CN103430063A - 具有管状光学芯的光纤 - Google Patents

Abstract

一种设备的实施例包含光纤，对于所述光纤，在光学电信频率下的传播模式的完全正交基包含所述传播模式中的具有不同角动量的若干传播模式。所述光纤具有管状光学芯及接触且环绕所述管状光学芯的外光学包层。所述管状光学芯具有大于所述光学包层的折射率。所述管状光学芯经配置使得所述传播模式中的其角动量具有所述传播模式的最低量值的那些传播模式具有实质上相同的径向强度分布。

Description

具有管状光学芯的光纤

相关申请案交叉参考

本申请案主张标题为“具有管状光学芯的光纤(OPTICAL FIBERS WITH TUBULAROPTICAL CORES)”且由克里斯托弗·多尔(Christopher Doerr)及彼得J·文策尔(Peter J.Winzer)在2011年3月5日申请的美国临时申请案61/464,476的权益。

技术领域

本发明涉及光纤以及用于制作及使用光纤的方法。

背景技术

本章节介绍可有助于促进更好地理解本发明的方面。因此，本章节的陈述应就此来阅读而不应理解为对关于什么在现有技术中或什么不在现有技术中的认可。

在光学通信系统中，一系列的一个或一个以上跨的光纤通常将来自光学发射器的数据载运到光学接收器。可将光纤制作为具有一个或多个传播模式以用于具有普通光纤电信带(例如，C带或L带)中的波长的光。在多模式光纤中，可获得多个传播模式，且所述传播模式中的每一者可载运不同的数据流或不同数据流的线性组合。因此，多模式光纤可能够在给定频带中支持比单模式光纤大的数据传输速率。

发明内容

一种第一设备的实施例包含光纤，对于所述光纤，在光学电信频率下的传播模式的完全正交基包含所述传播模式中的具有不同角动量的若干传播模式。所述光纤具有管状光学芯及接触且环绕所述管状光学芯的外光学包层。所述管状光学芯具有大于所述光学包层的折射率。所述管状光学芯经配置使得所述传播模式中的具有最低量值的角动量的那些传播模式具有单个群组速度、所述传播模式中的具有第二最低量值的角动量的那些传播模式具有单个群组速度且所述传播模式中的具有第三最低量值的角动量的那些传播模式具有单个群组速度。

在一些实施例中，所述第一设备可进一步包含内光学包层，所述内光学包层填充所述管状光学芯且具有小于所述管状光学芯的折射率的折射率。

在第一设备的实施例中的任一者中，所述管状光学芯可具有在所述管状光学芯上径向变化的折射率。

在第一设备的上述实施例中的任一者中，所述管状光学芯可经配置使得对于所述角动量的每一特定量值，具有所述特定量值的角动量的那些传播模式具有相同的群组速度。

在第一设备的上述实施例中的任一者中，所述第一设备可包含：光学分光器或组合器，所述光学分光器或组合器将其光学第一端口光学连接到其N个光学第二端口；平面光学光栅；及N个光学波导。接着，每一光学波导具有位于所述光学第二端口中的对应一者附近且光学连接到所述对应一者的第一端且具有位于所述平面光学光栅附近的第二端。接着，所述平面光学光栅经配置以在所述光纤的邻近端与所述光学波导的第二端之间衍射光。在一些此类实施例中，所述光学第一端口可实质上仅光学耦合到所述传播模式中的一些传播模式，其中所述传播模式中的所述一些传播模式具有相同值的角动量。在一些此类实施例中，在所述光学第一端口与所述光纤之间传递的光学功率的至少90%在所述光学第一端口与所述传播模式中的所述一些传播模式之间传递。

一种第二设备包含光纤，对于所述光纤，在光学电信频率下的传播模式的完全正交基包含所述传播模式中的具有不同角动量的若干传播模式。所述光纤具有管状光学芯及接触且环绕所述管状光学芯的外光学包层。所述管状光学芯具有大于所述光学包层的折射率。所述管状光学芯经配置使得所述传播模式中的其角动量具有所述传播模式的最低量值的那些传播模式具有实质上相同的径向强度分布。

在第二设备的一些实施例中，所述角动量的量值可包含两个或两个以上不同值。接着，所述管状光学芯可经配置使得所述传播模式中的具有所述量值中的第二最低量值的所述角动量中的一者的那些传播模式具有实质上相同的径向强度分布。在一些此类实施例中，所述管状光学芯可经配置使得所述传播模式中的具有所述量值中的第三最低量值的所述角动量中的一者的那些传播模式具有实质上相同的径向强度分布。

在第二设备的实施例中的任一者中，所述第二设备可包含内光学包层，所述内光学包层填充所述管状光学芯且具有小于所述管状光学芯的折射率的折射率。在一些此类实施例中，所述内包层可含有其它结构，例如另一光学芯(例如，实心光学芯)。

在第二设备的实施例中的任一者中，所述角动量的量值可包含两个或两个以上不同值，且所述管状光学芯可经配置使得对于所述值中的每一特定者，所述传播模式中的其角动量具有所述值中的特定一者的量值的那些传播模式具有实质上相同的径向强度分布。

在第二设备的实施例中的任一者中，所述管状芯可具有平均折射率n_c，且所述光学包层的折射率可具有值n_OC。接着，所述管状光学芯的外半径减去所述管状光学芯的内半径的值可小于光纤电信L带中的波长/[2([n_c]²-[n_OC]²)^1/2]。

在第二设备的实施例中的任一者中，所述第二设备可进一步包含：光学分光器或组合器，所述光学分光器或组合器将其光学第一端口光学连接到其N个光学第二端口；平面光学光栅；及N个光学波导。在此类实施例中，每一光学波导具有位于所述光学第二端口中的对应一者附近且光学连接到所述对应一者的第一端且具有位于所述平面光学光栅附近的第二端，且所述平面光学光栅能够在所述光纤的一端与所述光学波导的第二端之间衍射光。在一些此类实施例中，所述光学第一端口可实质上仅光学耦合到所述传播模式中的具有相同值的角动量的一些传播模式。在一些此类实施例中，在所述光学第一端口与所述光纤之间传递的光学功率的约90%或更多可在所述光学第一端口与所述传播模式中的所述一些传播模式之间传递。此类实施例可进一步包含光学数据调制器或解调器，所述光学数据调制器或解调器经配置以从自所述光学第一端口接收的经调制光束解调数字数据流或用数字数据流调制光学载波且将所述经调制的光学载波发射到所述光学第一端口。

一种第三设备包含多模式光纤，所述多模式光纤具有管状光学芯及接触且环绕所述管状光学芯的外光学包层。所述管状光学芯具有大于所述光学包层的折射率。所述管状芯具有平均折射率n_c，且所述光学包层的折射率具有值n_OC。所述管状光学芯的外半径减去所述管状光学芯的内半径的值可小于光纤电信L带中的波长(在自由空间中)除以[2([n_c]²-[n_OC]²)^1/2]。

所述第三设备的一些实施例可进一步包含：光学分光器或组合器，所述光学分光器或组合器将其光学第一端口光学连接到其N个光学第二端口；平面光学光栅；及N个光学波导。接着，每一光学波导具有位于所述光学第二端口中的对应一者附近且连接到所述对应一者的第一端且具有位于所述平面光学光栅附近的第二端。所述平面光学光栅可经配置以在所述多模式光纤的邻近端与所述光学波导的第二端之间衍射光。在一些此类实施例中，在光学电信频率下的所述多模式光纤的传播模式的完全正交基包含所述传播模式中的具有不同角动量的若干传播模式。接着，所述光学波导可经构造使得所述光学第一端口实质上仅光学耦合到所述传播模式中的一些传播模式，其中所述传播模式中的所述一些传播模式具有相同值的角动量。

附图说明

图1是具有管状光学芯的多模式光纤的横截面图；

图2A到2C展示针对图1的光纤的实例的折射率的径向分布，对此折射率在管状光学芯中为恒定的；

图3A到3C展示针对图1的光纤的实例的折射率的径向分布，对此径向分布在管状光学芯为抛物线形的；

图4A到4C展示针对图1的光纤的实例的折射率的径向分布，对此径向分布在管状光学芯中为分段线性的；

图5示意性地图解说明图1中图解说明的具有管状芯的光纤的实例的传播模式的电场量值的分布；

图6示意性地图解说明在图1中所图解说明的具有管状芯的光纤的另一实例中传播模式的电场量值的分布；

图7示意性地图解说明在图1中所图解说明的具有管状芯的光纤的另一实例中传播模式中的一些传播模式的电场量值的分布及投射方向；

图8是示意性地图解说明一种制作具有管状光学芯的光纤(例如，图1的光纤)的方法的流程图；

图9A是示意性地图解说明一种设备的框图，所述设备包含用于端耦合到多模式光纤(例如，图1的光纤)的光学耦合器；

图9B是图解说明图9A的光学耦合器及多模式光纤的相对配置的侧视图；且

图10是其中各种光学芯为管状光学芯的多芯光纤的实施例的横截面图。

在各图及文本中，相似参考符号指示具有相似或相同功能和/或相似或相同结构的元件。

在所述图中，可扩大一些特征的相对尺寸以更清晰地图解说明本文中的特征和/或与其它特征的关系。

本文中，通过各图及具体实施方式来更全面地描述各种实施例。然而，本发明可以各种形式来体现且并不限于各图及具体实施方式中描述的实施例。

具体实施方式

本申请案以全文引用的方式并入有2011年3月5日申请的第13/041366号美国专利申请案及2011年3月5日申请的第13/041366号美国专利申请案。

图1图解说明多模式光纤10。多模式光纤10包含管状光学芯12及环绕且接触管状光学芯12的外光学包层14。管状光学芯12具有环形横截面。管状光学芯12中的折射率n_C大于外光学包层14中的折射率n_OOC，即，n_C>n_OOC。

在一些实施例中，多模式光纤10还包含填充管状光学芯12内部的任选内光学包层16。此类任选内光学包层16具有小于管状光学芯12中的折射率n_C的折射率n_IOC，即，n_C>n_IOC。

图2A-2C、3A-3C及4A-4C图解说明可用于图1的光纤10中的折射率(RI)的不同径向分布的一些实例。在所述径向分布中，径向距离针对内光学包层16在范围[0,R₁]中、针对管状光学芯12在范围[R₁,R₂]中且针对外光学包层14大于R₂。本文中，径向距离是从光纤(例如，多模式光纤10)的轴线来说的。

管状光学芯12可具有对距光纤10的轴线的径向距离R具有各种相依性的折射率n_C。举例来说，管状光学芯12中的折射率n_C可如图2A-2C中所图解说明为径向恒定的，可如图3A-3C中所图解说明在其中为抛物线径向变化的或可如图4A-4C中所图解说明以分段线性方式径向变化的。

内光学包层16及外光学包层14的折射率可具有各种关系。如图2A、3A及4A中所图解说明，在内光学包层16及外光学包层14中折射率可为相等的。或者，如图2B、3B及4B中所图解说明，内光学包层16的折射率可小于外光学包层14的折射率。在图2B、3B及4C中，管状光学芯12可(例如)环绕空的或填充的区域16。或者，如图2C、3C及4C中所图解说明，内光学包层16的折射率可大于外光学包层14的折射率。

管状光学芯12、外光学包层14及任选内光学包层16可由各种类型的玻璃制成，例如，常规掺杂或未掺杂的石英玻璃、实质上透明的聚合物或硫化物玻璃。举例来说，管状光学芯12及光学包层14、16可由石英玻璃或硫化物玻璃形成，或管状光学芯12可由石英玻璃或硫化物玻璃形成，且外光学包层14及内光学包层16中的一者或两者可由实质上透明的聚合物形成。

由于折射率分布关于光纤的轴向对称性，光纤10具有一简单传播模式集合，所述传播模式相互正交、经归一化且在频率ω(例如，光纤电信C带或L带中的频率)下形成完全基。在简单基中，传播模式中的每一者具有例如形式为

的电场及例如形式为

的磁场

其中Re[A]为向量A的实部。此处，R、z及

为一圆柱坐标集合，其分别界定距光纤的轴的径向距离、沿着光纤的轴的纵向距离及围绕光纤的轴的角方向。在每一传播模式中，k为模式的波数，且m为模式的角动量。角动量m是在角动量算子的作用下模式的角本征函数

的本征值。本文中，模式的角动量是相对于模式的功率围绕其局部化的光学芯中心来界定的，且如果在外光学包层14的外表面上传播模式的功率密度非常小，那么所述表面关于管状光学芯12可不径向对称。径向函数E_[ω,m](R)及H_[ω,m](R)界定了模式的E场及H场对距多模式光纤10的轴的径向距离R的相依性。光纤的折射率对光纤中的纵坐标(即，坐标z)及光纤中的角坐标(即，坐标)两者的相依性产生简单基的传播模式的电场E及磁场H的上述特殊本征函数。

图5的板A到J及图6的板A’到G’示意性地图解说明多模式光纤10的相应第一及第二实例中的简单基的传播模式的电场量值的所计算横截面分布。在每一板A到J及A’到G’中，较暗区指示其中传播模式具有较大量值的电场的区域。

在多模式光纤10的这些第一及第二实例中，管状光学芯12的大小不同。在第一实例中，管状光学芯12的内半径R₁比在第二实例中小。多模式光纤10的这两个实例的传播模式的分布的比较可图解说明传播模式的特殊基如何随着管状芯12的内宽度而改变的一些定性方面。

从图5及6的板A到J及A’到G’，可猜测出对应传播模式的角动量本征值m。特定来说，具有量值|m|的角动量本征值的模式在其沿着围绕光纤10的轴的2|m|方位角方向的电场中具有零。

基于此规则，图5的板A、B、C、D、E、F、G、H、I及J图解说明其角动量本征值分别具有0、1、2、3、4、5、6、0、1及2的量值|m|的传播模式的横截面分布。图5的横截面分布A到I对应于36个相对正交传播模式的集合。为了理解相对正交传播模式的计数，应注意，针对每一(横截面分布、角动量本征值)对存在具有局部正交偏振的若干传播模式，且针对每一非零角动量本征值m存在反号的两个角动量本征值，即，+m及-m。因此，板A及H中的每一者中的横截面分布对应于2个传播模式，且板B到G及I到J中的每一者中的横截面分布对应于4个传播模式。

人们通常将怀疑，这些传播模式的强度分布将具有与电场量值的分布在定性上相似的形式。出于所述原因，图5似乎指示所述基包含具有相同的角动量本征值及实质上不同的径向强度分布的传播模式。特定来说，两个径向强度分布在所述两个分布具有不同数目的最大值和/或最小值和/或具有位于距光纤的轴不同径向距离处的最大值和/或最小值时为实质上不同的。特定来说，板A及H似乎指示实质上不同的径向强度分布但相同的角动量本征值，即，m=0；板B及I似乎指示实质上不同的径向强度分布，但针对每一分布相同的角动量本征值集合，即，m=1及-1；且板B及I似乎指示实质上不同的径向强度分布，但针对每一分布相同的角动量本征值集合，即，m=2及-2。因此，图5中所图解说明的传播模式集合针对m的固定值包含径向本征函数(即，{E_[ω,m](R),H_[ω,m](R)})的相差大于局部偏振的一旋转的一些重数。具有相同角动量本征值的每一传播模式集合包含非常不同形式的径向强度分布，例如，实质上不同的径向分布。由于非常不同的径向分布，具有相同角动量本征值的此类传播模式集合在多模式光纤10中通常将也具有不同的模式速度。

出于上文所论述的原因，图6的板A、B、C、D、E及F似乎图解说明其角动量分别具有0、1、2、3、4、5及6的量值|m|的传播模式的横截面强度分布。图6的板A到F的分布将似乎对应于26个相对正交传播模式的集合。特定来说，具有局部正交偏振的两个传播模式将产生电场量值的相同横截面分布，且对于具有非零角动量本征值的每一传播模式，应存在具有相反角动量本征值及电场量值的相同横截面分布的另一模式。

不同于图5中所图解说明的传播模式集合，除偏振旋转以外，图6的传播模式集合似乎不指示一些角动量本征值的多个传播模式。因此，针对m的每一值，图6中所图解说明的传播模式集合似乎包含仅单个对径向本征函数，即，{E_[ω,m](r),H_[ω,m](r)}，其中两个径向本征函数对应于其偏振相差一旋转的传播模式。因此，图6似乎指示对于角动量本征值的每一值，正交归一化传播模式的对应完全集合不包含具有不同或实质上不同的径向强度分布的两个此种模式。

以下观测暗示一些结论：在内半径R₁不同的多模式光纤10的上述实例中，传播模式的基具有在定性上不同的形式。对于具有足够大内半径R₁的管状光学芯12，光纤10针对每一容许值集合(m,ω)至多具有两个相对正交光学传播模式。对于每一对值(m,ω)，两个正交传播模式具有局部正交偏振。特定来说，麦克斯韦方程式针对每一容许折射率集合(m,ω)至多提供两个函数集合(E_[ω,m](r),H_[ω,m](r))以界定传播模式的电场及磁场的径向相依性，其中两个场通过偏振的旋转而相关。实际上，预期针对内半径R₁的足够大的值，传播模式不包含具有相同(m,ω)及实质上不同的径向强度分布的多个模式。

实际上，具有相同(m,ω)及实质上不同的径向强度分布的多个传播模式的拟缺失可为有利的，即，最多达具有局部旋转场的模式。对于具有传播模式的此特殊完全规范正交基的多模式光纤10的特殊实施例，可使用一些光学耦合器将光实质上端耦合到多芯光纤10的仅那些具有预选角动量本征值的传播模式中。相比之下，此类光学耦合器似乎难以配置为以任何所要径向强度分布将光端耦合到多模式光纤10的实例中。也就是说，在多模式光纤的一些实例中，如果光纤10包含具有相同角动量本征值(即，相同(m,ω))及实质上不同的径向强度分布的传播模式，那么此光学耦合器可激发不同的传播模式。另外，通常将预期此类传播模式在光纤10中具有不同模式速度(即，即使所述模式具有相同(m,ω))，因为其不同径向强度分布通常将不同地对多模式光纤的不同折射率的径向部分进行取样。因此，将预期甚至在具有不同径向强度分布的此类传播模式具有相同(m,ω)时，所述传播模式也行进不同时间以由多模式光纤10的此实例从本地发射器输送到远程光学接收器。在光学通信中，将预期移除与相同角动量本征值(即，相同(m,ω))及实质上不同的径向强度分布的此类传播模式的激发相关联的干扰需要在长时间间隔内的均衡，即，由于显著不同的模式速度所致。

因此，多模式光纤10的一些特殊构造似乎具有传播模式的完全规范正交基，其中在具有相同角动量本征值(即，对于角动量本征值中的一些或所有值)的传播模式当中不存在实质上不同的径向强度分布。出于此原因，图1的多模式光纤10的其中管状芯12具有传播模式的此特殊完全基的此类构造可有利于端耦合到多模式光纤10。

发明人已认识到，在完全基的传播模式的频率ω处于光纤电信C带和/或光纤电信L带中时，图1的多模式光纤10的此类构造为可用的。相信光纤10的此类实例可用于各种类型的折射率分布，例如，如图2A到2C、3A到3C及4A到4C中所图解说明。

举例来说，可以如图2A中所图解说明的折射率分布的分段平坦径向分布来制作具有上文所要性质的光纤10的构造。为了制作一些此类实施例，可将管状光学芯12的横截面尺寸构造为满足：

R₂-R₁<λ/[2([n_c]²-[n_OC]²)^1/2]

在以上不等式中，λ为由多光纤10载运的光波长；n_c为管状光学芯12的折射率；n_OC为光学包层14、16的折射率；且R₁及R₂为管状光学芯12的相应内半径及外半径。预期此类实例在n_c/n_OC<<2时具有上文所要性质。在此类实施例中，发明人相信正交传播模式的数目N将大致以与管状光学芯12的平均半径成比例的方式增长。举例来说，相信数目N大致由下式给出：

N=(4π/λ)·(b[n_c ²-n_OC ²])^1/2(R₁+R₂)+2

在以上方程式中，数目“b”为超越方程式的解：

(2π/λ)·(R₂-R₁)·(n_c ²-n_OC ²)^1/2(1-b)^1/2=2·tan^-1((b/[1-b])^1/2)

此外，申请人相信管状光学芯的较大平均半径可减少模式色散。

图1及2A的多模式光纤10的上文所论述的特殊构造的特定实例可由(例如)掺杂的和/或未掺杂的石英玻璃制成。在所述特定实例中，管状光学芯12由(例如)在光纤电信C带或L带频率下具有折射率(1.45)·(1.003)的石英玻璃形成，且外光学包层及内光学包层由在相同频率下具有折射率1.45的石英玻璃形成。在所述特定实例中，管状光学芯12具有约20微米(μm)的内半径R1及约25μm的外半径。此外，在所述特定实例中，外光学包层14具有(例如)足够大的外直径使得传播模式的实质上所有光学能量被局限于光纤10的石英玻璃。

对于图1及2A的光纤10的此特定特殊实例，发明人已对传播模式中的一些传播模式的电场分布进行数值评估。在图7的板A、B、C、D、E及F中图解说明这些传播模式中的不同传播模式的电场的横截面分布的某些部分。在板A到F中，投射于多模式光纤10的横截面上的电场的方向及量值由向量指示，且电场的量值在定性上由图像的暗度指示。板A及B图解说明其角动量本征值m具有值0且其偏振局部正交的两个传播模式。板C及D图解说明其角动量本征值m具有值+1且其偏振局部正交的两个传播模式。板E及F图解说明其角动量本征值m具有值-1且其偏振分布局部正交的两个传播模式。板A到F的传播模式集合由于其角动量本征值“m”的不同值或由于其偏振的局部正交性而相对正交。

对于折射率的多种径向分布，发明人相信图1的多模式光纤10可在光纤电信C带和/或光纤电信L带中的频率下具有传播模式的合意且在定性上不同的完全基。对于折射率的此类径向分布，所述基的具有相同角动量本征值的那些传播模式将具有实质上相同或相同的径向强度分布，且因此将具有相同的模式速度。但对于不同的径向折射分布，传播模式的此类合意集合可针对最低量值、第一及第二最低量值、第一、第二及第三最低量值、…、或所有量值的角动量本征值而存在，这是因为基的形式随着径向折射率分布而改变。因此，通过改变折射率分布，可改变角动量本征值的数目，对此特定角动量本征值的那些传播模式具有相同模式速度且具有实质上相同的径向强度分布。

图8图解说明用于构造具有管状光学芯的多模式光纤的方法30。所述多模式光纤可为图1的多模式光纤10的实例中的一者，其具有传播模式的合意完全正交基，如已描述。即，所述基可仅包含针对集合的每一角动量本征值具有单个径向强度分布或实质上单个径向强度分布的传播模式。举例来说，所述集合可包含最低量值的角动量本征值、第二最低量值的角动量本征值、第三最低量值的角动量本征值和/或所有角动量本征值。所述光纤可经构造而不具有此类合意性质，例如，通过将管状光学芯的内半径和/或外半径构造为具有适当值。

方法30包含形成用于内光学包层的第一材料的芯圆柱体(步骤32)。举例来说，用于所述芯圆柱体的材料可包含用于形成石英玻璃光学预制棒的常规未掺杂材料或锗、氢和/或氘材料。

方法30包含形成用于管状光学芯的第二材料的第一管(步骤34)。举例来说，所述第一管可包含用于石英玻璃预制管的未掺杂材料或掺杂有锗、氢和/或氘的材料。

方法30包含形成用于外光学包层的第一材料或不同第三材料的第二管(步骤36)。举例来说，所述第二管可包含用于石英玻璃预制管的未掺杂材料或掺杂有锗、氢和/或氘的材料。

方法30包含将芯圆柱体定位于第一管中并将第一管定位于第二管中且接着(例如)在炉中使芯以及第一及第二管凝固以形成具有选定径向折射率分布的圆柱形玻璃预制件(步骤38)。凝固步骤38形成其中圆柱形中心区域具有低折射率n_IOC、围绕圆柱体中心区域的第一管状区域具有高折射率n_C且围绕第一管状区域的第二管状区域具有低折射率n_OOC(即，n_IOC<n_C且n_OOC<n_C，如先前所述)的光学预制件。

方法30还包含从在步骤38处制作的光学预制件拉制多模式光纤(步骤40)。可通过将预制件的一端放置于常规光纤拉制塔中来执行所述拉制，所述光纤拉制塔逐渐使预制件的端表面熔化使得可从预制件的熔融部分拉出光纤。特定来说，所拉出光纤中的径向折射率分布对应于其端逐渐和/或均匀熔化以产生用于拉制光纤的材料的预制件中的径向折射率分布。在光纤拉制期间可或可不使光纤扭曲以便减轻给定方位角及径向模式内的偏振模式色散。

在各种实施例中，方法30制作为图1、2A到2C、3A到3C、和/或4A到4C所图解说明的多模式光纤10的特殊实例中的一者的光纤。

图9A到9B示意性地图解说明可用于端耦合到图1的多模式光纤10(例如，端耦合到已论述的特定实例)的光学耦合器50。特定来说，光学耦合器50可将此光选择性地耦合到多模式光纤的传播模式中的个别者或其中场通过固定偏振旋转而相关的若干对的此类模式，例如，如图7中所图解说明，板A及B、板C及D或板E及F。

光学耦合器50包含：多个(N个)平面光学波导52₁、52₂、52₃、52₄、…、52_N；平面光学光栅54；1×N光学功分器或组合器56；及任选地包含光学数据调制器或解调器58。组件52₁到52_N、54、56及58可集成于单个衬底的表面60上或可位于多个衬底上。

每一光学波导52₁到52_N具有位于1×N光学功分器或组合器56的N个光学第二端口中的对应一者处且光学连接到所述对应一者的第一端且具有沿着平面光学光栅54的横向外围定位的第二端。光学波导52₁到52_N的第二端可以相等或不等的距离沿着平面光学光栅54的横向外围分布。在一些其它实施例中，光学波导52₁到52_N中的每一者可由紧密间隔的平面光学波导的群组替换。

平面光学光栅54具有围绕平面光学光栅54的中心对称定位的特征(f)的规则图案。特征f可围绕平面光学光栅54的中心形成规则且规则间隔的多边形(未展示)的同心集合。或者，特征f可围绕平面光学光栅54的中心形成同心且规则间隔的圆形(如所展示)的集合。特征f形成将从光学波导52₁到52_N的第二端接收的光衍射到多模式光纤10的端和/或将从多模式光纤10的邻近端接收的光衍射到光学波导52₁到52_N的第二端的规则图案。平面光学光栅54的中心通常与如图9B中所展示端耦合到其的多模式光纤10的端的中心有效地横向对准。

在一些实施例中，光学功分器或组合器56可对在光学第一端口62处接收的光束(例如，来自光学调制器或解调器58的经数字数据调制光束)进行功分且将所接收光束的一部分重新引导到N个光学波导52₁到52_N中的每一者中。光学功分器或组合器56可将所接收光束的约相等或不等的部分引导到N个光学波导52₁到52_N中的每一者。在一些此类实施例中，光学功分器或组合器56可(例如)在光学发射器中执行此光学分光功能。

在其它实施例中，光学功分器或组合器56可干涉从光学波导52₁到52_N的第一端接收的光以在光学第一端口62处产生外出光束，例如，引导到光学调制器或解调器58的光束。在一些此类实施例中，光学功分器或组合器56可(例如)在光学接收器中执行此光学组合功能。

任选光学数据调制器或解调器58可(例如)在光学发射器中将数字数据流调制到光学载波上且将经调制光学载波输出到光学功分器或组合器56的光学第一端口62。

或者，任选光学数据调制器或解调器58可(例如)在光学接收器中从自光学功分器或组合器56的光学第一端口62接收的经数据调制光学载波解调数字数据流。

在各种实施例中，光学功分器或组合器56、光学波导52₁到52_N及平面光学光栅54共同充当匹配光学滤光器。特定来说，这些组件56、52₁到52_N、54在光学功分器或组合器56的光学第一端口62与多模式光纤10的邻近平面光学光栅54定位的端之间形成N条平行光学路径。

在各种实施例中，N条平行光学路径的有效光学路径长度经配置以提供光学功分器或组合器16的光学第一端口62与光纤10的传播模式之间的选定耦合。特定来说，N条平行光学路径的有效光学路径长度固定光学第一端口62与多模式光学波导10的个别传播模式之间的光学耦合。由N条平行光学路径的有效光学路径长度的差引入的相对相位确定与光纤10的各个传播模式的光学耦合。

此处，光学波导的有效光学路径长度为在光学波导中传播的光的等效光学路径长度，其可为模式相依的。在光学波导中，光对光学芯及光学包层的折射率进行取样且因此犹如所述光学波导具有有效光学折射率一般传播。光学波导的有效光学路径长度为由所述光学波导的有效折射率确定的光学路径长度。

在一个实例性实施例中，光学波导10的邻近端与光学第一端口62之间的光学衰减对于横越个别光学波导52₁到52_N中的任一者的光为约相同的。此外，光学波导52₁到52_N的第二端围绕平面光学光栅54的中心以相等的角分隔间隔开，平面光学光栅54的中心本身与光纤10的中心横向对准。在此实施例中，光学第一端口62到多模式光纤10的具有角动量“m”及角动量本征函数

的传播模式的耦合由下式给出：

$C^{\underset{n=1}{\overset{n=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}^{-i2\mathrm{mn\&pi;}/N}{e}^{\mathrm{iPh}\left(n\right)}}$

此处，

为光学第一端口62与多模式光纤10的邻近端之间的N条平行光学路径的集合中的第n光学路径的光学通道矩阵，且C及Ph(n)为通道矩阵的量值及相位，即，通道矩阵的相位{Ph(n)}取决于特定光学路径。在一个实例中，如果N条路径的集合中的第k光学路径针对[1,N]中的所有k具有通道矩阵

那么光学第一端口62将仅显著光学耦合到多模式光纤10的其角动量为m的传播模式。然而，在其它实施例中，N条光学路径可经配置以具有界定另一相位集合{Ph(1),Ph(2),…,Ph(N)}的通道矩阵且仍产生仅与具有角动量“m”的传播模式的光学耦合。

图9A到9B的光学耦合器50的一些实施例可包含针对上文所并入的美国专利申请案的光学耦合器所描述的特征和/或结构和/或可借助针对其所描述的方法构造和/或与所述方法一起使用。

图10图解说明包含外光学包层14及分布于外光学包层14中的P个管状光学芯12₁、12₂、…、12_P的多芯光纤10’。此处，P为大于2的整数，例如，P可为2、3、4、5、6、7、8、9、10、…。管状光学芯12₁到12_P中的个别者可由对应内包层16₁、16₂、…、16_P填充或可为中空的。管状光学芯12₁、12₂、…及12_P具有全部大于外光学包层14的折射率n_OOC的相应折射率n_c1、n_c2、…及n_cP。此外，第k管状光学芯12_k的折射率n_ck大于其内光学包层14(在存在时)的折射率n_IOCk。最后，光纤10’具有不同传播光学模式的P个单独集合，其中第k集合的传播模式使其功率集中于第k管状光学芯12_k处及附近，即，具有小于其在其它管状光学芯12₁到12_P中的光学功率的5%且通常具有小于所述光学功率的1%。

在多芯光纤10’中，个别管状光学芯12₁到12_P横向分离实质距离使得每一管状光学芯12₁到12_P及光学包层14、16₁到16_P的任何附近部分实质上作为单独多模式光纤(即，图1的光纤10的实施例)操作。实际上，集中于管状光学芯12₁到12_P中的一者处及附近的每一传播模式在管状光学芯12₁到12_P中的任一其它光学芯中不具有实质光学功率，例如，在另一管状光学芯12₁到12_P中为小于此传播模式中的功率的5%且通常小于此模式的能量的1%。因此，每一管状光学芯12_k及附近光学包层14、12_k形成图1的多模式光纤10的实施例。个别管状光学芯可具有图2A到2C、3A到3C及4A到4C中所图解说明的折射率分布中的任一者，且每一管状光学芯12₁到12_P可与图9A到9B的光学耦合器50一起使用。

图10的多芯光纤10’可由根据图8的方法30制成的P个光学预制件制作。例如，P个光学预制件中的每一者适合于用一个管状光学芯拉制多模式光纤。将P个预制件紧挨彼此堆叠且在炉中使其凝固以制作其中具有多个管状芯的单个光学预制件。可通过经由常规方法从此预制件拉制光纤来形成图10的多芯光纤10’。

此外，如果彼得J·文策尔在2011年1月17日申请的美国临时申请案61/433,437的方法40中的步骤42的预制件由在本申请案中所描述的方法30的步骤38处制作的预制件替换，那么可通过方法40制成图10的多芯光纤10’。在本段落中所提及的彼得J·文策尔的临时申请案也以全文引用的方式并入本文中。

用于将经数据调制光学载波同时耦合到多模式光学波导的传播光学模式的不同线性独立集合的其它方法和/或结构可(例如)描述于以下各项中的一者或一者以上中：由克里斯托弗·多尔及彼得·文策尔在2010年12月29日申请的美国临时专利申请案61/428,154；由勒内-琼·伊萨姆布雷(Rene’-Jean Essiambre)等人在2010年6月30日申请的美国专利申请案12/827641；美国专利申请公开案20100329671；及美国专利申请公开案2010329670，所有这些均以全文引用的方式并入本文中。在本段落中所提及的文档中所描述的方法和/或结构中的一些方法和/或结构可适合于将一个或一个以上光学数据调制器或解调器(例如，图9A到9B的组件58)连接到图1或9B的多模式光纤10和/或图10的多芯光学波导10’的个别管状光学芯12₁到12_N。

从揭示内容、图式及权利要求书，所属领域的技术人员将明了本发明的其它实施例。

Claims (10)

1.一种设备，其包括：

光纤，其具有管状光学芯，对于所述光纤，在光学电信频率下的传播模式的完全正交基包含所述传播模式中的具有不同角动量的若干传播模式，所述光纤具有接触且环绕所述管状光学芯的外光学包层，所述管状光学芯具有大于所述光学包层的折射率；且

其中所述管状光学芯经配置使得所述传播模式中的具有最低量值的角动量的那些传播模式具有单个群组速度，所述传播模式中的具有第二最低量值的角动量的那些传播模式具有单个群组速度，且所述传播模式中的具有第三最低量值的角动量的那些传播模式具有单个群组速度。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述管状光学芯经配置使得对于所述角动量的每一特定量值，所述传播模式中的具有所述特定量值的角动量的那些传播模式具有相同的群组速度。

3.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：

光学分光器或组合器，所述光学分光器或组合器将其光学第一端口光学连接到其N个光学第二端口；

平面光学光栅；以及

N个光学波导，每一光学波导具有位于所述光学第二端口中的对应一者附近且光学连接到所述对应一者的第一端且具有位于所述平面光学光栅附近的第二端，所述平面光学光栅经配置以在所述光纤的一端与所述光学波导的所述第二端之间衍射光。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述光纤包含第二管状光学芯，所述第二管状光学芯位于所述外光学包层中且经配置使得所述第二芯的具有所述第二光学芯的最低量值的角动量的传播模式具有单个群组速度，所述第二芯的具有所述第二光学芯的第二最低量值的角动量的传播模式具有单个群组速度，且所述第二芯的具有所述第二光学芯的第三最低量值的角动量的传播模式具有单个群组速度。

5.一种设备，其包括：

光纤，其具有管状光学芯，且对于所述光纤，在光学电信频率下围绕所述芯的传播模式的完全正交基包含所述传播模式中的具有不同角动量的若干传播模式，所述光纤具有接触且环绕所述管状光学芯的外光学包层，所述管状光学芯具有大于所述光学包层的折射率；且

其中所述管状光学芯经配置使得所述传播模式中的其角动量具有所述传播模式的最低量值的那些传播模式具有实质上相同的径向强度分布。

6.根据权利要求5所述的设备，

其中所述角动量的所述量值包含两个或两个以上不同值；以及

其中所述管状光学芯经配置使得所述传播模式中的具有所述量值中的第二最低量值的所述角动量中的一者的那些传播模式具有实质上相同的径向强度分布。

7.根据权利要求5所述的设备，其中所述管状芯具有平均折射率n_c且所述光学包层的所述折射率具有值n_OC，且所述管状光学芯的外半径减去所述管状光学芯的内半径的值小于λ/[2([n_c]²-[n_OC]²)^1/2]，其中λ为所述光纤电信L带中的波长。

8.根据权利要求5所述的设备，其进一步包括：

光学分光器或组合器，所述光学分光器或组合器将其光学第一端口光学连接到其N个光学第二端口；

平面光学光栅；以及

N个光学波导，每一光学波导具有位于所述光学第二端口中的对应一者附近且光学连接到所述对应一者的第一端且具有位于所述平面光学光栅附近的第二端，所述平面光学光栅能够在所述光纤的一端与所述光学波导的所述第二端之间衍射光。

9.一种设备，其包括：

多模式光纤，其具有管状光学芯及接触且环绕所述管状光学芯的外光学包层，所述管状光学芯具有大于所述光学包层的折射率；且

其中所述管状芯具有平均折射率n_c，且所述光学包层的所述折射率具有值n_OC；以及

其中所述管状光学芯的外半径减去所述管状光学芯的内半径的值小于光纤电信L带中的波长/[2([n_c]²-[n_OC]²)^1/2]。

10.根据权利要求9所述的设备，其进一步包括：

光学分光器或组合器，所述光学分光器或组合器将其光学第一端口光学连接到其N个光学第二端口；

平面光学光栅；以及

N个光学波导，每一光学波导具有位于所述光学第二端口中的对应一者附近且连接到所述对应一者的第一端且具有位于所述平面光学光栅附近的第二端，所述平面光学光栅经配置以在所述多模式光纤的一端与所述光学波导的所述第二端之间衍射光。

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