CN102081191A - 高带宽多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明包含一种光纤，尤其是一种高带宽多模光纤，其包括相对于外包层具有阿尔法折射率分布的中心纤芯。该光纤还包括内包层、下陷沟道以及外包层。该光纤对于高数据传输率应用利用减小的包层效应实现了减小的弯曲损耗和高带宽。

Description

高带宽多模光纤

技术领域

本发明涉及光纤传输领域，并且更特别地涉及一种多模光纤，其对于高数据传输率的应用具有减小的弯曲损耗和高带宽。

背景技术

光纤(即，典型地由一个或多个涂层包围的玻璃纤维)通常包括光纤芯和光学包层，光纤芯传输和/或放大光信号，光学包层将光信号限制在纤芯内。因此，典型地，纤芯的折射率n_c大于光学包层的折射率n_g(即，n_c＞n_g)。

对于光纤来说，通常根据将折射率与光纤半径联系起来的函数的图像外观对折射率分布进行分类。通常，距离光纤中心的距离r示于x轴，而(半径r处的)折射率与光学外包层(例如，外部的光学包层)的折射率之间的差示于y轴。对于分别呈台阶形、梯形、阿尔法形或三角形的图形，折射率分布称为“阶跃”分布、“梯形”分布、“阿尔法”分布或“三角形”分布。这些曲线通常代表光纤的理论分布或设定分布。然而，受到光纤制造的限制，可能导致实际分布出现略微的不同。

一般来说，存在两种主要的光纤种类：多模光纤和单模光纤。在多模光纤中，对于给定的波长，多个光学模式同时沿着光纤传播，而在单模光纤中，高阶模式被强烈地衰减。单模玻璃纤维或多模玻璃纤维的典型直径为125微米。多模光纤的纤芯典型地具有在大约50微米到62.5微米之间的直径，而单模光纤的纤芯典型地具有在大约6微米到9微米之间的直径。由于多模光源、连接器和维护的成本较低，多模系统通常不像单模系统那么昂贵。

多模光纤通常用于要求较宽带宽的短距离应用，例如，本地网或LAN(局域网)。多模光纤是遵循ITU-T G.651.1标准的国际标准客体，该标准特别限定了与光纤兼容性的要求相关的规范(例如，带宽、数值孔径和纤芯直径)。

另外，为满足长距离(即，大于300米的距离)的高带宽应用(即，高于1GbE的数据传输率)的需求，使用OM3标准。随着高带宽应用的发展，多模光纤的平均纤芯直径从62.5微米减小到50微米。

典型地，为了能够用于高带宽应用，光纤应当具有尽可能最宽的带宽。对于给定的波长，光纤的带宽可以以多种不同的方式表征。典型地，对所谓的“满注入”条件(OFL)带宽和所谓的“有效模带宽”条件(EMB)进行了区分。OFL带宽的获取假定使用在光纤的整个径向面(radial surface)上呈现均匀发射的光源(例如，采用激光二极管或发光二极管(LED))。

近来得以发展的用于高带宽应用的光源，例如，VCSEL(垂直腔面发射激光器)，在光纤的径向面上呈现不均匀的发射。对于这种光源，不太适合OFL带宽这种测量方式，而更适合于使用有效模带宽(EMB)。用计算得到的有效带宽(EMBc)估算出与所使用的这种VCSEL无关的多模光纤的最小EMB。EMBc由色散模延迟(DMD)测量得出(例如，如FOTP-220标准中所阐述的)。

在FOTP-220标准中可以找到测量DMD和计算有效模带宽的方法的实施例。该技术的进一步细节阐述在如下刊物中：P.F.Kolesar和D.J.Mazzarese，“Understanding multimode bandwidth and differential mode delay measurements and their applications”，Proceedings of the 51st International Wire and Cable Symposium，第453-460页；以及D.Coleman和Philip Bell，“Calculated EMB enhances 10GbE performance reliability for laser-optimized 50/125 μm multimode fiber”，Corning Cable Systems Whitepaper。

图1示出了根据2002年11月22日公开的TIA SCFO-6.6版本的FOTP-220标准的规范的DMD测量的示意图。图1示出了光纤的一部分(即，由外包层包围的光纤芯)的示意图。通过向多模光纤连续地注入具有给定波长λ₀的光脉冲来获得DMD图，在每个连续脉冲之间具有径向偏移。然后在经过给定的光纤长度L后，测量每个脉冲的延迟。多个相同的光脉冲(即，具有相同的振幅、波长和频率的光脉冲)以相对于多模光纤的纤芯中心具有不同径向偏移而注入。注入的光脉冲在图1中表示为光纤的光纤芯上的黑点。为了表征50微米直径的光纤特性，FOTP-220标准建议进行至少24次单独测量(即，在24个不同的径向偏移值处)。从这些测量中，可以确定模色散以及计算出的有效模带宽(EMBc)。

TIA-492AAAC-A标准规定了对以太网高带宽传输网络应用中远距离使用的50微米直径的多模光纤的性能要求。OM3标准要求，在850纳米的波长下，EMB为至少2,000MHz·km。OM3标准确保10Gb/s(10GbE)的数据传输率高达300米距离的无错误传输。OM4标准要求，在850纳米的波长下，EMB为至少4,700MHz·km，以实现10Gb/s(10GbE)的数据传输率高达550米距离的无错误传输。

在多模光纤中，沿光纤传播的多个模式的传播时间差或群延迟时间决定了光纤的带宽。尤其是，对于相同的传播介质(即，阶跃折射率型多模光纤)，不同的模式具有不同的群延迟时间。群延迟时间的不同导致了沿着光纤的不同径向偏移传播的脉冲之间的时滞。

例如，如图1的右侧图所示，在各个脉冲之间观察到时滞。图1中的图依照脉冲以微米为单位的径向偏移(y轴)和脉冲通过给定长度的光纤所用的以纳秒为单位的时间(x轴)图示了每个单独的脉冲。

如图1所示，峰的位置沿着x轴变化，其表示各个脉冲之间的时滞(即，延迟)。该延迟引起所得到的光脉冲的增宽。光脉冲的增宽(i)增加了脉冲与下一个脉冲重叠的危险并且(ii)降低了光纤所支持的带宽(即，数据传输率)。因而，带宽与在光纤的多模纤芯中传播的光学模式的群延迟时间直接相关。因此，为了确保较宽的带宽，需要使所有模式的群延迟时间相等。换而言之，对于给定波长，模间色散应当为零，或至少被最小化。

为了降低模间色散，通信用多模光纤通常具有这样的纤芯，其折射率从光纤中心向其与包层的界面逐渐减小(即，“阿尔法”纤芯分布)。这样的光纤已经被使用了多年，其特性描述于“Multimode theory of graded-core fibers”，D.Gloge等，Bell system Technical Journal 1973，第1563-1578页，并概述于“Comprehensive theory of dispersion in graded-index optical fibers”，G.Yabre，Journal of Lightwave Technology，2000年2月，第18卷，第2期，第166-177页。

梯度折射率分布(即，阿尔法折射率分布)能够通过根据下列等式的折射率值n与到光纤中心的距离r之间的关系式来描述：

$n=n_1\sqrt{1-2\mathrm{\Δ}{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\α}}}$

其中，

α≥1，且α为表示折射率分布的形状的无量纲参数；

n₁为光纤的纤芯的最大折射率；

a为光纤的纤芯的半径；并且

$\mathrm{\Δ}=\frac{(n_1^2-n_0^2)}{2n_1^2}$

其中，n₀为多模纤芯的最小折射率，其可以对应于外包层(通常大都由石英制成)的折射率。

因此，具有梯度折射率(即，阿尔法分布)的多模光纤具有旋转对称的纤芯分布，从而沿着光纤的任意径向方向，折射率的值从光纤中心向光纤外周连续减小。当多模光信号在这样的梯度折射率纤芯内传播时，不同的光学模式经历不同的传播介质(即，因为变化的折射率)，这不同程度地影响每个光学模式的传播速度。因而，通过调整参数α的值，可以获得对于所有模式几乎相等的群延迟时间。换而言之，可以改变折射率分布以降低甚至消除模间色散。

然而，实际上，所制造的多模光纤具有由恒定折射率的外包层所包围的梯度折射率中心纤芯。从而，由于纤芯(具有阿尔法分布)与外包层(具有恒定折射率)的界面中断了阿尔法分布，多模光纤的纤芯不会对应于理论上的完美阿尔法分布(即，设定阿尔法分布)。外包层相对于低阶模式促进了高阶模式。这种现象被称为“包层效应”。在DMD测量中，最大径向位置处(即，最接近外包层处)获得的响应显示出多脉冲，这导致响应信号的时间展宽。因此，这种包层效应导致带宽降低。

多模光纤通常用于要求较宽带宽的短距离应用，例如局域网(LAN)。在这些应用中，光纤可能被意外或无意识地弯曲，这可能改变模功率分布和光纤带宽。

因此，理想的是获得不受曲率半径小于10mm的弯曲影响的多模光纤。提出的一种解决方案涉及在纤芯与包层之间增加下陷沟道。然而，沟道的位置和深度会显著地影响光纤的带宽。

公开号为JP2006/47719A的日本专利公开了一种梯度折射率光纤，在其包层内具有下陷沟道。然而，所公开的光纤表现出比所希望更高的弯曲损耗和相对低的带宽。此外，没有提及所公开的光纤的包层效应。

第WO-A-2008/085851号国际公开公开了一种梯度折射率光纤，在其包层内具有下陷沟道。然而，所公开的光纤表现出相对低的带宽，并且没有提及其包层效应。

公开号为2009/0154888号的美国专利申请公开了一种梯度折射率光纤，在其包层内具有下陷沟道。然而，所公开的光纤表现出相对低的带宽，并且没有提及其包层效应。

第EP 0131729号欧洲专利公开了一种梯度折射率光纤，在其包层内具有下陷沟道。根据该文献，为了实现较高的带宽，梯度折射率分布纤芯的末端与下陷沟道的起点之间的距离应当在0.5微米到2微米之间。然而，所公开的光纤表现出比所希望更高的弯曲损耗。此外，没有提及所公开的光纤的包层效应。

因此，对于高数据传输率应用，存在对这样一种梯度折射率多模光纤的需求，其利用减小的包层效应而具有减小的弯曲损耗和高带宽。

发明内容

在一个方案中，本发明包含一种多模光纤，其包括被外包层包围的中心纤芯。该中心纤芯具有半径r₁并且相对于外包层具有阿尔法折射率分布。内包层位于中心纤芯和外包层之间(例如，直接包围中心纤芯)。内包层具有(i)外半径r₂、(ii)宽度w₂以及(iii)相对于外包层的折射率差Δn₂。下陷沟道位于内包层和外包层之间(例如，直接包围内包层)。该下陷沟道具有(i)外半径r_t、(ii)宽度w_t以及(iii)相对于外包层的折射率差Δn_t。典型地，内包层的宽度w₂与下陷沟道和外包层之间的折射率差Δn_t满足下面的不等式：

$\frac{5.6}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-2.1}+2.03\≤w_2\≤\frac{3}{100\×\mathrm{\Δ}{n}_t-0.4}+2.$

因此，本发明涉及一种多模光纤，从中心到外周包括：

中心纤芯，其具有半径r₁并且相对于外包层具有阿尔法折射率分布；

内包层，其具有外半径r₂、宽度w₂并且相对于所述外包层具有折射率差Δn₂；

下陷沟道，其具有外半径r_t、宽度w_t并且相对于所述外包层具有折射率差Δn_t；以及

外包层；

其中，所述内包层的宽度w₂与所述下陷沟道的折射率差Δn_t满足下面的不等式：

$\frac{5.6}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-2.1}+2.03\≤w_2\≤\frac{3}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-0.4}+2.$

在一个实施例中，中心纤芯的阿尔法折射率分布的阿尔法参数α在大约1.9到2.1之间(例如，在大约2.04到2.1之间)。

在另一实施例中，中心纤芯与外包层之间的折射率差的最大值Δn₁在大约11×10^-3到16×10^-3之间。

在又一实施例中，内包层和外包层之间的折射率差Δn₂在大约-0.05×10^-3到0.05×10^-3之间。

在另一实施例中，下陷沟道和外包层之间的折射率差Δn_t在大约-15×10^-3到-3×10^-3之间。

在又一实施例中，下陷沟道的宽度w_t在大约3微米到5微米之间。

在一个特定实施例中，下陷沟道的体积v_t在大约200％·μm²到1,200％·μm²之间(例如，在大约250％·μm²到750％·μm²之间)。

在另一实施例中，在850纳米的波长下，对于绕15毫米的弯曲半径两圈，多模光纤的弯曲损耗小于大约0.1dB(例如，小于大约0.05dB)。

在又一实施例中，在850纳米的波长下，对于绕10毫米的弯曲半径两圈，多模光纤的弯曲损耗小于大约0.3dB(例如，小于大约0.1dB)。

在另一实施例中，在850纳米的波长下，对于绕7.5毫米的弯曲半径两圈，多模光纤的弯曲损耗小于大约0.4dB(例如，小于大约0.2dB)。

在又一实施例中，在850纳米的波长下，对于绕5毫米的弯曲半径两圈，多模光纤的弯曲损耗小于大约1dB(例如，小于大约0.3dB)。

在另一特定实施例中，在850纳米的波长下，多模光纤在24微米下的径向偏移带宽(ROB24)为至少大约5,000MHz·km，诸如至少大约10,000MHz·km(例如，至少大约15,000MHz·km)。

在又一具体实施例中，在850纳米的波长下，多模光纤的OFL带宽典型地为至少大约1,500MHz·km(例如，3,500MHz·km或更高)，更典型地为至少5,000MHz·km(例如，至少大约10,000MHz·km)。

在另一实施例中，多模光纤的数值孔径为0.2±0.015(即，0.185到0.215之间)。

在又一实施例中，在850纳米的波长下，多模光纤在0-23微米的外部掩模上的DMD值(外部DMD)典型地为小于大约0.33ps/m，更典型地为小于大约0.25ps/m(例如，小于大约0.14ps/m)。

在另一方案中，本发明包含一种光纤系统，其包括本发明的多模光纤中的一个的至少一部分。典型地，光纤系统在至少大约10Gb/s的数据传输率下的传输距离为大约100米距离。在一个实施例中，光纤系统在至少大约10Gb/s的数据传输率下的传输距离为大约300米。

在另一实施例中，本发明涉及一种多模光纤，包括：

中心纤芯，其被外包层包围，所述中心纤芯具有半径r₁并且相对于所述外包层具有阿尔法折射率分布，阿尔法折射率分布具有在大约1.9到2.1之间的阿尔法参数α；

内包层，其位于所述中心纤芯和所述外包层之间，所述内包层具有(i)外半径r₂、(ii)宽度w₂以及(iii)相对于所述外包层的折射率差Δn₂；以及

下陷沟道，其位于所述内包层和所述外包层之间，所述下陷沟道具有(i)外半径r_t、(ii)宽度w_t、(iii)相对于所述外包层的折射率差Δn_t以及(iv)大约250％·μm²到750％·μm²之间的体积v_t；

其中，所述内包层的宽度w₂与所述下陷沟道的折射率差Δn_t满足下面的不等式：

$\frac{5.6}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-2.1}+2.03\≤w_2\≤\frac{3}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-0.4}+2.$

在另一实施例中，本发明涉及一种多模光纤，包括：

中心纤芯，其被外包层包围，所述中心纤芯具有(i)半径r₁、(ii)相对于所述外包层的阿尔法折射率分布以及(iii)大约11×10^-3到16×10^-3之间的与所述外包层的最大折射率差Δn₁；

内包层，其位于所述中心纤芯和所述外包层之间，所述内包层具有(i)外半径r₂、(ii)宽度w₂以及(iii)大约-0.05×10^-3到0.05×10^-3之间的与所述外包层的折射率差Δn₂；以及

下陷沟道，其位于所述内包层和所述外包层之间，所述下陷沟道具有(i)外半径r_t、(ii)宽度w_t以及(iii)大约-15×10^-3到-3×10^-3之间的与所述外包层的折射率差Δn_t。

其中，所述内包层的宽度w₂与所述下陷沟道的折射率差Δn_t满足下面的不等式：

$\frac{5.6}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-2.1}+2.03\≤w_2\≤\frac{3}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-0.4}+2.$

上述说明性的发明内容，以及本发明的其他目的和/或优点及其实施方式，在下面的详细说明及其附图中做进一步解释。

附图说明

图1示意性地示出DMD测量方法和图形的实施例。

图2图例性地示出根据本发明的光纤的一个实施例的折射率分布。

图3图例性地示出作为内包层宽度和下陷沟道相对于外包层的折射率差的函数的在24微米的径向偏移下的带宽(ROB24)。

图4图例性地示出作为中心纤芯的阿尔法折射率分布的阿尔法参数的函数的在24微米的径向偏移下的带宽(ROB24)。

图5图例性地示出作为中心纤芯的阿尔法折射率分布的阿尔法参数的函数的满注入条件(OFL)带宽。

具体实施方式

本发明包含一种多模光纤，对于高数据速率应用，其利用减小的包层效应实现了减小的弯曲损耗和高带宽。

图2示出了根据本发明的光纤的一个实施例的折射率分布。该光纤包括中心纤芯，中心纤芯具有外半径r₁并且相对于包围中心纤芯的外包层(例如，光学外包层)具有阿尔法折射率分布(即，阿尔法折射率的分布(alpha-index profile))。典型地，纤芯具有大约25微米的半径r₁。典型地，中心纤芯和外包层之间的折射率差具有在大约11×10^-3到16×10^-3之间(例如，在大约12×10^-3到15×10^-3之间)的最大值Δn₁。典型地，中心纤芯具有阿尔法参数在大约1.9到2.1之间的阿尔法分布。在一个特定实施例中，中心纤芯具有阿尔法参数在大约2.04到2.1之间的阿尔法分布，例如，在大约2.06到2.08之间(例如，在大约2.07到2.08之间)的阿尔法分布。在另一特定实施例中，中心纤芯具有阿尔法参数在大约2.05到2.08之间(例如，在大约2.06到2.07之间)的阿尔法分布。

出于成本考虑，外包层典型地由天然石英制成，但选择性地也可以用掺杂石英制成。

光纤包括位于中心纤芯和外包层之间的内包层。在一个实施例中，内包层直接包围中心纤芯。内包层具有外半径r₂、宽度w₂并且相对于外包层具有折射率差Δn₂。典型地，内包层与外包层之间的折射率差Δn₂在大约-0.05×10^-3到0.05×10^-3之间。更典型地，如图2所示，内包层与外包层之间的折射率差Δn₂大致为零。内包层的该特性有助于实现高带宽。

典型地，光纤包括位于内包层和外包层之间的下陷沟道。举例来说，下陷沟道可以直接包围内包层。该下陷沟道具有外半径r_t、宽度w_t并且相对于外包层具有折射率差Δn_t。典型地，该下陷沟道的宽度w_t在大约3微米(μm)到5微米(μm)之间。

典型地，术语“下陷沟道”用来表示光纤的折射率基本小于外包层的折射率的径向部分。在这点上，典型地，下陷沟道与外包层之间的折射率差Δn_t在大约-15×10^-3到-3×10^-3之间，更典型地，在大约-10×10^-3到-5×10^-3之间。

一般说来，相对于外包层的折射率差也可以利用下面的等式以百分比表示：

其中，n(r)为作为径向位置的函数的相对折射率值(例如，下陷沟道的折射率n_t)，而n_包层为外包层的折射率值。普通技术人员应该理解的是，如果在光纤的给定部分上折射率变化(即，折射率作为径向位置的函数变化)或如果在给定部分上折射率恒定，则都可以使用这个等式。

普通技术人员应该理解的是，典型地，外包层具有恒定的折射率。也就是说，如果外包层具有不恒定的折射率，则利用外包层的最内部(即，外包层的预期对光信号在光纤内的传播影响最强烈的部分)的折射率来测量光纤的一部分与外包层之间的折射率差(例如，Δn₁、Δn₂、Δn_t、Δ₁％、Δ₂％或Δ_t％)。

相对于外包层的恒定折射率差还可以通过下面的等式以百分比来表示：

其中，n为相对折射率(例如，下陷沟道的折射率n_t)，而n_包层为外包层的折射率。

在此所使用的下陷沟道的体积v_t由下面的等式定义：

$v_t=2\mathrm{\π}\×{\∫}_{r_{\mathrm{int}}}^{r_t}{\mathrm{\Δ}}_t\%\left(r\right)\×r\×\mathrm{dr}$

其中，Δ_t％(r)为作为相对于外包层的径向位置的函数的以百分比表示的下陷沟道的折射率差，r_t为下陷沟道的外半径，并且r_int为下陷沟道的内半径(例如，内包层的外半径r₂)。普通技术人员应当理解的是，如果下陷沟道的折射率差变化(即，沟道为非矩形)或如果下陷沟道的折射率恒定(即，沟道为矩形)，则都可以使用该等式。

如果下陷沟道与外包层之间的折射率差恒定，则下陷沟道的体积v_t也可以由下面的等式定义：

$v_t={\mathrm{\Δ}}_t\%\×\mathrm{\π}\×(r_1^2-r_{\mathrm{int}}^2)$

其中，Δ_t％为百分比形式的下陷沟道相对于外包层的折射率差，r_t为下陷沟道的外半径，并且r_int为下陷沟道的内半径(例如，内包层的外半径r₂)。

典型地，下陷沟道的体积v_t在大约200％·μm²到1,200％·μm²之间。更典型地，下陷沟道的体积v_t在大约250％·μm²到750％·μm²之间。下陷沟道的特性有助于实现低弯曲损耗。

下陷沟道与外包层之间的折射率差Δn_t以及下陷沟道的宽度w_t应当足够高以有助于低弯曲损耗。此外，内包层的宽度w₂以及下陷沟道与外包层之间的折射率差Δn_t有助于利用减小的包层效应来实现高带宽。

就这一点来看，典型地，内包层的宽度w₂与下陷沟道和外包层之间的折射率差Δn_t满足下面的不等式：

$\frac{5.6}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-2.1}+2.03\≤w_2\≤\frac{3}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-0.4}+2.$

内包层的宽度w₂与下陷沟道的折射率差之间Δn_t的该关系式使得能够实现低弯曲损耗与高带宽二者。

例如，在850纳米的波长下，根据本发明的光纤典型地具有：(i)对于绕15毫米的弯曲半径(例如，曲率半径)两圈，小于大约0.1dB(例如，小于大约0.05dB)的弯曲损耗，(ii)对于绕10毫米的弯曲半径两圈，小于大约0.3dB(例如，小于大约0.1dB)的弯曲损耗，(iii)对于绕7.5毫米的弯曲半径两圈，小于大约0.4dB(例如，小于大约0.2dB)的弯曲损耗，以及(iv)对于绕5毫米的弯曲半径两圈，小于大约1dB(例如，小于大约0.3dB)的弯曲损耗。

本发明的光纤与传统光纤设计相比具有改善的带宽。特别地，在850纳米的波长下，本发明的光纤典型地具有大于大约5,000MHz·km的OFL带宽，更典型地，高于大约10,000MHz·km的OFL带宽。在一个实施例中，在850纳米的波长下，本发明的光纤具有至少大约15,000MHz·km(例如，大约18,000MHz·km或更高)的OFL带宽。

但是如前所述，OFL带宽并非能够用于评价光纤在高数据传输率应用中的适应性的唯一参数。就这一点来看，限制光纤中的包层效应有助于改善高数据传输率应用中的光纤性能。

光纤的包层效应可以通过设定光纤的径向偏移带宽(ROB)来确定。典型地，ROB利用DMD测量来确定，DMD测量通过注入这样的输入脉冲来获得，该输入脉冲具有(i)850纳米的波长以及(ii)5微米+/-0.5微米的空间宽度。典型地，该输入脉冲通过将光源(例如，半导体激光或掺钛蓝宝石激光)耦合到单模光纤中来获得，该单模光纤的出射面距离多模光纤的入射面10微米或更少。对于每个径向偏移，可以测量输出脉冲(即，从多模光纤的出射端射出的光脉冲)的时间分布。径向偏移X(以微米计)处的ROB用ROBX表示，通过利用在径向偏移X处注入所获得的对应于给定频率f的给定波长λ₀(例如，850纳米)的输出脉冲的时间分布的展宽和变形中所含有的信息来计算ROBX。对应于每个径向偏移，可以利用傅里叶变换和脉冲退卷积来获得传递函数H^X(f)。

就这一点来说，S_e(f)表示根据TIA-455-220-A 5.1标准测量到的输入脉冲的傅立叶变换。类似地，S_s(f，X)表示根据TIA-455-220-A 5.1标准测量到的对应于X偏移注入的输出脉冲的傅立叶变换。本领域普通技术人员将会意识到输出脉冲的傅立叶变换是频率f和径向偏移X的函数。

对于每个偏移注入X，传递函数H^X(f)可以按照如下定义：

$H^X\left(f\right)=\frac{S_s(f,X)}{S_e\left(f\right)}.$

ROBX为DMD测量中光纤对径向偏移X处的注入的响应所对应的传递函数H^X(f)的-3dB带宽。

实际上，先对-1.5dB的衰减计算带宽，之后推断-3dB衰减的带宽，假设为高斯响应，并乘以一个因子

(如同计算有效带宽的情况一样)：

$\mathrm{ROBX}=\sqrt{2}\·f_X$

以及

10·log₁₀(H^(X)(f_X))＝-1.5。

可以在FOTP-220标准中找到测量DMD和计算有效模带宽的方法的实施例。

距离光纤的中心纤芯的中心24微米径向距离处的径向偏移带宽(即，ROB24参数)良好地表征了包层效应。ROB24高代表包层效应减小。

典型地，根据本发明的光纤展现出减小的包层效应。特别是，典型地，根据本发明的光纤在850纳米的波长下的ROB24为至少大约5,000MHz·km，例如大约10,000MHz·km或更高。在一个实施例中，在850纳米的波长下，本发明的光纤的ROB24为至少大约15,000MHz·km(例如，大约20,000MHz·km或更高)。

图3图例性地示出了在850纳米的波长下光纤的一个实施例的作为内包层的宽度w₂和下陷沟道与外包层之间的折射率差Δn_t的函数的ROB24模拟测量值。左侧的y轴代表内包层的宽度w₂。x轴代表下陷沟道的折射率差Δn_t。对应于(w₂，Δn_t)对的ROB24的值示出为灰色阴影。最深的阴影对应于2GHz·km(即2,000MHz·km)的ROB24，而最浅的阴影值对应于20GHz·km(即20,000MHz·km)的ROB24。

最高的ROB24值位于曲线a之上且在曲线b之下。曲线a和曲线b由下面的函数定义：

曲线a：

并且

曲线b： $w_2=\frac{3}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-0.4}+2.$

典型地，具有位于曲线a和曲线b之间的值(w₂，Δn_t)对的光纤将显示出高于5,000MHz·km(例如，高于10,000MHz·km)的ROB24。因此，本发明的光纤显示出被最小化的包层效应并且适用于高数据传输率的应用。

光纤的包层效应也可以采用利用外部掩模(mask)获得的色散模延迟测量值来评估。例如，在0-23微米的外部掩模上的色散模延迟值(即，外部DMD)可以利用FOTP-220标准的方法来获得。就这点而言，在从中心纤芯的中心(即，0微米)到23微米的径向偏移范围内利用DMD方法来测量在0-23微米的外部掩模上的色散模延迟值。换言之，径向偏移大于23微米的信号被忽略(例如，对于半径为25微米的纤芯来说，在23到25微米之间)。外部DMD源自在750米的光纤上测量到的DMD的图。所用的光源为在850纳米下发光的脉冲掺钛蓝宝石激光。该光源发出在1/4峰高处小于40皮秒的脉冲，且RMS(均方根)谱宽小于0.1纳米。

根据本发明的光纤的一个实施例表现出改善的外部DMD延迟。特别地，在850纳米的波长下，光纤的该实施例典型地表现出小于大约0.33ps/m(例如，小于0.25ps/m，诸如小于0.14ps/m或更小)的外部DMD延迟值。

通过对比比较用光纤与根据本发明的光纤的实施例，本发明的优点将更加明显。表1(下表)示出了光纤的一个实施例与两个比较用光纤的光纤剖面参数(fiber-profile parameter)。例1和例3是比较用光纤。例2是根据本发明的光纤的一个实施例。

表1

例	a(μm)	Δn1(×10-3)	w2(μm)	Δnt(×10-3)	wt(μm)
						1	25	14	1.6	-3.5	3

2	25	14	1.4	-5.5	3
						3	25	14	0.8	-6.5	3

表1中所示的光纤具有相似的折射率分布；然而，这些光纤的内包层宽度w₂以及下陷沟道的折射率差Δn_t的值不同。第二光纤(即，例2)的内包层宽度w₂以及下陷沟道与外包层的折射率差Δn_t符合不等式：

$\frac{5.6}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-2.1}+2.03\≤w_2\≤\frac{3}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-0.4}+2.$

因而，例2的光纤可以实现低弯曲损耗和高带宽。

本发明的另外的方案示于图4至图5中。图4图例性地示出表1中的光纤(即，例1、2和3)的作为中心纤芯的阿尔法折射率分布的阿尔法参数的函数的在径向偏移24微米(ROB24)下的带宽。类似地，图5图例性地示出表1中的光纤(即，例1、2和3)的作为中心纤芯的阿尔法折射率分布的阿尔法参数的函数的OFL带宽。ROB24与OFL带宽均利用850纳米的波长来测量。

图4示出根据本发明的光纤的实施例(即，例2)具有高于5,000MHz·km的ROB24，而比较用光纤的ROB24低于5,000MHz·km。此外，根据本发明的光纤可以显示出高于10,000MHz·km甚至高于15,000MHz·km(例如，20,000MHz·km或更高)的ROB24。

图5示出根据本发明的光纤的实施例(即，例2)可以显示出高于比较用光纤的OFL带宽。特别地，例2中的光纤展现出高于15,000MHz·km的OFL带宽。

因此，本发明的光纤典型地显示出减小的包层效应。

在一个实施例中，本发明的光纤符合ITU-T建议G.651.1。光纤的这样一个实施例的纤芯直径为50微米，数值孔径为0.2±0.015(即，0.185到0.215之间)。

在一个特定实施例中，本发明的光纤符合OM3标准。因此，该光纤具有：(i)在850纳米的波长下，高于2,000MHz·km的有效模宽度EMB，(ii)在850波长的纳米下，低于0.3ps/m的外部DMD，(iii)在850纳米的波长下，高于1,500MHz·km的OFL带宽，以及(iv)在0.185到0.215之间的数值孔径。

在另一特定实施例中，本发明的光纤符合OM4标准。因此，该光纤具有：(i)在850纳米的波长下，高于4700MHz·km的有效模带宽EMB，(ii)在850波长的纳米下，低于0.14ps/m的外部DMD，(iii)在850纳米的波长下，高于3,500MHz·km的OFL带宽，以及(iv)在0.185到0.215之间的数值孔径。

在另一方案中，本发明包含一种光纤系统(例如，多模光纤系统)，其包括如根据本发明的此处所公开的光纤的至少一部分。特别地，该光学系统可以显示出减小的包层效应。

本发明的光纤可以通过由最终预成型件拉制来制造。

可以通过为初步预成型件设置外包覆层(即，包覆工艺)来制造最终预成型件。典型地，外包覆层由掺杂或无掺杂的、天然或合成的石英玻璃构成。可以使用多种方法来设置外包覆层。

在方法的第一实施例中，可以通过在热作用下使天然或合成的石英颗粒在初步预成型件的外周上沉积并玻璃化来设置外包覆层。这种工艺在例如美国专利第5,522,007、5,194,714、6,269,663以及6,202,447号中已知。

在方法的另一实施例中，可以利用可掺杂或未掺杂的石英套管来包覆初步预成型件。然后可以使这种套管熔缩到初步预成型件上。

在方法的又一实施例中，可以通过外部气相沉积(OVD)法来施加包覆层。在此，首先在初步预成型件的外周沉积疏松层，之后，使疏松层玻璃化以形成玻璃。

初步预成型件可以通过外部气相沉积技术例如外部气相沉积(OVD)以及轴向气相沉积(VAD)来制造。可选地，初步预成型件可以通过内部沉积技术来制造，在内部沉积技术中，使玻璃层沉积在掺杂或无掺杂的石英玻璃的衬底管的内表面上，内部沉积技术例如为改进化学气相沉积(MCVD)、火焰化学气相沉积(FCVD)、以及等离子体化学气相沉积(PCVD)。

举例来说，初步预成型件可以利用PCVD工艺制造，PCVD工艺可以精确地控制中心纤芯的梯度折射率分布。

例如，作为化学气相沉积工艺的一部分，可以使下陷沟道沉积在衬底管的内表面上。更典型地，下陷沟道可以这样制造(i)通过利用掺氟衬底管作为用于沉积梯度折射率中心纤芯的内部沉积工艺的起始点或(ii)通过在梯度折射率中心纤芯上套上掺氟石英管，下限沟道本身可以利用外部气相沉积工艺(例如OVD或VAD)制造。因此，由所得到的预成型件制成的组分玻璃纤维(component glass fiber)将会在其中心纤芯的外周具有下陷沟道。

如上所述，初步预成型件可以利用掺氟衬底管通过内部沉积工艺制成。可以在所得到的包含沉积层的管上套上一个或多个额外的掺氟石英套管以便增加下陷沟道的厚度，或获得在宽度上具有变化折射率的下陷沟道。虽然不是必须的，在实施包覆步骤前，可以使一个或多个额外的套管(例如，掺氟衬底管)熔缩到初步预成型件上。加套和熔缩工艺有时是指装套(jacketing)并且可以重复以在初步预成型件的外部构造多个玻璃层。

本发明的典型实施例公开于说明书和/或附图中。本发明并不限于这些实施例。术语“和/或”的使用包含了一个或更多相关的所列术语的任意和全部的组合。附图是示意性的展示，而不必按比例示出。除非另有说明，特定的术语表示通用和说明性含义，并不用于限制。

Claims (20)

1.一种多模光纤，从中心到外周包括：

中心纤芯，其具有半径r₁并且相对于外包层具有阿尔法折射率分布；

内包层，其具有外半径r₂、宽度w₂并且相对于所述外包层具有折射率差Δn₂；

下陷沟道，其具有外半径r_t、宽度w_t并且相对于所述外包层具有折射率差Δn_t；以及

外包层；

其中，所述内包层的宽度w₂与所述下陷沟道的折射率差Δn_t满足下面的不等式：

$\frac{5.6}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-2.1}+2.03\≤w_2\≤\frac{3}{1000\×\mathrm{\Δ}{n}_t-0.4}+2.$

2.如权利要求1所述的多模光纤，其中，所述中心纤芯的阿尔法折射率分布的阿尔法参数α在大约1.9到2.1之间，优选为在大约2.04到2.1之间。

3.如权利要求1所述的多模光纤，其中，所述中心纤芯相对于所述外包层的最大折射率差Δn₁在大约11×10^-3到16×10^-3之间。

4.如权利要求1所述的多模光纤，其中，所述内包层直接包围所述中心纤芯，并且所述下陷沟道直接包围所述内包层。

5.如权利要求1所述的多模光纤，其中，所述内包层的折射率差Δn₂在大约-0.05×10^-3到0.05×10^-3之间。

6.如权利要求1所述的多模光纤，其中，所述下陷沟道的折射率差Δn_t在大约-15×10^-3到-3×10^-3之间。

7.如权利要求1所述的多模光纤，其中，所述下陷沟道的宽度w_t在大约3微米到5微米之间。

8.如权利要求1所述的多模光纤，其中，所述下陷沟道的体积v_t在大约200％·μm²到1,200％·μm²之间，优选为在大约250％·μm²到750％·μm²之间。

9.如权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长下，对于绕15毫米的弯曲半径两圈，所述多模光纤的弯曲损耗小于大约0.1dB，优选为小于大约0.05dB。

10.如权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长下，对于绕10毫米的弯曲半径两圈，所述多模光纤的弯曲损耗小于大约0.3dB，优选为小于大约0.1dB。

11.如权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长下，对于绕7.5毫米的弯曲半径两圈，所述多模光纤的弯曲损耗小于大约0.4dB，优选为小于大约0.2dB。

12.如权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长下，对于绕5毫米的弯曲半径两圈，所述多模光纤的弯曲损耗小于大约1dB，优选为小于大约0.3dB。

13.如权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长下，所述多模光纤在24微米下的径向偏移带宽(ROB24)为至少大约5,000MHz·km。

14.如权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长下，所述多模光纤在24微米下的径向偏移带宽(ROB24)为至少大约10,000MHz·km，优选为至少大约15,000MHz·km。

15.如权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长下，所述多模光纤的满注入带宽为至少大约1,500MHz·km，优选为至少大约3,500MHz·km。

16.如权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长下，所述多模光纤的满注入带宽为至少大约5,000MHz·km。

17.如权利要求1所述的多模光纤，其中，所述多模光纤的数值孔径为0.2±0.015。

18.如权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长下，所述多模光纤的外部色散模延迟值(0-23微米)为小于大约0.33ps/m，优选为小于大约0.25ps/m，更优选为小于大约0.14ps/m。

19.一种光纤系统，包括如权利要求1所述的多模光纤的至少一部分。

20.如权利要求19所述的光纤系统，其中，所述光纤系统在至少大约10Gb/s的数据传输率下的传输距离为大约100米，优选地，在至少大约10Gb/s的数据传输率下的传输距离为大约300米。

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