具有模式混合的多模式光學通信的制作方法

文檔序號：7792670閱讀：312來源：國知局

具有模式混合的多模式光學通信的制作方法
【專利摘要】本發明揭示一種設備，所述設備包含具有多個光學數據調制器和光學端面耦合器的光學發射器。所述光學數據調制器的每一者經配置以輸出相應的經數據調制的光學載波。所述光學端面耦合器經配置以將所述經數據調制的載波引導到光束圖案中以使用光點圖案照亮多模式光纖的端面。所述光學端面耦合器經配置以使所述經數據調制的光學載波中的每一者激發所述多模式光纖的一組標準正交光學傳播模式。所述組的一些標準正交光學傳播模式具有重大不同的光強和/或相位分布。
【專利說明】具有模式混合的多模式光學通信
[0001] 本申請案主張美國臨時專利申請案第61/608139號、第61/669612號和第 61/701646號的權益。

【技術領域】
[0002] 本發明涉及用于多模式光學通信的設備和方法。

【背景技術】
[0003] 本段引入可促進對本發明的更好的理解的方面。因此，應從這個角度理解本段的陳述而不是將其理解為關于什么是現有技術或什么不是現有技術的許可。
[0004] 近年來，光學傳播模式復用作為一種用于提供光學通信的方法而研究。在光學傳播模式復用中，多模式光纖的一組標準正交光學傳播模式在光學發射器與光學接收器之間傳送數據。所述組包含具有不同側向光強和/或相位分布的標準正交模式。由于不同的光學傳播模式可用于傳送不同的數據流，因此多模式光纖具有比單模式光纖（其中數據傳輸速率在每一光纖和每一波長信道的基礎上測量）支持更高的數據傳輸速率的潛力。

【發明內容】

[0005] 第一設備的實施例包含具有多個光學數據調制器和一個端面耦合器的光學發射器。所述光學數據調制器的每一者經配置以輸出相應的經數據調制的光學載波。光學端面耦合器經配置以將經數據調制的光學載波引導入能夠使用光點圖案照亮多模式光纖的端面的光束圖案中。所述光學端面耦合器經配置以引起經數據調制的光學載波中的每一者激發多模式光纖的一組標準正交光學傳播模式。所述組的一些標準正交光學傳播模式具有重大不同的光強和/或相位分布。
[0006] 在第一設備的一些實施例中，光學耦合器可經配置以使經數據調制的光學載波中的每一者的光學功率被大體上均勻地分散在所述組的正交光學傳播模式上。所述光學耦合器可經配置以使經數據調制的光學載波中的至少一者的光學功率被大體上均勻地分散所述光學傳播模式上，以使光學傳播模式中的每一者接收光學傳播模式彼此至少1/2的光學功率。
[0007] 在第一設備的任何實施例，光學端面耦合器可以是進一步包含經定位和定向以將經數據調制的光學載波重新導向為大體上平行的一組反射器的自由空間光學裝置。
[0008] 在第一設備的替代實施例中，光學端面耦合器可包含錐形光纖束，所述錐形光纖束具有經連接以接收經數據調制的光學載波的輸入光纖以及能夠使用光點圖案照亮端面的輸出端。
[0009] 在第一設備的任何實施例中，光學端面耦合器可經配置以引起經數據調制的載波器中的每一者大體上激發具有不同角動量本征值的至少三個光學傳播模式。
[0010] 在第一設備的任何實施例中，光學端面耦合器可經配置以產生在關于多模式光纖軸的一組不連續旋轉下不變的光點圖案。在此種實施例中，所述光點可處于第一和第二組，以使每一組的光點形成居中于光纖的端面中心的圖案。接著所述組中的一者的光點比所述組中的另一者的一或多個光點距離端面中心更遠。
[0011] 在第一設備的任何實施例中，所述第一設備可進一步包含具有全光端連的多模式光纖段序列的全光多模式光纖信道。所述多模式光纖是所述序列中的光學多模式光纖段的第一者的片段。在一些此類實施例中，所述序列中的一些多模式光纖段可以是經構造以提供微分群延遲補償的混合光纖段。一些此類實施例可進一步包含光學接收器，所述光學接收器經配置以通過對關于從全光多模式光纖信道接收到的光的測量集合執行MM0處理來評估由經數據調制的光學載波傳送的數據流。
[0012] 在第一設備的一些實施例中，光學端面耦合器可包含3D波導裝置。
[0013] 第二設備的實施例包含光學發射器，所述光學發射器經配置以通過使用光點圖案照亮多模式光纖的端面的方式并行地發射多個經數據調制的光學載波。光點中的每一者通過經數據調制的光學載波中的相應一者形成。在所述圖案中，每個光點相對地定位以將經數據調制的光學載波中的相應一者的光學功率分散在多模式光纖中具有不同側向亮度和/ 或相位分布的一組標準正交光學傳播模式上。
[0014] 在第二設備的一些實施例中，子集的光點具有定位在圓上的中心。子集的光點在圓上具有大約相等的弧間隔。在一些此類實施例中，子集由奇數個光點形成，例如3個、5 個、7個或9個光點。所述圖案包含圍繞圓的中心定位的光點中的一者。在根據本段的一些實施例中，光點的第二子集包含三個或三個以上光點。第二子集的光點具有沿著與第一圓同心且具有不同半徑的第二圓定位的中心。所述兩個子集可由不同數目的光點形成。
[0015] 在第二設備的任何實施例中，光學發射器可發射經數據調制的光學載波中的至少一者的功率，以使所述組的每一光學傳播模式接收所述組的光學傳播模式的彼此經數據調制的光學載波中的至少一者的至少1/2的功率。
[0016] 在第二設備的任何實施例中，光學發射器可包含經連接以接收在其輸入光纖上的經數據調制的光學載波的錐形光纖束且可經配置以通過傳輸從其端面接收的光形成圖案。
[0017] 在第二設備的任何替代實施例中，光學耦合器可以是自由空間光學裝置，其中反射器將經數據調制的光學載波重新定向為大體上平行的。
[0018] 在第二設備的任何實施例中，第二設備可進一步包含經串聯以形成全光多模式光纖信道的多模式光纖段序列。所述序列的多模式光纖的第一者具有經定位以通過由光學發射器形成的圖案照亮的端面。在一些此類實施例中，第二設備可進一步包含經光學連接以接收由所述序列的多模式光纖的最后者傳輸的光的光學接收器且可經配置以解調由其光學傳播模式中的不同者傳送的數據流。
[0019] 在第二設備的一些實施例中，光學發射器可包含3D波導裝置，所述3D波導裝置經連接以接收其輸入光纖上的經數據調制的光學載波且經配置以通過傳輸從其端面接收的光形成圖案。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是說明具有多模式光纖（MMF)的傳輸段序列的光學通信系統的框圖；
[0021] 圖2是圖示地說明圖1的光學發射器的框圖；
[0022] 圖3說明圖2的光學發射器的實施例在光學多模式光纖通信信道（例如，圖1的光纖通信信道）中的第一傳輸段的MMF的端面上形成的光點圖案的實例；
[0023] 圖4示出圖1的光學發射器的一些實施例可能使用的3個光點的圖案，例如，以將 3個單個經數據調制的光學載波的光學功率大體上均勻地分散在MMF的3個線性極化（LP) 的模式，例如，具有角動量本征值〇、+1和-1的LP模式上；
[0024] 圖5示出圖1的光學發射器的一些實施例可能使用的6個光點的圖案，例如，以將單個經數據調制的光學載波的光學功率大體上均勻地分散在MMF的6個LP模式上；
[0025] 圖6A是說明圖2的光學發射器的實施例的框圖，其中光學端面耦合器基于圖4的光點圖案將3個單獨的經數據調制的光學載波分散在MFA的標準正交光學傳播模式的混合上；
[0026] 圖6B具有說明在圖6A的光學端面耦合器的自由版本中的三個經數據調制的光學載波的橫截面圖案的演化的一系列橫截面圖；
[0027] 圖7是圖2的光學端面耦合器的錐形光纖束的實施例的橫截面圖；以及
[0028] 圖8是三維（3D)波導裝置的傾斜圖，所述三維波導裝置是圖2的光學端面耦合器的實施例。
[0029] 在圖和文本中相同的參考數字功能地和/或結構地指示類似元件。
[0030] 在圖中，一些特征的相對尺寸可經放大以更清晰地說明其中的設備。
[0031] 在本文中，通過附圖和說明性實施例的詳細描述更全面地描述了各種實施例。然而，本發明可以各種形式體現且不局限于在附圖和說明性實施例的詳細描述中描述的特定實施例。

【具體實施方式】
[0032] 以上提及的第61/608139號、第61/669612號和第61/701646號臨時專利申請案以引用方式全文并入到本文中。
[0033] 在本文中，多模式和單模式光纖指的是具有軸對稱形式的光纖，其在光學電信C、L 和/或S波長帶中傳送光。此類光纖的實例可由摻雜的和/或未摻雜的二氧化硅玻璃光學核心和光學包層構成。一些此類光纖可具有階躍折射率或緩變折射率結構。此類光纖包含，例如，在徑向折射率分布中具有單個階且在折射率分布中具有多個階的光纖，例如，例如在凹陷型包層折射率光纖中。
[0034] 在本文中，多模式光纖（MMF)可具有不同數目的光學傳播模式。MMF的實例包含少模光纖（FMF)，其經構成以具有2個至大約15個光學傳播模式，例如，在缺乏偏振退化的情況下或經構成以具有4個至大約30個具有偏振退化的光學傳播模式。MMF的其它實例包含具有更多光學傳播模式的光纖。
[0035] 在本文中，光纖的相對正交光學傳播模式具有重大不同的光強或振幅分布。特定來說，假如所述模式在光纖的橫截面上具有相差超過一個常數的振幅或相位分布，則兩種模式的所述分布重大不同。舉例來說，兩個此類光學傳播模式通常將具有不同的角動量本征值或軸向徑向本征值。
[0036] 經由MMF的不同標準正交光學傳播模式發射經數據調制的光學載波可能會顯著影響光學退化的量，光學傳輸對經數據調制的光學載波造成光學退化。的確，任一或所有光學衰減、光學串擾和非線性光學失真可以是顯著模式依賴的。當每個單個經數據調制的光學載波在相應的和相對正交的光學傳播模式上發射時，在光學傳輸過程中光學退化的模式依賴性可足夠大以使得一些經數據調制的光學載波變得過于退化以致于無法在光學接收器處重新調制。
[0037]
【發明者】相信模式依賴性的上述不希望的效應可通過經由MMF的一組標準正交光學傳播模式而不是經由單個光學傳播模式以光學方式發射每一經數據調制的光學載波來減少。所述組將包含MMF的兩個或兩個以上相對正交的光學傳播模式，且所述組的兩個或兩個以上相對標準正交的光學傳播模式具有相差超過一個常數的相位和/或光強分布。特定來說，
【發明者】相信通過每一單個經數據調制的光學載波大體上分散在一組相對正交的光學傳播模式（例如具有重大不同的光強和/或相位分布的兩個或兩個以上此類模式）上可使光學傳輸產生光學退化的一個有益平均。此種平均可降低光學退化對經數據調制的光學載波的依賴性。減少此依賴性還可以促進在光學接收器處接收到的光信號流的均等和/或多輸入多輸出（MM0)處理。
[0038] 同樣，通過將單個經數據調制的光學載波的光學功率大體上分散在預選擇的一組此一組相對正交的光學傳播模式上可減少光學插入損耗。某些將此經數據調制的光學載波的光學功率大體上均勻地分散在MMF的此預選擇的一組光學傳播模式上的光學耦合器可以極低的光學插入損耗將光學載波插入到MMF的端面中。
[0039] 圖1說明光學通信系統10,其將每一單個經數據調制的光學載波的光學功率大體上分散在預選擇的一組光學傳播模式上。所述預選擇組具有標準正交的傳播模式，其光強和/或相位分布相差超過一個常數，例如，所述組可包含具有不同徑向動量本征值和/或角動量本征值的模式。光學通信系統10包含光學發射器12、光學接收器14和將光學接收器 14光學連接到光學發射器12的全光多模式光纖信道16。
[0040] 光學發射器12激發具有一組中的每一初始經數據調制的光學載波的預選擇的一組全光多模式光纖信道16的M個相對正交的空間光學傳播模式。所述組初始經數據調制的光學載波由M個或更少的光學載波組成，其使用單獨的數字數據流調制。光學發射器12 可（例如）平行地激發具有所述組初始經數據調制的光學載波的M個光學傳播模式中的每一者。特定來說，光學發射器12在所述組的初始經數據調制的光學載波與全光多模式光纖信道16的M個空間光學傳播模式之間產生線性獨立的光學耦合。由于光學耦合的線性獨立性，調制到單獨的初始經數據調制的光學載波上的單獨的數字數據流可在光學接收器14 處恢復，例如經由MM0處理和/或均等方法。
[0041] 在一些實施例中，光學發射器12可將初始經數據調制的光學載波的能量大體上均勻地分散在預選擇組的相對正交的空間光學傳播模式上。所述預選擇組包含光強和/或相位分布相差超過一個常數的標準正交光學傳播模式，例如具有不同徑向動量本征值和/ 或角動量本征值的光學傳播模式。舉例來說，光學發射器12可經配置使得初始經數據調制的光學載波激發全光多模式光纖信道16的M個空間光學傳播模式中的不同者以具有在預選擇組上變化的能量，例如變化3個或3個以下的分貝、變化2個或2個以下分貝或甚至變化1個或1個以下分貝。假如各種初始經數據調制的光學載波通過此種大體上一致的模式傳播由光學發射器12發射，則初始經數據調制的光學載波中的不同者可在通過全光多模式光纖信道16傳輸的過程中經受類似量的光學退化。
[0042] 在本文中，光學發射器將經數據調制的光學載波的光所傳播到的預選擇組的MMF 的光學傳播模式可以是或不是光纖的光學傳播模式的完整組。也就是說，預選擇組包含多個相對正交的模式，但此組中的模式可形成或不形成在MMF中模式的一個極化或兩個極化的完整基礎。每一預選擇組包含MMF的至少3個相對正交光學傳播模式，其具有重大不同的光強和/或相位分布。
[0043] 在一些實施例中，光學發射器12可并入有波長多路復用。在此類實施例中，光學發射器12可（例如）以一個波長信道接著一個波長信道的基礎執行初始經數據調制的光學載波的模式傳播。
[0044] 光學接收器14可選擇地或單獨地檢測從由光學發射器12激發的預選擇組的M個單個光學傳播模式接收到的光值系列。舉例來說，光學接收器14可經配置以選擇地或單獨地檢測從單個空間光學傳播模式接收到的光，如在第20110243490號美國專利申請公開案和第20110243574號美國專利申請公開案中描述，這兩個申請案以引用方式全文并入到本文中。
[0045] 此外，光學接收器14可評估初始數字數據流，所述初始數字數據流基于從預選擇組的相對正交的空間光學模式的單個者接收到的光值的平行測量，通過光學發射器12調制到光學載波上。在光學接收器14中，初始數字數據流的評估可涉及執行常規MM0處理和/或平行測量的光值流的均等。在一些實施例中，光學接收器14還可在執行此種MIM0處理和/或均等之前執行差分群速度補償。MM0處理和/或均等可（例如）大致使預選擇組的光學傳播模式的信道矩陣和光學發射器12的光學耦合矩陣的乘積對角化。光學耦合矩陣定義在初始經數據調制的光學載波組與預選擇組的個M空間光學傳播模式之間的耦合。
[0046] 全光多模式光纖信道16包含MMF的N個光學傳輸段18:、182、…、18N序列和物理地光學端連傳輸段18i至18N的鄰近端的（N-1)個光學處理單兀2〇i、…、20]^。數字N可以是等于或大于一的任何整數。每個光學傳輸段181至181<可以是（例如）相同種類的MMF，以使N個光學傳輸段18:至18N具有相同的或類似的空間光學傳播模式的正交組。
[0047] 光學傳輸段^至^可由常規MMF的片段形成。每一片段可以是（例如）常規階躍折射率MMF、常規漸變折射率MMF或常規凹陷型包層折射率MMF的單個片段。
[0048] 可選地，光學傳輸段18:至18N中的一或多者可由混合MMF的片段形成，例如，由不同類型MMF的端融合片段形成的MMF的片段。當然，此種混合MMF可經構成以例如，基于一段接著一段的基礎在預選擇組的不同光學傳播模式之間減小或本質上補償累積的差分群延遲（D⑶）。提供此種D⑶補償的此種混合MMF段的使用可促進在光學接收器14中的MM0 處理和/或均等。
[0049] 在一些實施例中，每個光學傳輸段18i至18NR具有幾個空間光學傳播模式，即，為少模光纖。光學傳輸段18:至18 N序列的正交空間光學傳播模式的數目等于或大于在光學傳送數據的預選擇組中的相對正交光學傳播模式的數目。
[0050] 光學處理單元2〇i至20N_i可在預選擇組的光學傳播模式之間執行光學放大、光學色散補償和累積的DGD補償中的一或多者。在一些實施例中，可選的最后的光學處理單元 20N可用于在預選擇組的光學傳播模式之間減少或移除任何殘余DGD和/或提供放大，和/ 或減少或移除光學傳播模式的殘余分布。
[0051] MMF的單個光學傳輸段18:至18N和全光處理單元2〇i至20N可具有任何合適的形式，例如，為相關領域的普通技術人員熟知的常規形式。可構造單個光學傳輸段18:至18n 和/或全光處理單元2〇i至20N，（例如）如在2012年6月30日提交的第13/539371號美國專利申請案中所描述。一些全光處理單元201至201<可包含如在2012年9月30日提交的第13/632038號美國專利申請案中和/或在2012年8月24日提交第61/692735號美國臨時專利申請案中所描述的多模式光學放大器。在本段中引用的申請案以引用方式全文并入本文中。
[0052] 在一些實施例中，光學發射器12和/或光學接收器14可并入有波長復用。在此類實施例中，光學發射器12可（如已經描述）基于一個波長信道接著一個波長信道的基礎執行（例如）光學模式傳播。類似地，對于一或多個波長信道，光學接收器14可經配置以評估單個數據流，所述數據流（如已經描述）基于一個波長信道接著一個波長信道的基礎調制到光學發射器12中的光學載波上。
[0053] 圖2說明圖1的光學發射器12。光學發射器12包含M個光學數據調制器ODMi、…、〇DMm;M個光學波導OWi、…、0WM;以及光學端面耦合器6。每個光學數據調制器ODMi至0DMm 輸出由電氣數字數據流DATAi至DATAm調制的光學載波，其在光學數據調制器ODMi至0DMm 處接收。每個光學波導OWi至0WM將光學數據調制器ODMi至0DMm中的相應一者光學耦合到光學端面稱合器6。光學端面稱合器6將M個光學波導OWi至0WM光學稱合到MMF的相鄰的和附近的端面30,例如在圖1中的第一光學傳輸段18i的MMF。
[0054] 光學端面耦合器6在相鄰的和附近的端面上產生由每個光學波導OWi至0WM發射的光束產生的相應的光點。舉例來說，光學端面耦合器6可包含一組經布置以產生所述光點的自由空間光學裝置，例如反射器、光圈，和聚焦和/或準直鏡頭和/或鏡像系統。由不同光學波導OWi至0WM產生的光點通常具有中心，其在MMF30的相鄰端面30上空間分離。對于光學端面耦合器6的一些實施例，光點完全地或大體上完全地在端面30上分離。在此類實施例中，光學端面耦合器6通常在MMF的相鄰端面30上產生M個單獨的光點。在其它實施例中，光學端面稱合器6可產生空間重疊的光點圖案，例如發光區域。在各種實施例中，所述圖案的單個光點中的不同者耦合到MMF的預選擇組的光學傳播模式的線性獨立組合。
[0055] 在MMF的相鄰端面30上，每個光點圖案定義在相應光學波導OWi至0WM與MMF的預選擇組的光學傳播模式之間的光學耦合。特定來說，光學端面耦合器6可將每個最初經數據調制的光學載波的光能或光學功率（例如，來自光學波導(^ 1至01"中的一者）大體上均勻地傳播到預選擇組的空間光學傳播模式。預選擇組包含正交光學傳播模式，其光強和 /或相位分布相差超過一個常數值，例如，所述組可包含具有不同徑向本征值和/或角動量本征值的模式。也就是說，每個初始經數據調制的光學載波通過光學傳播模式的混合在MMF 中傳播。舉例來說，光學端面耦合器6可經配置使得M個初始經數據調制的光學載波中的每一者從光學調制器ODMi至0DMm激發具有光學功率的MMF的M個相對正交空間光學傳播模式，所述光學功率通過預選擇組的模式變化3個或3個以下分貝、2個或2個以下分貝或甚至1個或1個以下分貝。
[0056] 因此，來自每一光學波導OWi至01"中的光大體上耦合到預定的一組MMF的多光學傳播模式（也就是說，耦合到光學傳播模式的混合）。光學耦合在初始經數據調制的光學載波之間定義光學耦合矩陣，所述光學載波由光學數據調制器ODMi至0DMm以及MMF的預選組的光學傳播模式產生。此光學耦合矩陣通常是可逆的且近似歸一的。
[0057] 圖3說明光學發射器12的可選實施例可在圖2中的MMF的端面30上形成的光點圖案的實例。光學發射器12的不同實施例可將初始經數據調制的光學載波的組光學耦合到圖2的MMF的光學傳播模式的不同預選擇組。此外，光學發射器12的各種實施例可將所述組的初始經數據調制的光學載波中的單個一者的光學功率大體上均勻地分散在預選擇組的光學傳播模式上。特定來說，圖案中的每個光點可激發在預選擇組的光學傳播模式上變化，例如，3個或3個以下的分貝、2個或2個以下分貝或甚至1個或1個以下分貝的光學功率。每個預選擇組包含光強和/或相位分布以重大方式區分的標準正交光學傳播模式，例如，預選擇組可包含具有不同徑向本征值和/或角動量本證值的模式。
[0058] 圖3示出可選圖案A、B、C、D和E，其分別具有3、6、8、10、12和15個空間上分離的光點。在每個圖案A至F，光點通過實心圓指示。在圖3中，連接一些光點的線不是圖案A 至F的部分。包含所述線以有助于各種圖案A至F的形式的可視化。
[0059] 對于圖2的MMF的適當形式，每個圖案A至F的單個光點激發預定的一組線性極化（LP)模式，所述線性極化模式接近MMF的光學傳播模式，MMF為具有較小光核心光包層折射率差異的階躍折射率光纖。在每個圖案A至F中，光點的數目等于或大于光點組可激發的光學傳播模式的獨立組合的數目。分別具有3、6、10、12和15個光點的圖案A至F的單個光點可（例如）激發LP模式的下列相應的預選擇組：
[0060] {LP01,LPlla,LPllb},
[00G1] {LP01,LP〇2,LPlla,LPllb,LP21a,LP21b},
[0062] {LP01,LP〇2, LPlla,LPllb, LP21a,LP21b, LP31a,LP31b},
[0063] {LP01,LP〇2, LPlla,LPllb, LP21a,LP21b, LP31a,LP31b,LP12a,LP12b},
[0064] {LPQ1，LPQ2, LPlla,LPllb, LP21a,LP21b, LP31a,LP31b,LP41a,LP41b,LP12a,LP12b}，以及
[0065] {LP01,LP〇2, LP〇3,LPlla, LPllb,LP21a, LP21b,LP31a,LP31b,LP41a,LP41b,LP12a, LP12b,LP22a,LP22 J °
[0066] 在每個圖案中，光點對稱地或規則地布置在一或多個居中于MMF的軸上的環上。此類布置的一些非限制性實例在圖3中示出。在一種圖案中，環的數目由預選擇組的LPmn 模式的不同徑向量子數"n"的數目給出。多環圖案可激發徑向LP"模式的線性獨立組合。 [0067]為了將光學載波的功率大體上均勻地分散在預選擇組的LP模式上，在圖2的MMF 的端面30上由光學載波形成的光點應在端面30上具有合適的位置、尺寸和形狀。對于此種光點，
【發明者】相信位置、尺寸和形狀的優選值應在圖2的光學端面耦合器6中引起低模式依賴損耗和/或低插入損耗。
【發明者】相信在傳輸到MMF之前，此類損耗中的低模式依賴可增強MM0處理的能力以恢復調制到光學載波上的數據流。
[0068] 光學端面耦合器6界定通過圖2的光學端面耦合器6以及MMF中的光學傳播模式投射到MMF的端面30上的光點之間的有效耦合矩陣M。在矩陣M中，每個矩陣元素由在根據所述元素的光點的電場與光學傳播模式之間的整體重疊給出。通常，矩陣M可分解為形式M= UAV'其中U和V是單式矩陣，且A是對角矩陣，其非零對角輸入是M的本征值。發明者相信圖2的光學端面耦合器6的優選實施例具有有效的耦合矩陣M，對應的矩陣對于其具有非零對角輸入，所述非零對角輸入的比例具有接近于1的量值。光學端面耦合器6的此類優選實施例可易于由相關領域的普通技術人員在未做過度實驗的情況下基于本申請案的揭示內容而發現。
[0069] 圖4和圖5說明3個光點和6個光點圖案的實例，所述實例可由圖2的光學端面耦合器6的一些實施例實施。在這些實例中，對于圖2的MMF的適當形式，圖案的單個光點可分別將其中的光學功率大體上均勻地分散在圖2的MMF的合適形式的LP模式組 {LP01,LPlla,LPnlJ和{LPcu,LP02,LPlla,LPllb,LP21a,LP211J上。特定來說,在合適MMP的端面 30 上產生這些圖案的光學端面耦合器可提供有效的耦合矩陣M，所述耦合矩陣大體上是單式矩陣且具有比率接近1的量值的本征值。
[0070] 3個光點的實例圖案
[0071] 圖4示出一種圖案，其中具有大約相等尺寸和形狀的3個光點對稱地或規則地布置在圖2中MMF端面30的中心周圍。特定來說，不同光點的中心通過關于端面30的中心旋轉120度互換。此外，每一光點可具有近似高斯光強分布和圓形形狀。
[0072] 在所述圖案中，3個光點中的每個光在離圖2的光纖的端面30的中心相同的徑向距離處定位。徑向距離經選擇以使每一光點能夠激發具有大約相等功率的MMF的UV模式和MMF的LPlla+iLPllb模式。此處，LPlla+iLPllb和LPlla-iLPllb模式是MMF中的角動量本征值，即，光強關于MMF的軸軸向對稱的模式。根據上述要求，相關領域的普通技術人員將能夠容易地確定來自圖2的MMF的中心的此類光點的徑向距離。的確，普通技術人員將理解，將此類光點耦合到UV模式和LPlla+iLPllb模式的相對強度取決于所述徑向距離，因為UV 模式通常在MMF的軸上具有其最高光強，且LPlla+iLPllb模式通常在離MMF的軸的非零徑向距離處具有其最高光強。
[0073] 在上述圖案中，每一光點同樣可具有經配置以產生低插入損耗的尺寸。對于作為階躍折射率少模光纖或緩變折射率少模光纖（例如，僅具有近似的LP^LPm和LPllb模式）的實例MMF，每一光點可具有約為標準單模光纖中的模場直徑的直徑，前提是MMF的光學核心具有約17微米的直徑并且MMF具有V= 3. 92的歸一化頻率。當MMF是少模光纖時，所述模場直徑通常與MMF的有效區域的平方根有關。
[0074] 使用3個光點圖案將圖1的光學發射器12的初始經數據調制的載波耦合到其全光多模式光纖信道16可提供優勢。特定來說，3個光點可耦合到一組在全光多模式光纖信道16中僅具有2個群速度的光學傳播模式。舉例來說，在組Oi^，LPlla，LPllb}中，LPlla 和LPllb模式通常具有相同的瞬時群速度，因此光學傳播模式的組僅以2個不同的群速度傳播。因此，通過形成混合光纖的單個MMF，在一段接著一段的基礎上可獲得差分群延遲 (DGD)補償。舉例來說，此種混合光纖段可具有第一和第二MMF片段，其中離差具有相反的符號。使用此類混合MMF段來提供DGD補償可有助于在圖1的光學接收器14處的接收到的光學信號的MM0處理。
[0075] 6個光點的實例圖案
[0076] 圖5圖示地說明6個光點SpSpSySySpSg的圖案的實例，所述光纖圍繞圖2中的MMF的端面30的中心布置。光點S。至S5的圖案可將多達6個單獨的初始經數據調制的光學載波光學耦合到具有LP類似的光學傳播模式的少模光纖（FMF)的6個光學傳播模式上。當包含兩種極化時，此種FMF可具有12個相對標準正交的LP模式。作為一個實例，此種FMF可具有（例如）直徑為大約17微米（ym)的光學核心和大約0. 5%的光學核心到包層折射率對比度。
[0077] 在該圖案中，中心光點\具有直徑dS(l，且5個外部光點\具有直徑dSl。所述5 個外部光點Si沿著具有半徑r。的虛圓C定位在大致相等的弧間隔處，其中虛圓C大約居中于端面30的中心。外部光點Si接觸直徑是dc的開孔圓形區域。所述開孔圓形區域同樣居中于中心光點Sp
[0078] 在所述圖案中，每個光點\至55可具有（例如）近似高斯光強分布和圓形。
[0079] 光點SQ至S5的圖案可經設計以通過選擇參數dspr。、dsQ和/或dc的合適值在圖2的光學模式耦合器6中減少耦合插入損耗和/或損耗的模式依賴性。作為一個實例，為了稱合到上述MMF，假如dSi設置為大約5. 5ym、r。設置為大約6. 6ym、設置為大約 5. 1ym且dc設置為大約6. 6ym，則光學f禹合器6可由大約3dB的f禹合插入損耗以及大約 ldB的損耗的模式依賴性形成。假如光學傳播模式沿著FMF的長度經歷大量混合，則可進一步減緩耦合插入損耗的模式依賴性。
[0080] 圖2的光學模式耦合器6的此種6個光點圖案可使用自由空間光學器件、（例如，基于與下文在圖6A到6B中說明的結構類似的結構）、錐形光纖束或光激性提燈、集成光學裝置或3D波導裝置制成。在基于自由空間光學器件的光學模式耦合器4的此種實施例中，初始經數據調制的光束可空間地組合以形成6個光點圖案，例如，使用具有五邊形或其它基的錐形鏡像裝置。沿著錐形鏡像裝置的主要軸的中心孔可用于產生圖案的中心光點S。。在基于錐形光纖束或光激性提燈的光學模式耦合器t的實施例中，其六個單模式光纖的錐形部分可在熔融的或錐形的結構FTS中形成橫截面圖案，其在形式上類似于圖5的圖案。
[0081] 具有3點樽式耦合器的實例光學發射器
[0082] 圖6A至6B說明圖2的光學發射器12的實例12A，其在圖2的MMF的鄰近端面30 上產生圖4的3點圖案。光學發射器12A使用自由空間光學器件以構成圖2的光學端面耦合器6。
[0083] 參考圖6A，光學發射器12A包含三個光學數據調制器22p222、223 ;三個光學波導 0評1、012、013;鏡子組^2、10^4 ;以及包含透鏡11、12的聚焦和/或準直透鏡系統。
[0084] 每個光學調制器22p222、223將接收到的初始電氣數字數據流DATA-1、DATA-2、 DATA-3調制到相應的光學載波上且將所得的初始經數據調制的光學載波輸出到相應的光學波導OWpOWyC^。可以是（例如）單模式光纖或平面光學波導的每個光學波導OWpO^、〇W3將初始經數據調制的光學載波經由其輸出端傳輸到鏡子Ml、M2、M3。
[0085] 鏡子M1、M2、M3、M4將初始經數據調制的光學載波耦合到圖2的MMF的鄰近端面。三個鏡子M1、M2、M3重新排列由初始經數據調制的光學載波1、2、3的光束的橫截面形成的圖案。這些光束最初以共面的方式從光學波導OWp0W2、0W3的末端發射。
[0086] 兩個鏡子M1、M2重新定向這些光束中的兩者，使得三個經數據調制的光學載波1、 2、3的光束在圖6A的區域AA中共面和平行。在圖6B的上部以橫截面形式說明了初始經數字數據調制的光學載波1、2、3的光束的此共面和平行布置。
[0087] 接著，剩余的鏡子M3、M4橫向地取代中心的初始經數字數據調制的載波3的光束以定位在圖6A的區域BB中的另外兩個共同定向的初始經數字數據調制的光學載波1、2的光束平面的上方或下方。在圖6B的中心部分中說明了初始經數字數據調制的光學載波1、 2、3的光束的此新布置。這些剩余的鏡子M3、M4可垂直布置，如圖6A中的插圖所說明。
[0088] 透鏡L1和L2重新設定鏡子Ml至M4產生的光束圖案的尺寸，使得圖案具有適于照亮圖2中的MMF的端面30的尺寸。舉例來說，透鏡L1可縮小來自BB區域的三個初始經數字數據調制的光學載波1、2、3的橫截面圖案以產生較小直徑的光束布置。接著，透鏡L2 可校準三個初始經數字數據調制的光學載波1、2、3以形成MMF的端面30上的所述三個光束產生的光的三點配置。在圖6B的下部說明了初始經數字數據調制的光學載波1、2、3的光束的此新布置。
[0089] 某于光纖裝置的實例光學發射器
[0090] 在其它實施例中，光學波導OWi至0WM和圖2的光學端面耦合器6可由光纖裝置形成，例如，其中每個輸入光纖傳送初始經數據調制的光學載波中的每一者的錐形光纖束。在光纖束中，單個光纖可根據已經討論過的點圖案（例如圖3至5的圖案中的一者）中的一者橫向地布置在光纖束的熔融的和錐形的部分（FTS)中。
[0091] 在一些此類實施例中，光纖裝置可以是在熔融的和錐形的光學片段（FTS)中絕熱地合并M個單模式光纖SMFi、…、SMFm的光激性提燈，在所述光學片段中，原始光纖核心陣列由具有較低折射率的光學包層矩陣環繞。
[0092] 圖7圖示地說明具有M個輸入單模式光纖SMFi、…、SMFm的此種光激性提燈6'的實例，即，針對M= 3的情況。為了形成光激性提燈6'的熔融的和錐形的片段FTS，每一個原始單模式光纖SMFi至SMFm的片段可放置在具有較低折射率的單個玻璃毛細管GC中。接著，光纖填充的玻璃毛細管可經熔融或拉動以產生FTS片段的絕熱錐化。由于絕熱錐化，M 個隔離的單模式光學核心的光圖案可在熔融的和錐形的片段FTS中演變成新的光束圖案，而不具有功率損耗。由于絕熱錐化，M個定位光束的原始圖案可演變到FTS片段中形成橫向重疊光束的圖案，其可在MMF的端面上產生重疊發光區域的圖案，如本申請案中其他地方所討論。基于光激性提燈的圖2的光學模式耦合器6的實施例可提供較低的模式依賴損耗和/或較低的耦合/插入損耗，例如，當錐化不會使M個單模式光纖的原始傳播模式的光演變成熔融的和錐形的光學片段FTS的光學包層模式時。
[0093] 某于集成裝置的實例光學發射器
[0094] 或者，光學波導OWi至0WM和圖2的光學模式耦合器6可使用經配置以從M個初始經數據調制的光學載波中產生所需光點圖案的平面光學裝置來實施。
[0095] 某于3D波導裝置的實例光學發射器
[0096]圖8說明3D波導裝置6〃，其提供圖2的光學端面耦合器6的實施例。3D波導裝置6〃經配置以在圖2的MMF的鄰近的端面30上產生3個光點圖案。3D波導設備6〃包含在光學材料的大塊2(例如二氧化硅玻璃塊）中形成的3個光學核心30(；、30(： 3、30(：3。在塊 2的左側（LS)與塊2的右側（RS)之間，由光學核心30(^、30(：3、30(：3形成的橫截面圖案平滑地演變。在塊2的左側（LS)，所述圖案的光學核心3DQ至3DC3廣泛地間隔成便于端耦合到光學波導OWp0W2、0W3，所述光學波導連接到3個光學數據調制器（未顯示）。在塊2的右側（RS)，光學核心30(^至30(：3具有呈光點圖案形式的空間圖案（SP)，所述空間圖案將投射到MMF的鄰近端面30上。
[0097] 光學核心3DQ至3DC3的橫截面圖案的演化通過在塊2的總體積中形成光學核心 3DQ至3DC3而產生。特定來說，3D波導裝置可使用集中的和高光強激光內刻在光學材料塊中。舉例來說，飛秒脈沖的高光強激光可經操作以產生能夠在3D二氧化硅玻璃塊的體積中激光寫出光學核心的此類復雜圖案的集中光束。經由3D微生產激光書寫來產生此類3D波導裝置的服務是公開可用的，例如，此類服務和3D波導裝置可公開購自蘇格蘭H154 7GA西洛錫安區利文斯頓阿爾巴大學0/14阿爾巴創新中心Optoscribe有限公司。
[0098]然而所說明的光學端面耦合器6經配置以在MMF的鄰近端面30上產生3個光點圖案，用于圖2的光學端面耦合器6的3D波導裝置不限制于用于產生3個光點的裝置。基于本發明，相關領域中的普通技術人員將容易地制造和使用經配置以在圖2中的MMF的端面30上生產光點的其它圖案的3D波導裝置的其它實施例。確實，此種普通技術人員將理解，此類其它實施例可經配置以產生如在圖3中所說明的光點圖案A至F中的任一者。 [0099]然而在本申請案中，圖2的光學端面耦合器6的一些實施例已被說明為生產光點 (其中光點中的單個一者空間地分離）的圖案，但本發明不局限于此類特定圖案。在本文中，表述"光點"包含光的兩個局部點，例如，圓形光點和更普遍的發光區域。光點甚至可以是分離的發光區域的集合。確實，可構造圖7和8的一些錐形光纖束6'和2d波導裝置6〃以根據單個接收的光束形成此類發光區域的圖案。使用此種發光區域來將單個經數據調制的光學載波耦合到圖2的MMF的端面30仍然可以將單個經數據調制的光學載波的功率大體上均勻地分散在預選擇組的標準正交傳播模式上，其中一些模式具有重大不同的光強和 /或相位分布。
[0100] 圖1的光學通信系統10的一些實施例同樣可實施差托群延遲補償，例如，如在 2012年9月15日提交的第61/701613號美國臨時專利申請案中所描述。本申請案以引用方式全文并入到本文中。
[0101] 本發明旨在鑒于描述、圖示和權利要求包含對本領域技術人員而言顯而易見的其它實施例。
【權利要求】
1. 一種設備，其包括：光學發射器，其包含多個光學數據調制器和光學端面耦合器，所述光學數據調制器的每一者經配置以輸出相應的經數據調制的光學載波，所述光學端面耦合器經配置以將所述經數據調制的光學載波引導到光束圖案中以使用光點圖案照亮多模式光纖的端面；以及其中所述光學端面耦合器經配置以使經數據調制的光學載波的每一者激發所述多模式光纖的一組標準正交光學傳播模式，所述組的一些標準正交光學傳播模式具有重大不同的光強或相位分布。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中所述光學耦合器經配置以使所述經數據調制的光學載波的每一者的光學功率被大體上均勻地分散在所述組的所述正交光學傳播模式上。
3. 根據權利要求2所述的設備，其中所述光學耦合器經配置以使所述經數據調制的光學載波中的至少一者的光學功率被分散在所述光學傳播模式上，使得所述光學傳播模式中的每一者接收所述光學傳播模式彼此的至少1/2的所述光學功率。
4. 根據權利要求1所述的設備，其中所述光學端面耦合器包含錐形光纖束，所述錐形光纖束具有經連接以接收所述經數據調制的光學載波的輸入光纖以及能夠使用所述光點圖案照亮所述端面的輸出端。
5. 根據權利要求1所述的設備，其中所述光學端面耦合器包含3D波導裝置。
6. 根據權利要求1所述的設備，其進一步包括具有全光端連的多模式光纖段序列的全光多模式光纖信道，所述多模式光纖是所述序列中的所述光學多模式光纖段的第一者的片段，且其中所述序列的一些所述多模式光纖段是經構造以提供差分群延遲補償的混合光纖段。
7. 根據權利要求1所述的設備，其進一步包括光學接收器，所述光學接收器經配置以通過對關于從所述全光多模式光纖信道接收到的光的測量集合執行MIMO處理來評估由所述經數據調制的光學載波傳送的數據流。
8. -種設備，其包括：光學發射器，其經配置以并行地發射多個經數據調制的光學載波并且使用光點圖案照亮多模式光纖的端面，所述光點的每一者由所述經數據調制的光學載波器中的相應一者形成；以及其中在所述圖案中，每個光點相對地定位以將所述經數據調制的光學載波中的所述相應一者的光學功率分散在所述多模式光纖中具有不同側向光強或相位分布的一組標準正交光學傳播模式上。
9. 根據權利要求8所述的設備，其中所述圖案的所述光點的子集具有定位在圓上的中心，所述子集的所述光點在所述圓上具有大約相等的弧間隔，且其中所述子集由3、5、7或9 個所述光點形成。
10. 根據權利要求8所述的設備，其中所述圖案的所述光點的子集具有定位在圓上的中心，所述子集的所述光點在所述圓上具有大約相等的弧間隔，且其中所述光學發射器經配置以發射所述經數據調制的光學載波中的至少一者的功率，使得所述組的每一光學傳播模式接收所述組的所述光學傳播模式彼此的所述經數據調制的光學載波中的至少一者的至少1/2的功率。
【文檔編號】H04B10/2581GK104412526SQ201380021076
【公開日】2015年3月11日申請日期:2013年3月6日優先權日:2012年3月8日
【發明者】羅蘭·里夫, 勒內-瓊·埃西安布爾, 尼古拉斯·方丹申請人:阿爾卡特朗訊

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