CN104067152B - 用于模分多路复用的少模光纤 - Google Patents

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Abstract

披露一种适用于模分多路复用(MDM)光传输系统的少模光纤。该光纤具有渐变折射率纤芯，该渐变折射率纤芯具有在8μm至14μm范围内的半径R1、在1550nm的波长处大于或等于约2.3并小于约2.7的α值以及相对于包层从大约0.3%至大约0.6%的最大相对折射率Δ1MAX。光纤也具有大于约90μm2并小于约160μm2的有效面积。纤芯和包层在大于1500nm的波长处仅支持LP01和LP11模。包层具有最大相对折射率Δ4MAX，其中Δ1MAX>Δ4MAX，并且LP01和LP11模之间的差分群延迟在1550nm的波长处小于约0.5ns/km。

Description

用于模分多路复用的少模光纤
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年8月15日提交的美国临时申请61/523552的优先权益，本申请依赖该美国临时申请的内容并且其内容通过引用而整体结合于此。
领域
本说明书总地涉及光纤，更具体地涉及用于模分多路复用(MDM)的少模光纤。
背景技术
多媒体电信应用的量和多样性的爆炸性增长不断促动互联网话务的速度需求并引发主干光纤光通信链路的研究。基于相干通信和电子数字信号处理(DSP)的接收机由于其灵活性、可伸缩性和补偿各种传输损伤(包括光纤非线性)的能力近些年来已被接受作为长程系统的下一代标准。随着光纤非线性对可取得的光谱效率具有限制，因此大有效面积(Aeff)单模光纤(SMF)已被设计成减少非线性惩罚。
然而，光纤的光谱效率随着增加的有效面积缓慢增加，因此需要另一解决方案来增加系统容量。最近的试验已表明能使用多输入多输出(MIMO)技术以少模光纤(FMF)一种以上的空间传播模来发送信号。少模光纤对于这种应用尤为吸引人，因为计算复杂性直接与随模数成比例，并且利用仅少模降低了可能导致来自多径干扰(MPI)的误码率惩罚的模混叠的风险。
之前提出的光纤通信系统的少模光纤或者具有阶跃折射率或者具有抛物线型纤芯，在抛物线型纤芯中纤芯直径相对于单模光纤增加以除了基LP01模外支持至少LP11模。对于这两种纤芯设计，基LP01模和LP11模之间在1550nm窗内在一个或多个波长下存在大的延迟差。这些大的延迟差使得使用MIMO在时域下多路分解光信号变得困难。
因此，需要具有低损耗和小的差分群延迟(DGD)的少模光纤的替代设计。
发明内容
本公开的一个方面是包括玻璃纤芯和直接围绕纤芯的玻璃包层的少模光纤。玻璃纤芯具有范围从大约8μm至大约14μm的半径R1、在1550nm的波长处α值大于或等于约2.3且小于约2.7的渐变折射率分布、相对于玻璃包层在大约0.3%至大约0.6%的范围内的最大相对折射率Δ1MAX以及在1550nm处大于约90μm2并小于约160μm2的有效面积。玻璃包层包括最大相对折射率Δ4MAX以使Δ1MAX>Δ4MAX；该光纤在大于1500nm的波长处仅支持LP01和LP11的传播和传输，其中两个模之间的群延迟在1550nm的波长处小于约0.5ns/km。
本公开的另一方面是包括玻璃纤芯和围绕玻璃纤芯的玻璃包层的少模光纤。该玻璃纤芯具有从大约8μm至大约14μm的半径R1、在1550nm的波长处α值大于或等于约1.9和小于约2.7的渐变折射率分布、相对于玻璃包层在大约0.3%至大约0.6%的最大相对折射率Δ1MAX以及在1550nm处大于约90μm2并小于约160μm2的有效面积。玻璃包层具有围住纤芯的低折射率环。低折射率环具有最小相对折射率Δ2MIN<0。玻璃包层也具有外包层，该外包层围住低折射率环并具有最大相对折射率Δ4MAX，以使Δ1MAX>Δ4MAX>Δ2MIN。玻璃纤芯和玻璃包层在大于1500nm的波长处仅支持LP01和LP11的传播和传输。
本公开的另一方面是包括由玻璃包层围绕的玻璃纤芯的少模光纤。该玻璃纤芯具有从大约8μm至大约14μm的范围内的半径R1、在1550nm的波长处α值大于或等于约1.9和小于约2.7的渐变折射率分布、相对于玻璃包层在大约0.3%至大约0.6%的最大相对折射率Δ1MAX以及在大约1550nm处大于约90μm2并小于约160μm2的有效面积。玻璃包层具有围绕玻璃纤芯但通过具有相对折射率Δ3的内包层与之间隔开的低折射率环。低折射率环具有最小相对折射率Δ2MIN<0。玻璃包层也具有外包层，该外包层围住低折射率环并具有最大相对折射率Δ4MAX，以使Δ1MAX>Δ4MAX>Δ2MIN且Δ3>Δ2MIN。玻璃纤芯和玻璃包层在大于1500nm的波长处仅支持LP01和LP11的传播和传输。
将在下面详细描述中阐述本公开的附加特征和优势，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来认识到。权利要求书被纳入于此并构成如下面描述的详细说明。
应当理解的是，以上发明内容和以下具体实施方式两者描述各个实施例，且旨在提供用于理解所要求保护的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的主题的原理和操作。
附图简述
图1是根据本文描述的实施例的少模光纤的一段的侧视图；
图2A是沿剖切线A-A得到的图1的少模光纤的横截面图并示出本文披露的少模光纤的第一主示例实施例的配置；
图2B绘出图2A的少模光纤的相对折射率分布；
图3A是沿剖切线A-A得到的图1的少模光纤的横截面图并示出本文披露的少模光纤的第二主示例实施例的配置；
图3B绘出图3A的光纤的相对折射率分布；
图4A是沿剖切线A-A得到的图1的少模光纤的横截面图并示出本文披露的少模光纤的第二主示例实施例的配置；
图4B绘出图4A的少模光纤的相对折射率分布；
图4C类似于图4B，除了相对折射率分布包括具有比内包层更高的相对折射率之外；
图4D绘出对具有最佳值α的最大纤芯相对折射率Δ1MAX(在图例中表示为Δ)的不同值的脉冲展宽(ns/km)相对于波长(μm)的关系；
图5是使用本文披露的少模光纤的示例性MDM光传输系统的示意图；
图6是光学地连接图5的MDM光传输系统中的发射机和接收器的示例性光纤链路的示意图，其中光纤链路具有由光学放大器连接的少模光纤的多个跨距；以及
图7示出替代的少模光纤实施例的折射率分布。
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。
术语
本文将使用下面的术语来描述光纤，其中一些参数结合各示例性实施例被介绍和定义如下：
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”，如本文中使用地，被定义为：
△(r)%=100x[n(r)2–nREF 2)]/2n(r)2,
除非另有所指，否则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nREF是二氧化硅玻璃。在另一个方面，nREF是包层的最大折射率。如本文中使用的，相对折射率以△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，相对折射率为负且被称为具有下陷区域或下陷折射率，而且最小相对折射率是在相对折射率负得最大的点处计算得出的，除非另外指明。在区域的折射率大于基准折射率nREF的情形下，相对折射率为正，而且该区域可被认为是凸起的或具有正折射率。
如本文中使用的，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。如本文中使用的，术语“下掺杂剂”是相对于纯的、未掺杂的SiO2倾向于使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。
如本文中使用的，光纤的“有效面积”Aeff是光纤中传播光的面积且被定义为
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Aeff。
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量度。MFD因变于光源波长、光纤芯半径、和光纤折射率分布。使用PetermanII方法测量MFD，其中
MFD=2w以及
其中E是光纤中的电场分布，且r是光纤的半径。
归一化波数或光纤的V数被定义为V=k*R1*NA，其中k是自由空间波数2π/λ，λ是波长，R1是纤芯的半径，而NA是光纤的数值孔径。NA是由(ncore 2-nclad 2)1/2=nclad[21MAX/(1-2Δ1MAX)]1/2给出的，其中ncore是纤芯的最大折射率，nclad是包层的折射率而Δ1MAX是纤芯相对于包层的最大相对折射率。
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。
模的截止波长是一最小波长，超出该波长模就停止在光纤中传播。单模光纤的截止波长是一最小波长，在该波长处光纤将仅支持一个传播模式。单模光纤的截止波长对应于较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。可在1990年纽约Marcel Dekker公司出版的作者为Jeunhomme的“Single Mode Fiber Optics（单模光纤光学）”一书第39-44页中找到一种数学定义，其中理论纤维截止被描述为模式传播常数变得等于外包层中的平面波传播常数时的波长。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缆线截止测试来近似求得该缆线截止波长、或“缆线截止”。如本文中使用的，缆线截止意味着使用近似测试获得的值。缆线截止波长一般比理论截止波长低100-300nm。
如本文中使用的，术语“少模光纤”指支持比单模光纤更多模但比常见多模光纤更少模的传播的光纤。传播模的数量和它们在具有任意折射率分布的圆柱对称光纤中的特性是通过求解标量波方程获得的(例如参见T.A.Lenahan,“Calculation of modes in anoptical fiber using a finite element method and EISPACK,”Bell Syst.Tech.J.,vol.62,no.1,p.2663,1983年2月)。在光纤或其它介质波导内行进的光形成混合型模，该混合型模一般被称为LP(线性偏振)模。LP0p模具有两个偏振自由度并且是双倍衰落的，LP1p模是四倍衰落的并且m＞1的LPmp模是四倍衰落的。当我们指定在光纤内传播的LP模的数量时，我们不考虑这些衰落。例如，其中仅LP01模传播的光纤是单模光纤，即便LP01模具有两种可能的偏振也好。其中LP01和LP11模传播的少模光纤支持三个空间模，因为LP11模是双倍衰落的，并且每种模也具有两种可能的偏振，给出总共6个模。因此，当称光纤具有两个LP模时，这意味着它支持所有LP01模和LP11模的传播。
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。基于引脚阵列弯曲测试对本文描述的光纤的弯曲性能建模，以比较该光纤对弯曲的相对耐受力。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）是两次衰减测量之间的差。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。引脚间距为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，光纤被置于充分的张力之下，以使光纤顺应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。
如本文中使用的，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△表示，其中r是半径，其遵循以下方程：
其中Δ0是最大相对折射率，r0是纤芯的半径，r在ri<r<rf范围内，Δ如上定义，ri是α分布的起点，rf是α分布的终点，而α是作为实数幂。对于阶跃式折射率分布，α值大于或等于10。对于渐变式折射率分布，α值小于10。本文中使用的术语“抛物线”包括α=2的基本抛物线形折射率分布以及其中纤芯的曲率在纤芯的一个或多个点略为偏离于α=2的曲率，例如具有中心线下沉的分布。要注意这里不同形式的纤芯半径和最大相对折射率被用于下面例子而不影响德尔塔(Δ)的基本定义。
除非本文另有所指，在1550nm处对本文披露和下面描述的光纤的上述性质进行测量或建模。
在下面的讨论中，光纤除纤芯外的任何部分被认为是包层的一部分。另外，光纤10的给定区Y的相对折射率一般被表述为半径的函数ΔY(r)，并且在某些情形下能具有最大ΔYMAX和/或最小ΔYMIN.。在ΔY(r)为常数的例子中，ΔY(r)=ΔYMAX=ΔYMIN并被表示为ΔY。
图1是根据本公开的少模光纤(光纤)10的截面的侧视图。下文中描述针对光纤10的示例性横截面图和相应示例性相对折射率分布的曲线图来描述光纤10的各种示例性实施例。
第一主示例实施例
图2A是沿图1的剖切线A-A得到的光纤10的横截面图并示出光纤10的第一主例实施例。图2B是与图2A的横截面对应的相对折射率分布。该第一示例性实施例的光纤10包括半径R1的玻璃渐变折射率纤芯20以及围绕纤芯并开始于半径R1并延伸直至外径RO的纤芯。包层50具有基本均一的折射率以及相对折射率Δ4=0。
在图示和本文描述的各实施例中，纤芯20包括纯二氧化硅玻璃（SiO2）或具有相对于纯的、未掺杂的二氧化硅玻璃而言增加玻璃纤芯的折射率的一种或多种掺杂剂的二氧化硅玻璃。用于增加纤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。
下面的表1给出该第一主例实施例中的七个例子(EX1-EX7)，其中这七个例子具有在2.3和2.7之间的α值。光学性质全部在1550nm的波长处建模，除非另有说明。在一个例子中，LP11模的相对延迟的大小小于0.25ns/km，在另一例子中LP11模的相对延迟的大小小于0.1ns/km，而在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小小于0.05ns/km。在一个例子中，LP11模的相对延迟的大小小于0.5ns/km。在一个例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.5ns/km。在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.3ns/km。在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.2ns/km。在一个例子中，有效面积Aeff在100和150μm2之间，而在另一例子中为110和140μm2之间。
在一个例子中，LP11模的引脚阵列弯曲损耗小于30dB，在另一个例子中小于20dB。在一个例子中，LP02模的截止波长小于1800nm，在另一例子中小于1750nm并在另一例子中小于1750nm并大于1600nm。在这些例子中，LP02模的成缆截止波长比LP02模的理论截止波长低大约300nm。在一个例子中，LP11模的截止波长大于2400nm，在另一例子中大于2500nm并在另一例子中大于2600nm。
在一个例子中，LP01模的衰减小于0.21dB/km，在另一例子中小于0.20dB/km并且在另一例子中小于0.19dB/km。在一个例子中，LP11模的衰减小于0.25dB/km，在另一例子中小于0.23dB/km而在另一例子中小于0.21dB/km。比较例(CE)具有α=2.0的抛物线折射率纤芯，由此在1550nm处得到0.76ns/km的相对延迟，这个对于MDM光传输系统中的实际使用而言太大。这些光学性质全部在1550nm的波长下建模，除非另有说明。
下面的表2给出该第一主例实施例的七个更多的例子(例8-例14)，其中α的值在2.3和2.7之间。在一个例子中，相对延迟的大小小于0.25ns/km，在另一例子中小于0.1ns/km，而在另一例子中小于0.05ns/km。在一个例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500nm和1600nm之间的所有波长下小于0.3ns/km。在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.2ns/km。在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.15ns/km。在一个例子中，有效面积Aeff在90和160μm2之间，而在另一例子中为100和150μm2之间。在一个例子中，LP11模的引脚阵列弯曲损耗小于60dB，在另一个例子中小于30dB，而在另一例子中小于20dB。
在一个例子中，LP02模的截止波长小于1800nm，在另一例子中小于1750nm并在另一例子中小于1750nm并大于1600nm。在这些例子中，LP02模的成缆截止波长比LP02模的理论截止波长低大约300nm。在一个例子中，LP11模的截止波长大于2400nm，在另一例子中大于2500nm并在另一例子中大于2600nm。在一个例子中，LP01模的衰减小于0.21dB/km，在另一例子中小于0.20dB/km并在另一例子中小于0.19dB/km。在一个例子中，LP11模的衰减小于0.25dB/km，在另一例子中小于0.23dB/km并在另一例子中小于0.21dB/km。这些光学性质全部在1550nm的波长下被建模，除非另有说明。
下面的表3给出该第一主例实施例的四个更多的例子(例15-例18)，其中α的值在2.3和10.0之间。在一个例子中，α的值为2.3和5.0之间。在另一例子中，α的值为2.3和3之间。在一个例子中，相对延迟的大小小于0.25ns/km，在另一例子中小于0.1ns/km，而在另一例子中小于0.05ns/km。在一个例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500nm和1600nm之间的所有波长下小于0.5ns/km。在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.3ns/km。在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.2ns/km。
在一个例子中，有效面积Aeff在90和160μm2之间，而在另一例子中为100和150μm2之间。在一个例子中，LP11模的引脚阵列弯曲损耗小于100dB，在另一个例子中小于30dB，而在另一例子中小于20dB。在一个例子中，LP02模的截止波长小于1800nm，在另一例子中小于1750nm并在另一例子中小于1750nm并大于1600nm。在这些例子中，LP02模的成缆截止波长比LP02模的理论截止波长低大约300nm。在一个例子中，LP11模的截止波长大于2000nm，在另一例子中大于2200nm并在另一例子中大于2400nm。在一个例子中，LP01模的衰减小于0.21dB/km，在另一例子中小于0.20dB/km并在另一例子中小于0.19dB/km。在一个例子中，LP11模的衰减小于0.25dB/km，在另一例子中小于0.23dB/km并在另一例子中小于0.21dB/km。这些光学性质全部在1550nm的波长下被建模，除非另有说明。
第二主例实施例
图3A是沿图1的剖切线A-A得到的光纤10的横截面图并示出光纤10的第二主例实施例。图3B是与图3A的横截面对应的相对折射率分布。第二例实施例的光纤10包括直接毗邻于渐变折射率玻璃纤芯20或在其周围设置的低折射率环40。包层50直接围住环40。环40具有内径R1、外径R2、相对折射率Δ2以及最小相对折射率Δ2MIN。在一个例子中，示出Δ2=Δ2MIN。
下面的表4示出该第二主例实施例的三个例子，例19-例21。这些例子具有1.9和2.1之间的α值。低折射率环40的最小相对折射率Δ2MIN小于0，而在这些例子中，Δ2MIN<-0.05%。在一个例子中，低折射率环40的外径R2大于12μm，在另一例子中大于14μm，并在另一例子中大于16μm。在一个例子中，相对延迟的大小小于0.25ns/km，在另一例子中小于0.1ns/km，而在另一例子中小于0.05ns/km。在一个例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.3ns/km。在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.2ns/km。在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.1ns/km。
在一个例子中，有效面积Aeff在90和160μm2之间，而在另一例子中为100和150μm2之间。在一个例子中，LP11模的引脚阵列弯曲损耗小于60dB，在另一个例子中小于30dB，而在另一例子中小于20dB。在一个例子中，LP02模的截止波长优选地小于1600nm，在另一例子中小于1550nm并在另一例子中小于1550nm并大于1400nm。在这些例子中，LP02模的成缆截止波长比LP02模的理论截止波长低大约100nm。在一个例子中，LP11模的截止波长大于2000nm而在另一例子中大于2200nm。这些光学性质全部在1550nm的波长下建模，除非另有说明。
第三主例实施例
图4A是沿图1的剖切线A-A得到的光纤10的横截面图并示出光纤10的第三主例实施例。图4B绘出与图4的横截面对应的示例性折射率分布，而图4C绘出另一示例性相对折射率分布。该第三示例性实施例的光纤10类似于第二示例性实施例的光纤，除了它进一步包括在纤芯20和环40之间的内包层30。内包层30由此围住纤芯20以使环40不再与纤芯20接触(即，不再直接毗邻)。内包层30具有内径R1和外径R2，而低折射率环40如今具有内径R2、外径R3以及径向宽度R3–R2。内包层30具有径向宽度R2–R1。在一个例子中，内包层具有相对折射率Δ3=Δ4=0。
在一个例子中，内包层30可类似于包层50形成，也就是包括纯二氧化硅玻璃（SiO2）、具有增加折射率的一种或多种掺杂剂（如，GeO2、Al2O3、P2O5、TiO2、ZrO2、Nb2O5、和/或Ta2O5）的二氧化硅玻璃（诸如当包层被“上掺杂”时）、或具有诸如氟之类降低折射率的掺杂剂的二氧化硅玻璃（诸如当内包层“下掺杂”时）。
下面的表5示出光纤10的该第三主例实施例的六个例子EX22-EX27。例子(例22-例26)包括α值在2.3和2.7之间的值的渐变折射率纤芯20。例27包括α值在1.9和2.1之间的值的渐变折射率纤芯20。在一个例子中，低折射率环40的最小相对折射率Δ2MIN小于-0.1%，在另一例子中Δ2MIN<-0.2%，在另一例子中Δ2MIN≤-0.3%，而在另一例子中-0.7%≤Δ2MIN≤-0.3%。在一个例子中，低折射率环40的外径R3大于14μm，在另一例子中，外径R3大于16μm，而在另一例子中，外径R3大于18μm。在一个例子中，低折射率环40的内径R2大于12μm，在另一例子中，R2大于14μm而在另一例子中R2大于或等于16μm。在一个例子中，低折射率环40的径向宽度由R3–R2定义，大于2μm，在另一例子中大于3μm而在另一例子中大于4μm。
在一例实施例中，相对延迟的大小小于0.25ns/km，在另一例子中小于0.1ns/km，而在另一例子中小于0.05ns/km。在一个例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500nm和1600nm之间的所有波长下小于0.5ns/km。在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于
0.3ns/km。在另一例子中，LP11模的相对延迟的大小在1500和1600nm之间的全部波长下小于0.2ns/km。
在一个例子中，有效面积Aeff在90和160μm2之间，而在另一例子中在100和150μm2之间。在一个例子中，LP11模的引脚阵列弯曲损耗小于60dB，在另一个例子中小于30dB，而在另一例子中小于20dB。在一个例子中，LP02模的截止波长小于1600nm，在另一例子中小于1550nm并在另一例子中小于1550nm并大于1400nm。在这些例子中，LP02模的成缆截止波长比LP02模的理论截止波长低大约100nm。在一个例子中，LP11模的截止波长大于2000nm，在另一例子中大于2200nm并在另一例子中大于2400nm。这些光学性质全部在1550nm的波长下建模，除非另有说明。
图4C示出与图4B相似的相对折射率分布，除了它代表第三主例实施例的更广义版本，其中内包层30的有效折射率Δ3小于(外)包层50的有效折射率，即Δ3<Δ4。在一个例子中，内包层30具有在-0.1%和0.05%之间的相对折射率Δ3。低折射率环40直接毗邻内包层30设置并具有始(内)径R2和终(外)径R3。环40由此具有径向宽度R3-R2并具有相对于包层50的最小相对折射率Δ2MIN。在一个例子中，最小相对折射率Δ2MIN在-0.1%和-0.7%之间，并在另一例子中在-0.3%和-0.5%之间。
在一个例子中，低折射率环40的径向宽度R3-R2在0μm和15μm之间，在另一例子中在2μm至8μm之间，而在另一例子中在4μm至6μm之间。在一个例子中，低折射率环40具有与阶跃式分布不同的折射率分布，例如提供额外的模-场控制的三角形或抛物线形分布。
图4D示出对具有最佳α值的最大纤芯相对折射率Δ1MAX(在图例中表示为Δ)的RMS脉冲展宽(ns/km)相对于波长(μm)的关系。可以看到，在1.5-1.6μm的波长窗内，RMS展宽(其等于在双模光纤中的LP11模延迟)的变化小于0.1ns/km，它适于MDM传输系统。
第四主例实施例
表6示出第五折射率分布的属性，其中纤芯的半径和α参数的变化使差模群延迟的符号和差模群延迟斜率改变。在例28中，凹槽在渐变折射率纤芯附近，但在例29-32中与纤芯相隔一偏移量R2–R1。例31的折射率分布在图7中被绘出。当根据规定的尺寸制造时，实施例28-32中的每一个得到非常低的差模延迟。光纤6-10的LP01有效面积Aeff大于120μm2，更优选地在120和200μm2之间。在一个例子中，LP02模的理论截止波长小于2400nm，在另一例子中小于2000nm并在另一例子中小于1800nm。在这些例子中，LP02模的成缆截止波长比LP02模的理论截止波长低大约300nm。在一个例子中，LP11模的理论截止波长大于2000nm，在另一例子中大于2200nm并在另一例子中大于2400nm。在一个例子中，LP01模的衰减小于0.21dB/km，在另一例子中小于0.20dB/km并在另一例子中小于0.19dB/km。在一个例子中，LP11模的衰减小于0.25dB/km，在另一例子中小于0.23dB/km并在另一例子中小于0.21dB/km。这些光属性全部在1550nm的波长下被建模，除非另有说明。
表6
表7示出例31的四种变型的折射率分布，其中纤芯的半径和α参数的变化改变差模群延迟的符号和差模群延迟斜率。图7示出例31c的折射率分布。当根据规定的尺寸制造时，实施例28-32中的每一个得到非常低的差模延迟。例31a、31d具有相似的α值，其中|αi–αj|<0.2，并具有略为不同的纤芯半径|R1i–R1j|>0.2μm。例31a在1530、1550和1565nm下得到负的差模延迟，具有负的差模延迟斜率，而例31a在1530、1550和1565nm下得到正的差模延迟，其具有正的差模延迟斜率。将这两种建模的光纤例以大约1：1长度比组合得到具有将近零的差模延迟和差模延迟斜率的跨距。例子31b在1530,1550和1565nm下得到正的差模延迟，其具有负的差模延迟斜率，而例子31c在1530,1550和1565nm下得到负的差模延迟，其具有正的差模延迟斜率。将这两种建模的光纤例以大约1：1长度比组合得到具有将近零的差模延迟和差模延迟斜率的跨距。
表7
表8示出附加的第六折射率分布的属性，其中纤芯的半径和α参数的变化使差模群延迟的符号和差模群延迟斜率改变。在实施例33-38中，沟槽与纤芯相隔偏移量R2–R1。当根据规定的尺寸制造时，实施例33-38中的每一个得到非常低的差模延迟。光纤28-32的LP01有效面积Aeff大于120μm2，更优选地在120和200μm2之间。在一个例子中，LP02模的理论截止波长小于2400nm，在另一例子中小于2000nm并在另一例子中小于1800nm。在这些例子中，LP02模的成缆截止波长比LP02模的理论截止波长低大约300nm。在一个例子中，LP11模的理论截止波长大于2000nm，在另一例子中大于2200nm并在另一例子中大于2400nm。在一个例子中，LP01模的衰减小于0.21dB/km，在另一例子中小于0.20dB/km并在另一例子中小于0.19dB/km。在一个例子中，LP11模的衰减小于0.25dB/km，在另一例子中小于0.23dB/km并在另一例子中小于0.21dB/km。这些光属性全部在1550nm的波长下被建模，除非另有说明。
表8
MDM光传输系统
根据本公开的少模光纤10具有低损耗和小的差分群延迟，并适用于光传输系统，尤其是那些利用MDM和配置成长程传输的那些系统。
图5是示例性MDM光传输(MDM系统)100的示意图。MDM系统100包括通过光纤链路300光连接的发射机110和接收机210，该光纤链路300包括光纤10的至少一段跨距。
发射机110包括两个或更多个光源112，该光源112发射相同或不同的波长的光。两个光源112-1、112-2通过例示示出。每个光源112包括至少一个激光器120，该激光器120射出具有1500nm和1600nm之间的波长的光122。在一个例子中，发射机110包括至少16个激光器，这些激光器在1500nm和1600nm之间的一个或多个波长下发射。在另一例子中，发射机110包括至少32个激光器，这些激光器在1500nm和1600nm之间的一个或多个波长下发射。在另一例子中，发射机110包括至少64个激光器，这些激光器在1500nm和1600nm之间的一个或多个波长下发射。
发射机110也包括LP01-LP11模转换器116，该LP01-LP11模转换器116通过光纤区段F1(例如单模光纤区段)光连接至光源112-1。LP01-LP11模转换器116被配置成将在LP01下行进的引导光转换成在LP11模下行进。一般来说，发射机110中的至少一个光源112光耦合至LP01-LP11模转换器116，该LP01-LP11模转换器116在一个例子中将LP01模下的至少50％的强度转换成LP11模。
每个光源单元112中的激光器120光连接至相应的调制器130，调制器130是通过相应脉冲图案发生器134经由相应的脉冲信号SP驱动的。在一个例子中，每个调制器130工作在40Gb/s或更高的速度下。在另一例子中，每个调制器130工作在100Gb/s或更高的速度下。
在一个例子中，每个调制器130可光连接至例如铒掺杂的光纤放大器(EDFA)的相应光学放大器140。光学放大器140-1光连接至LP01-LP11模转换器116，该LP01-LP11模转换器116经由光纤10的区段光连接至多路复用器15。光放大器140-2也经由光纤区段F2光连接至波长多路复用器150。
波长多路复用器150经由光纤链路300的光纤10光连接至发射机210。发射机210包括光连接至光纤10的发射机端的波长多路分解器220。波长多路分解器220进而光连接至分束器230，该分束器230经由相应的光纤区段F3、F4连接至检测器240-1、240-2。模滤波器250被设置在光纤区段F3中，以滤出要么LP01要么LP11模。
在MDM系统10的操作中，每个光源120射出光122，该光122随后根据来自相应脉冲图形发生器134的相应脉冲信号SP由相应的调制器130调制。调制器130-1、130-2的输出是相应的导波光信号OS1、OS2，该导波光信号OS1、OS2具有相应的波长λ1、λ2并在相应的光纤区段F1、F2中在LP01模下传播。光信号OS1经过LP01-LP11模转换器116，该LP01-LP11模转换器116将在LP01模下行进的光转换至LP11模，以使光信号OS1在LP11模下传播。
分别关联于光信号OS1、OS2的LP11、LP01模由波长多路复用器150多路复用，并随后在它们各自的模态下在光纤链路300的光纤10中行进。图5的示例性MDM系统10示出一个例子，其中LP01、LP11模由后模转换器116多路复用。然而，在其它例子中可以有额外的波长多路复用器，该多路复用器在通过LP01-LP11模转换器发送不同波长下的多个光信号之前组合这些光信号。
图6是示例性光纤链路300的示意图，该光纤链路300包括经由一个或多个光放大器140彼此光耦合的多个光纤跨距10。光纤链路300具有L公里的长度。在一个例子中，L大于100公里，在另一例子中，L大于500公里，在另一例子中，L大于1000公里并在另一例子中，L大于2000公里。在一个例子中，存在至少两个光纤跨距10，在另一例子中，存在至少五个光纤跨距10，在另一例子中，存在至少十个光纤跨距10并在另一例子中，存在至少十个光纤跨距10。在光纤链路300包括单个光纤跨距10的例子中，一个例子中的长度L大于20公里，在另一例子中大于40公里，而在另一例子中大于60公里。
光信号OS1、OS2进入接收机210并由波长多路分解器220多路分解。经多路分解的信号OS1、OS2随后通过分束器230发送，该分束器将信号强度的大约一半转移至第一检测器240-1。信号中的剩余强度通过光纤区段F3中的模滤波器250发送，并且本例中模滤波器滤出LP01模。在另一例子中，模滤波器250滤出LP11模。检测器240-1、240-2由此检测光信号OS1、OS2并将这些信号转换成相应的电信号ES1、ES2，这些电信号可由处理电子器件(未示出)在下游被处理。
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 (20)

1.一种少模光纤，包括：
玻璃纤芯，所述玻璃纤芯具有从大约8μm至大约14μm的范围内的半径R1、在1550nm波长处其α值大于或等于约2.3且小于约2.7的渐变折射率分布、相对于玻璃包层在大约0.3％至大约0.6％的范围中的最大相对折射率Δ1MAX以及在1550nm处大于约90μm2且小于约160μm2的有效面积；
直接围绕在所述玻璃纤芯周围并具有最大相对折射率Δ4MAX的玻璃包层，其中Δ1MAX>Δ4MAX；以及
其中所述玻璃纤芯和玻璃包层在大于1500nm的一个或多个波长处仅支持LP01模和LP11模的传播和传输，其中所述LP01模和所述LP11模之间的群延迟大小在1550nm的波长处小于约0.5ns/km。
2.如权利要求1所述的少模光纤，其特征在于，所述玻璃包层包括直接围绕所述玻璃纤芯并具有最小相对折射率Δ2MIN<Δ1MAX的低折射率环。
3.如权利要求1所述的少模光纤，其特征在于，所述玻璃包层包括围绕所述纤芯并具有相对折射率Δ2MIN<Δ1MAX的低折射率环，其中环形内包层被设置在所述纤芯和所述低折射率环之间。
4.如权利要求1-3中任一项所述的少模光纤，其特征在于，还包括在LP01模和所述LP11模之间的群延迟大小，所述群延迟大小在1550nm的波长下小于约0.3ns/km。
5.如权利要求1-3中任一项所述的少模光纤，其特征在于，还包括在1550nm下小于或等于20dB的LP11模的引脚阵列弯曲损耗。
6.如权利要求1-3中任一项所述的少模光纤，其特征在于，还包括：
小于1800nm的LP02模的截止波长；以及
大于2400nm的LP11模的截止波长。
7.如权利要求2所述的少模光纤，其特征在于，所述低折射率环具有从大约2μm至大约15μm的范围内的径向厚度。
8.如权利要求3所述的少模光纤，其特征在于，所述内包层具有小于或等于大约5μm的径向厚度。
9.一种模分多路复用(MDM)光传输系统，包括：
发射机，所述发射机被配置成分别在LP11模和LP01模中分别发送具有第一和第二波长的第一和第二导波光信号；
接收器，所述接收器被配置成接收所述第一和第二光信号并对所述第一和第二光信号进行波长多路分解；以及
如权利要求1、2或3所述的少模光纤，被配置成光连接所述发射机和所述接收器并支持所述第一和第二导波光信号从所述发射机至所述接收器的传输。
10.一种少模光纤，包括：
玻璃纤芯，所述玻璃纤芯包括从大约8μm至大约14μm的半径R1、在1550nm波长处其α值大于或等于约1.9并小于约2.7的渐变折射率分布、相对于玻璃包层从大约0.3％至大约0.6％的最大相对折射率Δ1MAX以及在1550nm处大于约90μm2并小于约160μm2的有效面积；
所述玻璃包层包括围住所述玻璃纤芯并具有最小相对折射率Δ2MIN<0的低折射率环以及围住所述低折射率环并具有最大相对折射率Δ4MAX的外包层，以使Δ1MAX>Δ4MAX>Δ2MIN；以及
其中，所述玻璃纤芯和玻璃包层在大于1500nm的一个或多个波长处仅支持LP01模和LP11模的传播和传输。
11.如权利要求10所述的少模光纤，其特征在于，还包括直接毗邻并围绕所述纤芯而设置的内包层，所述内包层具有相对折射率Δ3，其中Δ2MIN<Δ3≤Δ4MAX。
12.如权利要求10或11所述的少模光纤，其特征在于，还包括在LP01模和所述LP11模之间的群延迟大小，所述群延迟大小在1550nm波长处小于约0.5ns/km。
13.如权利要求10或11所述的少模光纤，其特征在于，还包括：
小于1600nm的LP02模的截止波长；以及
大于2000nm的LP11模的截止波长。
14.一种模分多路复用(MDM)光传输系统，包括：
发射机，所述发射机被配置成分别在LP11模和LP01模中分别发送具有第一和第二波长的第一和第二导波光信号；
接收器，所述接收器被配置成接收所述第一和第二光信号并对所述第一和第二光信号进行波长多路分解；以及
至少一个如权利要求10或11所述的少模光纤，被配置成光连接所述发射机和所述接收器并支持所述第一和第二导波光信号从所述发射机至所述接收器的传输。
15.一种少模光纤，包括：
玻璃纤芯，所述玻璃纤芯包括从大约8μm至大约14μm的范围中的半径R1、在1550nm波长处其α值大于或等于约1.9且小于约2.7的渐变折射率分布、相对于玻璃包层从大约0.3％至大约0.6％的最大相对折射率Δ1MAX以及在1550nm处大于约90μm2并小于约160μm2的有效面积；
所述玻璃包层包括：低折射率环，所述低折射率环围住所述纤芯但通过内包层与所述纤芯隔开并具有最小相对折射率Δ2MIN<0；以及具有最大相对折射率Δ4MAX的外包层，其中Δ1MAX>Δ4MAX>Δ2MIN；以及
其中，所述玻璃纤芯和玻璃包层在大于1500nm的一个或多个波长处仅支持LP01模和LP11模的传播和传输。
16.如权利要求15所述的少模光纤，其特征在于，还包括在所述LP01模和所述LP11模之间的群延迟大小，所述群延迟大小在1550nm波长处小于约0.5ns/km。
17.如权利要求15或16所述的少模光纤，其特征在于，还包括：
小于1600nm的LP02模的截止波长；以及
大于2000nm的LP11模的截止波长。
18.如权利要求15所述的少模光纤，其特征在于，所述内包层具有小于或等于大约5μm的径向厚度。
19.如权利要求15所述的少模光纤，其特征在于，所述内包层具有相对折射率Δ3≤Δ4MAX。
20.一种模分多路复用(MDM)光传输系统，包括：
发射机，所述发射机被配置成分别在LP11模和LP01模中分别发送具有第一和第二波长的第一和第二导波光信号；
接收器，所述接收器被配置成接收所述第一和第二光信号并对所述第一和第二光信号进行波长多路分解；以及
如权利要求15所述的少模光纤，被配置成光连接所述发射机和所述接收器并支持所述第一和第二导波光信号从所述发射机至所述接收器的传输。
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