦合器40，它将垂直腔表面发射激光器42(VCSEL)耦合到多模光纤44。其它的激光或其它光源也能使用，但是我们的发明对输出小光斑尺寸的激光器诸如VCSELs或FP(法布里-珀罗)激光器特别有利。与耦合器10相似，耦合器40包括第一和第二端46和48，通过中间部分50连接，中间部分的纤芯52被内包层54和外包层56包围。第一端46邻接耦合到激光器42，第二端48相似地耦合到多模光纤44。
与前面实施例相似，纤心52和内包层54从第一端46锥形到第二端48。外包层56示出了相似的锥形，但是其它纵向变化包括根本不锥形也是可能的。多模光纤44有通常尺寸的一个纤心60和一个包层62，耦合器40依据它制作尺寸来增进与激光器42的耦合可靠性。
耦合器10和40的特定尺寸主要由下述要求决定
(a)满足由多模光纤14和44传输的模式，(b)减小耦合器10、40和多模光纤14、44之间的对准变化的灵敏度，(c)限制光源12、42和多模光纤14、44之间的传输损耗。锥形纤心30、52迫使光从纤心30、52进入包围着的内包层32、54部分。由耦合器10、40传输的光束，其直径从第一端24、46到第二端26、48增大。
耦合器10、40扩大的光束直径最好等于多模光纤纤心20、60的直径dM1的至少一半，但是比纤心20、60的直径dM1小。如果光束直径扩展得太大，光会伸展超过多模光纤纤心20、60并散失。如果光束直径扩展得太小，光激发的多模光纤14和44的模式不足以提供可靠的性能。虽然直径从dA2到dB2逐渐减小，内包层32和54最好保持足够的尺寸来传导扩大的光斑尺寸的光束通过耦合器10、40的中间部分28、50。
在耦合器10和40的第一端24、46，纤心30、52和内包层32、54的直径dA1和dA2被定径形成单模或稍大来连接光源——最好是诸如光纤12的单模光纤的中间或直接连接诸如激光器42的光源。在第一端24和46的数值孔径和光斑尺寸直径最好与光源的相应特性匹配。诸如850nm VCSELs和1300nm FP激光器源这样的一些光源所产生的输出光束比单模光纤的纤心稍大一点。纤心30和52的直径dA1和dA2相应地定径为比通常的单模尺寸稍大，来更完全地将这样的激光源的输出耦合到多模耦合器10和40。
在耦合器10和40的第二端26、48，纤心30、52和内包层32、54的直径dB1和dB2被定径形成多模来连接多模光纤14和44。在第二端26和48的数值孔径和光斑尺寸直径最好与多模光纤14和44的相应特性匹配，以激发多模光纤14和44的多数模甚至全部模。
图3的曲线图描述了由我们的多模耦合器10和40提供的减小对准灵敏度的一个例子，其中绘制的带宽是单模波导和多模光纤之间径向位置的函数。曲线70的数据点指定为钻石状，它描述了单模波导和多模光纤直接连接的灵敏度。虽然在对准极好的位置初始带宽很高，小于1微米的径向失准会导致大约50％的带宽减小。大于6微米的失准就不只是恢复初始带宽。包括为实现所需的失准而作的单模波导和多模光纤之间的试验和误差调节的调试，会给局域光网络的装配增加时间、花费或不确定性。
曲线72的数据点指定为正方形，它示出了通过我们的多模耦合器10或40的中间部分将单模波导耦合到同样的多模光纤所预期的更稳定的性能。作为数值举例，从耦合器出射的光束尺寸直径(FWHM)大约30到35微米，数值孔径(NA)大约0.10到0.14。通过大约前14微米的径向失准，带宽保持得十分稳定。由于耦合能够在这样的容差内正常地实现，增加我们的多模耦合器10或40可在支持预期带宽的单模波导和多模光纤之间作可靠的耦合。
耦合器10和40最好装配在激光器封装外壳里，能够直接与激光器相连(比如耦合器40)或通过单模光纤尾纤间接地连接激光器(比如耦合器10)。多模光纤14或44能够在随后的安装中连接耦合器10或40，或者有限长度的多模光纤14或44能够预先作为跳线光缆来连接，这样只需要常规的对接耦合就可增加额外的长度。
上面对我们发明的详细例子揭示了我们发明的较好的实施例。但是，技术人员将清楚本发明能够用与本发明对工艺的全部教导和贡献一致各种其它形式实施。比如，本发明能够用平面技术实施，其中波导层由薄片代替同心环来形成。
本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种变换和修改。这样，本发明包括对该发明的变换和修改，只要它们符合后附的权利要求书及其等效技术文件的范围。

Claims (30)

1.一种以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，包括：
一个多模耦合器，它的第一端连接着光源，第二端连接着多模光纤，中间部分连接着第一和第二端；
耦合器的中间部分在第一端和第二端之间逐渐变细，以增大从光源进入第一端的光束的光斑尺寸；
光斑尺寸沿着中间部分增大以满足多模光纤的多数模式。
2.如权利要求1所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，光斑尺寸增大到满足多模光纤的至少一半模式。
3.如权利要求1所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，光斑尺寸增大到满足多模光纤的几乎所有的模式。
4.如权利要求1所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，多模耦合器包括：
一个纤心，它被内包层和外包层所包围，
一个纤心和内包层的复合直径，它从多模耦合器的第一端到多模耦合器的第二端逐渐变细，并且
多模耦合器第二端的复合直径根据多模光纤的纤心直径定径，以便以至少等于多模光纤纤心直径一半的直径传输光束。
5.如权利要求4所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，外包层把光束限制在纤心和多模耦合器第二端的内包层中。
6.如权利要求5所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，外包层在多模耦合器第二端的内部直径小于多模光纤的纤心直径。
7.如权利要求4所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，多模耦合器第一端的纤心直径大于从光源进入多模耦合器的光束直径。
8.如权利要求4所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，多模耦合器第一端的复合直径比多模耦合器第二端的复合直径大至少两倍。
9..如权利要求4所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，多模耦合器第一端的复合直径比多模耦合器第二端的复合直径大不多于5倍。
10.如权利要求1所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，多模耦合器的第一端直接连接光源。
11.如权利要求1所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，多模耦合器的第一端通过一根单模光纤连接光源。
12.如权利要求1所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，多模耦合器的第一端形成了一个单模来连接光源。
13.如权利要求1所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，光源是一个垂直腔表面发射激光器。
14.如权利要求1所述的以模式为条件的多模光纤系统，其特征在于，光源是一个法布里-珀罗激光器。
15.将激光源耦合到多模光纤的方法，其特征在于，包括了以下步骤：
将多模耦合器的第一端接到激光源；
将多模耦合器的第二端接到多模光纤；
将激光源光束引到多模耦合器的第一端；并且
沿多模耦合器的长度方向扩展光束的光斑尺寸，使得光束更均匀地填充多模光纤模式。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，扩展步骤包括将光斑尺寸扩展到满足多于多模光纤的一半模式。
17、如权利要求15所述的方法，其特征在于，扩展步骤包括将光斑尺寸扩展到满足基本上所有的多模光纤的模式。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，扩展步骤包括将光斑尺寸扩展到等于多模光纤纤心直径的至少一半的直径。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，扩展步骤包括沿着耦合器长度方向使所述多模耦合器的纤心逐渐变细，把光束扩展到所包围的包层区域。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，连接第一端的步骤包括把第一端和激光源直接相连。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，连接第一端的步骤包括通过单模光纤的中间部分把第一端和激光源相连。
22.如权利要求15所述的方法，其特征在于，连接第一端的步骤包括形成一个单模来连接激光源。
23.如权利要求15所述的方法，其特征在于，连接第一端的步骤包括把第一端和垂直腔表面发射激光器相连。
24.如权利要求15所述的方法，其特征在于，连接第一端的步骤包括把第一端和法布里一珀罗激光器相连。
25.增加激光源在多模光纤里激发的模数的方法，其特征在于，包括了以下步骤：
把多模耦合器安置在激光源和多模光纤之间；
在激光源和多模耦合器的第一端之间形成单模连接；和
在多模耦合器的第二端和多模光纤之间形成多模连接。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，形成单模连接的步骤包括使多模耦合器第一端的数值孔径和光斑尺寸直径与激光源的数值孔径和光斑尺寸直径相匹配。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，形成多模连接的步骤包括使多模耦合器第二端的数值孔径和光斑尺寸直径与多模光纤的数值孔径和光斑尺寸直径充分匹配，以激发多模光纤的至少一半模式。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，多模耦合器第二端的数值孔径和光斑尺寸直径充分匹配，以激发多模光纤的几乎所有的模式。
29.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括扩展激光源在多模耦合器第一和第二端之间的光束的步骤。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，光束扩展的量可减小带宽对多模耦合器第二端和多模光纤之间对准偏差的灵敏度。
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