CN103649797A - 用于空间多路复用的阶跃折射率少模光纤设计 - Google Patents

Abstract

一种少模光纤，包括由包层围绕的纤芯，具有阶跃折射率分布，该阶跃折射率分布被构造为支持多个希望的信号运载模的传播，同时抑制不希望的模。纤芯和包层被配置为使得不希望的模具有各自的有效折射率，所述有效折射率接近或者小于包层折射率使得不希望的模成为漏模。具有最低有效折射率的希望的模与具有最高有效折射率的漏模之间的折射率间隔为足够大至基本上防止它们之间的耦合。

Description

用于空间多路复用的阶跃折射率少模光纤设计

相关申请的交叉引用

本申请主张于2011年2月24日递交的美国临时专利申请No.61/446,222，和于2011年9月7日递交的美国临时专利申请No.61/531,842的优先权，这两者都是本申请的受让人所拥有的，并且通过参考的方式将他们的全部内容合并入本文中。

技术领域

本发明通常涉及光纤领域，尤其涉及用于空间多路复用的改进的少模光纤设计。

背景技术

光纤网络之上的数据通信继续按指数速率增长。为了满足这一需要，多路复用技术已经被发展为允许多个分散数据流共用相同的光纤，从而显著地增加每个光纤的通信量。

在光纤行业中当前的研究和发展主要集中在密集波分复用（DWDM）上，这是一种多路复用技术，其中多个数据通道被分配给某一运转带宽内的相应的波长。数据通道在单模光纤的基本（LP₀₁）模式之上被结合用于传输，并且当它们到达各自目的地时被分别返回进入分离通道之内。

在基于DWDM的传输系统内，给定放大器带宽内的总容量被光谱效率所限制，光谱效率用于描述在给定数据速率下，当光纤受到非线性效应所带来的极端限制时，用于通信目的单个波长可以被间隔的紧密程度。利用日益复杂的算法可以增加光谱效率，例如使用高阶调制方案，但是这种方法带来带宽收益递减并且适度的改进不能跟上指数增长的带宽需要。可以预料，在下一个10至15年之内，单模光纤中的DWDM的光谱效率将会接近它的理论极限。

一种用于增加每个光纤容量的有前景的方法是空分多路复用（SDM），其中单光纤内的多个数据通道通过相应的多个纤芯，或通过光纤引导的相应的多个光信号模提供。基于SDM的技术具有能够显著地增加每个光纤传输容量的潜能，突破基于DWDM系统的非线性的限制。

由于SDM和现有技术之间的原理不同，因此SDM已经被证明是技术上的挑战，需要新型的光纤和相关装置的发展。

发明内容

一种少模光纤，包括包层围绕的纤芯，光纤具有被配置为沿着光纤的长度引导空分复用的光信号的折射率分布。包层可以包括外包层区域和位于纤芯和外包层区域之间的向下掺杂的沟槽或者凹陷的包层区域。替选实施例还包括包层内的高折射率引导环，其被放置在纤芯和沟槽或者凹陷包层区域之间。折射率分布被构造为支持多个引导的模，来运载各自的多个空分复用传输信号，同时抑制不希望的模。

根据本发明的一个方面，光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层。纤芯和包层具有阶跃折射率分布，其被构造为支持多个希望的信号运载模的传播，同时抑制不希望的模。包层包括具有外半径r_cladding的外包层区域，折射率n_cladding和折射率差Δn_cladding=0。纤芯具有半径r_core、折射率n_core以及折射率差Δn_core=0。纤芯和包层被配置为使得不希望的模分别具有接近或者小于包层折射率的有效折射率，以使得不希望的模成为漏模。具有最低有效折射率的希望的模和具有最高有效折射率的漏模之间的折射率间隔足够大到基本防止它们之间的耦合。

本发明的另一个方面指向具有渐变折射率纤芯的少模光纤，所述纤芯提供经过光纤传播的模之间的所描述的折射率间隔。

本发明的另外一个方面指向光纤，包括经过公共包层延伸的多个单独的纤芯。每个单独的纤芯支持至少一个局部横向空间模。单独的纤芯和周围的包层被构造成支持多个希望的信号运载模的传播，同时抑制不希望的模，从而支持一个或多个空分复用信号的传播。光纤的纤芯至纤芯的间隔被配置为维持纤芯之间的可接受的低水平的模耦合。

附图说明

图1是一系列图，说明了LP₁₁模的四种可能的元件（a）-（d），包括偏振态。

图2所示的是一对表格，表明了在特定假设条件下，用于理想的少模光纤之上的通信的最大可容许的平均差分群延迟（maximum allowable meandifferential group delay），以ps/km为单位。

图3所示的一组表格表明了对于30和60Gbaud下不同安装数量、不同目标链接长度以及不同模间耦合的可容许的平均DGD的近似极限，以ps/km为单位。

图4所示的是根据包括多芯结构的本发明一个方面的示意性光纤的截面图。

图5所示的是根据本发明的进一步方面的具有高折射率导向环的光纤的折射率分布。

图6所示的是现有技术中已知的、阶跃折射率光学纤维的计算特性的图表。

图7A是根据本发明的一个方面的示意性光纤的分布设计。图7B所示的一对表格表明了图7A的示意性光纤的设计参数和计算特性。

图8的图表所示的是两模光纤的测量折射率分布的绝对差值，并且以虚线示出以LP₀₁、LP₁₁模的计算有效折射率，以及在包层级别之下的下一个高阶LP模。

图9的图表比较了具有1.25m、2.5m、5m以及10m的相应长度的试验性两模光纤的直光纤段中的除LP₁₁之外下一个高次模的光谱损耗曲线。

图10的图表比较了在增加25.4mm直径线圈之后的图9的光谱损耗曲线。

图11的图表所示的是干涉测量的结果，表示了LP₀₁和LP₁₁模之间的最大群延时差是大约0.06ps/m或者60ps/km，跨越C波段的范围内。

图12A-B描述了凹陷包层的折射率分布、阶跃折射率、有效面积接近于标准单模光纤的两模光纤，并且表格表示了光纤的设计参数和计算特性。

图13A-B表示了模有效面积与标准单模光纤类似的少模光纤的沟槽辅助分布，并且表格表示了光纤的设计参数和计算特性。

图14A-B表示了具有超大模有效面积的两模光纤的沟槽辅助分布，并且表格表示了光纤用于设计参数和计算特性。

图15所示图表说明了模拟少模光纤设计的折射率分布，其中包层管的物理横截面积分别是2850μm²、1100μm²以及500μm²。

图16A-16C所示的一系列图表，其中说明了对于图15中描述的三个光纤设计，用于以下导模：LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁、LP₁₂以及LP₂₁的计算有效折射率差异。

图17A-17C所示一系列图表说明了图15的三个光纤设计的每一个的耗散以及有效面积。

图18A-18C所示一系列图表说明了在弯曲半径30mm处以及在弯曲半径80mm处的图15的三个光纤设计的计算弯曲损失。

图19是未按比例绘制的根据本发明的一个示意性的渐变折射率少模光纤（FMF）的截面图。

图20是图19所示的FMF的折射率分布。

图21和图22的图表所示的是，根据现有技术分别在850nm和1550nm处，相对具有50μm的纤芯直径以及1%的相对差值的传统渐变折射率多模光纤（MMF），对于LP_l,m模的计算模态结构。

图23所示的是根据本发明的进一步方面的FMF折射率分布。

图24的图表所示的是随图23所示光纤设计的波长而变的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图25是图23所示的表格表示FMF设计的规格。

图26描述了根据本发明的进一步方面的少模光纤（FMF）的折射率分布。

图27的图表所示的是随图26所示光纤设计的波长而变的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图28的表格表示了图26所示的光纤设计的规格。

图29描述了根据本发明进一步方面的少模光纤（FMF）的折射率分布。

图30的图表所示的是随图29所示光纤设计的波长而变的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图31的表格表示了图29所示的光纤设计的规格。

图32描述了根据本发明的进一步方面的少模光纤（FMF）的折射率分布。

图33的图表说明了随图32所示光纤设计的波长而变的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图34的表格表示了图32所示的光纤设计的规格。

图35描述了根据本发明的进一步方面的少模光纤（FMF）的折射率分布。

图36的图表说明了随图35所示光纤设计的波长而变的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图37的表格表示了图35所示的光纤设计的规格。

图38所示的是图35所示光纤设计的原型的测量折射率分布。

图39描述了根据本发明的进一步方面的少模光纤（FMF）的折射率分布。

图40的图表说明了随图39所示光纤设计的波长而变的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图41的表格表示了图39所示的光纤设计的规格。

图42描述了根据本发明的进一步方面的少模光纤（FMF）的折射率分布。

图43的图表说明了随图42所示光纤设计的波长而变的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图44的表格表示了图42所示的光纤设计的规格。

图45描述了根据本发明的进一步方面的四模光纤的折射率分布。

图46的图表说明了随图45所示光纤设计波长而变的LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁和LP₂₁模之间的群延时差。

图47的图表说明了随波长而变的、图45所示光纤设计的四模的相应有效折射率。

图48的表格表示了图45所示的光纤设计的规格。

图49描述了根据本发明的进一步方面的四模光纤的折射率分布。

图50的图表说明了随图49所示光纤设计波长而变的LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁和LP₂₁模之间的群延时差。

图51的图表说明了随波长而变的、图49所示光纤设计的四模的相应有效折射率。

图52的表格表示了图49所示的光纤设计的规格。

图53描述了根据本发明的进一步方面的四模光纤的折射率分布。

图54-57的一系列表格表明了图23-53中所示的示意性少模光纤的规格。

具体实施方式

本发明的一些方面在于改进的光纤设计和技术，它们适用于空分多路复用（SDM）。特别地，这里描述的光纤和技术适于模分多路复用（MDM），其中由光纤引导的多个横向模被用来提供多个独立的数据传输信道。

应当注意到这里描述的结构和技术可以和其它的数据传输技术结合，包括波分多路复用（WDM）。进一步注意到，尽管本发明的一些方面在这里是相对于具有一个纤芯的示意性的光纤而描述的，但是本发明的一些方面还可以适于与多芯光纤（MCF）技术结合以产生具有多个纤芯的光纤，其被配置成支持相应的多个空间多路复用光信号的通信。

MDM相配的光纤当然需要支持所选择的信号传送模的传播。另外，成功的光纤需要考虑许多问题，举例来说，波导的波长依赖性；介质的非线性；差分群延迟（DGD）以及差分模衰减（DMA）；信号模与其它的信号模的耦合（例如，串扰）；信号模与有损耗的不希望的模的耦合；以及下面讨论的其它问题。

传统的多模光纤（MMF）不适用于MDM。传统的MMF具有数百的导模，每个具有相应的有效折射率。如同图21中所示例子，如下所述，标准MMF中的导模的有效折射率是密集的在一起。这一密植距的结果是带来了不能被接受的高水平的模耦合。用于传送单独的传输信号两个或更多期望的模之间的耦合导致了串扰。期望的模和“漏”模或者“有损”模之间的耦合导致了明显的信号损失。传统的MMF未能解决差分群延迟（DGD）、差分模衰减（DMA）及下面论述的其他问题。

这里描述的光纤属于被统称为“少模光纤”（FMF）的种类，即，可以引导一个以上横模的光纤，但比传统的多模光纤（MMF）的横模要少，传统的多模光纤通常支持数百导模并且被广泛地配置在数百米之上的数据通信链路中。一般而言，FMF支持少于100个的导模。取决于特定的应用，FMF可被设计成能支持10-20个的导模，甚至更少。

这里描述的FMF包括引导至少LP₀₁和LP₁₁模的光纤，以及引导至少LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁以及LP₂₁模的光纤。应当理解的是，这里描述的结构和技术可被应用在引导更多模的FMF的设计中。

应当注意到，这里描述的FMF以及涉及的结构和技术适于在至少整个“C波段”，也就是，1530nm至1565nm，以及有时在S，C和L波段内使用。旧的少模设计不适于或者易于在C波段内使用。进一步的，这些旧的设计未能考虑差分模衰减及其他问题，以下将描述这些对于成功光纤设计的空间多路复用以及类似的应用的发展而言是至关重要的。

相对本发明论述的目的，除非明确地指出了例外情况，或者除非依据内容有另外需要，术语“LP_l,m模”指的是总起来说该模的任何或者所有单独的结构、退化以及偏振。举例来说，对于给定的传播常数，在理想的圆光纤中，存在四个退化LP₁₁子模，特征为它们各自的角形配置和偏振。在某些范围内，有用的是将每个LP₁₁子模，或者其叠加表示为分离模。然而，在本发明说明书的范围内，没有必要做出这样的区分。因此，术语“LP₁₁模”用来表示这些四个LP₁₁子模或者其子模的叠加的任何一种或者所有。遵循这一约定，引导LP₀₁和LP₁₁模的少模光纤被称为“双模FMF”，即使该光纤可被用于双模以上的MDM（即，LP₀₁和多个LP₁₁子模以上）。类似地，引导LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁以及LP₂₁模的少模光纤被称为“四模”FMF。

这里描述的每个光纤包括由包层围绕的芯区，包层包括多个包层区域。取决于上下文，给定光纤区域的折射率可以使用一个或多个下列方法量化：

（1）给定波长处的给定光纤区域的折射率可以利用绝对单位量化。

（2）给定光纤区域的折射率可以相对于外包层的折射率用“绝对折射率差”来量化或者“绝对差值”（Δn）来量化，其通过从以绝对单位表示的给定光纤区域的折射率减去，同样以绝对单位表示的外包层区域的折射率而得到。通过定义，外包层区域的绝对折射率差值Δn=0。

（3）给定光纤区域的折射率可以相对于外包层的折射率被量化为“百分比相对折射率差”或者只是“差值”Δ，其通过如下计算：

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{region}}=\frac{{n_{\mathrm{region}}}^2-{n_{\mathrm{clad}}}^2}{2\·{n_{\mathrm{region}}}^2}\·100$

其中折射率差n_region-n_clad是相对小的，Δ可以近似为如下：

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{region}}\≈\frac{n_{\mathrm{region}}-n_{\mathrm{clad}}}{n_{\mathrm{region}}}\·100$

通过定义，外包层区域的差值Δ=0。

本说明书组织如下：

1.介绍

1.1 概念框架

1.2 模耦合以及DGD之间的关系

2.对于适用于模分多路复用的光纤的标准

3.折射率分布设计的类型

3.1 多芯

3.2 阶跃折射率分布-高折射率导向环

3.3 具有阶跃折射率纤芯的少模光纤

3.3.1 凹陷包层设计

3.3.2 沟槽辅助设计

3.4 具有增加的纤芯半径的阶跃折射率

3.5 具有渐变折射率纤芯的少模光纤

3.5.1 FMF设计的量化和参数化

3.5.2 渐变折射率设计依据

3.5.3 具有双LP模的渐变折射率少模光纤

3.5.4 具有四LP模的渐变折射率少模光纤

3.5.5 示例的总结

4 结论

1.介绍

1.1 概念框架

对于模分多路复用的概念框架是简单的：

（1）通信光纤被用于支持多个导模；

（2）在通信光纤的激励端，实施多个数据通道的模选择性激励以进入通信光纤的N导模之内；

（3）在通信光纤的接收端，实施N模的模式选择性检测；并且

（4）随着N模的检测，恢复技术被用来从单独的通道中析取数据。

这一框架的实施，由于数个理由已经被证明是技术上的挑战。一个明显的问题是信号传送模之间的耦合，在离散点和沿着通信光纤的长度分配处，其可能导致模态串扰。其他问题包括差分群延迟（DGD），即空间多路复用所用导模在各自到达时间的差值，以及差分模衰减（DMA），即空间多路复用所用导模的各自损失的差值。这些问题与以下有密切的相关，即明显的模间耦合导致需要MIMO（多道输入，多道输出）或者其他技术来恢复串扰情况下的信号。一般而言，这种技术的使用通常会对光纤的最大可用DGD以及DMA带来限制。

模耦合的问题大体上可以利用理想的光链路而被概念化，其中存在传输的在第一导模（模1）内被激励的第一信号（信号1）以及在第二导模（模2）内被激励的第二信号（信号2）。

模1和模2之间的耦合将会引起信号1在某种程度上被“复制”到模2之上。类似地，信号2将在某种程度上被复制到模1之上。复制的程度取决于模1和模2之间的耦合强度。因此，从模2的模选择性检测中出来的信号将同样包括一小部分来自信号1的能量，反之亦然。这就是通常所说的“串扰”，它通常是不被期望的。

进一步的，适当的是假定通信光纤通常将会显示某些数量的模间DGD。因此，模1和模2的传播速度之间将存在差值。由于在传播速度上的这一差值，在模1中传播的部分信号1到达其各自的模检测器的时间将会不同于在模2中传播的相应的部分信号1到达各模检测器的时间。信号2将被类似地影响。

模间串扰加上这一波至时差导致了性能的损失，用分贝（dB）来计量。一般而言，1dB左右的损失是容许的，而更大的损失会使通信不稳定。

损失的大小可以通过限制模耦合的数量而被减少。因此可能出现的是，一个接近于设计成功的SDM传输系统将努力设计光纤和连通结构具有足够低的模耦合级别以产生可容许的损失（例如，1dB）。这种方法在一些情况下是可行的，例如较短的传输距离，但是不可能是一种通用的解决方案，特别是在更长的传输距离上，以下如会论述和展示。

为了证明实施串扰恢复技术，例如MIMO可能的需要，假定对于本发明论述的目的，模1是LP₀₁模，并且模2是LP₁₁模，其实际地是更多基本TM₀₁，TE₀₁以及HE₂₁模的叠加。

为了说明起见可以进一步假定，虽然在实践中可能是困难的，在连接器以及拼接处的模耦合被大大地最小化，甚至去除。因此，串扰将会由光纤通过光纤呈现的分布耦合，即由于微曲及其他随机扰动而造成的耦合而引起。

光纤可被特别地设计成使模1和模2之间（例如，LP₀₁和LP₁₁模之间）的耦合最小化或者去除，例如，通过使它们的各自的传播常数之间的差值变大。

图1的一系列图表说明了LP₁₁模的四种可能的结构（a）-（d），包括偏振状态。这些结构在完美地轴对称光纤内是退化的（即，具有相同的传播常数）。由于当配置在线缆中时的缺陷，压力以及诸如此类而通常存在于光纤中的干扰，将容易地将这些退化的LP₁₁子模耦合，并产生强混合，即使在短长度的光纤之上。

因此，少模光纤内部的模混合至少在模的子集之中将是固有并且强烈的。进一步，可能的是缆线压力以及在安装缆线基础结构中的每五至十千米处必然出现的拼接，同样将会导致导模之间明显的模间耦合，不考虑针对在它们之中散布的模间耦合所做的所有最小化努力。

因此，必须执行适当的算法，例如MIMO（多道输入，多道输出），以便解决传播期间的模耦合效应。通过考虑这种算法的需要，期望的属性和分布结构可被确定。然而，如果有可能明显的减少某些模或者模组之间的模间耦合，那么MIMO电路的复杂性可以通过适当的光纤设计以及合适的拼接或者耦合技术而被减少。

基于MIMO的系统通常会包括均衡元件以量化并且去除发生在模分多路复用传播期间发生的混合。例如，均衡器可以使用前馈结构，包括许多接头-延迟（tap-and-delay）线，其具有自适应系数以量化去除发生在传播期间的任何模混合。这种均衡器必须具有许多足够大的接头以处理模间在信号传播期间的最大差值。也就是说，接头的数目取决于那些不同通道在时间上被互相延迟所通过的符号的数目。只有存在足够数量的接头来处理信号间的最大延迟时，MIMO方案才可用于成功地解决串扰问题。因此，具有MIMO信号恢复的光纤链路中的最大可容许模态延迟为接头的数目（N_taps）乘以符号周期，其等于Ntaps/BaudRate。N_taps是自适应接头的可以依据实际技术实施的最大数，并且可以随着时间增加。（应当理解的是这一分析可适合于以直接方法微小间隔的接头的情况。）

到目前为止，对于速度大于10Gbps的通信，可被混合信号CMOS电路容纳的自适应接头的数目的实际上限是数十个。这一限制将来预计会变得更高。在目前在论述中，出于制定期望的光纤特性的目的，假定自适应接头的数目的有用的实际上限是几千，通信速率在数十Gbaud。在30Gbaud时，对于10个接头最大可容许延迟会是330ps，对于100接头是3,300ps，并且对于1,000接头是33,000ps。

让我们现在考虑在少模光纤之上的假想的通信，其中生产的光纤（在线缆中）的总体被拼接在一起以形成长度L的通信链路，每五至十千米就会发生拼接。所生产的串联的光纤的分布具有平均DGD，表示为以ps/km为单位的DGD系数。在低模间耦合的限制下，延迟会以平均DGD系数的速度进行线性地积累。因此，光纤的最大可容许的平均DGD在这一限制中由以下给出：

DGD_coeff<N_taps/（BaudRate*L）。

图2所示的一对表格21和22表示了分别距离在30Gbaud和60Gbaud处的不同数量的自适应接头的该值，以ps/km为单位。这些目标对于光纤设计，特别是对于制造而言是极大的挑战。以下将会描述发明的光纤可被设计为在较宽的波段范围具有低至1ps/km的DGD。然而，由于制造误差，这种DGD值在生产过程中是不可能完成的。用于模分多路复用的少模光纤应该具有小于200ps/km的DGD，更优选地小于100ps/km，并且更优选地小于60ps/km，最优选地小于20ps/km。

模依赖损失（Mode-dependent loss）或者差分模衰减降低了MIMO算法的性能。在一个理论中，退化取决于整个端对端光链路之上的DMA。20dB的DMA会产生约20%的系统容量损失。20dB相当于1000km通信链路DMA的0.02dB/km，400km通信链路的0.05db/km，200km通信链路的0.1db/km，以及100km通信链路的0.2db/km。因此重要的是将DMA限制为<0.2dB/km。优选的是将DMA限制为<0.1dB/km，更优选的是将DMA限制为<0.05dB/km，<0.02dB/km，或者更小的值。DMA<0.01dB/km将会在1000km之外仅仅损失5%的系统容量。

重要的是注意到MIMO算法对于去除串扰需要模选择激励和检测，因为该算法试图恢复信号的初始状态。在最初激励信号中的串扰可能被保存在该算法的输出中。（除了选择性地激励进入波导的横模之中，同样可以激励进入垂直于那些模的叠加之中。）

MIMO算法最优的可实现性能大体上这样得到：高度模选择性激励和检测；在传播期间模的均匀衰减（因为该算法使用单式的数学变换）；以及在期望的传输距离之上，不同模之间的延迟差值，其可以被接头-延迟线滤波器中自适应接头的实际数量而调节。

1.2模间耦合和累积DGD之间的关系

在没有模间耦合的情况下，DGD趋向于在光纤内以大体上与光纤长度L呈线性关系的积累。在众所周知的偏振模色散（PMD）现象中，已经发现模间耦合可以显著地减少DGD累积的速度，因此其是以

的关系增加而不是L。

因此根据本发明的方面的光纤设计可以呈现出类似的情形。特别地，如果每个信道消耗每个空间模中的某部分时间，空间模之间的差分时延将会以

积累。在这一状态中的少模光纤的特性还没有被广泛地研究。

然而，取决于作用在DGD累积上的模耦合，在图2中所示表格中表明的必要条件可以被减少大约

的因数。

图3所示的一组表格31表明了，对于30和60Gbaud下不同接头数N_tap，不同目标链接长度以及不同程度的模间耦合的可容许的平均DGD的近似极限。与PMD理论类似，在延迟Δτ_rms中的分散取决于下列关系的平均DGD和耦合参数Lc（km为单位），

Δτ_rms≈DGD_coeff*sqrt（2*Lc*L）,

其中Lc的较小值表示更大的模间耦合。然后，近似最大可容许的平均DGD可以表示为：

DGD_coeff<～N_taps/（BaudRate*sqrt（2*Lc*L））。

比较图2和图3中的数值，能够看出通过减缓通信链路中的DGD的积累速度，模间耦合有利地缓和了在光纤平均DGD上施加的非常严格的必要限制。因此，如果模间耦合完成了预定速度的DGD累积，根据本发明的方面的少模光纤可以被设计成能具有低目标DGD。

2.对于适用于模分复用的光纤的标准

对于适用于模分复用的光纤存在许多重要的标准，包括以下设计和生产条件：

生产质量控制：在生产分配之上的横模形状内应该具有低变化性以便于精确的模选择性激励和检测。这需要对光纤的几何尺寸和光学性质有极好的控制。

小的差分模衰减：差分模衰减（DMA）应该很小，尽管当光纤处于展开状态下，例如缆线中时，同时需要保持可接受的低水平的微屈和宏弯。

小的差分群延迟：在多模光纤内传播的信号由于导模的不同群速度会积累时间偏移。如果DGD充分大，接收器将会难以恢复信号，需要更高成本，更大的功率消耗等来开发有效的接收器。因此，期望的是在任何一对引导的横模之间具有小的DGD。DGD的可容许水平取决于模间耦合程度和系统需求，例如通信链路长度和信号处理强度。

有效模区域和非线性：有效模区域条件有点类似于传统的单模光纤的设计规定。也就是说，小模区域通常会限制系统性能。然而，复用系统中的每个信号会都受到某些程度的模间耦合，因此，在光纤长度之上表示有效面积，其不同于任何单独横模的任何有效面积。每个信号将看到许多有效面积。因此，“有效A_eff”将受模态串扰的影响。

通常期望的是在FMF设计中，所有低损耗模的有效面积相对的大。可替换的，期望的光纤设计对于低损耗模的整体具有较大的平均有效面积。

通常期望的FMF光纤会具有低的非线性。在许多范围中，包括明显的串扰，长距离传播等，每个通道将遇见与该平均有效面积成反比的非线性。

控制不希望的模损失：在用于信号传播之外的模（这里一般被称为“不希望的模”）中的传播可能会降低通信链路的性能，因为容易从期望信号模的组中漏光或者当不希望的模在接头之间并没有完全地减少时会引起多路径干扰。不希望的模可具有高于外包层的模有效折射率并且被考虑为有损耗的导模，或者它们可具有低于外包层的模有效折射率并且作为漏模短暂地传播。当导模容易地与它们耦合时这种模能便于光能从光纤中的漏出，有助于提高DMA。对于少模光纤设计的一个目标是通过在所考虑的波长范围中在短距离具有足够地高的损失，不希望的模被有效地切断。

更先进的包层结构可以提供不必要的模的可选择的共振抑制，这在现有技术中是众所周知。如环或者附加波导之类的包层结构可以提供与耦合匹配的折射率并且便于不必要的模的漏出。

有效的折射率匹配：信号模的有效的群折射率，或者相当的传播常数之间的差值影响模间的串扰数量或者功率传输。

如上所述，如果模间的功率传输在传输长度之内发生多次，即强模间耦合，每个信号会遇见若干模的群速度的平均值，从而多路复用信号之间的时间偏移被减少。

模组之内的功率传输，并非从一个群到另一个群，在某些MIMO方案或者其他去复用方案中是有利的。这样可以减少数字信号串扰均衡的负荷或者有利于在一个模群之内传播的信号的光学增加-降低（add-drop）。例如，传统的渐变折射率光纤在几乎退化的模群之内与群之间相比较会受到更大的串扰。类似地，具有包括多个少模纤芯的复合纤芯的光纤在每个相同的纤芯的模之间会受到较大的耦合，但是在不同纤芯的模之间会受到相对小的耦合。

耗散：耗散可以利用现有技术中已知的技术控制。一般而言，期望的是模具有类似的耗散、有效面积以及非线性系数，以使非线性的传播损伤在模之间不会积累的太过不同。对于具有高光谱效率的相干传送，期望的是保持色散和有效面积与标准单模光纤相比一样高或更高，例如分别是～17ps/nm/km以及～83μm²。然而更小的有效面积或者更低的耗散有时会由于其他期望的优点而被替换。

3.折射率分布设计的类型

几种类型的光纤几何形状和折射率分布设计可以产生有利的特性。其包括以下方法，以下将会对每个进行分别地论述：

3.1 多芯

3.2 具有高折射率导向环的阶跃折射率分布

3.3 具有阶跃折射率纤芯的少模光纤

3.4 具有增加的纤芯半径的阶跃折射率

3.5 具有渐变折射率纤芯的少模光纤

3.1 多芯

图4所示的是包括多芯结构的示意性光纤40的剖面图。

在光纤40中，芯区包括贯穿公共包层42的多个单独的纤芯41a-e，其中每个纤芯支持一个或多个局部横向空间模。单独的纤芯可被配置成支持单模或者多模通信，并且可具有阶跃折射率或者渐变折射率。另外，单独的纤芯和围绕的包层可被配置成与某些或者全部的这里所描述的单芯少模光纤的范围内的少模光纤结构合并。

纤芯41a-e被配置成支持空间多路复用。例如，可以使用这里描述的结构和技术制作包括多个纤芯的光纤，每个纤芯分别的支持空间多路复用信号。在另一个例子中，多个单独纤芯被配置成形成一个具有单独纤芯的横模叠加的横模的复合纤芯。复合纤芯的横模能因此被用作模分复用。

局部空间模的群折射率可以是制造后匹配的或者协调的，以使在不同模中传播的信号时间偏移被减少。纤芯之间的耦合水平可以通过相应的纤芯间隔L_m,n（即，纤芯m和纤芯n之间的中心至中心间隔）控制。因为串扰（或者能量传递）的累积与长度有关，纤芯间隔L_m,n将会是确定要求达到给定串扰水平的光纤长度的一个因素。弯曲、扭曲及其他干扰同样将影响纤芯间的串扰。

这里描述的其他结构和技术可用来保持低水平的合格模间耦合、差分群延迟以及差分模衰减。

3.2 阶跃折射率分布-高折射率导向环

图5所示的是根据本发明的进一步方面的光纤的折射率分布50。该光纤包括纤芯51、高折射率导向环52、可选择的降低折射率沟槽53、以及外包层54。高折射率导向环52具有径向厚度t以及半径R。如果t/R变小，第一少导模之间的有效的群折射率失配将变少。如果有效群折射率失配足够地小，这些第一少导模将会迅速地沿着光纤混合以使信号之间的群延迟最小化并且促进低的差分衰减。沟槽53可被用以控制信号模的损耗以及不必要的模的漏出。附加的包层波导结构（例如第二环）可以进一步用以促进不必要的模的抑制。

图5表示的设计的种类的一个好处涉及模式的空间重叠。在传统的阶跃折射率或者渐变折射率设计中，导模在纤芯之内相当均匀地安装，产生若干模的高度空间重叠。因为光强引起在折射率方面的变化，这一模的重叠会加重非线性的损伤。

例如，第一模的信号功率将导致该模所属空间区域内的折射率方面的轻微变化。该折射率方面的变化会改变同样至少部分属于相同区域的其他模的传播。这一形式的交叉模调制会是不利的，特别是其中信号被调幅。在此情况下，空间地分离各模是有利的。

在图5所示的示意性设计中，基本LP₀₁模实质上设置在分布的中心，同时高阶模被“拉”至纤芯的外围，从而减少重叠。

3.3 具有阶跃折射率纤芯的少模光纤

一般而言，“阶跃折射率”光纤的特点在于中心纤芯区域由包层区域围绕的折射率分布。芯区通常在光纤中轴或中心处具有最大折射率值，然而中心折射率凹陷有时会存在于该光纤中轴附近。芯区的折射率通常在芯区的外半径处减小至最小值。阶跃折射率光纤的中心纤芯区域的径向变化通常接近于指数的相对较大值的幂定律，α，通常≥10。高带宽多模光纤通常的特点在于芯区具有抛物线状的折射率分布，例如具有近似等于2的α参数。使用目前工艺水平生产工艺制造的光纤通常会偏离理想的幂定律折射度分布。在这种情况下，适于实际的折射率的幂定律函数的参数，例如α参数，提供了表示制造的折射率分布的有效平均值。

对本领域技术人员清楚的是提高阶跃折射率的纤芯折射率，标准光纤支持附加的导模；然而模有效面积变得不期望的小，降低了非线性性能。

同样明显的是扩大阶跃折射率的纤芯半径，标准光纤支持具有较大A_eff的附加导模，除非这一处理将会增加弯曲损耗并且DMA的恶化问题。

对于本领域技术人员同样公知的是具有对纤芯参数适当调节的凹陷包层和沟槽可被增加至光纤，以改进弯曲损耗同时保持更大的有效面积。

然而，我们没有察觉到可以用通过建设具有低差分群延迟（特别地，跨越宽的波长范围的低差分群延迟）的双LP模的任何其它认可，大的A_eff以及低的弯曲损耗会导致低的DMA，适于如上所述模分复用通信，通过选择性地结合这些结构特点。

因此，本发明的发明者设计了凹陷包层和芯-架-槽（core-shelf-trench）光纤，其仅有效地传播LP₀₁和LP₁₁模，并且具有较大的有效面积，以及跨越C波段的期望小的DGD，同时为了最小化DMA而使LP₁₁模的有效折射率最大化。

图6是阶跃折射率光学纤维的计算特性的公知图表60，表示了在Y轴上的标准模有效折射率b对比X轴上的标准频率或者V数。

b≈[(β/k₀)-n_clad]/[n_core-n_clad]

以及

V=(2πa/λ)sqrt(n_core ²-n_clad ²)

其中

k₀是2π/λ，

α是半径，

n_core是纤芯折射率，并且

n_clad是阶跃折射率光纤的包层折射率。

在大约V=4至4.5处，LP₀₁和LP₁₁模具有高有效折射率，表示该模被良好的引导，当LP₁₁和LP₂₁模的标准有效折射率是非常低时，意味着这些双模被大量损耗并且实际上被切断。这就表明良好的引导和高损耗模之间的耦合将会很小。我们已经研究了具有降低阶跃折射率分布和沟槽辅助内包层的间隔以确定并且设计具有期望的MDM组合特性的先前未知的光纤。

具有有效面积与标准单模光纤（接近80至85μm²）以及极大有效面积光纤（接近150μm²）类似的示意性的光纤被示出。这里示出了A_eff≈150μm²的凹陷包层分布设计的试验性的实现。

3.3.1 凹陷包层设计

凹陷包层光纤设计在现有技术是已知的，它能够通过保持低的有效截止波长而使更大有效面积的光纤设计可以控制弯曲损耗并且维持单模通信。与阶跃折射率光纤相比，凹陷包层光纤在芯区和外包层区域之间具有附加的环形包层区域，其中凹陷包层区域从纤芯的外边界开始，并且折射率小于芯区和外包层区域的相应折射率。通常，凹陷包层区域的宽度或者厚度至少为纤芯半径的3至4倍，但是小于纤芯半径的8至10倍。标准频率V～5的凹陷包层光纤分布被调节以稳定LP₁₁模，实际上切断LP₂₁和LP₁₁模，并且跨越C波段最小化并且补偿模态延迟至<60ps/km。

图7A是根据本发明的一个方面的示意性光纤的分布设计70。该光纤包括纤芯71、沟槽72以及外包层73。

图7B所示的一对表格701和702表示光纤的设计参数和计算特性。在701中，光纤半径用μm表示，而差值是上述的无单位的相对折射率差百分比（Δ）。折射率和有效折射率的所有单位同样利用差值表示。

如分布设计70和表格701所示：

纤芯71（表格701中的区域#1）具有

外半径为7.375μm，

相对折射率差百分比Δ=0.0024，以及

α参数α=25；

沟槽72（表格701中的区域#2加上区域#3）具有

内半径为7.375μm，

宽度为10.5μm，

外半径为17.875μm，

并且Δ=-0.0050；

外包层73区域#4）具有

内半径为17.875μm，

宽度为44.625μm，

外半径为62.5μm，

以及Δ=0（通过定义）。

如表格702所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁有效区域A_eff=148μm²,

LP₁₁有效区域A_eff=148μm²,

DGD（1550nm）=45ps/km,

LP₀₁有效折射率=0.00196,

LP₁₁有效折射率=0.00015。

在光纤的试验性的实施中，纤芯主体使用气相轴向沉积（VAD）技术制造，具有掺GeO₂的纤芯和掺F的内包层。然后纤芯主体被石英管包覆并且被拉成具有125μm直径的光纤。

图8的图表80所示的是包括图7设计分布70的两模光纤在绝对差值下测量的折射率分布。另外，图8以虚线示出了LP₀₁，LP₁₁以及下一个高阶LP模（在包层水平以下，例如，Δn<0）的计算有效折射率。在图8中，单位是绝对差值n，而不是相对差值。在1550nm处达到0.205dB/km的损失，并且从测量的光纤分布计算的有效面积对于LP₀₁是155μm²并且对于LP₁₁是160μm²。

图9所示的图表90用直接的段比较了图8的两模光纤的LP₁₁之外的下一个高次模的光谱损耗曲线，长度分别为1.25m、2.5m、5m以及10m。如图形90所示，所描述的下一个高阶LP模在两模光纤的直边段内的1400nm与1550nm之间高损耗的传播，表示这一选择的设计实际上引导了期望的模而不是不希望的模。

图10的图表100比较了增加了25.4mm直径环（芯轴）之后的图9的光谱损耗曲线。如图表100所示，增加的25.4mm芯轴完全地抑制了附加的LP模，使得光纤实际上双模降至1200nm。

图11的图表110说明了干涉测量的测量值的结果，表明了跨越S，C以及L波段，LP₀₁与LP₁₁模之间的最大群延时差大约是0.06ps/m或者60ps/km。

对于图8-11中描述的实现原型，LP₀₁和LP₁₁的测量损耗是0.205dB/km，且测量的DMA值不超过0.02db/km（被模选择性激励和探测光学器件中的变化所限制）。为了使引导LP₀₁和LP₁₁模的两模光纤中的差分模衰减最小化，重要的是对于LP₁₁模保持高的有效折射率，同时仍然保持LP₁₁和LP₂₁模的实际切断。LP₁₁的有效折射率和下一个高阶模（HOM）（其应该设计成高损耗，有效折射率低于外包层折射率）之间的差值应当是尽可能的大以使LP₁₁的微屈损失最小化。LP₁₁的有效折射率在凹陷包层折射率72或者122之上同样应该是尽可能高以对于小的半径弯曲来减少LP₁₁的宏弯。

对于图8中制造的光纤，LP₁₁的有效折射率和下一个HOM（在外包层折射率以下）之间的差值大约是以Δ为单位的0.001，以及以Δn为单位的0.0015。对于图7A和12A中的设计，下一个高阶模的有效折射率要低于凹陷包层72和122的，并且完全没有传播，即使作为漏模。对于那些情况，LP₁₁的有效折射率分别是0.00065和0.001，以Δ为单位，在凹陷包层72和122之上，或者分别是0.00095和0.0015，以Δn为单位。对于凹陷包层，双模光纤，LP₁₁和下一个HOM之间的有效折射率的差值为了良好的DMA应该大于0.0009Δn单位，并且为了更好的DMA优选地大于0.00125Δn单位。

图8所示的光纤通过已知的纺丝过程拉出，其促进了模混合以便减少光纤PMD并且同样有利地促进了少模光纤中的模间耦合。基于受限的测量数据，在这一光纤中的模间耦合长度Lc可以是7km至10km。对于1000km的通信链路，模间耦合的水平将累积的DGD从线性限制下的60000ps减少至强烈混合限制下的大约7100ps到8500ps。

3.3.2 沟槽辅助设计

当与阶跃折射率光纤相比时，在折射率分布中具有附加的结构的第二种一般光纤种类是沟槽辅助光纤设计。沟槽辅助光纤包括包层区域之内的降低折射率的环形区域。然而，不同于凹陷包层设计，降低折射率区域的内边界并未从芯区的外边界开始，反而是在包层之内从纤芯边界的一定距离处配置。

因此，围绕沟槽辅助光纤的纤芯的是包括架区域的内包层区域。因此，沟槽被配置在这一架区域和外包层之间。该架区域的折射率可与外包层匹配，但是通常，其折射率落在纤芯和更深掺杂的沟槽之间。作为一般原理，沟槽辅助光纤分布对于控制宏弯损耗比降低包层分布给出了更多的自由度，以及对于微屈损耗的某些好处（例如，通过提供光场的附加限制）。

图12A是阶跃折射率两模光纤设计120的折射率分布，其有效面积接近于标准单模光纤。光纤设计120包括折射率凸出纤芯121、凹陷包层区域122以及外包层123。图12B所示的一对表格1201和1202表示光纤的设计参数和计算特性。

如分布设计120和表格1201所示：

纤芯121（表格1201中的区域#1）具有

外半径5.675μm，

相对百分比折射率差Δ=0.004，以及

α参数α=25；

凹陷包层区域122（表格701中的区域#2以及#3）具有

内半径5.675μm，

宽度5.5μm，

外半径16.175μm，以及

Δ=-0.0080；

外包层73（区域#4）具有

内半径16.175μm，

宽度46.325μm，

外半径62.5μm，

以及Δ=0（通过定义）。

如表格702所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁有效区域A_eff=148μm²,

LP₀₁有效区域A_eff=148urn²,

DGD（1550nm）=45ps/km,

LP₀₁有效折射率=0.00196,

LP₁₁有效折射率=0.00015。

图13A表示沟槽辅助两模光纤设计130的折射率分布，其有效面积接近标准单模光纤。光纤设计130包括折射率凸出纤芯131、架区域132、深内沟槽133、浅外沟槽134以及外包层135。图13B的一对表格1301和1302表明了光纤的设计参数和计算特性。

如分布设计130和表格1301所示：

纤芯131（表格1301中的区域#1）具有

外半径5.559μm，

相对百分比折射率差Δ=0.004，以及

α参数α=25；

架132（表格1301中的区域#2）具有

内半径5.559μm，

宽度5.5μm，

外半径11.059μm，

以及Δ=0.0；

内沟槽133（表格1301中的区域#3）具有

内半径11.059μm，

宽度5μm，

外半径16.059μm，

以及Δ=-0.004；

外沟槽134（表格1301中的区域#4）具有

内半径16.059μm，

宽度9μm，

外半径25.059μm，

以及Δ=-0.0005；

外包层135（表格1301中的区域#5）具有

内半径25.059μm，

宽度37.4μm，

外半径62.5μm，

以及Δ=0（通过定义）。

如表格1302所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁有效面积A_eff=92μm²,

LP₀₁有效面积A_eff=90μm²,

DGD（1550nm）=51ps/km,

LP₀₁有效折射率=0.00336,

LP₁₁有效折射率=0.00042。

图14A表示沟槽辅助两模光纤设计140的折射率分布，其具有超大的模有效面积。光纤设计140包括折射率凸出纤芯141、架区域142、深内沟槽143、浅外沟槽144以及外包层145。图14B所示的一对表格1401和1402表示光纤的设计参数和计算特性。

如分布设计140和表格1401所示：

纤芯141（表格1401中的区域#1）具有

外半径7.0μm，

相对百分比折射率差Δ=0.0025，

以及α参数α=25；

架142（表格1401中的区域#2）具有

内半径7.0μm，

宽度7.5μm，

外半径14.5μm

以及Δ=0.0；

内沟槽143（表格1401中的区域#3）具有

内半径14.5，

宽度5μm，

外半径19.5μm，

以及Δ=-0.004;

外沟槽144（表格1401中的区域#4）具有

内半径19.5μm，

宽度9μm，

外半径28.5μm，

以及A=-0.0008;

外包层145（表格1401中的区域#5）具有

内半径28.5μm，

宽度34.0μm，

外半径62.5μm，

以及Δ=0（通过定义）。

如表格1402所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁有效区域A_eff=146μm²,

LP₀₁有效区域A_eff=144μm²，

DGD（1550nm）=36ps/km,

LP₀₁有效折射率=0.00205,

LP₁₁有效折射率=0.00023。

图12A和12B所示的凹陷包层设计的32mm弯曲的宏弯损耗灵敏度要比图14A和14B所示的沟槽辅助设计的大2.4倍，即使沟槽辅助设计的A_eff的要比凹陷包层设计的大65%。

对于图13A和14A中的设计的下一个高阶模在外包层以下的有效折射率，分别是0.0016和0.0011个Δ单位。对于这两种情况，LP₁₁和下一个HOM之间的有效折射率间隔分别是0.002和0.00135个Δ单位，或者0.0029和0.0019个Δn单位。与凹陷包层情况类似，将会由于LP₁₁和下一个HOM之间的有效折射率差值>0.0009，更优选地>0.00125，并且最优选地>0.0018而得到好的DMA，均以Δn为单位。

3.4具有增加的纤芯半径的阶跃折射率

应当注意到，除了适于MDM之外，本节所描述的光纤和技术同样对仅仅使用基本模的系统有用。这些光纤和技术与传统的单模光纤设计相比提供了增加有效面积的优点。这种光纤可能对于基于相干检测和数字信号处理（DSP）的系统尤其有利，其中关键光纤参数包括低衰减和大的有效面积。在那些应用中，高阶模可以从透射光中“剥离”，离开LP₀₁模。

根据本发明的一个方面，标准传输光纤的阶跃折射率分布被用作起始点。在一系列模拟中，纤芯半径被增加，同时纤芯折射率保持相同。这一方法有下列好处，即LP₀₁模的有效面积被增加而没有任何额外的增大损耗。

然而，由于纤芯半径增加，LP₀₁模被进一步限制（例如，少量进入LP₀₁模的光漏入包层中）。通过减少纤芯折射率可以得到进一步优化，由于纤芯半径被增加以便实现LP₀₁模的限制，其可与那些具有更小纤芯半径的光纤相比。减少纤芯折射率的更多好处包括降低了衰减以及降低了导模的数量。因此，纤芯折射率的减少可以扮演的重要角色是可以将多模光纤设计转移至少模设计。

一系列模拟在超大有效面积（SLA）光纤预制件在进行，其中通过减少包层管的横截面积（CSA）来增加纤芯半径，同时保持不变的光纤直径。

图15A所示的是SLA光纤的一般分布设计。其包括折射率凸出纤芯151、二阶沟槽152a和152b、以及外包层153。图15B所示图表1500追踪了1501-1503所示模拟光纤设计的折射率分布，其中包层管的CSA分别是2850mm²、1100mm²以及500mm²。在该模拟光纤中，这些包层管直径分别地对应大约6μm、9μm以及12μm的纤芯半径，且各自的沟槽外半径大约为20μm、30μm以及39μm。

图16A-16C所示的一系列图表161-163，其中说明了对于图15中描述的三个设计，用于以下导模：LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁、LP₁₂以及LP₂₁的计算有效折射率差异。

图表161-163表明了由于包层管的CSA减小以及纤芯半径增加，更多的模被引导。同样可以看出，如之前指出的，基本模（LP₀₁）的有效折射率随着纤芯半径的增加而增加。

图17A-17C给出的一系列图表说明了图15的三个考虑设计的耗散和有效面积。在1550nm波长处，基本模（LP₀₁）的有效面积对于1100μm²的包覆CSA来说是207μm²，对于500μm²的包覆CSA来说是321μm²。

图18A-18C的一系列图表说明了三个考虑设计的计算弯曲损失。

本发明的实施例包括支持LP₀₁有效面积>150μm²的更多模的光纤。进一步，该光纤可以用以下设计参数表征：

纤芯Δn<5×10^-3的阶跃折射率分布的有效面积>200μm²并且纤芯半径>8μm；

纤芯Δn<5×10^-3的阶跃折射率分布的有效面积>300μm²并且纤芯半径>10μm。

仅仅使用基本模的传输系统中，降低多路干扰（MPI）的一个方法是在传输路径中以一定间隔插入模消除器。模消除器间隔的越紧密，MPI可以被减少的更大。该方法的损失为MPI被转变为额外的损耗。模消除器可以通过锥形的光纤来制造。模消除器同样可以由其他方法制造，包括通过弯曲光纤等等。

3.5 具有渐变折射率纤芯的少模光纤

本发明说明书的剩余部分集中在本发明的特征指向具有渐变折射率纤芯的少模光纤（FMF），或者具有典型地从光纤轴心到外部纤芯边界减小的变化折射率纤芯。所描述的FMF支持所选择的具有较大有效面积A_eff的多个信号模，同时对于低DMA表现出低的弯曲损耗并且跨越大范围波长保持低水平的差分群延迟。因此，这些光纤特别适合于MDM以及类似技术。

如下所述，上述及其他性能通过结合许多不同设计特征而得到，包括比单模渐变折射率光纤以及阶跃折射率FMF更大Δn的渐变芯区，以及凹陷的内包层区域（例如，“沟槽”）。进一步的，某些实施例可以包括额外的结构特点，如在纤芯和沟槽之间的肩区域，或者在纤芯和沟槽之间的折射率直降，以及纤芯折射率分布形状的不同修饰。

应当注意到所描述的元件组合克服了与单个元件有关的已知缺点。例如，提高光纤纤芯折射率被确认为支持额外的导模。然而，具有接近包层的有效折射率的附加漏模同样将得到支持。具有最低有效折射率的导模将承受比例如LP₀₁模更大的弯曲损耗，造成更高的DMA或者如果它们将能量耦合至漏模会导致在期望的模中的额外衰减。提高纤芯折射率同样引起导模各自有效面积A_eff的尺寸减少，从而会引入降低光纤性能的非线性。

本发明的发明者已经确认，在FMF设计中，通过将凹陷包层或者“沟槽”的元件结合并适当的调节纤芯参数，可以保持具有比类似模态内容的阶跃折射率纤芯更高折射率的渐变折射率纤芯的各种优点，同时使它们已知的缺点最小化。如下所述，产生的光纤设计支持期望的模数量，同时保持可以接受地较大有效面积A_eff以及可以接受地用于低DMA的低水平弯曲损耗。

如下所述，本发明的实施例包括凹陷包层的设计，以及实际上仅仅传播双模（例如，LP₀₁和LP₁₁模）以及仅仅传播四模（例如，LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁和LP₂₁模）的纤芯-架-沟槽光纤。所描述的光纤对于每个模具有最大化的有效面积A_eff，且跨越C波段具有可以接受地低DGD水平。另外，在双模情况下LP₁₁模以及在四模情况下的LP₁₁和LP₂₁模的有效折射率被最大化以便使差分模衰减（DMA）最小化。

根据本发明的进一步方面，这里描述的光纤制造包括在拉拔过程期间应用“自旋”分布，其被认为是有益的。

3.5.1 混合FMF设计的量化和参数化

图19是未按比例绘制的根据本发明的示意性渐变折射率少模光纤190的剖面图。FMF190包括折射率凸出、渐变折射率芯区191、折射率凹陷沟槽区域192、以及外包层193。在接下来的某些实施例中，这种FMF可以进一步包括其他光纤区域，如纤芯191和沟槽192之间的肩区域。

图20所示的是图19所示FMF190的折射率分布200。分布200说明了芯区201、沟槽202以及外包层203各自的折射率，其中X轴表示半径配置，x=0表示芯区的中心，并且Y轴表示折射率，除非另有说明表示为折射率差Δn。

折射率分布200说明纤芯折射率201的等级从纤芯中心处的极值到纤芯外圆周处的最低值。在这里描述的一些FMF设计中，最低纤芯折射率等于外包层的折射率，例如Δn=0。在其他设计中，纤芯的最低折射率值可具有正的Δn值，在这样情况下，在芯区和直接地相邻的包层区域之间的过渡位置存在“折射率下降”或者“阶跃”。

在目前的论述中，渐变折射率芯区201的特征在于使用以下参数：纤芯半径r_core；纤芯顶峰值折射率（位于纤芯中心附近）n_{core（max）}；以及纤芯的最低折射率（位于纤芯圆周处）nc_{core（min）}。另外，芯区的用差值参数（Δ）以及α参数（α）表示。

纤芯的Δ参数量化了相对于光纤外包层的折射率n_clad的纤芯峰值折射率n_{core（max）}，如下：

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{{n_{\mathrm{core}\left(\max \right)}}^2-{n_{\mathrm{clad}}}^2}{2\&CenterDot;{n_{\mathrm{core}\left(\max \right)}}^2}$

Δ参数通常表示为百分比。

纤芯的参数是根据这样的假定，即芯区的折射率分布可以表示为半径位置r的函数n（r），大体上如下：

$\left(r\right)=n_{\mathrm{cor}\left(\max \right)}\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r}{r_{\mathrm{core}}}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}$

α参数α=2对应反演抛物线。α参数α=1对应三角型（例如，锯齿形），而α参数α=∞对应矩形的“框”状（例如，阶跃函数）。α参数α=0对应沿着X轴的直线。

折射率渐变可以适合于减少低损耗纤芯导模之间的群速度失配。例如，纤芯折射率分布在参量空间内可具有传统的抛物线状或者非抛物线状。另外，纤芯折射率分布可以具有适于具有与纤芯边缘附近引导的模有更好的群速度配合的位于α参数空间之外的形状，其作为这里使用的，术语“接近抛物线的”用来表示渐变折射率纤芯形状大体上是渐变的，但是其并未提供本身来使用α参数表征。

一般而言，期望的是信号传送模具有高的有效折射率，其通过纤芯提供了对于模的更好的限制，从而减少了宏弯和微屈损耗并且因此减少了衰减。进一步的考虑是，具有有效折射率的模彼此相对密集的但是高于外包层的折射率通常会受到更大模混合，并且因此在这样的长度之上的差分群延迟和有效面积被平均。有效折射率接近于或者低于外包层折射率的模通常是“有损耗的”或者“漏的”。

在图20中，折射率分布200进一步包括表示有效折射率（亦称作“模态折射率”）的一系列线条204a-e，应用于光纤引导的不同LP模。三个模204a-c的每个具有高于外包层的有效折射率，而其他两个模204d-e的每个具有低于外包层的折射率。因此，上面三个模204a-c表示为适于传送模分复用信号。相反，下面的两个模204d-e是不必要的不希望的模。

向下掺杂的沟槽192、202可以提供更低的弯曲损耗以及更好的低损耗模的群折射率匹配，而外包层193、203可以使不必要的模从光纤泄漏出去。尽管最低的信号模204c具有相对接近于外包层折射率的有效折射率，在某些限制之内，该模的弯曲损耗特性的适当参考是向下掺杂沟槽192、202的折射率。进一步的，沟槽区域192、202的宽度允许可以使模的泄漏损失得到控制，而不必要的模被抑制。

3.5.2 渐变折射率设计考虑

在下面的根据本发明进一步方面的光纤中，使用渐变折射率设计，其被特别地配置成在现有多模光纤的模分复用应用中不适当的范围内提供功能。

渐变折射率设计优于阶跃折射率设计的一个优点是，渐变折射率设计可以充分地减少信号耗散（即，脉冲展宽），其产生自多模光纤的单独模式的各自的传输速度（用群速度表示或等于群有效折射率）中的差值。特别地，在单信号在每个单独的模式之上同时传输的给定长度的数据通信传输链路中，渐变折射率设计可用于限制累积的模耗散至不超过耗散接收器的容限的最大值。

例如，传输链路可被构造成使用市场上可买到的OM4渐变折射率多模光纤（MMF），与MMF的输入端连接的垂直空腔表面发射激光器（VCSEL）以及与MMF输出端连接的合适的接收器。VCSEL将传输信号，其本身是横向多模，激励进入MMF。信号沿MMF的长度向下传输，使用MMF支持的多个模，然后通过接收器恢复。在一个公共的规格中，OM4 MMF的最大差分群延迟（DGD）为140ps/km，或者相当于0.140ps/m，并且被配置具有这样的长度，即其中最大累积通信产生脉冲展宽落入接收器容限的范围内。

图21和22是根据现有技术的一对图表210和220，显示了分别在850nm和1550nm处的LP_l,m模的计算模态结构，对于纤芯直径为50nm并且相对差值（例如，最大纤芯折射率和包层折射率之间的百分比差值，用绝对单位）为1%的示意性的渐变折射率多模光纤（MMF）。描述的模态结构表示用于短距离通信的MMF的模态结构，例如市场上可买到的OM3或者OM4光纤。每个LP_l,m模用短直线表示。相对于Y轴配置的给定线段（LP_l,m模）表示特殊模的有效折射率。

为了说明，LP_l,m模被分组成具有相似传播常数（并且相当于相似有效折射率）的主模群（PMG）中。因此，

PMG1包括LP₀₁模；

PMG2包括LP₁₁模；

PMG3包括LP₁₁和LP₂₁模；

PMG4包括LP₁₂和LP₃₁模；

PMG5包括LP₀₃、LP₂₂和LP₄₁模；

等等。

注意到在图21中，Y轴表示绝对折射率n的单位（即，通过给定光纤区域的给定光传输的速率和穿过真空的光速率的比值），而在图22中，Y轴表示折射率差值Δn的单位（即，给定光纤区域的折射率n_region和包层折射率n₀之间的差值）。在目前实施例中，1%的相对差值大约相当于大约0.0145的Δn。

以下论述将说明为什么传统的多模光纤（MMF）或者弯曲不敏感MMF不适于模分多路复用，由于高DMA和对有效折射率接近外包层折射率的不必要的模缺乏必要的控制，或者在一个限制下，在最近邻的一对引导的期望信号模之间过低的有效模折射率的差值。

如图21所示，在850nm处，LP_l,m模的有效折射率（以及由此PMG 1-19的各自平均有效折射率）以近似等于0.00075（Δn单位）的间隔被隔开降至包层水平。模的有效折射率n_eff与该模的传播常数β有关，依据先前规定的常数k₀：

$N_{\mathrm{eff}}=\frac{\mathrm{\&beta;}}{k_0}$

模间耦合取决于沿着光纤长度的光纤干扰的统计分布以及双模之间的传播常数Δβ的差值。在文献中的近似公式使用了反向功率Δβ以估计模和模组之间的相对耦合，例如Δβ^-p，其中p是4、6或者8。刚好高于包层折射率的最高次模与刚好低于包层的漏模强烈地耦合并且完全的损耗。

通过将渐变折射率参数从2.14（在850nm处的理论最优值）减少至1.98（在1550nm处的理论最优值），可以对存在的短距离光纤在1550nm处的最小差分群延迟进行再优化。（试验性地，这些数字可以稍有不同，但通过原理趋势以说明。）这种光纤支持大约9种良好引导的主模群（第10种迅速地消失而没有计算），包括大约25种模。

描述的短距离光纤可用于构造使用选择的模数的少模传输链路。各自具有最高有效折射率的那些模（例如，在最顶处的模分布的那些模，如图12A的分布所示）被选择成为期望的通信模。模选择性激励和探测被用来排除不希望的模。

如图22所示，在1550nm处，LP模的有效折射率以近似等于0.0014（Δn单位）间隔被隔开，其大约是850nm处的LP模之间的间隔的两倍。根据上面引用的反向功率定律公式，间隔的增加减少了模间的耦合。如前所述，某些水平的模间耦合中的并且其本身是不利的，只要MIMO或者其他适用技术能够校正模间耦合。

然而，通常，低于期望的模的紧密间隔模将用作“模阶梯”以将来自期望的模的能量向下耦合到接近包层的极大损耗最低次模。换句话说，在一个或多个期望的模和一个或多个期望的相近模之间通常存在某些主要耦合。另外，在耦合至不希望的模和一个或多个额外不希望的模之间通常会存在某些次要的耦合。这一过程将延续向下通过该模分布，结果是向该模分布中的最低且最损耗的模带来某些量的耦合。在接头和连接器处的离散模间耦合将同样有助于模阶梯上的横档之间的耦合。

由此，在使用具有与图21和22所示模分布类似的模分布的多模光纤的传输链路中，DMA在数十千米的传输距离之上可能仍然高的不能接受，因为在分布中的最低模总是具有相对接近于包层折射率的有效折射率。由于更大的模间隔，在长距离50μm纤芯MMF中1550nm处的DMA要远小于850nm处的DMA。然而，相对于MIMO算法性能其仍然可能没有被充分的优化。

根据如上所述的模间耦合理论，对于p=6，通过增加模有效折射率（或者相当于Δβ）中的间隔，对于相近模在传统或者弯曲不敏感50μm纤芯直径，1550nm处1%ΔMMF的情况下从0.0014Δn单位增加至0.0020Δn单位，可以得到模间耦合以10倍系数的减少，这对光纤设计是有益的。在渐变折射率波导设计中，挑战是便于导模之间的间隔Δβ最小化同时使最低导模和下一个高次且不期望的模之间的间隔最大化。因此，模有效折射率的间隔最大化通常同样需要改进DMA。当渐变折射率FMF的模的最近邻模之间的有效折射率差值大于或等于0.002（Δn单位）时，可以获得改进DMA和通过减少模间耦合尽可能地减少MIMO复杂性的一个好处。这一模间隔在使用这里公开的原理的少模光纤中，适合进一步增加引导LP模的数目至6甚至9。通过将模间隔增加至大于或等于0.0026个Δn单位，将会获得更大的好处。

根据本发明的一个方面，用于减少DMA并且同时减少累积延迟的一个理想方案是：其中全部导模之间具有小的间隔以及高的有效折射率，远高于包层折射率，在最低的选择的导模和包层折射率之间具有相对大的间隔。

根据本发明的进一步方面，作为理想方案的替代，使用折衷以产生具有模式之间的间隔的模态结构，从而使最低导模损失最小化，同时实际上引导期望的模的数量。换句话说，期望的是制作期望数量的导模被限制在其中的光纤，例如，渐变折射率纤芯，但是那些具有最低有效折射率是最低损耗的模，其可被限制在其它的范围之内。

在本发明的示意性实际应用中，上述目标得以实现，通过使用外部纤芯中的“阶跃”以及纤芯周围的沟槽，与适当选择的纤芯差值、宽度以及渐变折射率参数配合，可以实现导模的宏弯和微屈二者的最小化。

特别地，本发明的一个方面提供了具有两个LP模（LP₀₁、LP₁₁）的少模光纤。本发明的另一个方面提供具有四个LP模（LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁、LP₂₁）的FMF。光纤分布被如此设计以使不同LP模之间的群延时差被最小化。由此，跨越宽阔的波段最大群延时差可以被有效地限制。

3.5.3 具有双LP模的渐变折射率少模光纤

本发明的实施例包括少模光纤设计，其中两种模被引导：LP₀₁和LP₁₁。所描述的光纤可以使用例如改进的化学气相沉积（MCVD），或者其他合适的技术，例如等离子体化学气相淀积（PCVD）来制造。

如上所述，当通过围绕各自的纵轴旋转预制件或者光纤，或者二者同时，而被拉拔时，自旋分布可被施加至光纤。

在下面的实施例中，除非另有说明，每个光纤区域的折射率使用区域的折射率差Δn确定，即区域的折射率减去光纤外包层的折射率。通过定义，外包层的折射率差Δn等于零。

为了说明的目的，在用于说明每个光纤设计的折射率分布中，外包层已经被舍去。除非另有说明，外包层的半径为62.5μm（即，未涂覆的FMF的外径为125μm）。

同样地，在图23、26和29分别所示的示例1.1、1.2和1.3的折射率分布中，在渐变折射率纤芯231、261和291的右边缘处存在小的折射率阶跃。这样小的折射率阶跃是由于用于模拟折射率分布的有限计算栅格引起的假象。

示例1.1

图23所示的是根据本发明的一个方面的FMF折射率分布230。该FMF包括渐变折射率纤芯231、肩232、向下掺杂的沟槽233、以及外包层234。引导的LP₀₁和LP₁₁模的有效折射率在折射率分布230中用标记的黑线条表示。

图24的图表240说明了与波长有关的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图25的表格250表明了光纤设计230的规格。

如分布设计230和表格250所示：

渐变折射率纤芯231具有

半径7.7μm，

起始绝对折射率差值Δn=0.0081，

末端绝对折射率差值Δn=0.0，

α参数α=2.00；

肩区域232具有

内半径7.7μm，

厚度1.085μm，

外半径8.785，

绝对折射率差值Δn=0；

沟槽区域233具有

内半径8.785μm，

厚度6.5μm，

外半径15.285，

绝对绝对折射率差值Δn=-0.006；

外包层234具有

内半径15.285μm，

厚度47.215μm，

外半径62.5μm，

绝对折射率差值Δn=0（通过定义）。

依照表格250所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差：

跨越C波段<0.001ps/m，

计算LP₀₁模有效面积A_eff=80.85μm²，

计算LP₁₁模有效面积A_eff=80.5μm²。

示例1.2

图26所示的是根据本发明的一个方面的FMF折射率分布260。该FMF包括渐变折射率纤芯261、肩262、向下掺杂的沟槽263、以及外包层264。引导的LP₀₁和LP₁₁模的有效折射率在折射率分布260中用标记的黑线条表示。

图27的图表270说明了与波长有关的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图28的表格280表明了光纤设计280的规格。

如分布设计260和表格280所示：

渐变折射率纤芯261具有

半径8.5μm，

起始绝对折射率差值Δn=0.0073，

末端绝对折射率差值Δn=0.0，

α参数α=2.09；

肩区域262具有

内半径8.5μm，

厚度1.61μm，

外半径10.11，

绝对折射率差值Δn=0；

沟槽区域263具有

内半径10.11μm，

厚度6.0μm，

外半径16.1μm，

绝对折射率差值Δn=-0.006；

外包层264具有

内半径16.61μm，

厚度45.89μm，

外半径62.5μm，

绝对折射率差值Δn=0（通过定义）。

依照表格280所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差：

跨越C波段<0.001ps/m，

计算LP₀₁模有效面积A_eff=94.76μm²，

计算LP₁₁模有效面积A_eff=94.9μm²。

如示例1.2和图26所揭露分布的一种双模渐变折射率光纤被制造。LP₀₁和LP₁₁的损失分别为0.198和0.191db/km，显示了极好的DMA<0.01dB/km。LP₁₁相对于外包层的有效折射率是0.0013Δn单位。在这一沟槽设计中的下一个高阶模是漏模并且其有效折射率低于外包层，以使与控制微屈敏感有关的有效折射率实际大于0.0013个Δn单位。

示例1.3

图29所示的是根据本发明的一个方面的FMF折射率分布290。该FMF包括渐变折射率纤芯291、肩292、向下掺杂的沟槽293、以及外包层294。

引导的LP₀₁和LP₁₁模的有效折射率在折射率分布290中用标记的黑线条表示。图30的图表300说明了与波长有关的LP₀₁和LP₁₁模式之间的群延时差。

图31的表格表明了光纤设计290的规格。

如分布设计290和表格310所示：

渐变折射率纤芯291具有

半径7.47μm，

起始绝对折射率差值Δn=0.0139，

末端绝对折射率差值Δn=0.0，

α参数α=2.01；

肩区域292具有

内半径7.47μm，

厚度0.65μm，

外半径8.12，

绝对折射率差值Δn=0.0；

沟槽区域293具有

内半径8.12μm，

厚度5.0μm，

外半径13.12μm，

绝对折射率差值Δn=-0.006；

外包层294具有

内半径13.12μm，

厚度49.38μm，

外半径62.5μm，

绝对折射率差值Δn=0（通过定义）。

依照表格310进一步所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差：

跨越C波段<0.001ps/m，

计算LP₀₁模有效面积A_eff=56.62μm²，

计算LP₁₁模有效面积A_eff=59.8μm²。

示例2

图32所示的是根据本发明的一个方面的FMF折射率分布320。该FMF包括渐变折射率纤芯321、肩322、向下掺杂的沟槽323、以及外包层324。

引导的LP₀₁和LP₁₁模的有效折射率在折射率分布320中被显示为标记的黑线条。图33的图表330说明了与波长有关的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图34的表格表示了光纤设计320的规格。

如分布设计320和表格340所示：

渐变折射率纤芯321具有

半径7.51μm，

起始绝对折射率差值Δn=0.0104，

末端绝对折射率差值Δn=0.0042，

α参数α=1.34；

肩区域322具有

内半径7.51μm，

厚度1μm，

外半径8.51，

绝对折射率差值Δn=0；

沟槽区域323具有

内半径8.51μm，

厚度4.1μm，

外半径12.61μm，

绝对折射率差值Δn=-0.002；

外包层324具有

内半径12.61μm，

厚度49.89μm，

外半径62.5μm，

绝对折射率差值Δn=0（通过定义）。

依照表格340所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差：

跨越C波段<0.002ps/m，

计算LP₀₁模有效面积A_eff=77.01μm²，

计算LP₁₁模有效面积A_eff=77.4μm²。

示例3

图35所示的是根据本发明的一个方面的FMF折射率分布350。该FMF包括渐变折射率纤芯351、向下掺杂的沟槽352、以及外包层353。（在示例3，4以及5中，没有肩区域）。

引导的LP₀₁和LP₁₁模的有效折射率在折射率分布350中被显示为标记的黑线条。图36的图表360说明了与波长有关的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图37的表格表示了光纤设计350的规格。

图38所示的是图35所示光纤设计的原型的测量折射率分布。

外沟槽不是本发明折射率分布的必要特征，但是当设计为样品时是易于使用的材料的人工制品。外沟槽在大直径的环中限制宏弯中具有一些价值。对于LP₀₁和LP₁₁光纤测量的损失为0.24dB/km，DMA不超过0.02db/km（测量误差条受相应的模选择性激励和探测光学器件的不确定度的限制）。

如分布设计350和表格370所示：

渐变折射率纤芯351具有

半径7.1μm，

起始绝对折射率差值Δn=0.0139，

末端绝对折射率差值Δn=0.0022，

α参数α=1.80；

沟槽区域352具有

内半径7.1μm，

厚度5μm，

外半径12.1μm，

绝对折射率差值Δn=-0.0037；

外包层353具有

内半径12.1μm，

厚度50.4μm，

外半径62.5μm，

绝对折射率差值Δn=0（通过定义）。

依照表格370所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差：

跨越C波段<0.002ps/m，

计算LP₀₁模有效面积A_eff=59.59μm²，

计算LP₁₁模有效面积A_eff=59.8μm²。

示例4

图39所示的是根据本发明的一个方面的FMF折射率分布390。该FMF包括渐变折射率纤芯391、向下掺杂的沟槽392、以及外包层393。

引导的LP₀₁和LP₁₁模的有效折射率在折射率分布390中被显示为标记的黑线条。图40的图表400说明了与波长有关的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图41的表格410表示了光纤设计390的规格。

如分布设计390和表格410所示：

渐变折射率纤芯391具有

半径7.12μm，

起始绝对折射率差值Δn=0.0119，

末端绝对折射率差值Δn=0.0024，

α参数α=1.62；

沟槽区域392具有

内半径7.12μm，

厚度5.32μm，

外半径12.44，

绝对折射率差值Δn=-0.0038；

外包层393具有

内半径12.44μm，

厚度50.06μm，

外半径62.5μm，

绝对折射率差值Δn=0（通过定义）。

依照表格410所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差：

跨越C波段<0.001ps/m，

计算LP₀₁模有效面积A_eff=65.4μm²，

计算LP₁₁模有效面积A_eff=65.7μm²。

示例5

图42所示的是根据本发明的一个方面的FMF折射率分布420。该FMF包括渐变折射率纤芯421、向下掺杂的沟槽422、以及外包层423。

引导的LP₀₁和LP₁₁模的有效折射率在折射率分布420中被显示为标记的黑线条。图43的图表320说明了与波长有关的LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差。

图44的表格440表示了光纤设计420的规格。

如分布设计420和表格440所示：

渐变折射率纤芯421具有

半径6.9μm，

起始绝对折射率差值Δn=0.0108，

末端绝对折射率差值Δn=0.0034，

α参数α=1.0；

沟槽区域422具有

内半径6.9μm，

厚度5.58μm，

外半径12.48，

绝对折射率差值Δn=-0.0041；

外包层423具有

内半径12.48μm，

厚度50.02μm，

外半径62.5μm，

绝对折射率差值Δn=0（通过定义）。

依照表格440所示，光纤支持LP₀₁和LP₁₁模并且具有以下特性：

LP₀₁和LP₁₁模之间的群延时差：

跨越C波段<0.002ps/m，

计算LP₀₁模有效面积A_eff=70.35μm²，

计算LP₁₁模有效面积A_eff=70.8μm²。

3.5.4 具有四LP模的渐变折射率少模光纤

现在描述根据本发明的一些方面的FMF的一些示例，其中四个LP模被引导：LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁以及LP₂₁。

示例6

图45所示的是根据本发明的一个方面的FMF折射率分布450。该FMF包括渐变折射率纤芯451、肩452、向下掺杂的沟槽453、以及外包层454。引导的LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁和LP₂₁模的有效折射率在折射率分布450中用标记的黑线条表示。

图46的图表460说明了与波长有关的LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁和LP₂₁模之间的群延时差。

图47的图表470说明了与波长有关的四模的相应有效折射率。

图48的表格表示了光纤设计480的规格。

如分布设计450和表格480所示：

渐变折射率纤芯451具有

半径8.4μm，

起始绝对折射率差值Δn=0.0144，

末端绝对折射率差值Δn=0，

α参数α=1.97；

肩区域452具有

内半径8.4μm，

厚度1.16μm，

外半径9.56，

绝对折射率差值Δn=0；

沟槽区域453具有

内半径9.56μm，

厚度3.16μm，

外半径12.72μm，

绝对折射率差值Δn=-0.011；

外包层454具有

内半径12.72μm，

厚度49.78μm，

外半径62.5μm，

绝对折射率差值Δn=0（通过定义）。

如表格480进一步所示，光纤支持LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁以及LP₂₁模，并且在LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁和LP₂₁之间呈现的群延时差跨越C波段<0.05ps/m。LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁以及LP₂₁模的有效面积分别为64.7、65.2、131.7以及87.4μm²。

示例7

图49所示的是根据本发明的一个方面的FMF折射率分布490。该FMF包括渐变折射率纤芯491、肩492、向下掺杂的沟槽493、以及外包层494。引导的LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁和LP₂₁模的有效折射率在折射率分布490中用标记的黑线条表示。

图50的图表500说明了与波长有关的LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁和LP₂₁模之间的群延时差。

图51的图表510说明了与波长有关的四模的相应有效折射率。

图52的表格520表示了光纤设计490的规格。

如分布设计490和表格250所示：

渐变折射率纤芯491具有

半径8.91μm，

起始绝对折射率差值Δn=0.0144，

末端绝对折射率差值Δn=0.0，

α参数α=1.97；

肩区域492具有

内半径8.91μm，

厚度0.558μm，

外半径9.468μm，

绝对折射率差值Δn=0；

沟槽区域493具有

内半径9.468μm，

厚度3.906μm，

外半径13.374，

绝对折射率差值Δn=-0.006；

外包层494具有

内半径13.374μm，

厚度49.126μm，

外半径62.5μm，

绝对折射率差值Δn=0（通过定义）。

如表格520进一步所示，光纤支持LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁以及LP₂₁模，并且在LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁和LP₂₁模之间呈现的群延时差跨越C波段<0.1ps/m。LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁以及LP₂₁模的有效面积分别为68.7、69.04、138.6以及92.2μm²。

示例8

图53所示的是根据本发明的一个方面的FMF折射率分布530。该FMF包括渐变折射率纤芯531、肩532、向下掺杂的沟槽533。引导的LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁以及LP₂₁模的有效折射率在折射率分布530中用标记的黑线条表示。本实施例的一个方面是作为期望信号模选择性地激励进入LP₀₁、LP₁₁、LP₁₁以及LP₂₁模，同时更低的导模是不必要的。然而，具有这些不必要的且更损耗的模的不希望的方面通过以下事实缓和，即LP₂₁和下一个低模之间的有效折射率间隔相对较大。该间隔可以足够大的以使LP₂₁模具有低衰减并且具有至下一个低模的弱耦合。可替换的，纤芯可以补充先进的包层结构以提供不必要模的选择共振抑制。如环或者附加波导之类的包层结构可以提供折射率匹配耦合并且便于不必要的模的漏出。

图53的第二个方面是为了说明LP₂₁和LP₁₁以及低于图45和49的设计的外包层折射率的漏模之间的有效折射率的近似间隔，其中漏模没有被软件计算。在图53中的间隔是相对于图45和图49中的情况相当准确的近似值，表示LP₂₁和LP₁₁将具有低的弯曲损耗，由此支持那些分布设计的低DMA。

3.5.5 示例的总结

图54所示表格540概括了上述示例1.1、1.2、1.3和2的双模纤芯-肩-沟槽FMF设计的规格。

图55所示表格550概括了上述示例3、4和5的双模纤芯-沟槽FMF设计的规格。

图56所示表格560概括了上述示例6和7的四模纤芯-肩-沟槽FMF设计的规格。

图57所示表格570表明了对于以上示例1-7，相对于有效折射率n_eff1550nm的以下信息：

第1栏：LP₀₁模的有效折射率n_eff；

第2栏：LP₁₁模的有效折射率n_eff；

第3栏：LP₁₁模的有效折射率n_eff（相对示例6和7所示的四模FMF）；

第4栏：LP₂₁模的有效折射率n_eff（相对示例6和7所示的四模FMF）；

第5栏：LP₀₁和LP₁₁模之间的有效折射率差值（即，LP₀₁-LP₁₁）；

第6栏：相对示例6和7所示的四模FMF的LP₁₁和LP₂₁模之间的有效折射率差值（即，LP₁₁-LP₂₁）；

第7栏：最低的导模有效折射率；

第8栏：沟槽体积（即，以μm²为单位的沟槽的横截面积，乘以绝对折射率差值Δn）。

从图57中可以看到，全部的示意性渐变折射率设计具有在LP₀₁和LP₁₁之间（第5栏）以及在LP₁₁和LP₁₁/LP₂₁之间（第6栏）的有效折射率差值，有利地是比传统MMF中的大约0.0014的差值或者如图22中所示弯曲不敏感的MMF1550nm差值大2倍至3倍；该大模间隔减少了模的向下级联功率损耗并且可以同时使MIMO方案变得更简单。

同样地，最低引导的期望模和外包层折射率之间的有效折射率差值全部大于0.001Δn（在第7栏中）。由于下一个高阶模小于外包层的有效折射率，图57所示光纤设计在LP₁₁模的有效折射率和有效折射率低于外包层的漏泄且高阶模之间的差值比第7栏所示的值更大。其在图53所示的示例8已经说明并且论述。将会得到LP₁₁和下一个HOM之间的有效折射率差值>0.0009的良好DMA，更优选地>0.00125并且最优选地>0.0018，都以Δn为单位。

4.0 结论

尽管上述说明书包括了能够使本领域技术人员能够实施本发明的一些细节，应该承认的是本说明书本质上是示意性的，并且在这些教导的启示下，许多改进和变化对于本领域技术人员而言将会变得清楚。因此希望的是本发明在这里通过附加的权利要求书而被单独地限定并且该权利要求应当是在现有技术允许的前提下被尽可能宽泛地解释。

Claims (17)

1.一种光纤，包括：

纤芯和围绕纤芯的包层，

其中，纤芯和包层具有阶跃折射率分布，该阶跃折射率分布被构造为支持多个希望的信号运载模的传播，同时抑制不希望的模，

其中，包层包括外包层区域，该外包层区域具有外半径r_cladding、折射率n_cladding和折射率差Δn_cladding=0，并且

其中，纤芯具有半径r_core、折射率n_core和折射率差Δn_core，

其中，纤芯和包层被配置为使得不希望的模具有各自的有效折射率，所述有效折射率接近或者小于包层折射率，从而使得不希望的模成为漏模，并且

其中，在具有最低有效折射率的希望的模和具有最高有效折射率的漏模之间的折射率间隔足够大到基本防止它们之间的耦合。

2.根据权利要求1所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为在C波段中运行。

3.根据权利要求1所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为使得希望的模具有各自的有效折射率，所述有效折射率具有足够大的折射率间隔，以便达到希望水平的模耦合、差分群延迟以及差分模衰减。

4.根据权利要求3所述的光纤，其中，光纤被配置为支持LP₀₁和LP₁₁模，并切断下一个更高阶模。

5.根据权利要求4所述的光纤，其中，LP₁₁模式和下一个最高阶模之间的折射率间隔是Δn=.0009或更大。

6.根据权利要求5所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到200ps/km或者更少的差分群延迟。

7.根据权利要求5所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到100ps/km或者更少的差分群延迟。

8.根据权利要求5所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到60ps/km或者更少的差分群延迟。

9.根据权利要求5所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到0.1dB/km或者更少的差分模衰减。

10.根据权利要求5所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到0.02dB/km或者更少的差分模衰减。

11.根据权利要求5所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到0.01dB/km或者更少的差分模衰减。

12.根据权利要求5所述的光纤，其中，包层还包括在纤芯和外包层区域之间的、内部的、向下掺杂的沟槽区域。

13.根据权利要求1所述的光纤，

其中，光纤支持多个引导的模，并且

其中，LP₀₁模具有A_eff＞150μm²的有效面积。

14.根据权利要求13所述的光纤，

其中，Δn_core＜5·10^-3，

其中，r_core＞8μm，并且

其中，光纤具有A_eff＞200μm²的有效面积。

15.根据权利要求13所述的光纤，

其中，Δn_core＜5·10^-3，

其中，r_core＞10μm，并且

其中，光纤具有A_eff＞300μm²的有效面积。

16.一种包括根据权利要求13所述的光纤的传输链接，其中，由定期插入的模剥离器来抑制多路干涉。

17.根据权利要求16所述的传输链接，其中，通过锥形化光纤形成所述模剥离器。

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