專(zhuān)利名稱(chēng)：利用少模光纖的光傳輸?shù)闹谱鞣椒?br> 利用少模光纖的光傳輸相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2010年I月27日遞交的、序列號(hào)為61/298，728、題為“OpticalTransmission Using Multi-mode Optical Fiber”的共同待決美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán),其在此通過(guò)引用被全文并入。背景光纖是電信中常見(jiàn)的一種通信媒介。其對(duì)于長(zhǎng)距離通信特別有利，因?yàn)榕c電纜相t匕，光通過(guò)光纖傳播時(shí)具有很小的衰減，并且因?yàn)榭赡塬@得較高的數(shù)據(jù)率。在大多數(shù)長(zhǎng)距離通信的場(chǎng)合，使用單模光纖。單模光纖通常具有在約8-10微米(μ m)范圍內(nèi)的纖芯直徑，并且對(duì)于光信號(hào)僅能支持單個(gè)空間模式或路徑。雖然多模光纖能夠支持更多的模式(通常為100-200個(gè)模式)且因此能夠用于傳輸更多的數(shù)據(jù)，但多模光纖 受到失真問(wèn)題的困擾，比如模式色散，這成為較長(zhǎng)距離上特有的問(wèn)題。雖然提供了長(zhǎng)距離場(chǎng)合中多模光纖上的優(yōu)勢(shì)，單模光纖受到非線(xiàn)性問(wèn)題的困擾，例如自相位調(diào)制(SPM)、交叉相位調(diào)制(XPM)、及四波混頻(FWM)。這些現(xiàn)象是對(duì)光纖傳輸容量的主要限制。已經(jīng)付出了大量的努力來(lái)降低、減輕或移除非線(xiàn)性所造成的不利后果。這樣的努力包括使用色散圖，使用具有較高非線(xiàn)性容許度的調(diào)制方式例如差分相位鍵控(DPSK)，使用放大方案例如拉曼放大，設(shè)計(jì)具有較大有效面積的光纖，以及使用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)補(bǔ)償非線(xiàn)性損害。遺憾的是，所有這些方法在其能夠降低非線(xiàn)性損害的程度上都是有限的。附圖簡(jiǎn)述參考附圖，能夠更好地理解所公開(kāi)的實(shí)施方式。注意到，附圖中所示出的組件不一定按照比例繪制。圖I是少模光纖的第一實(shí)施方式的截面圖及其相關(guān)的折射率分布圖。圖2是少模光纖的第二實(shí)施方式的截面圖及其相關(guān)的折射率分布圖。圖3是少模光纖的第三實(shí)施方式的截面圖及其相關(guān)的折射率分布圖。圖4是少模光纖的第四實(shí)施方式的截面圖及其相關(guān)的折射率分布圖。圖5是光傳輸系統(tǒng)的第一實(shí)施方式的框圖。圖6是光傳輸系統(tǒng)的第二實(shí)施方式的框圖。圖7是光傳輸系統(tǒng)的第三實(shí)施方式的框圖。圖8是光傳輸系統(tǒng)的第四實(shí)施方式的框圖。圖9是光傳輸系統(tǒng)的第五實(shí)施方式的框圖。

圖10是光傳輸系統(tǒng)的第六實(shí)施方式的框圖。圖11是一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框圖，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于測(cè)試光傳輸中的少模光纖的可行性。圖12是繪制了從使用圖11的系統(tǒng)的測(cè)試得出的所測(cè)量的Q因子的圖示。圖13是比較在測(cè)試中獲得的單模光纖和少模光纖的Q因子的圖示。圖14是少模光纖的第五實(shí)施方式的截面圖。詳細(xì)描述
如以上所描述的，單模光纖通常用于長(zhǎng)距離的光通信中，因?yàn)樗鼈儾幌穸嗄９饫w那樣受失真問(wèn)題的損害。然而，單模光纖受到非線(xiàn)性問(wèn)題的困擾，這是對(duì)光纖傳輸容量的主要限制。如這里所描述的，當(dāng)使用支持多于一個(gè)的空間模式但又比當(dāng)前所使用的多模光纖支持較少的空間模式的光纖作為傳輸系統(tǒng)或通信鏈路的傳輸媒介時(shí)，可獲得有利的結(jié)果。這樣的光纖在此被稱(chēng)為“少?！惫饫w，且在一些實(shí)施方式中，支持約2-50個(gè)模式。少模光纖不具有如單模光纖一樣的非線(xiàn)性問(wèn)題，并且能夠被配置成不具有對(duì)多模光纖普遍存在的模式色散問(wèn)題。在一些實(shí)施方式中，少模光纖在長(zhǎng)距離通信鏈路中代替單模光纖而被使用。在其它實(shí)施方式中，少模光纖在這樣的通信鏈路中結(jié)合單模光纖而被使用。在本公開(kāi)中，描述并示出了特定的實(shí)施方式。注意到，這些實(shí)施方式僅僅是例子且可能存在許多其它的變化形式。本公開(kāi)的范圍意指包括所有這樣的變化形式。對(duì)于長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)中較高帶寬的要求以比技術(shù)發(fā)展更快的速率在提升。通過(guò)降低光纖損耗或提高光信噪比，降低信道間隔，增加低損耗窗口以適于更多的波分復(fù)用(WDM)信道，或通過(guò)使用更高階的調(diào)制方式來(lái)更好地利用現(xiàn)有的窗口，可增加光纖容量。每種這樣的選擇都面對(duì)一些技術(shù)問(wèn)題，且共同的根本限制是光纖的非線(xiàn)性。因此，很清楚，降 低非線(xiàn)性將能夠在幾個(gè)方面增加光纖容量，這取決于哪些方法在技術(shù)上更可行。如以上所述，多模光纖未呈現(xiàn)與單模光纖同樣程度的非線(xiàn)性問(wèn)題。雖然對(duì)于長(zhǎng)距離通信使用多模光纖已經(jīng)在過(guò)去被考慮和提出，但是，由于多模光纖受到由不同空間模式之間的大的群時(shí)延所導(dǎo)致的模式色散的困擾，其被放棄。眾所周知，多模光纖具有非常大的纖芯面積和非常大的數(shù)值孔徑。因此，多模光纖通常支持?jǐn)?shù)百個(gè)空間模式。為了解決模式色散問(wèn)題，已經(jīng)設(shè)計(jì)了漸變折射率多模光纖，使得模式具有類(lèi)似的傳播性質(zhì)。遺憾的是，這樣的光纖設(shè)計(jì)增強(qiáng)了模式耦合。因此，即使在多模光纖的單個(gè)模式被激勵(lì)以傳輸數(shù)據(jù)(例如，“單模操作”)時(shí)，模式耦合仍能夠發(fā)生。在其它模式耦合回到最初激勵(lì)的模式時(shí)，模式色散發(fā)生。鑒于以上事實(shí)，能夠認(rèn)識(shí)到，雖然多模光纖解決了與單模光纖有關(guān)的非線(xiàn)性問(wèn)題，但是模式耦合問(wèn)題作為長(zhǎng)距離通信場(chǎng)合中的障礙依然存在。然而，如果模式耦合能夠被降低或消除，則能夠獲得有利的結(jié)果。事實(shí)上，如果模式耦合被消除，則甚至不再需要模式色散補(bǔ)償。降低模式耦合的一種途徑是保證光纖媒介的支持模式具有盡可能不同的傳播特性，特別是傳播常數(shù)，因?yàn)樵趦煞N模式的傳播常數(shù)之間的不同增加時(shí)，這些模式之間的耦合顯著地下降。增加不同模式之間折射率差異的一種途徑是降低光纖所支持的模式的數(shù)量。因此，支持多個(gè)模式但遠(yuǎn)少于當(dāng)今所使用的多模光纖的模式的光纖，即，“少?！惫饫w，被提出用作光通信系統(tǒng)例如長(zhǎng)距離通信鏈路中的傳輸光纖。當(dāng)光纖媒介支持較少模式時(shí)模式耦合會(huì)下降有幾個(gè)原因。第一，如果支持少量模式，則給定模式耦合到另一個(gè)模式的可能性較小。第二，如果光纖支持較多模式，則在模式傳播常數(shù)方面，很可能給定模式會(huì)具有對(duì)其來(lái)說(shuō)密集的很多相鄰模式，這就使該模式容易地耦合到相鄰模式。第三，支持多個(gè)模式的光纖通常具有高數(shù)值孔徑(NA)。高數(shù)值孔徑更可能導(dǎo)致模式耦合，因?yàn)檫@些光纖在分割纖芯和包層的邊界上通常具有較高的不規(guī)則性，這是由于為了獲得高NA，光纖在其纖芯和包層之間通常具有高折射率差異。在折射率中的這種高度差異通常通過(guò)對(duì)用于包層或纖芯的玻璃大量摻雜而獲得。在使用高濃度摻雜時(shí)，獲得完美的邊界更加困難。因?yàn)樯倌９饫w能夠避免與非線(xiàn)性和模耦合這二者相關(guān)的問(wèn)題，所以少模光纖提供了在單模光纖與多模光纖之間良好的折中。在一些實(shí)施方式中，少模光纖能夠用于單模工作，其中所有的數(shù)據(jù)通過(guò)僅一個(gè)空間模式(例如基模)來(lái)傳播。如此處所使用的，術(shù)語(yǔ)“少模光學(xué)纖維”或“少模光纖”被用于描述一種光纖，其支持多于一個(gè)空間模式但支持少于通常被稱(chēng)為“多模光纖”的空間模式，所述多模光纖通常支持一百或幾百個(gè)模。在一些實(shí)施方式中，少模光纖支持大約2至50個(gè)空間模式。因?yàn)槟ｑ詈蟽A向于隨著所支持的模的數(shù)量的增加而增大，所以一些優(yōu)選的少模光纖可支持僅2至10個(gè)空間模式或2至5個(gè)空間模式。在一些情況下，少模光纖支持少于5個(gè)的空間模式，例如2個(gè)、3個(gè)、或4個(gè)空間模式。在一些情況下，給定的少模光纖所支持的模的數(shù)量可依賴(lài)于其中使用了該光纖的傳輸系統(tǒng)中所用的光學(xué)的和/或電子的色散補(bǔ)償技術(shù)。階梯折射率光纖的對(duì)光纖的空間模式的數(shù)量，N,能夠被數(shù)學(xué)定義為
N=2n (n+1),方程 I其中n=V/3i并且V為光纖的歸一化頻率參數(shù)，其被給定為V=2 JiaNA/λ，其中a是纖芯半徑，NA是數(shù)值孔徑(此處NA=(n纟纟是纖芯的折射率，并且Iiiis是包層的折射率)，并且λ是工作波長(zhǎng)。對(duì)于少模光纖而言，V小于常規(guī)的多模光纖,例如V〈20、V〈10或V〈5。在一些實(shí)施方式中，對(duì)于一給定的V，光纖的纖芯直徑保持盡可能大，并且NA保持盡可能小。表格I提供了分別具有V=3.8和V=12. 567的示例少模光纖的參數(shù)。V數(shù)量大于2. 405確保了光纖支持多于一個(gè)的空間模式。表格I
V纖芯直徑NAΠ2+Π1
__(Mm)___
3.836.28730.051.000622.67960.081.0015
__18.1437__OJ__1.0023
.....12.567 75.055 008 「0015 ~~ _ 60.00440.1___ 1.0023_—少模光纖能夠具有與常規(guī)的單模和多模光纖類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。因此，在一些實(shí)施方式中，少模光纖能夠包括實(shí)心纖芯，其由實(shí)心的保護(hù)性包層所圍繞。在大多數(shù)情況下，少模光纖的纖芯大于單模光纖的纖芯，但是小于多模光纖的纖芯。在一些實(shí)施方式中，少模光纖的纖芯具有近似在10至60 μ m的直徑，并且包層具有近似80至300 μ m的外直徑。少模光纖能夠被制造為具有各種折射率分布以便限制和引導(dǎo)光。圖1-3示出了少模光纖的三個(gè)示例，其中每個(gè)少模光纖都具有不同的折射率分布特征。由圖I開(kāi)始，其所示為具有纖芯12和包層14的階梯折射率少模光纖10。如在相關(guān)的折射率分布特征圖像16中所示，纖芯12具有一致的折射率，其大于包層14的折射率，而該包層14的折射率也是一致的?；氐綀D2，其所示為多階梯折射率少模光纖18，其包括纖芯20、包層22、和在纖芯和包層之間的中間區(qū)域24，該中間區(qū)域具有不同于纖芯和包層的折射率。在圖像26中示出了示例的折射率分布特征。在該示例中，中間區(qū)域24具有小于纖芯20和包層22兩者的折射率，由此形成了 W形的折射率分布特征。接下來(lái)參考圖3，其所示為緩變折射率少模光纖28，其包括纖芯30和包層32。如在圖像34中所描繪的，纖芯30和包層32兩者都具有隨著徑向位置的增大而逐步改變(減小)的折射率。在其他實(shí)施方式中，在纖芯和包層之間可存在多個(gè)階段。大量的這些階段可以是階梯折射率階段，并且許多的這些階段可具有緩變的折射率分布特征。在其他實(shí)施方式中，少模光纖能夠形成為光子晶體光纖(PCF)。圖4示出了示例的光子晶體光纖36。如該圖中所示，光纖36包括纖芯38，在這種情況下為連續(xù)不斷的中空型纖芯(也就是，空芯)并且包層40圍繞該纖芯。在其中的光子晶體光纖為空芯光纖的實(shí)施方式中，能夠?qū)崿F(xiàn)比得上單模光纖的損耗。雖然纖芯38已經(jīng)被顯示為空芯，但是要注意的是，在可選的實(shí)施方式中，該纖芯能夠被形成為實(shí)芯。在包層40內(nèi)提供并且圍繞纖芯38有多個(gè)通道42，其能夠?yàn)橹锌胀ǖ阑蛘呔哂信c其周邊不同的折射率的實(shí)心通道。少模光纖的模也能夠是超模，其由和單一導(dǎo)波結(jié)構(gòu)相關(guān)的常規(guī)的模的耦合所產(chǎn)生。超模屬于多余一個(gè)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。圖14顯示了支持超模的示例的少模光纖180。在所 示實(shí)施方式中，光纖180包括四個(gè)常規(guī)的單模光纖182。在一些實(shí)施方式中，每個(gè)單模光纖182都是相同的，并且由包層材料184所支撐。當(dāng)單模光纖182挨近到一起時(shí)，光纖的模彼此作用產(chǎn)生超模。每個(gè)光纖的模的復(fù)合幅度Aj根據(jù)以下耦合模方程來(lái)耦合
ΓΛ1 P。C1 C2 C1V^l^β\Α =—J C' β° : C，-)方程 2
I 為 C2 cI A cI 為
h\c I cI β<)/ j其中β ^是每個(gè)被隔離的光纖的模的傳播常數(shù)，C1是相鄰光纖之間的耦合系數(shù)，并且C2是非相鄰光纖之間的耦合系數(shù)。超模(其為以上矩陣方程的固有模)具有以下傳播常數(shù)β (I) = β 0+2Cl+c2 ；(基礎(chǔ)的)β (2) = β Q-C2 ；β (3) = β 0-c2 ；β (4) = βο-〗。!+。”在弱耦合條件下，模的數(shù)量將與單模光纖的數(shù)量相同。正如能夠從以上看出的，超模的傳播常數(shù)能夠通過(guò)改變耦合常數(shù)來(lái)進(jìn)行微調(diào)。對(duì)于一階近似，能夠假設(shè)Cl>>C2。因此，基礎(chǔ)超模的傳播常數(shù)將與下一個(gè)超模(其衰退具有相同傳播常數(shù))具有2Cl的差別。因此，在超模的傳播常數(shù)之間的差別能夠被設(shè)計(jì)為大得足以使得超模不再能夠彼此耦合。應(yīng)當(dāng)要注意的是，兩個(gè)衰退超模將彼此耦合。然而，因?yàn)檫@些衰退超模具有相同的傳播常數(shù)，因此它們能夠傳播獨(dú)立的信息，并且在接收器處解復(fù)用。對(duì)兩個(gè)衰退超模的解復(fù)用能夠使用訓(xùn)練符號(hào)(training symbols)或盲源分離(blind source separate)技術(shù)來(lái)執(zhí)行，所述盲源分離技術(shù)使用了恒模算法或獨(dú)立分量分析算法。因?yàn)槟ｑ詈蟽H發(fā)生在具有近似相同的傳播常數(shù)的模中，所以圖14中的四個(gè)單模光纖182能夠由多模光纖替代,只要它們支持近似相同的模。例如,如果每個(gè)光纖具有兩個(gè)模，那么所述四個(gè)光纖的基模將產(chǎn)生四個(gè)超模，并且所述四個(gè)光纖的高階模將產(chǎn)生另外四個(gè)超模。這些超模能夠被設(shè)計(jì)為具有其差異足以確保低模耦合的傳播常數(shù)。不管少模光纖的特定配置是什么樣的，都應(yīng)當(dāng)按照在使用時(shí)使得長(zhǎng)距離光纖能夠確保低模耦合的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制造。相比之下，當(dāng)前被制造用于短距離應(yīng)用的多模光纖不按照這些高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制造。除了降低纖芯直徑之外,模稱(chēng)合能夠通過(guò)微屈(microbending)來(lái)減少。已有人提出，隨機(jī)模耦合的根源之一就是由在與光纖表面相接觸的表面上(特別是結(jié)成線(xiàn)纜之后)的瑕疵所導(dǎo)致的微屈。因此，將包層直徑并且由將整個(gè)光纖的直徑，從125微米(μπι)的典型值增加到150 μπι或250 μπι將使得光纖更耐此類(lèi)微屈。增大光纖直徑還具有降低纖芯尺寸和位置的波動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，這反過(guò)來(lái)減少了隨機(jī)的模耦合。如已知的，在纖芯直徑或位置中的突變能夠?qū)е略谟啥嗄９饫w所支持的模之間的耦合。要注意的是，單模組件(比如用于產(chǎn)生通信鏈路網(wǎng)絡(luò)的光路由器)能夠插入模分布特征調(diào)節(jié)器80之間。在當(dāng)前的光纖制造中，纖芯尺寸的改變?cè)诶七^(guò)程中利用反饋機(jī)制被最小化，所述反饋機(jī)制以非常快的速度控制所拉制的光纖的外直徑(包層直徑)。因?yàn)樵摲答伈⑽粗苯觼?lái)自于纖芯尺寸而是來(lái)自光纖直徑，因此，其靈敏度是相對(duì)性的。例如，如果125 μπι光纖的 直徑被控制有高達(dá)5 μ m的精度，這就意味著12. 5 μ m纖芯的直徑被控制有O. 5 μ m的精度。因此，為給定纖芯直徑增加包層直徑減少了在纖芯直徑中的波動(dòng)的量。為了最小化在纖芯直徑、纖芯形狀、和纖芯位置中的波動(dòng)，較好的方法是直接監(jiān)控纖芯而不是間接通過(guò)包層來(lái)監(jiān)測(cè)。使用較厚的包層直徑額外的好處在于，當(dāng)使用較大纖芯直徑(比如30 μ m或50 μ m)時(shí)，剩下較少的包層來(lái)限制光纖中的模。因此，當(dāng)使用大的纖芯直徑和低的NA光纖來(lái)制造少模光纖時(shí)，可能需要厚的包層來(lái)降低彎曲損耗并實(shí)現(xiàn)高度的約束。如上所定義的，根據(jù)本公開(kāi)的光傳輸系統(tǒng)包括至少一個(gè)少模光纖。圖5不出了簡(jiǎn)單的光傳輸系統(tǒng)50,其包括發(fā)射機(jī)52、接收機(jī)54、和一定長(zhǎng)度的少模光纖56。發(fā)射機(jī)52可包括能夠沿著光纖56 (例如使用WDM方法)發(fā)射光信號(hào)的任何發(fā)射機(jī)，并且接收機(jī)54可包括能夠接收這些被發(fā)射出的信號(hào)的任何接收機(jī)。通過(guò)舉例說(shuō)明的方式，發(fā)射機(jī)52包括具有外部調(diào)制器的激光器，并且接收機(jī)54至少包括光電探測(cè)器。如上所描述的，發(fā)射機(jī)50能夠被用于激發(fā)少模光纖56中的單個(gè)模，比如基模。圖6示出了另一個(gè)光傳輸系統(tǒng)56，其能夠被用作長(zhǎng)距離通信鏈路。如圖6中所示，系統(tǒng)56包括發(fā)射機(jī)58和接收機(jī)60。此外，系統(tǒng)56包括多個(gè)跨段(span)62，其中每個(gè)跨段都包括一定長(zhǎng)度的少模光纖64。通過(guò)舉例說(shuō)明的方式，每個(gè)跨段62能夠?qū)τ诤５讘?yīng)用為長(zhǎng)度近似40至50km，而對(duì)于地面應(yīng)用為長(zhǎng)度80至100km。通信鏈路的整體長(zhǎng)度有可能是無(wú)限的，但是在許多情況下將跨域數(shù)千公里。沿著在發(fā)射機(jī)58與接收機(jī)60之間的通信鏈路的長(zhǎng)度分隔每個(gè)跨段62的是光學(xué)放大器66,其放大由少模光纖64所傳播的光信號(hào)。通過(guò)舉例說(shuō)明的方法，放大器66有選擇地僅接收基模。雖然系統(tǒng)56已經(jīng)被描述和示出為在每個(gè)跨段62的末端處包括放大器66，但是要注意的是，能夠使用其他組件，比如中繼器來(lái)替代。在圖6的實(shí)施方式中，系統(tǒng)56的每個(gè)光學(xué)組件(包括發(fā)射機(jī)58、接收機(jī)60和放大器66)支持與少模光纖64相同的模分布特征。諸如圖6中不出的多個(gè)通信鏈路能夠以這樣一種方式來(lái)連接以形成網(wǎng)絡(luò)。圖7不出了也能夠被用于長(zhǎng)距離通信的光傳輸系統(tǒng)68。系統(tǒng)68還包括發(fā)射機(jī)70、接收機(jī)72、以及多個(gè)跨段74，其中，每個(gè)跨段包括一定長(zhǎng)度的少模光纖76。分隔每個(gè)跨段74的是光學(xué)放大器78，其放大由少模光纖76所傳播的光信號(hào)。然而，在該實(shí)施方式中，系統(tǒng)68的每個(gè)光學(xué)組件(包括發(fā)射機(jī)70、接收機(jī)72和放大器78)支持單模光纖的模分布特征。為了解決這種差異并且消除或減少耦合損耗，系統(tǒng)68包括模分布特征調(diào)節(jié)器80，其提供了在少模光纖76的受激模(例如基模)和光學(xué)組件之間的低損耗耦合。在每個(gè)模分布特征調(diào)節(jié)器80及其相關(guān)光學(xué)組件之間延伸的是一定長(zhǎng)度的單模光纖82。系統(tǒng)68具有能夠利用當(dāng)前被用在現(xiàn)有的長(zhǎng)途通信鏈路中的光學(xué)組件的優(yōu)勢(shì)，其適于為單模光纖。要注意的是其他單模組件，比如用于產(chǎn)生通信鏈路網(wǎng)絡(luò)的光路由器，能夠被插入模分布特征調(diào)節(jié)器80之間。圖8示出了能夠被用于長(zhǎng)距離通信的另一個(gè)光傳輸系統(tǒng)84。系統(tǒng)84也包括發(fā)射機(jī)85、接收機(jī)87、以及多個(gè)跨段88，其中，每個(gè)跨段包括一定長(zhǎng)度的少模光纖89。分隔每個(gè)跨段88的是光學(xué)放大器90，其放大由少模光纖89所傳播的光信號(hào)。然而，在該實(shí)施方式中，假設(shè)使用了少模光纖89的高階模而不是基模?？紤]到這一點(diǎn)，系統(tǒng)84包括模轉(zhuǎn)換器92，其將用于傳輸?shù)母唠A模轉(zhuǎn)換成基模，該基模由系統(tǒng)的光學(xué)組件支持。單模光纖100在每個(gè)模轉(zhuǎn)換器92及其相鄰的光學(xué)組件之間延伸。在一些實(shí)施方式中，傳輸光纖能夠?yàn)閱文?，并且光學(xué)組件以較高的模工作。圖9示出了能夠被用于長(zhǎng)距離通信的又一個(gè)光傳輸系統(tǒng)102。系統(tǒng)102也包括發(fā)射機(jī)104、接收機(jī)106、以及多個(gè)跨段108。然而，在該實(shí)施方式中，每個(gè)跨段108包括一定長(zhǎng) 度的少模光纖110和一定長(zhǎng)度的單模光纖112。在這樣一種情況下，少模光纖10用在光信號(hào)的功率最大且非線(xiàn)性趨于造成最大問(wèn)題的位置處。在功率減弱之后，單模光纖112能夠被使用，因?yàn)槠淇删哂休^低的損耗，或者可避免由于各種因素(比如少模光纖中的瑕疵)所造成的時(shí)有發(fā)生的模式色散。在一些實(shí)施方式中，少模光纖110的長(zhǎng)度被選擇為剛好大于單模光纖將會(huì)出現(xiàn)大部分非線(xiàn)性效應(yīng)的長(zhǎng)度。正如圖7中的實(shí)施方式一樣，模分布特征調(diào)節(jié)器114能夠被用于將模分布特征從少模工作調(diào)節(jié)到單模工作。分隔每個(gè)跨段108的是光學(xué)放大器116，其放大沿著該跨段傳播的光信號(hào)。其他的單模光纖118能夠被用在光學(xué)組件和少模光纖110之間。上述系統(tǒng)中哪一個(gè)最好可能依賴(lài)于不同的因素，其中包括少模光纖的模耦合長(zhǎng)度。模耦合長(zhǎng)度能夠被定義為一種長(zhǎng)度尺度，在該長(zhǎng)度尺度處，經(jīng)受最大模耦合的空間模式的功率的百分之十泄漏到該光纖所支持的其他模。如果模耦合長(zhǎng)度例如為長(zhǎng)于一個(gè)跨段的長(zhǎng)度，則有可能激發(fā)少模光纖中的僅一個(gè)模，并且該傳輸光纖中的其他組件能夠?yàn)閱文！Ｈ绻ｑ詈祥L(zhǎng)度短于跨段長(zhǎng)度，那么可能更加可取的是將短于傳輸鏈路中的模耦合長(zhǎng)度的少模光纖置于信號(hào)功率被預(yù)期為較高的位置處，并且為該跨段的剩余部分使用單模光纖。一般來(lái)說(shuō)，由少模光纖所支持的模的數(shù)量越大，則非線(xiàn)性損失越不明顯。為了平衡非線(xiàn)性損失和超額損失，在一些實(shí)施方式中可能需要將支持大量的模的少模光纖置于光功率較高處，并且將支持較少量的模的少模光纖置于功率低處。這例如能夠通過(guò)拼接或連接不同的少模光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，所支持的模的數(shù)量的改變相對(duì)突然。在其他情況下，少模光纖的參數(shù)能夠沿其長(zhǎng)度逐漸改變，使得由少模光纖所支持的模的數(shù)量也沿其長(zhǎng)度逐漸改變。在最簡(jiǎn)單的情況下，能夠通過(guò)將光纖折射率分布特征保持固定，但是將光纖NA的纖芯直徑沿其長(zhǎng)度之間改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為改變直徑的示例，雙模光纖的纖芯例如能夠以近似10至60 μ m開(kāi)始，并且在近似2至IOOkm的路線(xiàn)上線(xiàn)性地減少至近似8至12 μ m。具有多于兩個(gè)模的光纖也能夠以類(lèi)似的方式逐漸變細(xì)。如上所述，可能優(yōu)選的是僅激發(fā)在通信鏈路中所使用的少模光纖中的單個(gè)模，例如基模。然而，在一些實(shí)施方式中，能夠激發(fā)多個(gè)模以提供模復(fù)用。例如，所支持的模中的全部或其一個(gè)子集能夠被激發(fā)。因?yàn)榈婉詈弦馕吨煌哪Ｏ嗷ブg不會(huì)有顯著的影響，少模光纖中的每個(gè)受激發(fā)空間模式能夠傳播不同的信息內(nèi)容。在這樣一種情況下，能夠基于所述空間模式正交這一事實(shí)使用相關(guān)性檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)解復(fù)用。在兩個(gè)模的特殊情況下，來(lái)自光纖的本振能夠被一分為二 一個(gè)具有同相的兩個(gè)模，而另一個(gè)則具有不同相的兩個(gè)模。所產(chǎn)生的相關(guān)性檢測(cè)得到的信號(hào)因此分別含有這兩個(gè)模的場(chǎng)的和與差。這些場(chǎng)中的每一個(gè)能夠隨后通過(guò)簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算來(lái)得到。在一些情況下，可能需要激發(fā)多于一個(gè)的空間模式，但是每個(gè)空間模式能夠傳播相同的信息內(nèi)容。在接收器處，每個(gè)空間模式有助于增加信噪比。雖然能夠執(zhí)行模復(fù)用，但是在這些情況下可能需要進(jìn)行測(cè)量以補(bǔ)償模耦合。一般來(lái)說(shuō)，補(bǔ)償模耦合所需的資源不僅依賴(lài)于光纖參數(shù)和所支持的模的數(shù)量，而且還依賴(lài)于有多少個(gè)所支持的模在發(fā)射器處受激發(fā)。一般來(lái)說(shuō)，受激發(fā)的模的數(shù)量越大，則補(bǔ)償由多模傳輸所導(dǎo)致的損失就變得越難。當(dāng)多個(gè)模受到激發(fā)時(shí)，或者有可能甚至當(dāng)僅一個(gè)模受到激發(fā)時(shí)，有可能由于光纖缺陷或其他因素使得一些功率從受激發(fā)的模泄露到不希望的模中。在一些情況下，耦合到不希望的模中的功率能夠被清除，以便減少此種耦合可能具有的損失。如果所述不希望的 模被頻繁地清除，則在這些不希望的模中的功率能夠被防止耦合回到被選定用于傳輸?shù)哪Ｖ?。在一些情況下，清除不希望的模能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地將僅支持少模光纖的受激發(fā)的模的光纖部分插入傳輸系統(tǒng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)?？蛇x擇地，模清除能夠通過(guò)絕熱地將所述光纖轉(zhuǎn)換到僅支持傳輸模的光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)。在其他實(shí)施方式中，模清除能夠通過(guò)放入具有對(duì)于不希望的模而言大的損耗而對(duì)于用來(lái)傳輸?shù)哪６孕〉膿p耗的傳輸系統(tǒng)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在又一個(gè)實(shí)施方式中，能夠向傳輸系統(tǒng)添加元件以便從不希望的模移除功率，正如在圖10的實(shí)施方式中一樣。圖10示出了能夠用于長(zhǎng)距離通信的另一個(gè)光傳輸系統(tǒng)120，其提供模清除。系統(tǒng)120也包括發(fā)射機(jī)122、接收機(jī)124、和多個(gè)跨段126。在該實(shí)施方式中，每個(gè)跨段126包括第一長(zhǎng)度的少模光纖128和第二長(zhǎng)度的少模光纖130。在每一段光纖128、130的末端處提供模清除器132，其將不希望的模耦合到包層模，以將其從光纖芯中移除。在一些實(shí)施方式中，模清除器132包括光纖光柵(grating)。分隔每個(gè)跨段126的是光學(xué)放大器134，其放大沿著跨段傳播的光信號(hào)。雖然模清除已被描述為在每一段光纖的末端處執(zhí)行，但是在其他實(shí)施方式中，清除能夠在每個(gè)跨段的末端處執(zhí)行。在一些實(shí)施方式中，不希望的模能夠被每一跨段清除多于兩次。圖11示出了實(shí)驗(yàn)性的系統(tǒng)140，其被構(gòu)造以測(cè)試少模光纖用于長(zhǎng)距離通信的可行性。系統(tǒng)10被用于使用正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制以28吉波特(gigabaud) (Gbaud)發(fā)射十個(gè)偏振復(fù)用WDM信道。每波長(zhǎng)的總比特率為112吉比特/秒(Gb/s)。在發(fā)射機(jī)142中，具有50GHz的信道間隔的十個(gè)分布式的反饋(DFB)激光器144被分為五個(gè)偶數(shù)和奇數(shù)信道。這些偶數(shù)和奇數(shù)信道使用Ι/Q調(diào)制器146以28Gbaud單獨(dú)調(diào)制。這些偶數(shù)和奇數(shù)信道通過(guò)將相同的信號(hào)分入兩個(gè)正交偏振支路，使一支路中的信號(hào)延遲，然后將這兩條支路中的信號(hào)重新組合來(lái)進(jìn)行偏振復(fù)用。在I和Q信道中的數(shù)據(jù)，以及兩個(gè)偏振信號(hào)通過(guò)延遲相同的數(shù)據(jù)模式來(lái)獲得，所述數(shù)據(jù)模式通過(guò)復(fù)用四個(gè)7Gb/s支流(tributary)來(lái)獲得,這些支流中的每一個(gè)都傳播偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS)。這些偶數(shù)和奇數(shù)信道在發(fā)射機(jī)142的輸出位置處與50GHz梳狀濾波器148相組合。
系統(tǒng)140還包括回路150，其包括兩個(gè)少模光纖跨段，第一跨段152具有76km的長(zhǎng)度，而第二跨段54具有72km的長(zhǎng)度。在這兩個(gè)跨段152、154中的少模光纖支持兩個(gè)模。第一跨段152通過(guò)拼接具有39km和37km長(zhǎng)度的兩個(gè)少模光纖卷盤(pán)來(lái)獲得。第二跨段154通過(guò)拼接具有50km和22km長(zhǎng)度的兩個(gè)少模光纖卷盤(pán)來(lái)獲得。每個(gè)卷盤(pán)纏繞在具有25厘米(cm)法蘭直徑的標(biāo)準(zhǔn)尺寸卷軸上。光纖的損耗因數(shù)、色散和有效面積為O. 2dB/km、20ps/km/nm 和 130 μ m2?？缍?52、154的每個(gè)末端使用標(biāo)準(zhǔn)模的熔接機(jī)(其用于拼接標(biāo)準(zhǔn)單模光纖)直接拼接到標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。拼接損耗使用雙向光學(xué)時(shí)域反射計(jì)(OTDR)來(lái)測(cè)量，并且被發(fā)現(xiàn)是每次拼接近似0.2dB。該損耗在當(dāng)兩個(gè)跨段152、154在兩端拼接之后被測(cè)量。第一和第二跨段152和154的損耗被發(fā)現(xiàn)分別為15. 7dB和15dB，其中包括拼接損耗和連接器損耗。因此，由模耦合所導(dǎo)致的任何超額損耗都是可忽略的。此外，所測(cè)量的光纖損耗隨著時(shí)間的流逝是穩(wěn)定的，并且沒(méi)有觀(guān)察到輸出功率中的波動(dòng)。兩個(gè)單級(jí)的摻鉺光纖放大器(EDFA) 156被用于補(bǔ)償跨段損耗，并且另一個(gè)EDFA156被用于補(bǔ)償回路控制損耗。波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS) 158被插入回路150以平衡EDFA增益，并且移除在WDM信道以外的、被放大的自發(fā)輻射(ASE)噪聲。 相干偏振分集接收機(jī)160被用于接收信號(hào)。要接收的信號(hào)通道通過(guò)第二 WSS 162來(lái)過(guò)濾，并且在偏振分集平衡混合器164處與本地振蕩器混合。平衡的光電二極管166的輸出使用具有16GHz模擬帶寬的實(shí)時(shí)示波器168以40Gsa/s來(lái)收集。所接收的數(shù)據(jù)被離線(xiàn)處理以估算所接收的信號(hào)的Q值。所述離線(xiàn)處理包括數(shù)字色散補(bǔ)償、頻率偏移估算、相位噪聲估算、和基于恒模算法的十五分接時(shí)域均衡，其自適應(yīng)地移除偏振旋轉(zhuǎn)并且補(bǔ)償偏振模色散和任何的剩余色散。在后處理過(guò)程中，不嘗試進(jìn)行對(duì)可能由差模延遲(DMD)所導(dǎo)致的任何損失進(jìn)行補(bǔ)償或減緩。圖12顯示了在對(duì)四百萬(wàn)個(gè)被接收到的比特求平均值之后、相應(yīng)于5，032km的34個(gè)回路之后所測(cè)量的偶數(shù)信道的Q值。所有信道的Q值對(duì)于兩個(gè)偏振保持在IOdB以上。關(guān)于兩個(gè)點(diǎn)的星圖在插圖中示出，它們是根據(jù)50，000個(gè)符號(hào)得到的。很清楚的是，在有DMD存在時(shí)，將不可能以28Gbaud/s發(fā)射信道超過(guò)5，000km。因此，得出少模光纖中不存在模耦合的結(jié)論是無(wú)問(wèn)題的。很重要的是，少模光纖不僅會(huì)由于大的纖芯面積引發(fā)較小的非線(xiàn)性損失，而且還不會(huì)有由于DMD因而導(dǎo)致的額外的損失。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，通過(guò)以每個(gè)均為80km的單模光纖跨段來(lái)替換兩個(gè)少模光纖跨段來(lái)重復(fù)進(jìn)行傳輸實(shí)驗(yàn)。光纖具有O. 2dB/km、17ps/km. nm、以及SOym2的損耗因數(shù)、色散參數(shù)、和有效面積。為了比較這兩種情況下的非線(xiàn)性性能，所接收到的Q值被繪制為在使用少模光纖(21個(gè)回路)即3，IOOkm之后的發(fā)射功率的函數(shù)，以及在使用單模光纖(19個(gè)回路)即3，040km之后的發(fā)射功率的函數(shù)。比較在3，OOOkm處進(jìn)行，使得即使在使用單模光纖時(shí)也將Q值保持在IOdB以上。所得結(jié)果在圖13中示出，其中所繪制的圖線(xiàn)顯示了在用于單模光纖和少模光纖傳輸?shù)闹醒胄诺乐械膬蓚€(gè)偏振中的Q值的平均值。在低功率下，這兩種情況受到OSNR的限制，并且相類(lèi)似地執(zhí)行，這是因?yàn)榛芈窊p耗對(duì)于這兩種情況而言是類(lèi)似的。然而，隨著發(fā)射功率增加，非線(xiàn)性損失成為衰退的主要原因。因?yàn)樯倌９饫w具有大I. 6倍的有效面積，少模光纖的最佳工作功率為與單模光纖相比大近似I. 6倍。其結(jié)果是，在這一距離上可實(shí)現(xiàn)的最大Q值比在使用少模光纖的情況下大I. ldB。盡管單模工作的公差未通過(guò)對(duì)光纖引發(fā)各種程度的機(jī)械應(yīng)力來(lái)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，已發(fā)現(xiàn)不需要為維持單模工作進(jìn)行特殊處理。少模光纖跨段被纏繞在具有25cm寬的法蘭的標(biāo)準(zhǔn)直徑卷盤(pán)上，其顯示了基模被很好地限制在光纖芯中，并且不受宏屈損耗或微屈損耗的不利影響，其被預(yù)期對(duì)于具有適度張力的卷盤(pán)而言要大。此外，在讓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)天之
后，除了發(fā)射器中的I-Q調(diào)制器的偏置點(diǎn)中的漂移之外，沒(méi)有觀(guān)察到在性能上的劣化。
權(quán)利要求
1.一種光通信系統(tǒng)，包括 少模光纖，其支持至少2個(gè)空間模式但不多于50個(gè)空間模式。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述少模光纖支持2到10個(gè)空間模式。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述少模光纖支持2到5個(gè)空間模式。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述少模光纖支持2、3或4個(gè)空間模式?！?br> 5.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述少模光纖具有直徑在ΙΟμπι到60μ m之間的纖芯。
6.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括光發(fā)射器。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括光接收器。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括光放大器。
9.ー種長(zhǎng)距離通信鏈路，包括 光發(fā)射器，其發(fā)射光信號(hào)； 光接收器，其接收光信號(hào)；以及 光纖的多個(gè)跨段，其在所述發(fā)射器和所述接收器之間延伸，每個(gè)跨段包括支持至少2個(gè)空間模式但不多于50個(gè)空間模式的一段少模光纖。
10.如權(quán)利要求9所述的鏈路，其中所述少模光纖支持2到10個(gè)空間模式。
11.如權(quán)利要求9所述的鏈路，其中所述少模光纖支持2到5個(gè)空間模式。
12.如權(quán)利要求9所述的鏈路，其中所述少模光纖支持2、3或4個(gè)空間模式。
13.如權(quán)利要求9所述的鏈路,其中所述少模光纖具有直徑在10μ m到60 μ m之間的纖芯。
14.如權(quán)利要求9所述的鏈路，還包括模式分布特征調(diào)節(jié)器，該模式分布特征調(diào)節(jié)器調(diào)整所述少模光纖的激勵(lì)模式內(nèi)的信號(hào)的分布特征，以提供在所激勵(lì)的模式和所述鏈路的光組件之間的低損耗耦合。
15.如權(quán)利要求9所述的鏈路，其中每個(gè)跨段還包括模式轉(zhuǎn)換器，該模式轉(zhuǎn)換器將由所述少模光纖的高階模式承載的信號(hào)轉(zhuǎn)換為由所述鏈路的光組件支持的信號(hào)。
16.如權(quán)利要求9所述的鏈路，其中每個(gè)跨段還包括一段單模光纖，該段單模光纖光學(xué)連接到所述一段少模光纖，所述單模光纖在所述少模光纖的下游。
17.如權(quán)利要求9所述的鏈路，其中每個(gè)跨段還包括兩段少模光纖，其中第一段少模光纖支持第一數(shù)量的空間模式，而在所述第一段少模光纖的下游的第二段少模光纖支持較少數(shù)量的空間模式。
18.如權(quán)利要求9所述的鏈路，其中每個(gè)跨段還包括模式清除器，該模式清除器從所述少模光纖的未被意圖用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的空間模式移除功率。
19.如權(quán)利要求9所述的鏈路，其中每個(gè)跨段橫跨幾十公里延伸，且整個(gè)所述鏈路橫跨幾千公里延伸。
20.如權(quán)利要求9所述的鏈路，還包括位于每個(gè)跨段的末端的光放大器。
21.—種少模光纖,其支持至少2個(gè)空間模式但不多于50個(gè)空間模式。
22.如權(quán)利要求21所述的少模光纖，其中所述少模光纖支持2到10個(gè)空間模式。
23.如權(quán)利要求21所述的少模光纖，其中所述少模光纖支持2到5個(gè)空間模式。
24.如權(quán)利要求21所述的少模光纖，其中所述少模光纖支持2、3或4個(gè)空間模式。
25.如權(quán)利要求21所述的少模光纖,其中所述少模光纖具有直徑在10μ m到60 μ m之間的纖芯。
26.如權(quán)利要求21所述的少模光纖，其中所述少模光纖是階梯折射率光纖。
27.如權(quán)利要求21所述的少模光纖，其中所述少模光纖是光子晶體光纖。
28.如權(quán)利要求21所述的少模光纖，其中所述少模光纖支持超摸。
29.如權(quán)利要求28所述的少模光纖，其中所述少模光纖合并多個(gè)單模光纖。
30.如權(quán)利要求21所述的少模光纖，其中所述少模光纖在沿著其長(zhǎng)度的第一位置處支持較大數(shù)量的空間模式，并在沿著其長(zhǎng)度的第二位置處支持較少數(shù)量的空間模式。
31.一種在傳輸系統(tǒng)中傳輸光信號(hào)的方法，所述方法包括 在所述傳輸系統(tǒng)中設(shè)置少模光纖，所述少模光纖支持至少2個(gè)空間模式但不多于50個(gè)空間模式。
32.如權(quán)利要求31所述的方法,其中僅激勵(lì)所述少模光纖的ー個(gè)空間模式。
33.如權(quán)利要求31所述的方法，其中僅激勵(lì)所述少模光纖的基本模式。
34.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述少模光纖的多個(gè)空間模式被激勵(lì)并承載相同的信息內(nèi)容。
35.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述少模光纖的多個(gè)空間模式被激勵(lì)并承載不同的信息內(nèi)容。
全文摘要
在一些實(shí)施方式中，光通信系統(tǒng)包括支持至少2個(gè)空間模式但不多于50個(gè)空間模式的少模光纖。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102844689SQ201180016474
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者李桂芳, 法提赫·亞曼, 謝曉波, 朱立凱, 白寧, 夏岑 申請(qǐng)人:中弗羅里達(dá)州大學(xué)研究基金會(huì)