CN104160310B - 耐弯曲损耗的多模光纤 - Google Patents

耐弯曲损耗的多模光纤 Download PDF

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Abstract

一种渐变折射率多模光纤，包括：(a)二氧化硅纤芯，其掺杂有氧化锗和包含P2O5或F或B2O3中的一者的至少一种共掺杂剂，所述纤芯延伸至最外侧纤芯半径r1并具有双α，α1；(b)围住纤芯并偏离所述纤芯的低折射率内包层；(c)围住内包层并与内包层接触的外包层，以使内包层的至少与所述纤芯偏离的区域具有比外包层更低的折射率。在中心线的中心氧化锗浓度CGe1大于或等于0，并且在r1处的纤芯中最外侧氧化锗浓度CGe2大于或等于0。纤芯在中心线处具有大于或等于0的中心共掺杂剂浓度Cc‑d1以及在r1处的最外侧共掺杂剂浓度Cc‑d2，其中Cc‑d2大于或等于0。

Description

耐弯曲损耗的多模光纤
相关申请交叉引用
本申请要求2011年11月4日提交的美国专利申请S/N.13/289029的优先权，且基于其内容并将其内容整体援引包含于此。
背景技术
本公开总地涉及光纤，具体地涉及渐变折射率的多模光纤，更具体地涉及渐变折射率的氧化锗多模光纤，其具有共掺杂了Ge和另一掺杂剂的渐变折射率纤芯，并表现出低弯曲损耗。
发明内容
本公开的一些实施例涉及在光纤纤芯内具有氧化锗(GeO2)和另一掺杂剂的光纤。
根据至少一个实施例，一种渐变折射率多模光纤包括：
(a)包括二氧化硅的纤芯，所述二氧化硅掺杂了氧化锗和至少一种共掺杂剂c-d，所述共掺杂剂包括P2O5或F或B2O3中的一者，所述纤芯从r＝0的中心线延伸至最外侧纤芯半径r1并具有双α，即α1和α；
(b)围住纤芯并与纤芯接触的内包层；
(c)围住内包层并与内包层接触的外包层，内包层的至少一部分具有比外包层更低的折射率；以及
氧化锗以氧化锗掺杂剂浓度分布CGe1(r)被设置在纤芯中，并且纤芯具有在中心线大于或等于0的中心氧化锗浓度CGe1，以及在r1的最外侧氧化锗浓度CGe2，其中CGe2大于或等于0；以及
其中共掺杂剂以共掺杂剂浓度分布Cc-d(r)被设置在纤芯中，并且纤芯具有在中心线大于或等于0的中心共掺杂剂浓度Cc-d1，以及在r1的最外侧共掺杂剂浓度Cc-d2，其中Cc-d2大于或等于0；以及
CGe(r)＝CGe1-(CGe1-CGe2)(1-x1)rα1-(CGe1-CGe2)x1rα2；
Cc-d(r)＝Cc-d1-(Cc-d1-Cc-d2)x2rα1-(Cc-d1-Cc-d2)(1-x2)rα2；
1.8≤α1≤2.4,1.8≤α2≤3.1；并且-10≤x1≤10并且-10≤x2≤10.
根据一些实施例，渐变折射率多模光纤包括：
包括二氧化硅的纤芯，所述二氧化硅掺杂了氧化锗和至少一种共掺杂剂c-d，所述共掺杂剂包括P2O5或F或B2O3中的一者，所述纤芯从r＝0的中心线延伸至最外侧纤芯半径r1并具有双α，即α1和α；
(b)围住纤芯并与纤芯接触的内包层；
(c)围住内包层并与内包层接触的外包层，内包层的至少一个区域具有比外包层更低的折射率并与所述纤芯偏离；以及
氧化锗以氧化锗掺杂剂浓度分布CGe1(r)被设置在纤芯中，并且纤芯具有在中心线大于或等于0的中心氧化锗浓度CGe1，以及在r1的最外侧氧化锗浓度CGe2，其中CGe2大于或等于0；以及
其中共掺杂剂以共掺杂剂浓度分布Cc-d(r)被设置在纤芯中，并且纤芯具有在中心线大于或等于0的中心共掺杂剂浓度Cc-d1，以及在r1的最外侧共掺杂剂浓度Cc-d2，其中Cc-d2大于或等于0；以及
CGe(r)＝CGe1-(CGe1-CGe2)(1-x1)rα1-(CGe1-CGe2)x1rα2；
Cc-d(r)＝Cc-d1-(Cc-d1-Cc-d2)x2rα1-(Cc-d1-Cc-d2)(1-x2)rα2；
1.8<α1<2.4,1.8<α2<3.1；并且-10<x1<10并且-10<x2<10。
根据一些实施例，渐变折射率多模光纤包括：
包括二氧化硅的纤芯，所述二氧化硅掺杂了氧化锗和至少一种共掺杂剂c-d，所述共掺杂剂包括B2O3，所述纤芯从r＝0的中心线延伸至最外侧纤芯半径r1并具有双α，即α1和α；
(b)围住纤芯并与纤芯接触的内包层；
(c)围住内包层并与内包层接触的外包层，内包层的至少一个区域具有比外包层更低的折射率；以及
氧化锗以氧化锗掺杂剂浓度分布CGe1(r)被设置在纤芯中，并且纤芯具有在中心线大于或等于0的中心氧化锗浓度CGe1，以及在r1的最外侧氧化锗浓度CGe2，其中CGe2大于或等于0；以及
其中共掺杂剂以共掺杂剂浓度分布Cc-d(r)被设置在纤芯中，并且纤芯具有在中心线大于或等于0的中心共掺杂剂浓度Cc-d1，以及在r1的最外侧共掺杂剂浓度Cc-d2，其中Cc-d2大于或等于0；以及
CGe(r)＝CGe1-(CGe1-CGe2)(1-x1)rα1-(CGe1-CGe2)x1rα2；
Cc-d(r)＝Cc-d1-(Cc-d1-Cc-d2)x2rα1-(Cc-d1-Cc-d2)(1-x2)rα2；
1.8<α1<2.4,1.8<α2<3.1；并且-10<x1<10并且-10<x2<10。
优选地，围住纤芯的基于二氧化硅的包层区具有比纯二氧化硅更低的折射率。在一些实施例中，该基于二氧化硅的区被向下掺杂了F和/或B，并可选择地包括Ge。在一些实施例中，这种基于二氧化硅的包层区包括随机或非周期地分布的孔隙(例如填充有气体)。
在一些实施例中，纤芯包括大约200-2000ppm重量的Cl以及低于1.2重量％的其它折射率修正掺杂剂。
优选地，光纤具有在大约0.185和0.25之间的数值孔径NA(例如0.185≤NA≤0.23或0.185≤NA≤0.215或0.195≤NA≤0.225或2≤NA≤2.1)以及在800nm和900nm内的至少一个波长下大于2GHz-Km的带宽。
根据至少一个实施例，一种渐变折射率多模光纤包括：(i)基于二氧化硅的纤芯(具有至少一个纤芯区)，其掺杂有GeO2和大约1-9摩尔％P2O5，以及大约200-2000ppm重量的Cl以及小于1重量％的其它折射率修正掺杂剂；该纤芯具有双α，即α1和α2，在840和1100nm之间的波长范围内的至少一个波长下(优选在850nm)，1.8≤α1≤2.25且1.9≤α2≤2.25；以及(ii)围住纤芯区的基于二氧化硅的区，该基于二氧化硅的区包括F和可选的GeO2并具有低于二氧化硅的折射率。光纤具有在0.185和0.215之间的数值孔径。
根据一些实施例，该多模光纤包括：(i)基于二氧化硅的纤芯，其共掺杂有GeO2和大约0.5-10摩尔％的P2O5(优选地为1-8摩尔％)以及小于1重量％的其它折射率修正掺杂剂；该纤芯具有双α，即α1和α2，在840和1100nm之间的波长范围内的至少一个波长下(优选在850nm)，1.8≤α1≤3.4且1.9≤α2≤2.4；以及物理纤芯直径Dc，其中Dc＝2R1并且25≤Dc≤55微米，并且在一些实施例中25≤Dc≤45微米；以及(ii)基于二氧化硅的包层区，该基于二氧化硅的包层区(a)围住纤芯并包括F和可选的GeO2并且(b)具有低于二氧化硅折射率的折射率。光纤10具有在0.185和0.215之间的数值孔径；在位于800和900nm范围内的至少一个波长下大于2GHz-Km的带宽。
根据一些实施例，该多模光纤包括：(i)基于二氧化硅的纤芯，其掺杂有GeO2和大约0.5-10摩尔％P2O5(优选地为1-8摩尔％)以及小于1重量％的其它折射率修正掺杂剂；该纤芯具有双α，即α1和α2，在840和1100nm之间的波长范围内的至少一个波长下(优选在850nm)，1.8≤α1≤2.4且1.9≤α2≤2.4；以及物理纤芯直径Dc，其中Dc＝2R1并且45≤Dc≤55微米，以及(ii)基于二氧化硅的包层区，该基于二氧化硅的包层区(a)围住纤芯并包括F和可选的GeO2并且(b)具有低于二氧化硅的折射率。光纤10具有在0.185和0.215之间的数值孔径；在位于800和900nm范围内的至少一个波长下大于2GHz-Km的带宽。
根据一些实施例，多模光纤10具有在0.185和0.25之间的数值孔径(0.195≤NA≤2.25)；在位于范围800nm和900nm的至少一个波长下大于2GHz-Km的带宽以及在位于范围900nm和1300nm的至少一个波长下大于2GHz-Km的带宽。
根据至少一些实施例，多模光纤具有渐变折射率纤芯并提供一带宽，该带宽的特征在于位于800nm和900nm的范围内的第一峰值波长λp1和位于950nm至1700nm的波长范围内的第二峰值波长λp2。根据一些实施例，多模光纤提供一带宽，该带宽的特征在于，位于800nm和900nm范围内的λp1和位于950nm和1670nm范围内的λp2。
根据一些实施例，多模光纤具有渐变折射率纤芯。双掺杂剂(氧化锗和共掺杂剂)中的每一种被布置在多模光纤的纤芯中，其浓度可随半径变化并由两个α参数(α1和α2)定义。也就是说，氧化锗掺杂剂浓度因变于α参数(α1和α2)随半径而变化，如同共掺杂剂浓度那般。本文披露的双掺杂剂浓度也降低了对光纤的折射率的整体α形状的波长的敏感性，这有助于提高这些光纤在其制造过程中的生产率产出，由此减少浪费和成本。如本文中使用的，术语“渐变折射率”指在840和1100nm之间的波长范围内的至少一个波长下(优选在850nm)具有整体双α(α1和α2)的折射率的多模光纤，其中1.8≤α1≤2.4且1.9≤α2≤2.4。
在一些实施例中，本文披露的MMF包括一折射率分布，该折射率分布在至少0.04μm、优选地为至少0.05μm、更优选地至少0.10μm、甚优选地至少0.15μm的波长窗宽度下提供小于0.2ns/km(大于约2GHz-km)的RMS脉冲展宽，其中该窗的中心在大约0.85μm。在一些实施例中，在至少0.20μm的波长窗宽度之上提供小于0.2ns/km的RMS脉冲展宽，并且该窗优选地以0.8-0.9μm范围的波长为中心(例如大约0.85μm)。
在一些实施例中，本文披露的MMF包括一折射率分布，该折射率分布在至少0.04μm、优选地为至少0.05μm、更优选地至少0.10μm、甚优选地至少0.15μm的波长窗宽度下提供小于0.02ns/km的RMS脉冲展宽，其中该窗以大约0.85μm为中心。在一些实施例中，在至少0.20μm的波长窗宽度之上提供小于0.02ns/km的RMS脉冲展宽，并且该窗优选地以0.8-0.9μm范围的波长为中心(例如大约0.85μm)。
在一些实施例中，本文披露的MMF包括一折射率分布，该折射率分布在至少0.04μm、优选地为至少0.05μm、更优选地至少0.10μm、甚优选地至少0.15μm的波长窗宽度之上提供大于2GHz-Km的带宽，其中该窗以大约0.85μm为中心。在一些实施例中，在至少0.20μm的波长窗宽度之上提供小于0.2ns/km的RMS脉冲展宽，并且该窗优选地以0.8-0.9μm范围的波长为中心(例如大约0.85μm)。在这些实施例中，纤芯优选地具有渐变的折射率分布。
在一些实施例中，本文披露的MMF包括一折射率分布，该折射率分布在至少0.04μm、优选地为至少0.05μm、更优选地至少0.10μm、甚优选地至少0.15μm的波长窗宽度之上提供大于4GHz-Km的带宽，其中该窗以大约0.85μm为中心。在一些实施例中，在至少0.20μm的波长窗宽度之上提供小于0.2ns/km的RMS脉冲展宽，并且该窗优选地以0.8-0.9μm范围的波长为中心(例如大约0.85μm)。在这些实施例中，纤芯优选地具有渐变的折射率分布。
在一些实施例中，本文披露的MMF包括一折射率分布，该折射率分布在0.85μm下提供大于2GHz-Km的带宽，并在0.98μm下提供大于0.75GHz-Km的带宽。在一些实施例中，本文披露的MMF包括一折射率分布，该折射率分布在0.85μm下提供大于2GHz-Km的带宽，并在0.98μm下提供大于1.5GHz-Km的带宽。在一些实施例中，本文披露的MMF包括一折射率分布，该折射率分布在0.85μm下提供大于2GHz-Km的带宽，并在0.98μm下提供大于2GHz-Km的带宽。在一些实施例中，本文披露的MMF包括一折射率分布，该折射率分布在0.85μm下提供大于2GHz-Km的带宽，并在1.3μm下提供大于0.75GHz-Km的带宽。在一些实施例中，本文披露的MMF包括一折射率分布，该折射率分布在0.85μm下提供大于2GHz-Km的带宽，并对于0.98μm和1.66μm之间的至少一个波长提供大于1GHz-Km的带宽。在一些实施例中，本文披露的MMF包括一折射率分布，该折射率分布在0.85μm下提供大于4GHz-Km的带宽，并对于0.98μm和1.66μm之间的至少一个波长提供大于1GHz-Km的带宽。在这些实施例中，纤芯优选地具有渐变的折射率分布。
在一组实施例中，第一窗以大约0.85μm为中心而第二窗以小于约1.4μm的波长为中心。在另一组实施例中，第一窗以大约0.85μm为中心而第二窗以小于约1.56μm的波长为中心。
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，或者通过实施此处的描述和权利要求书以及附图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仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概观或框架。
所包括的附图用于提供进一步的理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。
附图简述
图1示意地示出如本文公开的光纤的一个实施例的横截面图；
图2A示出渐变折射率多模光纤的一个实施例的示意性折射率分布；
图2B示出渐变折射率多模光纤的另一实施例的示意性折射率分布；
图2C是对于与图2A对应的一个示例性光纤的掺杂剂浓度CGe和CP相对于归一化纤芯半径的标绘图；
图3示意地绘出在纤芯内仅具有氧化锗的相当渐变折射率多模光纤的纤芯中的Ge掺杂剂浓度分布；
图4示出对于图3A的光纤因变于波长的均方根(RMS)脉冲展宽；
图5示出对于Ge和P共掺杂的光纤的若干示例性实施例因变于波长的均方根(RMS)脉冲展宽；
图6示出对于Ge和P共掺杂光纤的一些实施例的第二窗中心波长的变化；以及
图7示出对于Ge和P共掺杂光纤的若干示例性实施例在1310nm下以ns/km计的均方根(RMS)脉冲展宽相对于光纤纤芯中的P掺杂程度的关系。
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–nc 2)/2ni 2，其中ni是区域i中的最大折射率，除非另外指明，而nc是纯二氧化硅的折射率。如本文中使用地，相对折射率以Δ(和δ)表示，而且其值以“％”为单位给出，除非另外指明。“上掺杂剂”在这里被认为是相对于纯的未掺杂SiO2具有提高折射率的倾向的掺杂剂。“下掺杂剂”在这里被认为是相对于纯的未掺杂SiO2具有降低折射率的倾向的掺杂剂。不是上掺杂剂的一种或多种其它掺杂剂可存在于具有正的相对折射率的光纤的区域中。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的区域中。对于术语“氧化锗”，Ge和GeO2在这里可互换地使用并指GeO2。对于术语“磷”，P和P2O5在这里可互换地使用并指P2O5。对于术语“硼”，B和B2O3在这里可互换地使用并指B2O3。
光纤芯直径是使用在IEC 60793-1-20、题为“Measurement Methods and TestProcedures--Fiber Geometry(测量方法和测试过程——光纤几何学)”中阐述的技术测量的，尤其是使用其附录C中题为“Method C:Near-field Light Distribution(方法C:近场光分布)”中列出的基准测试方法。为了使用该方法从结果中计算光纤芯半径，对于每区段C.4.2.2采用10-80拟合以获得光纤芯直径，然后将其除以2以获得光纤芯半径。
在这里使用的，光纤的数值孔径(NA)表示使用题为“Measurement Methods andTest Procedures-Numerical Aperture(测量方法和测试过程-数值孔径)”的TIA SP3-2839-URV2FOTP-177IEC-60793-1-43中阐述的方法测得的数值孔径。
宏观弯曲性能是根据FOTP-62(JEC-60793-1-47)通过在10mm直径心轴周围缠绕1匝并使用环绕磁通(EF)发射条件(也被称为受限制的发射条件)测量由于弯曲的衰减增加来确定的。环绕磁通是通过将溢出脉冲发射到2米长的
Figure GDA0001410626640000083
微米纤芯光纤的输入端来测得的，该光纤在中点附近25mm直径心轴上部署有1匝。
Figure GDA0001410626640000082
微米纤芯光纤的输出端被分接到待测光纤，并且测得的弯曲损耗是在规定的弯曲状态下的衰减与无弯曲的衰减之间的差。使用溢出发射根据FOTP-204来测量溢出带宽。
根据下面的实施例，渐变折射率多模光纤包括：纤芯，该纤芯包括掺杂有氧化锗和至少一个共掺杂剂(c-d)的二氧化硅；内包层，其围住纤芯并与纤芯接触；以及外包层，其围住内包层并与内包层接触。共掺杂剂(第二纤芯掺杂剂)是从下列材料中的至少一个中选择的：P2O5,F和/或B2O3。纤芯从r＝0的中心线延伸至最外侧纤芯半径r1并具有双α，α1和α。氧化锗以氧化锗掺杂剂浓度分布CGe1(r)被布置在纤芯中，并且纤芯在中心线具有大于或等于0的中心氧化锗浓度CGe1，和在r1的最外侧氧化锗浓度CGe2，其中CGe2大于或等于0。共掺杂剂以共掺杂剂浓度分布Cc-d(r)被布置在纤芯中，并且纤芯具有在中心线的中心共掺杂剂浓度Cc-d1，Cc-d1大于或等于0，以及在r1的最外侧共掺杂剂浓度Cc-d2，并且(i)Cc-d2大于或等于0；(b)CGe(r)＝CGe1-(CGe1-CGe2)(1-x1)rα1-(CGe1-CGe2)x1rα2；(c)Cc-d(r)＝Cc-d1-(Cc-d1-Cc-d2)x2rα1-(Cc-d1-Cc-d2)(1-x2)rα2；(d)1.8<α1<2.4,1.8<α2<3.1；并且其中-10<x1<10且-10<x2<10。
根据一些实施例，其中内包层区包括随机的孔隙，或者由掺杂有硼、氟或氟和氧化锗的共掺杂的二氧化硅构成。
孔隙(这里也称为孔)可以非周期性地布置在下陷折射率环形区50中。关于“非周期性布置”或“非周期性分布”，我们的意思是当对该光纤取横截面(诸如垂直于纵轴的横截面)时，非周期性布置的孔跨光纤的一部分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的横截面将揭示不同的横截面孔图案，即各横截面将具有不同的孔图案，其中孔的分布和孔的大小不匹配。即，孔隙或孔是非周期性的，即它们在光纤结构内非周期性地布置。这些孔沿光纤的长度(即平行于纵轴)伸展(延长)，但不会延伸整个光纤的整个长度。虽然不希望受理论限制，但认为孔沿光纤长度延伸小于几米，而且在许多情况下小于1米。
在一些实施例中，区域50中的最大孔隙具有15微米的最大直径；在其它实施例中，多个非周期性布置的孔隙中的至少90％包括10微米的最大平均孔直径；在其它实施例中，多个非周期性布置的孔包括小于2000nm的平均孔隙直径；在其它实施例中，下陷折射率环部分包括大于0.5百分比的区域孔隙面积百分比；在其它实施例中，下陷折射率环部分包括在1和20百分比之间的区域孔隙面积百分比；在其它实施例中，下陷折射率环部分包括大于0.05百分比的总孔隙面积百分比。
如图1所示，本文披露的实施例的光纤10包括基于二氧化硅的纤芯20和围住和直接毗邻于(即接触)纤芯的基于二氧化硅的包覆层(或包层)200。优选地，该光纤具有0.15和0.25之间(例如0.185和0.215、或0.185和0.23或0.195和0.25或0.195和0.225或2和2.1之间)的数值孔径NA。优选地，光纤带宽大于2GHz-Km，以900nm和1300nm内的波长为中心。
纤芯20从r＝0的中心线开始延伸至最外侧纤芯半径R1。包层200从半径R1延伸至最外侧纤芯半径Rmax。在一些实施例中，光纤10的包层200包括基于二氧化硅的区50，它围住纤芯并具有低于二氧化硅折射率的折射率。基于二氧化硅的包层区50可例如包括F和可选的GeO2。在一些实施例中，这种基于二氧化硅的包层区50包括随机或非周期地分布的孔隙(例如填充有气体)。在一些实施例中，基于二氧化硅的区50延伸通过整个包层200。在其它实施例中，外包层60围住包层区50。在一些实施例中，光纤10的包层200包括基于二氧化硅的区50，该基于二氧化硅的区50围住纤芯并具有低于外包层60折射率的折射率。
在一些实施例中，可选的基于二氧化硅的内包层30位于纤芯20和下掺杂区50之间。在这些实施例中，包层200具有相对折射率分布ΔCLAD(r)。光纤10的一个示例性示意相对折射率分布示出于图2A中。在一些实施例中，下掺杂区50从纤芯20偏移一宽度W2＝R2-R1，并由此该区域在r＝R2开始并结束在r＝R4，其具有宽度W4＝R4-R3和W5＝R4-R2(例如参见图2A)。在其它实施例中，下掺杂区50直接毗邻于纤芯20，并可具有矩形或梯形横截面以使该区域在r＝R1开始并结束在r＝R4，其具有宽度W4＝R4-R3和W5＝R4-R2(例如参见图2B，在该例中R2＝R1)。包层200从R4延伸至最外侧包层半径Rmax。在一些实施例中，包层200包括Ge-P共掺杂二氧化硅(例如在层30和/或60中)。在一些实施例中，包层200包括氟掺杂的二氧化硅，例如在层50中。例如在一些实施例中，基于二氧化硅的区50(这里也被称为壕沟)由二氧化硅外包层(例如纯二氧化硅包层60)或基于上掺杂的二氧化硅区60围住。例如，这被示出在图2A和图2B。纤芯20和包层200形成光纤10的玻璃部分。在一些实施例中，包层200被涂覆以一个或多个涂层210，例如被涂覆了丙烯酸盐聚合物。
在具有掺杂了两种共掺杂剂的二氧化硅掺杂纤芯的光纤实施例中，折射率分布可通过下面的等式(式1)来描述：
Figure GDA0001410626640000101
其中Δ1和Δ2分别是由于掺杂剂1、2的相对(对纯二氧化硅而言)折射率改变。对于一优化的分布，Δ1和Δ2满足下面的条件(式2)：
Figure GDA0001410626640000102
其中，Δ＝Δ1+Δ2并且n0是在中心R＝0处的折射率，而m0是在n0处的材料色散。
我们引入两个参数x1和x2以描述式3和式4(以及式5-式8)中的相对折射率变化，以使：
Figure GDA0001410626640000103
Figure GDA0001410626640000104
其中
Figure GDA0001410626640000105
Figure GDA0001410626640000106
Figure GDA0001410626640000107
Figure GDA0001410626640000111
其中na1和nb1分别是对应于掺杂剂1、2(即对应于GeO2和P2O5、或GeO2和B2O3、或GeO2和F)的光纤纤芯中心的折射率，na2和nb2分别是在与掺杂剂1、2对应的光纤纤芯边缘处的折射率，ns是纯二氧化硅的折射率，例如式9所示。
Figure GDA0001410626640000112
使用前面的定义，掺杂剂浓度分布可表达为式10和式11所示。
Figure GDA0001410626640000113
Figure GDA0001410626640000114
其中Ca1和Cb1分别是与掺杂剂1、2对应的光纤纤芯中心的掺杂剂浓度，Ca2和Cb2分别是在与掺杂剂1、2对应的光纤纤芯边缘处的掺杂剂浓度，并且x1和x2分别是对于第一和第二掺杂剂(例如GeO2和P2O5)的参数，它们是描述掺杂剂浓度径向分布上的双掺杂剂的作用的加权因数。选择参数x1和x2的值，以使两掺杂剂的浓度一直为正。掺杂剂浓度可以单位摩尔％表达或可被转换成重量％。
更具体地，在具有Ge-P共掺杂纤芯的光纤实施例中，氧化锗被布置在渐变折射率多模光纤10的纤芯20内，其具有氧化锗掺杂剂浓度分布CGe(r)(即Ca(r)＝CGe(r))。纤芯20在中心线具有大于或等于0的中心氧化锗浓度Ca1＝CGe1，以及在R1处的最外侧氧化锗浓度CG2，其中CGe2大于或等于0。磷(P)被布置在渐变折射率多模光纤10的纤芯20中，其磷掺杂剂浓度分布为CP(r),例如,Cb(r)＝CP(r)。渐变折射率纤芯20在中心线具有大于或等于0的中心磷浓度Cb1＝CP1，并在R1可具有最外侧磷浓度CP2，其中CP2大于或等于0，这依赖于纤芯内的磷浓度的分布Cp(r)。Ge和P掺杂剂浓度的一个示例性光纤分布CGe(r)、CP(r)示出于图2C。
氧化锗掺杂剂浓度分布CGe(r)由此通过下面的式12定义：
CGe(r)＝CGe1–(CGe1–CGe2)(1–x1)rα1–(CGe1–CGe2)x1rα2 式12
磷掺杂剂浓度分布CP(r)由此通过下面的式13定义：
CP(r)＝CP1–(CP1–CP2)x2rα1–(CP1–CP2)(1–x2)rα2 式13
双掺杂剂(氧化锗和磷)中的每一者被布置在多模光纤的纤芯中，其浓度可随半径改变并由双α参数定义，光纤10的α1和α2各自为大约2。在一些实施例中，1.90<α1<2.25且1.90<α2<2.25。在一些实施例中，1.90<α1<2.10以及1.90<α2<2.10。
如果nGe1和nP1分别是在对应于掺杂剂1、2(例如Ge和P)的光纤纤芯的中心的折射率，而nGe2和nP2是对应于掺杂剂1、2(分别为Ge和P)的光纤纤芯的边缘处的折射率，nS是纯二氧化硅的折射率，并且n0 2＝nG1 2+nP1 2–nS 2，则可定义下列参数：δGe1＝nGe1 2–nS 2,δGe2＝nGe2 2–nS 2,δP1＝nP1 2–nS 2,δP2＝nP2 2–nS 2，并且如式14和式15所示：
Δ1＝[(δGe1–δGe2)(1–x1)+(δP1–δP2)x2]/2n0 2 式14
以及
Δ2＝[(δGe1–δGe2)x1+(δP1–δP2)(1-x2)]/2n0 2 式15
并且共掺杂了Ge和P的光纤纤芯的折射率分布示出于式16中：
n1 2(r)＝n0 2(1–2Δ1rα1-2Δ2rα2) 式16
掺杂剂分布参数x1(对Ge)和x2(对第二掺杂剂)优选地各自在-10和+10之间。更优选地-3<x1<3且-3<x2<3。在一些实施例中，-1<x1<1和-1<x2<1，例如0.1<x1<1且0.1<x2<1,或者0.3<x1<0.7且0.3<x2<0.7。在一些实施例中(例如具有Ge-P共掺杂纤芯的光纤)，0.4<x1<0.6且0.4<x2<0.6。要注意，在一些实施例中x1＝x2，并在一些实施例中，x1不等于x2。选择参数x1、x2的值，以使GeO2和第二共掺杂剂浓度一直是正的。
在一些实施例中，磷出现在R1但氧化锗则不如此，即CP2大于0且CG2等于0。在这些实施例中，包层200包括氟以匹配在r＝R1处的纤芯折射率。
在一些实施例中，氧化锗和磷两者存在于R1，即CP2大于0且CGe2大于0。在这些实施例中，包层200可或者包括氟以匹配在r＝R1处的纤芯折射率，或者包层200在一些实施例中可包括氟和Ge，从而在R1具有足够的折射率增加的氧化锗以抵消由于在R1的氟引起的折射率减小。
优选地，CGe(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而减小，并且CP(r)也随着半径从r＝0至r＝R1的增加而减小。更优选地，CGe(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调减小，并且CP(r)也随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调减小。甚优选地，CGe(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而减小，且CP1为非零的，并且CP(r)也随着半径从r＝0至r＝R1的增加而减小，并且CP1为非零的。再更优选地，CGe(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调减小，并且CGe1为非零的，而CP(r)也随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调减小，并且CGe2和CP2中的至少一个等于0。在一些实施例中，CGe2和CP2两者均为零。
在一组实施例中，纤芯20中任何位置的氧化锗浓度都不大于12摩尔％氧化锗，并优选地不大于11摩尔％(即CG(r)≤11摩尔％)并且最优选地不大于10摩尔％。例如，0.5摩尔％<CGeMAX≤11摩尔％,或1摩尔％<CGeMAX≤10摩尔％。在这些实施例中，纤芯中任何位置的P2O5浓度(对于从r＝0至r＝R1的任何r值)为0-12摩尔％，并且P2O5的最大浓度优选地大于0.5摩尔。优选地，P2O5的最大浓度小于10摩尔％。优选地，1摩尔％<CGeMAX≤11摩尔％(例如,1摩尔％<CGeMAX≤10摩尔％且1摩尔％<CPMAX≤8摩尔％)，和/或1摩尔％<CPMAX≤10摩尔％)优选地，5摩尔％<(CGeMAX+CPMAX)≤19摩尔％，更优选地5摩尔％<(CGeMAX+CPMAX)≤15摩尔％。例如，当x1＝x2＝0.5时，8摩尔％<(CGeMAX+CPMAX)≤10摩尔％)。这些参数实现具有高带宽(例如在850nm>2GHz-Km且在980和/或1060nm>1GHz-Km)并具有与VCSEL技术和ITU标准兼容的NA(0.185≤NA≤0.215)的光纤。
根据一些实施例，纤芯中任何位置(对于从r＝0至r＝R1的所有值)的最大P2O5浓度为10至1摩尔％，在一些实施例中，优选为9至0摩尔％；而最大P2O5浓度从0.5至9摩尔％，例如3至9摩尔％或5至9摩尔％，或者在6.5和8摩尔％之间。在一些实施例中，光纤20的氧化锗浓度(以摩尔％计)(对于从r＝0至r＝R1的所有r值)在10和0摩尔％之间变化，并在其它实施例中，在6和0摩尔％之间，并且最大氧化锗浓度在0.5和10摩尔％之间，并在又一些实施例中，在1和9摩尔％之间。在一些实施例中，纤芯20中的P2O5浓度，以摩尔％计，在9和0之间变化，并在其它实施例中，在8和1之间，而在其它实施例中，在10和0.5摩尔％之间。
更具体地，纤芯20包括共掺杂的二氧化硅，其具有足以提供渐变折射率分布的氧化锗和磷。双掺杂剂(氧化锗和磷)中的每一者被布置在多模光纤的纤芯中，其浓度可随半径变化并由两个α参数(α1和α2)定义。也就是说，氧化锗掺杂剂浓度因变于α参数(α1和α2)随半径而变化，磷掺杂剂浓度也是如此。本文披露的双掺杂剂浓度也降低了对光纤的折射率的整体α形状的波长的敏感性，这有助于提高这些光纤在其制造过程中的生产率产出，由此减少浪费和成本。如本文中使用的，术语渐变折射率指多模光纤具有总α大约为2的折射率。
在一些示例性实施例中，渐变折射率多模光纤10包括：(i)基于二氧化硅的纤芯20，其共掺杂有GeO2和大约1-10摩尔％的最大浓度P2O5，以及大约200-2000ppm重量的Cl以及小于1摩尔％的其它折射率修正掺杂剂；该纤芯20具有双α，即α1和α2，在840和1100nm之间的波长范围的至少一个波长下(优选在850nm)，1.8≤α1≤2.4且1.9≤α2≤2.4；以及(ii)围住纤芯20的基于二氧化硅的包层200，该基于二氧化硅的包层200包括F和可选的GeO2并具有低于二氧化硅折射率的折射率的至少一个区(例如50)。光纤10的这些实施例中的至少一些具有在0.185和0.215之间的数值孔径。
在一些示例性实施例中，渐变折射率多模光纤10包括：(i)基于二氧化硅的纤芯20，其共掺杂有GeO2和大约1-10摩尔％的最大浓度B2O3，以及大约200-2000ppm重量的Cl以及小于1摩尔％的其它折射率修正掺杂剂；该纤芯20具有双α，即α1和α2，在840和1100nm之间的波长范围的至少一个波长下(优选在850nm)，1.8≤α1≤2.4且1.9≤α2≤2.4；以及(ii)围住纤芯20的基于二氧化硅的包层200，该基于二氧化硅的包层200包括F和可选的GeO2并具有低于二氧化硅折射率的折射率的至少一个区(例如50)。光纤10的这些实施例中的至少一些具有在0.185和0.225之间的数值孔径。
在一些示例性实施例中，渐变折射率多模光纤10包括：(i)基于二氧化硅的纤芯20，其共掺杂有GeO2、大约1-10摩尔％的最大浓度B2O3，以及大约200-2000ppm重量的Cl以及小于1摩尔％的其它折射率修正掺杂剂；该纤芯20具有双α，即α1和α2，在840和1100nm之间的波长范围的至少一个波长下(优选在850nm)，1.8≤α1≤2.4且1.9≤α2≤2.4；以及(ii)围住纤芯20的基于二氧化硅的包层200，该基于二氧化硅的包层200包括F和可选的GeO2并具有低于二氧化硅折射率和/或包层区60折射率的折射率的至少一个区(例如50)。光纤10的这些实施例中的至少一些具有0.185和0.225之间的数值孔径。
在一些示例性实施例中，渐变折射率多模光纤10包括：(i)基于二氧化硅的纤芯20，其共掺杂有GeO2和大约1-10摩尔％的最大浓度的F，以及大约200-2000ppm重量的Cl以及小于1摩尔％的其它折射率修正掺杂剂；该纤芯20具有双α，即α1和α2，在840和1100nm之间的波长范围的至少一个波长下(优选在850nm)，1.8≤α1≤2.4且1.9≤α2≤2.4；以及(ii)围住纤芯20的基于二氧化硅的包层200，该基于二氧化硅的包层200包括F和可选的GeO2并具有低于二氧化硅折射率的折射率的至少一个区(例如50)。光纤10的这些实施例中的至少一些具有在0.185和0.215之间的数值孔径。
根据一些实施例，光纤10在大约850nm下的带宽(BW)大于750MHz-Km，更优选地大于2GHz-Km，甚优选地大于4GHz-Km，并在一些实施例中大于7GHz-Km。根据一些实施例，光纤10在大约980nm和/或1060nm下的带宽大于1500MHz-Km，更优选地大于2GHz-Km，甚优选地大于4GHz-Km，并在一些实施例中大于7GHz-Km。根据一些实施例，光纤10在大约1300nm下的带宽大于1500MHz-Km，更优选地大于2GHz-Km。在一些实施例中，光纤10在大约850nm下的带宽(BW)大于750MHz-Km，更优选地大于2GHz-Km，甚优选地大于4GHz-Km，并在一些实施例中大于7GHz-Km，并且在980nm下，BW大于1500MHz-Km，更优选地大于2GHz-Km。在一些实施例中，光纤10在大约850nm下的带宽(BW)大于750MHz-Km，更优选地大于2GHz-Km，甚优选地大于4GHz-Km，并在一些实施例中大于7GHz-Km，并且在1060nm下，BW大于1500MHz-Km，更优选地大于2GHz-Km。
优选地，在λ＝850nm下具有受限制的发射弯曲损耗(宏观弯曲损耗)的光纤10在10mm直径心轴上小于1.5dB/匝，并根据一些实施例，在λ＝850nm下的弯曲损耗在10mm直径心轴上小于0.25dB/匝。
在一些实施例中，低折射率包层区50包括F和Ge，其中壕沟区内的体积平均Ge浓度为至少0.5重量％。优选地，纤芯20与包层区50相隔(偏离)至少0.5μm。替代地，该包层区可包括随机或非周期性分布的空穴(例如填充有气体)。优选地，包层区50(壕沟)的体积V大于30平方微米-百分比(μm2-％)，并且更优选地大于100且小于300平方微米-百分比。
根据一些实施例，该渐变折射率多模光纤10包括：(i)基于二氧化硅的纤芯20，其共掺杂有GeO2(优选地在纤芯中GeO2的最大量为0.5-9摩尔％，更优选地为4-9摩尔％)和大约0.5到11摩尔％(最大量P2O5)以及小于1重量％的其它折射率修正掺杂剂；所述纤芯具有：双α，即α1和α2，其中在840nm和1100nm之间的波长范围内的至少一个波长下(优选在850nm下)，1.8≤α1≤2.4并且1.9≤α2≤2.4；以及纤芯直径和物理纤芯直径(DC＝2R1)，其中45μm≤Dc≤55μm(并在一些实施例中47≤Dc≤53μm)；以及(ii)基于二氧化硅的区(包层200)，其围住纤芯20并包括F和可选择的GeO2。
基于二氧化硅的包层区(包层50)具有低于二氧化硅折射率的折射率。光纤10具有在0.185和0.215之间的数值孔径；大于2GHz-Km的带宽以及位于800nm和900nm范围内的至少一个峰值波长λp。根据一些实施例，多模光纤提供一带宽，该带宽的特征在于，位于800nm和900nm范围内的λp1和位于950nm和1080nm范围内的λp2。
根据一些实施例，渐变折射率多模光纤包括：(i)基于二氧化硅的纤芯区20；其共掺杂了(a)GeO2和(b)大约1-9摩尔％的P2O5；以及大约200-2000ppm重量的Cl以及小于1重量％的其它折射率修正掺杂剂；所述纤芯在840nm和1100nm之间的波长范围下具有1.95和2.25之间(例如2和2.25之间或2.05和2.2之间)的α；以及(ii)基于二氧化硅的区50，其围住纤芯区，包含F和可选择地包含GeO2并具有比二氧化硅折射率更低的折射率，其中光纤具有在0.185和0.25之间的数值孔径。
渐变折射率多模光纤10优选地具有：壕沟体积(即低折射率区50的体积V)，该壕沟体积大于40并小于300平方微米-百分比；以及在850nm下在10mm直径心轴上小于0.3dB/匝的宏观弯曲损耗。根据一些实施例，壕沟体积V大于100并小于300平方微米-百分比，并且光纤在λ＝850nm下在10mm直径心轴上展现出小于0.25dB/匝的宏观弯曲损耗。优选地，光纤10具有：(i)基于二氧化硅的纤芯区，其共掺杂有1-10摩尔％(最大)GeO2和大约1-8摩尔％(最大)P2O5以及小于1重量％的其它折射率修正掺杂剂；该纤芯具有双α，即α1和α2，在840和1100nm之间的波长范围内的至少一个波长下(优选在850nm)，1.8≤α1≤2.4且1.9≤α2≤2.4；以及物理纤芯直径Dc，其中45≤Dc≤55微米；并具有在0.185和0.215之间的数值孔径；大于2GHz-Km的带宽，以及位于800和900nm范围内的至少一个峰值波长λp。在一些实施例中，光纤10被构造成提供一带宽，该带宽的特征在于，在800nm和900nm范围内的第一峰值波长λp1和位于950nm-1600nm范围内的第二峰值波长λp2。在一些实施例中，光纤纤芯20还包括大约200-2000ppm重量的Cl。优选地，该光纤纤芯具有X摩尔％(最大)GeO2和Y摩尔％(最大)P2O5，并且X＞Y。在一些实施例中，1≤X/Y≤8。在一些实施例中，GeO2和P2O5的最大浓度在纤芯20中心，或者(在具有中心线下沉的纤芯分布的光纤的情形下，在直接毗邻于并围住中心线下沉的纤芯区域内)。优选地，纤芯20包括GeO2和大约1-11(更优选地为1-9)摩尔％(最大)P2O5，以使GeO2和P2O5之和不大于19摩尔％并且在大约850nm下带宽＞750MHz-Km。优选地，当光纤以10mm直径弯曲时进行测量，在λ＝850nm下受限制的发射弯曲损耗小于0.25dB/匝。
根据一些实施例，该多模光纤包括：(i)基于二氧化硅的纤芯，其共掺杂有GeO2和大约0.5-10摩尔％P2O5(优选地为1-8摩尔％)以及小于1重量％的其它折射率修正掺杂剂；该纤芯具有双α，即α1和α2，在840和1100nm之间的波长范围内的至少一个波长下(优选在850nm)，1.8≤α1≤2.4且1.9≤α2≤2.4；以及物理纤芯直径Dc，其中Dc＝2R1并且25≤Dc≤55微米，并且在一些实施例中25≤Dc≤45微米；以及(ii)基于二氧化硅的包层区，该基于二氧化硅的包层区(a)围住纤芯并包括F和可选的GeO2并且(b)具有低于二氧化硅折射率的折射率。光纤10具有在0.185和0.215之间的数值孔径；在位于800和900nm范围内的至少一个波长下大于2GHz-Km的带宽。
这里示出的所有例子被建模。
比较例
图3示意地示出在具有旨在工作在0.85μm下的渐变折射率分布的比较性多模光纤的纤芯中的氧化锗掺杂剂浓度分布。这种光纤的纤芯仅被掺杂了Ge，即它不包括磷或氟。图4示出因变于图3光纤的波长的均方根(RMS)脉冲展宽。该脉宽在0.85μm波长下达到最小值。对于远离0.85μm的波长，脉宽非常快地增加，即带宽减小。在大约0.02μm的波长窗宽度上以及在以0.85μm为中心的波长窗宽度上，RMS脉冲展宽对于大约0.84μm和大约0.86μm之间的所有波长小于0.02ns/km。在850nm至在980nm下的RMS脉冲展宽之比为大约0.16,在850nm至在1300nm下的RMS脉冲展宽之比为大约0.06。由此，尽管脉冲展宽在一个波长下(例如850nm)可能非常低，然而当在不同波长(例如较长波长，例如980或1300nm)下使用同一光纤工作时，脉冲展宽快速上升。如本文所述，RMS脉冲展宽是多模光纤中的RMS延时的结果。
表1A、2A、3A和4A示出两个比较光纤例的参数。这两个比较例具有相似的纤芯，但比较例1具有不包括下掺杂区的包层(即其没有壕沟)，而比较例2光纤具有包括下掺杂区的包层(即其具有壕沟)。这些比较光纤例子的纤芯包括氧化锗，但不包括磷。
表1A
Figure GDA0001410626640000181
表2A
Figure GDA0001410626640000182
如表2A和3A所示，比较例1光纤的壕沟值为零(无壕沟存在)，而比较例2光纤的壕沟值为80％-μm2。
两比较光纤均展现出单个工作窗；这是围绕峰值波长居中的，其中λp对于第一和第二比较例分别为849nm和850nm。下面，表4A对于两个比较光纤例子中的每一个给出在多个波长下的RMS脉冲展宽和带宽(BW)。
表3A
Figure GDA0001410626640000191
表4A
Figure GDA0001410626640000192
第一组示例性实施例
图2C示意地示出对于本文披露的光纤的多模光纤示例的纤芯部分(归一化半径)氧化锗和P2O5掺杂剂浓度分布，分别被图示为“GeO2”和“P”。在该示例性实施例中，α1＝α2＝2.038，CGe1＝5.9摩尔％氧化锗,CP1＝3.31摩尔％磷，CGe2＝0,CP2＝0,x1＝0.5,x2＝0.5,并且R1＝25μm(见表1B、3B的例5)。
图5示意地示出在各波长下与图2A类似的若干Ge-P光纤的RMS脉宽(见表1B和3B的光纤例子12-20)以及在纤芯中具有氧化锗但不具有P的比较光纤的RMS脉冲展宽(内侧最“v”形曲线)。如该图中所示，相对于比较例光纤，RMS脉冲展宽对于所有Ge-P共掺杂的光纤在0.8nm-1.2nm工作窗内有显著改善。另外，该图表示，通过在纤芯20中心相对于Ge浓度的较大量的P浓度，光纤也具有第二工作窗，其随着在纤芯边缘或纤芯边缘附近的磷量(CP2)增加而朝向较短的中心波长平移。例如，当CGe1＝1.18摩尔％且CP1＝7.72摩尔％(表1B、2B、3B和4B的光纤例子9)时，第二工作窗的中心波长为1.22μm，而当CGe1＝2.36摩尔％且CP1＝6.62摩尔％时，第二工作窗的中心波长为1.41μm。
当CGe1＝1.18摩尔％且CP1＝7.72摩尔％时，对于大约0.75μm和大约1.3μm之间的所有波长，即在大约0.55μm的波长窗宽度上以及在居中于大约1.05μm的波长窗宽度上，RMS脉冲展宽小于0.02ns/km。该共掺杂光纤实施例的带宽为大约13.2GHz-Km，并且在850nm下与仅掺杂Ge的光纤(比较光纤1)相当，然而，该实施例的Ge-P共掺杂光纤的带宽BW在980nm和1300nm的波长下分别大约为10.5和10.6GHz-Km，它们分别相比于具有大约2.1和0.8GHz-Km的BW的仅掺杂Ge的光纤。这表明，共掺杂光纤在较大波长范围能具有比较例光纤的光纤带宽的大约5-12倍那么大。对于这种共掺杂光纤，在850下的BW与在980和1300nm下的BW之比分别为1.7和1.4。对于比较例的仅掺杂Ge的光纤，在850nm下的BW与在980和1300nm下的BW之比分别为6.4和15.7。由此表明，Ge-P共掺杂的光纤10具有比仅掺杂Ge的纤芯的比较例光纤具有更宽的BW窗。
当CGe1＝2.36摩尔％且CP1＝7.72摩尔％(表1B、2B、3B和4B的光纤例子8)时，RMS脉冲展宽对于大约0.75μm和大约1.65μm之间的所有波长(即在大约0.90μm的波长窗宽度上)小于0.03ns/km，而对于比较例光纤，小于0.03ns/km的RMS脉冲展宽仅对应于大约0.82μm和大约0.88μm之间的波长窗(大约0.06或0.07μm的窗宽度)。对于该示例性实施例，RMS脉冲展宽对于0.75μm和大约0.95μm之间的所有波长(即在居中在0.85μm的大约0.2μm的波长窗宽度上)小于0.02ns/km。RMS脉冲展宽也对于大约1.3μm和大约0.5μm之间的所有波长(即在大约0.2μm的第二波长窗宽度上)小于0.02ns/km。由此，该实施例的光纤可在两个不同工作窗工作，每个工作窗都比比较光纤的工作窗宽很多。这种共掺杂光纤实施例的带宽在850、980和1300nm下分别为大约13.2、7.9和9.3GHz-Km。对仅掺杂Ge的光纤比较例的带宽在850nm、980nm和1300nm的波长下为大约13.2、2.1和0.8GHz-Km。由此，共掺杂光纤在较大波长范围能具有比较例光纤的光纤带宽的大约4-11倍那么大。
图6示出对于Ge和P共掺杂光纤的一些实施例第二窗中心波长相对于以摩尔％计的最大P掺杂程度(在这些实施例中对应于CP1)的变化。
图7示出对于Ge和P共掺杂光纤的一些示例性实施例在1310nm下以ns/km计的均方根(RMS)脉冲展宽相对于P掺杂程度(摩尔％)的关系。在这些实施例中，CP最大值对应于CP1。该附图示出，对于这些实施例，优选的最大p掺杂程度在5和9摩尔％之间。
示例性实施例1-27
将通过下面建模的示例性实施例1-27(表1B、2B、3B和4B)进一步阐明Ge-P共掺杂光纤的各附加实施例。光纤实施例1-27具有位于包层200中的下掺杂区50。在这些示例性实施例中，下掺杂区50(这里也称壕沟)与纤芯20偏离1.2μm的距离(R2-R1＝26.2μm-50μm＝1.2μm)。在这些示例性实施例中，光纤参数中的一些是相同的，即纤芯的相对折射率(相对于纯二氧化硅)为1％，纤芯20的外径R1为25μm，内包层30的外径R2为26.2μm，外包层的半径R4＝26.2μm。在实施例12-38中，包层50(壕沟)的最小相对折射率Δ为-0.45。对于这些实施例，x1、x2值为0.1≤x1≤1且0.1≤x2≤1。
在表1B、2B、3B和4B的光纤实施例1-27中，氧化锗浓度CGe1和磷浓度CP1(以及包层50的外径R4)被改变以观察这些变化对光纤性能的影响。外半径R3的改变影响包层的壕沟体积。层50中的变化进而导致宏观弯曲性能的改变。表3B指示多模光纤10的弯曲性能比具有较大壕沟体积V(区域50的体积)的光纤更好，所述较大壕沟体积V在等式17中被定义为：
Figure GDA0001410626640000211
因此，优选的是壕沟值大于30μm2％，更优选地大于50μm2％，甚优选地大于100μm2％，例如在100μm2％和300μm2％之间。
氧化锗的浓度CGe1和磷的浓度CP1以及纤芯的直径(R1)的变化影响光纤的数值孔径，并也影响第二工作窗的中心波长以及在多个波长下RMS脉冲展宽和带宽BW的值。要注意，对于光纤实施例1-27的RMS脉冲展宽远小于比较例1、2的RMS脉冲展宽，并且在980nm和1300nm下的带宽BW也远大于比较例1、2的带宽BW。这示出于下面的表1B、2B、3B和4B中。
也要注意，在其它实施例中，纤芯的相对折射率高于或低于1％。例如，Δ1max可以是0.25％、0.3％、0.5％、0.7％或1.1％、1.5％、2％或它们之间的任何值。
表1B
Figure GDA0001410626640000231
表2B
Figure GDA0001410626640000241
表3B
Figure GDA0001410626640000251
表4B
Figure GDA0001410626640000261
壕沟50、或整个包覆200(如果不存在壕沟层)可由掺杂有氟的二氧化硅构成，或替代地可通过共掺杂的氧化锗和氟或磷和氟构造，以使共掺杂区的有效折射率为Δ3Min。优选地，-0.2<Δ3Min<-0.7,例如-0.3<Δ3Min<-0.5。Ge-F或P-F共掺杂更好地匹配纤芯20和包层200的粘度。包层中的氧化锗和氟或磷和氟的量是基于纤芯中的氧化锗和磷的量以及它们对纤芯粘度的影响来建立的。
第二组示例性实施例
将通过下面建模的示例性实施例28-51(表1C、2C、3C和4C)进一步阐明Ge-B共掺杂光纤的各附加实施例。
更具体地，在具有Ge-B共掺杂纤芯的光纤实施例中，以氧化锗掺杂剂浓度分布CGe(r)(即Ca(r)＝CGe(r))将氧化锗布置在渐变折射率多模光纤10的纤芯20中。纤芯20在中心线具有大于或等于0的中心氧化锗浓度Ca1＝CGe1，以及在R1的最外侧氧化锗浓度CG2，其中CG2大于或等于0。硼(B2O3)以硼掺杂剂浓度分布CB(r)–即(即Cc-d(r)＝CB(r)布置在渐变折射率多模光纤10的纤芯20中。渐变折射率纤芯20在中心线具有大于或等于0的中心硼浓度Cc-d 1＝CB1，并在R1可具有最外侧硼浓度CB2，其中CB2大于或等于0，这依赖于纤芯内的硼浓度的分布CB(r)。在一些实施例中，氧化锗出现在中心线而硼不那样，即CG1大于0而CB1等于0。在一些实施例中，硼出现在R1而氧化锗则不那样，即CB2大于0而CG2等于0。
优选地，CGe(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而减小，而CB(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而增加。更优选地，CGe(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调减小，而CB(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调增加。甚优选地，CGe(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调减小，且CGe1为非零的，并且CB(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调增加，并且CB2中至少一个为非零的。
光纤实施例28-51具有位于包层200中的下掺杂区50。区50围住纤芯并具有低于外包层60的折射率。
在这些示例性实施例中，光纤参数中的一些是相同的，即纤芯的相对折射率(相对于纯二氧化硅)为1％，纤芯20的外径R1为25μm，内包层30的外径R2为26.2μm，外包层的半径R4＝26.2μm。在实施例12-38中，包层50(壕沟)的最小相对折射率Δ为-0.45。对于这些实施例，x1、x2值为0.1≤x1≤1且0.1≤x2≤1。
在表1C、2C、3C和4C的光纤实施例1-27中，纤芯中的氧化锗浓度CGe1和硼浓度CB1(以及包层50的外径R4)被改变以观察这些变化对光纤性能的影响。外半径R3的改变影响包层的壕沟体积。层50(壕沟中)的变化进而导致宏观弯曲性能的改变。要注意，在这些实施例中，壕沟与纤芯偏离或间隔。表3C指示多模光纤10的弯曲性能比具有较大壕沟体积V(区域50的体积)的光纤更好，所述较大壕沟体积V在等式17中被定义。
因此，优选的是壕沟值大于30μm2％，更优选地大于50μm2％，甚优选地大于100μm2％，例如在100μm2％和300μm2％之间。
氧化锗的浓度CGe1和硼(B2O3)的浓度CB1以及纤芯的直径(R1)的变化影响光纤的数值孔径，并也影响第二工作窗的中心波长以及在多个波长下RMS脉冲展宽和带宽BW的值。要注意，对于光纤实施例28-51的RMS脉冲展宽远小于比较例1、2的RMS脉冲展宽，并且在980nm和1300nm下的带宽BW也远大于比较例1、2的带宽BW。这示出于下面的表1C、2C、3C和4C中。
也要注意，在其它实施例中，纤芯的相对折射率高于或低于1％。例如，Δ1max可以是0.25％、0.3％、0.5％、0.7％或1.1％、1.5％、2％或它们之间的任何值。
表1C
Figure GDA0001410626640000281
Figure GDA0001410626640000291
表2C
Figure GDA0001410626640000301
注意，在这些实施例中，R2＝R3。
表3C
Figure GDA0001410626640000311
表4C
Figure GDA0001410626640000321
第三组示例性实施例
将通过下面建模的示例性实施例52-101(表1D、2D、3D和4D)进一步阐明Ge-F共掺杂光纤的各附加实施例。
更具体地，在具有Ge-F共掺杂纤芯的光纤实施例中，以氧化锗掺杂剂浓度分布CGe(r)(即Ca(r)＝CGe(r))将氧化锗布置在渐变折射率多模光纤10的纤芯20中。纤芯20在中心线具有大于或等于0的中心氧化锗浓度Ca1＝CGe1，以及在R1的最外侧氧化锗浓度CG2，其中CGe2大于或等于0。氟(F)以氟掺杂剂浓度分布CF(r)–即(i.e.,Cc-d(r)＝CF(r)布置在渐变折射率多模光纤10的纤芯20中。渐变折射率纤芯20在中心线具有大于或等于0的中心氟浓度Cc-d 1＝CF1，并在R1可具有最外侧氟浓度CF2，其中CF2大于或等于0，这依赖于纤芯内的氟浓度的分布CF(r)。在一些实施例中，氧化锗出现在中心线而氟不那样，即CG1大于0而CF1等于0。在一些实施例中，氟出现在R1而氧化锗则不那样，即CF2大于0而CG2等于0。
优选地，CGe(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而减小，而CF(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而增加。更优选地，CGe(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调减小，而CF(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调增加。甚优选地，CGe(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调减小，且CGe1为非零的，并且CF(r)随着半径从r＝0至r＝R1的增加而单调增加，并且CF2中至少一个为非零的。光纤实施例52-101具有位于包层200中的下掺杂区50。区50围住纤芯并具有低于外包层60的折射率。
在这些示例性实施例中，光纤参数中的一些是相同的，即纤芯的相对折射率(相对于纯二氧化硅)为1％，纤芯20的外径R1为25μm，内包层30的外径R2为26.2μm，外包层的半径R4＝26.2μm。在实施例12-38中，包层50(壕沟)的最小相对折射率Δ为-0.45。对于这些实施例，x1、x2值为0.1≤x1≤1且0.1≤x2≤1。
在表1D、2D、3D和4D的光纤实施例52-101中，纤芯中的氧化锗浓度CGe1和氟浓度CF1(以及包层50的外径R4)被改变以观察这些变化对光纤性能的影响。外半径R3的改变影响包层的壕沟体积。层50中的变化进而导致宏观弯曲性能的改变。表3D指示多模光纤10的弯曲性能比具有较大壕沟体积V(区域50的体积)的光纤更好，所述较大壕沟体积V在等式17中被定义。
因此，优选的是壕沟值大于30μm2％，更优选地大于50μm2％，甚优选地大于100μm2％，例如在100μm2％和300μm2％之间。
氧化锗的浓度CGe1和氟(F)的浓度CF1以及纤芯的直径(R1)的变化影响光纤的数值孔径，并也影响第二工作窗的中心波长以及在多个波长下RMS脉冲展宽和带宽BW的值。要注意，对于光纤实施例52-101的RMS脉冲展宽远小于比较例1、2的RMS脉冲展宽，并且在980nm和1300nm下的带宽BW也远大于比较例1、2的带宽BW。这示出于下面的表1D、2D、3D和4D中。对于例90-101，光纤纤芯直径不被建模(注释A)。
也要注意，在其它实施例中，纤芯的相对折射率高于或低于1％。例如，Δ1max可以是0.25％、0.3％、0.5％、0.7％或1.1％、1.5％、2％或它们之间的任何值。
表1D
Figure GDA0001410626640000341
Figure GDA0001410626640000351
Figure GDA0001410626640000361
表2D
Figure GDA0001410626640000362
Figure GDA0001410626640000371
在这些实施例中，R2＝R3。
表3D
Figure GDA0001410626640000381
Figure GDA0001410626640000391
注释A：对于例90-101，光纤纤芯直径不被建模。
表4D
Figure GDA0001410626640000392
Figure GDA0001410626640000401
Figure GDA0001410626640000411
对本领域技术人员显而易见的是在不背离本发明的精神或范围的情况下可作出各种修改和变化。由于纳入本发明的精神和实质的所披露实施例的修正组合、子组合和变型对本领域内技术人员是显而易见的，因此本发明应当被解释成包括在所附权利要求书及其等效物的范围内的任何东西。

Claims (16)

1.一种渐变折射率多模光纤，包括：
(a)包括二氧化硅的纤芯，所述二氧化硅掺杂了氧化锗和至少一种共掺杂剂c-d，所述共掺杂剂包括P2O5或B2O3中的一者，所述纤芯从r＝0处的中心线延伸至最外侧纤芯半径r1并具有由参数α1和α2定义的双α，其中α1与所述纤芯中的GeO2浓度相关联并且α2与所述纤芯中的共掺杂剂浓度相关联；
(b)围住纤芯并与纤芯接触的内包层；
(c)围住内包层并与所述内包层接触的外包层，所述内包层的至少一个区域具有比外包层更低的折射率并与所述纤芯偏离；以及
所述氧化锗以氧化锗掺杂剂浓度分布CGe(r)被设置在纤芯中，并且所述纤芯具有在中心线处大于或等于0的中心氧化锗浓度CGe1以及在r1处的最外侧氧化锗浓度CGe2，其中CGe2大于或等于0；以及
其中，共掺杂剂以一共掺杂剂浓度分布Cc-d(r)被设置在纤芯中，并且纤芯具有在中心线处大于或等于0的中心共掺杂剂浓度Cc-d1以及在r1处的最外侧共掺杂剂浓度Cc-d2，其中Cc-d2大于或等于0；以及
CGe(r)＝CGe1-(CGe1-CGe2)(1-x1)rα1-(CGe1-CGe2)x1rα2；
Cc-d(r)＝Cc-d1-(Cc-d1-Cc-d2)x2rα1-(Cc-d1-Cc-d2)(1-x2)rα2；
1.8<α1<2.4,1.8<α2<3.1；并且-10<x1<10并且-10<x2<10，其中x1和x2分别是对于氧化锗和共掺杂剂c-d的参数，它们是描述掺杂剂浓度径向分布上的双掺杂剂的作用的加权因数，
其中所述纤芯包括200-2000ppm重量的Cl以及低于1.2重量％的其它折射率修正掺杂剂。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，与所述纤芯偏离并比外包层具有更低的折射率的所述内包层的区域包括随机孔隙或由掺杂了下列的二氧化硅构成：硼、或氟、或氟和氧化锗的共掺杂。
3.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于，氧化锗在r＝0处的浓度从1摩尔％至11.5摩尔％。
4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤的带宽BW满足下列条件中的至少一个：
(i)在850nm处BW>1500MHz.Km；
(ii)在980nm处BW>1500MHz.Km；
(iii)在1300nm处BW>500MHz.Km。
5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤的带宽BW满足在850nm处BW>750MHz.Km。
6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，在850nm波长处所述光纤具有小于1.5dB/匝的受限制的发射弯曲损耗。
7.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，在850nm波长处所述光纤具有小于0.25dB/匝的受限制的发射弯曲损耗。
8.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述光纤具有壕沟区，即一个具有比所述外包层更低的折射率的区，并且在所述壕沟区内的体积平均Ge浓度为至少0.5重量％。
9.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述纤芯与具有比所述外包层更低的折射率的内包层的部分相隔至少0.5μm。
10.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述内包层的区域具有比所述外包层更低的折射率，所述内包层的区域包括氟，并且包含氟的内包层的区域的体积V大于30μm2％。
11.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述内包层的区域具有比所述外包层更低的折射率，所述内包层的区域包括氟，并且包含氟的内包层的区域的体积V大于100μm2％且小于300μm2％。
12.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述纤芯包括至少一种共掺杂剂c-d，所述共掺杂剂包括B2O3。
13.如权利要求12所述的光纤，其特征在于，比外包层具有更低的折射率的所述内包层的区域包括随机孔隙或由掺杂了下列的二氧化硅构成：硼、或氟、或氟和氧化锗的共掺杂。
14.如权利要求12所述的光纤，其特征在于，所述光纤的带宽BW满足下列条件中的至少一个：
(i)在850nm处BW>1500MHz.Km；
(ii)在980nm处BW>1500MHz.Km；
(iii)在1300nm处BW>500MHz.Km。
15.如权利要求12所述的光纤，其特征在于，氧化锗在r＝0处的浓度从1摩尔％至11.5摩尔％。
16.如权利要求12所述的光纤，其特征在于，所述光纤的带宽在850nm处大于750MHz.Km。
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