多芯光纤和扇出组件的制作方法

多芯光纤和扇出组件
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年10月2日提交的美国临时申请no.62/909,422和2019年11月5日提交的美国临时申请no.62/930,838的权益，并且两者都通过引用并入本文。
技术领域
3.本文描述了用于将多模(mm)信号从光源更具体地传播到多芯光纤(mcf)跨度和输入/输出(i/o)组合器(扇入和/或扇出)组件的系统、方法和制品，用于传播来自光源(诸如垂直腔表面发射激光器(vcsel)发送器)的mm信号。


背景技术：

4.光纤激光器常常用在高功率光学应用中。在这些应用中，锥形光纤束(tfb)光学耦合器常常被用于将来自各种光源的多个光输入耦合到单个光学输出端口。更具体而言，tfb通常被用于将多个激光器的输出功率组合到多模光纤中，以便在这些高功率光学应用中泵浦光纤激光器和放大器。
5.虽然大多数光纤都具有通常位于光纤轴上的单个纤芯，但也存在包含多个芯的特种光纤。被称为多芯光纤(mcf)的此类光纤具有通过允许多个光学信号由单根光纤并行携带而显著增加当前光纤系统的通信信号传输容量的潜力。已经开发出直径等于或接近单芯光纤的mcf。但是，由于多模光纤的芯直径可能大(例如，50um)并且光纤的外玻璃直径受到弯曲可靠性的限制(例如，《200um)，因此优选的是mcf中的芯直径小于商用单芯多模光纤的芯直径。


技术实现要素：

6.本发明解决了本领域中的需求并且针对利用mcf和组合器(或“扇出”)组件传播来自诸如vcsel发送器之类的光源的mm信号。根据本文描述的一个实施例，多芯光纤中的芯的na可以大于组合器的发射光纤的na。发射光纤可以被定义为与tfb尾纤连接或“配对”的光纤。因而，示例性发射光纤可以与tfb尾纤的芯-na匹配并且未充分填充。
7.可替代地，mcf中的芯的na可以近似地等于组合器发射光纤中的芯的na。本文描述的示例性实施例可以平衡光纤na和锥形因子以控制亮度损失发生的位置，从而允许以最小化串扰的方式剥离杂散光。
8.根据本发明的多个实施例，本文描述被配置为从光源传播多模(mm)信号的示例性系统和制品，诸如用于从光源传播多模(mm)信号的光纤组件，光纤组件包括具有光纤数值孔径(na)值、第一芯直径和第一外直径(od)的多芯光纤(mcf)，以及包括与mcf通信的锥形光纤束(tfb)部分和与光源通信的至少一个尾纤部分的组合器，其中组合器传播来自光源的mm信号，mm信号具有小于光纤na值的信号na值，使得mm信号未充分填充该至少一个尾纤部分。
9.本文描述的附加实施例涉及一种用于从光源传播mm信号的光纤组件，该光纤组件
包括具有光纤na值、第一芯直径和第一od的mcf、包括与mcf通信的tfb部分和与光源通信的至少一个尾纤部分的组合器，该至少一个尾纤部分具有尾纤na值和尾纤芯直径，以及与该至少一个尾纤部分通信的带阵列，该带阵列具有带阵列na值和带阵列芯直径，其中带阵列na值和带芯直径中的至少一个分别与尾纤na值和尾纤芯直径不匹配。
10.本文描述的进一步的实施例涉及用于从光源传播mm信号的光纤组件，该光纤组件包括具有光纤na值、第一芯直径和第一od的mcf、包括与mcf通信的tfb部分和与光源通信的至少一个尾纤部分的组合器，该至少一个尾纤部分具有尾纤na值和尾纤芯直径，与至少一个尾纤部分通信的变换器，以及与光源和变换器通信的发射光纤，该发射光纤具有发射光纤na值和发射光纤芯直径，其中发射光纤na值和发射光纤芯直径中的至少一个分别与尾纤na值和尾纤芯直径不匹配。
11.在以下讨论的过程中并通过参考附图，本发明的其它和进一步的实施例和方面将变得清楚。
附图说明
12.现在参考附图：
13.图1例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统100；
14.图2例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统200；
15.图3例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统300；
16.图4例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统400；
17.图5例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统500；
18.图6例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统600；
19.图7例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统700；
20.图8例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统800，其中类似的选项可以被用于耦合扇入和扇出二者；以及
21.图9例示了根据本文描述的示例性实施例的关联了串扰水平和测得通道损耗的示例性图900。
具体实施方式
22.根据本文描述的一个或多个示例性实施例的术语表：
23.mcf：多芯光纤
24.mm：多模
25.vcsel：垂直腔表面发射激光器
26.tfb：锥形光纤束
27.锥度比：tfb从mcf到尾纤逐渐变细的因子
28.na值：数值孔径值
29.光纤na值：mcf中的芯之一的na
30.信号na值：mcf中的光的na
31.尾纤na值：tfb尾纤的芯的na
32.tfb na值：尾纤na值乘以tfb的锥度比的乘积
33.带na值：带光纤阵列的芯的na
34.发射na值：发射光纤的芯的na
35.本发明涉及用于传播来自光源(诸如vcsel发送器，或简称为“vcsel”)的mm信号的mcf和扇出组件。如上所述，mcf中的芯直径优选地小于商用单芯多模光纤中的芯直径。为了保持亮度，mcf内的芯na将需要比在较大直径的芯中的芯na更高，其中亮度可以被理解为直径与na的乘积。在许多tfb组件中，芯直径可以从输入尾纤到出口逐渐变小，因此，在绝热锥(adiabatic taper)中增加na。
36.本领域技术人员将理解的是，vcsel可以被描述为半导体激光器，更具体而言，具有单片激光谐振器的激光二极管，其中所发射的光以垂直于诸如芯片表面之类的顶表面的方向离开发送器。这与常规的边缘发射半导体激光器相反，常规的边缘发射半导体激光器从通过从晶片中切出单体芯片而形成的表面发射。vcsel通常仅对相当小的模式区域(例如，直径在约几微米的量级)具有高射束质量并且因此在输出功率方面受到限制。
37.对于较大的模式区域，无法避免高阶横向模式的激发。这是极小谐振器长度只有几微米的结果。由于谐振器往返时间短，vcsel可以用很好地在千兆赫(ghz)范围内的频率进行调制。因而，vcsel作为用于光纤通信和自由空间光学通信的发送器可以是有用的。对于短距离通信，850nm vcsel与mm光纤结合使用，其中在几百米的距离内可以达到10gbit/s的数据速率。
38.根据本发明的一个实施例，可以存在多个vcsel(例如，八个vcsel)，每个具有na《0.28和9um模式场直径(mfd)。示例性mm vcsel可以在有源层上方小距离处包含孔。这个示例性mm vcsel的mfd可以被描述为有源层上方的孔或窗口的直径(例如，大约10um)。发散是由顶部反射器和底部反射器之间支持的横向模式生成的。多个vcsel中的每个也可以可选地耦合到具有50um、0.2na的芯的光纤中，其中多个光纤组装成带状光纤阵列。该实施例还可以包括扇出组件，其一端连接到多个vcsel，另一端拼接到mm mcf(例如，八芯光纤)。如下面将更详细描述的，扇出组件可以可选地通过带状mm光纤阵列或“光纤带”、光源和尾纤部分之间的连接来实现。示例性光纤带可以具有任何配置，诸如但不限于圆形或“可卷起带”配置、线性带配置等。此外，示例性光纤带阵列可以端接在多纤连接器、多纤推入式连接器、扩束多纤连接器、透镜式多纤互连等中。
39.由于mcf光纤的外od的约束，扇出的输入与输出之间可以存在亮度(例如，粗略地等于芯直径和na的乘积)的不匹配。这种不匹配会造成光学信号的衰减，因为光作为杂散光耦合出mcf的芯。来自一个芯的杂散光可以耦合到其它芯中，从而导致信号串扰，这对链路性能会是非常不利的。因此，需要设计来管理来自发送器(例如，vcsel)的被发射到mcf输入中的信号的模态内容，同时最小化被芯捕获的杂散光的量。类似地，mcf输出可能耦合到输出扇出中，这会是另一个引入不需要的串扰的源。
40.本文描述了mcf和组合器或扇出阵列的几个示例性实施例，组合器或扇出阵列用于连接到具有一个或多个不相似特性(诸如但不限于na、od、芯直径等)的光源(例如，vcsel)。示例性组合器阵列可以包括发射光纤、锥形光纤束(tfb)部分和tfb尾纤部分，其中tfb连接到示例性mcf。注意的是，该连接可以经由或者机械连接器或者熔合拼接来实现。此外，任何拼接或机械连接都可以具有模式剥离剂，以减少每个芯之间的串扰。在一些情况下，可以要求组合器或扇出的类似布置来将光从mcf耦合出。
41.注意的是，虽然本文描述的实施例讨论了由输入锥产生的亮度机制的损失和/或不匹配导致的杂散光和串扰，但是本领域技术人员将理解相同的原理可以应用于输出锥处发生的杂散光和串扰。换句话说，与在输入侧发现的发射光纤、tfb尾纤、向下锥(down-taper)和拼接区域相关联的损耗可以发生在输出侧。因而，可以通过将光剥离剂(例如，高折射率涂层、光剥离凝胶等)添加到输出或向上锥(up-taper)来改善串扰。这可以归因于扩展的芯之间的前向散射或倏逝耦合。因此，可以在输入锥、输出锥或两者处执行光剥离。
42.如上所述，tfb和光源之间的连接可以包括熔合到尾纤部分的带阵列。如果要求输出，那么发射光纤可以用作输出光纤，并且配置以相反的方式操作以连接到多个光学接收器(例如，代替光源)中。与发射光纤类似，这个输出可以利用上面提到的带阵列技术。输出光纤可以与发射光纤相似，其中光在相反方向行进(例如，将光从mcf携带到接收器而不是源)。换句话说，mcf中的芯的一半可以在一个方向上携带光，而另一半可以在相反方向上携带光。因此，来自tfb的光纤可以被认为是一半发射(或输入)光纤和一半输出光纤。
43.为了保持亮度(一般等同于直径和na的乘积)，mcf中的芯的na将需要比直径较大的芯中更高。此外，在许多tfb中，芯直径从输入尾纤到出口逐渐变小，必然在绝热锥中增加na。在许多情况下(例如，为了减少串扰)，期望tfb基本上无损耗，因此在保持亮度的情况下，输入尾纤中的芯可以在更大的芯中包含较低na的光(例如，填充不足)，以促进逐渐变细成可以包含较大na的光(例如，完全填充的)的具有较小芯直径的光纤。
44.由于芯-包层的折射率差异不沿着锥改变，因此对于输入尾纤光纤，优选的是具有比发射到其中的光更高的na。换句话说，输入尾纤光纤应当填充不足。这可以通过将尾纤连接到具有相似芯直径但较低na的发射光纤来实现。耦合到发送器(例如，vcsel)的示例性发射光纤可以是om3或om4类型光纤，其具有50um芯直径和na并且不充分填充om3/4类型光纤。在这种情况下，期望通过或者限制从源发射的光的na或者通过在om3或om4光纤中或之后进行模式过滤来降低光的na。这种调节防止输入尾纤引导更高na的光，这些光会在锥中被剥离并可能造成mcf中的串扰。
45.tfb和mcf的这种设计的一个好处是，它促进将输入尾纤直接耦合到vcsel，而无需发射光纤(诸如om3光纤)。在这种情况下，耦合光学器件应当不充分填充输入尾纤，以通过tfb保持亮度，同时降低损耗。
46.图1-图6描绘了根据示例性实施例的多芯光纤和扇出组件的不同布置选项的选择。虽然下图中描述的每个布置都以na《0.28且mfd为9um的vcsel为特征，但应理解的是，这种光源仅用于例示目的，并且也可以使用光源类型和/或参数的任何变化。注意的是，虽然本文描述的示例性实施例讨论了具有小于0.28的na值的vcsel，但是可以使用替代的na值。例如，示例性mm vcsel可以具有在0.2至0.3na范围内的na值。此外，注意的是，示例性vcsel可以可替代地是少模(em)vcsel或单模(sm)vcsel。
47.注意的是，虽然下文描述的各种实施例涉及多芯光纤传输组件的输入侧(例如，输入侧的发射、tfb尾纤、向下锥或拼接区域)，但附加实施例可以针对输出侧的输出布置。根据这些布置，可以在输出侧执行光剥离(例如，通过使用高折射率涂层/凝胶或其它光剥离部件)以改善串扰(参见下面的图8)。此外，为了从mcf耦合到光接收器的目的，可以使用与下面描述的那些相似的选项。
48.图1例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统100。系
统100包括发送器110，诸如na《0.28且mfd为9um的示例性vcsel。发送器110传输通过透镜120并连接到mm mcf 160，该mm mcf 160具有na为0.20且mfd为26um的芯。根据系统100的实施例，发送器110经由带阵列130进行传输[带具有多根光纤，但仅示出一根]，光纤具有0.20的na和50um的mfd。这种带阵列可以被熔合到具有0.20的na和65um的mfd的tfb尾纤140。此外，tfb尾纤140可以与在其输出处na》0.20且mfd为26um的tfb 150通信。虽然图1仅示出了带阵列130的单根光纤，但本领域技术人员将理解，示例性带阵列130包括多根光纤。因此，可以有多个发射刻面耦合到多个芯中。
[0049]
注意的是，关于mm mcf 160，贯穿本文描述的各种实施例，上面提到的mfd可以指mcf 160内的芯的芯直径。换句话说，mcf 160中的芯的mfd值可以用作mm mcf 160中的mfd的上限。还要注意的是，在示例性系统100和本文描述的示例性系统的所有其它实施例中，各种na值可以指信号na(例如，在tfb的输出处产生的光的na，发射到尾纤中的光的na)、示例性系统的各个组件(例如，tfb、尾纤、发射光纤、带阵列等)处的光纤na。
[0050]
表1包括与示例性mcf和扇出组件相关的各种数据。
[0051][0052]
[0053]
图2例示了根据本发明的另外的实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统200。与系统100相似，系统200包括发送器210，诸如na《0.28且mfd为9um的示例性vcsel。发送器210传输通过透镜220并连接到mcf 260，mcf 260具有na为0.20且mfd为26um的芯。根据系统200的实施例，发送器210经由具有0.20的na和65um的mfd的tfb尾纤240进行传输。此外，tfb尾纤240可以与在其输出处na》0.20且mfd为26um的tfb 250通信。因此，与系统100相反，系统200不利用在透镜220和tfb尾纤240之间的带阵列。
[0054]
图3例示了根据本发明的另外的实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统300。与系统200相似，系统300包括发送器310，诸如na《0.28且mfd为9um的示例性vcsel。发送器310传输通过透镜320并连接到mcf 360，mcf 360具有na为0.3且mfd为15um的芯。注意的是，系统300的mcf 360具有与系统200的mcf 260不同的特点。根据系统300的实施例，发送器310经由具有0.15的na和37um的mfd的tfb尾纤340进行传输。此外，tfb尾纤340可以与在其输出处na》0.15且mfd为15um的tfb 350通信。因此，系统300利用比系统200中使用的tfb和对应的尾纤具有更小的na和更小的mfd的tfb和对应的尾纤。
[0055]
图4例示了根据本发明的另外的实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统400。与系统100相似，系统400包括发送器410，诸如na《0.28且mfd为9um的示例性vcsel。发送器410传输通过透镜420并连接到mcf 460，mcf 460具有na为0.30且mfd为26um的芯。注意的是，mcf 460中的芯的na大于系统100的mcf中的芯的na。根据系统400的实施例，发送器410经由带阵列430进行传输，其包括具有0.20的na和50um的mfd的光纤。该带阵列可以融合到具有0.16的na、50um的mfd和75um的od的不匹配的tfb尾纤440。最后，tfb尾纤440可以与在其输出处na》0.30且mfd为26um的tfb 450通信。注意的是，带阵列430与tfb尾纤440之间的不匹配od可以解释拼接损耗的测量结果(诸如2db的拼接损耗)。同样，tfb 450和mcf 460之间的拼接也可以是基本上无损的拼接。下面将详细描述无损拼接。
[0056]
图5例示了根据本发明的另外的实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统500。系统500包括发送器510，诸如na《0.28且mfd为9um的示例性vcsel。与系统400相似，发送器510传输通过透镜520并连接到mcf 560，mcf 560具有na为0.30和mfd为26um的芯。根据系统500的实施例，系统500还包括发射光纤570和变换器580。发送器510经由具有0.20的na和37um的mfd的发射光纤570和变换器580向tfb尾纤540传输。tfb尾纤540可以具有0.09的na、83um的mfd和125um的od。此外，tfb尾纤540可以与在其输出处na》0.30且mfd为26um的tfb 550通信。因此，与系统400中使用的带阵列430相反，系统500利用在透镜520和tfb尾纤540之间的发射光纤570。注意的是，tfb尾纤540的od(125um)远大于系统400的tfb尾纤440的od(75um)。tfb 550和mcf 560之间的拼接可以是无损拼接。下面将详细描述无损拼接。
[0057]
图4和图5中描绘的示例性实施例都可以具有低na输入的特征，低na输入被用来在锥之前“滤除”高na光并传播通过其相应的锥。注意的是，低na输入除了滤波损耗之外还可以添加锥形损耗。然后经过滤的低na光可以被注入到更高na的光纤中以传播通过锥，以便具有“无损”tfb。否则，这种布置也可以在相反方向上具有损耗效应。
[0058]
为了减少串扰，被滤除的光可以在它可以耦合到附近的芯之前被衰减。过滤可以发生在na或芯直径不匹配的光纤之间的拼接或连接处以及沿着tfb的锥。杂散光的衰减可以通过诸如弯曲、包括吸收或散射材料(例如，在光纤的表面处或玻璃光纤的部分内)或通过使用高折射率材料倏逝地剥离光的方法来实现。根据本文描述的示例性实施例，芯之间
的串扰可以优选地小于-25db，并且更优选地小于-30db，甚至在一些情况下小于-40db。
[0059]
图6例示了根据本发明的另外的实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统600。系统600包括发送器610，诸如na《0.28且mfd为9um的示例性vcsel。与系统500相似，发送器610传输通过透镜620并连接到具有0.30的na和26um的mfd的mcf 660。但是，根据系统600的实施例，在透镜620和mcf 660之间没有介入组件(例如，tfb、tfb尾纤、带光纤阵列、发射光纤)。因此，发送器610可以直接发射到mcf 660中。根据这个选项，mcf的na(例如，0.30)和mfd(例如，26um)都大于示例性发送器610的na和mfd(例如，分别为0.28na和9um mfd)。
[0060]
图7例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统700。与系统100相似，系统700包括发送器710，诸如na《0.28且mfd为9um的示例性vcsel。发送器710传输通过透镜720并连接到mcf 760以连接到接收器790，mcf 760具有na为0.20且mfd为26um的芯。发送器710经由带阵列730进行传输，该带阵列730包括na为0.20、mfd为50um且od为125um的光纤。该带阵列可以熔合到可与tfb 750通信的tfb尾纤740。
[0061]
根据一个实施例，mcf 760可以经由点765处的机械连接而连接到tfb 750。基于来自发送器710的、填充了带阵列的光纤的模式，可以在系统700内的各个点处估计损耗。在点735处，从带阵列730到tfb尾纤740的连接器处的损耗可以被估计为具有2.2db的最大损耗和相同值的标称损耗。在点755处，锥形组件可以被估计为具有0.8db的最大损耗和0.4db的标称损耗。在点765处，对于每个芯在tfb 750和mcf 760之间的机械连接处的损耗可以被估计为具有1db的最大损耗和0.6db的标称损耗。最后，在点775处，tfb 770和tfb尾纤780的锥形组件损耗可以被估计为具有0.8db的最大损耗和0.4db的标称损耗。因此，在点765处使用机械连接的总最大损耗可以被估计为2.2 0.8 1.0 1.0 0.8＝5.8db，并且总标称损耗可以被估计为2.2 0.4 0.6 0.6 0.4＝4.2db。
[0062]
根据替代实施例，mcf 760可以在765处经由熔合拼接而连接到tfb 750，这与上述机械连接相反。因而，在点765处，每个芯的tfb 750和mcf 760之间的熔合拼接处的损耗可以被估计为具有0.5db的最大损耗和0.2db的标称损耗。因此，在点765处使用机械连接的总最大损耗可以被估计为2.2 0.8 0.5 0.5 0.8＝4.8db，并且总标称损耗可以被估计为2.2 0.4 0.2 0.2 0.4＝3.4db。
[0063]
图8例示了根据本发明的一个实施例的多芯光纤和扇出组件的示例性系统800，其中相似的选项可以被用于耦合扇入和扇出两者。具体而言，系统800例示了连接到扇入组件820的光源(例如，vcsel发送器810)。扇入组件820的示例性芯可以逐渐变细至较小的直径。因而，光信号可以扇入共用光纤830。系统800还例示了连接到扇出组件840的接收器850。扇出组件840的示例性芯可以逐渐变粗至较大的直径。因而，光信号可以从共用光纤830扇出。
[0064]
图9例示了根据本文描述的示例性实施例的关联了串扰水平和测得通道损耗的示例性图900。具体而言，图900展示了当发射条件从填充不足变化到完全填充时串扰与通道损耗之间的关系。例如，在仅一个通道处于活动状态时进行了两次测量(例如，vcsel与om4)(参见下方曲线910)。
[0065]
上面的曲线920表示所有通道都点亮的10g测量并且展示了从一个通道曲线的移位。因此，当考虑全通道校正时，大约有～3db的损耗和-30db的串扰。根据一个实施例，当用一个通道进行串扰测量时，一个通道到另一个通道的平均串扰为约-34.4db。当所有通道同时被操作时，平均串扰为约-26.4db。平均插入损耗为～3.1db。当测试10gb/s nrz链路传输
时，所有通道都被激活。此外，3.1db插入损耗可以解释整个链路(例如，两个tfb、mcf到mcf拼接和连接器等)。
[0066]
虽然已经结合目前认为最实用的内容以及各种实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不限于所公开的实施例，相反，旨在涵盖包括在所附权利要求的范围内的各种修改和等效布置。虽然在本文采用特定的术语，但它们仅在一般性和描述性的意义上使用，而不是出于限制的目的。
[0067]
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制作和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围在权利要求中定义，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元素，那么它们旨在处于权利要求的范围内。