CN103635840B - 多模光纤和包括该多模光纤的系统 - Google Patents

多模光纤和包括该多模光纤的系统 Download PDF

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Abstract

根据某些实施例，一种多模光纤（100）包括：渐变式折射率玻璃芯（20），具有折射率Δ1、最大折射率德耳塔Δ1MAX、和10到40微米之间的芯半径；以及包围该芯的包层区域（200），包括折射率Δ4，其中该光纤在900到1250nm波长范围内的操作波长处表现出大于2.5GHz‑km的满溢带宽。根据某些实施例，该光纤在950到1100nm之间的波长处表现出大于4GHz‑km的满溢带宽。根据某些实施例，该光纤在950到1100nm之间的波长处表现出大于10GHz‑km的满溢带宽。

Description

多模光纤和包括该多模光纤的系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年6月30日提交的美国临时申请序列号61/503252的优先权以及根据要求2012年3月28日提交的美国申请序列号13/432553的优先权，本申请基于这些申请的内容并且这些申请的内容通过引用而整体结合于此。
背景技术
技术领域
本发明一般涉及光纤，更具体地涉及多模光纤。
技术背景
在以850nm为中心的波长范围上操作的多模(MM)光纤是已知的。这些多模(MM)光纤的带宽(BW)主要受限于模间色散。为了最小化模间色散，将MM光纤设计为具有梯度折射率α分布。优化当前的高带宽(>1GHz·Km)光纤，以用在850nm处。这些MM光纤中的一些还具有第二操作窗口，具有中心在1300nm处的较低的BW(<1GHz·Km)。
然而，在850nm处操作的光学系统及其相应的光纤的一些限制在于：高衰减(>2dB/Km)、高光纤色散(<-90ps/nm/km)、制造时产生高带宽光纤的困难、以及在多个波长处实现高BW光纤的困难。
为了高速操作的大于900nm波长而研发的VCSEL及其使用与850nm VCSEL相比提供了显著的优势。在大于约900nm且低于1250nm操作的VCSEL现在已经可获得。利用这些长波长VCSEL的某些优势包括支持类别1眼睛安全规范、改进的源和检测器性能、更低的光纤衰减、较好的光子能量转换、更小的VCSEL温度增加、以及更低的成本。尽管已经对于900-1250nm波长范围内的高速应用提出了这些VCSEL，但是还没有设计出对于在大于900nm波长处的VCSEL而被优化的光纤。
发明内容
根据某些实施例，一种多模光纤包括：渐变式折射率玻璃芯，具有折射率Δ1、最大折射率德耳塔Δ1MAX、和10到40微米之间的芯半径；以及围绕该玻璃芯的包层区域，包括折射率Δ4，其中该光纤在处于900到1250nm波长范围内的波长处表现出大于2.5GHz-km的满溢带宽。
根据某些实施例，一种多模光纤包括：渐变式折射率玻璃芯，具有折射率Δ1、最大折射率德耳塔Δ1MAX、和20到40微米之间的芯半径；以及围绕该玻璃芯的包层区域，包括折射率Δ4，其中该光纤在处于900到1100nm波长范围内的波长处表现出大于2.5GHz-km的满溢带宽。
例如，根据某些实施例，该光纤在位于900nm到1200nm波长范围内的操作波长处具有大于4GHz-km的满溢带宽；小于约2.08的阿尔法；以及在该操作波长处小于60ps/nm/km的色散大小和小于1.5dB/km的衰减。根据某些实施例，该光纤包层包括围绕玻璃芯并与玻璃芯接触的内包层、围绕着该内包层部分的折射率下陷环形区域，其中该折射率下陷环形区域具有小于约-0.2％的折射率德耳塔Δ3MIN和至少1微米的带宽，且该玻璃芯具有大于10微米且小于28微米的半径、在0.8到1.3％之间的最大折射率、和小于约2.08的阿尔法；且该光纤在940到1100nm之间的一个或多个波长处具有大于4.7GHz-km的满溢带宽、小于60ps/nm/km的色散大小、和小于1.5dB的衰减。根据某些实施例，该光纤的外包层具有最大折射率德耳塔Δ4MAX，且Δ4MAX>Δ3MIN。
根据某些实施例，该光纤在950到1000nm范围内的波长处表现出大于4GHz-km的满溢带宽。根据某些实施例，该光纤在950到1000nm范围内的波长处表现出大于10GHz-km的满溢带宽。根据某些实施例，该光纤在1030到1090nm范围内的波长处表现出大于4GHz-km的满溢带宽。根据某些实施例，该光纤在1030到1090nm范围内的波长处表现出大于10GHz-km的满溢带宽。
根据某些实施例，一种多模光纤包括：
(i)渐变式折射率玻璃芯，包括折射率德耳塔1，该玻璃芯包括10到35微米之间的芯半径；和(ii)围绕着该玻璃芯的折射率下陷的包层区域，且包括折射率德耳塔Δ3MIN；和(iii)外包层，包括折射率Δ4。该外包层区域围绕着该折射率下陷的包层区域。该折射率下陷的包层区域具有小于约-0.1％的折射率德耳塔和至少1微米的带宽，其中Δ1>Δ4>Δ3MIN，且该光纤在900到1250nm范围内(优选900到1100nm范围)内的波长处表现出大于2.5GHz-km的满溢带宽。根据某些实施例，该光纤的外包层具有最大折射率德耳塔Δ4MAX，且Δ4MAX>Δ3MIN。
根据某些实施例，一种系统包括：
(i)至少一个光源(如，VCSEL)，该光源在900到1250nm内的一个或多个波长处以25GHz或更高的比特率发射；
(ii)光学耦合至该光源的至少一个多模光纤，该光纤包括渐变式折射率芯和包括外包层部分的包层，其中该光纤在900nm到1250nm波长范围内的操作波长处具有大于4GHz-km的满溢带宽；小于约2.08的阿尔法；和在该操作波长处小于60ps/nm/km的色散大小和小于1.5dB/km的衰减；和
(iii)光学耦合至该多模光纤的检测器，能检测900nm到1250nm内的波长。根据某些实施例，该至少一个光源在900到1250nm之间的一个或多个波长处以40GHz或更高的比特率发射。根据某些实施例，至少一个光源是在940到1250nm范围内操作的VCSEL(多个)。根据某些实施例，至少一个光源是在940到1100nm范围内操作的VCSEL(多个)。
将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点的一部分可由本领域内技术人员从说明书中推知或通过如此处所述本发明的实践而得知，包括以下详细描述、权利要求书以及附图。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出本发明的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本发明的各个实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。
附图说明
图1A示出多模光纤的示例性实施例的玻璃部分的截面视图的示意性表示(不按比例)；
图1B示出图1A的多模光纤的示例性实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意性表示(不按比例)；
图2A示出了具有类似于图1A所示的分布的两个渐变式折射率MM光纤在给定操作波长处的优化带宽性能的玻璃芯阿尔法的敏感度；
图2B示出因变于图1A的渐变式折射率MM光纤的芯德耳塔的带宽依赖性；
图3示出因变于图1A的渐变式折射率MM光纤的波长的光谱衰减；
图4示出此处公开的多模光纤的示例性实施例的玻璃部分的横截面的折射率分布的示意性表示(不按比例)，其中折射率下陷的环形部分偏离该芯而且被外环形部分围绕；
图5A示出此处公开的多模光纤的示例性实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意性表示(不按比例)，其中折射率下陷的环形部分与玻璃芯并未间隔开；且
图5B示出此处公开的多模光纤的另一个示例性实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意性表示(不按比例)。
图6示出此处公开的多模光纤的另一个示例性实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意性表示(不按比例)。
具体实施方式
将在以下详细描述中陈述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施在以下详细描述以及权利要求书和附图中描述的本发明可认识到。
“折射率分布”是折射率或相对折射率与波导光纤半径之间的关系。
“相对折射率百分比”被定义为Δ％＝100x(ni 2–nREF 2)/2ni 2，其中ni是区域i中的最大折射率，除非另外指明。相对折射率百分比是在980nm处测得的，除非另外指明。除非另外指明，nREF是包层的外环形部分的平均折射率，例如，它可通过在包层的外环形部分中进行“N”次折射率测量(nC1、nC2、…、nCN)来计算，并通过以下计算平均折射率而被计算：
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nREF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nREF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。此处的“上掺杂剂(updopant)”被认为是倾向于相对于纯的未掺杂SiO2提高折射率的掺杂剂。此处的“下掺杂剂(downdopant)”被认为是倾向于相对于纯的未掺杂SiO2降低折射率的掺杂剂。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。
除非另外之处，否则注意，宏弯曲性能根据FOTP-62(IEC-60793-1-47)通过围绕6mm、10mm或20mm或类似直径的心轴缠绕1匝(例如，“1x10mm直径宏弯曲损耗”或“1x20mm直径宏弯曲损耗”)并利用满溢注入条件测量由弯曲引起的衰减增加来确定，其中光源具有大于受测试光纤的芯直径的50％的斑点尺寸。在一些测量中，通过将满溢脉冲注入到关于1x25mm直径心轴在中点附近部署的2m长的50微米光纤的输入端来获得环形通量注入(encircled flux launch，EFL)宏弯曲性能。50微米光纤的输出端被接合到受测光纤，且所测得的弯曲损耗是在规定弯曲条件下的衰减与不弯曲情况下衰减的比。
除非另有所指，在满溢注入条件下在操作波长处根据IEC 60793-1-41(TIA-FOTP-204),Measurement Methods and Test Procedures–Bandwidth(测量方法和测试过程—带宽)，来测得带宽。
如此处所使用的，光纤的数值孔径是指利用题为“Measurement Methods andTest Procedures-Numerical Aperture(测量方法和测试过程-数值孔径)”的TIA SP3-2839-URV2 FOTP-177 IEC-60793-1-43中阐述的方法测量的数值孔径。
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(r)表示，其中r是半径，其遵循以下方程，
Δ(r)＝Δ(ro)(1-[|r-ro|/(r1-ro)]α)，
其中ro是零除非另外指明，r1是Δ(r)％为零的点，而r在ri≤r≤rf范围内，其中Δ如上定义，ri是α分布的起点，rf是α分布的终点，而α是指数，该指数是实数。
将微弯曲敏感度与常规50μm MMF的敏感度进行比较，该常规50μm MMF具有25μm的芯半径和1％的相对折射率。可通过下式来估算多模光纤的微弯曲敏感度
其中是微弯曲所引起的衰减增加，N是每单元长度的平均高度为h的凸点(bump)的数量，b是总的光纤直径，a是芯半径，是Δ光纤折射率差异，且Ef和E分别是是光纤和光纤包围材料(即，涂层)的弹性模量[Olshansky,R.的“Model of Distortion Losses in CabledOptical Fibers(缆线光纤的内的形变损耗的模型)”Appl.Opt.(应用光学),14卷,20期(1975)]。在具有相同涂层和玻璃直径的光纤中，则相对标准50μm MMF而言，具有芯半径a(μm)和芯德耳塔Δ(％)的光纤的微弯曲敏感度为
该微弯曲敏感度优选小于10，更优选小于5，更优选小于2，且进一步更优选小于1。例如，该微弯曲敏感期可小于0.8，小于0.6，或小于0.4。
折射率下陷的环形部分具有由下式定义的分布体积V3：
其中正如所定义的，R内是折射率下陷的环形部分的内半径，而R外是折射率下陷的环形部分的外半径。对于此处公开的光纤，V3的绝对大小优选为大于40％-微米2、更优选大于70％-微米2，例如：大于90％-微米2、大于80％-微米2、大于95％-微米2、大于100％-微米2、或大于125％-微米2。在一些优选实施例中，V3的绝对值大于60％-微米2且小于200％-微米2。在其他优选实施例中，V3的绝对值大于80％-微米2且小于160％-微米2。在一些实施例中，V3的绝对值大于60％-微米2且小于200％-微米2。在一些优选实施例中，V3的绝对值大于80％-微米2且小于200％-微米2。在其他优选实施例中，V3的绝对值大于100％-微米2且小于200％-微米2。在其他优选实施例中，V3的绝对值大于60％-微米2且小于120％-微米2。
此处公开的多模光纤包括芯和包围该芯且直接毗邻该芯的包层。在某些实施例中，芯包括锗掺杂的氧化硅，即氧化锗掺杂的氧化硅。可在此处所公开的光纤的芯内，尤其在其中心线处或附近单独或组合地采用除锗之外的掺杂剂，诸如Al2O3或P2O5，以获得期望的折射率和密度。在一些实施例中，此处所公开的光纤的折射率分布从纤芯的中心线到外半径是非负的。在一些实施例中，光纤的芯中不包含降低折射率的掺杂剂。
图1A是MM光纤100的一个实施例的截面图的示意图(不按比例)。多模光纤100的这个示例性实施例包括玻璃芯20和玻璃包层200。该包层可包括内环形部分40、任选的折射率下陷的环形部分50、以及外环形部分60。优选地，该芯20包括基本上掺杂了单一掺杂剂(例如Ge)(即，其他掺杂剂的量小于0.5wt％，且优选地小于0.1wt％)的二氧化硅。优选地，该芯20包括具有单一掺杂剂(例如Ge)的二氧化硅。
图1B示出包括玻璃芯20和玻璃包层200的多模光纤100的一个示例性实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意图，这个实施例的包层仅包括外环形部分60。在图1B的实施例(多个)中，光纤芯20具有抛物线形状、外径R1、和最大折射率德耳塔Δ1MAX。包层具有外半径RMAX。更特定地，图1A实施例的芯德耳塔Δ1MAX在0.3％到2％之间，例如在0.75％到1.5％之间(如，0.75％,0.8％,0.9％,1％,1.25％,1.4％,或在这些之间)或在0.3％到0.75％之间(如，0.4％,0.45％,0.5％,0.6％,0.7％,或在这些之间)。在某些示例性实施例中，芯半径R1为10μm到40μm，例如12到35μm。在某些示例性实施例中，芯半径R1是20μm到40μm，例如20μm到35μm或20μm到30μm(例如，20到28μm，22μm到27μm，或30μm到35μm)。在其他示例性实施例中，芯半径R1是10μm到20μm，例如10μm到15μm或15μm到20μm(例如，10到14μm，12μm到16μm，或14μm到18μm)。在一个示例性实施例中，操作波长是900nm，在另一个实施例中，操作波长是950nm。在另一个示例性实施例中，操作波长是980nm。在又一个示例性实施例中，操作波长是1060nm。
优选地，在操作(或中心)波长处的带宽BW大于1GHz·km，更优选大于2GHz·km，且最优选大于4GHz·km，例如大于10GHz-km。例如，在一些实施例中，BW大于4.7GHz·km，且在其他实施例中大于12GHz·km。在一些实施例中，BW在4GHz·km到25GHz·km之间，例如4.5到20GHz·km。
注意，如果包层200包括任选的折射率下陷的环形部分50，则光纤100可变为对弯曲不敏感的。例如在图4、5A、和5B中示出了这样的对于弯曲不敏感的光纤的光纤分布图，且进一步在说明书中会更详细地描述。
MM光纤100的带宽BW主要受限于模间色散。为了最小化模间色散，芯的折射率被设计为具有α-分布。由下式描述最佳α：
其中n1是中心的折射率，D是中心的峰值折射率变化，且其中λ是900nm到1200nm。该式示出了最佳α依赖于波长和芯20的色散性质。
根据此处描述的某些实施例，优化光纤100，具有中心波长在900nm到1250nm之间的带宽，具有芯德耳塔在0.3％≤Δ1MAX≤2％(例如,0.5％≤Δ1MAX≤2％)且具有α为2.02≤α≤2.13。优选地2.02≤α≤2.08。根据此处描述的某些实施例，优化光纤100，具有中心波长在900nm到1250nm之间的带宽，且具有芯德耳塔在0.3％≤Δ1MAX≤2％且优选地具有α值为2.02≤α≤2.08。例如，图2A对于具有类似于图1A所示的分布和0.5％到1％的特定Δ1MAX值的两个渐变式折射率MM光纤100，在给定操作波长处的优化带宽性能的玻璃芯阿尔法的敏感度。更特定地，图2A示出对于在900nm到1250nm之间的波长被优化的光纤100，某些实施例具有0.5％≤Δ1MAX≤1％之间的最大芯德耳塔且芯α值的优选范围为2.02≤α≤2.1。在其他实施例中，对于在900nm到1250nm之间的波长被优化的光纤100具有0.3％≤Δ1MAX≤1％之间的最大芯德耳塔且芯α值的优选范围为2.02≤α≤2.08。
光纤的带宽BW也因变于芯德耳塔。更特定地，当最大芯德耳塔Δ1MAX减少时，最大带宽BW增大。例如，图2B示出因变于图1A的渐变式折射率MM光纤100的芯德耳塔的带宽依赖性。它示出了对于中心波长在900nm到1200nm之间的带宽具有更低Δ1MAX值的光纤100产生更高的最大带宽。
然而，光纤100的弯曲损耗随着芯德耳塔减少而增加，且可通过优化带宽和弯曲损耗考虑来确定芯德耳塔的选择。如图2A所示，在任何操作波长处的最佳α也因变于芯德耳塔。图3示出因变于与图1A对应的一个示例性渐变式折射率MM光纤(具有Δ1MAX＝1％)的波长的光谱衰减。与图3对应的多模光纤100在更高的波长具有更低的损耗，这导致在大于900nm(如，900nm到1200nm、或950nm到1200nm)的波长处的更好的系统性能。
图1A的光纤具有相对简单的折射率分布。然而，对于某些应用而言，这个光纤的弯曲性能可能并不足够。为了改进弯曲性能，我们将光纤100设计为具有图4、5A、和5B中所示的折射率分布。这些光纤具有带折射率下陷的环形部分50(下掺杂的环，具有低折射率的包层区域)的包层。图4、5A、和5B的光纤的芯参数类似于与图1A对应的光纤的芯参数。芯半径R1优选为20到30μm(如20-28μm)，且优选地α<2.1(如2≤α<2.1,α<2.08,2.02≤α<2.08)。折射率下陷的环形部分50具有在-0.1％到-3％之间的最小折射率Δ3MIN，优选地小于-0.3％，更优选在-0.3％到-1.2％之间，或在-0.3％到-0.7％之间。在某些实施例中，Δ3MIN在-0.5％到-1.2％之间，或在-0.5％到-1％之间。在图4的各实施例中，折射率下陷的环形部分50的宽度W3(W＝R3-R2)至少1微米，优选地在1微米到20微米之间，更优选在1到10微米之间，更优选在1微米到5微米(如2到4.75微米)。内环形部分40(位于芯20和折射率下陷的环形部分50之间)被设计为使得内和外模式组之间的时间延迟的差异最小化。因此，优选地，内环形部分40的宽度(R2-R1)小于5微米，更优选小于4微米，更优选小于2微米。通过将折射率下陷的环形部分50引入分布设计，可改进光纤100的弯曲性能，因为折射率下陷的环形部分50使功率级有效地下降了。可通过F-掺杂，使用诸如OVD、MCVD、或PCVD之类的常规工艺，来制成折射率下陷的环形部分50。也可使得在二氧化硅基的玻璃内具有孔(void)来制成。可周期性或随机地安排这些孔。
更特定地，图4是包括玻璃芯20和玻璃包层200的多模光纤100的一个示例性实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意图，该包层包括内环形部分40、折射率下陷的环形部分50、以及外环形部分60。芯20具有外半径R1和最大折射率德耳塔Δ1MAX。图4的内环形部分40由折射率德耳塔Δ2构成且具有宽度W2和外半径R2。折射率下陷的环形部分50具有最小折射率德耳塔百分比Δ3MIN、宽度W3和外半径R3。示出内环形部分40使折射率下陷的环形部分50与芯20偏移或间隔开。在某些实施例中，内环形部分40的宽度小于4.0微米(如，1到3微米)。在某些实施例中，Δ3MIN出现在半径R3min处，其中R3min–R1小于5.0微米，例如小于4.0微米，优选地小于3.0微米、小于2.0微米、或小于1.0微米。
环形部分50包围内环形部分40。外环形部分60包围并接触环形部分50。内环形部分40具有折射率分布Δ2(r)，其中最大相对折射率为Δ2MAX，最小相对折射率为Δ2MIN，其中在某些实施例中Δ2MAX＝Δ2MIN。折射率下陷的环形部分50具有折射率分布Δ3(r)，其最小相对折射率为Δ3MIN。外环形部分60具有折射率分布Δ4(r)，其最大相对折射率为Δ4MAX，最小相对折射率为Δ4MIN，其中在某些实施例中Δ4MAX＝Δ4MIN。优选的是，Δ1>Δ4>Δ3，且优选地在图1A和图4中所示实施例中，Δ1MAX>Δ2MAX>Δ3MIN。在某些实施例中，内环形部分40具有基本恒定的折射率分布，如图1A和图4所示，具有常数Δ2(r)；在这些实施例中的一些中，Δ2(r)＝0％。在某些实施例中，外环形部分60具有基本恒定的折射率分布，如图4所示具有常数Δ4(r)；在这些实施例中的一些中，Δ4(r)＝0％。芯20优选地具有全部为正的折射率分布，其中Δ1(r)>0％。R1被定义为芯的折射率德耳塔首先达到0.05％的值的半径，从中心线向外沿径向伸展。优选的是，芯基本不含氟，且优选的是芯不含氟。在某些实施例中，内环形部分40优选地具有最大绝对值小于0.05％的相对折射率分布Δ2(r)，且Δ2MAX<0.05％且Δ2MIN>-0.05％，而且折射率下陷的环形部分50在包层的相对折射率第一次到达小于-0.05％的值的位置开始，从中心线径向地向外延伸。在某些实施例中，外环形部分60具有最大绝对值小于0.05％的相对折射率分布Δ4(r)，且Δ4MAX<0.05％且Δ4MIN>-0.05％，而且折射率下陷的环形部分50在包层的相对折射率第一次到达大于-0.05％的值的位置处结束，从出现Δ3MIN的半径处径向地向外延伸。
外包层直径(2xRMAX)优选地小于150微米，且优选地小于135微米，甚至更优选地小于130微米。在某些实施例中，芯直径(2xR1)在40和70微米之间，更优选在45和55微米之间，且外包层直径在120到140微米之间，更优选在120和130微米之间。
在此处公开的多模光纤100中，芯是折射率渐变的芯，而且优选地芯的折射率分布具有抛物线(或基本抛物线)形状；例如，在某些实施例中，芯的折射率分布具有α形状，其中在900nm处测出的α值优选在1.9与2.2之间，更优选地在1.9与2.2之间，更优选约2.1，以及真实更优选地在约2.02与2.08之间；在某些实施例中，芯的折射率可具有中心线倾斜，其中芯的最大折射率和整个光纤的最大折射率离中心线有一小距离，但是在其它实施例中，芯的折射率没有中心线倾斜，并且芯的最大折射率和整个光纤的最大折射率位于中心线处。抛物线形状延伸至半径R1，而且优选从光纤的中心线延伸至R1。如此处所使用，“抛物线”因此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约为2.05的α值——例如2.0或2.1，以及具有小变化和/或中心线倾斜的分布。参考图4实施例，内环形部分40被定义为在约抛物线形状结束处的半径R1处终结，与包层200的最内半径重合。
包层200的一个或多个部分可由包层材料构成，该包层材料例如可在沉积工艺期间被沉积，或以诸如套管型光学预制棒中的管之类的封套的形式来提供，或沉积材料和封套的组合。包层200被至少一种涂层210包围，涂层210在某些实施例中可包括低模量主涂层和高模量副涂层。
优选地，此处公开的光纤具有基于氧化硅的芯和包层。在某些实施例中，该包层具有约125μm的外直径，即2倍Rmax。在某些实施例中，一个或多个涂层包围包层200且与之接触。该涂层可以是诸如丙烯酸酯基聚合物之类的聚合物涂层。
在某些实施例中，折射率下陷的环形部分50包括非周期性设置、或周期性设置、或两者兼而有之的孔。关于“非周期性设置”或“非周期性分布”，表示当对该光纤取截面(诸如垂直于纵轴的截面)时，非周期性设置的孔在光纤的一部分上随机或非周期性地分布。沿该光纤的长度的不同点处所取的类似截面将揭示不同的截面孔洞图案，即各截面将具有不同的孔洞图案，其中孔的分布和孔的大小不匹配。即，孔是非周期性的，即它们在光纤结构内非周期性地设置。这些孔沿光纤的长度(即平行于纵轴)伸展(延长)，但对于典型的传输光纤的长度而言不会延伸整个光纤的整个长度。虽然不希望受理论限制，但认为这些孔沿光纤长度而延伸小于几米，而且在许多情况下小于1米。此处公开的光纤100可通过利用预成型固化条件的方法来制造，这能有效地使大量气体被捕获在固化的玻璃坯料中，从而在固化的玻璃光纤预制棒中形成孔。不是设法去掉这些孔，而是使用所得的预制棒来形成其中具有孔的光纤、或孔。如此处所使用，当从横切光纤的纵轴的垂直截面观察光纤时，孔洞的直径是端点设置在限定孔洞的氧化硅内表面上的最长线段。
在某些实施例中，光纤100(例如，如图4中所示)的内环形部分40包括基本被上掺杂氟或氧化锗的二氧化硅。优选的是，环形部分40包括小于4.0微米的宽度，更优选的是小于2.0微米。在某些实施例中，外环形部分60包括基本未掺杂的氧化硅，然而氧化硅可包含一定量的氯、氟、氧化锗或其它掺杂剂，其浓度合起来不会显著改变折射率。在某些实施例中，折射率下陷的环形区域50包括掺氟和/或硼的二氧化硅。在某些其它实施例中，折射率下陷的环形部分50包括含有多个非周期性设置的孔的氧化硅。孔可包含诸如氩、氮、氪、CO2、SO2或氧之类的一种或多种气体，或孔可包含基本没有气体的真空；不管是否存在任何气体，环形部分60的折射率因为孔的存在而被降低。孔可随机地或非周期性地设置在包层200的环形部分60中，而在其它实施例中，孔周期性地设置在环形部分60中。可选地，或此外，还可通过下掺杂环形部分60(诸如用氟)或上掺杂包层和/或芯中的一个或多个部分来设置环形部分50中的下陷折射率，其中折射率下陷的环形部分50是例如不像内环形部分40一样重掺杂的二氧化硅。优选的是，诸如考虑到任何孔的存在，折射率下陷的环形部分50的最小相对折射率或平均有效相对折射率优选地小于-0.1％，更优选地小于约-0.2％，又更优选地小于约-0.3％，且最优选地小于约-0.4％。
图5A示出包括玻璃芯20和玻璃包层200的多模光纤的可选示例性实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意图，该包层包括折射率下陷的环形部分50和外环形部分60。芯20具有外半径R1和最大折射率德耳塔Δ1MAX。折射率下陷的环形部分50具有最小折射率德耳塔百分比Δ3MIN、宽度W3和外半径R3。折射率下陷的环形部分50围绕芯20且与芯20直接接触，即在芯20和折射率下陷的环形部分50之间没有内包层区域40(具有Δ2)(即，R1＝R2)。优选的是，Δ1>Δ4>Δ3。外环形部分60包围并接触折射率下陷的环形部分50。折射率下陷的环形部分50具有折射率分布3(r)，其最小相对折射率为Δ3MIN。外环形部分60具有折射率分布Δ4(r)，其最大相对折射率为Δ4MAX，最小相对折射率为Δ4MIN，其中在某些实施例中Δ4MAX＝Δ4MIN。优选的是，Δ1MAX>Δ3MIN。优选的是，用锗掺杂芯20且芯20基本不含氟，更优选的是芯不含氟。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分50在包层的相对折射率第一次到达值-0.05％的位置开始，从中心线径向地向外延伸。在某些实施例中，外环形部分60具有最大绝对值小于0.05％的相对折射率分布Δ4(r)，Δ4MAX<0.05％且Δ4MIN>-0.05％，而且折射率下陷的环形部分50在包层的相对折射率第一次到达-0.05％的值的位置结束，从出现Δ3MIN的半径处径向地向外延伸。参看图5A，在这个实施例中，芯20结束于半径R1处(抛物线形状约结束在此处)。
图5B是包括玻璃芯20和玻璃包层200的多模光纤的可选示例性实施例的玻璃部分的截面的折射率分布的示意图，该包层包括内环形部分40、折射率下陷的环形部分50以及外环形部分60。芯20具有外半径R1和最大折射率德耳塔Δ1MAX。
在这个实施例中，芯20也具有抛物线(或基本抛物线)。在某些实施例中，芯20的折射率可具有中心线下降(dip)，其中芯的最大折射率和整个光纤的最大折射率离中心线有一小距离，但是在其它实施例中，芯的折射率没有中心线下降，且芯的最大折射率(和因此的最大折射率德耳塔Δ1MAX)和整个光纤100的最大折射率，位于中心线处。
内环形部分40具有折射率分布Δ2(r)，其中最大相对折射率为Δ2MAX，最小相对折射率为Δ2MIN。在这个实施例中，芯的抛物线形状延伸至内环形部分40的外径R2且优选地从光纤的中心线延伸至R2。参看图5B实施例，这个实施例(多个)的内环形部分40被定义为终结于其中抛物线形状结束处的半径R2处。如此处所使用地，因此“抛物线”包括基本抛物线形状的折射率分布，可相对于约2.05的α值略微变化，例如2.0到2.1。
折射率下陷的环形部分50具有最小折射率德耳塔百分比Δ3MIN、宽度W3和外半径R3。折射率下陷的环形部分50包围内环形部分40并与之直接接触。优选的是，Δ1>Δ4>Δ3。外环形部分60包围并接触折射率下陷的环形部分50。折射率下陷的环形部分50具有折射率分布03(r)，其最小相对折射率为Δ3MIN。外环形部分60具有折射率分布Δ4(r)，其最大相对折射率为Δ4MAX，最小相对折射率为Δ4MIN，其中在某些实施例中Δ4MAX＝Δ4MIN。优选的是，Δ1MAX>Δ3MIN。优选的是，用锗掺杂芯20且芯20基本不含氟，更优选的是芯不含氟。在某些实施例中，折射率下陷的环形部分50在包层的相对折射率第一次到达值-0.05％的位置开始，从中心线径向地向外延伸。在某些实施例中，外环形部分60具有最大绝对值小于0.05％的相对折射率分布Δ4(r)，Δ4MAX<0.05％且Δ4MIN>-0.05％，而且折射率下陷的环形部分50在包层的相对折射率第一次到达-0.05％的值的位置结束，从出现Δ3MIN的半径处径向地向外延伸。
可通过F-掺杂，使用诸如OVD、MCVD、或PCVD之类的常规工艺，来制成折射率下陷的环形部分50。也可使得在二氧化硅基的玻璃内具有孔(void)来制成。可周期性或随机地安排这些孔。内环形部分40可以是基于二氧化硅的，可通过F-掺杂，使用诸如OVD、MCVD、或PCVD之类的常规工艺制成。也可使得在二氧化硅基的玻璃内具有孔来制成。可周期性或随机地安排这些孔。
光纤的数值孔径(NA)优选地大于将信号导入光纤的光源的NA；例如，光纤的NA优选地大于VCSEL源的NA。一般的NA值在0.185到0.31之间，且在某些实施例中是0.2到0.28之间。
在表1中示出根据本发明各实施例的各种模制的示例。示例1-14表现出与图4所示那些类似、且类似于图1A所示那些的折射率分布。特定地，以下提供的是，芯区域20的Δ1MAX，芯区域20的外径R1，芯区域20的阿尔法，折射率下陷的包层区域50的Δ3MIN，折射率下陷的包层区域50的外径R3，折射率下陷的包层区域50的分布体积V3，包层半径是光纤的最外半径以及外环形玻璃包层部分60的外径。还提供了光纤的数值孔径。在每种情况下，常规的主和副氨基甲酸酯丙烯酸酯基保护涂层被涂覆在玻璃光纤的外部。
表1
表1的OFL带宽在操作波长处大于4GHz-km。在10nm直径心轴上在980nm处的宏观弯曲损耗小于0.3dB/匝(在0.07dB/匝和0.28dB/匝之间)，且这些光纤的NA为0.2≤NA≤0.3。光纤色散D的大小在操作波长处小于90ps/nm/km，且光纤衰减在操作波长处小于1.5dB/km。
在表2中示出根据本发明各实施例的四个模制的光纤示例。示例14-17表现出与图4所示那些类似、且类似于图1A所示那些的折射率分布。特定地，以下提供的是，芯区域20的Δ1MAX，芯区域20的外径R1，芯区域20的阿尔法，折射率下陷的包层区域50的Δ3MIN，折射率下陷的包层区域50的外径R3，包层半径R4是光纤的最外半径以及外环形玻璃包层部分60的外径。在表2的光纤实施例中，R4＝62.5μm。表2的示例性光纤被设计为以大于4GHz/km(例如对于100m的光纤部署而言，40GHz或更高)的比特率在940-1100nm波长处操作，且在980和/或1060nm波长处具有小于60ps/nm/km的色散大小以及小于1.5dB/km的衰减。注意，对于此处描述的光纤实施例的光纤色散(LP01模式)比为850nm优化的MM光纤低40％，且当光纤是对于1060nm的操作波长而被优化时，则低65％。这个色散减少将在没有色散限制的情况下使得光纤部署具有更长跨度时间，且这对于光纤传输系统而言是非常有利的。
表2
在表3和表4中示出的是根据本发明各实施例的十四个模制的光纤示例。示例18-31表现出与图4所示那些类似、且类似于图1A所示那些的折射率分布。特定地，以下提供的是，芯区域20的Δ1MAX，芯区域20的外径R1，芯区域20的阿尔法，折射率下陷的包层区域50的Δ3MIN，包层半径R4是(未涂层的)玻璃光纤的最外半径以及外环形玻璃包层部分60的外径。在表3和表4的光纤实施例中，R4＝62.5μm，但是更小的芯直径能在不影响光学性质的情况下实现R4的更小的值。例如，相同的设计可具有R4＝120μm、R4＝100μm、或R4＝80μm。表3和表4的示例性光纤被设计为以大于4GHz/km(例如对于100m的光纤部署而言，40GHz或更高)的比特率在940-1020nm波长处操作，且具有小于60ps/nm/km的色散大小以及小于1.5dB/km的衰减。最快和最慢的模式组之间的差别的群延迟的大小小于20ps/km，且在某些实施例中小于15ps/nm且在其他实施例中小于10ps/nm。注意，此处描述的光纤实施例的光纤色散(LP01模式)比针对850nm优化的MM光纤的色散低约40％。这个色散减少可在没有色散限制的情况下使得光纤部署具有更长跨度时间，且这对于光纤传输系统而言是非常有利的。
表3
表4
在表5和表6中示出的是根据本发明各实施例的十二个模制的光纤示例。示例32-43表现出与图4所示那些类似、且类似于图1A所示那些的折射率分布。特定地，以下提供的是，芯区域20的Δ1MAX，芯区域20的外径R1，芯区域20的阿尔法，折射率下陷的包层区域50的Δ3MIN，折射率下陷的包层区域50的外径R3，包层半径R4是光纤的最外半径以及外环形玻璃包层部分60的外径。在表5和表6的光纤实施例中，R4＝62.5μm，但是更小的芯直径能在不影响光学性质的情况下实现R4的更小的值。例如，相同的设计可具有R4＝120μm、R4＝100μm、或R4＝80μm。表5和表6的示例性光纤被设计为以大于4GHz/km(例如对于100m的光纤部署而言，40GHz或更高)的比特率在1020-1100nm波长处操作，且具有小于40ps/nm/km的色散大小以及小于1.0dB/km的衰减。最快和最慢的模式组之间的差别的群延迟的大小小于20ps/km，且在某些实施例中小于15ps/nm且在其他实施例中小于10ps/nm。注意，此处描述的光纤实施例的光纤色散(LP01模式)比为850nm优化的MM光纤的色散低约65％。这个色散减少可在没有色散限制的情况下使得光纤部署具有更长跨度时间，且这对于光纤传输系统而言是非常有利的。
表5
表6
在表7中示出根据本发明各实施例的五个模制的光纤示例。示例44-48表现出与图6所示的那些类似的折射率分布，其中折射率下陷的环形部分是渐变式折射率芯的继续且由外环形部分包围。特定地，以下提供的是，芯区域20的Δ1MAX，芯区域20的外径R1，芯区域20的阿尔法，折射率下陷的包层区域50的Δ3MIN，折射率下陷的包层区域50的外径R3，包层半径R4是光纤的最外半径以及外环形玻璃包层部分60的外径。在表7的光纤实施例中，R4＝62.5μm，但是更小的芯直径能在不影响光学性质的情况下实现R4的更小的值。例如，相同的设计可具有R4＝120μm、R4＝100μm、或R4＝80μm。表7的示例性光纤被设计为以大于4GHz/km(例如对于100m的光纤部署而言，40GHz或更高)的比特率在1020-1100nm波长处操作，且具有小于40ps/nm/km的色散大小以及小于1.0dB/km的衰减。最快和最慢的模式组之间的差别的群延迟的大小小于20ps/km，且在某些实施例中小于15ps/nm且在其他实施例中小于10ps/nm。注意，此处描述的光纤实施例的光纤色散(LP01模式)比为850nm优化的MM光纤的色散低约65％。这个色散减少可在没有色散限制的情况下使得光纤部署具有更长跨度时间，且这对于光纤传输系统而言是非常有利的。
表7
在表8中示出根据本发明各实施例的五个模制的光纤示例。示例49-53表现出与图6所示的那些类似的折射率分布，其中折射率下陷的环形部分是渐变式折射率芯的继续且由外环形部分包围。特定地，以下提供的是，芯区域20的Δ1MAX，芯区域20的外径R1，芯区域20的阿尔法，折射率下陷的包层区域50的Δ3MIN，折射率下陷的包层区域50的外径R3，包层半径R4是光纤的最外半径以及外环形玻璃包层部分60的外径。在表8的光纤实施例中，R4＝62.5μm，但是更小的芯直径能在不影响光学性质的情况下实现R4的更小的值。例如，相同的设计可具有R4＝120μm、R4＝100μm、或R4＝80μm。表8的示例性光纤被设计为以大于4GHz/km(例如对于100m的光纤部署而言，40GHz或更高)的比特率在940-1020nm波长处操作，且具有小于60ps/nm/km的色散大小以及小于1.5dB/km的衰减。最快和最慢的模式组之间的不同群延迟的大小小于20ps/km，且在某些实施例中小于15ps/nm且在其他实施例中小于10ps/nm。注意，此处描述的光纤实施例的光纤色散(LP01模式)比为850nm优化的MM光纤的色散低约40％。这个色散减少可在没有色散限制的情况下使得光纤部署具有更长跨度时间，且这对于光纤传输系统而言是非常有利的。
表8
在另一个模制的示例中，多模光纤具有0.7％的相对折射率德耳塔Δ1MAX、25微米的R1、和2.07的阿尔法。预测这个光纤在980nm处具有13.5GHz.km和在1060nm处具有4.3GHz.km的满溢带宽。根据这个设计制造的光纤可被用在不同或多个波长处，例如980或1060nm、或980和1060nm处。这个示例性光纤在980nm相比在1060nm处具有更高的带宽，但是这个带宽在这两个波长处均大于4GHz-km，且对于980和1100nm范围内的所有波长也是如此。减少2.05的阿尔法值同时保持其他设计参数不变，将导致在1060nm处具有比在980nm处更高的带宽，但这两个值均大于4.0GHz-km。该设计选择可适用于一段范围的MMF参数，例如Δ1MAX(％)在0.3-3％之间且R1在10和40微米之间。
表1到8的各光纤适用在光学传输系统中。根据一个实施例，该系统200包括：(i)至少一个光源(如，VCSEL 205)，其中该光源(如，VCSEL 205)在900到1250nm之间(如，在940到1100nm之间)的一个或多个波长处以25GHz或更高的比特率(且根据某些实施例，优选地以40GHz或更高)发光；(ii)至少一个多模光纤100；和(iii)检测器210。该检测器光学耦合至该多模光纤100，且能检测900nm到1250nm内的波长。该多模光纤100包括渐变式折射率芯、围绕该芯的内包层区域、和外包层，且在900nm到1250nm波长范围内的操作波长处具有大于4GHz-km的满溢带宽；小于约2.08的阿尔法；和在该操作波长处小于60ps/nm/km的色散大小和小于1.5dB/km的衰减。在某些实施例中，例如，该光源(如，VCSEL 205、或激光器等)以30GHz比特率发光，在某些实施例中35GHz或37GHz，在某些实施例中40GHz，且在某些实施例中45GHz。光纤的某些实施例在940到1100nm之间的一个或多个波长处具有大于4.7GHz-km的满溢带宽，且某些实施例的光纤在950到1010nm之间的所有波长处具有大于4GHz-km的满溢带宽；且某些实施例的光纤在1030到1090nm之间的所有波长处具有大于4GHz-km的满溢带宽。注意，还可使用除了VCSEL之外的光源，例如，在1250nm波长处操作的Si-激光器。
这样的系统的一个实施例包括，例如：(i)至少一个VCSEL，该VCSEL在940和1100nm之间的一个或多个波长处以25GHz或更高(且优选地，根据某些实施例，在40GHz或更高(即，大于4GHz/km))的比特率来发光；(ii)多模光纤100；和(iii)检测器。该光纤100，例如，包括渐变式折射率玻璃芯；包围芯并与之接触的内包层，和包括围绕该内包层的折射率下陷的环形部分的第二包层，该折射率下陷的环形部分具有小于约-0.2的折射率德尔塔和至少1微米的宽度，其中该芯具有大于20微米且小于28微米的半径、在0.8和1.3％之间的最大折射率、以及小于约2.08的阿尔法；且其中。该光纤100在940和1100nm之间的一个或多个波长处具有大于4.7GHz-km的满溢带宽、小于60ps/nm/km的色散大小、和小于1.5dB/km的衰减。
上述系统实施例具有如下优势：能量效率和比特率。在980nm处操作的VCSEL仅需要850nm VCSEL的电流的43％，而1060nm VCSEL仅需要该电流的约21％。电功率消耗是现代数据中心的重要问题，且使用诸如VCSEL(≥950nm)之类的更长波长(≥950nm)的光源结合光纤100的更长的系统将减轻在850nm处操作的传输系统所面临的某些能耗问题。此外，如果传输系统的操作波长约为850nm，对于将系统速度增加至大于35GHz-km将存在显著障碍。使用更长波长的光源(≥950nm)，例如基于In-Ga-As半导体的VCSEL，结合光纤100，能使传输系统具有比当前可获得的而言显著更高的传输速度(例如，≥20GHz-km、或≥25GHz-km、或≥35GHz-km、或甚至≥40GHz-km)。
应当理解的是，上述描述仅仅是本发明的示例，而且旨在提供用于理解由所附权利要求限定的本发明的本质和特征的概览。所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本发明的多个特征和实施方式，并与它们的描述一起用于说明本发明的原理和操作。对本领域的技术人员显而易见的是，可对此处描述的本发明的优选实施方式作各种修改而不偏离由权利要求书限定的本发明的精神或范围。

Claims (19)

1.一种多模光纤，包括：
渐变式折射率玻璃芯，包括折射率Δ1、最大折射率德耳塔Δ1MAX和在10到35微米之间的半径；以及包围所述芯的折射率下陷的包层区域和包围所述折射率下陷的包层区域的外包层，所述折射率下陷的包层区域包括折射率德耳塔Δ3和最小折射率德耳塔Δ3MIN，所述外包层包括折射率Δ4，其中，所述折射率下陷的包层区域具有小于约-0.1％的折射率德耳塔和至少1微米的宽度，其中Δ1>Δ4>Δ3MIN，所述光纤在处于900到1200nm波长范围内的操作波长处表现出大于2.5GHz-km的满溢带宽。
2.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于：
所述半径是在10到30微米之间；且其中所述光纤在900到1100nm波长范围内的波长处表现出大于2.5GHz-km的满溢带宽。
3.如权利要求2所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤表现出在980nm处大于4GHz-km的满溢带宽。
4.如权利要求1或2所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤在950到1010nm之间的所有波长处表现出大于4GHz-km的满溢带宽。
5.如权利要求1或2所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤在1030到1090nm之间的所有波长处表现出大于4GHz-km的满溢带宽。
6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯包括基本掺杂单一掺杂剂的二氧化硅。
7.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯包括掺杂了Ge的二氧化硅，且没有任何其他掺杂物的量大于1wt％。
8.如权利要求1、6或7所述的光纤，其特征在于，所述光纤在900nm-1100nm内的波长处表现出大于4GHz-km的满溢带宽。
9.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述折射率下陷的包层区域直接毗邻所述芯且具有不大于约-0.2％的折射率德耳塔和至少2微米的宽度。
10.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，还包括包含Δ4的第二内包层区域，其中Δ1>Δ4>Δ3，且所述第二内包层区域的宽度小于2微米。
11.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述芯包括在20到30微米之间的芯半径。
12.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述芯包括在10到20微米之间的芯半径。
13.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤表现出在980nm处大于4GHz-km的满溢带宽。
14.如权利要求1或2所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤表现出在1060nm处大于4GHz-km的满溢带宽。
15.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤还表现出在980nm处绕15mm直径心轴缠绕1匝的衰减增量小于或等于0.3dB/匝。
16.如权利要求1、6或7所述的光纤，其特征在于，所述光纤表现出0.12到0.24之间的数值孔径。
17.一种系统，包括：
(i)至少一个光源，所述光源在900到1200nm内的一个或多个波长处以25GHz或更高的比特率发射；
(ii)至少一个如权利要求1所述的多模光纤，所述至少一个多模光纤光学地耦合至所述至少一个光源，所述至少一个多模光纤在位于900nm到1200nm波长范围内的操作波长处具有大于4GHz-km的满溢带宽；小于约2.08的阿尔法；和在所述操作波长处小于60ps/nm/km的色散大小和小于1.5dB/km的衰减；和
(iii)光学地耦合至所述至少一个多模光纤的至少一个检测器，能检测900nm到1200nm内的波长。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于：
a.所述至少一个光源是至少一个VCSEL
b.所述包层包括包围所述芯并与之接触的内包层、包围内包层部分的折射率下陷的环形部分，所述折射率下陷的环形部分具有小于约-0.2％的折射率德耳塔Δ3MIN和至少1微米的宽度，
c.所述芯具有大于10微米且小于28微米的半径、在0.8到1.3％之间的最大折射率、和小于约2.08的阿尔法；且
d.所述光纤在940和1100nm之间的一个或多个波长处具有大于4.7GHz-km的满溢带宽、小于60ps/nm/km的色散大小、和小于1.5dB/km的衰减；且
e.所述光源在940到1100nm范围内操作。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述光纤的外包层具有最大折射率德尔塔Δ4MAX，且Δ4MAX>Δ3MIN。
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