专利名称：利用多模光纤的波长多路复用光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传输领域，更具体地，涉及需要大带宽的短距光 学传输系统所使用的多模光纤。
多模光纤被用于短距应用和局域网络。与单模光纤约8 9lam的 纤芯直径相比，多模光纤的纤芯一般具有约50pm的直径。因而对于 特定波长，多个携带相同信息的光模可同时沿光纤传播。带宽与在光 纤多模芯内传播的光模态的群速度直接相关。为确保高带宽，需要所 有模的群速度都相等，换句话说，模态间色散即较低模与较高模之间 群速度的差应当为零，或者至少对特定波长被最小化。多模光纤已经 成为标准ITU-T G..651下国际标准的对象，标准ITU-T G..651具体定 义了带宽、数值孔径、纤芯直径的标准，这些标准与光纤间兼容性这 些要求有关。
为减小多模光纤内的模态间色散，从二十世纪七十年代以来已经 提出用抛物线纤芯分布来制造渐变折射率光纤。这样的光纤已经被使 用很多年，并且其性质已经具体描述在D.Gloge等人的 "Multimode theory of graded-core fibers", Bell System Technical Journal 1973, pp 1563-1578和G..Yabre的 "Comprehensive theory of dispersion in graded-index optical fibers", Journal of Lightwave Technology, February 2000, Vol.18, N°2, pp 166-177这些出版物中。
渐变折射率分布可以用某点距光纤中心的距离r与作为该距离r 的函数的该某点处的折射率n之间的关系来定义
背景技术：
其中《>0; ( a —^对应于阶跃折射率分布)； &为该多模纤芯的最大折射率； a为该多模纤芯的半径；以及
其中no是该多模纤芯的最小折射率，其通常对应于包层(最经常 地由二氧化硅制成)的折射率。
因此，具有渐变折射率的多模光纤具有旋转对称的纤芯分布，使 得沿任一径向方向，折射率的值都是从光纤中心向其外围连续减小。 这些曲线一般代表着光纤的理论分布或目标分布，然而光纤制造的局 限性可能导致稍微差异的分布。
当光信号在这种具有渐变折射率的纤芯内传播时，不同的模经历 不同的传播介质，而不同的传播介质会在不同程度上影响它们的传播 速度。通过调节参数cc的数值，可以在理论上获得对所有模实际上相 等的群速度，从而对特定波长实现减小的模态间色散。介于1.8~2.2 之间的参数a的值一般地允许获得对模态色散令人满意的限制。
然而，参数a的优化值仅对特定波长有效。因此，多模光纤典型 地传输的是具有特定波长的单色(monochromatic)光信号，光纤的a 分布对该特定波长是优化的。
目前为止，高比特速率传输以太网以10GbE ( 10Gb/s)量级这样 的比特速率工作。为了在超过300m的距离(分别为550m)上提供这 样的比特速率，需要确保大于或等于2000MHz-km (分别为 4700MHz-km)的有效带宽。标准TIA-492AAAC-A使50|um直径的 高比特速率多模光纤所需的性能标准化。然而，有效带宽(用缩写 EMB表示"有效模态带宽")取决于所用的光源。
作为本身已知的方式，有效带宽EMB通过测量由模态色散引起 的延迟来确定，用缩写DMD表示"色散模延迟，，的图形表示。测量 DMD的程序是标准(IEC 60793-1-49和FOTP-220 )的对象。
通过在光纤中心处注入具有特定波长Xo的光脉沖，并在通过在特定光纤长度L之后测量脉沖延迟，得到DMD图形表示；特定波长入o 的光脉冲的引入是径向偏移的，以覆盖多模光纤的整个纤芯。当参数
CX被设置成优选值CX。ptimum时，对于特定波长人。，无论在光纤纤芯半径
r上的该脉冲的注入点在哪里，光脉沖延迟实际上没有任何偏移，；这 样，模态间色散很低，并且有效带宽很高。
然而，这种与半径r无关的、光脉沖延迟的DMD图形表示的调
准仅对特定波长入。、特定参数OC的特定值CX。pdmum有效。因而，多模光
纤通常只能被优化成传输以优选波长X。ptimum传播的信号。当在该相同 的多模光纤上传输不同波长的脉冲时，模态色散会变得很显著，从而 将带宽限制在现行标准所需的2000MHz-km的值之下。
因此，需要具有高于10GbE比特速率的多模通信网络。期望获 得40GbE或者甚至100GbE的比特速率。然而，使用单传输信道^:难 达到这样的比特速率。因为上述原因，波长多路复用并不能直接用在 多模光纤中。
作为本身已知的方式，波长多路复用(用缩写WDM表示"波分 复用")包括在单个光纤上传输不同波长的多个光脉冲，在输入端使 用多路复用器(MUX)将它们组合起来，在输出端使用解多路复用器 (DEMUX)将它们分开。典型地，密集多路复用系统(用DWDM表 示"密集波分复用，，)使用于不存在模态色散的单模光纤中，只有色 散才需要补偿。
因此，多模光纤内的波长多路复用不仅需要补偿色散，而且需要 对模态色散进行管理。
2007年8月1日出版的出版物中R.A. Panicker等人的"10x10 Gb/s DWDM Transmission Through 2.2-km Multimode Fiber Using Adaptive Optics", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 19, No. 15, pp 1154-1156，提出一种多模光纤内的波长多路复用。自适应光学系统被 设置在光纤输入端来整形信号并将模态色散最小化。然而，该自适应 光学系统很复杂、很昂贵，其被设计工作在C波段，而大多数多模应 用位于850nm附近。文献US7，242,870描述一种包括有传输波长多路复用信号的多模 光纤的WDM系统。该多模光纤同时掺杂有锗和氟，并具有在 720nm-1400nm传输窗口中将带宽最大化的受控折射率分布。然而， 制造这样的光纤所需的折射率分布和掺杂物的浓度很难控制，因此这 种光纤的成本升高。
文献US6，525，853描述一种将N个光信号组合起来用于在单个多 模光纤内传输的通信系统。光学系统设置在该多模光纤的输入端，并 引入模态耦合差异(modal coupling diversity )，当该才莫耦合差异与光 纤的模态色散相组合时，该模耦合差异为所传输和接收的信号引入解 相关。这种解相关使得借助于合适的算法来得到所传输的每个信号的 数据流成为可能。然而，在该文献中描述的这种系统实施起来却很复 杂。
文献US5，278，687描述一种包括有传输波长多路复用信号的多模 光纤的双向光传输系统。其中，模态色散被非常简单地忽视，这有损
于系统的带宽。
文献US6,363，195提出通过使用串联的多模光纤来补偿多模光纤 链路的模态色散，以优化两个传输窗口的带宽， 一个的中心位于 850nm，另一个的中心位于1300nm。该文献提出使用参数a!的值介 于0.8与2.1之间的 一定长度的第 一多模光纤来优化850nm处的带宽， 使用参数(X2的值介于第一Od值与8之间的一定长度的第二多模光纤 来优化1300nm处的带宽。然而，该文献没有提及波长多路复用。
因此，就需要这样一种多模光学传输系统，其容许密集波长多路 复用DWDM增大比特速率而不减小带宽，该多模光学传输系统还必 须简单有效，而且可以用标准的多模传输光纤实施。
发明内容
为此，本发明提出补偿每个多路复用信道的模态色散，其中该每 个多路复用信道具有不同于优选波长的波长，其中该多模传输光纤的 分布针对该优选波长而优化。因而，补偿模态色散的多个光纤被引入
7该系统中，以诱导出与传输波长多路复用光信号的多模光纤所引起的 色散相反的模态色散。
本发明更具体地涉及一种光学系统，包括 能够传输波长多路复用光信号的多模光纤； 多个多模模态色散补偿光纤；
每个多模模态色散补偿光纤能够传输多路复用的波长中的 一 个 波长，每个多模模态色散补偿光纤都具有优化的折射率分布，使得对 所传输波长而言的模态色散相反地等于对所述波长而言、在传输光纤 内诱导的模态色散。
依照 一 个实施例，所述多模传输光纤具有被优化的渐变折射率分 布，使得对所述多路复用的波长中的一个波长而言的模态色散接近于 零。
依照一个实施例，该系统还包4舌
多个光源，每个光源发出具有所述多路复用的波长中的一个波长 的光信号；
将所述波长多路复用光信号引入所述传输光纤内的波长多路复 用器；
将每个光源连接到该多路复用器的多个多模输入光纤。 所述多模模态色散补偿光纤可以被设置在所述光源与所述多路 复用器之间。
依照一个实施例，该系统还包括
在所述传输光纤的输出端处接收所述多模光信号的解多路复用
器；
多个光接收器，每个接收器接收具有所述多路复用的波长中其中 一个波长的光信号；
将每个光接收器连接到该解多路复用器的多个多模输出光纤。
所述多模模态色散补偿光纤可以被设置在所述光接收器与所述 解多路复用器之间。
依照各个实施例，所述多路复用器或所述解多路复用器保持着多路复用或解多路复用的光信号模的空间分布。
依照各个实施例，所述传输光纤的长度在100m到1000m之间。 所述模态色散补偿光纤的长度在lm到20m之间。
在阅读本发明参看附图并以例子给出的各个实施例的下面描述 时，本发明的其他特点和优点将变得明显。在附图中
图1是依照本发明的WDM多模光学系统的简图2a是对于以多路复用链路的多模光纤的优选波长传播的光信 号，在依照本发明的系统的输入光纤内的模态色散的图形表示；
图2b是对于以多路复用链路的多模光纤的优选波长传播的光信 号，在依照本发明的系统的接收处的模态色散的图形表示；
图3a是对于以与多路复用链路的多模光纤的优选波长不同的波 长传播的光信号，在未依照本发明的系统的输入光纤内的模态色散的 图形表示；
图3b是对于以与多路复用链路的多模光纤的优选波长不同的波 长传播的光信号，在未依照本发明的系统的接收处的模态色散的图形
表示；
图4a是对于以与多路复用链路的多模光纤的优选波长不同的波 长传播的光信号，在依照本发明的系统的输入光纤内的模态色散的图
形表示；
图4b是对于以与多路复用链路的多模光纤的优选波长不同的波
长传播的光信号，在依照本发明的系统的接收处的模态色散的图形表示。
具体实施例方式
本发明提出 一 种容许传输波长多路复用多模信号的光学系统，以
将多模通信网络的比特速率提高到10GbE之上。这种提高了的比特 速率在实现的同时不会不利地影响到带宽。事实上，依照本发明的这种系统提出对多路复用器内每个多路复用信道上游的模态色散进行 补偿，使得在多模传输光纤的输出端处接收到的信号具有最小的模态
色散。这种传输系统可以确保在多模光纤上传播300m(分别为550m) 以上之后仍能获得大于或等于2000MHz-km (分别为4700MHz-km )
的带宽。
图1示意性地示出了依照本发明的光学系统。图1的该系统是 WDM波长多路复用多模光学传输系统。
图l示出多个光源40,每个光源发出特定波长(M， X2，人3,入4) 的光信号。这些光源可以是激光二极管(LED)、面发射激光器 (VCSEL)或任何其他商业上可得到的光源。
图1还示出设置在波长多路复用器41与解多路复用器51之间的
传输多模光纤10。如上所述，多模光纤被优化成对于特定波长X。pt^um
具有最小的模态色散。多个输入多模光纤42将每个光源40连接在多 路复用器41上，并且多个输出多模光纤52将解多路复用器51连接 到每个光接收器50。
本发明提出将模态色散补偿光纤引入到该系统中以用于每个传 输波长；即对于其携带的传输波长，这些光纤中的至少一个具有非零 模态色散，其中模态色散补偿光纤是已知的，其属于用缩写MMDCF 表示的"多模态色散补偿光纤"。
在下面的详细描述中，如参看图l所给出的，将系统地参考设置 在多路复用器41输入端处的模态色散补偿光纤MMDCF 42，即该光 纤将每个光源40连接到多路复用器41。将解多路复用器51连接到每 个光接收器50的输出光纤52均可以就它们携带信号的接收波长进行 分布优化。
然而，应当理解，这些模态色散补偿光纤MMDCF 52可以被设 置在解多路复用器51的输出端，并将每个接收器50连接到解多路复 用器51。类似地，本发明不排除以下可能性，即多路复用器41上游 的输入光纤42和解多路复用器51下游的输出光纤52都可以是模态 色散补偿光纤42、 52。为清楚的原因，下面的描述只提及设置在光源40与多路复用器41之间的MMDCF光纤42,而所属领域技术人员将 理解，这种补偿可以发生在系统的接收级，或者可以分布在发射级与 接收级之间。因此，下面的附图标记42既可以表示输入多模光纤又 可以表示多模模态色散补偿光纤。
图2a和图2b示出以对于传输多模光纤IO而言的优选波长传播 的光脉沖、其不同模组的模态色散的曲线图。
事实上，可以设想，所用光源40中的一个具有约等于该优选波 长人。p"mum的发射波长，其中传输光纤10的分布已经为该优选波长
入。ptnnum而优化。传输光纤内的模态色散将实际上为零，在图2b中可
以看出，对于最高模，模态色散小于0.2psec/m。结果，就不需要对 多路复用器41这个波长上游的模态色散进行补偿。将以传输光纤10 的优选波长X。pt皿um发出光脉沖的光源40连接起来的模态色散补偿光 纤42具有也实际上为零的模态色散(图2a)。
另一方面，本发明该系统中的其他光源40将必要地具有不同于
传输光纤10的优选波长人。pUmum的发射波长，从而波长多路复用成为可能。
图3a未依据本发明，其示出在多路复用器41的输入光纤42内 的模态色散的曲线图，该输入多模光纤42针对其连接的光源40的发 射波长而优化。图3a中模态色散实际上为零，小于0.2psec/m。图3b 未依据本发明，其示出在该系统的接收处、来自光源的光信号的模态 色散的曲线图，其中该光信号的波长不同于传输光纤10的优选波长
入。ptunum。可以看出，多路复用的一个信道不具有该传输光纤的优选波
长，这样就经历了显著的模态色散，对于最高模，高于0.8psec/m。 结果，出现了明显的带宽减小。
因此，本发明的系统提出在每个光源40与多路复用器41之间引 入模态色散补偿光纤42，以在多路复用器的上游补偿模态色散，该模
态色散会在传输光纤10内，在不具有传输光纤的优选波长X。ptimum的
那些多路复用信道上被诱导。
图4a示出在依照本发明光学系统中的多路复用器41的输入端处
ii的模态色散补偿光纤42内的模态色散的曲线图。每个模态色散补偿 光纤42具有受控的模态色散，使得在该补偿光纤42中以及之后在传 输光纤IO中传播的多模光信号在传输光纤IO的输出端处具有约为零 的模态色散。因此，在图4a中的模态色散是非零的，为了在多路复 用器41的上游就不同于优选波长的多路复用的特定波长而补偿在传 输光纤10内诱导的模态色散，在图4a中的模态色散甚至是实际存在 的。图4b示出在传输光纤IO的输出端处、对于不同于传输光纤的优 选波长的光信号的模态色散的曲线图。可以看出，对于该传输信道， 模态色散保持有限，小于0.2psec/m。因此，依照本发明的光传输系 统的带宽没有减小，同时还可以通过多路复用提高比特速率。
在本发明范围内使用的模态色散补偿光纤42的分布可以是渐变 折射率分布，其a参数的值被优化成使得在特定长度的光纤上，特定 波长处的模态色散相反地等于对该特定波长、由传输光纤10诱导的 模态色散。传输光纤10的长度可以依据应用介于100m与1000m之 间，模态色散补偿光纤42的长度可以介于几米与几十米之间，典型 地是lm 20m。对每个要补偿的多路复用波长，模态色散补偿光纤 42的长度不必相同。
被选择用来实施本发明的多路复用器41保持着多路复用信号各 模的空间分布，即从模补偿光纤42其中一个出来的每个模组中的大 多数模被作为相同等级的单个模态组再次注射进传输光纤10内。因 而，对发出的每个信号引入的模态色散补偿被保持在传输光纤10的 输入端处。这样的多路复用器可以包括透镜和半透明反射镜的组合。 如果这种模态色散补偿在解多路复用器51的整个下游或部分下游实 施，那么也选择后者，以避免在多^各复用信道之间引入冲莫混合。
如果这种模态色散补偿只在多路复用器41的上游实施，那么每 个输出多模光纤52都可以具有一种针对信号的接收波长而优化的分 布，对该分布而言，意图将任何引入的模态色散限制在传输的末端处。 然而，如果解多路复用器51与光接收器50之间的长度很短，例如小 于10m,那么这种对输出多模光纤分布52的优化并不必要。类似地，如果这种模态色散补偿只在解多路复用器51的下游实施，那么每个
输入多模光纤42都可以具有针对其要连接到的光源的波长而优化的分布。
依照本发明的光传输系统使用具有如上所述适当优化的渐变折 射率分布的标准多模光纤，容许将以太网的比特速率提高到40Gbit, 甚至100Gbit。依照本发明的这种光学传输系统不需要任何光学适配 器或任何特殊运算法则，它很简单而且实施起来很廉价。
当然，本发明不限于上述借助于例子描述的实施例。特别是，依 照本发明的系统可以被设计成其中没有一个光源40发出的是处于传
输光纤10的优选波长X。ptimum的光脉冲，每个模态色散补偿光纤42将
具有非零模态色散。
权利要求
1.一种光学系统，包括能够传输波长多路复用光信号(λ1，λ2，λ3，λ4)的多模光纤(10)；多个多模模态色散补偿光纤(42，52)；每个多模模态色散补偿光纤(42，52)能够传输多路复用的波长中的一个波长，每个多模模态色散补偿光纤(42，52)都具有优化的折射率分布，使得在所述多模传输光纤(42，52)的输出处接收的信号具有最小的模态色散。
2. 依照权利要求1所述的系统，其中所述模态色散小于 0.2psec/m。
3. 依照权利要求1或2所述的系统，其中所述多模传输光纤 (10)具有被优化的渐变折射率分布，使得对所述多路复用的波长 (M，人2,人3,人4)中的一个波长而言的模态色散接近于零。
4. 依照权利要求1-3中任一个所述的系统，还包括 多个光源(40)，每个光源发出具有所述多路复用的波长(入"入2，人3， X4)中的一个波长的光信号；将所述波长多路复用光信号引入到所述传输光纤(10)内的 波长多路复用器(41 );将每个光源(40)连接到该多路复用器(41)的多个多模光纤。
5. 依照权利要求4的所述系统，其中所述多模模态色散补偿 光纤(42)设置在所述光源(40)与所述多路复用器(41 )之间。
6. 依照权利要求1-5中任一个所述的系统，还包括 在所述传输光纤(10)的输出处接收所述多模光信号的解多路复用器(51 );多个光接收器(50),每个接收器接收具有所述多路复用的波 长(M, 人3,入4)中的一个波长的光信号；将每个光接收器(50)连接到该解多路复用器(51)的多个 多模输出光纤。
7. 依照权利要求6所述的系统，其中所述多模模态色散补偿 光纤(52)设置在所述光接收器(50)与所述解多路复用器(51)之间。
8. 依照权利要求4所述的系统，其中所述多路复用器(41 )保持着多路复用光信号各个模的空间分布。
9. 依照权利要求7所述的系统，其中所述解多路复用器(51 ) 保持着解多路复用光信号各个模的空间分布。
10. 依照权利要求1-9中任一个或多个所述的系统，其中所 述传输光纤(10)的长度在100m到1000m之间。
11. 依照权利要求1-10中任一个或多个所述的系统，其中所 述模态色散补偿光纤(42, 52)的长度在lm到20m之间。
全文摘要
本发明公开了一种光学系统，包括能够传输波长多路复用光信号的多模光纤(10)和多个多模模态色散补偿光纤(42)。每个模态色散补偿光纤(42)能够传输多路复用的波长中的一个，并且每个补偿光纤(42)具有优化的折射率分布，使得对所传输波长而言的模态色散相反地等于对所述波长而言、在传输光纤(10)内诱导的模态色散。本发明的这种系统容许提高比特速率同时不减小带宽。
文档编号H04B10/2581GK101621349SQ20091016391
公开日2010年1月6日 申请日期2009年6月23日 优先权日2008年6月23日
发明者A·戈拉米, D·莫兰, Y·吕米诺 申请人:德雷卡通信技术公司