CN102087379B - 具有减小的弯曲损耗的高带宽多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种多模光纤，该多模光纤包括一个具有阿尔法折射率分布的中央芯子、一个内包层、一个凹陷槽、以及一个外包层(例如，外部光学包层)。通常情况下，中央芯子的阿尔法折射率分布在该中央芯子的半径处具有最小的折射率，该折射率对应相对于该外包层的折射率差。该光纤实现用于高数据速率应用的减小的弯曲损耗和具有减小的包层效应的高带宽。

Description

具有减小的弯曲损耗的高带宽多模光纤

技术领域

本发明涉及光纤传输领域，尤其设计一种用于高数据速率应用的具有减小的弯曲损耗和高带宽的多模光纤。

背景技术

光纤(即通常由一个或多个覆盖层包围的玻璃纤维)通常包括一个光纤核心和一个光包层，该光纤核心传输和/或放大光信号，该光包层将光信号限定在该核心内。因此，该核心的折射率n_c通常大于该光包层的折射率n_g(即n_c＞n_g)。

对于光纤，折射率分布一般是按将折射率与光纤的半径联系在一起的函数的图形外观分类。照惯例，到光纤的中心的距离r显示在x轴上，折射率(在半径R)与光纤的外包层(例如，外部光学包层)的折射率之间的差显示在y轴上。折射率分布被称为“骤变”分布、“梯形”分布、“阿尔法”分布、或“三角”分布，各自具有台阶、梯形、阿尔法、或三角的形状。这些曲线一般表示光纤的理论或配置分布。然而，在光纤制造中的约束可能会导致稍微不同的实际分布。

一般来说，光纤的两个主要类别有：多模光纤和单模光纤。在多模光纤中，对于给定的波长，多种光学模式同时沿光纤传播，而在单模光纤中，高阶模式强烈衰减。单模或多模玻璃纤维的典型直径为125微米。多模光纤的核心直径通常在约50微米与62.5微米之间，而单模光纤的核心的直径通常在约6微米与9微米之间。由于可以以较低的成本获得多模光源、连接器和维护，因此多模系统通常比单模系统便宜。

多模光纤通常用于需要较宽的带宽的短距离应用，如本地网络或本地局域网(local area network，LAN)。多模光纤已经是ITU-T G.651.1建议的国际标准化的主体，这些建议特别限定了有关要求光纤兼容性的准则(例如带宽、数值孔径、核心直径)。

此外，OM3标准已被采纳以满足经过远距离(即距离大于300米)的高带宽应用(即数据速率超过1千兆)的需求。随着高带宽应用的发展，多模光纤的平均核心直径已经从62.5微米减少至50微米。

通常，光纤应具有尽可能宽的带宽以在高带宽应用中表现良好。对于一个给定波长，光纤的带宽可以从几个不同的方面描述。通常情况下，所谓的“过满注入”情况(overflow launch，OFL)带宽和所谓的“有效模带宽”情况(effective modal bandwidth，EMB)之间存在区别。获取OFL带宽使用在光纤的整个径向表面显示出均匀激发的光源(例如，使用激光二极管或发光二极管(LED))。

最近开发的在高带宽应用中使用的光源，如垂直空腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，在光纤的径向表面显示出不均匀激发。对于这种光源，OFL带宽是不太合适的测量，所以最好使用有效模带宽(EMB)。计算出的有效模带宽(calculated effective Modalbandwidth，EMBc)估计出独立于使用的VCSEL种类的多模光纤的最小EMB。该EMBc从差分式延迟(differential-mode-delay，DMD)测量(例如，载于FOTP-220标准中)中获得。

一种测量DMD和计算有效模带宽的方法实施例可以在FOTP-220标准中找到。这个技术的详情记载于以下出版物：P.F.科莱萨尔(Kolesar)和D.J.马扎雷塞(Mazzarese)，“了解多模带宽和差分式延迟测量及其应用(Understanding Multimode Bandwidth and Differential Mode DelayMeasurements and Their Applications)”，第51次国际电线电缆研讨会，第453-460页；以及D.科尔曼(Coleman)和菲利普贝尔(Philip Bell)，“计算的EMB增强用于激光优化50/125μm多模光纤的10GbE性能可靠性”，康宁光缆系统白皮书。

图1显示了一个根据其2002年11月22日的TIA SCFO-6.6版本中出版的FOTP-220标准的准则的DMD测量的示意图。图1示意地表示出部分学纤(即由外包层包围的光核心)。通过在多模光纤中连续注入光脉冲获得DMD图形，该光脉冲具有给定波长λ₀，每个相继脉冲之间具有径向偏移。在给定纤维长度L后测量每个脉冲的延迟。相对于多模光纤的核心的中心不同的径向偏移注入多个相同的光脉冲(即具有相同的振幅、波长和频率的光脉冲)。注入的光脉冲在图1中被描绘为光纤的光核心上的一个黑点。为了描述具有50微米直径的光纤，FOTP-220标准建议至少进行24个单一测量(即在24个不同的径向偏移值)。从这些测量中可以确定模色散和计算的有效模带宽(EMBc)。

TIA-492AAAC-A标准规定了在以太网高带宽传输网络应用中远距离使用的50微米直径多模光纤的性能要求。OM3标准要求在850纳米的波长处，至少2,000MHz·km的EMB。OM3标准确保10Gb/秒(10GbE)的数据速率长达300米距离的无差错传输。OM4标准要求在850纳米的波长处，至少为4700MHz·km的EMB以便获得10Gb/秒(10GbE)的数据速率长达550米距离的无差错传输。

在多模光纤中，沿着光纤的几种模式的传播时间(propagation times)或群延迟时间(group delay times)之间的差决定光纤的带宽。特别地，对于相同的传播介质(即在阶跃式折射率(step-index)多模光纤中)，不同的模式有不同的群延迟时间。这种在群延迟时间的差导致沿着光纤的不同径向偏移传播的脉冲之间的时间间隔。

举例来说，如在图1的右边所示的图中，可以观察到单个脉冲之间的时间间隔。图1按照以微米表示的其径向偏移(y轴)和以纳秒表示的该脉冲传播给定长度的光纤所需的时间(x轴)用图形描绘各个单个脉冲。

如图1所描述的，峰值的位置沿x轴变化，这表明了单个脉冲之间的时间间隔(即延时)。这种延迟导致所产生的光脉冲变宽。光脉冲变宽增加了该脉冲叠加到一个尾波上的风险，降低了光纤支持的带宽(即数据速率)。因此该带宽直接与光纤的多模核心中传播的光学模式的群延迟时间有关。因此，要保证宽带，希望所有模式的群延迟时间相同。换句话说，对于给定波长，模间色散(intermodal dispersion)应为零，或至少最小化。

为了减小模间色散，电信使用的多模光纤一般具有一个从光纤的中心到其具有包层的表面折射率逐渐减小的核心(即“阿尔法”核心图)。这种光纤已使用了很多年，其特点已经在由D.Gloge等、贝尔系统技术期刊(Bell system Technical Journal)1973，第1563-1578页“梯度光纤的多模理论(Multimode Theory of Graded-Core Fibers)”中描述并在由G.Yabre，光波技术杂志(Journal of Lightwave Technology)，2000年2月，第2期第18卷，第166-177页“渐变折射率光学纤维中的色散的综合理论研究(Comprehensive Theory of Dispersion in Graded-Index Optical Fibers)”中总结。

一个渐变折射率(graded-index)分布(即阿尔法折射率(alpha-index)分布)可以用一个折射率值n和离光纤的中心的距离r之间的关系按下列公式描述：

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

其中

α≥1，α是一个无量纲参数，其表示折射率分布的形状；

n₁是光纤的核心的最大折射率；

a是光纤的纤芯半径；以及

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

其中，n₀是多模核心的最小折射率，其可以与外包层的折射率对应(常用硅制成)。

因此，具有渐变折射率(即阿尔法折射率分布)的多模光纤有一个旋转对称的核心分布，使得沿光纤的任意径向，折射率的值从光纤的核心的中心到其外围不断减小。当多模光信号在这样一个渐变折射率核心中传播时，不同的光学模式经历不同的传播介质(即因为不同的折射率)。反过来，这又有区别地影响到每个光模式的传播速度。因此，通过调整参数α的值，则可以获得一个群延迟时间，该群延迟时间对于所有模式几乎都相等。换句话说，可以修改折射率分布以减少甚至消除模间色散。

然而，在实践中，制成的多模光纤有一个被常数折射率的外包层包围的渐变折射率的中央芯子。该核心外包层的界面中断了该核心的阿尔法折射率分布。因此，多模光纤的核心从来没有对应一个理论上完美的阿尔法分布(即阿尔法配置分布)。就低阶模式而言，外包层加快了高阶模式。这种现象被称为“外包层效应”。在DMD测量中，为最高的径向位置(即最靠近外包层)获得的响应显示出多个脉冲，这造成响应信号的时间展宽。因此，通过这种外包层效应减小了带宽。

多模光纤通常用于需要较宽带宽的短距离应用，如本地局域网(LAN)。在这种应用中，光纤可能会受到意外或其他非故意弯曲，这可以修改光纤的模态能量分布和带宽。

因此，希望获得多模光纤，该多模光纤不受具有小于10毫米曲率半径的弯曲的影响。一个建议的解决方案涉及在核心和包层之间增加一个凹陷槽(depressed trench)。但是，槽的位置和深度的能显著影响光纤的带宽。

日本专利公布号JP 2006/47719A公开了在其包层具有凹陷槽的渐变折射率光纤。但是，公开的光纤显示出高于期望值的弯曲损耗和相对低的带宽。此外，没有提及公开的光纤的包层效应。

国际公布号WO-A-2008/085851公开了一种在其包层具有凹陷槽的渐变折射率光纤。然而，公开的光纤显示出相对较低的带宽，并且没有提及其包层效应。

美国专利申请公布号2009/0154888公开了一种在其包层具有凹陷槽的渐变折射率光纤。然而，公开的光纤显示出相对较低的带宽，并且没有提及其包层效应。

欧洲专利号EP 0131729公开了一种在其包层具有凹陷槽的渐变折射率光纤。根据该专利，为了获得高带宽，渐变折射率的核心的末端与该凹陷槽的始端之间的距离应在2微米和0.5微米之间。然而，公开的光纤显示出比期望值高的弯曲损耗。此外，没有提及公开的光纤的包层效应。

因此，需要存在一种渐变折射率多模光纤，对于高速数据速率应用，该光纤具有减小的弯曲损耗并具有减小的包层效应的高带宽。

发明内容

因此，在一方面，本发明包括一种光纤，该光纤包括一个中央芯子、一个内包层、一个凹陷槽和一个外包层(例如：外部光学包层)。通常情况下，该中央芯子是基于玻璃的中央芯子，该基于玻璃的中央芯子具有阿尔法折射率分布(即渐变折射率分布)和半径r₁。中央芯子的阿尔法折射率分布在该中央芯子的半径r₁处具有最小的折射率，该最小的折射率与相对于该外包层的折射率差Δn_end对应。换句话说，该中央芯子具有半径r₁和阿尔法折射率分布、以及在该中央芯子的半径为r₁处相对于该外包层的折射率差Δn_end。

该光纤的内包层位于该中央芯子和该外包层之间。该内包层具有半径r₂、宽度w₂、以及相对于该外包层的折射率差Δn₂。

该光纤的凹陷槽位于该内包层和该外包层之间。该凹陷槽具有半径r_out、宽度w₃、以及相对于所述外包层的折射率差Δn₃。

换言之，本发明涉及一种多模光纤，从中心到外围包括：-一个中央芯子，具有半径r₁、阿尔法折射率分布、以及在所述半径r₁处相对于外包层的大于约-1×10^-3的负折射率差Δn_end；一个内包层，具有半径r₂、宽度w₂、以及相对于所述外包层的折射率差Δn₂；以及-一个凹陷槽，具有半径r_out、宽度w₃、相对于所述外包层的约-15×10^-3和-3×10^-3之间的折射率差Δn₃，以及(iv)体积v₃；；以及所述外包层。

换言之，本发明涉及一种多模光纤，包括：一个中央芯子，具有(i)半径r₁、(ii)阿尔法折射率分布、以及(iii)在所述半径r₁处相对于外包层的大于约-1×10^-3的负折射率差Δn_end；一个内包层，位于所述中央芯子和所述外包层之间，所述内包层具有(i)半径r₂、(ii)宽度w₂、以及(iii)相对于所述外包层的折射率差Δn₂；以及一个凹陷槽，位于所述内包层和所述外包层之间，所述凹陷槽具有(i)半径r_out、(ii)宽度w₃、(iii)相对于所述外包层的约-15×10^-3和-3×10^-3之间的折射率差Δn₃，以及(iv)体积v₃。

该另一实施例中，该中央芯子的阿尔法折射率分布具有1.9和2.1之间的阿尔法参数。

在又一实施例中，该中央芯子具有相对于所述外包层的大于11×10^-3和18×10^-3之间的最大折射率差Δn₁。

在又一实施例中，该中央芯子具有相对于所述外包层的约13×10^-3和16×10^-3之间的最大折射率差Δn₁。

在又一实施例中，该中央芯子的折射率差Δn_end是负的，通常在-1×10^-3和0之间(例如在约-0.7×10^-3和-0.3×10^-3之间)。

在另一实施例中，该凹陷槽的折射率差Δn₃在-15×10^-3和-3×10^-3之间。

在又一实施例中，该内包层的折射率差Δn₂和所述凹陷槽的折射率差Δn₃满足以下不等式：

1000×Δn₃＜-1.29×(1000×Δn₂)²-1.64×1000×Δn₂-2.51。

在又一实施例中，所述内包层的折射率差Δn₂和所述凹陷槽的折射率差Δn₃满足以下不等式：

-1.89×(1000×Δn₂)²-7.03×(1000×Δn₂)-9.91＜1000×Δn₃；以及

1000×Δn₃＜-1.53×(1000×Δn₂)²-3.34×1000×Δn₂-4.25。

在又一实施例中，所述内包层的折射率差Δn₂的绝对值在约0.2×10^-3和2×10^-3之间。

在又一实施例中，所述内包层的宽度w₂在约0.5微米和2微米之间。

在又一实施例中，所述凹陷槽的折射率差Δn₃在约-10×10^-3和-5×10^-3之间。

在又一实施例中，所述凹陷槽的宽度w₃在约3微米和6微米之间。优选在3微米和5微米之间。

在又一实施例中，所述凹陷槽的半径r_out为约32微米或小于32微米。

在又一实施例中，所述凹陷槽的半径r_out为约30微米或小于30微米。

在又一实施例中，所述凹陷槽的体积v₃在约200％·μm²和1,200％·μm²之间。

在又一实施例中，所述凹陷槽的体积v₃在约250％·μm²和750％·μm²之间。

在又一实施例中，对于波长为850纳米、弯曲半径约为15毫米的两个弯曲，该光纤的弯曲损耗小于0.1dB。

在又一实施例中，对于波长为850纳米、弯曲半径约为15毫米的两个弯曲，该光纤的弯曲损耗小于0.05dB。

在又一实施例中，对于波长为850纳米、弯曲半径约为10毫米的两个弯曲，该光纤的弯曲损耗小于0.3dB。

在又一实施例中，对于波长为850纳米、弯曲半径约为10毫米的两个弯曲，该光纤的弯曲损耗小于0.1dB。

在又一实施例中，对于波长为850纳米、弯曲半径约为7.5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.4dB(例如小于0.2dB)。

在又一实施例中，对于波长为850纳米、弯曲半径约为7.5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.1dB(例如小于0.05dB)。

在又一实施例中，对于波长为850纳米、弯曲半径约为7.5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.04dB(例如小于0.01dB)。

在又一实施例中，对于波长为850纳米、弯曲半径约为5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于1dB。

在又一实施例中，对于波长为850纳米、弯曲半径约为5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.3dB。

在又一实施例中，对于波长为850纳米、弯曲半径约为5.5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.1dB。

在又一实施例中，该光纤具有最小约1,500MHz·km的过满注入(OFL)带宽。

在又一实施例中，该光纤具有最小约3,500MHz·km的过满注入(OFL)带宽。

在又一实施例中，该光纤具有在0.185和0.215之间的数值孔径(NA)。

在又一实施例中，该光纤具有小于0.33ps/m的外部DMD值，优选小于0.25ps/m，更优选小于0.14ps/m。

在又一实施例中，所述中央芯子的半径r₁为25±1.5微米；以及在850纳米的波长处，该光纤具有小于约0.14ps/m的外部DMD值(0-23微米)。

在一个特定实施例中，本发明涉及一种多模光纤，包括：一个中央芯子，具有(i)半径r₁、(ii)阿尔法折射率分布、以及(iii)在所述半径r₁处相对于外包层的大于约-1×10-3的负折射率差Δn_end；一个内包层，位于所述中央芯子和所述外包层之间，所述内包层具有(i)半径r₂、(ii)宽度w₂、以及(iii)相对于所述外包层的折射率差Δn₂；以及一个凹陷槽，位于所述内包层和所述外包层之间，所述凹陷槽具有(i)半径r_out、(ii)宽度w₃、(iii)相对于所述外包层的约-15×10^-3和-3×10^-3之间的折射率差Δn₃，以及(iv)体积v₃；其中所述内包层的折射率差Δn₂和所述凹陷槽的折射率差Δn₃满足以下不等式：

1000×Δn₃＜-1.29×(1000×Δn₂)²-1.64×1000×Δn₂-2.51。

在一个实施例中，所述中央芯子的半径r₁在约23.5微米和26.5微米之间；以及在850nm的波长处，该光纤具有小于约0.25ps/m的外部DMD值(0-23微米)。

在一个特定实施例中，本发明涉及一种多模光纤，包括：一个中央芯子，具有(i)半径r₁、(ii)阿尔法折射率分布、以及(iii)在所述半径r₁处相对于外包层的大于约-1×10^-3的负折射率差Δn_end；一个内包层，位于所述中央芯子和所述外包层之间，所述内包层具有(i)半径r₂、(ii)宽度w₂、以及(iii)相对于所述外包层的折射率差Δn₂；以及一个凹陷槽，位于所述内包层和所述外包层之间，所述凹陷槽具有(i)半径r_out、(ii)宽度w₃、(iii)相对于所述外包层的约-15×10^-3和-3×10^-3之间的折射率差Δn₃，以及(iv)体积v₃；其中所述内包层的折射率差Δn₂和所述凹陷槽的折射率差Δn₃满足以下不等式：

-1.89×(1000×Δn₂)²-7.03×(1000×Δn₂)-9.91＜1000×Δn₃；及

1000×Δn₃＜-1.53×(1000×Δn₂)²-3.34×1000×Δn₂-4.25。

在另一实施例中，本发明包括一种光传输系统，该光传输系统包括根据上述光纤的一部分。

在一个实施例中，该光系统经过约100米(例如300米)的距离具有至少10Gb/s的数据速率。

上述说明的概要，以及该发明的其他目标和/或优势，完成相同的目标和/或优势所用的方式在下面的详细说明书及其附图中进一步解释。

附图说明

图1示意性地描绘了一个DMD测量方法和图形的例子。

图2图形描述了根据本发明的光纤实施例的折射率分布。

具体实施方式

本发明包括一种多模光纤，该多模光纤获得减小的弯曲损耗和具有减小的包层效应的高带宽。本多模光纤特别适用于高数据速率应用。

如上所述，图2用图形描述了根据本发明的光纤实施例的折射率分布。该光纤包括一个中央芯子，该中央芯子被外包层(例如外部光包层)包围。由于成本原因，该外包层通常由天然硅制成，但它也可以由掺杂硅制成。该中央芯子具有半径r₁、相对于该外包层的折射率差Δn₁、以及阿尔法折射率分布。该中央芯子的阿尔法折射率分布在该中央芯子的半径r₁处具有最小的折射率，该半径r₁对应相对于该外包层的折射率差Δn_end。换句话说，在该中央芯子的半径r₁处，该中央芯子具有相对于外包层的折射率差Δn_end。

通常情况下，该中央芯子的阿尔法折射率分布在该中央芯子的半径r₁处具有最小的折射率值，该折射率值小于该外包层的折射率。因此，当表示为与外包层的折射率差时(例如，n_core(r₁)-n_cladding)，Δn_end为负的。在一个实施例中，该中央芯子的折射率差Δn_end(即在该中央芯子的阿尔法分布的末端)大于约-1×10^-3并且小于0。换句话说，相对于外包层，该中央芯子具有大于约1×10^-3的负的折射率差Δn_end。

在一个典型的实施例中，该中央芯子的半径r_1约为25微米。该中央芯子相对于该外包层的最大折射率差通常在约11×10^-3和18×10^-3之间(例如，13×10^-3和16×10^-3之间)。此外，该中央芯子的阿尔法折射率分布的阿尔法参数通常在约1.9和2.1之间。

该光纤包还包括一个内包层，位于该中央芯子和该外包层之间(例如，直接围绕该中央芯子)。该内包层具有半径r₂、宽度w₂、和相对于该外包层的折射率差Δn₂。

在一些实施例中，该内包层的折射率差Δn₂相对于该内包层的宽度w₂为常量。该内包层的折射率差Δn₂的绝对值(即|Δn₂|)通常大于0.2×10^-3并小于2×10^-3。该内包层的宽度w₂在约0.5微米和2微米之间。

凹陷槽通常位于该内包层和该外包层之间(例如，直接围绕该内包层)。该凹陷槽具有宽度w₃、半径r_out、和相对于外包层的折射率差Δn₃。

通常情况下，术语“凹陷槽”用于描述光纤的径向部分，该凹陷槽具有显著小于该外包层的折射率的折射率。该凹陷槽的折射率差Δn₃通常在约-15×10^-3和-3×10^-3之间(例如，在-10×10^-3和-5×10^-3之间)。该凹陷槽的宽度w₃通常在约3微米和5微米之间。

一般来说，折射率差也可以表示为使用以下等式的百分比：

$\mathrm{\Δ}\%\left(r\right)=\frac{100\×(n{\left(r\right)}^2-{n_{\mathrm{cladding}}}^2)}{2n{\left(r\right)}^2}$

其中n(r)是作为径向位置的函数的相对折射率值(例如，凹陷槽的折射率n₃，n_cladding是该外包层的折射率值。本领域普通技术人员会认识到，如果该折射率关于该光纤的给定部分变化时(即折射率值作为径向位置的函数而变化)或者如果该折射率关于给定部分为常量时可以使用这个等式。

本领域普通技术人员会认识到，该外包层通常具有一个恒定的折射率。这就是说，如果该外包层具有一个非固定的折射率，通常相对于该外包层的最内部的部分(即最接近该中央芯子并且可以影响该光纤中的光信号传播的外包层的那部分)测量折射率。

相对于外包层的常数折射率差也可以表示为使用以下等式的百分比：

$\mathrm{\Δ}\%=\frac{100\×(n^2-{n_{\mathrm{cladding}}}^2)}{2n^2}$

其中n是相对折射率值(例如，凹陷槽的折射率n_t)，n_cladding是外包层的折射率值。

本文中所使用的凹陷槽的体积V由下面的等式定义：

$v=2\mathrm{\π}\×\underset{r_{\mathrm{int}}}{\overset{r_{\mathrm{ext}}}{\∫}}\mathrm{\Δ}\%\left(r\right)\×r\×\mathrm{dr}$

其中r_ext和r_int分别是该凹陷槽的内径和外径，Δ％(r)是用百分比表示的该凹陷槽相对于该外包层的折射率差。本领域普通技术人员会认识到这个方程在非矩形和矩形槽的情况下都可以使用。

如果凹陷槽具有矩形形状(即阶跃式折射率分布)，该等式(以上)可以简化为如下等式：

v＝Δ％×π×(r_ext ²-r_int ²)

其中r_ext和F_int分别是该凹陷槽的内径和外径，Δ％是用百分比表示的该凹陷槽相对于该外包层的折射率差。

因此，在一个包括直接围绕内包层的凹陷槽的光纤实施例中，该凹陷槽具有由下列等式定义的体积v₃：

v₃＝Δ₃％×π×(r_out ²-r₂ ²)或

$v_3=2\mathrm{\π}\×\underset{r_2}{\overset{r_{\mathrm{out}}}{\∫}}{\mathrm{\Δ}}_3\%\left(r\right)\×r\×\mathrm{dr}.$

该凹陷槽的体积v₃通常在约200％μm²和1200％·μm²之间(例如，在250％μm²和750％μm²之间)。一般而言，第二种凹陷槽的特点便于实现低的弯曲损耗。

在一个实施例中，该内包层的折射率差Δn₂和该凹陷槽的折射率差Δn₃满足以下不等式：

1000×Δn₃＜-1.29×(1000×Δn₂)²-1.64×1000×Δn₂-2.51。

没有受限于任何特定的理论，本发明人发现了该内包层的折射率差Δn₂和该凹陷槽的折射率差Δn₃之间的关系实现了低的弯曲损耗，同时保持了高带宽。

在一些实施例中，在850纳米的波长处，对于绕过15毫米的弯曲半径的两个弯曲，该光纤具有小于0.1dB(例如小于0.05dB)的弯曲损耗；对于绕过10毫米的弯曲半径的两个弯曲，该光纤具有小于0.3dB(例如小于0.1dB)的弯曲损耗；对于绕过7.5毫米的弯曲半径的两个弯曲，该光纤具有小于0.4dB(例如小于0.2dB)的弯曲损耗；以及对于绕过5毫米的弯曲半径的两个弯曲，该光纤具有小于1dB(例如小于0.3dB)的弯曲损耗。

通常情况下，本光纤具有比现有技术更高的带宽。尤其在850纳米的波长处，该光纤可以具有至少1500MHz·km的OFL带宽，如6000MHz·km或更高。更典型地，该光纤显示出至少10,000MHz·km的OFL带宽。

然而，如前所述，OFL带宽不是用于评估光纤适用于高数据速率应用的唯一参数。为了改善用于高数据速率应用的光纤性能，减少光纤中(例如在核心-包层的界面处)的包层效应也很重要。

也可以使用采用外部掩模获取的差分式延时的测量评估光纤的包层影响。例如，对于一个50微米的中央芯子(即50±3微米的中央芯子直径或25±1.5微米的中央芯子半径)，该外部掩模上的差分式延迟值0-23微米可以使用FOTP-220标准的方法获得。在这方面，从该中央芯子的中心(即0微米)到23微米的径向偏移范围内使用DMD方法测量该外部掩模上的差分式延迟值0-23微米。换言之，在计算光纤的外部DMD值时，不考虑径向偏移值大于23微米的信号。本领域普通技术人员会认识到，对于更大的或更小的核心直径，可以修改外部掩模的尺寸。例如对于具有62.5微米直径的核心的多模光纤，可以使用具有更大直径(例如，更大内径和外径)的掩模。同样，对于具有小于50微米的核心的多模光纤，可以使用具有更小尺寸的掩模(例如，一个更小的内径和外径)。

外部DMD来源于在750米的光纤上测量的DMD图中。使用的光源可以是一个脉冲触发的Ti：蓝宝石激光器在850纳米发射的光。该光源发射在四分之一的高度小于40ps的脉冲，RMS(均方根)谱宽小于0.1纳米。

一种根据本发明的光纤的实施例显示出改善的外部DMD延迟。特别是，在850纳米的波长处，该光纤的实施例通常显示出小于约0.33ps/m(例如，低于0.25ps/m)的外部DMD值。更典型地，该光纤实施例显示出0.14ps/m或更小的DMD值。

在一些实施例中，采用具有小的外径r_out的凹陷槽的光纤具有高带宽和改善的弯曲损耗。光纤的折射率分布使其可以使用高的凹陷槽的体积v₃，同时限制中央芯子、内包层和凹陷层的相加的宽度。换句话说，由于凹陷槽的体积，光纤的折射率分布实现高带宽和低的弯曲损耗，但通常保持一个较小的凹陷槽外径r_out。

本领域普通技术人员会认识到，当光纤从光纤预制棒制造而成时，外径r_out越小，拉丝后可以获取的光纤的长度越长。换言之，该凹陷槽的外径r_out越小，一个光纤预制棒生产的光纤越多。此外，当外径r_out较小时，更容易监测该中央芯子的阿尔法折射率分布的质量。因此，光纤生产成本得以降低，而光纤生产速度得以提高。

在一些实施例中，凹陷槽的外径r_out约为32微米或更小(例如，30微米或更小)。此外，在850纳米的波长处，对于7.5毫米的弯曲半径附近的两个弯曲，光纤实施例显示出0.1dB或更小(例如，0.01dB或更小)的弯曲损耗；以及0.1ps/nm或更小(例如，0.06ps/nm或更小)的外部DMD延迟。因此，光纤实施例使实现具有有限外径r_out的低的弯曲损耗和高带宽成为可能。此外，该光纤实施例有利于降低生产成本和提高生产率。

根据另一实施例，根据本发明的光纤符合OM3标准。尤其在850纳米的波长处，该光纤具有(i)大于2000MHz·km的有效模带宽(effectivemodal bandwidth，EMB)，(ii)小于0.3ps/m的模色散外部DMD延迟，(iii)大于1,500MHz·km的OFL带宽；以及(iv)0.185和0.215之间的数值孔径。

在一个实施例中，该内包层的折射率差Δn₂和该凹陷槽的折射率差Δn₃满足以下两个不等式：

-1.89×(1000×Δn₂)²-7.03×(1000×Δn₂)-9.91＜1000×Δn₃；以及

1000×Δn₃＜-1.53×(1000×Δn₂)²-3.34×1000×Δn₂-4.25。

本实施例的光纤具有至少约4,700MHz·km(例如，至少6,000MHz·km，如10,000MHz·km)的低弯曲损耗的带宽。此外，本实施例的光纤通常符合OM4标准。尤其在850纳米的波长处，该光纤具有(i)至少4,700MHz·km的有效模带宽(effective modal bandwidth，EMB)，(ii)小于0.14ps/m的模色散外部DMD延迟，(iii)大于3,500MHz·km的OFL带宽；以及(iv)0.185和0.215之间的数值孔径。

在表1给定的光纤分布实施例的帮助下，本发明将得到更好的理解。表1(下)显示了根据本发明的光纤实施例的模拟光纤分布参数和性能特点。

表1

表1第一列提供了每个光纤实施例的参考编号。第二列和第三列分别显示了内包层的宽度w₂和凹陷槽的宽度w₃。第四列和第五列分别显示了内包层的折射率差Δn₂和凹陷槽的折射率差Δn₃。第六列显示了用百分比表示的凹陷槽的折射率差Δ₃％。第七列显示了凹陷槽的体积v₃。最后四列显示外部DMD延迟和在850纳米处的OFL带宽，在850纳米处绕过5毫米的弯曲半径的两个弯曲的弯曲损耗，在850纳米处绕过7.5毫米的弯曲半径的两个弯曲的弯曲损耗。

示范光纤1和2具有负的内包层折射率差Δn₂。示范光纤3到11具有正的内包层折射率差Δn₂。实例1到11表明，增加凹陷槽的体积v₃将5毫米弯曲半径的弯曲损耗减小到0.041dB，将7.5毫米弯曲半径的弯曲损耗减小到0.008dB。此外，外部DMD延迟和OFL带宽不会受到不利的影响。因此，调整内包层的折射率差Δn2和凹陷槽的折射率差Δn3减小了弯曲损耗，同时保留了约0.06的ps/m的外部DMD延迟和高于13200MHz·km的OFL带宽。

根据一个实施例，本发明的光纤符合ITU-T建议G.651.1。因此，它有一个50微米直径的中央芯子(即，25微米的中央芯子半径r₁)和/或0.2±0.015的数值孔径。

在另一方面，本发明包括一种多模光纤系统，该多模光纤系统包括至少一部分光纤，该光纤与根据本发明在本文中公开的一样。特别是，该光学系统经过至少100米(例如300米)可以表现出至少10GB/s的数据速率。

本光纤可以通过从最后预制棒中拉丝制成。

可以通过提供具有外过度包层(即外过度包过程)的初级预制棒制成最后预制棒。该外过度包层通常由掺杂或无掺杂的、天然或合成的硅玻璃组成。几种方法可以用于提供该外过度包层。

在第一个方法实施例中，可以通过在加热的影响下在初级预制棒的外表面沉淀和玻璃化天然或合成的硅颗粒提供该外过度包层。这样一个过程是已知的，例如，从美国专利号5,522007、5,194714、6,269663、和6,202447中。

在另外一个方法实施例中，初级预制棒使用硅套筒过度外包，该硅套筒可以掺杂或可以不掺杂。然后这个硅套筒塌陷到该初级预制棒上。

在又一个方法实施例中，可以通过外部汽相沉积法(Outside VaporDeposition，OVD)铺在表面。在这里，一个烟熏层首先沉积在初级预制棒的外表面，然后该煤烟层被玻璃化成玻。

该初级预制棒可以通过外汽相沉积技术制成，如外部汽相沉积法(Outside Vapor Deposition，OVD)和汽相轴向沉积法(Vapor AxialDeposition，VAD)。可选地，该初级预制棒可以通过内部沉积技术制成，在该内部沉积技术中，玻璃层被沉积在掺杂或无掺杂的硅玻璃的基底管的内表面上，如改进的化学汽相沉积法(Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD)、加热炉化学汽相沉积法(Furnace Chemical Vapor Deposition，FCVD)和等离子化学汽相沉积法(Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD)。

通过举例的方式，可以使用PCVD过程制造处理预制棒，该方法可以精确地控制中央芯子的梯度(gradient)折射率分布。

例如，可以在基底管的内表面上沉积一个凹陷槽作为化学汽相沉积过程的一部分。更典型地，凹陷槽可以(i)通过使用掺氟基底管作为用于沉积梯度折射率中央芯子的内部沉积过程的起点或(ii)通过给在梯度折射率中央芯子上方的掺氟硅管装套筒，这本身可以使用外部沉积过程(例如，OVD法或VAD法)制作。因此，由合成的预制管制成的合成玻璃纤维具有在位于其中央中心的外围的凹陷槽。

如上所述，沉积预制棒可以使用掺氟基底管通过内部沉积过程制成。可以给包含沉积层的生成管外套装一个或多个额外的掺氟硅管，以增加凹陷槽的厚度，或者以在其宽度上方创建一个具有可变折射率的凹陷槽。虽然不是必需的，一个或多个额外的套筒管(例如，掺氟基底管)可以在执行外包步骤之前塌陷在该初级预制管上。装套筒和塌陷的过程有时被称为加外罩，并且可以重复以在该初级预制管的外侧建立几个玻璃层。

在说明书和/或图中，已经公开了本发明的典型实施例。本发明不仅限于这些实施例。术语“和/或”包括一个或多个关联的列表项目的任意和所有组合。这些图是示意图，因此并不一定按比例绘制。除非另有说明，从一般和叙述意义上说使用具体术语，而不是为了限制。

Claims (32)

1.一种多模光纤，从中心到外围包括：

一个中央芯子，具有半径r₁、阿尔法折射率分布、以及在所述半径r₁处相对于外包层的大于-1×10^-3的负折射率差Δn_end，所述阿尔法折射率分布在该半径r₁处具有最小的折射率；

一个内包层，具有半径r₂、宽度w₂、以及相对于所述外包层的折射率差Δn₂，所述内包层的折射率差Δn₂的绝对值在0.2×10^-3和2×10^-3之间；以及

一个凹陷槽，具有半径r_out、宽度w₃、相对于所述外包层的-15×10^-3和-3×10^-3之间的折射率差Δn₃，以及体积v₃；以及

所述外包层。

2.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述中央芯子的阿尔法折射率分布具有1.9和2.1之间的阿尔法参数。

3.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述中央芯子具有相对于所述外包层的11×10^-3和18×10^-3之间的最大折射率差Δn₁。

4.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述中央芯子具有相对于所述外包层的13×10^-3和16×10^-3之间的最大折射率差Δn₁。

5.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述内包层的折射率差Δn₂和所述凹陷槽的折射率差Δn₃满足以下不等式：

1000×Δn₃<-1.29×(1000×Δn₂)²-1.64×1000×Δn₂-2.51。

6.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述内包层的折射率差Δn₂和所述凹陷槽的折射率差Δn₃满足以下不等式：

-1.89×(1000×Δn₂)²-7.03×(1000×Δn₂)-9.91<1000×Δn₃；以及

1000×Δn₃<-1.53×(1000×Δn₂)²-3.34×1000×Δn₂-4.25。

7.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述内包层的宽度w₂在0.5微米和2微米之间。

8.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述凹陷槽的折射率差Δn₃在-10×10^-3和-5×10^-3之间。

9.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述凹陷槽的宽度w₃在3微米和5微米之间。

10.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述凹陷槽的半径r_out为32微米或小于32微米。

11.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述凹陷槽的半径r_out为30微米或小于30微米。

12.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述凹陷槽的体积v₃在200％·μm²和1,200％·μm²之间。

13.根据权利要求1所述的多模光纤，其中所述凹陷槽的体积v₃在250％·μm²和750％·μm²之间。

14.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为15毫米的两个弯曲，该光纤的弯曲损耗小于0.1dB。

15.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为15毫米的两个弯曲，该光纤的弯曲损耗小于0.05dB。

16.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为10毫米的两个弯曲，该光纤的弯曲损耗小于0.3dB。

17.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为10毫米的两个弯曲，该光纤的弯曲损耗小于0.1dB。

18.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为7.5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.4dB。

19.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为7.5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.2dB。

20.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为7.5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.1dB。

21.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为7.5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.01dB。

22.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于1dB。

23.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.3dB。

24.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，对于波长为850纳米、绕过弯曲半径为5.5毫米的两个弯曲，该光纤弯曲损耗小于0.1dB。

25.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长处，该光纤具有至少1,500MHz·km的过满注入带宽。

26.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长处，该光纤具有至少3,500MHz·km的过满注入带宽。

27.根据权利要求1所述的多模光纤，其中该光纤具有在0.185和0.215之间的数值孔径(NA)。

28.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，在850纳米的波长处，该光纤具有小于0.33ps/m的外部DMD值。

29.根据权利要求1所述的多模光纤，其中：

所述中央芯子的半径r₁为25±1.5微米；以及

在850纳米的波长处，该光纤具有小于0.14ps/m的外部DMD值。

30.根据权利要求1所述的多模光纤，其中：

所述中央芯子的半径r₁在23.5微米和26.5微米之间；以及

在850纳米的波长处，该光纤具有小于0.25ps/m的外部DMD值。

31.一种光纤系统，包括根据权利要求1所述的多模光纤，其中该系统经过100米的距离具有至少10Gb/s的数据速率。

32.一种光纤系统，包括根据权利要求1所述的多模光纤，其中该系统经过300米的距离具有至少10Gb/s的数据速率。