CN101135746B - 多波长多模光纤 - Google Patents

Abstract

一种硅酸盐光纤包括渐变的折射率硅酸盐芯，该芯在我们发现允许多模多波长工作而没有明显的模间色散的唯一组合物中共掺杂有铝氧化物、磷氧化物、锗氧化物和氟。解释地来说，芯包含多种组合物，所述组合物的折射率从芯的中心处或者附近的最大值渐变为与包层的界面处的最小值。每一种芯组合物存在于五维相空间的子体积中，其中，在光纤的整个工作波长范围内，最佳芯轮廓形状基本上恒定不变，对于在0.78μm至1.55μm的波长范围内的工作，每一种组合物优选不超过约6摩尔％的Al₂O₃、9摩尔％的P₂O₅、6摩尔％的GeO₂、6摩尔％的氟和90摩尔％至100摩尔％的SiO₂。

Description

多波长多模光纤

技术领域

本发明涉及光纤，更具体地说，涉及多波长多模硅光纤。

背景技术

多横模光纤(下文简称多模光纤)已经发展到非常尖端的水平。然而，在一些情况下，多模光纤规格是非常苛刻的，从而难以开发能够满足必需的规格的材料和方法。例如，很多高带宽光纤的性质，尤其它们的色散性质，对光纤芯的直径及其折射率轮廓(refractive indexprofile)的变化极度敏感。事实上，对一些市售的多模光纤的计算显示了，1％的芯轮廓变化导致高达10％的色散变化。由于此色散效应，对这种光纤的规格通常适用于仅一个工作中心波长。在此限制的情况下，有时难以实现足够的带宽，以满足客户的规格。如果多模光纤能够传输额外的中心波长，而没有产生明显的色散，即，如果多模光纤也是多波长光纤，则可以减缓此带宽限制。在这点上，传输波长在频率域彼此充分分开，从而它们不会明显重叠，这又意味着，它们间隔大于中心波长的线宽的距离。

多模光纤设计的早期研究者公认为，芯中的抛物线的折射率轮廓基本上减少了光纤中的模间色散。然而，他们假设该抛物线的轮廓是最佳的，并且，对于所有的传输波长和光纤组合物都是一样的，该方法没有考虑在构造光纤的不同材料组合物中的折射率轮廓的变化。大约在1975年，Keck和Olshansky认为，多模光纤中的芯和包层材料的色散性质的变化的确影响任何工作波长的最佳轮廓形状。他们在1975年9月9日发布的美国专利No.3,904,268中描述了现在用于计算最佳折射率轮廓形状的标准表示法，该专利以引用的方式并入本文中。在该表示法中，在小于芯半径a的任何半径r处的芯的折射率n_c(r)表述为：

n_c(r)＝n_c1[1-2Δ(r/a)^α]^1/2       (1)

其中，α_opt＝2+y-[Δ(4+y)(3+y)/(5+2y)]，   (2)

Δ＝(n_c1 ²-n_c2 ²)/2n_c1 ²，             (3)

y＝-(2n_c1/N₁)(λdΔ/dλ)/Δ，       (4)

N₁＝n_c1-(λd n_c1/dλ).              (5)

n_c1和n_c2量分别是在r＝0和r＝a处的芯的折射率，λ是包含光纤作为传输介质的系统的工作波长。在通过公式(4)中的y参数认识到折射率色散的影响之前，对于所有的光纤传输波长，α_opt，最佳轮廓形状参数期望等于二。

然而，在Keck和Olshansky的工作之后，人们认识到最佳轮廓形状基于多模光纤的组分玻璃的色散中的明显变化而随着传输波长明显变化。现有技术的工作人员建议了几种方法，以减少y参数，从而获得其中轮廓形状与波长更接近无关的多模光纤。换句话说，他们的目标是设计dα_opt/dλ＝0的多模组合物结构。例如，在D.C.Gloge等人的1978年8月8日发布的以引用方式并入本文的美国专利No.4,105,283中，理论上概述了通过观察光纤芯和包层材料的色散之间的必要关系来改变y参数的方法。然而，他们实际上没有确定具有那些色散特性并可用来实现理论的轮廓形状的特定材料。在D.C.Gloge等人的1977年5月24日发布的也以引用方式并入本文的美国专利No.4,025,156中，描述了特定的组合物系统，GeO₂-B₂O₃-SiO₂玻璃系统，其表现出对于多模光纤的宽范围的波长的dα_opt/dλ～0的性质。他们的例子是具有远低于0.2的NA的多模光纤，该光纤不能满足多模光纤的当前标准。另外，J.W.Fleming在P₂O₅-B₂O₃-SiO₂玻璃系统中发现同样的性质。(参见1977年7月5日发布的以引用方式并入本文的美国专利No.4,033,667。)他发现，对于dα_opt/dλ～0，该玻璃系统具有500nm的波长范围。在该系统中，可以容易使光纤NA超过0.2。

虽然当前时期众所周知最佳轮廓形状与波长无关的重要性，但是提供适当色散的光纤芯组合物非常少。而且，找到的几种合适的组合物表现出其他的问题，例如，环境敏感或者制造难。因此，B₂O₃-SiO₂玻璃系统没有成为多模光纤生产的标准，GeO₂-SiO₂系统成为多模光纤生产的标准。然而，关于折射率轮廓取决于GeO₂的芯没有表现出波长无关的最佳轮廓形状，并且仅仅可以对一个传输波长优化。但是，使用气相方法例如MCVD、PCVD和OVD，在GeO₂-SiO₂系统中的玻璃更容易制造成光纤芯。为了显示最佳轮廓形状的波长无关性，在商业上多模光纤的任何制造商都无法达到0.78μm至1.55μm的范围(也无法达到更窄的0.85μm至1.3μm的范围)。

因此，需要保持具有基本上最佳的芯轮廓形状的多模光纤的现有技术，在光纤的工作波长的整个预定范围内，该芯轮廓形状基本上与波长无关。

发明内容

本发明是基于在包含大于90摩尔％二氧化硅的多组分硅酸盐组合物的范围内的色散测量。在该工作中最重要的是，观察到掺有不超过约6摩尔％的Al₂O₃的SiO₂玻璃具有这样的折射率色散，当其与未掺杂的硅包层一起使用时，该折射率色散使他们非常适用于表现出低dα_opt/dλ的多模芯。通过色散测量和计算，我们发现，小量的共掺杂剂P₂O₅、GeO₂和F可以与Al₂O₃-SiO₂相互组合，以形成稳定的玻璃并改变折射率n，而不会明显地改变dα_opt/dλ。例如，以几个摩尔百分比的浓度系统地组合的这些掺杂剂可以对0.2NA或者更大的多模光纤实现所需的折射率增加，同时保持dα_opt/dλ相对比较小的变化，即，在约0.78μm至1.55μm的整个波长范围内，α_opt的变化小于约0.01。

根据本发明的一个方面，硅酸盐多模光纤包括多层硅酸盐芯区域，该多层硅酸盐芯区域在我们发现允许多模多波长工作而没有明显模间色散的唯一的组合物中共掺杂有铝氧化物、磷氧化物、锗氧化物和/或氟。解释地来说，芯包括多种组合物，其折射率从芯区域的中心处或者附近的最大值渐变到与包层区域的界面处的最小值。优选地，折射率渐变遵循近似抛物线的轮廓。

根据本发明的另一方面，每个芯和包层组合物存在于五维相空间的子体积中，其中，所需的最佳芯轮廓参数(α_opt)在光纤的整个工作波长范围内基本上是恒定不变的。关于具有约0.2的NA且在约0.78μm至1.55μm的波长范围内工作的多模光纤，每种组合物优选包含不超过约6摩尔％的Al₂O₃、9摩尔％的P₂O₅、6摩尔％的GeO₂、6摩尔％的F和90摩尔％至100摩尔％的SiO₂。

在一个实施例中，芯区域包含不超过近似2摩尔％的P₂O₅(没有保护免受氢缺陷形成的一些形式，例如，熟知的氘装载)。

在当前优选的实施例中，芯区域包括被与包层区域相邻的外芯区域包围的内芯区域，并且，外芯区域基本上不含P₂O₅，内芯区域基本上不含F。在另一当前优选的实施例中，外芯区域包含不超过约2摩尔％的F和2摩尔％的GeO₂，包层区域包含未掺杂的硅。

附图说明

根据下面结合附图的更详细的描述，可以容易地理解本发明及其各种特征和优点，其中：

图1A是根据本发明的一个实施例的通过其传播轴截取的光纤的轴向部分的示意性的横截面图；

图1B是图1A所示的光纤的示意性的折射率轮廓；

图1C是根据本发明的另一实施例的其中芯区域包括内芯区域和外芯区域的光纤的芯区域的轴向部分的示意性的横截面图；

图2A是示出根据由下面的图3的曲线V和表II表示的本发明的范例实施例的在硅多模光纤的芯区域中的四种共掺杂剂的浓度轮廓的曲线图，该硅多模光纤具有基本上不掺杂的硅包层区域；

图2B是示出图2A的光纤的芯区域在0.85μm波长处的基本上抛物线的折射率轮廓的曲线图，虽然没有示出，但是在传输带的其他波长处的相应的轮廓具有相同的形状，但是沿着垂直(折射率)轴移位；以及

图3是示出根据本发明的范例实施例的对于各种芯区域组合物的计算所得的最佳轮廓形状作为波长的函数如何变化的曲线图。具体来说，各种芯区域组合物在下面的表II中给出；包层区域是基本上不掺杂的硅。

具体实施方式

一般光纤的制造

光纤由包含适当掺杂的区域的玻璃预制件制造，芯和包层由该适当掺杂的区域形成。预制件通常垂直地布置在拉丝塔中，使得一部分预制件下降到熔炉区域中。放置在熔炉区域中的该部分预制件开始软化，预制件的较低端形成称为缩颈区域的地方，其中，玻璃从预制件的原始横截面区域流到光纤的所需的横截面区域。从该缩颈区域的较低的顶端起对光纤进行拉丝。

光纤通常包括：高纯度的硅酸盐玻璃芯，其可任选地掺杂有折射率升高的元素，例如锗；可任选的高纯度硅酸盐玻璃的内包层，其可任选地掺杂有折射率下降的元素，例如氟；以及未掺杂的硅酸盐玻璃的外包层。在一些制造过程中，通过形成用于外包层的外套管并分开形成包含芯材料和内包层材料的芯棒，制造用于制造这种光纤的预制件。能够通过溶胶-凝胶法形成外套管，如在例如E.A.Chandross等人的1993年8月31日发布的美国专利No.5,240,488中有所描述，该专利以引用方式并入本文中。另一可选的方法是，外套管可以由硅坯拉制成—这种管是可以市售到的。芯棒可以通过本领域的技术人员所知的各种气相沉积方法中的任何方法来制造，所述方法包括气相轴向沉积(VAD)、外气相沉积(OVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)和改进的化学气相沉积(MCVD)。例如，MCVD涉及使高纯度气体(例如，含有硅和锗的气体的混合物)经过硅管(称为基体管)的内部，同时用横动的氢氧喷灯加热该管的外部。在管的加热区域上发生气相反应，从而将颗粒沉积在管壁上。当喷灯经过沉积物时，烧结在喷灯前面形成的沉积物。连续多道地重复该过程，直到沉积所需量的硅和/或掺锗硅为止。一旦完成沉积，就加热主体，以坍缩基体管并得到加固的棒，其中，基体管构成内包层材料的外部分。为了获得成品的预制件，外套管通常放置在整个芯棒上，并且，将各个部件加热并坍缩成固体的加固的预制件，如在D.A.Fleming等人的1988年10月4日发布的以引用方式并入本文的美国专利No.4,775,401中有所描述。

我们利用上述方法中的任何方法或者光纤领域的技术人员所熟知的任何其他方法来制造光纤预制件以及由它拉制成的光纤，该光纤具有下述特性。

一般光纤的结构

根据本发明的一个方面，如图1A和图1B所示，多模多波长光纤12包括被环形的较低折射率(n_clad)的多层包层区域12.3包围的相对较高折射率(n_c)的多层硅酸盐芯区域12.1。在一个实施例中，包层区域12.3包括多层外包层区域12.3o以及置于芯区域12.1和外包层区域12.3o之间的可任选的向下掺杂的较低折射率(n_ic)的多层内包层区域12.3i。外包层区域12.3o具有在n_c和n_ic之间的折射率(n_oc)；即，n_ic＜n_oc＜n_c。另外，芯区域12.1的折射率从其中心处或者附近的最大值(n_c)渐变到与内包层区域12.3i的界面处的最小值(n_ic)。通常，渐变外形近似为抛物线的。

另一可选的方法是，包层区域12.3可以包含未掺杂的硅；即，向下掺杂的内包层区域是非必要的，因此，可以省略。在这种情况下，n_clad＝n_oc。例如，根据本发明的一个实施例的多模光纤包括被λ＝0.85μm的未掺杂的硅包层区域12.3包围的芯区域12.1。芯区域12.3的轮廓，如图2B所示，从在r＝0处的n～1.4665近似抛物线地降低到在r＝a处的n～1.453，这对应于未掺杂的硅包层区域12.3的折射率n_clad＝n_oc。

在另一可选的实施例中，外包层区域12.3可以包含掺杂的硅，代替未掺杂的硅。

优选地，芯区域12.1包括被多层环形的芯区域12.1o包围的多层内芯区域12.1i，如图1C所示。

根据本发明的一个方面，内芯区域12.1i和外芯区域12.1o是共掺杂有适量的下述一种或者多种掺杂剂的硅：P(例如，磷氧化物，如P₂O₅)、Ge(例如，锗氧化物，如GeO₂)、Al(例如，铝氧化物，如Al₂O₃)和F。一般来说，P₂O₅、GeO₂和Al₂O₃用来提高硅的折射率，而F用来降低它的折射率。然而，重要地，选择芯区域中的共掺杂剂的特定组合物及其分布，以产生约0.2的NA，从而在约0.78μm至1.55μm的整个波长范围内，优选在至少0.85μm至1.3μm的范围内，最佳轮廓形状参数(α_opt)基本上与波长无关。

在多模多波长光纤的当前优选的实施例中，芯区域12.1的组合物包含约不超过下述浓度的共掺杂剂：6摩尔％的Al₂O₃、9摩尔％的P₂O₅(在另一可选的实施例中，2摩尔％)、6摩尔％的GeO₂、和6摩尔％的F，从而在芯区域中的SiO₂的浓度在约90摩尔％至100摩尔％的范围内。另外，对于外包层区域12.3是未掺杂的硅的光纤，共掺杂剂的空间分布优选这样构造，使得内芯区域12.1i基本上不含F，而外芯区域基本上不含P₂O₅。而且，在外包层区域12.3是未掺杂的硅时，外芯区域12.1o优选包含不超过约6摩尔％的F和适当小量的GeO₂(这取决于内芯区域中GeO₂的量，如下文所述)。

在优选空间分布的另一方面，分别降低内芯区域12.1i和外芯区域12.1o中的共掺杂剂的浓度。适当的渐变在芯区域中产生所需的折射率轮廓，而且，能够使外芯区域12.1o的色散与包层区域12.3的色散匹配。

一般来说，对于模间色散最小而言，重要的是，外芯区域12.1o的折射率色散与包围它的材料(即，与外芯区域12.1o直接相邻的那一部分包层区域的材料)的折射率色散匹配。例如，当使用PCVD或者MVCD来制造光纤时，包层区域12.3通常是未掺杂的熔融硅，因此，外芯区域12.1o应该与这种未掺杂的硅的色散匹配。

在某些芯区域层中允许0摩尔％的浓度，公认为这样的事实，折射率轮廓渐变的方式允许在芯区域中的一层或者多层中省略四种掺杂剂中的任何一种或者多种。(解释地来说，芯区域包括100层至1000层，这取决于所用的制造技术。)另一方面，上限主要与我们的发现有关，我们的发现，即，超过该限度的浓度倾向于使轮廓形状参数与波长相关。在这种情况下，该上限还可以与受例如环境条件的负面影响的其他光纤特性有关。

我们发现，当在光纤中与Al₂O₃-SiO₂芯区域组合时，F对提高NA而同时保持所需的α_opt与波长无关的行为的方面非常有用。

我们的色散工作的另一发现是，当包层区域组合物具有与未掺杂的硅的折射率色散相似的折射率色散时，对可用于芯区域的GeO₂的量是有限制的。如早期对于GeO₂-B₂O₃-SiO₂玻璃系统所发现的那样，GeO₂可以用作折射率升高掺杂剂，用于表现出低dα_opt/dλ的多模波导。然而，在折射率色散相对于SiO₂的折射率色散开始变化很多并且对于多波长工作的dα_opt/dλ变得太大之前，不超过约6摩尔％可以用于芯区域。例如，在0.85μm和1.3μm的波长之间，在现有技术的多模光纤中的dα_opt/dλ的通常变化可以是0.1一样高(不可接受)。与关于在多模光纤中掺杂GeO₂的现有知识不同，我们观察到，GeO₂以适当小的量用于外芯区域12.1o，实际上可以降低dα_opt/dλ。例如，考虑具有未掺杂的硅包层的多模光纤的两个范例实例。当内芯区域含有最大值的约5摩尔％的GeO₂时，解释地来说，外芯含有最大值的约2摩尔％的GeO₂。另一方面，当内芯区域含有最大值的约6摩尔％的GeO₂时，解释地来说，外芯含有小于约4摩尔％的GeO₂。

P₂O₅对于低的dα_opt/dλ而言是良好的折射率升高掺杂剂，但是它具有有害的氢敏感性，从而不能以约2摩尔％以上的浓度使用，而没有任何保护以免氢缺陷形成，例如氘装载(例如，吸氢剂位于用来制造光纤的基体中)。对于其他光纤设计，氢损耗钝化法是熟知的，并且在本发明的多模光纤中是有益的。〔例如，参见D.J.Giovanni等人的以引用方式并入本文中的美国专利No.5,596,668〕在这种修改中，在本发明的至少一些实施例中，P₂O₅可以以高达9摩尔％的浓度使用。

范例多模光纤设计

图2A示出在根据本发明的一个实施例的多模光纤的芯区域中的范例性的掺杂剂浓度轮廓。内芯区域12.1i从r＝0延伸至r＝i(例如，i＝0.75a，其中，d_c＝2a)，而外芯区域从r＝i延伸至r＝a。包层区域12.3是在波长0.85μm处具有n_clad＝n_oc～1.453的折射率的范例性地未掺杂的硅。

一般来说，通过将特定数目的模群组限定在内芯区域内来确定在r＝i处的内芯区域和外芯区域之间的界面。例如，为了将第一组的十七个模限定在内芯区域，与外芯区域的界面应该定位在大约r＝i＝0.75a。模群组是基本上具有相同的传播常数的导模的集合。

图2B示出芯区域的折射率的相应的近似抛物线(α＝2.03)的变化。在这种情况下，Al氧化物、P氧化物和Ge氧化物掺杂剂一层一层地变化如下：(1)从r＝0至r＝0.4a，Al₂O₃浓度基本上恒定不变，近似6摩尔％，然后基本上线性地下降到r～a处的0摩尔％；(2)P₂O₅浓度基本上线性地从r＝0处的约3摩尔％的最大值下降到r＝i～0.75a处的0摩尔％；(3)GeO₂浓度基本上线性地从r＝0处的约1摩尔％增加到r＝a处的约2摩尔％的最大值；以及(4)F浓度基本上线性地从r＝i～0.75a处的0摩尔％增加到r＝a处的约2摩尔％(例如1.9摩尔％)的最大值。值得注意的是，内芯区域12.1i不含F，而外芯区域12.1o不含GeO₂，并且，外芯区域12.1o具有比内芯区域12.1i更高的GeO₂浓度。

此外，注意也重要的是，为外芯区域12.1o尤其在r＝a处或者附近的层选择的具体组合物的色散与熔融的未掺杂的硅的传输波长区域的色散匹配，该熔融的未掺杂的硅用作该种多模光纤中的包层区域12.3。在下述部分描述确定渐变芯区域的各种组合物的方式。

对于多模工作，芯12.1的直径(d_c)通常在约30μm至100μm的范围内。当芯区域的直径在约30μm和65μm之间时，外包层区域的直径(d_oc)是约125μm，但是，当芯区域比较大(在约65μm和100μm之间)时，d_oc是约140μm。另一方面，内包层区域12.3i(如果使用一个)的厚度(t_ic)相对于光纤的最大的工作波长应该是大的(例如，对于高达约1.6μm的工作波长，几个μm厚度)。

另外，对于根据当前标准的多模工作，芯区域12.1的数值孔径(NA)通常为0.200±0.015。NA是熟知的光纤参数，其通过内芯区域(在r＝0处)和包层区域之间的折射率差来控制，该折射率差又通过二者中的掺杂剂来确定。因此，当与未掺杂的SiO₂包层组合时，在芯区域中的约9摩尔％P₂O₅将产生所需的NA～0.2。硅中的多种掺杂剂，例如，6摩尔％的Al₂O₃和4摩尔％的P₂O₅，与相同的未掺杂的SiO₂包层一起也将产生相似的NA。

确定渐变芯和包层的组合物

我们现在描述如何选择适当的组合物以便使芯中的折射率以这样的方式渐变，使得在约0.78μm至1.55μm的整个波长范围的模色散在可接受低的水平。可以使用公式(6)计算组合物的折射率n，由此可以计算轮廓形状，该公式(6)称为Sellmeier色散关系：

$n^2-1={\mathrm{\Σ}}_1^3\frac{A_i{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{L_i}^2},---\left(6\right)$

其中，振子强度A_i给出为：

A_i＝M_pA_ip+M_AlA_iAl+M_GA_iG+M_FA_iF+M_SA_iS，     (7)

并且，振子波长L_i给出为：

L_i＝M_pL_ip+M_AlL_iAl+M_GL_iG+M_FL_iF+M_SL_iS。     (8)

M_x是每个组分x＝A、P、G、F和S的摩尔分数，其中，A、P、G、F和S分别是Al₂O₃、P₂O₅、GeO₂、F和SiO₂。

在本发明的整个波长范围(约0.78μm至1.55μm)和组合物范围内，使用这些参数的Sellmeier色散关系是正确的。此外，该范围通过不超过约6摩尔％的Al₂O₃、9摩尔％的P₂O₅、6摩尔％的GeO₂、6摩尔％的F和90摩尔％至100摩尔％的SiO₂来限定。

使用公式(6)和从对每个组分的n(λ)的测量中获得的内插实验数据，我们确定在下面表I中找到的A_i和L_i的值。

表I

组分

A1

L1

A2

L2

A3

L3

P2O5

6.6851×10-1

2.1987×10-2

9.1926×10-1

1.2770×10-1

8.9037×10-1

6.6496×10-0

GeO2

8.0687×10-1

6.8943×10-2

7.1816×10-1

1.5397×10-1

8.5417×10-1

1.1842×10-1

F

2.4380×10-1

2.7853×10-2

4.1862×10-1

1.0796×10-1

6.7147×10-1

9.7085×10-0

Al2O3

5.2620×10-1

3.3076×10-2

9.2344×10-1

1.3345×10-1

2.7205×10-0

1.8988×10-1

SiO2

6.9839×10-1

7.0690×10-2

4.0641×10-1

1.1493×10-1

8.6265×10-1

9.7862×10-0

我们假设预制件芯区域通过在基体管上沉积N(例如，N＝100)个连续的层来形成，每个层具有与不同的折射率n_j相对应的不同组合物C_j，其中，j＝1、2、3……N。首先，必须确定多模光纤所需的NA和所需的包层。然后，使用下述公式(9)：

$\mathrm{NA}={(n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2)}^{0.5},---\left(9\right)$

其中，n_core是在r＝0处测量的，n_clad是在r＞a处测量的，可以确定n_core。对于需要高带宽(例如，用于局域网的10吉比特以太网)的大多数多模光纤应用，选择光纤具有d_c＝50μm直径芯区域12.1，0.2±0.015的NA和d_oc＝125μm直径外包层区域12.3o(在该实例中，没有使用内包层12.3i)。包层通常但并不一定是硅。使用公式(6)，可以决定r＝0处的合适的芯区域组合物并确定对于该组合物在传输区域内的任何特定波长的折射率。

更具体地来说，使用公式(6)，我们选择在r＝0处的芯组合物，并且计算对于每个沉积层的n_c值(通常，迭代过程)。最后，我们确定在r＝a处的芯组合物，给出n_oc的必要值，我们由n_c值和NA计算n_oc。我们再次在迭代过程中使用公式(6)，以确定在r＝a处的必要的芯组合物，给出正确的n_oc值，即，确保在r＝a处的折射率色散与包层的折射率色散接近的n_oc值。相对于包层，在r＝a处的折射率可以存在稍微下降的阶段，但是，相对于包层折射率(在0.85μm处的1.453)，它应该是非常小的(约±0.001)折射率变化。这两种组合物提供用来确定芯的每个中间层的组合物的组合物路径(compositionalpath)的终端。

色散计算

我们在Al₂O₃-P₂O₅-GeO₂-F-SiO₂系统中制造玻璃。使用体玻璃样品的折射率色散数据，我们计算各种多模结构的最佳轮廓形状α_opt。结果显示，由于SiO₂和Al₂O₃-P₂O₅-掺杂SiO₂玻璃的色散相对比较相似，最佳轮廓形状α_opt的波长相关性远远小于在现有技术的GeO₂-SiO₂系统中观察到的变化。实际上，关于具有未掺杂的SiO₂包层区域12.3和产生α＝2.015的两种掺杂剂的浓度分级的6摩尔％Al₂O₃-4摩尔％P₂O₅-92摩尔％SiO₂玻璃芯区域12.1，我们的计算显示，在整个波长范围内，对于0.85μm和1.3μm的最佳形状几乎相同，偏差小于0.5％α_opt。

GeO₂的折射率升高性质使得它成为理想的掺杂剂，以继续用于多模光纤制造，但是，另外，它用于外芯区域12.1o，而在内芯区域12.1i中减少，这帮助调制外芯区域色散，从而增强最佳轮廓扩展。我们发现，高达6摩尔％的GeO₂可以与Al₂O₃结合加在芯区域中，而仍保持α_opt的改良的波长无关性。通过上述类型的分析，我们发现，在Al₂O₃-P₂O₅-GeO₂-F-SiO₂玻璃系统中存在组合空间，由此可以获得玻璃，以在0.78μm和1.55μm二者以及其间的所有波长处满足轮廓形状α_opt。

图3展示关于下面表II所列出的五种芯-包层组合物的计算所得的最佳轮廓形状参数α_opt。另外，与曲线V对应的当前优选的光纤的每种组合物的特定分布示于图2A。

表II

计算所得的行为显示，从用于多模光纤的芯区域的上述可允许的组合物(除了曲线II之外，其表示标准的多模光纤设计的组合物)中系统地选择的玻璃提供轮廓形状参数α接近最佳的宽波长范围。例如，对于曲线I的α_opt变化非常小，从在0.85μm处的约2.03变为在1.3μm处的约2.02，这表示只有约0.5％的变化。同样地，对于曲线III、IV和V的α_opt在相同的波长范围上也表现出极小的变化。所有的四个在该波长范围内都表现出可接受的无关性的α_opt，但是曲线V在此波长范围内表现出最小变化的α_opt。与此对比的是，对于表示典型的常规的多模光纤的曲线II的α_opt显示相对较大的变化，从约2.03急剧地下降到1.92(5.4％)—由四个光纤在相同的波长范围内所表现的变化的10倍以上。

各种材料、尺寸和工作条件仅仅以举例的方式提供，除了另有明确指出，它们不应当限制本发明的范围。

应该理解，上述的布置方式仅仅是可设计表示本发明的原理的应用的很多可行的特定实施例中的范例。根据这些原理，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，本领域的技术人员可以设计很多不同的其他布置方式。具体来说，本发明适用于在下述两种情况中的具有芯区域和周围的包层区域的硅玻璃体：其中，玻璃体是光纤预制件或者自身由这种预制件拉制成的光纤。

Claims (11)

1.一种多模光纤，包括：

多层硅酸盐玻璃芯区域，其具有用于在0.78μm至1.55μm的波长范围内的波长处宽带工作的折射率轮廓形状参数；以及

包层区域，其与所述芯区域相邻，

所述芯和包层区域构造成具有约0.2的数值孔径，并且支持在所述波长范围内的至少两个波长处，在所述芯区域内的光学辐射的同步传播，

所述芯区域共掺杂有不超过6摩尔％的Al₂O₃、不超过9摩尔％的P₂O₅、不超过6摩尔％的GeO₂和不超过6摩尔％的氟，所述芯区域包括90摩尔％至100摩尔％的SiO₂，所述共掺杂剂的浓度和分布径向地改变，使得所述芯区域的折射率径向地渐变，从而使得所述光纤的所述折射率轮廓形状参数的最佳值在所述波长范围内基本上与波长无关，即所述最佳值在所述波长范围内的变化不超过0.01。

2.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区域被共掺杂有不超过2摩尔％的P₂O₅。

3.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区域包括内芯区域和外芯区域，所述内芯区域基本上不合氟，所述外芯区域基本上不含P₂O₅。

4.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区域包括内芯区域和外芯区域，并且其中所述外芯区域的色散与所述包层区域的色散基本上相同。

5.根据权利要求4所述的光纤，其中，所述包层区域包含未掺杂的硅。

6.根据权利要求5所述的光纤，其中，所述外芯区域包含不超过2摩尔％的氟。

7.根据权利要求5所述的光纤，其中，所述外芯区域包含不超过2摩尔％的GeO₂。

8.根据权利要求7所述光纤，其中，所述外芯区域具有比所述内芯区域高的GeO₂的浓度。

9.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区域的折射率从所述芯区域的中心处的最大值渐变到所述芯区域的外边缘附近的最小值，其中所述芯区域的中心的半径设为零，所述芯区域的外边缘的半径为a，所述渐变遵循由公式(1)限定的基本上抛物线形的轮廓，所述公式(1)为n_c(r)＝n_c1[1-2Δ(r/a)^α]^1/2，其中n_c(r)是所述芯区域在小于芯半径a的任意半径r处的折射率；

n_c1和n_c2分别是所述芯区域在r＝0和r＝a处的折射率，并且α是所述折射率轮廓形状参数。

10.一种多模光纤，包括：

多层硅酸盐玻璃芯区域，其具有用于在0.78μm至1.55μm的波长范围内的波长处宽带工作的折射率轮廓形状参数，所述芯区域包括内芯区域和外芯区域；以及

未掺杂的硅包层区域，其与所述外芯区域相邻，所述芯和包层区域构造成具有0.200±0.015的数值孔径，并且支持在所述波长范围内的至少两个波长处，在所述芯区域内的光学辐射的同步传播，

所述芯区域被共掺杂有不超过6摩尔％的Al₂O₃、不超过9摩尔％的P₂O₅、不超过6摩尔％的GeO₂、不超过6摩尔％的氟，并且所述芯区域包括90摩尔％至100摩尔％的SiO₂，所述共掺杂剂的浓度径向地改变，使得所述芯区域的折射率径向地渐变，从而使得所述光纤的所述折射率轮廓形状参数的最佳值在所述波长范围内基本上与波长无关，即所述最佳值在所述波长范围内的变化不超过0.01；

所述外芯区域基本上不含P₂O₅，所述内芯区域基本上不含F；

所述外芯区域具有比所述内芯区域高的GeO₂的浓度；并且

所述外芯区域的色散与所述未掺杂的硅包层区域的色散基本上相同。

11.根据权利要求10所述的光纤，其中，所述内芯区域的半径r从r＝0延伸至小于所述芯区域的最大半径a的中间半径r＝i，且该中间半径i约等于0.75a即i～0.75a，所述外芯区域的半径从r＝i延伸至r＝a，并且，(1)从r＝0至r＝0.4a，Al₂O₃浓度基本上恒定不变，近似6摩尔％，然后基本上线性地下降到r＝a处的0摩尔％；(2)P₂O₅浓度基本上线性地从r＝0处的约3摩尔％的最大值下降到r＝i处的0摩尔％；(3)GeO₂浓度基本上线性地从r＝0处的约1摩尔％增加到r＝a处的约2摩尔％的最大值；以及(4)F浓度基本上线性地从r＝i处的0摩尔％增加到r＝a处的约2摩尔％的最大值。

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