CN104345381B - 多模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多模光纤，该多模光纤设置有这样的区域：在该区域，纤芯的外周区域中的折射率相对于α次方折射率分布的理想形状具有偏差并且偏差量的绝对值不小于0.005％，以便生成辐射模，并且包层的折射率高于偏差区域的折射率。

Description

多模光纤
技术领域
本发明涉及一种多模光纤。
背景技术
众所周知，与用于长距离光传输的单模光纤相比，多模光纤因其结构而具有更大的传输损耗。另一方面，由于多模光纤允许在光纤之间进行比较容易的熔接以及在设备之间进行比较容易的连接，因此多模光纤常用在LAN(局域网)等近距离信息传输的应用中。为了改善近距离信息传输，人们也对用于降低多模光纤的前述传输损耗的技术和通信频带的扩展(实现更宽的带宽)进行了研究。
发明内容
本申请的发明人对常规多模光纤进行了详细研究，并且发现了以下问题。应注意到，在本说明书中，没有任何特指的简单表述“光纤”指的是“多模光纤”。
多模光纤是已知的其中传播着多个模(模式)的光传输介质。然而，特别是当这些模中的辐射模(具有较大的群时延差(差分群时延)的高次模)沿多模光纤的纵向传播时，传播模之间的群时延差将会增大；因此在实现多模光纤的更宽带宽方面存在限制。
具体而言，当纤芯具有α次方折射率分布时，在纤芯的外周区域中，折射率沿径向的变化率变大，因此实际制造的光纤的纤芯的折射率往往会偏离设计值。如果实际的折射率分布偏离其理想形状，则模间色散会增大；因此，光纤的制造误差也是阻碍实现多模光纤中的更宽带宽的因素。
为了解决上述问题而完成了本发明，并且本发明的目的在于提供一种多模光纤，其具有用于减少传播模之间的群时延差的结构，从而能够实现更宽的带宽。
本发明涉及一种具有GI(渐变折射率)型折射率分布的GI型多模光纤，该多模光纤包括折射率从中心轴线沿径向连续下降的区域(其为具有α次方折射率分布的区域)，并且这种多模光纤就结构而言明显与用于长距离传输的单模光纤不同。GI型多模光纤还包括具有设置在纤芯区域的外周面上且具有低折射率的沟槽部的GI型多模光纤(在下文中也称为BI(弯曲不敏感)型多模光纤)、以及具有由高折射率的纤芯区域和低折射率的包层区域构成的一般结构的多模光纤。
根据本发明的实施例的多模光纤至少包括：纤芯，其沿着多模光纤的中心轴线延伸并且具有α次方折射率分布；以及包层，其设置在纤芯外侧。可以通过采用纤芯的外周面与包层直接接触的接触式结构来构造多模光纤。还可以通过采用除了纤芯和包层之外还具有设置在纤芯与包层之间的中间层的多层结构来构造多模光纤。
根据本实施例的多模光纤通过将相对于基模具有较大群时延差的高次模主动地耦合到包层模(或通过将高次模主动地泄漏到包层侧)而能够实现更宽的带宽。具体而言，本实施例的第一方面包括用于将在远离纤芯的中心区域的外周区域中生成的具有较大群时延差的模(高次模)泄漏到位于纤芯外侧的包层中的结构。这能够将纤芯中的传播模之间的群时延差保持为较小，以便实现多模光纤中的更宽带宽。在本说明书中，纤芯的中心区域限定为光密度基本上不足以显著影响传播模之间的群时延差的区域，并且限定为沿径向与中心轴线相距的距离不超过纤芯半径的20％的区域。纤芯的外周区域限定为围绕该中心区域的区域，并且限定为以下区域：在该区域中，折射率沿径向的变化率较大，在光纤的制造过程中实际折射率分布往往会偏离设计值，并且如果实际发生了偏离则容易因折射率的偏差而生成辐射模。
在本实施例的第一方面中，纤芯包括：折射率分布遵循α次方折射率分布的区域；以及折射率相对于α次方折射率分布的理想形状具有偏差并且就相对折射率差而言偏差量的绝对值不小于0.005％的区域(其被称为分布偏差部)；偏差量的绝对值最大的点位于纤芯的外周区域(处于纤芯内部并且与中心相距的距离超过纤芯半径的20％的部分)中，并且位于具有比包层的折射率低的折射率的低折射率区域中。该低折射率区域可以是比纤芯的外周区域宽的区域。
作为适用于第一方面的第二方面，纤芯的中心区域中的折射率可以高于包层的折射率。当对纤芯的中心区域的折射率高于包层的折射率的情况与纤芯的中心区域的折射率低于包层的折射率的情况进行比较时，在纤芯的中心区域的折射率高于包层的折射率的情况下，可以将光纤弯曲造成的传输损耗保持为比在后一种情况下光纤弯曲造成的传输损耗低。
作为适用于第一方面和第二方面中的至少任一方面的第三方面，包层优选地为掺杂有氯的包层。作为适用于第一方面至第三方面中的至少任一方面的第四方面，可以通过采用纤芯的外周面与包层直接接触的结构来构造多模光纤。另一方面，作为适用于第一方面至第三方面中的至少任一方面的第五方面，如上所述，可以通过采用还包括设置在纤芯与包层之间并且具有比包层低的折射率的中间层的结构来构造多模光纤。通过第四方面和第五方面中的任一方面，也可以将纤芯中的传播模之间的群时延差保持为较小，以便能够实现更宽的带宽。
从下面给出的详细说明和附图中能够更充分地理解根据本发明的各个实施例。所示出的这些实施例仅用于说明的目的，因此不应被视为对本发明的限制。
从下文中给出的详细说明可以清楚地得知本发明的进一步的应用范围。然而，应理解的是，虽然详细的说明和具体实例表示本发明的优选实施例，但它们仅为了说明的目的而示出，并且很显然，对于本领域技术人员显而易见的是，从该详细说明中能够理解本发明的范围内的各种修改和改进。
附图说明
图1A是示出根据第一实施例的多模光纤的横截面结构的视图，而图1B是其折射率分布图。
图2是用于说明分布偏差部的实例的视图。
图3是示出图1A所示的多模光纤的横截面的一部分的视图，其作为图1A中用A表示的区域的放大图。
图4是用于说明分布偏差部的另一实例的视图。
图5A是示出根据第二实施例的多模光纤的横截面结构的视图，而图5B是其折射率分布图。
图6是根据比较例的多模光纤的折射率分布图。
图7是根据第一实施例和第二实施例的多模光纤以及根据比较例的多模光纤的各个样本中的群时延差的发生状况的比较的表格。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述根据本发明的多模光纤的各个实施例。在对附图的描述中，相同的元件将用相同的附图标记表示，而不进行重复说明。
(第一实施例)
图1A是示出根据第一实施例的多模光纤的横截面结构的视图，而图1B是其折射率分布图。
图1A所示的第一实施例的多模光纤1具有沿着中心轴线AX(其与光轴一致)延伸的纤芯11和设置在纤芯11的外周面上的包层12。纤芯11具有外径2a，含有GeO2(二氧化锗)，并且具有折射率从与中心轴线AX一致的中心沿径向连续下降的α次方折射率分布。纤芯11在其中心处具有最大折射率n1，并且在纤芯11与包层12之间的界面处具有最小折射率n2。包层12含有氯，具有外径2b，并且具有不小于最小折射率n2的折射率n3。包层12的折射率n3可以高于纤芯11的最大折射率n1。
多模光纤1具有图1B所示的折射率分布150。图1B所示的折射率分布150示出了在与图1A中的中心轴线AX(光轴)垂直的线L1上的各个部分的折射率，并且折射率分布150对应于沿多模光纤1的径向的折射率分布。更具体而言，从纤芯中心(与中心轴线AX一致的半径r＝0处的位置)到半径r＝a的区域151是与纤芯11对应的区域，而半径r大于a且不大于b的范围内的区域152是与包层12对应的区域。
通过拉制具有与图1B所示的折射率分布150类似的形状的折射率分布的光纤母材(preform)来获得具有图1B所示的折射率分布150的多模光纤1。作为实例，通过以下步骤获得光纤母材：用OVD(外部气相沉积)法制备与纤芯11对应的掺杂有用于调节折射率的GeO2的纤芯母材、使纤芯母材经受脱水、烧结、拉伸等步骤、并且之后在所得到的纤芯母材的外周上用VAD(汽相轴向沉积)法进一步制出与包层12对应的含有用于调节折射率的氯的外周部。通过改变GeO2、氯等的沿径向的掺杂量可以控制光纤母材的折射率分布的形状。例如，o.v.mazurin等人发表的“玻璃数据手册A部分：石英玻璃和二元硅酸盐玻璃(handbook ofglass data Part A,silica glass and binary silicate glasses)”(ELSEVIER，pp.582-583，1983(文献1))示出了添加在作为光纤的主要材料的玻璃材料中的GeO2的掺杂量与玻璃材料的折射率之间的关系。
如图1B所示，纤芯11具有α次方折射率分布，并且由半径不超过纤芯半径a的20％的中心区域和围绕中心区域的外周区域构成。在纤芯11的外周区域中，存在具有比包层12低的折射率的低折射率区域S。由于在纤芯11的折射率变化率较大的外周区域(其为在光纤制造过程中难以控制折射率分布的区域)中往往会形成包括如下部分的分布偏差部D：在该部分中，纤芯的折射率分布相对于α次方折射率分布的理想形状具有偏差，并且就相对折射率差而言偏差的最大值不小于0.005％，因此低折射率区域S设置为包括在该外周区域中。低折射率区域S设置为包括沿多模光纤1的径向限定了分布偏差部D的区域R中的分布偏差最大的点。由于纤芯11中的各个部分的折射率与包层12的折射率之间的关系限定了纤芯11的外周区域与低折射率区域S之间的关系，因此很自然地，低折射率区域S可以大于纤芯11的外周区域(其为位于纤芯内部并且与纤芯中心相距的距离超过纤芯半径的20％的区域)。当包层12的折射率n3高于纤芯11的中心部分(沿径向与纤芯的中心轴线相距的距离不超过半径的20％的部分)中的最低折射率(与纤芯中心相距的距离为纤芯半径的20％的点处的折射率)时，低折射率区域S变为大于纤芯的外周区域。相反，如果包层12的折射率n3低于纤芯11的中心部分(沿径向与纤芯的中心轴线相距的距离不超过半径的20％的部分)中的最低折射率(与纤芯中心相距的距离为纤芯半径的20％的点处的折射率)，则低折射率区域S变为小于纤芯的外周区域。如果包层12的折射率n3大于纤芯的最大折射率n1，则整个纤芯都变为低折射率区域S。
图2是详细示出形成在低折射率区域S中的分布偏差部D的视图。在图2中，虚线150a表示纤芯的α次方折射率分布的理想形状(其将被称为理想分布)。
即，纤芯11中的折射率分布的形状由指数α限定，通常该指数α选自1.9至2.3的范围内的数值。具体而言，由下面的表达式(1)给出纤芯11的最大折射率n1相对于纤芯11的最小折射率n2的最大相对折射率差Δ。由下面的表达式(2)给出具有半径a的纤芯的与纤芯中心相距的距离为r处的折射率n(r)的理想分布150a。
在这些表达式中，a表示纤芯半径，n1表示纤芯中心处的折射率(最大折射率)，以及Δ表示纤芯11相对于上述半径r＝a处的折射率的最大相对折射率差。
本第一实施例按如下方式构造而成：在纤芯11的外周区域中的具有比包层12低的折射率的低折射率区域S中，由不小于半径r1且不超过半径r2的区域R限定相对于理想分布150a具有不小于0.005％的偏差的分布偏差部D，并且在区域R中还存在具有最大偏差的点(半径rmax)。
图3是示出图1A所示的多模光纤的横截面的一部分的视图，其作为图1A中用A表示的区域的放大图。
如图3所示，被包层12围绕的纤芯11由包括中心轴线AX(其与纤芯中心一致)的中心区域和围绕中心区域的外周区域构成。具体而言，中心区域限定为光密度基本上不足以显著影响传播模之间的群时延差的区域，并且限定为沿径向与中心轴线AX的距离不超过纤芯半径a的20％的区域。另一方面，图3阴影所示的区域表示具有比包层12低的折射率的低折射率区域S。由于纤芯11中的各个部分的折射率与包层12的折射率之间的关系限定了纤芯11的外周区域与低折射率区域S之间关系，因此外周区域与低折射率区域S并非总是一致，但图3虚线所示的分布偏差部D形成在纤芯11的外周区域与低折射率区域S之间的重叠区域中，并且形成为围绕多模光纤1的中心轴线AX。整个纤芯11可以设置为低折射率区域S。
具有上述结构的第一实施例的多模光纤1构造为：在纤芯11的外周区域中，具有比包层12低的折射率的低折射率区域S中的分布偏差部D(生成具有较大群时延差的辐射模的区域)具有用于将在分布偏差部D中生成的辐射模耦合至包层模(或将它们泄漏到位于纤芯11外侧的包层12中)的结构(在该结构中，纤芯的折射率与遵循理想分布的折射率的最大偏差不小于0.005％，并且最大偏差的点在低折射率区域中)。这种构造能够将纤芯11中的传播模之间的群时延差保持为较小，以便实现多模光纤1的更宽带宽。
对于分布偏差部D而言，存在分布偏差部D具有比理想分布高的折射率的情况或分布偏差部D具有比理想分布低的折射率的情况。在比理想分布低的情况中，折射率的最大偏差为比理想分布低不小于0.005％。例如，如图4所示，相对于理想分布150a，可以连续存在具有更高折射率的部分和具有更低折射率的部分。分布偏差部D可位于纤芯11的最外层部分中，并且包层12可以位于紧靠分布偏差部D外侧的位置。
(第二实施例)
图5A是示出根据第二实施例的多模光纤2的横截面结构的视图，而图5B是其折射率分布图。
图5A所示的第二实施例的多模光纤2具有沿着中心轴线AX(其与光轴一致)延伸的纤芯21、设置在纤芯21的外周面上的中间层22、设置在中间层22的外周面上的包层23。纤芯21具有外径2a，含有GeO2，并且具有折射率从与中心轴线AX一致的纤芯中心沿径向连续下降的α次方折射率分布。纤芯21在其中心(纤芯中心与中心轴线AX一致)处具有最大折射率n1，并且在纤芯21与中间层22之间的界面处具有最小折射率n2。中间层22具有外径2b和折射率n2。包层23含有氯，并且具有外径2c和不小于最小折射率n2的折射率n3。与第一实施例一样，包层23的折射率n3可以不超过纤芯21的最大折射率n1，并且可以高于纤芯21的最大折射率n1。
多模光纤2具有图5B所示的折射率分布250。图5B所示的折射率分布250示出了在与中心轴线AX(光轴)垂直的线L2上的各个部分的折射率，并且折射率分布250对应于沿多模光纤2的径向的折射率分布。更具体而言，从纤芯中心(半径r＝0处的位置)到半径r＝a的区域251是与纤芯21对应的区域，半径r大于a且不大于b的范围内的区域252是与中间层22对应的区域，并且半径r大于b且不大于c的范围内的区域253是与包层23对应的区域。
与第一实施例一样，通过拉制具有与图5B所示的折射率分布250类似的形状的折射率分布的光纤母材同样可以获得具有图5B所示的折射率分布250的多模光纤2，并且通过改变GeO2、氯等的沿径向的掺杂量可以控制光纤母材的折射率分布的形状。在上述文献1中示出了添加在作为光纤的主要材料的玻璃材料中的GeO2的掺杂量与玻璃材料的折射率之间的关系。
在本第二实施例的多模光纤2中，纤芯21中的中心区域与外周区域之间的关系、纤芯21中的外周区域与低折射率区域S之间的关系、形成分布偏差部D的区域、以及理想分布与实际α次方折射率分布之间的偏差的定义均与前述第一实施例相同(参见图2和图3)。然而，作为纤芯21中的各个部分的相对折射率差的基准的折射率限定为中间层22与包层23之间的边界处(图5B中的半径b处的位置)的折射率，即，纤芯21的最小折射率n2。与第一实施例一样，具有α次方折射率分布的纤芯21由半径不超过纤芯半径a的20％的中心区域和围绕中心区域的外周区域构成。与图3所示的实例类似，至少在纤芯21的外周区域中存在围绕中心轴线AX的具有比包层23低的折射率的低折射率区域S。在低折射率区域S中形成有相对于理想形状的α次方折射率分布具有不小于0.005％的偏差的分布偏差部D(参见图3)。在沿多模光纤2的径向限定了分布偏差部D的不小于半径r1且不超过半径r2的区域R中存在分布偏差最大的点(半径rmax处的点)。位于半径rmax处的这个点存在于低折射率区域S中。纤芯21中的各个部分的折射率与包层23的折射率之间的关系限定了纤芯21的外周区域与低折射率区域S之间的关系，并且低折射率区域S可以大于纤芯21的外周区域。这与第一实施例描述的情况相同。
具有上述结构的第二实施例的多模光纤2同样构造为：分布偏差部D(生成具有较大群时延差的辐射模的区域)具有用于将在该分布偏差部D中生成的辐射模耦合至包层模(或将它们泄漏到位于纤芯21外侧的包层23中)的结构。这种构造能够将纤芯21中的传播模之间的群时延差保持为较小，以便实现多模光纤2的更宽带宽。
(比较例)
图6示出了为了说明根据前述第一实施例和第二实施例的多模光纤1、2的具体效果(图7所示的群时延差的发生状况)而准备的比较例。图6是根据比较例的多模光纤的折射率分布350，并且光纤的横截面结构与图1A所示的横截面结构相同。即，如图6所示，比较例的多模光纤具有沿着中心轴线AX(其与光轴一致)延伸的纤芯和设置在纤芯的外周面上的包层。纤芯具有外径2a和折射率从纤芯中心沿径向连续下降的α次方折射率分布。纤芯在其中心(与中心轴线AX一致的纤芯中心)处具有最大折射率n1，并且在纤芯与包层之间的界面处具有最小折射率n2。包层具有外径2b和等于纤芯的最小折射率n2的折射率。此外，在比较例的多模光纤中，在纤芯的外周区域(与纤芯中心相距的距离不小于纤芯半径的20％的区域)中同样形成有分布偏差部D，在该分布偏差部D中实际α次方折射率分布相对于理想分布150a具有不小于0.005％的偏差。
图7是用于比较根据第一实施例的多模光纤1的样本1、根据第二实施例的多模光纤2的样本2、以及比较例的多模光纤中的每一个中的群时延差的发生状况的表格。
在所准备的各个多模光纤的样本1、2中，纤芯中心处的最大折射率n1为1.471，纤芯的最小折射率n2为1.456，并且包层的折射率n3为1.460。纤芯的外径2a为25μm。分布偏差部D中的相对于α＝2.08的理想分布的最大偏差为0.01％，并且沿纤芯半径的具有最大偏差的位置是与纤芯中心相距的距离为20μm(与纤芯中心相距的距离为rmax)的位置。
另一方面，在所准备的比较例的多模光纤中，纤芯中心处的最大折射率n1为1.471，并且纤芯的最小折射率n2和与最小折射率n2相等的包层的折射率n3均为1.456。纤芯的外径2a为25μm。分布偏差部D中的相对于α＝2.08的理想分布的最大偏差为0.01％，并且沿纤芯半径的具有最大偏差的位置是与纤芯中心相距的距离为20μm(与纤芯中心相距的距离为rmax)的位置。
从图7中可以看出，在具有上述结构的样本1、2这两者中，在相对于基模LP01,1的群时延差中，高次模的群时延差比较小(即，在样本1、2中识别不出六次以上的高次模在纤芯中的传播)。另一方面，在比较例中识别出了六次以上的高次模在纤芯中的传播。结果，可以确认的是，样本1、2能够实现比比较例更宽的带宽。
如上所述，通过采用将在纤芯的具有比包层低的折射率的外周区域中可能生成的高次模主动地耦合到包层模中的结构，本发明能够容易地实现多模光纤中的更宽带宽。
从本发明的上述描述中可以很明显地得知：可以以各种方式对本发明进行修改。此类修改不能被认作是脱离了本发明的精神和范围，并且所附权利要求的范围意欲涵盖对于本领域技术人员显而易见的所有改进。

Claims (5)

1.一种多模光纤，包括：纤芯；以及设置在所述纤芯的外侧的包层，
其中，在与所述多模光纤的中心轴线垂直的横截面中，所述纤芯由与所述中心轴线相距的距离不超过所述纤芯的半径的20％的中心区域和围绕所述中心区域的外周区域构成，
所述纤芯包括：折射率分布遵循α次方折射率分布的区域；以及折射率相对于所述α次方折射率分布的理想形状具有偏差并且就相对折射率差而言偏差量的绝对值不小于0.005％的区域，所述偏差量的绝对值最大的点位于所述外周区域中，并且所述纤芯在所述偏差量的绝对值最大的所述点外侧的折射率低于所述包层的折射率。
2.根据权利要求1所述多模光纤，其中，所述纤芯的所述中心区域中的折射率高于所述包层的折射率。
3.根据权利要求1所述多模光纤，其中，所述包层掺杂有氯。
4.根据权利要求1所述多模光纤，其中，所述纤芯的外周面与所述包层接触。
5.根据权利要求1所述多模光纤，还包括中间层，所述中间层设置在所述纤芯与所述包层之间，并且具有比所述包层低的折射率。
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