CN103364868A - 用于光纤连接器的梯度折射率多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光纤连接器的梯度折射率多模光纤。光纤经配置以具有最小群折射率差以最小化多径干扰的不利影响，所述多径干扰可能出现在具有较大群折射率差的短单模短光纤中。光纤还经配置以具有模场直径，所述模场直径实质上与用作短光纤的单模光纤的模场直径相同。本发明还公开使用光纤作为短光纤的光纤连接器。

Description

用于光纤连接器的梯度折射率多模光纤

相关申请案 

本申请根据专利法请求2012年3月13日申请的美国临时申请案第61/610,123号的优先权权益，本申请案依赖于所述案的内容，且所述案的内容以引用的方式全文并入本文中。 

技术领域

本发明涉及光纤和光纤连接器，并且本发明尤其涉及用于光纤连接器的梯度折射率多模光纤。 

背景技术

光纤连接器在各种电信应用中用于将一个光纤连接到另一光纤或将光纤连接到电信装置。某些光纤连接器包括称作短光纤的一短截单模光纤（SMF），所述单模光纤与连接器内的场光纤接口连接。当连接器可操作地连接（配合）到另一连接器时，短光纤驻留在场光纤连接器的场光纤与配合连接器的短光纤之间。 

当对齐所有光纤并且所有光纤在大小和配置上以其他方式匹配时，光在最低模式或基本模式（即LP₀₁模式）下在场光纤和短光纤中行进。然而，即使光纤为SMF，光纤的未对齐、模场直径（MFD）的未匹配或所述未对齐、模场直径（MFD）的未匹配和其他因素的组合可能导致光在高阶模式（例如LP11模式）下短距离行进。因此，尽管光纤可设计成SMF，但存在光纤作为多模光纤短距离（<5cm）工作的情况。 

在不同导引模式下行进的相干光采用不同光路并且可能导致多径干扰 （MPI）。MPI可使光传输穿过连接器以具有显著时变起伏，所述时变起伏由于使用设计用于长途电信应用的现成的SMF而加剧。MPI和伴随的功率起伏为不合意的，并且MPI和伴随的功率起伏降低了其中使用光纤连接器的电信系统的性能。 

发明内容

本文中公开适合于在光纤连接器中用作短光纤的梯度折射率（也叫渐变折射率）多模光纤。梯度折射率多模光纤具有实质上匹配SMF的模场直径的基本模式（LP₀₁），以降低或最小化连接器损失。另外，最小化不同导引模式间的群折射率差（即，群延迟）以降低MPI。 

本公开案的一方面是一种用于具有工作波长λ的光纤连接器的梯度折射率多模光纤。光纤包括具有半径r₀的芯与直接包围芯的包层。芯和包层支持基本模式和至少一个高阶模式，芯和包层定义模场直径MFD_MM和相对折射率分布Δ，其中Δ通过以下关系定义： 

$\mathrm{\&Delta;}{=\mathrm{\&Delta;}}_0[1-{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}],$

其中r为径向坐标，Δ₀为r=0时的最大相对折射率，且α为分布参数。此外，芯半径r₀在从6μm到20μm的范围之内，Δ₀在从0.4%到2.5%的范围之内，α在从1.9与4.1的范围之内，并且模场直径MFD_MM在工作波长为λ=1310nm时介于8.2μm与9.7μm之间且在工作波长为λ=1550nm时介于9.2μm与10.9μm之间。 

本公开案的另一方面是一种用于光纤连接器的梯度折射率多模光纤，所述光纤连接器具有工作波长λ和单模光纤（SMF），所述单模光纤具有模场直径MFD_SM和第一群折射率差Δn_gSM。梯度折射率多模光纤包括梯度折射率芯和直接包围芯的包层，所述梯度折射率芯具有半径r₀和相对折射率分布Δ，所述相对折射率分布Δ具有最大相对折射率Δ₀。包层具有恒定相对折射率分布，且 芯和包层支持多个导引模式。光纤还具有模场直径MFD_MM和多模群折射率差Δn_g，以使得Δn_gSM/Δn_g比值满足2≤Δn_gSM/Δn_g≤300，所述模场直径MFD_MM实质上与SMF模场直径MFD_SM相同。 

本公开案的另一方面是一种光纤连接器。连接器包括多模短光纤，所述多模短光纤具有第一端且通过第一对齐构件可操作地支撑。多模短光纤由如上文直接描述且也如下文更详细描述的长度为L的多模光纤构成。连接器还具有单模场光纤，所述单模场光纤具有第二端且相对于第一对齐构件通过第二对齐构件可操作地支撑，以使得多模短光纤和单模场光纤各自的第一端和第二端可操作地对齐并接口连接。 

本公开案的另一方面是一种光纤连接器。连接器包括单模场光纤，所述单模场光纤具有末端以及模场直径MFD_SM和群折射率差Δn_gSM。连接器还包括第一对齐构件、短光纤和第二对齐构件，所述第一对齐构件可操作地支撑场光纤，所述短光纤具有末端，所述第二对齐构件可操作地支撑短光纤，以使得短光纤末端和场光纤末端被对齐并接口连接。短光纤包括一段多模光纤，所述多模光纤包含：a)梯度折射率芯，所述梯度折射率芯具有半径r₀和折射率分布Δ，所述折射率分布Δ具有最大相对折射率Δ₀；b)包层，所述包层直接包围芯，包层具有恒定相对折射率分布，其中芯和包层支持多个导引模式；c)模场直径MFD_MM，所述模场直径MFD_MM实质上与场光纤的模场直径MFD_SM相同；和d)多模群折射率差Δn_g，其中2≤Δn_gSM/Δn_g≤300。 

本公开案的另一方面是一种用于光纤连接器的梯度折射率多模短光纤，所述光纤连接器在工作波长下工作且具有单模场光纤，所述单模场光纤具有群折射率差Δn_gSM及模场直径。多模短光纤具有芯和直接包围芯的包层，所述芯具有半径r₀和相对折射率Δ，所述相对折射率Δ具有在从1.9到4.1的范围之内的α参数。包层具有恒定相对折射率。芯和包层经配置以支持多个导引模式，同时在1310nm和1550nm的工作波长λ下具有满足2≤Δn_gSM/Δn_g≤300的群折射率差Δn_g和满足0.9≤MFD_MM/MFD_SM≤1.1的模场直径MFD_MM。 

本公开案的另一方面是一种光纤连接器，所述光纤连接器利用上文直接描述的短光纤。连接器具有第一对齐构件，所述第一对齐构件可操作地支撑短光纤，其中短光纤具有末端。连接器还包括第二对齐构件，所述第二对齐构件可操作地支撑场光纤，以使得短光纤和单模场光纤各自的末端可操作地对齐并接口连接。 

本领域技术人员参考以下说明书、权利要求书和附图将更进一步地理解和了解本公开案的所述方面及其他方面。 

附图说明

在结合附图时参考以下具体实施方式可对本公开案有更全面的理解，其中： 

图1为示范性先前技术光纤连接器的示意横截面视图，所述光纤连接器利用单模短光纤； 

图2为在未对齐配置中的第一短光纤、第二短光纤和场光纤的近视侧面图，在如图1中的所述光纤连接器的两个光纤连接器可操作地配合时可能出现所述未对齐配置； 

图3为工作波长λ（微米）对传输率（dB）的图表且图示示范性常用短光纤的示范性传输效率曲线，其中图表中图示约32nm的峰到峰波长间隔Δλ； 

图4图示根据本公开案的示范性梯度折射率多模光纤与相对折射率分布Δ的横截面视图； 

图5为根据本公开案的梯度折射率多模光纤的三个设计实例DE1到DE3的相对折射率分布Δ作为半径r的函数的图表； 

图6的图表表示群折射率差Δn_g对有效折射率n_eff并图示第一设计实例的1310nm和1550nm下的群折射率差； 

图7为与图6相同但为针对第二设计实例的图表； 

图8A和图8B类似于图6和图7，但图8A和图8B分别绘图针对1310nm和1550nm的工作波长的群折射率差Δn_g对有效折射率n_eff； 

图9为根据本公开案的梯度折射率多模光纤的四个额外设计实例DE4到DE7的类似于图4的图表；及 

图10类似于图1且图示光纤连接器的实例，所述光纤连接器使用本公开案的多模梯度折射率光纤作为短光纤。 

具体实施方式

现详细参考本公开案的各个实施方式，所述实施方式的实例在附图中图示。在可能的情况下，贯穿图式，使用相同或类似元件符号和符号指示相同或类似部分。图式不一定是按比例的，且本领域技术人员将认识到图式何处已被简化以图示本公开案的关键方面。 

下文阐述的权利要求书并入本具体实施方式并构成本具体实施方式的部分。 

本文中提及的任何出版物或专利文件的全部公开内容以引用的方式并入。 

符号μm和用词“微米”在本文中可交换地使用。 

模场直径或MFD为在光纤中传播的光的光斑大小或波束宽度的量度。MFD为源波长、纤芯半径r和光纤折射率分布的函数。在实例中，模场直径MFD可使用彼特曼（Peterman）II法测量，其中MFD=2w，且 

$w^2=2\frac{{\&Integral;}_0^{\&infin;}{E}^2\mathrm{rdr}}{{\&Integral;}_0^{\&infin;}{(\mathrm{dE}/\mathrm{dr})}^2}\mathrm{rdr},$

其中E为光纤中的电场分布，且r是光纤的径向坐标。单模光纤的MFD在本文中表示为MFD_SM，而下文描述的本公开案的多模光纤100的MFD表示为MFD_MM。 

如本文中使用的参数α（也叫“分布参数”）涉及相对折射率Δ，所述相对折射率Δ的单位为“%”，其中r为半径（径向坐标），且r通过下式定义： 

$\mathrm{\&Delta;}{=\mathrm{\&Delta;}}_0[1-{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}],$

其中Δ₀为最大相对折射率，r₀为芯的半径，r为（例如）在0≤r≤r_F的范围之内的径向坐标，其中r=0为分布的最初径向点，r_F为包层（其中内包层半径为r₀）的外直径，且α为前述分布参数且为实数指数。对于突变折射率分布，α大于或等于10。对于梯度折射率分布，α小于10。术语“实质上抛物线的”可用于描述具有α=2的实质上抛物线形的相对折射率分布以及其中芯的相对折射率的曲率与α=2略有不同的分布。这里指出芯半径r₀和最大相对折射率Δ₀的不同形式可在不影响Δ的基本定义的情况下使用。如下文所论述的示范性光纤100具有实质上抛物线的相对折射率分布。 

除非另有规定，否则对本文中所引用的任何范围的限制被认为是包含在内且因此是在范围之内的。 

如本文中使用的术语“掺杂物”指的是增加玻璃相对于纯无掺杂SiO₂的相对折射率的物质。不是掺杂物的一个或更多个其他物质可能存在于光纤的区域（芯），所述区域具有正相对折射率Δ。 

术语“模式”是导引模式的简称。如本文中所使用的术语单模光纤意指经设计以仅支持单一模式（对于较大长度的光纤（例如，至少几米））而在某些情况下可支持多个模式（对于短距离（例如，几十毫米））的光纤。多模光纤意指经设计以支持基本模式和至少一个高阶模式（对于较大长度的光纤）的光纤。 

模式的截止波长λ_C是最小波长，超出所述最小波长，一模式终止在光纤中传播。单模光纤的截止波长为最小波长，在所述最小波长下，光纤将仅支持一个传播模式。单模光纤的截止波长λ_C对应于高阶模式间的最高截止波长。通常最高截止波长λ_C对应于LP₁₁模式的截止波长。可在Jeunhomme的Single Mode Fiber Optics中第39-44页（1990年，纽约Marcel Dekker）中找到数学定义，其中理论上的光纤截止描述为波长，在所述波长下，模式传播常数变 成与外包层中的平面波传播常数相等。所述理论上的波长适用于无限长、笔直的光纤，所述光纤没有直径变化。 

工作波长λ为特殊光纤工作的波长，其中示范性第一工作波长和示范性第二工作波长为1310nm和1550nm，所述工作波长通常在电信系统中使用，所述电信系统包括本文中所公开类型的光纤连接器。 

如在下文中所使用的用语“SMF-28e光纤”指的是由纽约Corning的Corning,Inc.制造的特殊类型的单模光纤。术语“SMF-28e”是Corning,Inc的注册商标。 

图1为常用示范性光纤连接器（“连接器”）10的示意性横截面图，所述光纤连接器通常基于来自纽约Corning的Corning,Inc.的

光纤连接器。连接器10包括短光纤20，所述短光纤20具有相对的末端22和末端24，且在实例中，所述短光纤20具有在从13mm到20mm的范围之内的长度L。短纤维20由短对齐构件30（例如，套管）支撑，且在实例中，短光纤使用（例如）环氧树脂紧固在所述短对齐构件30中。短对齐构件30具有平直面或末端32，所述平直面或末端32经工厂抛光以使得相应短光纤末端22也被抛光。 

光纤连接器10还包括场光纤（“场光纤”）40，所述场光纤40具有末端42，且所述场光纤40通过对齐构件50（例如，套管）可操作地支撑。通过在短光纤20和场光纤40各自的末端24和末端42处对齐并接口连接所述两个光纤来将短光纤20光学地耦接到场光纤40。所述操作（例如）通过机械或熔接构件60来完成，所述机械或熔接构件60包括内部64，在实例中，所述内部64含有折射率匹配材料（例如，凝胶）66。 

图1还图示经配置以与连接器10配合的配合连接器10'的端部。配合连接器10'可为短光纤型的连接器，所述连接器包括对齐构件30'，所述对齐构件30'支撑在平直面32'处具有末端22'的短光纤。配合连接器10'还可以是构建在光纤跳线上的常规连接器。 

在如图1中图示的先前技术类型的连接器10中，标准单模光纤（SMF）通 常用于短光纤20。然而，如上文所论述，SMF通常并不严格地限于针对几厘米的短光纤长度在1310nm或1550nm的工作波长λ下的单模工作。在某些条件下（当SMF长度小于约5cm时），高阶模式可在SMF中传播。因此，在下文的论述中，单模（SM）光纤20描述为具有多模光纤的某些属性，例如群折射率差Δn_gSM。 

对于长度为几米的标准SMF而言，高阶模式被完全减弱，且因此没有观测到。然而，长度明显更短（例如，与短光纤20相关联的所述长度）时，SMF可在高阶模式下输送有效功率。此外，对于标准SMF，基本模式与高阶模式之间的群折射率差Δn_g可能非常大。因此，在SMF中行进越过不同光路的光可能干扰，从而导致前述不利MPI。 

图2为在未对齐配置下的连接器10'的SM短光纤20'、连接器10的SM短光纤20和连接器10的场光纤40的近视图，在图1的连接器10'和连接器10配合时可能出现所述未对齐配置。图2中图示的三个光纤在接口I1和接口I2处光学耦接。在所述配置中，短光纤20'为发射光纤，且场光纤40为接收光纤。 

图1和图2的光纤20'和光纤20图示为在接口I1处相对于彼此未对齐（偏移），而光纤20和光纤40图示为在接口I2处相对于彼此未对齐。所述未对齐可能且确实在实践中发生。 

如图2的下半部分所图示，基本模式LP₀₁在连接器10'的短光纤20'中朝向短光纤20行进。因为短光纤20和短光纤20'未对齐，所以基本模式LP₀₁激发高阶LP₁₁模式以在短光纤20中行进，以使得现在基本模式LP₀₁和高阶模式LP₁₁两个都在SM短光纤20中行进。当所述两个模式遭遇未对齐SM场光纤40时，短光纤20的基本LP₀₁模式主要耦合到场光纤40的基本LP₀₁模式。短光纤20的基本LP₀₁模式的一些光也耦合到场光纤40的高阶LP₁₁模式。类似地，短光纤20的高阶LP₁₁模式主要耦合到场光纤40的高阶LP₁₁模式。短光纤20的高阶LP₁₁模式的一些光也耦合到场光纤40的基本LP₀₁模式。在SM场光纤40 中传播一定长度后，LP₁₁模式被截止，并且仅基本LP₀₁模式在所述SM场光纤40中行进。如图示，通过光检测器70和相应电信号S70最终检测到来自基本LP₀₁模式的光。因为来自短光纤20的LP₀₁模式和LP₁₁模式具有不同相位，所以由于干扰影响，场光纤40中的激发LP₀₁模式的功率展现出作为波长的函数的振荡行为。与高阶模式LP₁₁相关联的光流失。 

还指出，已用作常用连接器10中的短光纤20的SM光纤一直是经设计以满足用于电信系统中长距离传输的ITU G.652标准的SMF。然而，短光纤明显短距离工作，且因此不需要满足所述特殊标准。因此，由于与并非设计用作短光纤的现成SMF相关联的限制，本文中所公开的用作短光纤的光纤100经设计以最优化连接器性能，并且所述光纤100不受性能制约。 

梯度折射率多模光纤 

本公开案的一方面是针对一种梯度折射率多模光纤，所述梯度折射率多模光纤具有实质上匹配标准SMF的单模MFD_SM的MFD_MM。梯度折射率多模光纤经配置以最小化基本模式LP₀₁与高阶模式之间的模式延迟或群折射率差Δn_g。因为MPI周期与基本模式与高阶模式之间的群折射率差Δn_g成反比，所以不利的MPI影响实质上可通过降低或最小化群折射率差来降低。本文中所公开的梯度折射率多模光纤在连接器中可用作短光纤以降低插入损失。另外，所述梯度折射率多模光纤具有以下优势：所述梯度折射率多模光纤可使用现有多模光纤生产工艺来制造。 

再次参考图2，通过场光纤40传输的光学功率的量取决于两个光学接口（接头）I1和I2处的耦接或传输效率。传输效率通过两个接口连接光纤之间的未对齐（偏移）量、所述接口连接光纤在第一接口和第二接口处的定向（角度）和光纤内行进的光的偏振来决定。所传输的光学功率的量还取决于光纤中越过光纤段的长度的高阶模式的衰减和不同模式之间的延迟。短光纤可具有在 从10mm到20mm的范围之内的长度L，其中15mm到20mm是典型的。 

传输效率η可在数学上表达为： 

$\mathrm{\&eta;}={\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(2\right)}+\underset{l,m}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&eta;}}_{01\mathrm{lm}}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{lm}01}^{\left(2\right)}{e}^{-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{lm}}L}+\underset{l,m}{\mathrm{\&Sigma;}}2\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(2\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{01\mathrm{lm}}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{lm}01}^{\left(2\right)}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{lm}}}{2}L}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&Delta;n}}_{\mathrm{lm}}L}{\mathrm{\&lambda;}}\right)---\left(1\right)$

在多数情况下，LP₁₁模式为主要高阶模式，在此情况下： 

$\mathrm{\&eta;}={\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(2\right)}+{\mathrm{\&eta;}}_{0111}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{1101}^{\left(2\right)}{e}^{-{2\mathrm{\&alpha;}}_{11}L}+2\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(2\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{0111}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{1101}^{\left(2\right)}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{11}}{2}L}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&Delta;n}}_{11}L}{\mathrm{\&lambda;}}\right)---\left(2\right)$

其中

是LP₀₁模式从发射光纤到短光纤的耦合系数，

是从短光纤到接收光纤的耦合系数，

是从LP₀₁模式到高阶模式LP_lm的耦合系数，

是第二接头处从LP_lm模式到LP₀₁模式的耦合系数，Δn_lm是LP_lm模式与LP₀₁模式之间的有效折射率差，λ是来自相干光源（未图示）的光的工作波长，且α_lm是LP_lm模式的衰减系数并且并不与和有效折射率分布Δ相关联的α参数混淆。 

根据式(2)，传输效率起伏可表达为： 

$\frac{\mathrm{d\&eta;}}{\mathrm{d\&lambda;}}=\frac{4\mathrm{\&pi;L}}{{\mathrm{\&lambda;}}^2}({\mathrm{\&Delta;n}}_{11}-\frac{{\mathrm{d\&Delta;n}}_{11}}{\mathrm{d\&lambda;}})\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(2\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{0111}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{1101}^{\left(2\right)}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{11}}{2}L}\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&Delta;n}}_{11}L}{\mathrm{\&lambda;}}\right)$ $\left(3\right).$

$=\frac{4\mathrm{\&pi;L}}{{\mathrm{\&lambda;}}^2}{\mathrm{\&Delta;n}}_{g11}\sqrt{{\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{0101}^{\left(2\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{0111}^{\left(1\right)}{\mathrm{\&eta;}}_{1101}^{\left(2\right)}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{11}}{2}L}\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&Delta;n}}_{11}L}{\mathrm{\&lambda;}}\right)$

图3为工作λ（微米）对传输率（dB）的图表且图示示范性常用短光纤的示范性传输效率，其中图表中图示约32nm的峰到峰波长间隔Δλ。根据式(3)，峰到峰波长间隔（即，传输起伏波长间隔）可通过以下关系获得： 

Δλ＝λ²/(Δn_g11L)，   (4) 

其中Δn_g11为LP₁₁模式对LP₀₁模式的群折射率差，且L为光纤的长度。作为参考，对于由SMF-28e光纤制成的短光纤，如图表中所图示，群折射率差Δn_g11=0.004、工作波长λ=1310nm及长度L=13.3mm产生约32nm的传输起伏波长间隔Δλ（对于L=15mm，Δλ为约29nm）。所述大小的传输起伏波长间隔Δλ相对较短且体现为MPI出现在所述长度的短光纤的高可能性。 

在示范性实施方式中，在λ=1310nm的工作波长下，本文中所公开的光纤100具有在从13mm到20mm的范围之内且具有传输起伏波长间隔Δλ≥50nm，且在另一实例中，Δλ≥100nm，且在另一实例中，Δλ≥200nm。 

一般来说，式(4)中的表达可含有Δn_g，Δn_g表示基本模式LP₀₁与任意高阶模式之间的群折射率差。在许多实例中，近似值Δn_g11≈Δn_g是适合的，例如，当高阶模式LP₁₁为主要或唯一的高阶模式时。 

式(3)和式(4)展示存在三个影响传输中的起伏的主要因素：高阶模式的损失、群折射率差Δn_g和光纤接口处的耦合系数。通过增加高阶模式的损失、通过降低群折射率差Δn_g同时最优化耦合系数或通过所述影响的组合可使得传输起伏波长间隔Δλ变大。 

图4为根据本公开案的一个实施方式的示范性梯度折射率多模光纤（“光纤”）100的横截面视图。光纤100具有芯区域（“芯”）110和包层区域（“包层”）120，所述芯区域110具有半径r₀，且所述包层区域120直接包围芯。在实例中，芯110包含纯硅石玻璃（SiO₂）或具有一或多种掺杂物的硅石玻璃，所述一或多种掺杂物在r=0（即，在光纤中心轴A₀上）时增加梯度折射率形式的相对折射率Δ至最大Δ₀且在r=r₀时单调减小至值Δ=0。合适的掺杂物包括GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅及Ta₂O₅以及所述物质的组合。示范性包层120具有均匀（即，恒定）相对折射率Δ=0达到包层外半径r_F。 

本文所公开的光纤100具有相对小的群折射率差Δn_g用于降低MPI，而MFD实质上与连接器中通常使用的SMF的MDF匹配。因此，在实例中，选择关键的相对折射率分布参数（Δ₀、α、r₀）以最小化群折射率差Δn_g（此最小化了导引模式之间的延迟）且实质上使MFD与典型SMF的MFD匹配。在实例中，光纤100具有在从实质上0到2x10^-4的范围之内的群折射率差Δn_g。 

在一个实例中，Δ₀在从0.4%到2.5%的范围之内，而在另一实例中，Δ₀在从0.5%到2%的范围之内，且在另一实例中，Δ₀在从0.7%到2%的范围之内。也在实例中，芯大小（半径）r₀在从6μm到20μm的范围之内，而在另一 实例中，r₀在从7μm到16μm的范围之内，而在又一实例中，r₀在从8μm到16μm的范围之内。也在实例中，参数α在从1.9到4.1的范围之内，而在另一实例中，α在从1.9到2.5的范围之内，而在又一实例中，α在从1.95到2.15的范围之内。 

图5为光纤100的三个不同设计实例DE1到DE3的Δ(%)对r(μm)的图表。表1在下文概述，对于每一设计实例，参数最小化在1310nm和1550nm下的群延迟并提供MFD_MM，MFD_MM实质上匹配典型单模发射及接收光纤的MFD_SM。对于典型SMF，MFD_SM在1310nm下介于8.2μm与9.7μm之间且在1550nm下介于9.2μm与10.9μm之间。在下表中，λ_C为LP₁₁模式的截止波长。 

图6的图表表示设计实例DE1的在1310nm和1550nm的工作波长λ下的群折射率差Δn_g对有效折射率n_eff。设计实例DE1具有芯半径r₀=15.2μm、最大相对折射率Δ₀=2%及α=1.99。MFD_MM在1310nm下为9.2μm且在1550nm下为10.1μm。MFD_MM的所述值实质上与用作场光纤的SMF的MFD_SM的标称值相同，所述SMF在1310nm和1550nm下分别具有9.2μm和10.4μm 的MFD。在光纤100的实例中，在1310nm和1550nm的工作波长λ下，模场直径MFD_MM满足0.9≤MFD_MM/MFD_SM≤.1。 

在1310nm下存在9个模式群且在1550nm下存在8个模式群。对于在1310nm和1550nm的波长下的前7个模式群，可达到前6个模式群的群折射率差Δn_g<2x10^-4，所述群折射率差Δn_g<2x10^-4比典型SMF的群折射率差Δn_gSM（当所述SMF作为多模光纤工作时）小20倍。所述情况将峰到峰传输起伏波长间隔Δλ从29nm增加到580nm。对于前两个模式群LP₀₁和LP₁₁（所述模式群为用于PI的主要模式），群折射率差Δn_g<2x10^-5，所述群折射率差Δn_g<2x10^-5比典型SMF的群折射率差Δn_gSM小200倍。这意味着比起典型SMF，MPI影响不太可能在光纤100中出现。 

因此，在示范性实施方式中，SMF群折射率差与光纤100的群折射率差的Δn_gSM/Δn_g比值在2≤Δn_gSM/Δn_g≤300的范围之内，其中在所述范围之内的示范性值为Δn_gSM/Δn_g=20及200。因此，在实例中，可使传输起伏波长间隔Δλ变大20与200之间的倍数，所述传输起伏波长间隔Δλ与群折射率差（参见上文式4）成反比。 

图7为与图6相同但为针对设计实例DE2的图表。设计实例DE2具有芯半径r₀=10.1μm、最大相对折射率Δ₀=0.94%及α=2.01。MFD_MM在1310nm下为9.2μm且在1550nm下为10.1μm。在1310nm下存在5个模式群且在1550nm下存在4个模式群。对于在1310nm和1550nm的波长下的前2到3个模式群，可达到群折射率Δn_g<2x10^-4（所述群折射率再次比所述的SMF-28e光纤的群折射率小20倍）。所述情况将在具有长度L=15mm的前述示范性短光纤中的峰到峰传输起伏波长间隔Δλ从29nm增加到580nm且因此减小不利MPI影响的可能性。 

图8A和图8B类似于图6和图7且分别图示设计实例DE3在1310nm和1550nm下的群折射率差Δn_g。设计实例DE3具有芯半径r₀=7.1μm、最大相对折射率Δ₀=0.5%及α=3.5。随着芯半径减小，Δn_g取决于α和r₀， 其中最优值在α为约3.5时产生。对于群折射率差Δn_g=3x10^-4，传输起伏波长间隔Δλ超过300nm，比SMF-28e光纤的传输起伏波长间隔大超出10倍。这实质上降低可能在光纤用作短光纤100时所发生的MPI量。 

图9为光纤100的四个额外设计实例DE4到DE7的图表，所述图表类似于图4的图表。四个示范性光纤100使用外气相沉积法制成。图9的图表图示所有四个相对折射率分布具有略低于2%的最大Δ（即，Δ₀），其中芯半径为约15μm。下表2图示四个设计实例DE4到DE7中每一个设计实例的MFD_MM和Δn_g的计算值。 

设计实例DE4到DE7在1310nm下的MFD_MM值在从9.1mm到9.3mm的范围之内，而在1550nm下在从9.9mm到10.1mm的范围之内。所述MFD_MM值非常接近标准单模光纤的MFD_SM值。设计实例DE4到DE7的Δn_g在1310nm下低于5.3x10^-5且在1550nm下低于3.4x10^-5。 

图10类似于图1且图示连接器200的示范性实施例，所述连接器200类似于连接器10但包括用作多模短光纤的光纤100，所述光纤100具有相对的末端102和末端104。如上文所论述，将光纤100用作短光纤降低MPI不利影 响。这是因为光纤100经设计以与单模发射光纤和单模接收光纤相容，所述单模发射光纤和单模接收光纤与连接器相关联并且有意地以降低不利MPI影响的方式支持多个模式。 

对本领域技术人员将显而易见的是，可在不脱离本公开案的精神或范围的情况下对如本文所描述的公开案的优先实施方式做出各种修改。因此，如果修改及变化在所附权利要求书和所述权利要求书的等效物的范围内，那么本公开案涵盖所述修改及变化。 

Claims (27)

1.一种用于光纤连接器的梯度折射率多模光纤，所述光纤连接器具有工作波长λ，所述梯度折射率多模光纤包含：

芯，所述芯具有半径r₀与直接包围所述芯的包层，其中所述芯和所述包层支持基本模式和至少一个高阶模式，所述芯和所述包层定义模场直径MFD_MM和相对折射率分布Δ，其中Δ通过以下关系定义：

$\mathrm{\&Delta;}={\mathrm{\&Delta;}}_0[1-{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}],$

其中r为径向坐标，Δ₀为r=0时的最大相对折射率，且α为分布参数；且

其中，所述芯半径r₀在从6μm到20μm的范围之内，Δ₀在从0.4%到2.5%的范围之内，α在从1.9到4.1的范围之内，并且所述模场直径MFD_MM在所述工作波长为λ=1310nm时介于8.2μm与9.7μm之间且在所述工作波长为λ=1550nm时介于9.2μm与10.9μm之间。

2.根据权利要求1所述的光纤，所述光纤进一步包含在所述工作波长中的任一工作波长下所述基本模式与所述至少一个高阶模式之间的群折射率差Δn_g<2x10^-3。

3.根据权利要求1或权利要求2中任一权利要求所述的光纤，所述光纤进一步包含传输起伏波长间隔，所述传输起伏波长间隔定义为：Δλ＝λ²/(Δn_g11L)，其中L为所述光纤的长度，且L在从13mm到20mm的范围之内，并且Δn_g11为所述基本模式LP₀₁与所述高阶模式LP₁₁之间的群折射率差，且其中在所述工作波长为λ=1310nm下Δλ≥50nm。

4.一种光纤连接器，所述光纤连接器包含：

具有第一端的短光纤，所述短光纤通过第一对齐构件可操作地支撑并由根据权利要求1所述的长度为L的所述多模光纤构成；及

单模场光纤，所述单模场光纤具有第二端且相对于所述第一对齐构件通过第二对齐构件可操作地支撑，以使得所述短光纤和所述场光纤的所述各自的第一端和第二端可操作地对齐并接口连接。

5.根据权利要求4所述的光纤连接器，其中所述短光纤的所述长度L在从15mm到20mm的范围之内。

6.根据权利要求4或权利要求5中任一权利要求所述的光纤连接器，所述光纤连接器进一步包含拼接构件，所述拼接构件经配置以可操作地对齐并接口连接所述短光纤与所述场光纤。

7.根据权利要求6所述的光纤连接器，其中所述拼接构件进一步包含含有折射率匹配材料的内部。

8.一种用于光纤连接器的梯度折射率多模光纤，所述光纤连接器具有工作波长λ和单模光纤（SMF），所述单模光纤具有模场直径MFD_SM和第一群折射率差Δn_gSM，所述梯度折射率多模光纤包含：

梯度折射率芯，所述梯度折射率芯具有半径r₀和相对折射率分布Δ，所述相对折射率分布Δ具有最大相对折射率Δ₀；

直接包围所述芯的包层，所述包层具有恒定相对折射率分布，其中所述芯和所述包层支持多个导引模式；

模场直径MFD_MM，所述模场直径MFD_MM实质上与所述SMF模场直径MFD_SM相同；及

多模群折射率差Δn_g，以使得所述Δn_gSM/Δn_g比值满足2≤Δn_gSM/Δn_g≤300。

9.根据权利要求8所述的光纤，其中所述芯半径r₀在从6μm到20μm的范围之内，Δ₀在从0.4%到2.5%的范围之内，α在从1.9到4.1的范围之内，并且所述模场直径MFD_MM在所述工作波长为λ=1310nm时介于8.7μm与9.7μm之间且在所述工作波长为λ=1550nm时介于9.9μm与10.9μm之间。

10.根据权利要求8或权利要求9中任一权利要求所述的光纤，其中所述多个模式包括基本模式LP₀₁和第一高阶模式LP₁₁，且所述光纤进一步包含针对工作波长λ为1310nm和1550nm在所述LP₀₁模式与所述LP₁₁模式之间的群折射率差Δn_g11<2x10^-3。

11.根据权利要求9所述的光纤，所述光纤进一步包含传输起伏波长间隔，所述传输起伏波长间隔定义为：Δλ＝λ²/(Δn_g11L)，其中L=15mm为所述光纤的长度，且其中针对工作波长λ=1310nm，Δλ≥50nm。

12.一种光纤连接器，所述光纤连接器包含：

多模短光纤，所述多模短光纤具有第一端并且通过第一对齐构件可操作地支撑，所述多模短光纤由根据权利要求8所述的长度为L的所述多模光纤构成；及

单模场光纤，所述单模场光纤具有第二端且相对于所述第一对齐构件通过第二对齐构件可操作地支撑，以使得所述多模短光纤和所述单模场光纤的所述各自的第一端和第二端可操作地对齐并接口连接。

13.根据权利要求12所述的光纤连接器，其中所述短光纤的所述长度L在从15mm到20mm的范围之内。

14.根据权利要求12或权利要求13中任一权利要求所述的光纤连接器，所述光纤连接器进一步包含拼接构件，所述拼接构件经配置以可操作地对齐并接口连接所述短光纤与所述单模场光纤。

15.根据权利要求14所述的光纤连接器，其中所述拼接构件进一步包含含有折射率匹配材料的内部。

16.一种光纤连接器，所述光纤连接器包含：

单模场光纤，所述单模场光纤具有末端以及模场直径MFD_SM和群折射率差Δn_gSM；

第一对齐构件，所述第一对齐构件可操作地支撑所述场光纤；

短光纤，所述短光纤具有末端；

第二对齐构件，所述第二对齐构件可操作地支撑所述短光纤以使得所述短光纤末端和所述场光纤末端被对齐并接口连接；且

其中所述短光纤由一段多模光纤构成，所述多模光纤包含：a)梯度折射率芯，所述梯度折射率芯具有半径r₀和折射率分布Δ，所述折射率分布Δ具有最大相对折射率Δ₀；b)包层，所述包层直接包围所述芯，所述包层具有恒定相对折射率分布，其中所述芯和所述包层支持多个导引模式；c)模场直径MFD_MM，所述MFD_MM实质上与所述场光纤的所述模场直径MFD_SM相同；和d)多模群折射率差Δn_g，其中2≤Δn_gSM/Δn_g≤300。

17.根据权利要求16所述的光纤连接器，其中所述短光纤长度介于15mm与20mm之间。

18.根据权利要求17所述的光纤连接器，其中所述芯半径r₀在从6μm到20μm的范围之内。

19.根据权利要求18所述的光纤连接器，其中Δ₀在从0.4%到2.5%的范围之内。

20.根据权利要求19所述的光纤连接器，其中所述相对折射率分布具有在从1.9到4.1的范围之内的α参数。

21.根据权利要求16到权利要求20中任一权利要求所述的光纤连接器，其中所述短光纤的所述模场直径MFD_MM在1310nm的第一工作波长下介于8.7μm与9.7μm之间且在1550nm的第二工作波长下介于9.9μm与10.9μm之间。

22.一种用于光纤连接器的梯度折射率多模短光纤，所述光纤连接器在工作波长下工作且具有单模场光纤，所述单模场光纤具有群折射率差Δn_gSM及模场直径，所述梯度折射率多模短光纤包含：

芯，所述芯具有半径r₀及相对折射率Δ，所述相对折射率Δ具有在从1.9到4.1的范围之内的α参数；及

包层，所述包层直接包围所述芯且具有恒定相对折射率，所述芯和所述包层经配置以支持多个导引模式，同时在1310nm和1550nm的工作波长λ下具有满足2≤Δn_gSM/Δn_g≤300的群折射率差Δn_g和满足0.9≤MFD_MM/MFD_SM≤1.1的模场直径MFD_MM。

23.根据权利要求22所述的光纤连接器，其中所述短光纤具有在从13mm到20mm的范围之内的长度。

24.根据权利要求23所述的光纤连接器，其中所述芯半径r₀在从6μm到20μm的范围之内。

25.根据权利要求24所述的光纤连接器，其中Δ₀在从0.4%到2.5%的范围之内。

26.根据权利要求22到权利要求25中任一权利要求所述的光纤连接器，其中所述相对折射率分布具有在从1.8到4.1的范围之内的α参数。

27.一种光纤连接器，所述光纤连接器包含：

根据权利要求22所述的所述短光纤，其中所述短光纤具有末端；

第一对齐构件，所述第一对齐构件可操作地支撑所述短光纤；及

第二对齐构件，所述第二对齐构件可操作地支撑所述场光纤，以使得所述短光纤和所述单模场光纤的所述各自的末端可操作地对齐并接口连接。

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