CN102621625A - 多模光纤和光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多模光纤和光学系统，公开了一种多模光纤，其包括外包层以及具有Δ值为1.9％以上的渐变折射率分布的中央纤芯。所述纤芯的渐变折射率分布沿着纤芯半径具有至少两个不同的指数值，即至少具有针对所述纤芯的内区段的第一指数值和针对所述纤芯的外区段的第二指数值，其中第二指数值小于第一指数值。所述纤芯的渐变折射率分布及其一阶微分在整个渐变折射率纤芯内连续。由此获得了一种带宽改进了的适用于以太网光学系统的多模光纤。

Description

多模光纤和光学系统

技术领域

本发明涉及光纤传输领域，尤其涉及多模光纤(MMF)。多模光纤特别用于要求大带宽的短距离传输系统。

背景技术

传统上，光纤包括光纤芯和光包层，其中，光纤芯的功能是传输光信号并可能地放大光信号，光包层的功能是将光信号限制在光纤芯内。为此，纤芯的折射率n_c和外包层的折射率n_g具有如下的关系，即n_c＞n_g。

对于短距离应用和本地网络，频繁使用多模光纤。与单模光纤的纤芯的直径约为6μm相比，多模光纤的纤芯的直径为50μm以上。因此，对于给定波长，几种光模式沿着光纤同时传播以传输相同的信息。带宽与在光纤的多模纤芯中传播的光模式的群速度(group velocity)直接相关。为了确保大带宽，所有模式的群速度必须都相同，即对于给定波长，模间色散必须为零或者至少被最小化。直径为50μm的多模光纤已经成为标准ITU-T G.651下的国际标准的主题，其中，标准ITU-T G.651针对光纤间兼容性的要求具体定义了关于带宽、数值孔径和纤芯直径的标准。

对于光纤，通常将折射率分布限定为与用于标绘使折射率和光纤半径相关联的函数的图形的轨迹相关。传统上，沿着横轴示出相对于光纤中心的距离r，并且沿着纵轴示出光纤芯的折射率和光纤包层的折射率之间的差。因此，对于具有阶梯、梯形、三角形或渐变形的各个形状的图形，折射率分布被称为“阶梯”分布、“梯形”分布、“三角形”分布或“α(alpha)”分布。这些曲线通常代表光纤的理论分布或设定分布，其中，制造光纤时的限制可能导致不同的分布。

在阶梯折射率的光纤中，不同的模式以不同的速度沿着光纤传播，这造成光脉冲的扩散，而光脉冲的扩散可能与脉冲间的间距相当并且导致不能接受的错误率。为了减小多模光纤的模间色散，已提出了制造具有“α”纤芯分布的折射率渐变的光纤。这种光纤已经使用了很多年，并且在D.Gloge等人发表的“Multimode theory of graded-core fibres”，Bell System TechnicalJournal，1973pp 1563-1578、以及G.Yabre发表的出版物“Comprehensive theory of dispersion in graded-index opticalfibers”，Journal of Lightwave Technology，February 2000，vol.18，No.2，pp 166-177中已具体描述了这种光纤的特性。

可以将一般的渐变折射率分布定义为某一点处的折射率值n相对于从该点到光纤中心的距离r之间的关系。

$n\left(r\right)=n_0\sqrt{1-2\mathrm{\Δ}{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\α}}}---\left(1\right)$

其中，α≥1；(α→与阶梯折射率相对应的∞)

n₀是多模纤芯的最大折射率；

a是多模纤芯的半径；以及

$\mathrm{\Δ}=\frac{(n_0^2-n_{\mathrm{cl}}^2)}{2n_0^2};---\left(2\right)$

其中，n_cl是多模纤芯的最小折射率值，其通常与(最常见是由二氧化硅制成的)包层的折射率值相对应。

因此，折射率渐变的多模光纤具有旋转对称的纤芯分布，以使得沿着任何径向方向，折射率的值从该光纤的中心向着其外围连续减小。

当多模光信号在所述渐变折射率纤芯中传播时，不同的模式经历不同的传播介质，而不同的传播介质对各模式的传播速度产生不同的影响。通过调整参数α的值，理论上可以获得对于所有模式几乎相等的群速度，因而减少了模间色散。

为了用于高比特率应用，多模光纤必须展示可能的最大带宽。为了应用于长距离的快速比特率的以太网(Ethernet)网络、特别是应用于300米(m)以上(分别为550m)的10GbE(10Gb/s)以上的比特率，所确保的有效带宽必须为2000MHz-km以上(分别为4700MHz-km)。标准TIA-492AAAC-A规定了直径为50μm的快速比特率多模光纤所要求的性能水平。

对于多模光纤，带宽依赖于所使用的源。对于给定波长确定带宽。一方面，确定过满注入(overfilled launch)带宽OFL-BW需要使用例如LED(发光二极管)等的均匀光源。另一方面，有效模式带宽EMB更适合于利用VC SEL(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，垂直腔面发射激光器)源来确定使用中的光纤带宽。

采用已知的方式，可以通过测量由于模式色散所引起的延迟来估计有效模式带宽EMB，其中，已知有作为“色散模式延迟”图形表现的缩写DMD。DMD测量工序已成为标准(IEC60793-1-49和F OTP-220)的主题。为了执行该测量，通常需要注意所使用的源或光纤波长以使得色度色散(chromatic dispersion)实际上可忽略，从而能够以光纤的模式色散为特征。当色度色散对于10GbE应用中的所有标准源而言均可忽略时，有效模式带宽与源-光纤对的所有EMB的最小带宽相对应。

通过向光纤中央注入给定波长λ₀的光脉冲并且测量给定光纤长度L之后的脉冲延迟来获得DMD图形表现，其中，给定波长λ₀的光脉冲的引入发生径向偏移以覆盖多模光纤的整个纤芯。当将参数α设置为最佳值α_最佳时，对于给定波长λ₀，无论向前传播脉冲的半径r如何，光脉冲延迟实际上都未发生偏移；模间色散低并且有效模式带宽大。可以参考描述DMD图形表现和所计算出的EMB的文献EP-A-2144096。

折射率渐变的多模光纤通常专用于高速数据通信。这些多模光纤很好地利用基于VC SEL技术的低成本的高速源的优点。由于这些源呈发散，因此多模光纤实际上被设计成提供大的数值孔径(越大越好)。高速传输专用的纤芯通常为50μm的多模光纤展示约为0.200的数值孔径。

如同超级计算机或消费电子装置那样的一些新兴应用要求通过更大的数值孔径可能带来的更大的灵活性。

已发现大的数值孔径通常导致模式带宽劣化。

因此，需要模式带宽高且数值孔径大的多模光纤。

此外，根据应用，可以探索使用纤芯大小大于标准的50μm、例如为80μm的光纤。因此，无论纤芯大小如何，特别是当纤芯大小与标准的50μm MMF相比增大了时，需要模式带宽高并具有大数值孔径的多模光纤。

可以如下计算数值孔径NA。

$\mathrm{NA}=n_0\sqrt{2\mathrm{\Δ}}---\left(3\right)$

其中，Δ和n₀是基于方程式(2)所计算出的。

纤芯通常为50μm的多模光纤具有Δ＝0.01、(a＝25)μm和α≈2(α约为2)，从而提供约为0.2的数值孔径。

已提出了根据众所周知的幂律方程式(power lawequation)(1)来对多模光纤的值α进行微调，从而使有效模式带宽最大。然而，该现有解决方案提供了受到限制的最小有效模式带宽。

图1A～1C分别针对三个不同的α值示出Δ值为2.04％从而提供约为0.3的大数值孔径的80μm多模光纤的DMD图。渐变折射率纤芯符合方程式(1)。图1A～1C分别针对α＝2.04、α＝2.06、α＝2.08示出750m长的光纤的预期DMD图。根据这些图可以看出，对于数值孔径大的光纤，仅通过对值α进行微调无法补偿模式色散。的确，对于整个纤芯半径，无论α的值如何，延迟都不恒定。根据基于FOTP-220所作成的这些DMD图，可以使用加权函数来计算有效模式带宽。

图2针对Δ值为2.04％的渐变折射率纤芯符合方程式(1)的多模光纤示出一些DMD值、所计算出的最小有效模式带宽(EMBc)和过满注入带宽(OFL-BW)。可以看出，无论α的值如何，DMD值都大于0.15ps/m。这导致有效模式带宽(EMB c)和过满注入带宽(OFL-BW)的值受到限制。此外，对于提供最高的EMB c的给定α值，OFL-BW低，反之亦然。具有大数值孔径且渐变折射率纤芯符合方程式(1)的多模光纤在有效模式带宽(EMB c)和过满注入带宽(OFL-BW)这两个方面的带宽都受到限制。因此，这种多模光纤的应用受到限制。

文献US 2010/0154478教导了纤芯符合修正的幂律方程式的渐变折射率分布。内侧部分符合标准的方程式(1)，而折射率分布偏离幂律方程式并具有较小的折射率。这种分布导致DMD劣化(图4和6)以及有效模式带宽受到限制。

文献US 7,315,677教导了基于共掺杂的“双α分布”；各掺杂分布展示其自身的α。并未公开DMD性能。

文献WO 00/50936教导了如下的渐变折射率分布，其中，纤芯符合修正的幂律方程式，从而在波长1300nm处提供了在纤芯的两个不同区域内具有两个不同斜率的DMD图。

文献JP 2007-272239涉及补偿VAD工艺固有的在纤芯包层界面处的尾(tail)/裙(skirt)的有害影响。

文献JP 2001-235648涉及补偿VAD工艺固有的在纤芯包层界面处的尾/裙的有害影响。

R.E.Freund，″High-Speed Transmission in MultimodeOptical fibers″，JLT，Vol.28，No.4，Feb 2010在图4和方程式6中公开了双α分布。然而，设立该分布是为了模拟光纤的制造缺陷。无法确保该分布的一阶微分的连续性，并且这导致差的DMD性能。

此外，上述文献均未教导大数值孔径。

发明内容

为此，本发明提出一种具有高数值孔径并且纤芯符合指数α依赖于光纤半径的修正的幂律方程式的多模光纤。指数α沿着纤芯半径具有至少两个不同的值，其中：第一值α₁，用于控制纤芯的内区段或中央区段的渐变折射率；以及第二值α₂，用于控制纤芯的外区段或外周区段的渐变折射率。选择本发明的多模光纤的渐变折射率纤芯的α指数的值，以使得多模光纤展示在整个纤芯内延迟基本恒定的DMD分布。因而，所计算出的有效模式带宽EMBc高。

因此，本发明涉及一种多模光纤，其包括：：

-中央纤芯，其具有delta(Δ)值为1.9％以上的渐变折射率分布(n(r))，其中，

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

n₀是所述纤芯的最大折射率值，并且n_cl是所述纤芯的最小折射率值；

-外包层；

其中，所述纤芯的渐变折射率分布(n(r))沿着纤芯半径具有至少两个不同的指数值，即至少具有针对所述纤芯的内区段的第一指数值(α₁)和针对所述纤芯的外区段的第二指数值(α₂)，并且所述第二指数值(α₂)小于所述第一指数值(α₁)，

以及，所述纤芯的渐变折射率分布(n(r))及其一阶微分(dn(r)/dr)在整个折射率渐变的所述纤芯内连续。

根据另一实施例，在波长850nm处，本发明的多模光纤的有效模式带宽(EMB)大于1000MHz.km，优选大于2000MHz.km，并且更优选大于3000MHz.km。

根据又一实施例，在波长850nm处，本发明的多模光纤的过满注入带宽(OFL-BW)大于1000MHz.km，优选大于1500MHz.km，并且更优选大于3000MHz.km。

根据又一实施例，所述纤芯的渐变折射率分布符合如下的幂方程式(power equation)：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_1\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_1\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_1}}& 0\&le;r\&le;r_t\\ n_2\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_2\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}}& r_t\&le;r\&le;a\\ n_{\mathrm{cl}}\left(r\right)& a<r\end{array}\right.$

其中，a是折射率渐变的所述纤芯的外半径，r_t是所述纤芯在内区段和外区段之间的过渡处的半径值，并且，

${\mathrm{\&Delta;}}_1=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1}}{{\mathrm{\&alpha;}}_1+({\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1){\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}},$

${\mathrm{\&Delta;}}_2=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_1\mathrm{\&Delta;}}{(1-2\mathrm{\&Delta;})\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1)\&CenterDot;{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+{\mathrm{\&alpha;}}_1},$

$n_1=\frac{n_{\mathrm{cl}}}{\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}}},$

$n_2=n_{\mathrm{cl}}\&CenterDot;\sqrt{\frac{(1-2\mathrm{\&Delta;})\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_1-{\mathrm{\&alpha;}}_2)\&CenterDot;{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}-{\mathrm{\&alpha;}}_1}{(1-2\mathrm{\&Delta;})\&CenterDot;(({\mathrm{\&alpha;}}_1-{\mathrm{\&alpha;}}_2)\&CenterDot;{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}-{\mathrm{\&alpha;}}_1)}}.$

根据又一实施例，所述渐变折射率分布的针对所述纤芯的内区段的指数值(第一指数值α₁)为2.05～2.10；所述渐变折射率分布的针对所述纤芯的外区段的指数值(第二指数值α₂)比所述渐变折射率分布的针对所述纤芯的内区段的指数值(第一指数值α₁)小至少0.04(α₁＞α₂+0.04)；以及折射率渐变的所述纤芯在内区段和外区段之间的过渡处的半径值相对于所述纤芯的外半径的比(r_t/a)为0.5～0.7。

根据又一实施例，所述中央纤芯的直径(2a)为50μm。在波长850nm处，所述多模光纤在外罩(outer mask)为0～23μm的情况下的DMD值可小于0.40ps/m，优选小于0.20ps/m，并且更优选小于0.14ps/m。

根据又一实施例，所述中央纤芯的直径(2a)为80μm。在波长850nm处，所述多模光纤在外罩为0～37μm的情况下的DMD值可小于0.40ps/m，优选小于0.20ps/m，并且更优选小于0.14ps/m。

根据又一实施例，所述中央纤芯的直径(2a)为62.5μm。在波长850nm处，所述多模光纤在外罩为0～29μm的情况下的DMD值可小于0.40ps/m，优选小于0.20ps/m，并且更优选小于0.14ps/m。

根据又一实施例，所述多模光纤还包括位于所述中央纤芯和所述外包层之间的折射率降低的内包层。

根据又一实施例，所述多模光纤还包括与所述中央纤芯邻接的阶梯部以及与所述阶梯部邻接的折射率降低的内包层。

本发明还涉及一种包括根据本发明的多模光纤的至少一部分的光学系统。这种光学系统可以是局域网。

附图说明

通过阅读参考附图以示例方式所给出的本发明的实施例的以下说明，本发明的其它特征和优点将变得清晰，其中：

图1A～1C(已说明)是分别针对三个指数α值2.04、2.06和2.08示出Δ值为2.04％的80μm渐变折射率纤芯的多模光纤的DMD图；

图2(已说明)是针对Δ值为2.04％的渐变折射率纤芯符合方程式(1)的多模光纤的、相对于α描绘EMB、OFL和一些DMD值的图；

图3A和3B是与标准多模光纤进行比较用的、根据本发明实施例的80μm多模光纤的折射率分布的示例，其中图3B是图3A的局部放大；

图4A和4B是分别针对渐变折射率纤芯符合方程式(1)的80μm多模光纤以及根据本发明实施例的80μm多模光纤的DMD图；

图5A和5B是与标准多模光纤进行比较用的、根据本发明实施例的50μm多模光纤的折射率分布的示例，其中图5B是图5A的局部放大；

图6A和6B是分别针对渐变折射率纤芯符合方程式(1)的50μm多模光纤以及根据本发明实施例的50μm多模光纤的DMD图；

图7A和7B是分别针对渐变折射率纤芯符合方程式(1)的50μm多模光纤以及根据本发明的50μm多模光纤的、相对于半径描绘DMD值的图；

图8A和8B是分别针对渐变折射率纤芯符合方程式(1)的62.5μm多模光纤以及根据本发明的62.5μm多模光纤的、相对于半径描绘DMD值的图；

图9A和9B是分别针对渐变折射率纤芯符合方程式(1)的80μm多模光纤以及根据本发明的80μm多模光纤的、相对于半径描绘DMD值的图；

图10是针对根据本发明的多模光纤的、描绘OFL值相对于EMB值的图；

图11-1～11-10和图12-1～12-10是计算62.5μm多模光纤的EMBc和80μm多模光纤的EMB c所使用的加权函数的表。

具体实施方式

本发明的光纤是多模传输光纤。该光纤包括外包层和具有渐变折射率分布(n(r))的中央纤芯。根据期望的应用，外包层可以是纯二氧化硅或掺杂二氧化硅以对折射率进行修改。外包层可以与渐变折射率纤芯邻接，或者可以在中央纤芯和外包层之间设置有中间包层。(若存在中间包层则)中间包层的折射率可以恒定或者为例如包括环形或凹槽的复合体。例如，可以参考描述包括凹槽的MMF分布的文献EP-A-0131729或WO-A-2008/085851。

本发明的多模光纤的渐变折射率纤芯的delta(Δ)值为1.9％以上，其中，如上利用方程式(2)来定义Δ。该Δ值是针对0.28以上的数值孔径所提供的，并且是基于以上针对n₀值为1.45所定义的方程式(3)所计算出。因此，如此选择纤芯的折射率的最小值和最大值以确保大数值孔径。尽管如此，由于特定的渐变折射率纤芯分布，本发明的光纤展示高的EMB和OFL。

本发明的光纤的渐变折射率纤芯符合沿着纤芯半径具有至少两个不同指数值的幂方程式n(r)，即幂律方程式n(r)至少具有针对纤芯的内区段的第一指数值α₁和针对纤芯的外区段的第二指数值α₂。第二指数值α₂小于第一指数值α₁。这使得：在整个纤芯内，与标准多模光纤相比较，本发明的光纤的折射率增大了。

根据实施例，纤芯的渐变折射率分布可以符合如下的幂方程式。

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_1\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_1\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_1}}& 0\&le;r\&le;r_t\\ n_2\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_2\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}}& r_t\&le;r\&le;a\\ n_{\mathrm{cl}}\left(r\right)& a<r\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，a是渐变折射率纤芯的外半径，r_t是纤芯的内区段和外区段之间的过渡处的半径值。

选择Δ₁、Δ₂、n₁和n₂的值，从而确保渐变折射率纤芯分布(n(r))及其一阶微分(dn(r)/dr)在整个渐变折射率纤芯内连续。这样提供了较少的模式扰动并且确保了较高的带宽。

特别地，根据实施例，

${\mathrm{\&Delta;}}_1=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1}}{{\mathrm{\&alpha;}}_1+({\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1){\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\&Delta;}}_2=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_1\mathrm{\&Delta;}}{(1-2\mathrm{\&Delta;})\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1)\&CenterDot;{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+{\mathrm{\&alpha;}}_1}---\left(6\right)$

$n_1=\frac{n_{\mathrm{cl}}}{\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}}}---\left(7\right)$

$n_2=n_{\mathrm{cl}}\&CenterDot;\sqrt{\frac{(1-2\mathrm{\&Delta;})\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_1-{\mathrm{\&alpha;}}_2)\&CenterDot;{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}-{\mathrm{\&alpha;}}_1}{(1-2\mathrm{\&Delta;})\&CenterDot;(({\mathrm{\&alpha;}}_1-{\mathrm{\&alpha;}}_2)\&CenterDot;{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}-{\mathrm{\&alpha;}}_1)}}---\left(8\right)$

在符合方程式(1)的标准多模光纤中，最高阶的模式相比其它模式通常展示较小的群速度，这导致对于最大的偏移注入而言，DMD图向右弯曲。根据本发明，纤芯的外侧部分的折射率与标准分布相比增大了。渐变折射率纤芯的外侧部分的折射率的增大可通过缓和最高阶模式的引导来使这些模式相对于中央纤芯偏移。因而，这些最高阶模式将经历较小的折射率分布，这导致较高的群速度。

在维持分布n(r)及其一阶微分dn(r)/dr的连续性的情况下使α的第二值α₂相对于α的第一值α₁下降，这导致外侧部分的折射率增大。可以通过对α值和两个α区域之间的过渡半径r_t进行微调来有效地使模式色散最小化。值得注意的是，双α分布保持α形状的好处在于，维持模式群结构，并且还有助于实现低的模式色散水平。

图3A和3B示出与标准多模光纤进行比较用的、根据本发明实施例的80μm多模光纤的折射率分布，其中，图3B是图3A的光纤的纤芯的外区段的放大图。

图3A～3B的例子是利用α₁＝2.07、α₂＝2.02、r_t/a＝0.6和Δ＝2.0％所构成的。左轴示出本发明的光纤的渐变折射率纤芯相对于纯二氧化硅的折射率差；并且右轴示出相对于与本发明的光纤的渐变折射率纤芯的内侧部分相匹配的标准折射率分布的折射率差。图3B明确示出：在整个纤芯内，与标准多模光纤相比较，本发明的光纤的折射率分布变尖了(diminish)。

图4A和4B分别针对α＝2.06、Δ＝2.0％的标准单α分布以及α₁＝2.06、α₂＝2.01、r_t/a＝0.675、Δ＝2.0％的根据本发明的双α分布示出在850nm处的DMD图，其中，对于这两个分布，纤芯直径为80μm并且包层恒定。

在图4A～4B中可以看出，在整个纤芯内，与针对标准光纤的DMD图(图4A)相比较，本发明的光纤的DMD图(图4B)中的延迟基本恒定。特别地，在波长850nm处，外罩为0～37μm情况下的DMD值小于0.40ps/m。这种小DMD值确保了高的有效模式带宽。特别地，在波长850nm处，本发明的多模光纤的有效模式带宽(EMB)大于1000MHz.km，并且优选大于3000MHz.km。

图5A和5B示出与标准多模光纤进行比较用的、根据本发明实施例的50μm多模光纤的折射率分布，其中，图5B是图5A的光纤的纤芯的外区段的放大图。

图5A～5B的例子是利用α₁＝2.07、α₂＝2.02、r_t/a＝0.6和Δ＝2.0％.所构成的。左轴示出本发明的光纤的渐变折射率纤芯相对于纯二氧化硅的折射率差；并且右轴示出相对于与本发明的光纤的渐变折射率纤芯的内侧部分相匹配的标准折射率分布的折射率差。图5B明确示出：在整个纤芯内，与标准多模光纤相比较，本发明的光纤的折射率分布变尖了。

图6A和6B分别针对α＝2.06、Δ＝2.0％的标准单α分布以及α₁＝2.08、α₂＝2.04、r_t/a＝0.5、Δ＝2.0％的根据本发明的双α分布示出在850nm处的DMD图，其中，对于这两个分布，纤芯直径都为50μm并且包层恒定。

在图6A～6B中可以看出，在整个纤芯内，与标准光纤的DMD图(图6A)相比较，根据本发明的光纤的DMD图(图6B)中的延迟基本恒定。特别地，在波长850nm处，外罩为0～37μm情况下的DMD值小于0.40ps/m。这种小DMD值确保了高的有效模式带宽。特别地，在波长850nm处，本发明的多模光纤的有效模式带宽(EMB)大于1000MHz.km，并且优选大于3000MHz.km。

下表1给出根据现有技术的具有符合方程式(1)的标准单α分布的光纤的几个例子的性能。

表1

DMD_外值是根据针对50μm的多模光纤的推荐F OTP-220所确定的，其中，外罩依赖于纤芯大小。对于50μm的光纤，外罩为0～23μm。在该标准中没有定义62.5μm的MMF的外罩和80μm的MMF的外罩，因此将这些外罩定义为如下：对于62.5μm的光纤，外罩为0～29μm；并且对于80μm的光纤，外罩为0～37μm。

对于62.5μm的多模光纤和80μm的多模光纤，与针对50μm的多模光纤的推荐FOTP-220相同，根据DMD测量值来计算EMBc。特别地，使用在附录形式的图11-1～11-10、图12-1～12-10中描述的加权函数，以1μm的步长从0到40μm计算EMBc。

下表II给出根据本发明的渐变折射率分布符合方程式(4)的光纤的几个例子的性能。

表2

通过比较表I和表II可以看出，当数值孔径高时，本发明的光纤与现有技术的光纤相比具有高得多的带宽。

此外，从表II可以推导出，双α渐变折射率纤芯符合方程式(4)的光纤在如下的情况下获得了最佳性能，即：渐变折射率分布的针对纤芯的内区段的指数值即α₁选择为2.05～2.1，渐变折射率分布的针对纤芯的外区段的指数值即α₂比α₁小了至少0.04(α₁＞α₂+0.04)，并且标准化的过渡半径r_t/a为0.5～0.7。

图7A～9B示出针对表I和II的多模光纤的、相对于半径描绘DMD值的图。

图7A示出针对表I的50μm多模光纤的、相对于半径描绘DMD值的图，并且图7B示出针对表II的50μm多模光纤的、相对于半径描绘DMD值的图。同样，图8A示出针对表I的62.5μm多模光纤的、相对于半径描绘DMD值的图，并且图8B示出针对表II的62.5μm多模光纤的、相对于半径描绘DMD值的图；以及图9A示出针对表I的80μm多模光纤的、相对于半径描绘DMD值的图，并且图9B示出针对表II的80μm多模光纤的、相对于半径描绘DMD值的图。

容易看出，根据本发明的光纤的DMD_外值小于0.40ps/m，在大多数情况下甚至小于0.20ps/m，并且在一些情况下甚至小于0.14ps/m。在一些情况下，DMD_外值超过0.40ps/m，但EMBc保持高。

实际上，根据DMD相对于半径的图可以看出，与现有技术的光纤(图7A、8A和9A)相比较，根据本发明的光纤(图7B、8B和9B)的DMD斜率小得多。根据本发明的光纤沿纤芯的DMD差保持小，这意味着模间色散低并且有效模式带宽高。

图10示出针对根据本发明的多模光纤的、描绘OFL值相对于EMB值的图。图10示出利用根据本发明的分布所能够实现的带宽性能。该图是利用数值孔径大(大于0.28)的多模光纤所产生的。素线(plain line)示出利用纤芯符合标准单α分布的光纤可以实现的极限值。

可以看出，与具有标准单α分布的光纤相比较，根据本发明的多模光纤可以具有较高的有效模式带宽EMB以及较高的过满注入带宽。

特别地，根据表II和图10可以看出，根据本发明的光纤的有效模式带宽EMB高，即在任何情况下均大于1000MHz.km，甚至大于2000MHz.km，并且在大多数情况下甚至还大于3000MHz.km。

根据表II和图10还可以看出，根据本发明的光纤的过满注入带宽OFL也高、即高于1000MHz.km，在大多数情况下甚至高于1500MHz.km，并且在一些情况下甚至高于3000MHz.km。

因此，由于改进了带宽，本发明的多模光纤可以用于以太网光学系统，特别是用于LAN(局域网)。

应当注意，本发明不限于以示例方式所述的实施例。特别地，对于纤芯的渐变折射率分布，可以考虑不同于方程式(4)的幂方程式，只要α值从纤芯的内部向着外部减小并且分布n(r)及其一阶微分dn(r)/dr在整个渐变折射率纤芯内连续即可。

Claims (17)

1.一种多模光纤，包括：

-中央纤芯，其具有Δ值为1.9％以上的渐变折射率分布即n(r)，其中，

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{(n_0^2-n_{\mathrm{cl}}^2)}{2n_0^2},$

n₀是所述纤芯的最大折射率值，并且n_cl是所述纤芯的最小折射率值；以及

-外包层；

其中，所述纤芯的渐变折射率分布即n(r)沿着纤芯半径具有至少两个不同的指数值，即至少具有针对所述纤芯的内区段的第一指数值即α₁和针对所述纤芯的外区段的第二指数值即α₂，并且所述第二指数值即α₂小于所述第一指数值即α₁，

以及，所述纤芯的渐变折射率分布即n(r)及其一阶微分即dn(r)/dr在整个折射率渐变的所述纤芯内连续。

2.根据权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，在波长850nm处，所述多模光纤的有效模式带宽即EMB大于1000MHz.km，优选大于2000MHz.km，并且更优选大于3000MHz.km。

3.根据权利要求1或2所述的多模光纤，其特征在于，在波长850nm处，所述多模光纤的过满注入带宽即OFL-BW大于1000MHz.km，优选大于1500MHz.km，并且更优选大于3000MHz.km。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多模光纤，其特征在于，所述纤芯的渐变折射率分布符合如下的幂方程式：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_1\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_1\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_1}}& 0\&le;r\&le;r_t\\ n_2\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_2\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}}& r_t\&le;r\&le;a\\ n_{\mathrm{cl}}\left(r\right)& a<r\end{array}\right.,$

其中，a是折射率渐变的所述纤芯的外半径，r_t是所述纤芯的内区段和外区段之间的过渡处的半径值，并且，

${\mathrm{\&Delta;}}_1=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1}}{{\mathrm{\&alpha;}}_1+({\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1){\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}},$

${\mathrm{\&Delta;}}_2=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_1\mathrm{\&Delta;}}{(1-2\mathrm{\&Delta;})\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1)\&CenterDot;{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+{\mathrm{\&alpha;}}_1},$

$n_1=\frac{n_{\mathrm{cl}}}{\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}}},$

$n_2=n_{\mathrm{cl}}\&CenterDot;\sqrt{\frac{(1-2\mathrm{\&Delta;})\&CenterDot;({\mathrm{\&alpha;}}_1-{\mathrm{\&alpha;}}_2)\&CenterDot;{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}-{\mathrm{\&alpha;}}_1}{(1-2\mathrm{\&Delta;})\&CenterDot;(({\mathrm{\&alpha;}}_1-{\mathrm{\&alpha;}}_2)\&CenterDot;{\left(\frac{r_t}{a}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}-{\mathrm{\&alpha;}}_1)}}.$

5.根据权利要求4所述的多模光纤，其特征在于，所述渐变折射率分布的针对所述纤芯的内区段的第一指数值即α₁为2.05～2.10。

6.根据权利要求4或5所述的多模光纤，其特征在于，所述渐变折射率分布的针对所述纤芯的外区段的第二指数值即α₂比所述渐变折射率分布的针对所述纤芯的内区段的第一指数值即α₁小至少0.04，即α₁＞α₂+0.04。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的多模光纤，其特征在于，折射率渐变的所述纤芯的内区段和外区段之间的过渡处的半径值相对于所述纤芯的外半径的比即r_t/a为0.5～0.7。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的多模光纤，其特征在于，所述中央纤芯的直径即2a为50μm。

9.根据权利要求8所述的多模光纤，其特征在于，在波长850nm处，所述多模光纤在外罩为0～23μm的情况下的色散模式延迟值即DMD值小于0.40ps/m，优选小于0.20ps/m，并且更优选小于0.14ps/m。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的多模光纤，其特征在于，所述中央纤芯的直径即2a为80μm。

11.根据权利要求10所述的多模光纤，其特征在于，在波长850nm处，所述多模光纤在外罩为0～37μm的情况下的DMD值小于0.40ps/m，优选小于0.20ps/m，并且更优选小于0.14ps/m。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的多模光纤，其特征在于，所述中央纤芯的直径即2a为62.5μm。

13.根据权利要求12所述的多模光纤，其特征在于，在波长850nm处，所述多模光纤在外罩为0～29μm的情况下的DMD值小于0.40ps/m，优选小于0.20ps/m，并且更优选小于0.14ps/m。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的多模光纤，其特征在于，还包括位于所述中央纤芯和所述外包层之间的折射率降低的内包层。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的多模光纤，其特征在于，还包括与所述中央纤芯邻接的阶梯部以及与所述阶梯部邻接的折射率降低的内包层。

16.一种光学系统，其包括根据权利要求1至15中任一项所述的多模光纤的至少一部分。

17.根据权利要求16所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统是局域网。

Images