CN103534625A - 大有效面积的光纤 - Google Patents

Abstract

公开了大有效面积的光纤。在一个实施例中，光纤包括玻璃芯、和围绕该玻璃芯并且与该玻璃芯直接接触的玻璃包层。该玻璃芯可具有从约12μm到约50μm的半径R_c；在1550nm波长处具有大于或等于约1.0且小于约10的阿尔法值的渐变式折射率分布；以及相对于玻璃包层的从约0.2%到约0.75%的最大相对折射率Δ_cMAX%。芯的有效面积可大于或等于约150μm²，从而该芯支持在1550nm波长处具有X个模式的光信号的传播和传输，其中X是大于1且小于或等于110的整数。玻璃包层可包括最大相对折射率Δ_clMAX%，以使Δ_cMAX%>Δ_clMAX%。该光纤具有在1550nm波长处小于或等于约0.15ns/km的RMS脉冲展宽。

Description

大有效面积的光纤

背景技术

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年5月18日提交的美国临时申请61/487,351的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用而整体结合于此。

技术领域

本发明一般地涉及光纤，且更特定地，涉及具有大有效面积和减少的非线性的光纤。

背景技术

在长距离上提供高功率传输的光学通讯系统中，通常使用光学放大器和波分复用技术。高功率和长距离的定义只在特定通讯系统的上下文中有意义，在特定通讯系统中指定了位率、误码率、复用方案和可能的光学放大器。一般而言，对于这样的高速、长距、WDM通讯系统而言，光纤非线性是重要的限制性因素。例如，在一些应用中，在光纤中传播的1mW或更小的单个功率级可能对非线性效应很敏感，包括自相位调制、四波混频、交叉相位调制、以及非线性散射过程。这些非线性效应中的每一种可使WDM通讯系统中传播的光学信号发生劣化。

由于光纤的功率密度与有效面积成反比，因此可通过增加光纤的有效面积来减少光纤非线性。然而，光纤有效面积的增加通常使所引发的弯曲损失（微观和宏观）增加，且作为结果，还导致了在光纤中传播的光学信号的衰减。因此，在光纤中传播的光学信号的基模的弯曲损失的相应增加就限制了通过增加光纤的有效面积来减少常规单模传输光纤的非线性的能力。

因此，存在对于具有减少的非线性和弯曲损失的传输光纤的备选的设计的需要。

发明内容

根据一个实施例，光纤可包括玻璃芯、和围绕该玻璃芯并且与该玻璃芯直接接触的玻璃包层。该玻璃芯可具有从约12μm到约50μm的半径Rc（例如，16μm>Rc>50μm）和在1550nm波长处具有大于或等于约1.0且小于约10的阿尔法值的渐变式折射率分布。相对于玻璃包层，该玻璃芯的最大相对折射率Δ_cMAX%可从约0.2%到约0.75%。玻璃芯的有效面积可大于或等于约150μm²。该玻璃芯可支持在1550nm波长处具有X个模式的光信号的传播和传输，其中X是大于1且小于或等于110的整数。该玻璃包层可具有最大相对折射率Δ_clMAX%，以使Δ_cMAX%>Δ_clMAX%，其中该光纤在1550nm波长处具有小于或等于约0.15ns/km的RMS脉冲展宽。

在另一个实施例中，光纤包括玻璃芯、和围绕该玻璃芯并且与该玻璃芯直接接触的玻璃包层。该玻璃芯可具有从约12μm到约50μm的半径Rc（例如，16μm>R_c>50μm）和在1550nm波长处具有大于或等于约1.9且小于或等于约2.1的阿尔法值的渐变式折射率分布。相对于玻璃包层的外包层，该玻璃芯的最大相对折射率Δ_cMAX%可从约0.2%到约0.75%。玻璃芯的有效面积可大于或等于150μm²。该玻璃芯可支持在1550nm波长处具有X个模式的光学信号的传播和传输，其中X是大于1且小于或等于110的整数。该玻璃包层可包括围绕玻璃芯并与玻璃芯直接接触的内包层。该内包层可具有相对折射率Δ_ic%，以使Δ_cMAX%>Δ_ic%。低折射率环可围绕内包层并与内包层直接接触。外包层可围绕低折射率环并与低折射率环直接接触。该低折射率环相对于外包层具有最小相对折射率Δ_LMIN%，且该外包层相对于纯二氧化硅玻璃具有最大相对折射率Δ_ocMAX%，以使Δ_cMAX%>Δ_ocMAX%>Δ_LMIN%。该光纤可具有在1550nm波长处小于或等于约0.15ns/km的RMS脉冲展宽。

在又一个实施例中，光纤包括玻璃芯、和围绕该玻璃芯并且与该玻璃芯直接接触的玻璃包层。该玻璃芯可具有从约6μm到约16μm的半径R_c。相对于玻璃包层，该玻璃芯的最大相对折射率Δ_cMAX%可从约0.2%到约0.5%。该玻璃芯可具有在1550nm波长处具有大于或等于10的阿尔法值的阶跃式折射率分布。玻璃芯的有效面积可大于或等于约150μm²，且该玻璃芯可支持在1550nm处具有X个模式的光信号的传播和传输，其中对于光信号的LP₁₁模式而言该光纤的理论截止波长是大于或等于1500nm且X是大于1且小于或等于25的整数。玻璃包层可具有最大相对折射率Δ_clMAX%，以使Δ_cMAX%>Δ_clMAX%。本实施例的光纤的玻璃包层还可包括任选的低折射率环。

将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的实施例可认识到。

应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者描述了各个实施例，且旨在提供用于理解所要求保护主题的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对各实施例的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本发明所描述的各个实施例，并与本描述一起用于说明所要求保护主题的原理和操作。

附图说明

图1示意性地描绘了根据本文所述一个或多个实施例的光纤的截面；

图2A示意性地描绘了根据本文图示和所述的一个或多个实施例的图1的光纤的相对折射率分布；

图2B示意性地描绘了根据本文图示和所述的一个或多个实施例的图1的光纤的可选的相对折射率分布；

图3示意性地描绘了根据本文所述一个或多个实施例的光纤的截面；

图4A和4B示意性地示出根据本文图示和所述的一个或多个实施例的具有低折射率环的光纤的相对折射率分布；

图5图示出对于在1550nm的波长处具有不同Δ_cMAX%值的光纤而言因变于阿尔法值（x-轴）的脉冲展宽（y-轴）；和

图6图示出对于具有不同Δ_cMAX%值的光纤而言因变于波长（x-轴）的脉冲展宽（y-轴）。

具体实施方式

现在将详细参照用作长距离传输光纤的光纤的各个实施例，在附图中示出了各个实施例的示例。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或类似的部分。示意性地在图1中以截面示出用作长距离传输光纤的光纤的一个实施例。该光纤一般具有由玻璃包层围绕的玻璃芯。该玻璃芯一般具有从约6μm到约50μm的半径R_c、以及相对于玻璃包层从约0.2%到约0.5%的相对折射率Δ_cMAX。玻璃芯的有效面积大于或等于约150μm²。该玻璃芯一般能支持在1550nm波长处具有X个模式的光学信号的传播和传输，其中X是大于1且小于或等于110的整数。玻璃包层一般包括最大相对折射率Δ_clMAX，以使Δ_cMAX>Δ_clMAX。本文将特别参考所附附图来更为详细地描述光纤以及光纤的性质。

此处将使用如下术语来描述光纤：

在本文中，术语“折射率分布”是指折射率或相对折射率与光纤的半径之间的关系。

术语“相对折射率”，如此处所使用地，被定义为：

Δ(r)%=100x[n(r)²–n_REF ²)]/2n(r)²,

除非另有所指，其中n(r)是在半径r处的折射率。除非另外指明，相对折射率被定义在1550nm处。在一个方面，参考折射率n_REF是二氧化硅玻璃。在另一个方面，n_REF是包层的最大折射率。如此处所使用地，相对折射率以Δ表示，而且它的值以“％”为单位给出，除非另外指明。在一区域的折射率小于参考折射率n_REF的情况下，相对折射率百分比为负，且被称为具有下陷区域或折射率下陷，而且最小相对折射率在相对折射率负得最大的点处计算得出，除非另外指明。在一区域的折射率大于参考折射率n_REF的情况下，相对折射率百分比为正，而且该区域可被认为是升高的或具有正折射率。

如此处所使用地，术语“上掺杂剂”是指相对于纯的、未掺杂的SiO₂，提升玻璃的折射率的掺杂剂。如此处所使用地，术语“下掺杂剂”是相对于纯的、未掺杂的SiO₂，使得玻璃的折射率下降的掺杂剂。上掺杂剂在伴随有不是上掺杂剂的一种或多种其它掺杂剂时，可存在于具有负相对折射率的光纤区域中。类似地，不是上掺杂剂的一种或多种其它掺杂剂可存在于具有正相对折射率的光纤区域中。下掺杂剂在伴随有不是下掺杂剂的一种或多种其它掺杂剂时，可存在于具有正相对折射率的光纤区域中。类似地，不是下掺杂剂的一种或多种其它掺杂剂可存在于具有负相对折射率的光纤区域中。

如此处所使用，光纤的“有效面积”是光纤中传播光的面积 $A_{\mathrm{eff}}=2\mathrm{\π}\frac{{\left({\∫}_0^{\∞}{E}^2\mathrm{rdr}\right)}^2}{{\∫}_0^{\∞}{E}^4\mathrm{rdr}}$ 且被定义为：

，

其中E是与在光纤中传播的光关联的电场，且r是光纤的半径。除非另有所指，在1550nm波长处确定该有效面积。

模场直径（MFD）是对于单模光纤中传播的光的光点大小或光束宽度的测量。模场直径因变于光源波长、光纤芯半径、和光纤折射率分布。使用PeteRMSn II方法测量MFD，其中

MFD=2w,且

$w^2=2\frac{{\∫}_0^{\∞}{E}^2\mathrm{rdr}}{{\∫}_0^{\∞}{(\mathrm{dE}/\mathrm{dr})}^2}\mathrm{rdr}$

其中E是在光纤中的电场分布，且r是光纤的半径。

模式的截止波长是超出该波长该模式就停止在光纤中传播的最小波长。单模光纤的截止波长是在该波长处光纤将仅支持一个传播模式的最小波长。单模光纤的截止波长对应于高阶模中最高的截止波长。一般，最高的截止波长对应于LP₁₁模的截止波长。如果操作波长低于截止波长，可发生多模操作，且附加色散源的引入可限制光纤的信息携载能力。数学定义可以在1990年Jeunhomme在纽约出版的Marcel Dekker的“Single Mode Fiber Optics（单模光纤光学）”第39-44页找到，其中理论光纤截止被描述为模式传播常数变成与外包层中的平面波传播常数相等时所处的波长。此理论波长适合于无直径变化的无限长的完美直光纤。

可通过发射功率的单模光纤的EIA-455-170光缆截止波长或“FOTP-170”中描述的22m成缆截止测试来估计该成缆截止波长、或“成缆截止”。如此处所使用地，缆线截止意味着使用近似测试所获得的值。

如此处所使用地，术语“少模光纤”是指比单模光纤支持更多模式的传播但是比一般多模光纤支持更少模式的传播的光纤。特定地，术语“少模光纤”是指在比光缆截止测试中所定义的22米更长的光纤长度中支持多于一个传播模式的光纤。通过将光纤设计为具有较高理论截止波长可获得少模光纤。

通过在预定测试条件下所引起的通过光纤传播的光的衰减，可测量光纤的抗弯性即弯曲性能。使用引脚阵列弯曲测试来比较该光纤对弯曲的相对耐受力，就测量了此处所述的光纤的弯曲性能。为了执行该测试，对基本上不具有所引起的弯曲损耗的光纤，测量衰减。随后绕引脚阵列编织该光纤，并且再次测量衰减。弯曲所引起的损耗（一般用dB单位表达）是两次衰减测量之差。引脚阵列是在平面上以单行排列并保持在固定垂直位置的一组十个圆柱引脚。引脚间距5mm（中心至中心）。引脚直径为0.67mm。使光纤在相邻引脚的相对侧面上通过。在测试期间，光纤被置于足够大的张力之下，以使光纤符合由该光纤所接触到的引脚的周边部分。该测试涉及光纤的宏观抗弯性。

如此处所使用，术语“α分布”或“阿尔法分布”指的是相对折射率分布，以单位为“％”的项Δ表示，其中r是半径，其遵循以下方程，

$\mathrm{\Δ}={\mathrm{\Δ}}_0[1-{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\α}}],$

其中Δ₀是最大相对折射率，r₀是芯的半径，且r在r_i≤r≤r_f范围内，Δ如上定义，r_i是α分布的起点，r_f是α分布的终点，而α是为实数的指数。对于阶跃式折射率分布，阿尔法值大于或等于10。对于渐变式折射率分布，阿尔法值小于10。如此处所使用，术语“抛物线”包括基本为抛物线形状的折射率分布，其可能在芯中的一个或多个点处稍稍偏离2.0的α值；以及具有微小变化和/或中心线下降的分布。

光纤的波长色散或色散是材料色散、波导色散、和模间色散之和。

此处除非另有所指，在1550nm处测得光纤的上述性质。

参看图1，根据此处一个或多个实施例示意性地示出光纤100的玻璃部分的截面。光纤100一般包括由包层104所围绕并与包层104直接接触的芯102。在此处图示和描述的各实施例中，芯102和包层104一般包括二氧化硅，特别是二氧化硅玻璃。光纤100的截面相对于芯102的中心一般是圆形对称的，且芯102可具有半径R_c。在此处所述各实施例中，芯102的半径R_c大于或等于约6μm且小于或等于约50μm。包层104围绕芯102并从半径R_c延伸至半径R_cl，从而包层具有径向厚度T_cl=R_cl-R_c。在此处所述一些实施例中，半径R_cl（即，光纤100的玻璃部分的半径）为约125μm。然而，应该理解的是包层104的尺寸可被调节以使半径R_cl可大于125μm或小于125μm。

在本文所述的各实施例中，芯102相对于包层104具有最大相对折射率Δ_cMAX%，且包层104相对于纯二氧化硅玻璃具有最大相对折射率百分比Δ_clMAX%，以使Δ_cMAX%>Δ_clMAX%。

在此处所示和所述各实施例中，芯102包括纯二氧化硅玻璃（SiO₂）或具有相对于纯、未掺杂的二氧化硅玻璃而言增加玻璃折射率的一个或多个掺杂剂的二氧化硅玻璃。用于增加芯的折射率的合适的掺杂剂包括但不限于GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅、和/或其组合。在此处所述各实施例中，芯102包含足够量的掺杂剂从而芯102的最大相对折射率Δ_cMAX%从约0.2%到约0.75%，且更优选从约0.3%到约0.5%，甚至更优选从约0.35%到约0.5%，且最优选，从约0.4%到约0.5%。

如此处所述，在各实施例中，芯102可具有阶跃式折射率分布或渐变式折射率分布（即，阿尔法分布）。例如，在一个实施例中，芯102具有阶跃式折射率分布，如图2A中示意性所示。在这些实施例中，芯的半径R_c从约6μm到约16μm，且该分布的阿尔法值大于或等于10、更优选大于或等于15，且甚至更优选，大于或等于20。

在其他实施例中，芯102可具有带有阿尔法分布的渐变式折射率，如图2B中所示，在1500nm波长处，该阿尔法值大于或等于1且小于10、优选地大于或等于约1.9且小于或等于约2.1，更优选大于或等于约1.97且小于或等于约1.98。在芯102具有阿尔法分布的实施例中，芯102的半径R_c大于或等于约12μm且小于或等于约50μm。

在图1所示的光纤100的实施例中，包层104可具有纯二氧化硅玻璃（SiO₂）、具有增加折射率的一个或多个掺杂剂（如，GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、和/或Ta₂O₅）的二氧化硅玻璃（诸如当包层104“上掺杂”）、或是具有诸如氟之类减少折射率的掺杂剂的二氧化硅玻璃（诸如当内包层“下掺杂”时），只要芯102的最大相对折射率Δ_cMAX%大于包层104的最大相对折射率Δ_clMAX%即可。例如，在一个实施例中，包层104是纯二氧化硅玻璃。在又一个实施例中，内包层可包括下掺杂GeO₂、TiO₂、或类似下掺杂剂的二氧化硅玻璃。

现在参照图3和图4A-4B，示意性地示出光纤101的可选实施例。如上所述，光纤101一般包括具有渐变式或阶跃式折射率分布的芯102和包层104。然而，在这个实施例中，包层104至少包括低折射率环108和外包层110。如图3所示，包层104还任选地包括内包层106。特定地，在芯102具有渐变式折射率分布的光纤101的实施例中，如图3和4A中所示，低折射率环108可通过内包层106而与芯102间隔开。可选地，低折射率环108可围绕芯部分且与芯部分直接接触，如图4B中示意地所示。类似地，在芯102具有阶跃式折射率分布的光纤101中，低折射率环108可围绕芯102并与芯102直接接触（即，包层不包括内包层），或低折射率环108可通过位于芯102和低折射率环之间的内包层106而与芯102间隔开，如图3中所示。

当包括内包层106时，内包层106围绕芯102并与芯102直接接触，并从芯102的半径R_c延伸至半径R_ic，以使内包层106具有径向厚度T_ic=R_ic-R_c，在此处所述各实施例中，是从约1μm到约5μm。

内包层106可包括纯二氧化硅玻璃（SiO₂）、具有增加折射率的一个或多个掺杂剂（如，GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、和/或Ta₂O₅）的二氧化硅玻璃（诸如当内包层106被“上掺杂”时）、或具有诸如氟之类减少折射率的掺杂剂的二氧化硅玻璃（诸如当内包层“下掺杂”时）。如图4中所示，在此处所述的光纤101的各实施例中，内包层106的相对折射率Δ_ic%小于芯102的最大相对折射率Δ_cMAX%。在此处所述各实施例中，内包层的相对折射率Δ_ic%可从约0%到约0.2%，更优选从约0%到约0.1%。

低折射率环108是围绕芯102的二氧化硅基玻璃的环形区域。该低折射率环108进一步帮助改进光纤101的弯曲特性，如此处将进一步描述地。在其中包层104包括内包层106的各实施例中，内包层106位于芯102和低折射率环108之间，以使低折射率环108与芯102间隔开（即，低折射率环108没有直接接触芯102）。在低折射率环108与芯102之间间隔有内包层106且芯具有带有阿尔法分布的渐变式折射率的各实施例中，芯的阿尔法值在1550nm波长处可大于或等于约1且小于约10，更优选地在1550nm波长处大于或等于约1.9且小于或等于2.1，且甚至更优选地在1550nm波长处大于或等于约1.97且小于或等于约1.98。

然而，在包层104被形成为没有内包层（即，R_ic=0）的各实施例中，低折射率环108围绕芯102且与芯102直接接触。在低折射率环108围绕芯102并与芯102直接接触且芯具有带有阿尔法分布的渐变式折射率的各实施例中，芯的阿尔法值在波长1550nm处可小于或等于约2.0，且更优选地在1550nm波长处可大于或等于1.97且小于或等于约1.98。

在此处所述各实施例中，低折射率环108从半径R_ic延伸至半径R_L，以使低折射率环具有径向厚度T_L=R_L-R_ic。然而，在R_ic=0（即，光纤101被形成为不具有内包层106）的各实施例中，径向厚度T_L=R_L-R_c。一般而言，低折射率环108的径向厚度T_L从约2μm到约15μm。

低折射率环108一般包括相对于纯二氧化硅玻璃，被下掺杂来降低低折射率环108的折射率的二氧化硅玻璃。例如，低折射率环108可被下掺杂有氟、硼、和/或其组合，来减少低折射率环108相对于纯二氧化硅玻璃的折射率。在此处所述各实施例中，用足够的下掺杂剂量来形成低折射率环，以使低折射率环108相对于纯二氧化硅玻璃的最小相对折射率百分比（Δ_LMIN%）从约-0.1%到约-1.0%、更优选为从约-0.1%到约-0.7%。

外包层110围绕低折射率环108并与低折射率环108直接接触。外包层110一般从半径R_L延伸至半径R_cl，以使外包层具有径向厚度T_oc=R_cl-R_L。外包层110一般相对于纯二氧化硅玻璃具有相对折射率Δ_oc%，大于低折射率环108的相对折射率Δ_LMIN%且小于芯102的最大相对折射率Δ_cMAX%。在一些实施例中，Δ_oc%≥Δ_ic%；在其他实施例中，Δ_oc%≤Δ_ic%。因此，外包层108可包括纯二氧化硅玻璃（SiO₂）、具有增加折射率的一个或多个掺杂剂（如，GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、和/或Ta₂O₅）的二氧化硅玻璃（诸如当外包层108“上掺杂”时）、或是具有诸如氟之类减少折射率的掺杂剂的二氧化硅玻璃（诸如当内包层“下掺杂”时），只要外包层108的相对折射率Δ_oc%小于芯102的最大相对折射率Δ_vMAX%且大于低折射率环108的最小相对折射率Δ_LMIN%即可。在一个特定实施例中，外包层110被上掺杂从而使得外包层110的相对折射率Δ_oc%相对于纯二氧化硅玻璃是从约0.02%到约0.2%。

特定地参看图4A，一般地示出光纤的一个特定实施例的折射率分布。在这个实施例中，光纤的芯具有渐变式折射率分布，该分布具有最大相对折射率Δ_cMAX%。光纤的包层被形成为具有内包层，该内包层具有相对折射率Δ_ic%的，该相对折射率Δ_ic%小于芯的最大相对折射率Δ_cMAX%。低折射率环位于直接与内包层相邻处并与内包层直接接触。低折射率环具有小于Δ_ic%和Δ_cMAX%的最小相对折射率Δ_LMIN%。外包层围绕低折射率环并与低折射率环直接接触，并具有大于Δ_ic%和Δ_LMIN%且小于Δ_cMAX%的相对折射率Δ_oc%。因此，在这个实施例中，Δ_cMAX%＞Δ_oc%>Δ_ic%Δ_LMIN%。然而，应该理解的是，其他实施例是可能的。例如，Δ_oc%可等于Δ_ic%。可选地，Δ_ic%可大于Δ_oc%。

在此处所述的光纤的各实施例中，芯半径R_c和芯的最大相对折射率Δ_cMAX%的组合增加了在该光纤中传播的光信号的高阶模式的理论截止波长。增加这些高阶模式的理论截止波长具有增加可在光纤芯内传播的模式的数量的效果，且作为结果，该光纤成为少模的（即，该光纤比单模光纤支持更多的模式的传播和传输，且比多模光纤支持更少的模式）。例如，在此处所述的各实施例中，光信号的LP11模式具有的理论截止波长为大于或等于1550nm、优选大于2000nm、更优选大于2500nm。类似地，LP02模式的理论截止波长大于或等于1100nm、优选地大于1500nm、更优选大于1800nm。具有1550nm波长的光信号的LP12模式的理论截止波长大于或等于800nm，优选大于1200nm，更优选大于1500nm。

在此处所述各实施例中，形成具有在6μm到50μm范围内的芯半径和大于或等于约0.2%且小于或等于0.5%的相对折射率的光纤就产生了支持X个模式的光纤，其中X是整数。可通过下式确定光纤的芯内支持的标量模式（即，简并偏振模式）的数量：

$X=\frac{\mathrm{\α}}{2(\mathrm{\α}+2)}{n}_{\mathrm{cMAX}}^2{k}^2{R_c}^2{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{cMAX}}$

其中R_c是芯的半径，n_cMAX是芯的最大折射率，k是波数（即，2π/λ，其中λ是在芯中传播的光的波长），α是芯的阿尔法值，且Δ_cMAX是芯的最大相对折射率。在此处所述各实施例中，X大于1且小于或等于110。例如，在光纤的芯具有带有阿尔法值为2、Δ_cMAX从0.2到0.5%的渐变式折射率分布、且半径从15μm到50μm的各实施例中，X可以是从4到110的整数。然而，在光纤的芯具有带有Δ_cMAX从0.2到0.5%的阶跃式折射率分布、且半径从约6μm到约16μm的各实施例中，X可以是从2到25的整数。

除了增加可在光纤的芯内传播的高阶模式的数量外，被形成为具有上述且在图1和3中所示的结构和性质的光纤一般具有用于通过光纤的芯传播的基模的增大的有效面积（A_eff），且因此光纤一般具有减少的非线性。特定地，具有从约6μm到约50μm半径的芯和大于或等于约0.2%到小于或等于约0.5%的相对折射率Δ_cMAX%的芯组合产生了相对于常规单模光纤的光纤的有效面积的增加。在此处所述各实施例中，光纤一般具有大于约150μm²、更优选大于约160μm²、甚至更优选大于170μm²的有效面积。在一些实施例中，光纤的有效面积可大于约200μm²或甚至300μm²。在又一些实施例中，有效面积可甚至高达约500μm²。

然而，与常规单模光纤不一样，光纤有效面积的增加不会引起光纤弯曲特性的相应减少。实际上，有效面积的增加实际产生了在1550nm波长处的引脚阵列弯曲损耗的减少。一般而言，此处所述的光纤具有在1550nm波长处低于约8dB的引脚阵列弯曲损耗、优选低于4dB、更优选低于2dB、且最优选低于约1dB。

优选地，此处公开的光纤具有在1550nm波长处大于13μm的模场直径，优选大于或等于13μm且小于或等于30μm。在一些实施例中，模场直径可大于约13μm且小于约23μm。

此处公开的光纤还具有：在1550nm处大于或等于约20ps/nm/km且小于或等于约23ps/nm/km的波长色散值，以及在1550nm波长处大于或等于约0.0600ps/nm²/km且小于或等于约0.0700ps/nm²/km（优选大于或等于约0.0600ps/nm²/km且小于或等于约0.0670ps/nm²/km）的色散斜率。卡帕值，被定义为色散值与色散斜率的比值，优选地是在1550nm波长处约310nm到350nm之间。

作为芯的增加的有效面积的结果，此处所述的光纤具有减少的非线性。相对于标准单模光纤，这些光纤还展现出改进的引脚阵列弯曲性能。然而，在使用具有阶跃式折射率分布的芯的光纤的各实施例中，光信号的基模可激发具有不同时延的高阶模式。此外，基模和高阶模式之间的模式转换可导致会增加噪声并使性能变差的多路径干扰（MPI）。原则上，通过使用数字信号处理，可补偿各模式之间的时延以及MPI。然而，在应用数字信号处理前，通过最小化时延和MPI，可改进这样的补偿技术。

现在参看图5，如上所述，通过将光纤形成为具有带有小于20的阿尔法值的渐变式折射率分布的芯，可减少高阶模式之间的时延以及MPI。一般而言，降低来自阶跃式折射率分布阿尔法值的阿尔法值就减少了在光纤中传播的模式之间的时延。例如，将阿尔法值从约20降低至约3就将时延减少不止10倍。特定地，确定当光纤的芯具有带有1.9到2.1之间的阿尔法值的渐变式折射率分布时，可最小化高阶模式之间的时延。例如，图5图示出因变于其最大相对折射率Δ_cMAX%为0.35%、0.40%、0.45%、和0.50%的建模的光纤的阿尔法值（x-轴）的RMS脉冲展宽（y-轴）。RMS脉冲展宽值一般表示在芯内传播的光信号的模式之间的延迟。如图5中所示，当芯的最大相对折射率Δ_cMAX%为0.5%或更小且芯的阿尔法值大于或等于1.9且小于或等于2.1时，此处所示的光纤一般具有小于0.15ns/km的RMS脉冲展宽值。在一个特定实施例中，芯的阿尔法值在约1.97和1.98之间且RMS脉冲展宽值小于0.01ns/km。

现在参看图6，对于其最大相对折射率Δ_cMAX%为0.35%、0.40%、0.45%、和0.50%以及其最优阿尔法值约为1.972到1.974之间的建模的光纤，示出了因变于波长（x-轴）的RMS脉冲展宽（y-轴）。如图6中所示，对于1.5μm到1.6μm（即，1500nm到1600nm）范围内的波长，RMS脉冲展宽具有低于4ps/km的变化。在WDM光学通信系统中，使用数字信号处理，可易于补偿导致其RMS脉冲展宽的变化如此之低的光纤的时延和低MPI。

示例

本发明通过以下示例将更清楚。

数学地建模多个光纤来确定在1550nm处Δ_cMAX%和芯半径的变化对于有效面积以及引脚阵列弯曲损耗的影响。表1包含具有阶跃式折射率分布的比较的和创新的光纤的数据。特定地，比较示例C1是具有在1550nm处的阶跃式折射率分布、0.20%的Δ_cMAX%值、以及6μm半径（导致153.9μm²有效面积）的芯、以及在1550nm处的65dB的引脚阵列弯曲损耗的单模光纤。示例2-8也被建模为具有阶跃式折射率分布的芯。然而，在示例2-8中，通过增加Δ_cMAX%并改变芯的半径，调节理论截止波长。如表1中所示，示例2-8各自支持至少2个模式的传播和传输，且各自具有大于150μm²（且在大多数情况下，大于170μm²）的有效面积。与比较示例C1相比，示例2-8的每一个展现出弯曲损失的显著减少。特定地，至少部分地由于光纤有效面积的增加，示例2-8的每一个展现出减少了至少60dB的弯曲损耗。

表1：具有阶跃式折射率芯的建模的光纤

对于具有渐变式折射率分布的芯的光纤，观察到类似趋势。特定地，表2包含对于被建模为具有2.0的阿尔法值的渐变式折射率分布的芯的示例9-16的数据。如同上述阶跃式折射率分布，通过增加Δ_cMAX%和改变芯半径来调节具有渐变式折射率分布的光纤的理论截止波长。如表2中所示，所建模的光纤的每一个在1550nm处支持多于2个模式，且示例16支持103个模式。另外，如同上述阶跃式折射率分布，示例9-16的每一个具有大于150μm²的有效面积，且示例14和16具有超过500μm²的有效面积。甚至进一步，示例9-16的每一个具有小于7dB的引脚阵列弯曲损耗，且更特定地，比比较示例C1的光纤的引脚阵列弯曲损耗小了不止50dB的引脚阵列弯曲损耗。

表2：具有渐变式折射率芯的建模的光纤

表3包含示例17-22的数据。示例17-22中的光纤被建模为具有2.0的阿尔法值的渐变式折射率芯。示例17-22中的光纤还被建模为具有将芯与内包层间隔开的低折射率环，如上图3中所示。芯的最大相对折射率Δ_cMAX%从0.40%变化至0.75%，同时芯的半径R_c从12.6μm变化至36.3μm。内包层的相对折射率Δ_ic%从0.0%变化至-0.1%，且内包层的径向厚度在0.8μm到2.7μm之间变化。低折射率环的最小相对折射率Δ_LMIN%从约-0.3%到约-0.8%，且低折射率环的半径宽度从4.2μm变化至6.6μm。

示例17-22的光纤显示出与表2的光纤类似的趋势。特定地，通过增加Δ_cMAX%和改变芯的半径，来调节具有渐变式折射率的光纤的理论截止波长。如表3中所示，所建模的光纤的每一个在1550nm处支持多于2个模式。另外，如同上述阶跃式折射率分布，示例17-22的每一个具有大于150μm²的有效面积，且示例21和22具有超过200μm²的有效面积。然而，添加低折射率环来间隔芯与内包层，相对于表2中所报告的光纤，显著减少了光纤的引脚阵列弯曲损耗，从而引脚阵列弯曲损耗可忽略（即，0）。特定地，示例17-22展示了，当将光纤形成为具有间隔开芯的低折射率环时，特别是当光纤的芯具有大于约0.4%的最大相对折射率Δ_cMAX%时，可将光纤的引脚阵列弯曲损耗减少为1dB或更小。

表3：具有渐变式折射率芯、低折射率环、和内包层的建模的光纤

表4包含示例23-28的数据。示例23-28中的光纤被建模为具有阿尔法值为2的渐变式折射率芯。图上述图7中所示，示例23-28中的光纤还被建模为具有围绕芯并与芯直接接触的低折射率环。芯的最大相对折射率Δ_cMAX%从0.20%变化至0.70%，同时芯的半径R_c从13.9μm变化至37.3μm。低折射率环的最小相对折射率ΔLMIN%从约-0.1%到约-0.5%，且低折射率环的半径宽度从4.7μm变化至11.7μm。

示例23-28的光纤显示出与表3的光纤类似的趋势。特定地，通过增加Δ_cMAX%和改变芯的半径，来调节具有渐变式折射率的光纤的理论截止波长。如表4中所示，所建模的光纤的每一个在1550nm处支持多于2个模式。另外，如同上述阶跃式折射率分布，示例23-28的每一个具有大于150μm²的有效面积，且示例28具有超过250μm²的有效面积。然而，添加低折射率环显著减少了光纤的引脚阵列弯曲损耗。特定地，示例24-28展示出，当光纤被形成为具有低折射率环时，可将光纤的引脚阵列弯曲损耗减少至小于1dB或更小。

表4：具有渐变式折射率芯和低折射率环（没有内包层）的建模的光纤

现在应该注意的是，此处所述的光纤具有增加的有效面积和减少的引脚阵列弯曲损耗，可通过增加在光纤中传播的光信号的高阶模式的理论截止波长来实现增加的有效面积和减少的引脚阵列弯曲损耗。因此，应该理解的是此处所述的光纤支持多于一个模式的光信号的传播和传输。另外，有效面积的增加减少了光纤的非线性，藉此改进了长距光学通讯系统中光纤的性能。

应该理解的是，此处所述的具有渐变式折射率分布的芯的光纤可被用于最小化在光纤的芯内传播的光信号的高阶模式之间的时延。另外，将光纤形成为具有间隔开芯的低折射率环，改进了光纤的引脚阵列弯曲损耗，藉此改进了光纤的传输性能。这样的光纤适于用在WDM通信系统中，其中可易于使用数字信号处理来补偿光纤中被最小化了的时延。

对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本文中所描述的实施例作出各种修改和变化。因此，本说明书旨在覆盖本文中所描述的各实施例的修改和变化，只要这些修改和变化落在所附权利要求及其等价方案的范围内即可。

Claims (21)

1.一种光纤，包括玻璃芯、和围绕所述玻璃芯并且与所述玻璃芯直接接触的玻璃包层，其中：

所述玻璃芯包括：

半径R_c，其中从约16μm>R_c>50μm；

渐变式折射率分布，具有在波长1550nm处大于或等于约1.0且小于约10的阿尔法值；

相对于所述玻璃包层的从约0.2%到约0.75%的最大相对折射率Δ_cMAX%；

大于或等于约150μm²的有效面积，所述玻璃芯支持在1550nm波长处具有X个模式的光信号的传播和传输，其中X是大于1且小于或等于110的整数；且

所述玻璃包层包括最大相对折射率Δ_clMAX%，以使Δ_cMAX%>Δ_clMAX%，其中所述光纤在1550nm波长处具有小于或等于约0.15ns/km的RMS脉冲展宽。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述玻璃包层不包括低折射率环。

3.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，在波长1550nm处，所述阿尔法值大于或等于约1.9且小于或等于约2.1。

4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，在波长1550nm处，所述光纤具有小于或等于0.01ns/km的RMS脉冲展宽。

5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述玻璃芯的有效面积大于或等于约200μm²，且其中所述光纤在1550nm处具有小于或等于1dB的引脚阵列弯曲损耗。

6.一种光纤，包括玻璃芯、和围绕所述玻璃芯并且与所述玻璃芯直接接触的玻璃包层，其中：

所述玻璃芯包括：

半径R_c，从约12μm到约50μm；

渐变式折射率分布，具有在波长1550nm处大于或等于约1.0且小于10的阿尔法值；

相对于所述玻璃包层的从约0.2%到约0.75%的最大相对折射率Δ_cMAX%；

大于或等于约150μm²的有效面积，所述玻璃芯支持在1550nm波长处具有X个模式的光信号的传播和传输，其中X是大于1且小于或等于110的整数；且

所述玻璃包层包括最大相对折射率Δ_clMAX%以使Δ_cMAX%>Δ_clMAX%、具有相对折射率Δ_LMIN%以使Δ_LMIN<Δ_clMAX%的低折射率环，其中所述光纤在1550nm波长处具有小于或等于约0.15ns/km的RMS脉冲展宽。

7.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述低折射率环围绕所述玻璃芯并与所述玻璃芯直接接触，且在1550nm波长处所述阿尔法值小于或等于2.0。

8.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述玻璃包层包括通过内包层与所述芯间隔开的低折射率环。

9.如权利要求8所述的光纤，其特征在于，在波长1550nm处，所述阿尔法值大于或等于约1.9且小于或等于约2.1。

10.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述光纤具有在1550nm波长处小于或等于0.01ns/km的RMS脉冲展宽。

11.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述光纤具有在1550nm处小于或等于1dB的引脚阵列弯曲损耗。

12.一种光纤，包括玻璃芯、和围绕所述玻璃芯并且与所述玻璃芯直接接触的玻璃包层，其中：

所述玻璃芯包括：

半径R_c，从约12μm到约50μm；

渐变式折射率分布，具有在波长1550nm处小于或等于约2.0的阿尔法值；

相对于所述玻璃包层的外包层的从约0.2%到约0.75%的最大相对折射率Δ_cMAX%；

大于或等于150μm²的有效面积，所述玻璃芯支持在1550nm波长处具有X个模式的光信号的传播和传输，其中X是大于1且小于或等于110的整数；且

所述玻璃包层包括：

围绕所述玻璃芯并与所述玻璃芯直接接触的内包层，所述内包层具有相对折射率Δ_ic%以使Δ_cMAX%>Δ_ic%；

低折射率环，围绕所述内包层并与所述内包层直接接触；和

所述外包层围绕所述低折射率环并与所述低折射率环直接接触，其中所述低折射率环具有相对于所述外包层的最小相对折射率Δ_LMIN%，且所述外包层具有相对于纯二氧化硅玻璃的最大相对折射率Δ_ocMAX%以使Δ_cMAX%>Δ_ocMAX%>Δ_LMIN%，其中所述光纤在1550nm波长处具有小于或等于约0.15ns/km的RMS脉冲展宽。

13.如权利要求12所述的光纤，其特征在于，所述光纤具有在1550nm波长处小于或等于0.01ns/km的RMS脉冲展宽。

14.如权利要求12所述的光纤，其特征在于，Δ_cMAX%大于或等于0.4%且所述光纤具有小于或等于1dB的引脚阵列弯曲损耗。

15.如权利要求12所述的光纤，其特征在于，所述低折射率环具有从约2μm到约15μm的径向厚度。

16.如权利要求12所述的光纤，其特征在于，所述内包层具有小于或等于约5μm的径向厚度。

17.一种光纤，包括玻璃芯、和围绕所述玻璃芯并且与所述玻璃芯直接接触的玻璃包层，其中：

所述玻璃芯包括：

半径R_c，从约6μm到约16μm；

相对于所述玻璃包层的从约0.2%到约0.5%的最大相对折射率Δ_cMAX%；

阶跃式折射率分布，具有在波长1550nm处大于或等于10的阿尔法值；

大于或等于约150μm²的有效面积，所述玻璃芯支持在1550nm波长具有X个模式的光信号的传播和传输，其中对于所述光信号的LP₁₁模式而言所述光纤的理论截止波长大于或等于1500nm，且X是大于1且小于或等于25的整数；且

所述玻璃包层包括最大相对折射率Δ_clMAX%以使Δ_cMAX%>Δ_clMAX%；围绕所述玻璃芯的低折射率环；以及外包层，所述外包层围绕所述低折射率环并与所述低折射率环直接接触，其中所述低折射率环具有相对于所述外包层的最小相对折射率Δ_LMIN%，且所述外包层具有相对纯二氧化硅玻璃的最大相对折射率Δ_ocMAX%以使Δ_cMAX%>Δ_ocMAX%>Δ_LMIN%。

18.如权利要求17所述的光纤，其特征在于，所述光纤具有小于或等于8dB的引脚阵列弯曲损耗。

19.如权利要求17所述的光纤，其特征在于，所述玻璃包层还包括位于所述玻璃芯和所述低折射率环之间的内包层，从而使得所述低折射率环与所述玻璃芯间隔开，所述内包层具有小于或等于约5μm的径向厚度。

20.如权利要求17所述的光纤，其特征在于，Δ_ocMAX%是从约0.02%到约0.2%，且Δ_LMIN%是从约-0.1%到约-1.0%。

21.如权利要求20所述的光纤，其特征在于，所述低折射率环具有从约2μm到约15μm的径向厚度。

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