测量针对MMF或FMF的差分模式延迟的时间延迟的方法与流程

本发明涉及光纤传输领域，更具体地，涉及多模光纤(mmf)和/或少模光纤(fmf)的领域。

更具体地，本发明涉及一种在测量配置中针对至少两个不同波长测量针对多模光纤(mmf)或少模光纤(fmf)的差分模式延迟(dmd)的时间延迟的方法。

本发明特别地但不仅仅适用于om2、om3和om4多模光纤。

如om4多模光纤那样的宽带多模光纤被理解为具有相对可操作的波长范围的多模光纤，特别地但不仅仅包括850nm～950nm之间的波长范围。

背景技术：

多模光纤与通常使用横向多模的垂直腔表面发射激光器(更简单地称为vcsel)的高速源一起成功地用在高速数据网络中。然而，由于如下事实，多模光纤受到模间色散的影响：对于特定波长，多个光学模式沿着光纤同时传播，其中这些模式携载相同的信息，但是以不同的传播速度行进。以差分模式延迟(dmd)的形式来表示模式色散，其中dmd是穿过多模光纤的最快模式和最慢模式之间的脉冲延迟差的度量。

为了使模式色散最小化，数据通信中使用的多模光纤通常包括如下纤芯，其中该纤芯呈现从光纤的中心到与包层的结合处逐渐减小的折射率。

在光信号在具有渐变折射率的纤芯中传播的情况下，不同的模式经历不同的传播介质，这些传播介质对模式的传播速度的影响不同。理论上可以获得对于所有模式而言实质相等的群速度，因而获得对于特定波长而言有所减小的模间色散。

通过vcsel技术实现的高速多模光纤(诸如om4光纤(该om4光纤是由国际标准化组织在发布于2015年11月19日的文献iec60793-2-10ed.5中标准化的光纤类型a1a.3的激光优化的高带宽50μm的多模光纤)等)已被证明是高数据速率通信所用的首选介质，该介质提供可靠且成本低廉的10至100gbps的解决方案。宽带(wb)多模光纤与更长波长的vcsel的组合用于粗波分复用(cwdm)是值得考虑的选项，以满足需求在将来的增加。

然而，迄今为止仅针对窄的波长范围(通常为850nm+/-10nm)实现了例如om4光纤的模式带宽。针对更宽的波长范围满足om4性能要求的宽带(wb)多模光纤的可行性是要克服下一代多模系统的挑战。

多模光纤性能通常由给定波长处的有效模式带宽emb评估来定义。例如，om4光纤在850nm+/-1nm的波长处应该呈现高于4700mhz-km的emb。这种高emb值的实现需要极其精确地控制多模光纤的折射率分布。到目前为止，传统的制造工艺不能保证如此高的emb，并且特别是在预期高emb(通常大于2000mhz-km)的情况下(这意味着光纤折射率分布接近最佳分布)，通常难以从芯杆或芯棒的折射率分布测量来精确地预测emb值。实际上，emb是直接针对光纤来评估的。

少模光纤通常由差分模式群延迟dmgd来定义。dmgd大多是在1550nm的波长处使用dmd技术所测量的。在少模光纤同样用在宽带应用中之后，将来还可能关注其它波长。

通过由模式色散引起的延迟(已知为“差分模式延迟”的缩写dmd)的测量来评估有效模式带宽emb。该测量涉及记录多模光纤或少模光纤对于径向扫描纤芯的单模发射的脉冲响应。该测量提供dmd图，然后对该dmd图进行后处理，以评估光纤可以实现的最小emb。dmd测量过程已经是标准化的主题并且由国际标准化组织在发表于2006年6月26日的文献iec60793-1-49ed2.0中进行了规定。dmd度量(也称为dmd值)以皮秒/米(ps/m)为单位表示。该测量考虑到通过光纤长度归一化的偏移发射的集合，来评估最快脉冲和最慢脉冲之间的延迟。该测量基本上评估模式色散。低dmd值，即如dmd所测量到的低模式色散通常得到更高的emb。

dmd测量过程涉及：测量在利用关注波长处为单模的光纤来发射脉冲或脉冲序列的情况下的光纤响应。多模光纤或少模光纤(即被测光纤fut)中的激发模式依赖于单模光纤相对于fut光轴的侧向位置。基本上，中心发射激发最低阶模式，而偏移发射激发最高阶模式。因此，单模光纤扫描fut的纤芯的情况下的光纤响应的记录的集合给出该fut的模式色散的良好概述。应注意，dmd测量通常需要对准过程以使得能够进行正确的中心发射，即在单模探测器光纤轴与fut光轴对准的情况下的发射。

已知的测量配置包括激光器，该激光器被设置成以单个波长发出数皮秒至数百皮秒的激光脉冲的序列。激光脉冲经由例如包括反射镜和/或光学器件的第一组件耦合到单模光纤。单模光纤经由第二组件耦合到fut，其中第二组件包括使得单模光纤能够相对于fut光纤光轴侧向平移的平移台。fut的输出经由第三组件耦合到检测器模块，其中该检测器模块被设置成将光波形转换为电波形。检测器模块还被设置成对接收到的电波形进行采样并允许信号记录。到目前为止，dmd测量是以单个波长来进行的。

如今，波分复用wdm将要用在数据通信系统中，以扩展多模光纤容量。例如，在850-950nm范围内间隔开的10gbps或40gbps的四个信道将被用于经由单个多模光纤传送100gbps或400gbps。结果，有必要进行针对整个850-950nm范围的dmd测量，以评估多模光纤的模式色散。

另外，使用单模光纤的常规光通信将至少利用少模光纤来取代单模光纤，以经由空间模式复用来扩大光纤容量。少模光纤的模式色散也是相关的，因此针对以多个波长来进行精确dmd测量的需求快速增长。

美国专利申请us2014/0368809公开了一种用于光纤的差分模式延迟测量系统。该系统包括具有多个模式的光学测试光纤、向调制器提供连续光波信号的单模光源、以及向调制器提供电脉冲序列信号并且向接收器提供触发信号的脉冲发生器。该调制器被配置为至少部分地基于接收到的光波和脉冲序列信号产生经由光纤的调制光学测试信号，并且接收器被配置为接收经由光纤传输来的测试信号并且至少部分地基于触发信号来评价该测试信号。

欧洲专利申请ep1,705,471公开了一种用于测量多模光纤的差分模式延迟的设备。该设备包括可调谐激光源、干涉仪、数据收集装置和计算机。可调谐激光源输出频率线性变化的光。干涉仪通过以下步骤来产生多模光和单模光：使从可调谐激光源输出的光分路；将多模光和单模光传输到作为测量对象的多模光纤以及作为参考的单模路径；以及通过使多模光和单模光彼此干涉来产生差拍信号(beatingsignal)。

技术实现要素：

本发明的一方面是提供一种以精确的方式在测量配置中针对至少两个不同波长来测量针对多模光纤(mmf)或少模光纤(fmf)的差分模式延迟(dmd)的时间延迟的方法。

本发明的另一方面是提供一种用于存储能够支持根据本发明的方法的计算机程序产品的非瞬态性计算机可读载体介质。

本发明在其第一方面提供一种用于在测量配置中针对至少两个不同波长来测量针对mmf或fmf的dmd的时间延迟的方法，其中所述mmf表示多模光纤，所述fmf表示少模光纤，所述dmd表示差分模式延迟，所述测量配置包括：激光装置，其被设置成以所述至少两个不同波长发出激光脉冲；单模光纤即smf，其被设置成将所发出的激光脉冲耦合到所述mmf或所述fmf中；第一组件，其被设置成将所述激光装置所发出的激光脉冲耦合到所述smf；第二组件，其被设置成进行所述smf与所述mmf或所述fmf的对准；检测器模块，其被设置成用于检测所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲；以及第三组件，其被设置成将所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲耦合到所述检测器模块，所述方法包括以下步骤：

a)将所述mmf或所述fmf提高至所述测量配置，并且利用所述第二组件进行所述smf与所述mmf或所述fmf的对准；

b)通过以下步骤进行与第一径向偏移值有关的第一测量：

利用所述第二组件，相对于所述mmf或所述fmf以所述第一径向偏移值来定位所述smf，

利用所述激光装置，以所述至少两个不同波长发出激光脉冲，以及

利用所述检测器模块，针对所述至少两个不同波长中的各波长单独地测量所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲的时间延迟；以及

c)通过以下步骤进行与另一径向偏移值有关的第二测量：

利用所述第二组件，相对于所述mmf或所述fmf以与先前的径向偏移值不同的所述另一径向偏移值来定位所述smf，

利用所述激光装置，以所述至少两个不同波长发出激光脉冲，以及

利用所述检测器模块，针对所述至少两个不同波长中的各波长单独地测量所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲的时间延迟。

本发明人的见解是，在第二组件以另一径向偏移值相对于所述mmf或所述fmf来定位所述smf之前，应由激光装置以所述至少两个不同波长发出激光脉冲，并且应由检测器模块针对所述至少两个不同波长中的各波长单独地测量所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲的时间延迟。

以上意味着，针对各波长的时间延迟是在大致相同的径向偏移处所测量的，这是由于第二组件仅在已进行了针对所有波长的时间延迟之后才相对于mmf或fmf来定位smf。

发明人注意到，耦合到mmf或fmf的模式对准确的径向偏移位置(即smf与mmf或fmf的对准)敏感。这在纤芯的中心和包层之间的大约一半处的径向偏移位置处尤其如此。在改变波长的同时定位(即“锁定”)径向偏移位置，这将避免由于例如第二组件的滞后效应所引起的位置差异。因此，“锁定”偏移位置将使得针对波长依赖性的测量可靠性大幅增加。

这样的优点之一是：针对波长依赖dmd，测量可靠性显著增加。

根据本发明，检测器模块可以被设置成使用某种脉冲定位技术(即峰振幅、重心、前沿或后沿上的最大功率的百分比等)来确定所接收到的激光脉冲的相对延迟。然后，所获得的测量时间延迟形成了用于确定smf或fmf的波长依赖模式色散的基础。

利用所述第二组件相对于所述mmf或所述fmf以特定径向偏移值来定位所述smf的步骤需要使得smf的光轴相对于mmf或fmf的光轴以特定径向偏移值偏移。这意味着所发出的激光脉冲相对于该mmf或fmf的中心纤芯以径向偏移进入该mmf或fmf。

在进行根据本发明的方法步骤b)和c)之前，首先由第二组件开始对准过程，使得smf的光轴与mmf或fmf的光轴重合。

使用根据本发明的方法，可以精确地确定针对mmf或fmf中的差分模式延迟的波长依赖性。

mmf和smf之间的主要区别在于：mmf具有大得多的纤芯直径(通常为50～100微米)，该纤芯直径通常大于mmf中携载的激光脉冲的波长。所发出的激光脉冲以不同的径向偏移耦合到mmf，以精确地确定针对mmf的差分模式延迟的波长依赖性。如此，径向偏移最初可以大致等于零，使得smf的光轴与mmf的光轴在一条线上(即对准)。然后，径向偏移可以随着步骤逐渐增加，例如，相对于mmf的纤芯的外部的0.5至10微米之间，更优选地在1至5微米之间，甚至更优选地在1至2微米之间。本发明的关键方面是在径向偏移随着下一步骤逐渐增加之前进行所有波长测量。

在实施例中，发出激光脉冲的步骤包括：利用所述激光装置单独且接续地以所述至少两个不同波长发出激光脉冲。

上述实施例需要激光装置首先以第一波长发出激光脉冲。由检测器模块测量针对以第一波长发出的该激光脉冲的时间延迟。随后，激光装置以第二波长发出激光脉冲。然后，由检测器模块测量针对以第二波长发出的激光脉冲的时间延迟。重复该处理自身，直到已发出具有所有期望波长的激光脉冲并测量了与这些激光脉冲相关的时间延迟为止。

作为替代，发出激光脉冲的步骤包括：利用所述激光装置同时以所述至少两个不同波长发出激光脉冲。

这里，所述第三组件或所述第一组件可以包括滤波部件，所述滤波部件被设置成选择性地使所述至少两个不同波长其中之一通过，并过滤掉所述至少两个不同波长的剩余部分，其中，测量时间延迟的步骤包括：利用所述检测器模块，通过使用所述滤波部件，针对所述至少两个不同波长中的各波长单独地测量所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲的时间延迟。

在这种情况下，滤波部件最初将被调谐到第一波长。也就是说，滤波部件将过滤掉第一波长以外的所有波长。因此，仅使具有第一波长的激光脉冲到达检测器模块。然后，检测器模块测量所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲的任何时间延迟。然后将滤波部件调谐到第二波长，并且重复该处理自身等。

所述检测器模块还可以包括多个检测器，其中所述第三组件被设置成对所述激光脉冲进行解复用以使得所述至少两个不同波长中的各波长耦合到不同的检测器。

以上意味着在第三组件的输入处的激光脉冲被解复用到多个不同的检测器中。也就是说，各波长被发送到不同的检测器。

作为替代，所述检测器模块包括多个检测器，各检测器对单个波长是波长敏感的，其中所述第三组件被设置成将所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲耦合到所述多个检测器中的各检测器。

这里，所述第三组件用作分路器，使得输入的激光脉冲分路，并且发送到所述多个检测器中的各检测器。各检测器对特定的不同波长是波长敏感的，使得可以针对所述至少两个不同波长中的各波长单独地测量所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲的时间延迟。

根据本发明，所述第三组件可以包括光学滤波器和分束器中的任一个。光学滤波器例如是如下装置，其中该装置选择性地透过不同波长的光，并且经常实现为光学路径中的被成批染色或具有干涉涂层的平面玻璃或塑料装置。光学滤波器由它们的频率响应来描述，其中频率响应指定输入信号的各频率分量的振幅和相位如何被滤波器修改。

根据本发明，所述第一组件可以包括旋转镜、斩波器、光纤分路器和光子灯中的任一个。斩波器例如是周期性地中断光束(即激光脉冲)的装置。目前市场上有三种类型的斩波器：变频旋转盘式斩波器、固定频率音叉斩波器和光学快门。

在第二方面，本发明提供一种用于存储计算机程序产品的非瞬态性计算机可读载体介质，所述计算机程序产品包括用于在计算机或处理器上执行程序时实现根据前述各方面中任一方面的方法的程序代码指令。

在第三方面，本发明提供了一种用于针对至少两个不同波长来测量针对mmf或fmf的dmd的时间延迟的测量配置，其中所述mmf表示多模光纤，所述fmf表示少模光纤，所述dmd表示差分模式延迟，所述测量配置包括：

激光装置，其被设置成以所述至少两个不同波长发出激光脉冲；

单模光纤即smf，其被设置成将所发出的激光脉冲耦合到所述mmf或所述fmf；

第一组件，其被设置成将所述激光装置所发出的激光脉冲耦合到所述smf；

第二组件，其被设置成进行所述smf与所述mmf或所述fmf的对准；

检测器模块，其被设置成用于检测所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲；

第三组件，其被设置成将所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲耦合到所述检测器模块；以及

控制装置，其被设置成用于控制以下步骤：

b)通过以下步骤进行与第一径向偏移值有关的第一测量：

利用所述第二组件，相对于所述mmf或所述fmf以所述第一径向偏移值来定位所述smf，

利用所述激光装置，以所述至少两个不同波长发出激光脉冲，以及

利用所述检测器模块，针对所述至少两个不同波长中的各波长单独地测量所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲的时间延迟；以及

c)通过以下步骤进行与另一径向偏移值有关的第二测量：

利用所述第二组件，相对于所述mmf或所述fmf以与先前的径向偏移值不同的所述另一径向偏移值来定位所述smf，

利用所述激光装置，以所述至少两个不同波长发出激光脉冲，以及

利用所述检测器模块，针对所述至少两个不同波长中的各波长单独地测量所发出的离开所述mmf或所述fmf的激光脉冲的时间延迟。

所述控制装置可以是包括处理器的计算机，其中该处理器被设置成进行本发明的后续步骤b)和c)。

根据以下参考附图的描述，将最佳地理解本发明的上述和其它特征和优点。在附图中，相同的附图标记表示进行相同或类似功能或操作的相同部分。

本发明不限于以下公开的特定示例或针对至少两个不同波长测量针对多模光纤(mmf)或少模光纤(fmf)的差分模式延迟(dmd)的时间延迟的特定方法。

本发明不需要对已经在使用的测量配置进行大幅改变。因此，本发明中提出的问题的解决方案实现起来简单且成本低廉。

附图说明

图1公开了根据现有技术的测量配置。

图2公开了根据本发明的测量配置的示例。

图3公开了根据本发明的测量配置的另一示例。

图4公开了根据本发明的测量配置中所使用的第一组件的示例。

图5公开了根据本发明的测量配置中所使用的第一组件的另一示例。

具体实施方式

图1公开了根据现有技术的测量配置1。通常，提供激光装置2，其中该激光装置2可以是被设置成以单个波长发出数皮秒至数百皮秒的激光脉冲的固态激光器或光纤激光器。所发出的激光脉冲耦合到单模光纤smf4。使用反射镜在自由空间中由第一组件3进行该耦合。

单模光纤耦合到被测光纤，即多模光纤6。smf4和被测光纤6之间的耦合由第二组件5进行。第二组件5使得能够通过smf4进行多模光纤mmf6的纤芯扫描。第二组件5可以是由使得smf4能够相对于mmf6的光轴侧向平移的平移台控制的对接耦合。

mmf6的输出耦合到能够将光波形转换成电波形的检测器模块8。然后电波形被发送到采样模块9中，以对接收到的波形序列进行采样并允许信号记录。mmf6和检测器模块8之间的耦合由第三组件7进行。

图2公开了根据本发明的测量配置101的示例。

测量配置101适合于针对至少两个不同波长来测量针对多模光纤(mmf)或少模光纤(fmf)的差分模式延迟的时间延迟。如此，使用本发明，可以精确地确定针对mmf或fmf的差分模式延迟的波长依赖性。

在本示例中，激光装置包括多个激光器，即第一激光器102、第二激光器103…直到第n激光器104，其中各激光器被设置成以不同的波长发出激光脉冲。本发明不限于特定数量的激光器。可选地，可以使用被设置成接续地以多个波长发出激光脉冲的单个可调谐激光器。

在第一步骤中，在测量配置101中设置mmf或fmf108，并且通过第二组件进行smf与该mmf或fmf的对准。随后，在第一径向偏移值的情况下进行第一组测量。

上述需要第二组件107相对于mmf或fmf108以第一径向偏移值来定位smf106，反之亦然。例如，smf106的光轴被定位成相对于mmf或fmf108的光轴具有特定的径向偏移。随后，第一激光器102发出第一激光脉冲，该第一激光脉冲由第一组件105耦合到smf106。然后，使用第二组件107将发出的第一激光脉冲耦合到mmf或fmf108。然后，使用第三组件109将离开mmf或fmf108的第一激光脉冲耦合到检测器110。检测器110以及采样模块111包括在检测器模块中，其中该检测器模块被设置成测量任何发出的离开mmf或fmf108的激光脉冲的时间延迟。

在上述处理完成之后，第二激光器103发出具有第二波长的第二激光脉冲。以与针对具有第一波长的激光脉冲所述的方式相同的方式来测量与具有第二波长(即与第一波长不同)的该第二激光脉冲相关的时间延迟。重复该处理自身，直到已经发出了具有所有期望波长的激光脉冲并且已经测量了所有这些激光脉冲的时间延迟为止。

然后，仅通过以下方式在其它径向偏移值的情况下进行第二测量：

由第二组件107相对于mmf或fmf108以其它径向偏移值来定位smf106，其中该其它径向偏移值与任何先前的径向偏移值不同。激光器102、103、104各自以不同波长发出激光脉冲，并且检测器模块针对各波长单独测量发出的离开mmf或fmf108的激光脉冲的时间延迟。

本发明的关键方面在于：在第二组件107相对于mmf或fmf以其它径向偏移来定位smf106之前，针对各波长测量激光脉冲的时间延迟。

本发明的优点之一在于：由于所有期望波长是以相同的径向偏移来测量的，因此在研究波长依赖的差分模式延迟的情况下，测量可靠性大幅增加，即smf106与mmf或fmf108之间的耦合在各波长之间不会发生改变。

本示例的另一优点在于：接收器侧的成本不随着波长的数量而增加。例如，仅一个检测器模块可以测量各期望激光脉冲。

又一优点在于：smf或fmf108的准备时间不随波长的数量而增加。smf或fmf108的准备仅需要进行一次。

图3公开了根据本发明的测量配置201的另一示例。

图3所示的测量配置201和图2所示的测量配置101之间的主要区别在于：离开激光器102、103、104的激光脉冲各自通过第一组件105同时耦合到smf106。图2所示的测量配置101中的第一组件105被设置成一次仅将所发出的激光脉冲其中之一耦合到smf106。

图3中所示的测量配置201的第三组件202用作波长解复用器。也就是说，第三组件202能够按波长来分路所接收到的激光脉冲，并将各波长发送到不同的检测器203、204、205，其中各检测器耦合到单个采样模块206、207、208。该情况的结果是第一波长的激光脉冲被发送到第一检测器203，第二波长的激光脉冲被发送到第二检测器204，第n波长的激光脉冲被发送到第三检测器205等。

上述示例的优点在于：并行进行测量，使得测量时间大致等于研究单个波长的情况下的测量时间。

作为替代，检测器模块可以包括多个检测器，各检测器对特定的单个波长是波长敏感的，其中第三组件202被设置成将离开mmf或fmf108的发出的激光脉冲耦合到多个检测器中的各检测器。

图4公开了根据本发明的测量配置中所使用的第一组件301的示例。

这里，第一组件301包括用以选择要耦合到smf106中的波长的旋转镜302。在图4左侧所示的第一位置，旋转镜302将从第二激光器103发出的激光脉冲反射(即耦合)到smf106。由第一激光器102发出的激光脉冲被旋转镜302反射到吸收器303中。在图4右侧所示的第二位置，旋转镜302以使得不影响第一激光器102和第二激光器103的任何发出的激光脉冲的方式进行旋转。如此，由第一激光器102发出的激光脉冲直接耦合到smf106，并且由第二激光器103发出的激光脉冲被吸收器303吸收。使用旋转镜302，一次仅可以将一个激光脉冲耦合到smf106。

图5公开了根据本发明的测量配置中所使用的第一组件401的另一示例。

如图5的左侧所示，可以使用光纤耦合器404来将第一激光器102和第二激光器103发出的激光脉冲耦合到smf106。可选地，可以例如在自由空间中设置斩波器403，以过滤掉波长之一并且使所有其它波长通过。

如图5右侧所示，还可以使用光子灯405来将从各激光器102、103、104发出的所有激光耦合到smf106。

本发明不限于上面公开的示例，并且本领域技术人员可以不必应用创造性技能而在超出如所附权利要求书中公开的本发明的范围地进行修改和增强。