CN103492918A - 单模多模混合式家用网络光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合光纤，其包括支持多模传输的呈现梯度折射率分布的多段纤芯，其中所述纤芯中心处具有阶跃折射率，调整阶跃折射率的分布参数(a_s)与(Δ_s)可以提供一种能传输无差多模光信号以及无差单模光信号的光纤。实施纤芯的这样一种折射率分布n(r)，同时选择足够大的参数a_s和Δ_s以适应光纤的基本模，使得在以单模传输的波长为例如1550nm时，耦合于基本模的光功率将最大化，同时，在以多模传输的波长为例如850nm时，将保持一个相对减少的模色散。

Description

单模多模混合式家用网络光纤

1、技术领域

本发明涉及光纤传输，具体而言，涉及支持单模传输和多模传输的家用网络光纤。

2、背景技术

光纤通常由光纤芯和光纤包层组成，其中所述光纤芯传输光信号，所述光纤包层将光信号限制在光纤芯中。为此，纤芯的折射率n_c大于包层的折射率n_g。光纤的特征通常在于其折射率分布，折射率分布将光纤的折射率(n)与光纤半径(r)相关联，其中：X轴所示为相对于光纤中心的距离r，Y轴所示为半径r处的折射率与光纤包层的折射率之差。

现今，光纤存在两种主要门类：多模光纤和单模光纤。在多模光纤中，对于给定的波长，多种光模沿光纤同时传播，而在单模光纤中，高次模(下文称为HOM)被切断或高度削弱。

单模光纤通常用于长距离应用，例如接入网络。为获得能进行单模光信号传输的光纤，纤芯需要具有相对较小的直径(通常介于5μm与11μm之间)。为满足接入网络对高带宽应用的需要(例如10Gbps)，标准单模光纤要求使用调制的单模激光发射器，其中所述单模激光发射器通常以1550nm的波长进行工作。

多模光纤通常用于需要高带宽的短距离应用，例如局域网(LAN)和多住户单元(MDU)，所述多住户单元更普遍地称为室内网络(in-building network)。多模光纤的纤芯的直径通常为50μm或62.5μm。多模光纤已成为国际标准化的主题，所述国际标准化设定了针对给定波长的带宽、数值孔径以及纤芯直径的标准。已采用OM3标准和OM4标准来满足长距离(数十米至数百米)高带宽(通常为10Gbps)应用的需求，例如在以太网高速传输网络中。在850nm的波长下，OM3标准要求至少2000MHz.km的有效模带宽(efficient modalbandwidth，下文称为EMB)，以确保10Gbps下进行的无误差多模传输能达到300m的距离。在850nm的波长下，OM4标准要求至少4700MHz.km的EMB，以确保10Gbps下进行的无误差多模传输能达到400m的距离。

电信中最普遍的多模光纤为梯度折射率分布光纤。通过最大限度地减少模间色散(即沿光纤传输的光模的传播延迟时间之差或群速度之差)，对于给定的波长，这种折射率分布能够保证较高的模带宽。

对于光学家用网络的研发来说，对光纤门类的选择是关键。多模光纤是用于光学数据网络的成本合算的解决方案。由于多模光纤的数值孔径和纤芯直径较宽，并且多模光纤的梯度折射率纤芯分布使得其具有较低的模色散，因此多模光纤下，基于成本合算的光源的解决方案(例如，垂直腔面发射激光器(VCSEL))能有效地发射出10Gbps光信号，而单模光纤则需要昂贵又耐用的单模收发器。具体而言，(发射条件下)将光源连接到单模光纤比连接到多模光纤要求更加严格的对准公差。

然而，由于光学家用网络预期与外部接入网络连接，而所述外部接入网络由于需要到达较远距离主要使用单模技术，所以需要进一步考虑单模光纤的互操作性问题。

具体而言，多模光纤并不能设计成与单模光纤传输系统互连。可以将家用网络视作一种用户能在其两端处进行装置连接的光纤网络。如今，装置有可能实施基于多模光纤传输且要求多模光纤的技术，但将来，装置也可以被设计成能操作基于单模的技术。因此，如果接入网络准备与光学家用网络一起工作，需要重复安装相对昂贵的光纤。

因此，有必要提供一种用于家用网络的光纤，所述光纤可以在家用网络的操作波长下(例如850nm)传输无误差的多模光信号，同时，所述光纤也可以在接入网络的操作波长下(例如1550nm)传输无误差的单模光信号。

所提出的一种已知解决方案包括使用标准多模光纤，所述多模光纤具有梯度折射率分布，经优化，所述梯度折射率分布用于在850nm的波长下提供无误差且具有较宽带宽的传输。然而，在将单模源耦合到标准多模光纤后，其中所述单模源在1550nm的波长下操作，注入到光纤中的光信号会主要刺激基本光模，但问题是，不仅如此，光信号还会刺激光纤中的HOM。事实上，光功率的一部分耦合到标准多模光纤的基本模中，并且几乎所有剩余的功率都耦合到光纤的HOM集合中(对应于寄生信号或光噪声)。由于不同的模具有不同的传播延迟时间和传播常数，因此，在接收器方，基本模和HOM上携载的光信号会发生干扰，从而导致功率波动、光纤传输的质量降级。因此，1550nm下，由于在标准多模光纤和标准单模光纤所携载的基本模之间的模场不匹配，此种标准多模光纤并不适于与单模光纤传输系统相互连。

在实践中，为在高带宽应用中表现良好，光纤需要具有最高质量级的光纤传输性能。对于给定的波长，此种标准的特征可以在于光模耦合比，其由以下等式表示：

$\frac{{\left|\mathrm{\&gamma;}\right|}^2}{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|{\mathrm{\&beta;}}_i\right|}^2}=\frac{{|<E_{\mathrm{SMF}},E_{\mathrm{MMF}}>|}^2}{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{|<E_{\mathrm{SMF}},E_{\mathrm{MMF}}^{\left(i\right)}>|}^2}$

其中：

γ为耦合到基本模上的光功率；

β_i为耦合到高次模(HOM)上的光功率，其中i≥1；

E_SMF为单模光纤的基本模的电场；

E_MMF为多模光纤的基本模的电场；

$<E_1|E_2>=\&Integral;\&Integral;E_1^{*}\&CenterDot;E_2\&CenterDot;\mathrm{dS}$ 为场E₁和场E₂的内积。

此等式定义了在基本模与HOM之间的耦合光功率之比。耦合到HOM上的光功率越少，光纤的光纤传输质量就越好。

澳大利亚专利文件AU2002/100296公开了一种光纤，所述光纤包括具有第一折射率的单模纤芯部分，其中所述单模纤芯部分外部被多模纤芯部分围绕，所述多模纤芯部分具有第二折射率且其外部被包层围绕，其中所述包层具有第三折射率。然而，此文件并未对光纤分布的条件进行描述，其中所述光纤分布能够在1550nm下实现足够的无误差单模传输。所公开的此种光纤在850nm下进一步呈现了相对较小的带宽。此文件并未解决如何减少由光纤的HOM所造成的噪声的问题。

法国专利文件FR 2 441 585公开了一种用于数据传输，且具有中央单模纤芯和多模护套的单模光纤或多模光纤。具体而言，所公开的光纤并未呈现梯度折射率纤芯分布，所述梯度折射率纤芯分布对850nm下的高速性能具有关键意义。后面提到的文件并未对光纤分布的条件进行描述，其中所述光纤分布能提供足够的无误差单模传输和多模传输。也未解决如何减少耦合到光纤HOM中的光功率的问题。

3、发明目的

在至少一项实施例中，本发明具体来说旨在克服现有技术的这些不同缺陷。

具体而言，本发明的至少一项实施例的目标在于提供一种用于光学家用网络的混合光纤，所述混合光纤用于高数据速率应用，组合了多模光纤(类似于，例如与基于VCSEL的高速源一起使用的能力)和单模光纤的特点，并且就光学性能而言也具有适当的平衡。

换言之，本发明的目标在于提供一种光纤，所述光纤能在家用网络的操作波长下(通常为850nm)传输无误差的多模光信号，同时能在接入网络的操作波长下(通常为1550nm)传输无误差的单模光信号。

本发明的至少一项实施例也旨在提供一种光纤，所述光纤在用于单模传输时，具有改良的光模耦合比，而在用于数十米的多模传输时，又能保持较宽的带宽。

本发明的至少一项实施例也旨在提供一种光纤，对于多模传输，所述光纤呈现相对较少的模色散，并且维持与标准单模光纤中的基本模相类似的基本模。

本发明的至少一项实施例也旨在提供一种易于制造且成本低廉的光纤。

4、发明内容

在本发明的一项特定实施例中，提出一种光纤，所述光纤包括光纤芯以及围绕所述光纤芯的光纤包层，所述光纤芯包括第一纤芯区域以及围绕所述第一纤芯区域的第二纤芯区域。所述第一纤芯区域和第二纤芯区域使得所述光纤芯具有折射率分布n(r)，其定义为以下等式：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+{\mathrm{\&Delta;}}_s& r<a_s\\ n_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}& a_s\&le;r<a\end{array}\right.$

其中：

a_s为所述第一纤芯区域的半径；

a为所述第二纤芯区域的半径；

Δ_s为阶跃折射率，且定义为所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的折射率之差；

n₀为所述第二纤芯区域的最大折射率；

α为无量纲参数，其定义了所述第二纤芯区域的折射率分布形状，并且α≥1；

Δ为归一化折射率之差，并且

中，n₁为所述第二纤芯区域的最小折射率。

大体原理在于提出一种混合光纤，所述混合光纤包括呈现梯度折射率分布的多段光纤芯，所述多段光纤芯通常用于支持多模传输，其中，在所述光纤芯的中央处添加阶跃折射率，并对此阶跃折射率的分布参数a_s和Δ_s进行调整，从而提供一种能传输无误差的多模光信号和无误差的单模光信号的光纤。

事实上，巧妙地实施所述光纤芯的这种折射率分布n(r)，并对所述参数a_s和Δ_s的值进行充分选择，导致调整了所述光纤的基本模，从而使得耦合到所述基本模上的光功率在所述单模传输的波长下(例如1550nm)最大化，同时在所述多模传输的波长下(例如850nm)维持相对较少的模色散。

所述第二纤芯区域的所述折射率分布呈现多模光纤的典型特征，例如在850nm的波长下操作的多模光纤的特征。

所述第一纤芯区域用于包含所述光纤的具有阶跃折射率分布的径向部分，所述阶跃折射率分布相对于所述第二纤芯区域的特征参数使得在将单模光信号注入到所述光纤内部时，能施加单模传输条件，同时在将多模光信号注入到所述光纤内部时，又能使光纤保持多模特性。

因此，本发明基于光模匹配，由于上文所定义的折射率分布n(r)，因此就能组合多模光纤和单模光纤的特点，同时，就光学性能而言又具有适当的平衡。

此外，由于只需要将所述光纤芯的掺杂作为所需折射率分布的函数来调整，所以根据本发明的光纤易于制造且成本低廉。

在本发明的另一特定实施例中提出一种光纤，所述光纤包括光纤芯和围绕所述光纤芯的光纤包层，所述光纤的特征在于，所述光纤芯包括第一纤芯区域和围绕所述第一纤芯区域的第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域使得所述光纤芯具有折射率分布n(r)，其中所述折射率分布由以下等式定义：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_0+{\mathrm{\&Delta;}}_s& r<a_s\\ n_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}& a_s\&le;r<a\\ & \end{array}\right.$

其中：

a_s为所述第一纤芯区域的半径；

a为所述第二纤芯区域的半径；

Δ_s为阶跃折射率，定义为所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的折射率之差；

n₀为所述第二纤芯区域的最大折射率；

α为无量纲参数，其定义了所述第二纤芯区域的折射率分布形状，并且α≥1；

Δ为归一化折射率之差，并且

中，n₁为所述第二纤芯区域的最小折射率。

应注意，具有恒定折射率第一纤芯区域的本发明的光纤所获得的技术效果与上文所描述的具有梯度折射率第一纤芯区域的本发明的光纤相同。

在一项示例性实施例中，所述第二光纤芯的半径a_s介于1.5tm与9tm之间。

上述值的容许范围有助于在多模传输中实现径向注入偏移(radial injectionoffset)。

更确切的说，所述第二光纤芯的半径a_s介于1.5μm与4.5μm之间。

上述值的容许范围更易于在多模传输中实现径向注入偏移。

有利的是，所包括的无量纲参数α介于1与5之间。

根据一项优势性特征，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的半径a_s满足以下不等式：

$0.0549\&CenterDot;a_s^4-0.9053\&CenterDot;a_s^3+5.483\&CenterDot;a_s^2-14.39\&CenterDot;a_s+13.75<1000\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_s<1.11\&CenterDot;a_s^2-6.9145\&CenterDot;a_s+17.94$

根据又一项优势性特征，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足以下不等式：

$0.0373\&CenterDot;a_s^4-0.6145\&CenterDot;a_s^3+4.0286\&CenterDot;a_s^2-12.217\&CenterDot;a_s+14.739<1000\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_s<0.9821\&CenterDot;a_s^2-6.5036\&CenterDot;a_s+16.7$

在一特定实施例中，对于半径为25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足以下不等式：

0.17173a_s ²-1.6926a_s+5.1835＜Δ_s＜0.26184a_s ²-3.1935a_s+10.5832

因此，对于30m的光纤长度，所述光纤可以在1550nm的波长下具有高于98％的功率耦合比，并且可以在850nm的波长下具有10Gbps的带宽。

在一特定实施例中，对于半径为25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足以下不等式：

0.17173a_s ²-1.6926a_s+5.1835＜Δ_s＜0.21308a_s ²-2.3168a_s+6.9690

因此，对于50m的光纤长度，所述光纤可以在1550nm的波长下具有高于98％的功率耦合比，并且可以在850nm的波长下具有10Gbps的带宽。

在另一特定实施例中，对于半径为25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足以下不等式：

0.31742a_s ²-2.9046a_s+8.3221＜Δ_s＜0.26184a_s ²-3.1935a_s+10.5832

因此，对于30m的光纤长度，所述光纤可以在1550nm的波长下具有高于99％的功率耦合比，并且可以在850nm的波长下具有10Gbps的带宽。

在另一特定实施例中，对于半径为31.25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足以下不等式：

0.13774a_s ²-1.3462a_s+4.0572＜Δ_s＜0.22044a_s ²-2.7607a_s+9.7057

因此，对于30m的光纤长度，所述光纤可以在1550nm的波长下具有高于98％的功率耦合比，并且可以在850nm的波长下具有10Gbps的带宽。

在另一特定实施例中，对于半径为31.25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足以下不等式：

0.2839a_s ²-2.5787a_s+7.2847＜Δ_s＜0.22044a_s ²-2.7607a_s+9.7057

因此，对于30m的光纤长度，所述光纤可以在1550nm的波长下具有高于99％的功率耦合比，并且可以在850nm的波长下具有10Gbps的带宽。

在另一特定实施例中，对于半径为31.25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足以下不等式：

0.13774a_s ²-1.3462a_s+4.0572＜Δ_s＜0.15979a_s ²-1.8078a_s+5.9286

因此，对于50m的光纤长度，所述光纤可以在1550nm的波长下具有高于98％的功率耦合比，并且可以在850nm的波长下具有10Gbps的带宽。

在另一特定实施例中，对于半径为40μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足以下不等式：

0.20185a_s ²-2.0205a_s+6.2914＜Δ_s＜0.26946a_s ²-3.5101a_s+12.8205

因此，对于30m的光纤长度，所述光纤可以在1550nm的波长下具有高于98％的功率耦合比，并且可以在850nm的波长下具有10Gbps的带宽。

在另一特定实施例中，对于半径为40μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足以下不等式：

0.34616a_s ²-3.211a_s+9.3320＜Δ_s＜0.26946a_s ²-3.5101a_s+12.8205

因此，对于30m的光纤长度，所述光纤可以在1550nm的波长下具有高于99％的功率耦合比，并且可以在850nm的波长下具有10Gbps的带宽。

在另一特定实施例中，对于半径为40μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s和所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足以下不等式：

0.20185a_s ²-2.0205a_s+6.2914＜Δ_s＜0.20605a_s ²-2.4798a_s+8.3655

因此，对于50m的光纤长度，所述光纤可以在1550nm的波长下具有高于98％的功率耦合比，并且可以在850nm的波长下具有10Gbps的带宽。

有利的是，进一步在所述第一纤芯区域的外围定位出凹陷折射率区域，所述凹陷沟槽的宽度w_d介于1μm与8μm之间，并且其相对于所述第二纤芯区域的折射率之差使得所述凹陷折射率区域的折射率之差Δ_d，以及所述第一纤芯区域与所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s满足以下不等式：

$0.0549\&CenterDot;a_s^4-0.9053\&CenterDot;a_s^3+5.483\&CenterDot;a_s^2-14.39\&CenterDot;a_s+13.75<1000\&CenterDot;({\mathrm{\&Delta;}}_s+|{\mathrm{\&Delta;}}_d\left|\right)<1.11\&CenterDot;a_s^2-6.9145\&CenterDot;a_s+17.94$

在所述第一纤芯区域的所述外围添加凹陷区域能在850nm下进一步改善模带宽。

在另一实施例中，本发明涉及一种光学系统，例如光学家用网络，所述光学系统包括上文在不同光纤实施例的任一实施例中所描述的至少一种光纤。

5、附图说明

通过下文的描述，并借助于说明性而非限定性的实例和附图，可以更加清楚地了解本发明的实施例的其他特征及优点，在这些附图中：

-图1用图形提供了根据本发明的第一项实施例的光纤的折射率分布；

-图2用图形描绘了作为根据本发明的第一示例性光纤的纤芯折射率分布的参数的函数的光模耦合比；

-图3用图形描绘了可达成的10GbE范围，其为根据本发明的第一示例性光纤的纤芯折射率分布的参数的函数；

-图4以相同的图形表示图2和图3中所获得的曲线；

-图5用图形描绘了作为根据本发明的第二示例性光纤的纤芯折射率分布的参数的函数的光模耦合比；

-图6用图形描绘了可达成的10GbE的范围，其为根据本发明的第二示例性光纤的纤芯折射率分布的参数的函数；

-图7以相同的图形表示图5和图6中所获得的曲线；

-图8用图形描绘了作为根据本发明的第三示例性光纤的纤芯折射率分布的参数的函数的光模耦合比；

-图9用图形描绘了可达成的10GbE的范围，其为根据本发明的第三示例性光纤的纤芯折射率分布的参数的函数；

-图10以相同的图形表示图8和图9中所获得的曲线；

-图11用图形提供了根据本发明的第二项实施例的光纤的折射率分布。

6、具体实施方式

在本文件的所有附图中，相同的元件和步骤用同一个数字标号表示。

图1描绘了根据本发明的第一项实施例的光纤的折射率分布。其描述了折射率值n与离光纤中央的距离r之间的关系。

本发明的光纤是具有折射率分布n(r)的混合光纤，所述折射率分布由以下等式定义：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+{\mathrm{\&Delta;}}_s& r<a_s\\ n_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}& a_s\&le;r<a\\ n_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}}& a\&le;r\end{array}\right.$

其中：

a_s为第一纤芯区域的半径；

a为第二纤芯区域的半径；

Δ_s为阶跃折射率，在r＝a_s时，其定义为第一纤芯区域与第二纤芯区域之间的折射率之差；

n₀为第二纤芯区域的最大折射率；

α为无量纲参数，其定义了第二纤芯区域的折射率分布形状，并且α≥1；

Δ为归一化折射率之差，并且

中，n₁为所述第二纤芯区域的最小折射率。

光纤包括0＜r＜a的光纤芯以及围绕光纤芯且a≤r的光纤包层。光纤的光纤包层具有标准恒定折射率，例如：

光纤的光纤芯包括第一纤芯区域，所述第一纤芯区域具有半径a_s以及相对于第二纤芯区域的阶跃折射率，所述光纤芯具有折射率分布，例如：

$n_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+{\mathrm{\&Delta;}}_s$ 其中r＜α_s

具有半径a的第二纤芯区域紧紧围绕第一纤芯区域，并且具有相对于光纤包层的梯度折射率分布(也称为“α折射率分布”)，例如：

$n_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}$ 其中a_s≤r＜a

第二纤芯区域呈现了在850nm的波长下操作的多模光纤的典型特征。

第一纤芯区域用于包含光纤的具有阶跃折射率分布的径向部分，所述阶跃折射率分布相对于第二纤芯区域的特征参数(Δ_s和a_s)使得当在1550nm的波长下操作时，能施加单模传输条件，同时又能使光纤在850nm下维持多模特性。

事实上，图1所描绘的折射率分布呈现了具有阶跃折射率的梯度折射率纤芯，所述阶跃折射率位于光纤的中央，经调整，所述阶跃折射率能在1550nm下，在本发明的混合光纤的基本模与标准单模光纤的基本模之间提供光模匹配。

在此实例中，第一纤芯区域的半径a约为25μm(具有±2μm的公差)，而第一纤芯区域的半径a_s约为6μm。光纤芯的折射率分布参数α约为2。对应于阶跃折射率的折射率之差Δ_s的值可以介于约3*10^-3至12*10^-3之间。

一般而言，可以对第一纤芯区域的折射率之差Δ_s和半径a_s进行优化，从而实现最佳的光学性能平衡，即，对于1550nm下的单模传输具有较高的光模耦合比

同时，对于850nm下的多模传输又具有较少的模色散(或较高的带宽)。

在一特定实施例中，第一纤芯区域的折射率之差Δ_s和半径a_s满足以下不等式：

$0.0549\&CenterDot;a_s^4-0.9053\&CenterDot;a_s^3+5.483\&CenterDot;a_s^2-14.39\&CenterDot;a_s+13.75<1000\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_s<1.11\&CenterDot;a_s^2-6.9145\&CenterDot;a_s+17.94$

在一优选实施例中，第一纤芯区域的折射率之差Δ_s和半径a_s满足以下不等式：

$0.0373\&CenterDot;a_s^4-0.6145\&CenterDot;a_s^3+4.0286\&CenterDot;a_s^2-12.217\&CenterDot;a_s+14.739<1000\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_s<0.9821\&CenterDot;a_s^2-6.5036\&CenterDot;a_s+16.7$

应注意，上述两组经验不等式都能在1550nm下改善基本模匹配。发明人在建立这两组不等式时假设可以对基本模匹配进行间接评估，即可以通过对1550nm下的本发明的混合光纤的基本模与标准单模光纤的基本模进行模场直径的比较，来实现评估。具体来说，这两组不等式分别对应于约0.8μm和0.5μm的模场直径差。基本模的直径越小，耦合到基本模上的光功率(|γ|²)就越高(同时耦合到HOM上的光功率

就越低)。

通过对现有技术的光纤与根据本发明的示例性光纤进行比较，本发明的优势会更加明显。下文的表1显示了标准多模光纤的光纤分布参数，其中所述标准多模光纤具有优化的梯度折射率分布，用于在850nm的波长下提供无误差的传输。所述的现有技术的光纤承受的是波长λ为1550nm的光信号。

下文的表2显示了根据本发明的混合光纤的光纤分布参数。光纤呈现关于上文所描述的等式n(r)的折射率分布，同时第一纤芯区域的折射率之差Δ_s和半径a_s符合第一组不等式：

$0.0549\&CenterDot;a_s^4-0.9053\&CenterDot;a_s^3+5.483\&CenterDot;a_s^2-14.39\&CenterDot;a_s+13.75<1000\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_s<1.11\&CenterDot;a_s^2-6.9145\&CenterDot;a_s+17.94$

从这两个表中，应注意，对于长度约为30m的光纤，耦合到现有技术的光纤的基本模中的光功率不会超过97％，而耦合到本发明的光纤的基本模中的光功率则清楚地超过了99％。

图2用图形描绘了模拟的光模耦合比(OMCR)测量值，其为光纤的第一纤芯区域的阶跃折射率之差Δ_s和半径a_s的函数，其中纤芯半径为25μm，并且数值孔径为0.200。

左手边的y轴描绘的是第一纤芯区域的阶跃折射率之差Δ_s，而x轴描绘的是第一纤芯区域的半径a_s。对应于给定的参数组(Δ_s，a_s)的光模耦合比的值以灰色阴影图示在右手边的y轴上。

假设(单模传输中)耦合到基本模中的光功率在1550nm的波长下高于98％时，曲线10由以下不等式定义：

Δ_s＞0.17173a_s ²-1.6926a_s+5.1835

假设(单模传输中)耦合到基本模中的光功率在1550nm的波长下高于98％时，曲线11由以下不等式定义：

Δ_s＞0.31742a_s ²-2.9046a_s+8.3221

位于曲线10和曲线11上方的OMCR值能够确定光纤的第一纤芯区域的参数Δ_s和a_s的值，其中所述值能在1550nm的波长下分别以至少98％、99％的比率实现基本模匹配。

图3用图形描绘了模拟的可达成的10GbE范围，其为光纤的第一纤芯区域的阶跃折射率之差Δ_s和半径a_s的函数，其中纤芯半径为25μm，并且数值孔径为0.200。

左手边的y轴描绘的是第一纤芯区域的阶跃折射率之差Δ_s，而x轴描绘的是第一纤芯区域的半径a_s。在850nm的波长下可达成的10GbE范围值对应于给定的(Δ_s，a_s)组，以m(米)表示，其图示为右手边的y轴上的灰色阴影。

术语“10GbE范围”是指当光纤与10G-BASE-S源(10G-BASE-S源是用于10GbE应用的标准源，参见IEEE802.3)一起使用时，光纤能在10Gbps的标称数据速率和小于10^-12的误码率(BER)下进行操作的最大保证传输距离。

假设10GbE范围为30m时，曲线12由以下不等式定义：

Δ_s＜0.26184a_s ²-3.1935a_s+10.5832

假设10GbE范围为50m时，曲线13由以下不等式定义：

Δ_s＜0.21308a_s ²-2.3168a_s+6.9690

位于曲线12和曲线13下方的值能够确定光纤的第一纤芯区域的参数Δ_s和a_s的值，在所述值下，光纤在850nm的波长下的发生的模色散足够少，从而使得光纤能在高数据速率应用中(例如10GbE应用)分别在30m和50m的距离上进行使用。

图4以相同的图形描绘了图2和图3中所获得的曲线10、11、12、13。该图所示为光纤具有一组(Δ_s，a_s)值，其中，与所述值相对应的点应该位于曲线10与曲线12之间，或位于曲线10与曲线13之间，或位于曲线11与曲线12之间，这样此种光纤就能在用于1550nm的单模传输的光模耦合比与用于850nm的多模传输的模带宽之间实现满意的平衡。例如，具有第一纤芯区域的光纤的阶跃折射率之差Δ_s为2.5*10^-3，半径为3.5μm，其会在1550nm下呈现至少为99％的OMCR值，并且会在850nm下呈现至少为30米的可达成的10GbE范围。在上述实例中，模色散在850nm下发生得足够少，这样就能在850nm下通过使用现成的10Gbps收发器(通常实施VCSEL技术)来实现无误差的多模传输，并且在1550nm下实现无误差的单模传输。

图5用图形描绘了模拟的光模耦合比(OMCR)测量值，其为光纤的第一纤芯区域的阶跃折射率之差Δ_s和半径a_s的函数，其中纤芯半径为31.25μm，并且数值孔径为0.275。

假设(单模传输中)耦合到基本模中的光功率在1550nm的波长下高于98％时，曲线14由以下不等式定义：

Δ_s＞0.13774a_s ²-1.3462a_s+4.0572

假设(单模传输中)耦合到基本模中的光功率在1550nm的波长下高于98％时，曲线15由以下不等式定义：

Δ_s＞0.2839a_s ²-2.5787a_s+7.2947

位于曲线14和曲线15上方的OMCR值能够确定光纤的第一纤芯区域的参数Δ_s和a_s的值，其中所述值能在1550nm的波长下分别以至少98％、99％的比率实现基本模匹配。

图6用图形描绘了模拟的可达成的10GbE范围，其为光纤的第一纤芯区域的阶跃折射率之差Δ_s和半径a_s的函数，其中纤芯半径为31.25μm，并且数值孔径为0.275。

假设10GbE范围为30m时，曲线16由以下不等式定义：

Δ_s＜0.22044a_s ²-2.7607a_s+9.7057

假设10GbE范围为50m时，曲线17由以下不等式定义：

Δ_s＜0.15979a_s ²-1.8078a_s+5.9286

位于曲线16和曲线17下方的值能够确定光纤的第一纤芯区域的参数Δ_s和a_s的值，并且在所述值下，光纤在850nm的波长下发生的模色散足够少，从而使得光纤能在高数据速率应用中(通常为10GbE应用)分别在30m、50m的距离上进行使用。

图7以相同的图形描绘了图5和图6中所获得的曲线14、15、16、17。该图所示为光纤具有一组(Δ_s，a_s)值，其中，与所述值相对应的点应该位于曲线14与曲线16之间，或位于曲线14与曲线17之间，或位于曲线15与曲线16之间，或位于曲线15与曲线17之间，这样此种光纤就能在1550nm下的光模耦合比与850nm下的模带宽之间实现满意的平衡。例如，具有第一纤芯区域的光纤的阶跃折射率之差Δ_s为2.0*10^-3，半径为4μm，其会在1550nm下呈现至少为99％的OMCR值，并且会在850nm下呈现至少为30米的可达成的10GbE范围。在上述实例中，模色散在850nm下发生得足够少，这样就能在850nm下通过使用现成的10Gbps收发器(通常实施VCSEL技术)来实现无误差的多模传输，并且在1550nm下实现无误差的单模传输。

图8用图形描绘了模拟的光模耦合比(OMCR)测量值，其为光纤的第一纤芯区域的阶跃折射率之差Δ_s和半径a_s的函数，其中纤芯半径为40μm，并且数值孔径为0.290。

假设(单模传输中)耦合到基本模中的光功率在1550nm的波长下高于98％时，曲线18由以下不等式定义：

Δ_s＞0.20185a_s ²-2.0205a_s+6.2914

假设(单模传输中)耦合到基本模中的光功率在1550nm的波长下高于98％时，曲线19由以下不等式定义：

Δ_s＞0.34616a_s ²-3.211a_s+9.3320

位于曲线18和曲线19上方的OMCR值能够确定光纤的第一纤芯区域的参数Δ_s和a_s的值，其中所述值能在1550nm的波长下分别以至少98％、99％的比率实现基本模匹配。

图9用图形描绘了模拟的可达成的10GbE范围，其为光纤的第一纤芯区域的阶跃折射率之差Δ_s和半径a_s的函数，其中纤芯半径为40μm，并且数值孔径为0.290。

假设10GbE范围为30m时，曲线20由以下不等式定义：

Δ_s＜0.26946a_s ²-3.5101a_s+12.8205

假设10GbE范围为50m时，曲线21由以下不等式定义：

Δ_s＜0.20605a_s ²-2.4798a_s+8.3655

位于曲线21和曲线22下方的值能够确定光纤的第一纤芯区域的参数Δ_s和a_s的值，并且在所述值下，光纤在850nm的波长下发生的模色散足够少，从而使得光纤能在高数据速率应用中(例如10GbE应用)分别在30m、50m的距离上进行使用。

图10以相同的图形描绘了图8和图9中所获得的曲线18、19、20、21。该图所示为光纤具有一组(Δ_s，a_s)值，其中，与所述值相对应的点应该位于曲线18与曲线20之间，或位于曲线18与曲线12之间，或位于曲线19与曲线20之间，或位于曲线19与曲线21之间，这样此种光纤就能在1550nm下的光模耦合比与850nm下的模带宽之间实现满意的平衡。例如，具有第一纤芯区域的光纤的阶跃折射率之差Δ_s为2.0*10^-3，半径为4μm，其会在1550nm下呈现至少为99％的OMCR值，并且会在850nm下呈现至少为30米的可达成的10GbE范围。在上述实例中，模色散在850nm下发生得足够少，这样就能在850nm下通过使用现成的10Gbps收发器(通常实施VCSEL技术)来实现无误差的多模传输，并且在1550nm下实现无误差的单模传输。

图11用图形提供了根据本发明的又一个实施例的光纤的折射率分布。该实施例不同于本发明的第二项实施例之处在于光纤包括凹陷区域，所述凹陷区域位于第一纤芯区域与第二纤芯区域之间，且紧紧围绕所述第一纤芯区域。凹陷区域用于在850nm下的多模传输中进一步减少模色散。

上述凹陷区域的宽度w_d约为4μm，并且其相对于第二纤芯区域的折射率之差Δ_d约为-1.3*10^-3。阶跃折射率第一纤芯区域的折射率之差Δ_s′约为2.5*10^-3。

一般而言，凹陷区域的宽度w_d的值可以介于约1μm与8μm之间。

在实践中，凹陷区域的折射率之差Δ_d和第一纤芯区域的折射率之差Δ_s′可以通过使用以下等式来确定：|Δ_d|+Δ_s′＝Δ_s，其中Δ_s能满足上文所描述的与本发明的第一项实施例相关的不等式中的至少一项。例如，凹陷区域的折射率之差|Δ_d|与第一纤芯区域的折射率之差Δ_s′之和的值可以介于约3*10^-3与12*10^-3之间，并且所包括的Δ_d介于-4.5*10^-3与-0.5*10^-3之间。

Claims (16)

1.光纤包括光纤芯与包围光纤芯的光纤包层，其特征在于所述纤芯包括第一纤芯区域，以及包围所述第一纤芯区域的第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域使得所述纤芯具有如下式定义的折射率分布n(r)：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+{\mathrm{\&Delta;}}_s& r<a_s\\ n_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}& a_s\&le;r<a\end{array}\right.$

或者由下式定义：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_0+{\mathrm{\&Delta;}}_s& r<a_s\\ n_0\&CenterDot;\sqrt{1-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}& a_s\&le;r<a\\ & \end{array}\right.$

式中：

a_s为所述第一纤芯区域的半径；

a为所述第二纤芯区域的半径；

Δ_s为由所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的折射率之差所定义的阶跃折射率；

n₀为所述第二纤芯区域的最大折射率；

α为定义所述第二纤芯区域的折射率分布形状的一个无量纲参数，并且α≥1；

Δ为归一化的折射率之差，且

n₁为所述第二纤芯区域的最小折射率，

并且其特征在于，所述第一纤芯区域的所述半径a_s在1.5μm到9μm之间。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第一纤芯区域的所述半径a_s在1.5μm到4.5μm之间。

3.根据权利要求1或2所述的光纤，其特征在于，所述无量纲参数α在1到5之间。

4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足如下不等式：

$0.0549\&CenterDot;a_s^4-0.9053\&CenterDot;a_s^3+5.483\&CenterDot;a_s^2-14.39\&CenterDot;a_s+13.75<1000\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_s<1.11\&CenterDot;a_s^2-6.9145\&CenterDot;a_s+17.94.$

5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足如下不等式：

$0.0373\&CenterDot;a_s^4-0.6145\&CenterDot;a_s^3+4.0286\&CenterDot;a_s^2-12.217\&CenterDot;a_s+14.739<1000\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;}}_s<0.9821\&CenterDot;a_s^2-6.5036\&CenterDot;a_s+16.7.$

6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，对于半径为25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足如下不等式：

0.17173a_s ²-1.6926a_s+5.1835＜Δ_s＜0.26184a_s ²-3.1935a_s+10.5832。

7.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，对于半径为25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足如下不等式：

0.17173a_s ²-1.6926a_s+5.1835＜Δ_s＜0.21308a_s ²-2.3168a_s+6.9690。

8.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，对于半径为25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足如下不等式：

0.31742a_s2-2.9046a_s+8.3221＜Δ_s＜0.26184a_s ²-3.1935a_s+10.5832。

9.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，对于半径为31.25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足如下不等式：

0.13774a_s ²-1.3462a_s+4.0572＜Δ_s＜0.22044a_s ²-2.7607a_s+9.7057。

10.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，对于半径为31.25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足如下不等式：

0.2839a_s ²-2.5787a_s+7.2847＜Δ_s＜0.22044a_s ²-2.7607a_s+9.7057。

11.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，对于半径为31.25μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足如下不等式：

0.13774a_s ²-1.3462a_s+4.0572＜Δ_s＜0.15979a_s ²-1.8078a_s+5.9286。

12.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，对于半径为40μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足如下不等式：

0.20185a_s ²-2.0205a_s+6.2914＜Δ_s＜0.26946a_s ²-3.5101a_s+12.8205。

13.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，对于半径为40μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一所述区域的所述半径a_s满足如下不等式：

0.34616a_s ²-3.211a_s+9.3320＜Δ_s＜0.26946a_s ²-3.5101a_s+12.8205。

14.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，对于半径为40μm±2μm的所述第二纤芯区域，所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s与所述第一纤芯区域的所述半径a_s满足如下不等式：

0.20185a_s ²-2.0205a_s+6.2914＜Δ_s＜0.20605a_s ²-2.4798a_s+8.3655。

15.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光纤，其特征在于，凹陷折射率区域进一步定位于所述第一纤芯区域的外围，凹陷沟槽具有1μm到8μm之间的宽度w_d以及相对于所述第二纤芯区域的折射率之差Δ_d，使得所述凹陷折射率区域的所述折射率之差Δ_d与所述第一纤芯区域和所述第二纤芯区域之间的所述折射率之差Δ_s满足如下不等式：

$0.0549\&CenterDot;a_s^4-0.9053\&CenterDot;a_s^3+5.483\&CenterDot;a_s^2-14.39\&CenterDot;a_s+13.75<1000\&CenterDot;({\mathrm{\&Delta;}}_s+|{\mathrm{\&Delta;}}_d\left|\right)\mathrm{\&Delta;}<1.11\&CenterDot;a_s^2-6.9145\&CenterDot;a_s+17.94.$

16.光学系统包括至少一个根据权利要求1到15中任一权利要求所述的光纤。

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