一种基于高速单模光模块的多模光纤传输系统的制作方法

1.本发明属于光纤通信技术领域，具体为一种基于高速单模光模块的多模光纤传输系统。


背景技术：

2.5g技术、云计算、大数据等新一代信息技术的发展和应用，推动数据流量向集中化发展。光模块作为实现数据中心内部及外部设备互联的功能性器件，随着数据中心规模的增长也得到了快速的发展。而数据流量和云服务的爆炸性需求，使得数据中心需要迁移到更高的传输速率，从而推动了光模块向高速率方向发展。
3.基于多模光纤的传输是数据中心内部光互连的一个重要手段，数据中心对高速的要求，使得高速多模光纤通信成为光通信的一个研究热点。另外，传统数据中心仍使用多模光纤进行光互连，如何利用这些已经铺设的多模光纤实现高速传输便是一项很有意义的工作。利用多模光纤实现高速信息传输需要使用高速多模光模块，目前高速的多模光模块还处于研发阶段，不是很成熟，现阶段投入商用的成熟的高速多模光模块的速率最大为25gbit/s，要想实现更高的速率，则需要进行多路复用，这势必会造成成本的增加，而且重新为这部分多模组网架构多模光模块设备将会造成通信成本的增加；另一方面，高速单模光模块技术已趋于成熟，现阶段的最高速率可达400gbit/s，且单模光模块可以在多模光纤中进行短距离传输。
4.在实际应用中，单模光模块的输出尾纤为单模，在与多模光纤连接时，无法严格保证单模光纤与多模光纤的中心对准，可能存在一定的偏芯。在用单模光纤进行接收时，多模光纤与单模光纤之间也不可避免的会产生一定的偏芯。另外，由于实际应用场景的复杂性，多模光纤传输链路中也不可避免的存在多个连接点，多模光纤之间也存在一定的偏芯距。这些偏芯距的存在会引起光纤连接处不同的模式激发和模式耦合，从而影响传输过程的模式间耦合及模式群时延情况。模式间耦合会导致传输过程中的多路信号之间发生能量交换，从而产生信道干扰；差分模式群时延的存在会使两路信号之间的耦合并不是同一时刻对应码元之间的耦合，而是一路信号某时刻码元与另一路信号其他多个时刻对应码元的叠加，从而产生码间干扰。可见，不同偏芯距导致的不同模式间耦合以及差分模式群时延会对信号产生不同的影响。


技术实现要素：

5.本发明针对高速多模光模块技术的不成熟，以及短距离高速通信的要求，提出了一种基于高速单模光模块的多模光纤信号传输系统。本发明通过利用现有的大规模使用的高速单模光模块在多模光纤中传输来实现短距离高速通信，可以有效降低通信成本。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种基于高速单模光模块的多模光纤传输系统，其系统框架如图1所示，包括信号发生模块1、模式激发模块2、信号传输模块3、信号接收模块4及信号分析模块5；其中，信号
发生模块1的输出端口与模式激发模块2的输入端口相连，模式激发模块2的输出端口与信号传输模块3的输入端口相连，信号传输模块3的输出端口与信号接收模块4的输入端口相连，信号接收模块4的输出端口与信号分析模块5的输入端口相连。
8.进一步地，所述的信号发生模块1由信号发生器11、激光器12及光电调制器13组成；所述的模式激发模块2由第一单模光纤21及第一偏芯模式激发模块22组成；所述的信号传输模块3由第一多模光纤31、第二偏芯模式激发模块32及第二多模光纤33组成；所述的信号接收模块4由偏芯模式耦合41及第二单模光纤42组成；上述信号发生器11的输出端口与光电调制器13的第一输入端口131相连，激光器12的输出端口与光电调制器13的第二输入端口132相连；光电调制器13的输出端口与第一单模光纤21的输入端口相连，第一单模光纤21的输出端口与第一偏芯模式激发模块22的输入端口相连；第一偏芯模式激发模块22的输出端口与第一多模光纤31的输入端口相连，第一多模光纤31的输出端口与第二偏芯模式激发模块32的输入端口相连，第二偏芯模式激发模块32的输出端口与第二多模光纤33的输入端口相连；第二多模光纤33的输出端口与偏芯模式耦合41的输入端口相连，偏芯模式耦合41的输出端口与第二单模光纤42的输入端口相连；第二单模光纤42的输出端口与信号分析模块5的输入端口相连。
9.进一步地，第一单模光纤21与第一多模光纤31连接时纤芯之间偏移的距离为第一段偏芯距，第一多模光纤31与第二多模光纤32连接时纤芯之间偏移的距离为第二段偏芯距，第二多模光纤32与第二单模光纤42连接时纤芯之间偏移的距离为第三段偏芯距。
10.进一步地，所述第一段偏心距、第二段偏心距及第三段偏心距不超过10um。
11.进一步地，上述偏芯距的设计方法，具体步骤如下：
12.第一步，利用rsoft软件仿真不同偏芯距下光从第一单模光纤入射第一多模光纤的模式激发情况，得到不同偏芯距下lp01在第一多模光纤中激发的模式种类、数量以及功率占比；
13.第二步，根据不同偏芯距下第一单模光纤入射第一多模光纤的模式激发情况对系统中第一偏芯模式激发模块中的衰减器的数量、衰减系数、时延器的数量和时延数值进行修改，通过输入不同偏芯距下的模式激发情况，得到不同模式耦合及不同差分模式群时延干扰下的系统误码率；
14.第三步，利用rsoft软件仿真不同偏芯距下经过模式耦合的光从第一多模光纤输入射第二多模光纤时的模式激发情况，得到不同偏芯距下第一多模光纤中不同模式在第二多模光纤中激发的模式种类、数量以及功率占比；
15.第四步，根据上述的仿真结果对系统中第一偏芯模式激发模块和第二偏芯模式激发模块进行修改，其中，对第一偏芯模式激发模块的修改与步骤二的修改一致，然后，根据不同偏芯距下第一多模光纤入射第二多模光纤的模式激发情况对系统中第二偏芯模式激发模块中的衰减器的数量和衰减系数以及时延器的数量和时延数值进行修改，通过输入不同偏芯距下的模式激发情况，得到不同偏芯距下不同模式耦合及不同差分模式群时延干扰下的系统误码率；
16.第五步，利用rsoft软件仿真不同偏芯距下经过模式耦合之后的光从第二多模光纤入射第二单模光纤时向lp01的耦合的情况，得到不同偏芯距下第二多模光纤中不同模式向lp01模式耦合的功率比；
17.第六步，根据仿真结果对系统中的第一偏芯模式激发模块、第二偏芯模式激发模块以及偏芯模式耦合模块进行修改，其中，第一偏芯模式激发模块和第二偏芯模式激发模块的修改和步骤四中的修改一致；然后，根据不同偏芯距下第二多模光纤入射第二单模光纤时不同模式向lp01的耦合情况对系统中偏芯模式耦合模块中的衰减器的数量和衰减系数、耦合器的数量和耦合比以及时延器的数量和时延数值进行修改，通过输入不同偏芯距下的模式激发和模式耦合情况，得到不同偏芯距下的系统误码率；
18.第七步，首先根据不同偏芯距下第一单模光纤入射第一多模光纤时系统的误码率情况，得到极限fec(误码率小于2
×
10
‑4)(极限fec是指能被fec技术纠正的系统的最大误码率，系统误码率在低于该误码率时可以有效传输。)下第一单模光纤与第一多模光纤间的可偏芯的最大范围；然后，根据第一单模光纤与第一多模光纤连接处和第一多模光纤与第二多模光纤连接处分别在不同偏芯距下的系统误码率情况，得到第一单模光纤与第一多模光纤间偏芯距确定时，极限fec下第一多模光纤与第二多模光纤间可偏芯的最大范围；最后，根据第一单模光纤与第一多模光纤连接处、第一多模光纤与第二多模光纤连接处以及第二多模光纤与第二单模光纤分别在不同偏芯距下的系统误码率情况，得到第一单模光纤与第一多模光纤间偏芯距和第一多模光纤与第二多模光纤间偏芯距确定时，极限fec下第二多模光纤与第一单模光纤间可偏芯的最大范围；即可得到系统可以有效传输的三段偏芯距的最大范围。
19.进一步地，第二步中所述的衰减器的数量为第一单模光纤入射第一多模光纤时激发模式的数量，不同衰减器的衰减系数为第一单模光纤入射第一多模光纤时激发的不同模式的功率占比，时延器的数量为第一单模光纤入射第一多模光纤时激发的模式数量减一，时延数值为不同模式和lp01之间的时延差。
20.进一步地，第四步中所述的第二偏芯模式激发模块中的衰减器的数量为第一多模光纤入射第二多模光纤时激发模式的数量，不同衰减器的衰减系数为第一多模光纤入射第二多模光纤时激发的不同模式的功率占比，时延器的数量为第一多模光纤入射第二多模光纤的模式数量减一，时延数值为不同模式和基模lp01之间的时延差。
21.进一步地，第六步所述的衰减器的数量为第二多模光纤中传输模式的数量，不同衰减器的衰减系数为第二多模光纤中传输模式的功率占比，耦合器数量为第二多模光纤中传输模式的数量减一，不同耦合器的耦合比为第二多模光纤入射第二单模光纤时不同模式向lp01模式耦合的耦合比。
22.与现有技术相比，本发明的优点如下：
23.本发明首次将高速单模光模块应用于多模光纤进行传输，实现了高速短距离传输，相较其他高速短距离通信系统，降低了通信的成本，且可实现大规模的覆盖。而且，提出一种偏芯距设计方法，通过设计合理的偏芯距，使系统误码率低于2
×
10
‑4，实现了系统的有效传输。
附图说明
24.图1：本发明的基于高速单模光模块的多模光纤传输系统结构示意图；
25.图2：本发明的基于高速单模光模块的多模光纤传输系统结构示意图；
26.图3：本发明所述的偏芯距设计方法流程示意图；
27.图4：各模式时延；
28.图5：第一单模光纤与第一多模光纤间不同偏芯距下的模式激发情况；
29.图6：第一单模光纤与第一多模光纤间不同偏芯距下的系统误码率；
30.图7：不同模式在第二段多模光纤中的模式激发情况；
31.其中，(a)lp01、(b)lp11、(c)lp02、(d)lp12、(e)lp21
32.图8：第一多模光纤与第二多模光纤间不同偏芯距下的系统误码率；
33.图9：第二多模光纤与第二单模光纤间不同偏芯距下高阶模式向lp01模式耦合的情况；
34.图10：第二多模光纤与第二单模光纤间偏芯为(a)2um、(b)4um、(c)6um、(d)8um、(e)10um时的误码率情况；
35.图11：系统误码率低于2
×
10
‑4的各位置的最大偏芯距；
36.图中：信号发生模块1、模式激发模块2、信号传输模块3、信号接收模块4、信号分析模块5、信号发生器11、激光器12、电光调制器13、第一单模光纤21、第一偏芯模式激发模块22、第二多模光纤31、第二偏芯模式激发模块32、第二多模光纤33、偏芯模式耦合41、第二单模光纤42、电光调制器输入端口131，电光调制器输入端口132。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实例方案对本发明进行详细说明
38.实施例1
39.本发明建立了一种基于高速单模光模块的多模光纤信号传输系统，其实施框架如图2所示。其系统框图如图1所示，由信号发生模块1、模式激发模块2、信号传输模块3、信号接收模块4及信号分析模块5组成，其中，信号发生模块1的输出端口与模式激发模块2的输入端口相连，模式激发模块2的输出端口与信号传输模块3的输入端口相连，信号传输模块3的输出端口与信号接收模块4的输入端口相连，信号接收模块4的输出端口与信号分析模块5的输入端口相连。
40.进一步的，所述的信号发生模块1由信号发生器11、激光器12及光电调制器13组成；所述的模式激发模块2由第一单模光纤21及第一偏芯模式激发模块22组成；所述的信号传输模块3由第一多模光纤31、第二偏芯模式激发模块32及第二多模光纤33组成；所述的信号接收模块4由偏芯模式耦合41及第二单模光纤42组成；上述信号发生器11的输出端口与光电调制器13的第一输入端口131相连，激光器12的输出端口与光电调制器13的第二输入端口132相连；光电调制器13的输出端口与第一单模光纤21的输入端口相连，第一单模光纤21的输出端口与第一偏芯模式激发模块22的输入端口相连；第一偏芯模式激发模块22的输出端口与第一多模光纤31的输入端口相连，第一多模光纤31的输出端口与第二偏芯模式激发模块32的输入端口相连，第二偏芯模式激发模块32的输出端口与第二多模光纤33的输入端口相连；第二多模光纤33的输出端口与偏芯模式耦合41的输入端口相连，偏芯模式耦合41的输出端口与第二单模光纤42的输入端口相连；第二单模光纤42的输出端口与信号分析模块5的输入端口相连。
41.第一单模光纤21与第一多模光纤31连接时纤芯之间偏移的距离为第一段偏芯距，第一多模光纤31与第二多模光纤32连接时纤芯之间偏移的距离为第二段偏芯距，第二多模
光纤32与第二单模光纤42连接时纤芯之间偏移的距离为第三段偏芯距。
42.所述第一段偏心距、第二段偏心距及第三段偏心距不超过10um。
43.本实例中，信号发生模块中的激光器的输出功率为10mw，信号的速率为25gbit/s；信号传输模块中的多模光纤参数都设置为om3光纤参数，其中，纤芯/包层直径为50/125um，中心波长为1310nm，中心折射率为1.477，数值孔径为0.2
±
0.015，光纤长度为150m，损耗≤0.6db/km，色散≤0.101ps/nm*km。多模光纤中传输的模式的时延各不相同，通过vpi仿真多模光纤获得其参数如图4，给出了多模光纤中主要模式lp01、lp02、lp03、lp04、lp11、lp12、lp13、lp14、lp21、lp22、lp31、lp41的时延。模式激发模块所激发模式的数量是通过在光纤连接处加耦合器来表示的，模式的功率占比是通过加衰减器来表示的，模式种类是通过加不同的时延来表示的，这里所加的时延是高阶模式与基模之间的时延差，设置初始系统的耦合器数量，衰减器数量都为1，时延器数量为0；模式耦合模块的模式耦合系数是vpi中多模光纤模型自带的，通过设置光纤的其他参数即可得到对应光纤的模式耦合系数，在每个偏芯激发模块后加一段多模光纤来仿真传输过程中的模式间耦合和差分模式群时延以及传输损耗，多模光纤参数和上述om3光线参数一致。
44.实施例2
45.本实施例提供了偏芯距的设计方法，具体步骤如下：
46.第一步，利用rsoft对光从第一单模光纤入射第一多模光纤的模式激发情况进行仿真，设置第一单模光纤的纤芯/直径为9/125m，中心折射率为1.469，第一多模光纤的纤芯/包层直径为50/125um，中心折射率为1.477，入射模式为lp01，入射光功率为1，偏芯距依次设置为0
‑
10um；此时，得到不同偏芯距下的模式激发情况如图5所示。从图5中可以看出第一单模光纤偏芯入射第一多模光纤时会激发多个模式，且激发模式的数量随偏芯距的增大而增大，其中主要激发的模式有lp01、lp11、lp12、lp02、lp21。不同偏芯距下激发模式的数量和模式的功率占比都不相同，这会导致不同偏芯距下多模光纤中的模式间耦合情况和差分模式群时延情况各不相同，进而会产生不同程度的信道间干扰和码间干扰，从而对系统性能产生不同的影响。从图5中可以得到lp01从单模光纤入射多模光纤时，在不同偏芯距下激发的模式种类、数量和功率占比，为链路中第一偏芯模式激发模块22的构建提供了参数。
47.第二步，利用vpi软件对图2所示的链路进行搭建。根据图5所示的不同偏芯距下的模式激发情况对偏芯模式激发22进行修改，由于主要激发模式主要有lp01、lp11、lp12、lp02、lp21，故衰减器数量设置为5，时延器数量设置为4，各衰减器的衰减系数根据图5所得到的不同偏芯距下各模式的激发功率比进行修改，时延依次设置为2.5028
×
10
‑
14
s/m、5.8144
×
10
‑
14
s/m、8.98
×
10
‑
14
s/m、5.3348
×
10
‑
14
s/m。得到不同偏芯距下的系统误码率如图6。从图6可以看出，随着偏芯距的增大，系统的误码率也逐渐增大。根据图6可以得到误码率低于2
×
10
‑4时的第一段最大偏芯距为6um。
48.第三步，利用rsoft分别对图5所示的模式lp01、lp11、lp02、lp12、lp21在第二段多模光纤中的激发情况进行分析。设置第二多模光纤的纤芯/包层直径为50/125um，中心折射率为1.477，入射模式为lp01，入射光功率为1，偏芯距为0
‑
10um，此时不同偏芯距下模式激发情况如图7a；设置入射模式为lp11，入射光功率为1，偏芯距为0
‑
10um，此时不同偏芯距下模式激发情况如图7b；设置入射模式为lp02，入射功率为1，偏芯距为0
‑
10um，此时不同偏芯距下模式激发情况如图7c；设置入射模式为lp12，入射功率为1，偏芯距为0
‑
10um，此时不同
偏芯距下模式激发情况如图7d；设置入射模式为lp21，入射功率为1，偏芯距为0
‑
10um，此时不同偏芯距下模式激发情况如图7e。从图7a
‑
e可以看出，随着新一段偏芯距的加入，系统中传输的模式更多；随着多模光纤与多模光纤间偏芯距的增大，激发模式的数量也逐渐增大；偏芯最大时，第二多模光纤中传输的主要模式有lp01、lp02、lp03、lp04、lp11、lp12、lp13、lp21、lp22；不同偏芯距下激发模式的数量和模式的功率占比都不相同，这会导致不同偏芯距下多模光纤中的模式间耦合情况和差分模式群时延情况各不相同，进而会产生不同程度的信道间干扰和码间干扰，从而对系统性能产生不同的影响。从图7a
‑
e可以得到不同偏芯距下lp01、lp11、lp02、lp12、lp21入射时，激发的模式数量、模式种类以及各模式的功率占比，为第二偏芯激发模块32的构建提供了参数。
49.第四步，利用vpi软件对图2所示的链路进行搭建，并根据模式激发情况对第一偏芯模式激发模块22和第二偏芯模式激发模块32进行修改。其中对第一偏心模式激发模块22的修改和第二步一样。然后，根据图7所示的不同模式在不同偏芯距下的模式激发情况对偏芯模式激发模块32进行修改，根据图中给出的激发模式的数量设置衰减器的数量，根据图中给出的各激发模式的功率占比来设置衰减系数，根据图中给出的激发模式的种类设置时延器的数量，根据图4给出的各个模式的时延，得到各个激发模式与lp01的时延差，设置时延器的参数。通过在偏芯距下对链路进行修改，得到了前两段偏芯距存在时，不同偏芯距下的系统误码率如图8。从图8中可以看出当第一单模光纤与第一多模光纤间偏芯距固定时，系统误码率随着第一多模光纤与第二多模光纤间的偏芯距的增大而增大；保证系统误码率低于2
×
10
‑4的第一多模光纤与第二多模光纤间的偏芯距随着第一单模光纤与第一多模光纤间偏芯距的增大而增大。根据图8可以得到想要保证系统误码率低于2
×
10
‑4，且第一单模光纤与第一多模光纤间偏芯距依次为3um，4um，5um，6um时，第一多模光纤与第二多模光纤间的偏芯距最大依次为7um，3um，1um，0um。
50.第五步，利用rsoft对上一段多模光纤中的主要模式lp01、lp02、lp03、lp04、lp11、lp12、lp13、lp21、lp22入射单模光纤时向lp01耦合的情况进行分析。设置第二单模光纤的纤芯/直径为9/125m，中心折射率为1.469，多模光纤的纤芯/包层直径为50/125um，中心折射率为1.477，入射光功率为1，偏芯距为0
‑
10um，入射模式为依次设置为lp01、lp02、lp03、lp04、lp11、lp12、lp13、lp21、lp22，此时得到各模式向lp01耦合情况如图9所示。从图9可以看出不同模式耦合到lp01的功率各不相同，且不同偏芯距下同一模式耦合到lp01的功率不同，这会导致不同模式在不同偏芯下对lp01模式信道的干扰不同，从而对系统的性能的影响各不相同。从图9可以得到模式lp01、lp02、lp03、lp04、lp11、lp12、lp13、lp21、lp22在不同偏芯距下向lp01耦合的耦合比，为偏芯模式耦合模块41的构建提供参数。
51.第六步，利用vpi软件对图2所示的链路进行搭建。根据图5所示的不同偏芯距下模式激发情况对偏芯模式激发模块22进行修改，修改方法和第二步一致。根据图7所示的不同模式在不同偏芯距下的模式激发情况对偏芯模式激发32进行修改，修改方法和步骤四一致。根据图7和图9对偏芯模式耦合41进行修改，根据图7所示的第二多模光纤中传输模式的数量设置衰减器的数量以及耦合器的数量，衰减器的衰减系数为第二多模光纤中传输的模式的功率占比，根据图9所示的各模式在不同偏芯距下向lp01耦合的比例设置各耦合器的耦合比。通过在不同偏芯距下对链路进行修改，得到了三段偏芯距都存在时的系统误码率如图10。从图10中可以看出，随着第三段偏芯距的加入，系统的误码率变大；当第一单模光
纤与第一多模光纤间偏芯距和第一多模光纤与第二多模光纤间偏芯距固定时，系统误码率随着第二多模光纤与第一单模光纤间的偏芯距的增大而增大；保证系统误码率低于2
×
10
‑4的第三段偏芯距也随着前两段偏芯距的增大而减小。根据图10可以得到保证系统误码率低于2
×
10
‑4的三段偏芯距的最大范围，如图11所示。
52.第七步，通过对比图6，图8和图10，可以看出，当仅存在第一段偏芯距时，要保证系统误码率低于2
×
10
‑4，偏芯距必须小于6um；当前两段偏芯距都存在时，要保证系统误码率低于2
×
10
‑4，第一单模光纤与第一多模光纤间偏芯距最大依次为3um，4um，5um，6um时，第一多模光纤与第二多模光纤间的偏芯距最大依次为7um，3um，1um，0um；当三段偏芯距都存在时，要保证系统误码率低于2
×
10
‑4时，三段偏芯距的范围如图11所示，当第一段偏芯距为0um，第三段偏芯距依次为4um、6um、8um、10um时，第二段偏芯距依次最大不可超过10um、7um、6um、5um；当第一段偏芯距为1um，第三段偏芯距依次为4um、6um、8um、10um时，第二段偏芯距依次最大不可超过8um、5um、4um、3um；当第一段偏芯距为2um，第三段偏芯距依次为2um、4um、6um、8um、10um时，第二段偏芯距依次最大不可超过7um、4um、2um、1um、1um；当第一段偏芯距为3um，第三段偏芯距依次为0um、2um、4um时，第二段偏芯距依次最大不可超过7um、4um、1um；当第一段偏芯距为4um，第三段偏芯距依次为0um、2um时，第二段偏芯距依次最大不可超过3um、1um；当第一段偏芯距为5um，第三段偏芯距依次为0um时，第二段偏芯距依次最大不可超过1um.
53.以上内容对本发明所述的基于高速单模光模块的多模光纤传输系统及偏芯距设计方法进行了详细的介绍，以上的介绍主要是为了用于对本发明的方法及其核心思想进一步的理解；同时，对于本领域的一般技术人员，根据本发明的思想，再具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下，对其进行的各种显而易见的改变，都在本发明的保护范围之内。