专利名称：光通信系统以及配有该系统的接入网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种接入网络，用于经由交换机在传送网络和用户的至少一个通信媒介之间交换通信信号，包括用于在所述交换机和所述至少一个通信媒介之间交换通信信号的光学纤维连接或光学纤维链路。
背景技术：
这样的接入网络，也称为“本地回路”是众所周知的，它们用来将一组用户连接到通信网络。在这样的网络中，用户借助于“本地尾部(local tail)”被连接到通信网络的交换机。交换机通过将来自接入网络的业务量转发给传送网络或“骨干”，或者通过将来自骨干的业务量传递给在接入网络中的正确“本地尾部”来处理进入业务量。本地业务量，例如本地电话呼叫，由交换机处理为把所述业务量从一个“本地尾部”直接传递给在接入网络中的另一个“本地尾部”。
在这样的接入网络中的“本地尾部”传统上由铜线制成，但是一段时间以来，这些铜导体由玻璃纤维导体所替换。关于这一点考虑借助于玻璃纤维连接整个街道、区、城市，其中现存的铜“本地尾部”由玻璃纤维所替换。
在接入网络中所使用的纤维通常是单模光学纤维。这样的一个理由是在单模纤维中实现的有效模式带宽；在单模纤维的情况下，所述有效模式带宽足够高，从而由模式色散所引起的信号变宽在距离达到大约5km上保持在限度之内，其中距离达到大约5km在接入网络中是经常出现的。因此，当使用单模纤维时，速度达到100Mbit/s是可以的。
使用单模纤维的一个缺点是该纤维相对小的芯直径。单模纤维的芯直径典型地小于10μm，由于该原因，两根单模纤维的焊接是一项需要极度细心的任务，因为在进行连接时，两根单模纤维的芯必须尽可能精确地对准。差的对准将导致跨越该焊接产生较大的光损耗。由于一般地，在接入网络中要进行大量数目的焊接，基于单模纤维的接入网络的实现是一项巨大的、耗时的以及昂贵的工程。
由于进一步地，不可能对于在接入网络中的所有焊接实现统一的质量，以及跨越这些焊接的性能强烈地依赖于该两根焊接在一起的纤维的芯怎样很好地或怎样很差地彼此连接，跨越每个焊接的光损耗相对较大，并且随着焊接而变化。除此之外，由焊接的存在所引起的总的光损耗强烈地依赖于在连接或链路中的焊接的数目。
另外的一个缺点是当单模纤维在其长度(部分)上弯曲时，在所述纤维中的相对较大的弯曲损耗。在接入网络的纤维中弯曲经常出现，但弯曲损耗问题特别地出现在焊接附近，其中用于焊接的超出纤维长度贮藏在贮藏盒中。通过将通常出现在焊接处的超出纤维长度贮藏在具有3.5-4cm半径(因此达到大约8cm的直径)的贮藏盒中，弯曲损耗可以保持在限度之内。在接入网络中，然而，这导致其他问题，如以下将解释的。
接入网络通常包括相对较多数目的焊接。理论上，可以将跟随相同路径的大量数目的纤维的超出长度捆扎在一起，以及将它们贮藏在单个贮藏盒中。这使得可以保持用于贮藏纤维所需要的空间量在限度之内。然而这不是通常的解决方案，因为在接入网络中，改变经常进行。这样的包含多个纤维的贮藏盒因此将不得不频繁地打开和处理。为了在一根纤维中进行改变的目的而移动该贮藏盒将导致干扰在贮藏在同一贮藏盒中的另外一根纤维中的传输。
因此，在接入网络中通常做法是将每个纤维连接不同地贮藏在贮藏盒中。考虑到大量数目的纤维和大量数目的焊接，使用相当多数目的贮藏盒，从而需要大量的空间量用于贮藏。然而，由于建筑物的密度不断地增加，特别是在城市中心，以及每个家庭/建筑物需要连接(有线电视、燃气、水、电、排水系统等)的其他网络也在增加，可用的空间同样也是有限的。关于这一点，考虑到当路面被弄破时对交通引起的不方便，当挖掘接入网络时，应当考虑尽可能少的影响路面。因此，剩下的唯一空间是人行道以下，关于这一点，还应当考虑到挖掘的深度也构成了一个限制因素。考虑到在其他深度处其他网络的存在，挖掘更深需要更好的准备以及要花更多的时间。
因此，本发明的一个目的是提供一种接入网络，其中跨越连接或链路的光损耗最小化，以及其中在地下的可用空间被得到尽可能经济地利用。
发明内容
由本发明实现上述和另外的目的，其中本发明在于提供一种接入网络，用于经由交换机在传送网络和用户的至少一个通信媒介之间交换通信信号，包括用于在所述交换机和所述至少一个通信媒介之间交换通信信号的光学纤维连接，特征在于，所述纤维连接包括至少一根多模纤维，该多模纤维具有芯和围绕所述芯的包层，该纤维在其长度的至少一部分上弯曲，用于基本上衰减在邻近所述包层的所述芯的中心周围的环状区域中传播的在该纤维中的所述通信信号的一个或多个模式。
本发明基于这样的洞察，即弯曲损耗主要出现在光信号的较高模式中。在具有给定曲率半径的多模纤维的卷绕部分中，当易于消失或变暗的较高模式已经从光信号消失时，弯曲损耗将强烈地在卷绕部分的长度上降低。所述较高价模式的消失发生在该纤维的弯曲部分的开始(从该光信号的传播的给定方向看)。在其上特别地较高模式的消失发生的长度相当于大约卷绕的纤维的一圈的长度。由于较高模式已经跨越第一圈(从该信号的传播的方向看)而消失，多模纤维中的光信号只包括对弯曲损耗不敏感，或几乎不敏感的较低模式，因此在另外的圈中和该纤维的进一步往下的任何另外弯曲部分中，几乎不再出现任何弯曲损耗。
由于所述弯曲不影响，或几乎不影响信号的较低模式，该纤维可以以比例如单模纤维的曲率半径小得多的曲率半径卷绕，其中在单模纤维中，全部信号对纤维的弯曲更加敏感。这使得可以使用具有小到10mm的曲率半径的贮藏盒，这对于经济地利用在地下的可用空间是一个重大的改进。
包括以这种方式使用的多模纤维的接入网络满足了在这样的网络中的最大弯曲损耗的要求。此外，跨越纤维贮藏取得的强度增益(由于改进的衰减特性)可以用于补偿该多模纤维的有效模式带宽。
除此以外，使用多模纤维的好处是，例如，纤维的芯直径比单模纤维的芯直径要大得多，因此更容易进行焊接。结果，包括大量数目的纤维以及更大量数目的焊接的整个接入网络的实现变得较不复杂，以及因此较不昂贵。
由于芯的直径变得大得多，对准要焊接在一起的两根纤维的芯将变得简单。结果，由于可以实现更高质量的焊接，焊接损耗将变小。由于根据本发明主要是光信号的较低模式在接入网络中传输，因此出现了关于跨越焊接的光损耗的进一步改进。所述较低模式集中于在穿过芯的中心轴处的基模的附近。在芯的外缘几乎不发生任何光信号传输。在低质量焊接的情况下，当两根纤维很差地对准时，在一根纤维的芯的截面没有连接到(或重叠)另一根纤维的芯的截面的点处将出现信号损耗。在纤维的外缘处，特别地是这种情况。主要包括低模式的光信号因此将对很差地进行的焊接较低敏感。
根据一个实施方式，环状区域依赖于所述至少一个弯曲部分的曲率半径，在所述芯的截面的部分上延伸。曲率半径的适应使得可以影响弯曲的纤维的衰减效果，特别是衰减哪些较高价信号和到什么程度。
根据一个实施方式，该纤维的弯曲的第一部分位于该纤维的第一端部附近。由于在焊接附近的光学纤维的端部处通常需要某一超出纤维长度，该弯曲的部分可以与该超出纤维长度相符，从而该纤维的卷起的部分形成其弯曲的部分。该纤维还可以在至少其第二部分上弯曲，该第二部分位于该纤维的第二端部的附近。这样的好处是在双向信号的情况下，在注入到该纤维之时，光信号的较高模式将已经衰减掉。
根据一个优选的实施方式，本发明提供了一种接入网络，其中纤维用其第一端部连接到一个光源，用于将光信号注入到该纤维，其中该纤维具有第一数值孔径，以及该光源具有第二数值孔径，以及其中为了以限模方式将光信号注入到纤维，从而将光信号尽可能地集中在纤维的基模，与第一数值孔径相比，第二数值孔径足够小。
通过借助于具有比纤维的数值孔径小得多的数值孔径的光源直接地将光注入到多模纤维，光将以限模方式(“限模注入”)被注入到多模纤维。这使得可以将由发送器单元注入到多模纤维的光信号尽可能地集中在纤维的基模，从而在纤维中光信号的传播将尽可能地沿着纤维的中心轴而发生。由于在纤维中的弯曲损耗特别地在多模纤维内的较高价模式中发生，其中较高价模式在芯的外部分(从中心轴看)，在光学纤维的包层附近中占优势，在多模纤维的弯曲部分中的弯曲损耗将极小。此外，由于纤维直接地连接到发送器单元，光连接本身不包括跨越其损耗将出现的任何额外焊接。
根据本发明的一个优选实施方式，以这样的方式配置该第二数值孔径，从而光信号主要集中在纤维的基模或在基模附近的一个或多个较低模式。
如上已经所述，最好尽可能地避免使用较高模式。考虑到在其输出获得尽可能最高的光输出，除了基模之外的其他的、在基模附近的较低模式的使用导致了光学纤维的有效使用。
根据本发明的另一个实施方式，该光源包括一个半导体激光器。例如，VCSEL型激光器可用于此目的。与平均多模纤维的数值孔径相比较，VCSEL激光器具有相对较小的数值孔径，因此它们非常适合于用于本发明。
本发明的另一个实施方式还包括一个接收器，其光连接到该纤维连接或链路，用于接收光信号。
在另一个优选实施方式中，本发明还提供了一种如上所述的光通信系统，其中光源包括在第一收发器中，该第一收发器用于将第一光信号注入到纤维，并接收来自纤维的第二光信号，还包括第二收发器，其光连接到该纤维连接，用于从该纤维接收所述第一光信号，其中所述第二收发器包括一个具有第三数值孔径的光源，用于将所述第二光信号注入到该纤维，与第一数值孔径相比，所述第三数值孔径足够小，用于以限模方式将光注入到该纤维，从而尽可能地将第二光信号集中在纤维的基模。
应当理解，以这种方式，很容易提供一种双向系统，其中受到弯曲和/或焊接损耗的影响不多，以及其中，此外，只使用多模纤维。关于这一点，应当注意，这样的系统不包括任何不必需的焊接。
根据另一个优选实施方式，所述第三数值孔径这样选择，从而光信号主要集中在纤维的基模或在基模附近的一个或多个较低模式。如上对前述单向解决方案的所述，考虑到在第二光信号接收侧上获得尽可能最高的光输出，以这种方式进行纤维的有效使用。
根据一个实施方式，为了最大化根据本发明的光通信系统的应用领域，所使用的多模纤维最好在经常用于光通信的波长处，例如光信号的波长超过800nm处，具有至少1000MHz.km的有效模式带宽(EMB)。该多模纤维特别地在波长大约850nm、大约1300nm、或大约1500nm处提供这样的有效模式带宽。优选地，该多模纤维在波长范围在1250nm至1700nm之间具有至少1000MHz.km的有效模式带宽(EMB)。
根据其另一个实施方式，使用在最低限度上在两个相差至少75nm的波长处具有至少1000MHz.km的有效模式带宽(EMB)的纤维作为所述多模纤维。这样的多模纤维的使用使得对于这样的光通信系统，可以使用波分复用(WDM)。
优选地，所述至少两个波长范围在1250nm至1700nm之间，这些波长经常用于在通信网络上传输光信号。
所使用的多模纤维可以具有至少50μm的模场直径。具有50μm或62.5μm的直径的纤维是经常使用的多模纤维，它们适合于在本发明的实施方式中使用。
纤维的弯曲的部分可以具有非常小的曲率半径，而弯曲损耗保持在限度内，这是因为这样的事实，即在原始信号中的较高模式已经基本上消失了，以及信号主要包括较低模式。
以相对小的曲率半径，例如小于2cm或甚至小于1cm的曲率半径卷起多模纤维的一部分，使得可以以非常紧凑的方式，贮藏多模纤维的任何超出长度。15mm的曲率半径也是可以的。通常用于贮藏纤维的超出长度的可用空间是有限的。这样的一个例子是，例如，在安装一个接入网络时在地下可用的空间量。在某些地方，特别是例如在大城市的中心，建筑物的密度非常大，同时此外，建筑物或房子连接到其中的基础设施网络(排水系统、能量、水...)的数目相当可观。虽然可以将多根纤维贮藏在单个贮藏盒中，然而在大多数情况下这不是优选的，因为在接入网络中需要相对频繁地进行改变。当在一个连接中进行改变时，贮藏盒的移动可以对贮藏在同一贮藏盒中的另一连接产生损坏。出于上述原因，对于每个连接，通常使用不同的贮藏盒。
从上述例子，很显然，主要好处通过使贮藏盒尽可能地紧凑，以及此外，尽可能地限制焊接的数目而实现。关于这一点，应当注意，通常纤维的超出长度必须可用于每个焊接，以可以在纤维中进行焊接。因此，对于每个焊接，至少一个贮藏盒不得不安装。根据另一个实施方式，该多模纤维因此绕一个圆柱体，例如一个贮藏盒卷绕。
在参考附图的本发明的非限制性实施方式的以下描述中，将更详细的讨论本发明，其中图1示意性地示出了在多模纤维中的光信号；图2示出了一个接入网络，在其中使用了根据本发明的光通信系统；
图3示出了在以“满注入”方式而注入到纤维的光信号中测量的弯曲损耗；图4示出了本发明的一个实施方式，其中通过光源将光注入到多模纤维。
具体实施例方式
图1示出了多模纤维1的芯，其在其长度的部分9卷绕(一圈)。在端部2，借助于光元件3，以所谓的“满注入”(OFL)方式，其中光被注入到多模纤维1的所有或几乎所有模式，光被注入到纤维1。该纤维的芯具有中心轴，其由在端部2附近的虚线5和由在纤维的进一步下面的，在弯曲部分9之后的虚线6所指示。
在图1中，以满注入方式而注入到该纤维的信号示意性地由该光信号的包络10所指示。由于该光信号的较高模式在弯曲部分9中被有效地衰减，在弯曲部分9之后，该信号将集中在较低阶和基模中。在图1中，这由在该端部之后的光信号的包络12所指示。
图2示出了在通信网络的接入网络中(示意性地示出)根据本发明的光通信系统的实现。在该示例性地指示的接入网络中，多个用户20、21、22、23、24和25连接到通信网络的骨干(未示出)。这通过借助于包括玻璃纤维的连接的本地尾部将每个用户(20、21、22、23、24和25)连接到配线架(“主配线架”-MDF)28而发生。用户20借助于多模纤维40连接到MDF 28。以类似的方式，用户21、22、23、24和25分别借助于多模纤维41、42、43、44和45连接到MDF 28。纤维45的光耦合27提供在配线架28和纤维40、41、42、43、44和45之间的光接触。
由于超出长度通常在多模纤维的连接的附近使用，在每个用户20、21、22、23、24和25的连接点的附近分别给出贮藏盒30、31、32、33、34和35，其中在所述盒中，超出的多模纤维长度被卷绕着。由于根据本发明的光通信系统的使用，分别在贮藏盒30、31、32、33、34和35中的卷起的纤维40、41、42、43、44和45的曲率半径例如可达0.5cm，从而每个贮藏盒的直径不大于(有些超过)1cm(包括该卷绕的纤维)。根据本发明的光通信系统的使用，特别是具有相对较大的数值孔径的多模纤维和具有相对较小的孔径的光源的使用，使得可以在贮藏盒中以小的曲率半径卷起纤维。由于多模纤维的较高阶模并不使用，或者几乎不使用，作为以这样的方式将光信号注入到多模纤维的结果，在贮藏盒30、31、32、33、34和35中几乎不出现任何弯曲损耗。
纤维40、41、42、43、44和45到配线架28的连接，例如借助于光耦合27，借助于虚椭圆形50(其指示放大的区域)和51(其指示放大)，在图2的放大视图中示出。在椭圆形51中，其示出了到配线架(28)的连接的放大，可以识别出在配线架附近每个连接的纤维提供有贮藏盒，例如贮藏盒38。并且在该情况下，由于光信号被注入到该多模纤维的方式，获得了在这样的贮藏盒中的弯曲损耗极小。借助于纤维连接29，配线架28还连接到通信网络的骨干(骨干没有示出)。
图3示出了用测试配置实现的实验的结果，其中光以所有可用模式的方式(“满注入”-OFL)注入到多模纤维。图3示出了在光信号中的弯曲损耗依赖于多模纤维在其上卷绕的长度。该实验用1300nm的光信号在渐变折射率多模纤维中实现。该卷绕的纤维的曲率半径是15mm。该图的垂直轴54表示以分贝的弯曲损耗，水平轴55指示通过该纤维的弯曲部分的光信号的路径。
该实验示出了最大的弯曲损耗出现在卷绕的多模纤维的开始40cm处。之后几乎不出现任何弯曲损耗。对于此的解释是弯曲损耗特别地出现在多模纤维中的信号的较高模的周围。在纤维的较高模式中的光信号将在包层中丢失，因此，该过程继续，直到最后仅该光信号的较低模式保留在多模纤维的芯中。由于在纤维中的光信号的较低模式几乎没有弯曲损耗问题，当在光信号中的较高模式已经基本上消失时，光信号基本上对在卷绕纤维的40cm之后的纤维的另外弯曲不敏感。
在图4中示出的、现在将讨论的本发明的实施方式，通过用相对小的数值孔径(与纤维本身的数值孔径相比较)将光注入到多模纤维，利用了该原理，从而光信号主要集中在较低模式中。由于在那情况下基本上没有较高模式存在于信号中，光信号将对纤维中卷绕和弯曲部分的存在不敏感。因此，弯曲损耗将相对较小。此外，通过利用这样的具有小数值孔径的光源，可以最小化在纤维连接中的焊接的数目。在例如包括相对很多焊接的接入网络中，这提供了主要的好处。
图4示出了本发明的一个实施方式，包括在71示意性地表示(以剖面图)的多模纤维，该多模纤维包括芯63和包层65。穿过该多模纤维的中心的中心轴借助于点划线76表示。该多模纤维光连接到光源68，其包括例如VCSEL类型激光器，并提供要注入到多模纤维的光束72。该光源68连接到传输系统70，或者形成传输系统70的部分，在该传输系统70中，例如，二进制电信号被转换为用来驱动光源68以提供该光信号。
提供光束72的光源68以这样的方式将光注入到该多模纤维，从而光信号尽可能地集中在多模纤维的基模和在所述基模附近的较低模式的周围。为此目的，这样选择光源68，从而其数值孔径与纤维的数值孔径相比相对较小。
由于信号集中在多模纤维的基模和较低模式74，并且因为不使用，或者几乎不使用多模纤维71的较高模式，作为其结果，如果多模纤维71例如在其长度的部分上弯曲(在图4中这没有示出)，只有很小的弯曲损耗将在多模纤维71中出现。
虽然在图4中，在光源和多模纤维71的端部之间看起来存在空气间隙，在实际中这不是必须情况。通常，在光源68和多模纤维71之间的光耦合是这样的，从而在该过渡处出现的光损耗将是极小的。通常，在图4中所表示的空气间隙是不出现的，因此，包括在图4中只是用于示意性地指示束72的目的。因此，光源68和纤维71的端部通常彼此紧密的接触。
只为了图示说明本发明的原理的目的而将实施方式在图中示出。这里所描述的本发明的范围只由权利要求所限制。因此，应当理解，这里以图示而示出的实施方式不能认为是限制性的。
权利要求
1.一种接入网络，用于经由交换机在传送网络和用户的至少一个通信媒介之间交换通信信号，包括用于在所述交换机和所述至少一个通信媒介之间交换该通信信号的光学纤维连接，其特征在于，所述光学纤维连接包括至少一根多模纤维，该多模纤维具有芯和围绕所述芯的包层，该纤维在其长度的至少一部分上弯曲，用于基本上衰减在邻近该包层的该芯的中心周围的环状区域中传播的在该纤维中的该通信信号的一个或多个模式。
2.根据权利要求1所述的接入网络，其中该环状区域依赖于所述至少一个弯曲的部分的曲率半径在该芯的截面部分上延伸。
3.根据任一个前述权利要求所述的接入网络，其中该纤维的至少弯曲的第一部分位于其第一端部的附近。
4.根据至少一个前述权利要求所述的接入网络，其中所述至少一个弯曲的部分包括第二弯曲的部分，其位于该纤维的第二端部的附近。
5.根据至少一个前述权利要求所述的接入网络，其中该纤维用其第一端部连接到一个光源，用于将光信号注入到该纤维，其中该纤维具有第一数值孔径，以及该光源具有第二数值孔径，以及其中为了以限模方式将该光信号注入到该纤维，从而将该光信号集中在该纤维的基模，与该第一数值孔径相比，该第二数值孔径足够小。
6.根据权利要求5所述的接入网络，其中以这样的方式配置该第二数值孔径，从而该光信号主要集中在该纤维的基模或在该基模附近的一个或多个较低模式。
7.根据权利要求5或6所述的接入网络，其中所述光源包括一个半导体激光器。
8.根据权利要求7所述的接入网络，其中所述半导体激光器是VCSEL类型激光器。
9.根据任何一个前述权利要求所述的接入网络，还包括一个接收器，其光连接到该纤维连接，用于接收该光信号。
10.根据权利要求9所述并且依赖于权利要求4的接入网络，其中所述接收器连接到该纤维的第二端部。
11.根据权利要求5-8的至少一个所述的接入网络，其中该光源包括在第一收发器中，该第一收发器用于将第一光信号注入到该纤维，并接收来自该纤维的第二光信号，还包括第二收发器，其光连接到该纤维连接，用于从该纤维接收所述第一光信号，其中所述第二收发器包括一个具有第三数值孔径的光源，用于将所述第二光信号注入到该纤维，与该第一数值孔径相比，所述第三数值孔径足够小，用于以限模方式将光注入到该纤维，从而将该第二光信号集中在该纤维的基模。
12.根据权利要求11所述的接入网络，其中以这样的方式配置所述第三数值孔径，从而该光信号主要集中在该纤维的基模或在该基模附近的一个或多个较低模式。
13.根据至少一个前述权利要求所述的接入网络，其中该多模纤维由包含石英的材料制成。
14.根据至少一个前述权利要求所述的接入网络，其中该多模纤维在该光信号的波长超过800nm处，具有至少1000MHz.km的有效模式带宽(EMB)。
15.根据权利要求14所述的接入网络，其中该多模纤维在波长范围在1250nm至1700nm之间处，具有至少1000MHz.km的有效模式带宽(EMB)。
16.根据权利要求14或15所述的接入网络，其中在最低限度上在两个相差至少75nm的波长处该纤维的有效模式带宽(EMB)是至少1000MHz.km。
17.根据权利要求16所述的接入网络，其中所述至少两个波长范围在1250nm至1700nm之间。
18.根据至少一个前述权利要求所述的接入网络，其中该多模纤维包括芯，其具有至少50μm的直径。
19.根据至少一个前述权利要求所述的接入网络，其中该弯曲的第一部分具有小于2cm的曲率半径。
20.根据至少一个前述权利要求所述的接入网络，其中该弯曲的第一部分贮藏在贮藏盒中。
全文摘要
本发明涉及一种接入网络，用于在传送网络和用户的至少一个通信媒介之间交换通信信号。该通信媒介借助于用于交换该通信信号的光学纤维连接而连接到交换机，并且该交换机连接到传送网络。该纤维连接包括至少一根多模纤维，其在其长度的至少一个第一部分上以这样的方式弯曲，从而该纤维在其第一部分中包括至少一完整圈，其中该第一部分主要用于保持进入到该纤维的通信信号的一个或多个模式。所述模式从包括基模和在基模附近的一个或多个较低模式的组中选择出。
文档编号H04B10/2581GK1874198SQ20061007747
公开日2006年12月6日 申请日期2006年5月8日 优先权日2005年5月4日
发明者皮特·马蒂日瑟, 马里尼斯·雅各布·德富夫 申请人:德雷卡通信技术公司