本技术介绍了一种新型的准单模垂直腔面发射激光器(VCSEL)与空心光纤耦合的光纤结构及其接口和制造方法。该耦合光纤由细外径光纤段、第一光纤段、高阶模滤除光纤段和第二光纤段组成,细外径光纤段直径为850纳米,旨在实现高效的能量传输和模式控制。
背景技术
在过去十年,数据中心及网络已经成为众多互联网应用(如搜索引擎、在线互动地图、社交网络、视频流媒体和物联网等)不可或缺的支撑平台,数据中心内部的信息传输能力获得了飞速提升。例如,谷歌数据中心集群的双向传输带宽在过去十年增长了1000倍。
数据流量的激增也带来了对高速率、低延时的强度调制-直接检测(IM/DD,Intensity Modulation/Direct Detection)光传输技术的强烈需求。对IM-DD而言,传统石英光纤链路在时延、850nm波段色散和损耗方面具有难以逾越的本征障碍。而具有近似单模特性的反谐振空芯光纤因为其良好的低信道噪声、可耐受高激光功率和可降低数字信号处理复杂度的特点,正越来越多的受到学术界与工业界的关注。
在时延方面,传统实芯光纤导光的基本原理是纤芯和包层(两者均由二氧化硅分子构成)之间的全内反射,光波与二氧化硅的完全重叠导致光纤中的光速比真空光速慢约1/3倍;而空芯光纤的光波几乎不与石英玻璃重叠,其光速几乎等同于真空光速。
在色散方面,光纤色度色散来源于材料和波导两方面,由于空气材料色散基本可以忽略,因此在频谱窗口内,反谐振空芯光纤的色度色散约为2~3ps/nm/km,在C波段相比G.652.D光纤低6~8倍,在850nm波段比石英光纤低30~50倍。在IM/DD系统中,由于通常不进行色散补偿,低色散将有助于缓解因色散导致的功率选择性衰落,更低的色散斜率也进一步降低了色散补偿的难度和复杂度,增加了全波段可以波分复用的信道总数。
在损耗方面,随着拉制技术的进步,反谐振空芯光纤在全光谱中都实现了对石英光纤最低损耗的超越,在850nm波段OM4石英光纤的典型损耗为2.3dB/km,而最新拉制的反谐振空芯光纤在这个波段已经达到0.33dB/km的水平。
在数据中心内部的信息传输中,三种互连技术已被用于优化带宽成本和能耗效率:一是连接机架内服务器与顶部交换机的铜导线,其典型传输距离小于几米;二是基于并行多模光纤(MMF,Multi-mode fiber)的短距光学互连或基于并行单模光纤(Single-ModeFiber,SMF)的光收发器,用于连接顶部交换机到汇聚层交换机,典型传输距离达100米。三是基于SMF的粗波分复用(CWDM,Coarse Wavelength Division Multiplexing)传输链路,用于连接汇聚层交换机之间或汇聚交换机到主干交换层网络之间,传输距离可达1公里。
针对第二种互连技术,由于850nm垂直腔面发射激光器(VCSEL,Vertical-CavitySurface-Emitting Laser)具有成本低、体积小、结构紧凑的优点,VCSEL-MMF-IMDD组合已被证明是此距离范围内数据传输的最优方案。对于更长的传输距离,由于石英玻璃在850nm波长具有高色散和高损耗的特点,传统光纤链路已无法实现光脉冲的不失真传输,必须放弃850nm VCSEL光源,转而采用更昂贵的第三种技术,即基于SMF的粗波分复用(CWDM)。该技术使用1310nm波长的边发射激光器和外调制光信号加载方案,不仅大大增加了传输成本,而且占用了数据中心内部宝贵的空间资源。
由于反谐振空芯光纤独特的导光机理,可以在850nm波长设计出低延时、低色散、低损耗性能,传输距离将不再受限于100米之内。VCSEL-HCF-IMDD有望替代当前数据中心内使用的第三种传输方案,不仅可以在成本上优于SMF-CWDM互连,而且由于VCSEL与HCF(Hollow Core Fiber,空芯光纤)良好的结构紧凑性,能够实现高空间集成度的接口配置,空间利用率将远超SMF-CWDM方案。此外,得益于VCSEL的低能耗和HCF的低延时特性,新的互连技术还可以大幅提升信号传输容量和速度。
然而,VCSEL-HCF的高效耦合存在多方面的挑战。由于VCSEL的出光孔孔径与HCF模场直径(Mode-Field Diameter,MFD)存在较大差异,二者之间的耦合需要进行特殊设计。目前已有的两种耦合方法是:其一,在HCF端面熔接一段确定长度的无芯光纤和渐变折射率光纤,渐变折射率光纤负责对光束的模场直径进行调节以降低耦合损耗,渐变折射率光纤与HCF之间的无芯光纤作为轴向间隔用来控制汇聚光束的焦点位置。然而,由于该方法对光纤的长度和规格提出了很高的精度要求,导致制作成本过高难以实际应用。其二,采用多个透镜组合,通过调节透镜规格和间距改变光束的模场直径和焦点位置。透镜耦合方法同样会带来较高的成本,光路调节还会对操作者的能力经验提出较高要求,并占用大量空间。总之,目前的耦合接口技术不适合VCSEL-HCF的全光纤结构高效耦合。
实现思路