CN104185804A - 用于掺铒放大器的少模光纤以及使用该光纤的放大器 - Google Patents

Abstract

根据一些实施例，光纤包括：(i)掺杂了大于300ppm的Er₂O₃和至少0.5重量％Al₂O₃的玻璃纤芯，其具有从大约3μm至大约15μm的半径R、相对于玻璃包层的介于大约0.3％至2％之间的相对折射率变化Δ_1MAX、在1550nm下介于10μm²和100μm²之间的LP01模有效面积，玻璃纤芯半径R₁和折射率被选择以使纤芯能够支持在1550nm波长下具有X数量的LP模的光信号的传播和传输，其中X是大于1并且不大于20的整数；以及(ii)围在周围并与玻璃纤芯直接接触的玻璃。根据另一个实施例，光纤包括(i)掺杂了大于700ppm的Er₂O₃、至少0.5重量％的Al₂O₃以及0-25重量％GeO₂的玻璃纤芯，其具有半径3μm≤R₁≤15μm、相对于玻璃包层的0.7％至1.5％的最大相对折射率变化Δ_1MAX、在1550nm下介于50μm²和150μm²之间的LP01模的有效面积，所述玻璃纤芯支持在1550nm波长下具有X数量的LP模的光信号的传播和传输，其中X是在1550nm波长下大于1且小于20的整数；以及(ii)围住所述玻璃纤芯并直接接触所述玻璃纤芯的玻璃包层。

Description

用于掺铒放大器的少模光纤以及使用该光纤的放大器

相关申请交叉引用

本申请要求2012年1月12日提交的美国临时申请S/N.61/585896的优先权，且依赖于其内容并将其内容整体援引包含于此。

技术领域

本说明书总地涉及光纤，更具体地涉及一种用于光放大器的掺铒的少模光纤。

背景技术

典型的光传输系统使用单模(SM)光纤以传输光信号并且利用单模掺稀土光纤的光放大器以放大所传输的信号。然而，多媒体电信应用的量和多样性的爆炸性增长持续推动互联网话务的速度需求并促成骨干光纤通信链路的研发。模分复用(MDM)是一种增加光纤传输容量的有吸引力的手法。在MDM中，使用包含少模的光纤，其中每个模承载独立的信息信道。如此，信息容量增加了因数N，其中N是光纤中的模数。然而，为了在长距离上获得MDM，需要内联的掺铒光纤放大器(EDFA)。当前EDFA是对于单模光纤传输设计的。当单模EDFA被用于MDM系统时，来自输入少模传输光纤的模需要被首先分离。然后每个模被转化成单模并通过单模EDFA被单独地放大。在放大后，来自放大器的输出单模信号需要被转换回输出少模传输光纤内的模。这种过程是复杂的并且不是节约成本的。

发明内容

根据一些实施例，该光纤包括：

(i)掺杂了大于300ppm的Er₂O₃和至少0.5重量％的Al₂O₃的玻璃纤芯，其具有从大约3μm至大约15μm的半径R₁、相对于玻璃包层从大约0.3％至2％之间的相对折射率变化Δ₁；在1550nm下在20μm²和250μm²之间的LP01模有效面积，玻璃纤芯半径R₁和折射率被选择以使纤芯能够支持在1550nm波长下X数量的LP模的光信号的传播和传输，其中X是大于1并且不大于20的整数；以及

(ii)围在玻璃纤芯周围并与玻璃纤芯直接接触的玻璃。

优选地，1＜X＜20。根据一些实施例，光纤纤芯进一步包括GeO₂。

根据一些实施例，光纤包括由玻璃包层围住的玻璃纤芯。玻璃纤芯被掺杂了大于700ppm的Er₂O₃、至少0.5重量％的Al₂O₃和优选5-25重量％的GeO₂，具有半径3μm≤R₁≤15μm；相对于玻璃包层从0.7％至1.5％之间的最大相对折射率变化Δ_1MAX，以及在50μm²和150μm²之间的LP01模的有效面积。玻璃纤芯支持在1550nm波长下具有X数量的LP模的光信号的传播和传输，其中X是在1550nm波长下大于1且小于20(优选地不大于10)的整数。玻璃包层围住并直接接触玻璃纤芯并具有最大折射率Δ_4MAX，其中玻璃纤芯包括最大相对折射率Δ_lMAX以使Δ_1MAX>Δ_4MAX。

应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者描述了各实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的主题事项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。附图示出本文所述的各个实施例，并与说明书一起用于说明所要求保护的主题事项的原理和操作。

附图简述

图1示意地示出根据本文描述的实施例的少模掺铒光纤的横截面；

图2A是与图1对应的一个光纤实施例的相对折射率分布的示例性标绘图；

图2B是与图1对应的另一光纤实施例的另一相对折射率分布的示例性标绘图；

图3是与图1对应的两个制造的光纤实施例的相对折射率分布的标绘图；

图4是使用少模掺铒光纤的示例性放大器系统的示意图。

具体实施方式

下面将详细参照用于长途传输光纤的光纤实施例，其例子示出于附图中。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标号来指示相同或类似的部件。

命名

下面的术语在本文中用来描述光纤，一些参数结合各示例性实施例在下面予以介绍和定义。

本文中使用的术语“折射率分布”是折射率或相对折射率与光纤半径之间的关系。

本文中使用的术语“相对折射率”被定义为：

Δ(r)＝[n(r)²–n_REF ²)]/2n(r)²,

其中n(r)是在半径r处的折射率，除非另有规定。相对折射率在1550nm下被定义，除非另外指明。在一个方面，基准折射率n_REF是二氧化硅玻璃。在另一方面，n_REF是包层的最大折射率。如本文中使用地，相对折射率以Δ表示，而且其值以“％”单位给出，除非另外指明。在一区域的折射率小于基准折射率n_REF的情况下，相对折射率百分比为负且被称为具有下陷区或折射率下陷，而且最小相对折射率在相对折射率负值最大的点处被计算出，除非另外指明。在一区域的折射率大于基准折射率n_REF的情况下，相对折射率百分比为正，而且该区域可被认为是凸起的或具有正折射率。

本文中使用的术语“向上掺杂”指相对于纯的、未掺杂的SiO₂升高玻璃的折射率的掺杂。本文中使用的术语“向下掺杂”指相对于纯的、未掺杂的SiO₂降低玻璃的折射率趋势的掺杂。向上掺杂在伴随有不是向上掺杂剂的一种或多种其它掺杂剂时，可存在于具有负的相对折射率的光纤的区域中。同样，不是向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。向下掺杂剂在伴随有不是向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。同样，不是向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的区域中。

在本文中，光纤的有效面积“A_eff”是光在其中传播的光纤面积，它被定义为：

$A_{\mathrm{eff}}=2\mathrm{\π}\frac{{\left({\∫}_0^{\∞}{E}^2\mathrm{rdr}\right)}^2}{{\∫}_0^{\∞}{E}^4\mathrm{rdr}},$

其中E是与光纤中传播的光关联的电场，而r是光纤的半径。有效面积在1550nm波长下被确定，除非另外指明。

模场直径(MFD)是在单模光纤内传播的光的光点尺寸或波束宽度的量度。模场直径是源波长、光纤纤芯半径以及光纤折射率分布的函数。MFD是使用PetermanII方法确定的，其中：

MFD＝2w，以及

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

其中E是与光纤中的电场分布，而r是光纤的半径。

模的截止波长是一旦被超过模就停止在光纤内传播的最小波长。单模光纤的截止波长是光纤在其之下仅支持一个传播模的最小波长。单模光纤的截止波长对应于较高次模间的最高截止波长。典型地，最高截止波长对应于LP11模的截止波长。在1990年纽约Marcel Dekker所出版的Jeunhomme的“Single Mode Fiber Optics”(单模光纤光学)第3944页中给出理论截止波长的一种数学定义，其中理论纤维截止被描述为模传播常数变得等于外包层中的平面波传播常数时的波长。

如本文中使用的，“少模光纤”指支持比单模光纤更多模的传播但比寻常多模光纤模数更少(即不大于20LP模)的光纤。在具有任意折射率分布的圆柱对称光纤中的传播模数及其特征是通过求解标量波方程获得的(例如参见T.A.Lenahan的“Calculation of modes in an optical fiber using a finite element method and EISPACK(使用有限元方法和EISPACK计算光纤中的模)”Bell Syst，科技期刊，62卷，第一部，2663页，1983年2月)。

在光纤或其它介质波导中传播的光形成混合型模，这些混合型模为简化起见经常被称为LP(线性偏振)模。LP0p模具有两个偏振自由度并具有两重衰弱，LP1p模是四重衰弱，具有两个空间和两个偏振自由度，而LPmp模(m＞1)也是四重衰弱的。当我们指定光纤中传播的LP模数时，我们不计这些衰弱。例如，其中仅有LP01模传播的光纤是单模光纤，即便该LP01模具有两种可能的偏振。其中LP01和LP11模传播的少模光纤由于LP11模是双重衰弱的而支持三个空间模态，并且每个模也具有两种可能的偏振，由此给出总共6个模。由此，当光纤被认为具有两个LP模时，这意味着该光纤支持全部LP01模和LP11模的传播。

本文中使用的术语“α分布”或“阿尔法分布”指相对折射率分布，它以Δ表示，其单位为“％”，其中r是半径，并且它遵循下列方程：

$\mathrm{\Δ}={\mathrm{\Δ}}_{1\max }[1-{\left(\frac{r}{R_1}\right)}^{\mathrm{\α}}],$

其中Δ_1MAX是最大相对折射率，R₁是纤芯的半径，r在范围r_i<r<r_f内，Δ如前所述那样定义，r_i是α分布的最初点，r_f是α分布的最末点，而α是一实数幂。对于阶跃折射率分布，α值大于或等于10。对于渐变折射率分布，α值小于10。术语“抛物线”在本文中包括α＝2±0.1的基本抛物线形折射率分布以及其中纤芯的曲率在0.1*R₁-0.95*R₁的半径范围内被表征为α＝2±0.1的分布。

本文中除非另外指明，这里描述和下面讨论的光纤的前述属性在1550nm下被测量和建模。

图1是根据本公开的少模光纤(“光纤”)10的一个实施例的示意性横截面图。下面参照光纤的横截面图和对应折射率分布的标绘图描述光纤10的各示例性实施例。图2示出光纤10的示例性实施例的示例性折射率分布。

光纤10包括少模纤芯20和包层50。包层可由一个或多个覆层(未示出)围绕。也就是说，纤芯20传播1个以上并且不大于10个光学模式。也就是说，纤芯20在1550nm下支持X数量的LP模的光信号的传播和传输，其中X是大于1并且不大于20的整数，例如X＝19,X＝16,X＝12,X＝10,X＝9,X＝6,X＝4,X＝3或X＝2。所披露的少模掺铒光纤适于放大模分复用传输系统中的信号，在该传输系统中每个模承载一个或多个独立的信号信道。原则上，模数越大，信息容量就越多。但如果模数过大，就难以设计模分复用/解复用组件以分离这些模。另外，模间的模耦合成为问题。2和20之间的模数是最佳选择。优选地，模数是2-10。纤芯20的外径是R₁而包层50的外径是R₄。

纤芯20掺杂以Er₂O₃以进行光放大。申请人发现，为了设计少模掺铒光纤10，人们有若干应当考虑的组分参数。为了减少模耦合的可能性，减小光纤10的长度是较为有利的。长度减小的光纤10可通过用适当高水平的铒(例如700ppm或更高)来掺杂玻璃从而获得。在纯二氧化硅或掺杂GeO₂的二氧化硅中的铒的可溶性低，并且如果纳入适当高水平的铒，铒离子不均匀地透过玻璃扩散，由此导致铒-铒相互影响和较低的泵浦效率。为了增加纤芯20中铒的可溶性，并因此增加光纤纤芯的要求面积内的铒分布的均匀性，优选地应当将Al₂O₃作为助熔剂纳入到玻璃中以获得更均匀的铒离子分布。尽管相对低水平的1-3重量％的Al₂O₃能实现这个目的，其优选具有1)大于7重量％的Al₂O₃以影响铒离子环境，这导致更宽的增益谱；以及2)低于10重量％的Al₂O₃，这是由于与纳入更高Al₂O₃水平的可溶性问题所导致的。在基于二氧化硅的光纤10中，为了通过引入折射率修正掺杂剂获得具有要求的Δ相对于半径的少模光纤分布，存在优选层次的组合分布。首先，优选的是，适当水平的Er₂O₃具有其分配的折射率贡献，其次目标水平的Al₂O₃应当优选地具有其分配的折射率贡献。根据目标分布形状，剩余的Δ贡献应当由适当的折射率修正掺杂剂(例如Ge(如果需要增加Δ))满足，或者如果需要减小纤芯Δ的话则需要向下掺杂剂。更具体地，若用作向下掺杂剂，氟是优选地掺杂剂，因为硼在铒发射波长范围内形成吸收。对于向上掺杂剂使用，GeO₂是优选的，因为它对铒发射谱具有最小影响并且在多数二氧化硅光纤生产设施中容易获得。光纤制造领域内技术人员将认识到，也可引入其它向上掺杂剂(P,Ti,Cl,Ga,Zr,Nb,Ta等)，只要对稀土发射的影响对该设计被计算在内。Er₂O₃的掺杂浓度优选地大于300ppm，更优选地大于500ppm，甚优选地大于700ppm且小于5000ppm(例如1000ppm-3000ppm，或者1000-1500ppm)。优选地，Al₂O₃被加至纤芯20和/或贯穿纤芯地均匀分配Er，以最小化铒离子之间的潜在有害的相互作用和/增加放大带宽。优选地，Al₂O₃的浓度大于0.5重量％，更优选地大于2％，并甚优选地在6和10％之间。图2A中示意地示出纤芯折射率分布。分布的形状可通过α-分布来描述的。纤芯折射率分布可以是阶跃折射率(α＞10)或渐变折射率分布(α＜10)。例如，在具有渐变折射率纤芯的实施例中，α值在1550nm下可大于或等于约1.8并小于或等于约2.2。为了获得纤芯中要求的相对折射率增加，GeO₂可以被加至纤芯20，对纤芯20的GeO₂浓度(如果利用GeO₂)优选地是5-25重量％，更优选地在10-25重量％。纤芯Δ在0.3-2％之间，更优选地在0.4-1.5％(例如0.6％,0.7％,0.8％,1％,1.25％,或两者之间)，相对于玻璃包层而言。纤芯直径R1在3μm≤R₁≤15μm的范围内。根据纤芯Δ选择纤芯半径R₁，以在1550nm波长下支持至少两个模。优选地，LP11模的截止大于2000nm，更优选地大于2500nm。光纤的数值孔径NA大于0.15并小于0.3，例如0.15和0.25之间或0.18和0.22之间或0.15和0.2之间。LP01模的有效面积可以在对于较高纤芯Δ的20μm²(例如20μm²、30μm²、40μm²或其间的任何数)和200μm²(对于较低纤芯Δ)之间，例如在20μm²和70μm²之间、或在25μm²and60μm²之间或25和50μm²之间。

纤芯分布设计的另一实施例示意地示出在图2B中。如该图所示，在该实施例中，玻璃包层包括低折射率环层53和围住并与少模玻璃纤芯20直接接触的可选内包层52。内包层52可具有相对折射率Δ₂以使Δ_1MAX≥Δ₂，其中Δ_1MAX是纤芯20的最大折射率分布Δ(相对于外包层)，并且Δ₂是内包层52的折射率Δ。如本文中定义的，在这些实施例中其具有窄的中心线尖峰，在该尖峰之外测量Δ_1MAX，即从中心线大约0.5μm的距离。低折射率环53可围住并直接接触内包层，或替代地围住并直接接触纤芯20。优选地，低折射率环53具有小于-0.2％的最小相对折射率变化Δ_ring MIN；例如小于-0.25％、小于-0.3％，或者-0.6％<Δ_ring MIN<-0.2％。外包层54可围住并直接接触低折射率环。低折射率环53相对于外包层具有最小相对折射率Δ_3MIN，并且外包层54相对于纯二氧化硅玻璃具有最大相对折射率Δ_4MAX，以使Δ_1MAX>Δ_4MAX>Δ_3MIN。在该实施例中，低折射率环53被设置在中央纤芯20和包层54之间。该纤芯类似于前面在图2A中描述的纤芯设计。如前所述，环53可毗邻于中央纤芯20(未示出)或离中央纤芯具有一间距，如图2B所示。偏移R₂-R₁(内包层52的宽度)在0-15μm之间。环层53的相对折射率变化Δ₃在-0.15至0％之间。在图2B所示的实施例中，低折射率环53具有R₂的起始半径和R₃的结束半径。低折射率环具有Δ_3MIN的折射率变化以及R₃-R₂的环宽度W。它可以由具有折射率减小的掺杂剂(例如F或B)掺杂的玻璃制成。优选地，Δ_3MIN在-0.1和-0.7％之间，更优选地在-0.3and-0.5％之间。环宽度W优选地在2-8μm之间，更优选地在4-6μm之间。在该实施例中，低折射率环53的折射率分布的横截面是矩形的，但低折射率环的相对折射率分布可以是其它形状，比如三角形或抛物线，以在光纤设计中实现额外的模场控制。

表1和表2给出光纤10的十四个建模的分布例子的参数。例1-10具有如图2A所示的简单纤芯设计，例11-14具有带纤芯和低折射率环的分布。例1-7具有阶跃折射率纤芯，而例8-14具有渐变折射率纤芯。

表1

例	1	2	3	4	5	6	7
								Δ1(％)	0.34	0.5	0.75	1	1.5	2	0.3
Er2O3(ppm)	500	600	700	800	1000	1500	800
								Al2O3(重量％)	4.1	6.0	8.4	9.0	10.4	7	3.6
GeO2(重量％)	0	0	0.75	4.0	4.7	22	0
								R1(um)	7	6.5	5.8	5	4	3	10.5
α	200	200	200	200	200	200	20
								Δ2(％)	0	0	0	0	0	0	0
R2(um)	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a
								Δ3(％)	0	0	0	0	0	0	0
R3(um)	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a
								Δ4(％)	0	0	0	0	0	0	0
模数	5	7	8	8	8	6	10
								LP11截止(um)	2.150	2.423	2.653	2.647	2.604	2.266	2.894
MFD(um)	12.6	11.1	9.6	8.3	6.7	5.3	16.1
								Aeff(um2)	133.6	106.7	80.7	60.0	38.7	23.6	230.1

表2

图3示出使用OVD过程制造的掺铒少模光纤的两个示例性实施例的分布。对于两种光纤，纤芯内的Er₂O₃掺杂浓度为大约1300ppm，纤芯内的GeO₂掺杂浓度为大约13％，并且纤芯内的Al₂O₃掺杂浓度为大约7.9％.作为结果的最大纤芯折射率Δ为大约1.38％。光纤光学参数依赖于纤芯半径。对于图3的示例性实施例(见实线曲线)，纤芯半径为3.4μm，而对于图3的示例性实施例2(虚线曲线)，纤芯半径为4.2μm。图3所示的两光纤实施例包括掺杂有铒和至少0.5重量％Al₂O₃少模纤芯20以及直接毗邻于并围住纤芯的内包层52。尽管在一些实施例中，内包层具有相对平坦的相对折射率分布(如图2B所示)，图3示出内包层区52的相对折射率也可随着增加的半径而减小。在这两个实施例中，区52的外径R2为大约20μm。图3的实施例不利用低折射率环，但利用从20μm至62.5μm的半径延伸的外包层54(未示出)。如前所述，如本文中定义的，在具有窄中心线尖峰的光纤实施例(如图3所示)中，Δ_1MAX在该尖峰外被测量，即在从中心线大约0.5μm的距离。由此，对于图3中的两个实施例，Δ_1MAX为1.4％。在操作中基于计算出的光性质测得的折射率分布在下面的表3中被概括。

表3

光纤10的实施例可放大由少模传输光纤提供的每个模的光信号，并适于生产用于MDM系统的少模光放大器。

根据一些实施例，光放大器包括Er掺杂的少模光纤10、光耦合至掺铒的少模光纤的至少一个泵浦光源以及耦合至所述光纤以将信号光提供给掺铒的少模光纤的至少一个光耦合器。由此，光耦合器可将来自少模传输光纤的光耦合至放大光纤，在该实施例中，放大光纤是掺铒的少模光纤。另一光耦合器可将放大的光(若干放大的模)耦合至少模传输光纤，在该实施例中，少模传输光纤是掺铒的少模光纤。由此，较为有利地，在放大后，需要被放大的多模可通过单个光放大器放大。另外，较为有利地，来自放大器的输入单模信号不需要被转换回输出少模传输光纤中的模，就像利用单模(SM)放大光纤的放大器那样。

图4示意地示出少模光放大器100。该光放大器100包括多个泵浦光源110(例如激光二极管LD₁,LD₂,…LFn)、光耦合器120和掺铒的少模光纤10。掺铒的光纤10的长度是在几米(例如1-2米)至几百米(例如300米)之间，这依赖于光纤10的增益系数。泵浦激光二极管LD1-LDn通过光耦合器111而光耦合到光纤103，并随后通过光耦合器112耦合至少模掺铒光纤10以提供泵浦光从而激励少模光纤10中的所有的模。来自少模传输光纤120的泵浦光和光信号被组合并通过光耦合器112耦合至掺铒的少模光纤10。掺铒的少模光纤10吸收泵浦光并将能量传递至光信号以放大它们。可通过调整泵浦波长下的每个模的泵浦功率来调整每个模的光增益。可选的光学滤波器可被设置在光学滤波器10的输出处，以获得1530至1610nm波长之间的波长带内的平的增益谱。

在本文示出和描述的实施例中，纤芯20包括纯二氧化硅玻璃(SiO2)或具有一种或多种掺杂剂的二氧化硅玻璃，所述一种或多种掺杂剂相对于纯的、未掺杂的二氧化硅玻璃增加了玻璃纤芯的折射率。增加纤芯的折射率的适当掺杂剂包括但不限于GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅和/或其组合。

包层50可包括纯二氧化硅玻璃(SiO₂)或具有一个或多个掺杂剂的二氧化硅玻璃。包层可具有一个或多个区，例如内包层和外包层。包层可包括例如当包层为“向上掺杂”时增加折射率的掺杂剂(例如GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅和/或Ta₂O₅)、或者当包层(例如内包层)为“向下掺杂”时具有减小折射率的掺杂剂(例如氟)的二氧化硅玻璃，只要纤芯20的最大相对折射率[Δ_1MAX]大于包层50的最大相对折射率[Δ_4MAX]。例如，在一个实施例中，包层50是纯二氧化硅玻璃。

光纤10可包括接触并围住外环包层区的主覆层62以及次覆层64。示例性主覆层62具有小于0.35MPa的原位模量，其优选地小于0.3MPa，更优选地小于0.25MPa，并在优选实施例中不大于0.2MPa。示例性主覆层62具有小于-35℃的原位玻璃转变温度，优选地小于-40℃，更优选地小于-45℃，并在优选实施例中不超过-50℃。具有低的原位模量的主覆层减少了微弯曲，所述微弯曲是在光纤中传播的模之间的耦合机制。由于为了向光纤放大器提供最小可能的覆盖面积，光纤10可能略微弯曲地封装，因此优选的是减小光纤10中的宏观弯曲损失。次覆层64接触并围住主覆层62。次覆层64具有大于1200MPa的原位模量，优选地大于1300MPa，更优选地大于1400MPa，并在优选实施例中大于1500MPa。具有高原位模量的次覆层减少了微弯曲，所述微弯曲是在光纤中传播的模之间的耦合机制。

主覆层62优选地具有小于约40μm的厚度，更优选地在大约20μm至大约40μm之间，最优选地在大约20μm至大约30μm之间。主覆层62典型地被施加至玻璃光纤并随后固化，如下文中更详细描述的那样。改善主覆层的一种或多种特性的多种添加剂也可存在，包括前述类型的抗氧化剂、附着促进剂、PAG复合物、光敏剂、载体表面活性剂、增粘剂、催化剂、稳定剂、表面活性剂以及光增亮剂。

披露了数种适当的主覆层组合物，例如Chien等人的美国专利No.6,326,416、Winningham等人的6,531,522、Fewkes等人的6,539,152、Winningham的6,563,996、Fewkes等人的6,869,981、Baker等人的7,010,206和7,221,842以及Winningham的7,423,105，其每一篇被援引于此以供参考。

外(或次)覆层材料中使用的其它适当材料以及关于这些材料的选择的考量是业内公知的并且记载在Chapin的美国专利No.4,962,992和5,104,433中，其每一个全篇地援引于此作为参考。

本发明的光纤可使用用于制备玻璃光纤及其覆层的传统抽塔(draw tower)技术来制备。简单地说，制造根据本发明的覆层光纤的过程涉及制造纤芯和包层具有要求配置的玻璃光纤；用主覆层组成物(62)、外覆层组成物(64)涂覆玻璃光纤，并随后使所有覆层同时固化。这已知为湿对湿(wet-on-wet)工艺。可选择地，每个之后施加的覆层组成可在聚合下面的覆层之前或之后被施加至有覆层的光纤。在施加之后施加的覆层之前使下面的覆层聚合已知为湿上干(wet-on-dry)工艺。当使用湿上干工艺时，必须采用附加的聚合步骤。

公知的是从专门制备的圆柱形预制棒中抽出玻璃光纤，该圆柱形预制棒已被局部地和对称地加热至一温度，例如大约2000℃的温度。当预制棒被加热时，例如通过将预制棒送入和通过熔炉，从熔化的材料中抽出玻璃光纤。在光纤从预制棒被抽出后，主、中间和次覆层组成被施加至玻璃光纤，优选地在冷却之前立即这样做。覆层组成随后被固化以产生带覆层的光纤。固化方法优选地通过使玻璃光纤上的未固化覆层组合物露出于紫外光或电子束来实现。经常较为有利的是在抽拉工艺之后的工序施加若干覆层组合物两者。将覆层组合物的双层施加至移动玻璃光纤的方法记载在Taylor的美国专利No.4,474,830和Rennell等人的4,851,165，这每一件专利全篇地援引包含于此作为参考。

在该实施例中，光纤覆层60毗邻于并围住包层50并包括至少两个层：接触并围住包层50的主覆层62以及次覆层64。在一示例性实施例中，主覆层62具有小于约0.35MPa的原位模量、小于约-35℃的原位玻璃转变温度，并且次覆层64围住主覆层62并具有大于1200MPa的原位模量。

优选地，在这些实施例中，纤芯20具有从大约3μm至大约15μm(例如4μm至12μm)的半径R₁并相对于玻璃包层50(或其外包层54)具有从大约0.2％至大约0.55％的最大相对折射率Δ_1MAX。又如，Δ_1MAX可以是例如0.45％并且R₁可以是大约10μm。另外，例如Δ_1MAX可以是0.35％，并且R₁可以是大约11μm，或者Δ_1MAX可以是0.55％而R₁可以是大约9μm。优选地，纤芯20包括在1550nm波长下α值大于1.8并小于约2.7的渐变折射率并且Δ_3MIN<-0.1％。在一些例子中，纤芯20包括在1550nm波长下α值大于2.3并小于约2.7的渐变折射率并且Δ_2MIN<-0.1％。优选地，低折射率环53和纤芯20之间的间距(包层区52的厚度)R₂–R₁大于2mm；例如，R₂–R₁>3μm，R₂–R₁>4μm或R₂–R₁>5μm。优选地，低折射率环53具有最小相对折射率变化Δ_3MIN<-0.2％；例如Δ_3MIN<-0.25％、Δ_3MIN<-0.3％或-0.6％<Δ_3MIN<-0.2％。在这些实施例中，低折射率环53具有比纯二氧化硅玻璃更低的相对折射率变化(并且相对于纯二氧化硅是向下掺杂的)。也要注意，光纤10的一些实施例利用内包层52和外包层54，但不具有低折射率环53。在至少一些实施例中，外包层54是纯(未掺杂的)二氧化硅。

优选地，LP01有效面积Aeff在1550nm下大于约20μm²并小于约250μm²，并且LP11模的理论截止波长大于约2000nm。更优选地，LP01有效面积Aeff在1550nm下大于约20μm²并小于约200μm²。最优选地，LP01有效面积Aeff在1550nm下大于约25μm²并小于约150μm²。优选地，LP01和LP11模之间的相对延迟在1550nm波长下小于约0.5ns/km。在一些示例性实施例中，LP11模的相对延迟(相对于LP01模)小于0.25ns/km，并在一些例子中小于0.1ns/km。在这些示例性实施例中，LP01模的衰减小于0.2dB/km。

根据一些实施例，MPI在1550nm波长下小于-20dB；根据其它实施例，MPI在1550nm波长下小于-25dB；根据其它实施例，MPI在1550nm波长下小于-30dB；并根据其它实施例，MPI在1550nm波长下小于-35dB。根据一些实施例，MPI在1550nm波长下小于-20dB并且LP11模的理论截止大于2.4μm。根据其它实施例，MPI在1550nm波长下小于-25dB并且LP11模的理论截止大于2.25μm。根据其它实施例，MPI在1550nm波长下小于-30dB并且LP11模的理论截止大于2.15μm。根据其它实施例，MPI在1550nm波长下小于-35dB并且LP11模的理论截止大于2.0μm。

对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离要求保护的主题事项的精神和范围的情况下对本文描述的实施例作出各种修改和变化。由此，旨在使说明书覆盖本文描述的各实施例的多种修正和变化，只要这些修正和变化落在要求保护的权利要求书及其等效物的范围内。

Claims (18)

1.一种光纤，包括：

(i)掺杂了大于300ppm的Er₂O₃和至少0.5重量％的Al₂O₃的玻璃纤芯，其具有从大约3μm至大约15μm的半径R₁、相对于玻璃包层的0.3％至2％之间的最大相对折射率变化Δ_1MAX、在1550nm下介于10μm²和100μm²之间的LP01模的有效面积，玻璃纤芯半径R₁和折射率被选择以使纤芯能够支持在1550nm波长下具有X数量的LP模的光信号的传播和传输，其中X是大于1且小于20的整数；以及

(ii)围住所述玻璃纤芯并直接接触所述玻璃纤芯的玻璃包层，其中所述玻璃纤芯包括最大相对折射率Δ_lMAX，由此Δ_1MAX>Δ_4MAX。

2.一种光纤，包括：

(i)掺杂了大于700ppm的Er₂O₃、至少0.5重量％的Al₂O₃以及0-25重量％GeO₂的玻璃纤芯，其具有半径3μm≤R₁≤15μm、相对于玻璃包层的0.7％至1.5％的最大相对折射率变化Δ_1MAX、在1550nm下介于50μm²和150μm²之间的LP01模的有效面积，所述玻璃纤芯支持在1550nm波长下具有X数量的LP模的光信号的传播和传输，其中X是在1550nm波长下大于1且小于20的整数；以及

(ii)围住所述玻璃纤芯并直接接触所述玻璃纤芯的玻璃包层，其中所述玻璃纤芯包括最大相对折射率Δ_lMAX，由此Δ_1MAX>Δ_4MAX。

3.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述纤芯被内包层和外包层围绕，并且所述内包层具有比纯二氧化硅更大的相对折射率Δ。

4.如权利要求2或3所述的光纤，其特征在于，所述纤芯被内包层和外包层围绕，并且所述内包层具有比所述外包层更大的折射率。

5.如权利要求4所述的光纤，其特征在于，所述纤芯内的Al₂O₃的浓度是在6％和10％之间。

6.如前面任何一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述纤芯的折射率分布被构造成在1550nm下提供大于约2.0μm的LP11模的理论截止波长以及大于110μm²的LP01有效面积。

7.如前面任何一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述纤芯的折射率分布被构造成提供大于约2.5μm的LP11模的理论截止波长。

8.如前面任何一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述光纤包括具有渐变折射率分布的纤芯，其在1550nm波长下具有大于或等于约1.8且小于约2.2的α值。

9.如前面任何一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述光纤包括阶跃折射率分布。

10.如权利要求9所述的光纤，其特征在于，所述纤芯内的Al₂O₃的浓度大于2重量％。

11.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，所述纤芯内的Al₂O₃的浓度是在6和10重量％之间。

12.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述纤芯的折射率分布被构造成在1550nm下提供大于约2.0μm的LP11模的理论截止波长以及大于110μm²的LP01有效面积。

13.如权利要求1或12所述的光纤，其特征在于，所述纤芯的折射率分布被构造成提供大于约2.5μm的LP11模的理论截止波长。

14.如前面任何一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述光纤包括具有渐变折射率分布的纤芯，其在1550nm波长下具有大于或等于约1.8且小于约2.2的α值。

15.如前面任何一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述光纤包层包括低折射率环、围住所述环的外包层，以使所述低折射率环相对于外包层的最小折射率Δ小于-0.2％。

16.如前面任何一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述最小折射率Δ是在-0.6和-0.2％之间。

17.如前面任何一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述光纤进一步包括主覆层和次覆层，并且所述主覆层具有小于约0.35MPa的原位模量，而所述次覆层围住所述主覆层并具有大于1200MPa的原位模量。

18.一种光放大器，包括：

(i)根据前述任意一项权利要求所述的光纤；以及

(ii)光学耦合至所述光纤的至少一个泵浦光源，

以及至少一个光耦合器，其耦合至所述光纤以向所述光纤提供信号光。