CN104685394A - 多模光纤和包含该光纤的系统 - Google Patents

多模光纤和包含该光纤的系统 Download PDF

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Abstract

一种示例性多模光纤包含渐变折射率玻璃纤芯，该渐变折射率纤芯具有41-80μm范围内的直径、阿尔法值小于2.04的渐变折射率和0.6％-1.8％范围内的最大相对折射率。包层包含下陷折射率环形部分。光纤在1200-1700nm之间的至少一个波长处的过满注入带宽大于2.5GHz·km。

Description

多模光纤和包含该光纤的系统
相关申请的交叉参考
本申请要求2012年5月31日提交的美国优先权专利申请第13/484970号和2012年7月20日提交的美国申请第13/553899号的优先权，它们的全部内容作为本申请的基础并通过引用结合到本文中，在此要求其优先权。
发明背景
本发明总体涉及光纤通信，更具体地涉及多模光纤，其可特别用于1310nm和/或1550nm窗口的波分复用。
高性能计算与数据中心设备通常需要大量处理器之间的互联，而在这些系统中采用多模(MM)光纤是具有成本效益的，因为纤芯直径大，从而对准容差更宽松。这些系统通常在850nm的波长窗口工作，利用相对廉价的VCSEL激光源。光纤在850nm具有较高色散，这导致光信号迅速变宽。这种高色散是对最大系统长度的主要限制，特别是在25GHz及以上的数据调制速率下。此外，光纤衰减在850nm相对较高，这在系统长度超过几十米的情况下对性能有不利影响。
发明概述
根据一些实施方式，本发明提供了一种多模光纤。该光纤包含渐变折射率玻璃纤芯，所述玻璃纤芯的直径在41-80μm范围内；渐变折射率具有α分布，其中1.95≤α≤2.04；最大相对折射率在0.6％-1.8％的范围内，例如0.6％-1.6％。该光纤还包含包围所述纤芯并与所述纤芯接触的包层。所述包层包含下陷折射率(depressed-index)环形部分。该光纤在1200nm与1700nm之间(例如1260nm与1610nm之间)的至少一个波长处的过满注入带宽(overfilled bandwidth)大于2500MHz·km。
纤芯优选具有数值孔径NA，其中0.16<NA<0.26。根据一些实施方式，包层包含内环形部分，该内环形部分具有相对折射率Δ2，该相对折射率Δ2在一阶微商d(Δ/Δ1最大)/d(r/R1)等于-2.5的径向位置测得。
根据一些实施方式，包层包含包围纤芯并与所述纤芯接触的内环形部分，包围该内环形部分的下陷折射率环形部分，以及包围该下陷折射率部分并与该下陷折射率部分接触的外环形部分。
高性能计算与数据中心设备通常需要大量处理器之间的互联，而在这些系统中采用本文所讨论的多模光纤可降低连接器成本，因为其对准容差没有采用单模(SM)光纤的系统严格。此外，相比于在850nm工作的常规系统，在1310nm和/或1550nm窗口工作的系统具有显著的性能优势，因为其光纤色散和衰减更低。这对于25GHz及以上的数据调制速率尤其重要，在此数据调制速率下，光信号的色散变宽导致大量故障。此外，与在850nm工作、基于VCSEL的常规系统相比，在1310nm和/或1550nm窗口采用硅光子收发器的高数据速率系统有利地需要低得多的电功率。有利的是，在1310nm或1550nm窗口，本文所述的光纤和系统既可与VCSEL激光源一起使用，也可与硅光子激光源一起使用。
需要一种多模光纤，它能在1310nm窗口传输至少一路在25GHz及以上调制的信号，传输距离至少为100m。本文所述的光纤实施方式能在1310nm窗口传输至少四路在25GHz及以上调制的信号，传输距离至少为100m。本文所述的一些光纤实施方式还能在1310nm窗口传输至少四路在25GHz及以上调制的信号，传输距离至少为300m。本文所述的一些光纤实施方式还能在1310nm窗口传输至少四路在25GHz及以上调制的信号，传输距离至少为500m。
类似地，需要一种多模光纤，它能在1550nm窗口传输至少一路在25GHz及以上调制的信号，传输距离至少为100m。本文所述的光纤实施方式能在1550nm窗口传输至少四路在25GHz及以上调制的信号，传输距离至少为100m。本文所述的一些光纤实施方式还能在1550nm窗口传输至少四路在25GHz及以上调制的信号，传输距离至少为300m。本文所述的一些光纤实施方式还能在1550nm窗口传输至少四路在25GHz及以上调制的信号，传输距离至少为500m。
在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与文字描述一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
附图简要说明
图1是一个实施方式中具有下陷折射率环形部分的多模光纤的一个示例性实施方式的玻璃部分横截面的折射率分布示意图(非按比例绘制)；
图2是图1所示多模光纤的横截面图(非按比例绘制)；
图3是说明多模光纤的一个示例性实施方式的折射率分布的曲线图；
图3A是说明多模光纤的另一个示例性实施方式的折射率分布的曲线图；
图4是说明多模光纤的三个示例性实施方式的宏弯损耗随波长变化的曲线图；
图5是利用多模光纤的一个实施方式的传输系统的示意图。
发明详述
下面详细说明本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
“折射率分布”表示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”定义为Δ＝100×[n(r)2-ncl 2)]/2n(r)2，其中n(r)是距光纤中心线的径向距离为r处的折射率，ncl是外包层在1310nm波长处的平均折射率。除非另有说明，当光纤直径为125μm时，ncl通过在约45-55μm之间的半径范围内对折射率求平均值来确定，例如其中在45≤r≤55μm范围内有N个数据点，且N至少为2。在光纤直径2·R4不等于125μm的实施方式中，ncl通过在约0.72·R4与0.88·R4之间的半径范围内对折射率求平均值来确定。一方面，包层包含基本上纯的二氧化硅。在其他方面，包层可包含二氧化硅和一种或多种增大折射率的掺杂剂(例如GeO2,Al2O3,P2O5,TiO2,ZrO2,Nb2O5和/或Ta2O5)，此时包层相对于纯二氧化硅是“向上掺杂”(up-doped)的。包层也可包含二氧化硅和一种或多种减小折射率的掺杂剂(例如F和/或B)，此时包层相对于纯二氧化硅是“向下掺杂”(down-doped)的。除非另有说明，否则，本文所用的相对折射率用德尔塔或Δ表示，其值通常以“％”为单位给出。在本文中，术语相对折射率、德尔塔、Δ、Δ％、％Δ、德尔塔％、％德尔塔和百分比德尔塔可互换使用。在一个区域的折射率小于包层折射率的情况下，相对折射率是负值，称作具有下陷折射率，并且除非另有说明，否则，在相对折射率为最大负值处计算得到。在一个区域的折射率大于二氧化硅的折射率的情况下,相对折射率是正值，该区域可称作突起的，或者具有正的折射率，除非另外说明,否则，在相对折射率为最大正值处计算得到。
在本文中，“向上掺杂剂(up-dopant)”视为倾向于提高相对于未掺杂的纯SiO2的折射率的掺杂剂。在本文中，“向下掺杂剂(down-dopant)”视为倾向于降低相对于未掺杂的纯SiO2的折射率的掺杂剂。向上掺杂剂可存在于光纤中具有负的相对折射率的区域，同时伴有一种或多种不是向上掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，一种或多种不是向上掺杂剂的其他掺杂剂可存在于光纤中具有正的相对折射率的区域内。向下掺杂剂可存在于光纤中具有正的相对折射率的区域，同时伴有一种或多种不是向下掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，一种或多种不是向下掺杂剂的其他掺杂剂可存在于光纤中具有负的相对折射率的区域内。
如本文所用，1310nm窗口定义为1200nm-1400nm的波长范围，或者此波长范围的子范围。例如，1260-1400nm,1260-1360nm,1270-1350nm,1280-1340nm或1290-1330nm(例如1260nm,1290nm,1310nm,1330nm,1350nm,1370nm或1400nm)。
如本文所用，1550nm窗口定义为1500nm-1600nm的波长范围，或者此波长范围的子范围。例如，1520-1580nm,1530-1570nm,1540-1600nm,1540-1580nm或1530-1570nm(例如1500nm,1510nm,1520nm,1530nm,1540nm,1560nm,1570nm,1580nm,1590nm或1600nm)。
本文所用的光纤数值孔径是指用题为“数值孔径的测量方法和测试程序”(Measurement Methods and Test Procedures-Numerical Aperture)的TIASP3-2839-URV2 FOTP-177 IEC-60793-1-43所提出的方法测量的数值孔径。
如本文所用，术语渐变折射率、“α-分布”或者“阿尔法分布”指相对折射率分布，用Δ表示，单位为“％”，其中r为半径，可用以下方程式表示，
&Delta; ( r ) = &Delta; 0 [ 1 - ( r R 1 ) &alpha; ] ,
其中Δ0是外推到r＝0处的相对折射率，R1是纤芯半径(即Δ(r)为零处的半径(参见图1))，α是实数指数。对于台阶式折射率分布，α值大于或等于10。对于渐变式折射率分布，所述α值小于10。本文所用的术语“抛物线”包括基本上呈抛物线形的折射率分布曲线，它在纤芯中的一个或多个点上可稍微偏离α值为2.0的情况；“抛物线”还包括有少量变化和/或中心线下沉的分布曲线。用于例释本发明的模拟折射率分布具有渐变折射率纤芯，其为完美的阿尔法分布。实际制造的光纤可与完美的阿尔法分布稍有偏离，包括诸如中心线处的下沉或尖峰以及/或者纤芯外界面处的扩散尾之类的特征。不过，阿尔法和Δ0的准确值可通过在0.1R1≤r≤0.9R1的半径范围将测得的相对折射率分布相对于阿尔法分布进行数值拟合来获得。在没有诸如中心线处的下沉或尖峰之类的缺陷的理想渐变折射率光纤中，Δ0＝Δ1最大，其中Δ1最大是纤芯的最大折射率。在其他情况中，通过在0.1R1≤r≤0.9R1范围内的数值拟合得到的Δ0值可大于或小于Δ1最大。
本文提供了多模光纤的各种实施方式，其纤芯直径提供了改进的性能特征。所述多模光纤具有渐变折射率纤芯和包围所述纤芯并与所述纤芯接触的包层。根据本文所述的实施方式，纤芯直径为41μm至约80μm。在一些示例性实施方式中，纤芯直径在约60-65μm之间，与市售的62.5μm MMF的纤芯直径相当。在其他示例性实施方式中，纤芯直径在约47-53μm之间，与市售的50μmMMF的纤芯直径相当。在一些示例性实施方式中，纤芯直径在约70-78μm之间，为耦接到光收发器上提供了更大的对准容差。在其他示例性实施方式中，纤芯直径在约41-50μm之间，减少了光纤中传播模数量，并能获得更高的带宽。
纤芯还具有渐变折射率，其阿尔法(α)值不小于1.95且不大于2.04，优选等于或小于2.03，更优选在1.96-2.03之间，甚至更优选在1.974-2.02之间(例如1.974,1.975,1.976,1.978,1.979,1.98,1.981,1.982,1.983,1.985,1.99,2.002,2.006,2.007,2.008,2.009,2.01,2.012，2.015或这些数值之间的范围)。这些阿尔法值在1310nm窗口能获得高光纤带宽。纤芯还具有0.6％-1.8％(优选0.6％-1.6％)范围内的最大折射率，例如0.6％,0.65％,0.7％,0.8％,0.85％,0.9％,0.95％,1％,1.05％,1.1％,1.2％,1.3％,1.5％,1.6％,1.7％,1.8％。在一些实施方式中，纤芯具有0.7％-1.2％范围内的最大折射率。在其他实施方式中，纤芯具有0.85％-1.15％，优选0.88％-1.1％，更优选0.9-1.05％范围内的最大折射率。例如，在一些实施方式中，纤芯还具有0.9％,0.93％,0.95％,0.98％,1％或1.05％的最大折射率德尔塔。
在本文所述的实施方式中，包层包含下陷折射率环形部分。包层优选包含包围纤芯并与所述纤芯接触的内环形部分，包围该内环形部分的下陷折射率环形部分，以及包围该下陷折射率部分并与该下陷折射率部分接触的外环形部分。
在一些实施方式中，光纤具有在1310nm大于2500MHz·km的过满注入带宽，在一些实施方式中具有在1310nm大于3750MHz·km的过满注入带宽。在一些实施方式中，光纤还具有在1310nm大于5000MHz·km的过满注入带宽；在一些实施方式中，光纤还具有在1310nm大于6000MHz·km甚至7500MHz·km的过满注入带宽。在一些实施方式中，过满注入带宽在1290-1330nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1290-1330nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在其他实施方式中，过满注入带宽在1270-1350nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1270-1350nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。1GHz·km等于1000MHz·km。
在一些实施方式中，光纤具有在1550nm大于2500MHz·km的过满注入带宽，在一些实施方式中具有在1550nm大于3750MHz·km的过满注入带宽。在一些实施方式中，光纤还具有在1550nm大于5000MHz·km的过满注入带宽；在一些实施方式中，光纤还具有在1550nm大于6000MHz·km甚至7500MHz·km的过满注入带宽。在一些实施方式中，过满注入带宽在1530-1570nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1530-1570nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在其他实施方式中，过满注入带宽在1510-1590nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1510-1590nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在一些实施方式中，过满注入带宽在1500-1600nm之间的一个或多个波长处等于或大于5.0GHz·km。
参考图1，它显示了一个实施方式中多模光纤100的玻璃部分10的横截面折射率分布示意图。玻璃部分10包含渐变折射率玻璃纤芯20和包围该纤芯20并与该纤芯20接触的玻璃包层60。根据一个实施方式，纤芯20可包含用锗掺杂的二氧化硅。根据其他实施方式，可在纤芯20内，特别是在光纤100的中心线处或附近单独或组合采用锗以外的掺杂剂，如Al2O3或P2O5。在该实施方式中，包层60包含内环形部分30、下陷折射率环形部分40和外环形部分50。内环形部分30包围该纤芯20并与该纤芯20接触。下陷折射率环形部分40包围该内环形部分30并与该内环形部分30接触。外环形部分50包围该下陷折射率环形部分40并与该下陷折射率环形部分40接触。包层60还可包含额外的部分(未显示)，如包围外环形部分50的附加玻璃部分。光纤100还可包含含有聚氨酯丙烯酸酯的保护性涂层以及包围包层60的丙烯酸酯一次涂层和二次涂层。
同时参考图1和图2，所示多模光纤100的玻璃部分10具有外半径为R1的纤芯20。根据一些实施方式，纤芯外半径R1满足20.5>R1>40μm，其对应于41-80μm之间的纤芯直径。例如，纤芯直径可以是41,42,45,48,50,55,60,62.5,65,70,72,75,78或80μm，或者它们之间的数值。在一些实施方式中，渐变折射率纤芯的阿尔法(α)值不大于2.04。例如，在一些实施方式中，阿尔法(α)值在1.9-2.04之间。在一些实施方式中，渐变折射率纤芯的阿尔法(α)值在1.98-2.02之间。在这些实施方式中，玻璃纤芯20优选还具有0.6％-1.6％范围内的最大相对折射率Δ1最大，在一些实施方式中在0.7％-1.2％范围内。
在一些实施方式中，渐变折射率纤芯的阿尔法(α)值在1.95-1.99、优选在1.975-1.985之间。在这些实施方式中，玻璃纤芯20优选还具有0.7％-1.6％之间、例如1.75％-1.55％之间的最大相对折射率Δ1最大。
例如，在一些实施方式中，α是1.95,1.97,1.975,1.976,1.977,1.978,1.98,1.981,1.982,1.982,1.983,1.984,1.985,1.987,1.99,2.0,2.005,2.007,2.009,2.01,2.015,2.02,2.03或2.04，或者它们之间的数值。
根据一个实施方式，纤芯外半径R1在22.5-27.5μm范围内，其对应于45-55μm范围内的纤芯直径。在一些实施方式中，渐变折射率纤芯的阿尔法(α)值小于2.04。例如，根据一个实施方式，玻璃纤芯20具有阿尔法(α)值约为1.97-2.02的渐变折射率。在该实施方式中，玻璃纤芯20还具有0.9％-1.1％范围内的最大相对折射率Δ1最大。根据另一个实施方式，纤芯渐变折射率具有1.975-2.02之间的α值，并且纤芯20具有0.95％-1.05％范围内的最大相对折射率Δ1最大。
根据一个实施方式，纤芯外半径R1在22.5-27.5μm范围内，其对应于45-55μm范围内的纤芯直径。在一些实施方式中，渐变折射率纤芯的阿尔法(α)值小于2.04。例如，根据一个实施方式，玻璃纤芯20具有阿尔法(α)值约为1.97-2.02的渐变折射率。在该实施方式中，玻璃纤芯20还具有0.9％-1.1％范围内的最大相对折射率Δ1最大。根据另一个实施方式，纤芯渐变折射率具有1.975-2.02之间的α值，并且纤芯20具有0.95％-1.05％范围内的最大相对折射率Δ1最大。
包层60的内包层部分30具有外半径R2、宽度W2、相对折射率Δ2和最大相对折射率Δ2最大。R2定义为归一化折射率分布相对于归一化半径的微商(在本文中也称作归一化斜率和归一化一阶微商)d(Δ/Δ1最大)/d(r/R1)等于-2.5处的半径，如图3A所示。折射率Δ2是一阶微商d(Δ/Δ1最大)/d(r/R1)等于-2.5的半径处的相对折射率，Δ1最大是最大纤芯Δ，R1是纤芯半径，它们通过将纤芯折射率分布拟合到阿尔法分布来估算，如下文进一步所述。内包层部分30的宽度W2可在0.5-4.0μm范围内，根据一些实施方式优选在0.5-2.5μm范围内，例如0.5μm≤W2≤2.5μm。内包层部分30的外半径R2优选在23-40μm范围内。在一些实施方式中，内包层的最大相对折射率Δ2最大约小于0.1％。在其他实施方式中，内包层的最大相对折射率Δ2最大约小于0.0％。在其他实施方式中，内包层的最大相对折射率Δ2最大在约-0.1％与约0.1％之间。
包层60的下陷折射率环形部分40具有最小相对折射率Δ3最小，并从R2延伸到R3，其中R3是从Δ3(r)＝Δ3最小处的半径处沿径向向外，Δ3(r)第一次达到大于-0.05％的数值处的半径。下陷折射率环形部分40具有径向宽度W3＝R3-R2。在一个实施方式中，下陷折射率环形部分40具有至少1μm的宽度W3。W3优选为2-10μm，更优选为2-8μm，甚至更优选为2-6μm。下陷折射率环形部分40可具有27-45μm范围内的外半径R3，更优选28-32μm，例如30-45μm或35-45μm。下陷折射率环形部分40具有小于约-0.2％的最小相对折射率Δ3最小，相对折射率Δ3最小更优选在-0.3％至-0.7％的范围内。该低折射率环的最小折射率Δ3最小小于或等于Δ2，也小于Δ1最大。
下陷折射率环形部分具有分布体积V3，它在本文中定义如下：
V 3 = 2 &Integral; R 2 R 3 &Delta; 3 ( r ) rdr
其中R2是上文定义的下陷折射率环形部分的半径，R3是上文定义的下陷折射率环形部分的外半径。对于本文所述的光纤，V3的绝对值优选大于20％·m2，在一些实施方式中大于40％·m2，在其他实施方式中大于60％·m2，更优选大于80％·m2，例如：大于90％·m2，大于95％·m2，大于100％·m2，或者大于110％·m2。在一些优选的实施方式中，V3的绝对值大于60％·m2且小于200％·m2。在其他优选的实施方式中，V3的绝对值大于80％·m2且小于160％·m2。在其他优选的实施方式中，V3的绝对值大于80％·m2且小于140％·m2。在其他优选的实施方式中，V3的绝对值大于60％·m2且小于120％·m2。
在一些实施方式中，下陷折射率环形部分40包含用氟和/或硼掺杂的二氧化硅。在一些其他实施方式中，下陷折射率环形部分40包含孔隙，所述孔隙以非周期性方式设置，或者以周期性方式设置，或者同时以这两种方式设置。所谓“以非周期性方式设置”或“以非周期性方式分布”表示从光纤的截面(例如垂直于纵轴的截面)来看,所述以非周期性方式设置的孔隙是随机地或者以非周期性方式分布在一部分光纤上。沿着光纤长度上不同的位置得到的类似截面将具有不同的截面空穴图案,即各种截面具有不同的空穴图案，而孔隙的分布和孔隙的尺寸不一致。也就是说，所述孔隙是非周期性的，即它们在光纤结构内不是周期性排布的。这些孔隙沿着光纤的长度(即平行于纵轴)拉长(伸长)，但是对于传输光纤的常规长度来说，不会在整根光纤的整个长度上延伸。所述孔隙可包含一种或多种气体，如氩气、氮气、氪气、CO2、SO2或氧气，或者所述孔隙可包含基本上没有气体的真空；不论存在还是不存在任何气体，环形部分50的折射率都因孔隙的存在而降低了。虽然不希望受到理论限制，但发明人相信空穴延伸长度小于几米，在许多情况下，沿着光纤长度延伸小于1米。本文所揭示的光纤100可以采用这样的方法制造，即所述方法所采用的预制件固结条件会造成大量的气体被捕获在固结的玻璃毛坯中,从而造成在固结的玻璃光纤预制件中形成孔隙。在本文中没有采取步骤来除去这些孔隙，而是使用所得的预制件形成其中包含孔隙的光纤。如本文所用，当从与光纤纵轴横交的垂直截面观察光纤的时候，空穴的直径为其端点设置在限定空穴的二氧化硅内表面上的最长线段。
根据一些实施方式，包层60的外环形部分50具有外半径R4，并具有相对折射率Δ4，Δ4大于Δ2、大于Δ3最小且小于Δ1最大。因此，在该实施方式中，Δ1 最大>Δ4>Δ2>Δ3最小。但是应理解，其他实施方式也是可能的。例如，Δ4可等于Δ2(例如，参见表1)。或者，Δ2可大于Δ4。根据一个实施方式，外半径R4约为62.5μm，从而得到约125μm的外光纤直径。
径向对称光纤的折射率分布依赖于径向坐标r，而与方位角坐标无关。在包括下文所述实施例在内的多数光纤中，折射率分布仅显示小折射率对比，这样的光纤可假定为仅仅是弱导性的。若这两个条件都得到满足，麦克斯韦(Maxwell)方程可简化为标量波方程，其解是线性极化(LP)模。
对于给定的波长，仅仅对于传播常数β的某些离散值，给定折射率分布的标量波方程的径向方程在r趋向于无穷大时才具有趋近于零的解。标量波方程的这些特征向量(横向电场)是光纤的导模，特征值是传播常数βlm，其中l是方位角指数，m是径向指数。在渐变折射率光纤中，LP模可分成几组，用主模数p＝l+2m-1的常规值标记。这些组中的模具有几乎简并的传播常数和截止波长，并趋于以相同的组速度(group velocity)通过光纤传播。
数值孔径(NA)定义为被全反射完全约束在光纤内的入射光的最大角(相对于光纤轴)的正弦。可以看到，该条件产生如下关系：其中n1是渐变折射率纤芯的最大折射率。利用德尔塔(Δ)的定义，该表达式可转换为如下方程式：
NA = n 1 2 &Delta; = n cl 2 &Delta; 1 - 2 &Delta;
给定波长处的过满注入带宽根据测量标准FOTP-204采用过满注入法测量。模拟带宽可按照T.A.Lenahan在“Calculation of Modes in an Optical FiberUsing the Finite Element Method and EISPACK”(利用有限元方法和EISPACK计算光纤模)，Bell Sys.Tech.J.，第62卷，第2663-2695(1983年)中概述的程序计算，该文的全部内容通过参考结合到本文中。利用该文献中的方程式47计算模态延迟；但要注意，dkcl/dω2项必须用dk2 cl/dω2替换，其中kcl＝2π·ncl/λ且ω＝2π/λ。模态延迟通常按单位长度归一化，以ns/km为单位表示。计算出来的带宽还假定折射率分布是理想的，没有诸如中心线下沉之类的扰动，因此，这些带宽代表给定设计的最大带宽。
宏弯性能按照FOTP-62(IEC-60793-1-47)测量：在10mm,20mm或30mm直径心轴上绕两圈(例如“2x10mm直径宏弯损耗”或“2x20mm直径宏弯损耗”)，然后利用环形通量(EF)发射条件测量弯曲导致的衰减增量。环形通量通过将过满注入脉冲发射到长2m的常规(即不是弯曲非敏感的)50μm多模光纤的输入端来测量，所述光纤在中点附近卷绕在1x25mm直径的心轴上。标准的50μm多模光纤具有约50μm的纤芯直径、约0.2的数值孔径以及包含渐变折射率纤芯和均匀包层的折射率分布。将标准的50μm光纤的输出端接合到在测光纤上，测得的宏弯损耗是在规定的弯曲条件下的衰减与没有发生弯曲时的衰减之比。
多模光纤100在1290-1610nm之间的至少一个波长处的过满注入带宽大于2500MHz·km，其数值孔径NA小于0.26，优选为0.16-0.26，更优选为0.17-0.21。过满注入带宽在1310或1550nm处优选大于3750MHz·km，在一些实施方式中在1310或1550nm处大于5000MHz·km。本文所述的一些光纤实施方式在1310nm处的过满注入带宽大于6000MHz·km，在一些光纤实施方式中在1310nm处的过满注入带宽大于7500MHz·km。在一些实施方式中，过满注入带宽在1290-1330nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1290-1330nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在其他实施方式中，过满注入带宽在1270-1350nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1270-1350nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。
本文所述的一些光纤实施方式在1350nm处的过满注入带宽大于6000MHz·km，在一些光纤实施方式中在1350nm处的过满注入带宽大于7500MHz·km。在一些实施方式中，过满注入带宽在1530-1570nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1530-1570nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在其他实施方式中，过满注入带宽在1510-1590nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1510-1590nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。
本文所述的一些光纤实施方式在1310nm处的2x10mm宏弯损耗小于2dB，其他光纤实施方式在1310nm处的2x10mm宏弯损耗小于1.5dB。在一些实施方式中，在1310nm处的2x10mm宏弯损耗小于1.0dB，在一些实施例中甚至小于0.8dB。本文所述的一些光纤实施方式在1310nm处的2x15mm宏弯损耗小于0.7dB，其他光纤实施方式在1310nm处的2x15mm宏弯损耗小于0.5dB。在一些实施方式中，在1310nm处的2x15mm宏弯损耗小于0.4dB，在一些实施例中甚至小于0.3dB。本文所述的一些光纤实施方式在1310nm处的2x20mm宏弯损耗小于0.6dB，其他光纤实施方式在1310nm处的2x20mm宏弯损耗小于0.4dB。在一些实施方式中，在1310nm处的2x20mm宏弯损耗小于0.3dB，在一些实施例中甚至小于0.2dB。
本文所述的一些光纤实施方式在1550nm处的2x10mm宏弯损耗小于2dB，其他光纤实施方式在1550nm处的2x10mm宏弯损耗小于1.5dB。在一些实施方式中，在1550nm处的2x10mm宏弯损耗小于1.0dB，在一些实施例中甚至小于0.8dB。本文所述的一些光纤实施方式在1550nm处的2x15mm宏弯损耗小于0.7dB，其他光纤实施方式在1550nm处的2x15mm宏弯损耗小于0.5dB。在一些实施方式中，在1550nm处的2x15mm宏弯损耗小于0.4dB，在一些实施例中甚至小于0.3dB。本文所述的一些光纤实施方式在1550nm处的2x20mm宏弯损耗小于0.6dB，其他光纤实施方式在1550nm处的2x20mm宏弯损耗小于0.4dB。在一些实施方式中，在1550nm处的2x20mm宏弯损耗小于0.3dB，在一些实施例中甚至小于0.2dB。
实施例
表1-4汇总了各种实施例，它们总体上安排为四组多模光纤实施方式，这些多模光纤根据本文所述并如图1所示的发明模拟成具有各种特性。多模光纤的各种光学性质利用折射率分布参数模拟。这些参数包括纤芯的相对折射率Δ1 最大、纤芯外半径R1和渐变折射率阿尔法(α)参数。此外，所述参数包括内环形部分40的相对折射率Δ2、内环形部分40的半径R2和内环形部分40的宽度W2。另外，所述参数包括下陷折射率环形部分50的最小相对折射率Δ3最小和下陷折射率环形部分50的外半径R3。进一步的计算包括在1270nm,1280nm,1290nm,1310nm,1330nm,1340nm和1350nm处的过满注入带宽，在1310nm处的传播LP模数，在1310nm处的色散和色散斜率，在1310nm处的衰减，单位为μm的纤芯直径，以及数值孔径。在表1-4的实施例中，光纤在1310nm窗口具有高过满注入带宽(BW)，原因是：(a)纤芯具有1.95-2.04之间的α值；(b)内环形部分40具有优化宽度W2。每个实施方式的最佳宽度取决于纤芯、内环形部分和下陷折射率环形部分的最大相对折射率。这些折射率分布使过满注入带宽在1310nm处大于2500MHz·km；在一些优选的实施方式中，在1310nm处的过满注入带宽大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在一些实施方式中，过满注入带宽在1290-1330nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1290-1330nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在其他实施方式中，过满注入带宽在1270-1350nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1270-1350nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。
表1列出了8个模拟实施方式，其中多模光纤100具有45-55μm之间的纤芯直径，该纤芯具有0.9％-1％之间的最大相对折射率Δ1最大。在这些示例性光纤实施方式中，1.98≤α≤2.04；在优选的实施方式中，1.99≤α≤2.03。在1310nm处的过满注入带宽大于7500MHz·km(7.5GHz·km)；在一些实施方式中，在1310nm处大于10GHz·km甚至15GHz·km。这些实施方式的数值孔径在0.185-0.215之间。在1310nm处的色散小于5ps/nm/km，并且在1310nm处的衰减小于0.7dB/km。
表1.
表2列出了7个实施方式，其中多模光纤100具有41-80μm之间的纤芯直径，该纤芯具有0.8％-1.3％之间的最大相对折射率Δ1最大。在这些示例性光纤实施方式中，1.98≤α≤2.04；在优选的实施方式中，1.99≤α≤2.03。在1310nm处的过满注入带宽大于7500MHz·km(7.5GHz·km)；在一些实施方式中，在1310nm处大于10GHz·km甚至15GHz·km。这些实施方式的数值孔径在0.185-0.215之间。在1310nm处的色散值小于5ps/nm/km，并且在1310nm处的衰减小于0.7dB/km。
表2.
表3列出了6个实施方式，其中多模光纤100具有41-80μm之间的纤芯直径，该纤芯具有0.6％-1.6％之间的最大相对折射率Δ1最大。在这些示例性光纤实施方式中，1.98≤α≤2.04；在优选的实施方式中，1.99≤α≤2.03。在1310nm处的过满注入带宽大于7500MHz·km(7.5GHz·km)；在一些实施方式中，在1310nm处大于10GHz·km甚至15GHz·km。在1310nm处的色散值小于5ps/nm/km，并且在1310nm处的衰减小于0.7dB/km。在这些实施方式的子集中，纤芯直径在50-80μm之间，且纤芯具有1.3％-1.6％之间的最大相对折射率Δ1最大。该实施方式子集的数值孔径在0.23-0.26之间。在这些实施方式的另一子集中，纤芯直径在41-50μm之间，且纤芯具有0.6％-0.9％之间的最大相对折射率Δ1最大。该实施方式子集的数值孔径在0.16-0.19之间。
表3.
表4列出了8个实施方式，其中多模光纤100具有41-80μm之间的纤芯直径，该纤芯具有0.6％-0.9％之间的最大相对折射率Δ1最大。在这些示例性光纤实施方式中，1.98≤α≤2.04；在优选的实施方式中，1.99≤α≤2.03。在1310nm处的过满注入带宽大于7500MHz·km(7.5GHz·km)；在一些实施方式中，在1310nm处大于10GHz·km甚至15GHz·km。在1310nm处的色散值小于5ps/nm/km，并且在1310nm处的衰减小于0.7dB/km。这些实施方式的数值孔径在0.16-0.19之间。在一些实施方式中，纤芯直径在45-55μm之间；在其他实施方式中，纤芯直径在60-65μm之间；在其他实施方式中，纤芯直径在41-50μm之间。
表4.折射率分布参数和模拟带宽
从表1-4可以看出，光纤实施例1-28各自在1310nm处具有大于2500MHz·km的过满注入带宽。根据至少一些实施方式，光纤在1310nm处具有大于5000MHz·km的过满注入带宽。根据至少一些实施方式，光纤在1310nm处具有大于7.5GHz·km的过满注入带宽。根据至少一些实施方式，光纤在1310nm处具有大于10GHz·km的过满注入带宽。根据至少一些实施方式，光纤在1310nm处具有大于20GHz·km的过满注入带宽。在一些实施方式中，过满注入带宽在1290-1330nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1290-1330nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在其他实施方式中，过满注入带宽在1270-1350nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1270-1350nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。
表1中的光纤实施例展示了一种多模光纤，其渐变折射率纤芯直径在45-55μm范围内，其包层包围纤芯并包含下陷折射率环形部分。这些光纤实施例在1310nm处具有大于2.5GHz·km的过满注入带宽。更具体地，表1中的光纤在1310nm处具有大于5GHz·km的过满注入带宽，在1310nm处甚至具有大于10GHz·km的过满注入带宽。类似地，表2展示了过满注入带宽在1310nm处大于11.5GHz·km、甚至在1310nm处大于15GHz·km的光纤。
较佳的是，光纤具有小于0.21的数值孔径，并且纤芯具有小于2.02(优选<2.01)的阿尔法值。这些光纤实施方式中至少有一些实施方式(参见例如示例性光纤8和19-28)具有非常大的过满注入带宽，例如在1310nm处的过满注入带宽大于20GHz·km。
制造光纤实施例29-32
实施例29.将包含GeO2-SiO2渐变折射率纤芯(相对于纯二氧化硅具有约0.75％的最大折射率，折射率分布大致具有抛物线形状)的1m长x 26.15mm直径的实心玻璃坯棒装到车床上。将85g SiO2(密度为0.36g/cc)烟炱通过火焰沉积法沉积到坯棒上，所得组件在1000℃于氦气和3％氯气组成的气氛中干燥2小时。在该步骤之后，以6mm/min的速度向下驱动该组件通过设置在1500℃下和100％氦气气氛中的热区，目的是将烟炱烧结成光纤预制件，该光纤预制件包含GeO2-SiO2渐变折射率纤芯和二氧化硅第一包层。然后将该预制件装到车床上，通过火焰沉积法沉积547g SiO2(密度0.36g/cc)烟炱，并按如下步骤烧结。所得组件首先在1125℃于氦气和3％氯气组成的气氛中干燥1小时，然后在1125℃于氦气环境中吹扫30分钟。然后，以14mm/min的速度向下驱动该组件通过设置在1460℃下、包含氦气和7.4％SiF4的气氛中的热区，目的是将烟炱烧结成外包预制件，该外包预制件包含氧化锗-二氧化硅渐变折射率纤芯、二氧化硅内包层和掺氟的第二包层。将预制件拉制成1m长x 18.75mm直径的坯棒，然后将该坯棒置于车床上，在此通过火焰沉积法沉积1879gSiO2烟炱。然后通过如下步骤烧结所得组件：先在氦气和3％氯气组成的气氛中于1000℃将其干燥2小时，然后以6mm/min的速度向下驱动该组件通过设置在1500℃下和100％氦气气氛中的热区。该过程将烟炱烧结成光纤预制件，该光纤预制件包含GeO2-SiO2渐变折射率纤芯、二氧化硅第一包层、掺氟的第二包层和二氧化硅外包层。然后，在设置为1000℃的氩气吹扫保持炉中将该预制件放置24小时。利用拉制炉以10m/s的速度将预制件拉制成长10km、直径为125μm的光纤，所述拉制炉具有长约8cm的热区，该热区设置在大约2000℃。所测得的光纤特性列于表5。
实施例30.将包含GeO2-SiO2渐变折射率纤芯(相对于纯二氧化硅具有约0.91％的最大折射率，折射率分布大致具有抛物线形状)和二氧化硅第一包层的1m长x 26.04mm直径的预制件装到车床上。渐变折射率纤芯直径与玻璃预制件直径之比约为0.94。通过火焰沉积法沉积596g SiO2(密度0.36g/cc)烟炱，并按如下步骤烧结。所得组件首先在1125℃于包含氦气和3％氯气的气氛中干燥1小时，然后在1125℃于氦气环境中吹扫30分钟。然后，以14mm/min的速度向下驱动该组件通过设置在1460℃下、由氦气和4.76％SiF4组成的气氛中的热区，目的是将烟炱烧结成外包预制件，该外包预制件包含氧化锗-二氧化硅渐变折射率纤芯、二氧化硅内包层和掺氟的第二包层。然后，将该预制件置于车床上，在此通过火焰沉积法沉积3575g SiO2烟炱。然后通过如下步骤烧结所得组件：先在氦气和3％氯气组成的气氛中于1000℃将其干燥2小时，然后以6mm/min的速度向下驱动该组件通过设置在1500℃下和100％氦气气氛中的热区。该过程将烟炱烧结成光纤预制件，该光纤预制件包含GeO2-SiO2渐变折射率纤芯、二氧化硅第一包层、掺氟的第二包层和二氧化硅外包层。然后，在设置为1000℃的氩气吹扫保持炉中将该预制件放置24小时。利用拉制炉以10m/s的速度将预制件拉制成长10km、直径为125μm的光纤，所述拉制炉具有长约8cm的热区，该热区设置在大约2000℃。所测得的光纤特性列于表5。
实施例31.将包含GeO2-SiO2渐变折射率纤芯(相对于纯二氧化硅具有约0.91％的最大折射率，折射率分布大致具有抛物线形状)和二氧化硅第一包层的1m长x 17.93mm直径的预制件装到为外气相沉积设计的车床上。渐变折射率纤芯直径与玻璃预制件直径之比约为0.94。通过火焰沉积法沉积172gSiO2(密度0.36g/cc)烟炱，并按如下步骤烧结。所得组件首先在1125℃于氦气和3％氯气组成的气氛中干燥1小时，然后在1125℃于氦气环境中吹扫30分钟。然后，以14mm/min的速度向下驱动该组件通过设置在1460℃下、由氦气和7.4％SiF4组成的气氛中的热区，目的是将烟炱烧结成外包预制件，该外包预制件包含氧化锗-二氧化硅渐变折射率纤芯、二氧化硅内包层和掺氟的第二包层。然后，将该预制件置于车床上，在此通过火焰沉积法沉积1255g SiO2烟炱。然后通过如下步骤烧结所得组件：先在氦气和3％氯气组成的气氛中于1000℃将其干燥2小时，然后以6mm/min的速度向下驱动该组件通过设置在1500℃下和100％氦气气氛中的热区。该过程将烟炱烧结成光纤预制件，该光纤预制件包含GeO2-SiO2渐变折射率纤芯、二氧化硅第一包层、掺氟的第二包层和二氧化硅外包层。然后，在设置为1000℃的氩气吹扫保持炉中将该预制件放置24小时。利用拉制炉以10m/s的速度将预制件拉制成长10km、直径为125μm的光纤，所述拉制炉具有长约8cm的热区，设置在大约2000℃。所测得的光纤特性列于表5。
实施例32.将包含GeO2-SiO2渐变折射率纤芯(相对于纯二氧化硅具有约0.93％的最大折射率，折射率分布大致具有抛物线形状)的1m长x 18.08mm直径的预制件装到为外气相沉积设计的车床上。通过火焰沉积法沉积1255gSiO2烟炱，并按如下步骤烧结。先在氦气和3％氯气组成的气氛中于1000℃将该组件干燥2小时，然后以6mm/min的速度向下驱动该组件通过设置在1500℃下和100％氦气气氛中的热区。该过程将烟炱烧结成光纤预制件，该光纤预制件包含GeO2-SiO2渐变折射率纤芯和二氧化硅外包层。然后，在设置为1000℃的氩气吹扫保持炉中将该预制件放置24小时。利用拉制炉以10m/s的速度将预制件拉制成长10km、直径为125μm的光纤，所述拉制炉具有长约8cm的热区，该热区设置在大约2000℃。所测得的光纤特性列于表5。
表5列出了实施例29-32，其中多模光纤100具有45-65μm之间的纤芯直径，该纤芯具有0.7％-1.2％之间的最大相对折射率Δ1最大。在实施例29-31中，内环形部分30具有大于约0.5μm且小于约4μm的宽度W2。在示例性光纤实施例29,30和31中，1.98≤α≤2.04。实施例32具有大于2.06的阿尔法值，但不含具有下陷折射率的内环形部分，因此在1300nm处的过满注入带宽小于2500MHz·km。实施例29-31的过满注入带宽在1300nm处大于3750MHz·km(3.75GHz·km)，且实施例30和31在1300nm处大于7.5GHz·km。实施例31的过满注入带宽在1300nm处还大于10GHz·km。这些实施例的数值孔径在0.16-0.24之间，并且对于实施例30和31而言在0.185-0.215之间。实施例29-31在1300nm处的衰减小于0.7dB/km，并且对于实施例30和31而言小于0.5dB/km。
表5.
表6-9汇总了总体上依据本文所述并如图1所示的发明的多模光纤实施例33-53中光纤100的实施方式的各种模拟特性。多模光纤的各种光学性质利用折射率分布参数模拟。这些参考包括纤芯的相对折射率Δ1最大、纤芯外半径R1和渐变折射率阿尔法(α)参数。此外，所述参数包括内环形部分40的相对折射率Δ2、内环形部分40的半径R2和内环形部分40的宽度W2。另外，所述参数包括下陷折射率环形部分50的最小相对折射率Δ3最小和下陷折射率环形部分50的外半径R3。进一步的计算包括在1510nm,1520nm,1530nm,1540nm,1550nm,1560nm,1570nm,1580nm和1590nm处的过满注入带宽，在1550nm处的色散和色散斜率，在1550nm处的衰减，单位为μm的纤芯直径，以及数值孔径。在表6-9的实施例中，光纤在1550nm窗口具有高过满注入带宽(BW)，原因是：(a)纤芯具有1.95-2.04之间的α值；(b)内环形部分40具有优化宽度W2。每个实施方式的最佳宽度取决于纤芯、内环形部分和下陷折射率环形部分的最大相对折射率。这些折射率分布使过满注入带宽在1550nm处大于2500MHz·km；在一些优选的实施方式中，在1310nm处的过满注入带宽大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在一些实施方式中，过满注入带宽在1530-1580nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1530-1580nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在其他实施方式中，过满注入带宽在1520-1590nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1520-1590nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在其他实施方式中，过满注入带宽在1510-1590nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1510-1590nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。在一些实施方式中，过满注入带宽在1500-1600nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km；在优选的实施方式中，在1500-1600nm范围内的所有波长处大于3750MHz·km,5000MHz·km甚至7500MHz·km。较佳的是，过满注入带宽在1500-1700nm范围内的所有波长处大于2500MHz·km。
表6.
表7.
表8.
表9.
图3显示了折射率分布，其中光纤的内环形部分30具有上文结合图1所述的折射率分布(粗深色曲线)。图3所示的实施例是根据表1所示实施例1构造的多模光纤，它包含渐变折射率纤芯和包围该纤芯的包层，其中包层包含内环形部分、包围该内环形部分的下陷环形部分和包围该下陷环形部分的外环形部分。纤芯的外半径R1为24.8μm，内环形部分的宽度为0.86μm。玻璃纤芯与内包层具有不同的阿尔法值。图3A显示了折射率分布(深色曲线)和归一化折射率分布的一阶微商(浅色细曲线)。
图4显示了实施例30-32绕直径为15mm的心轴2圈后所测的弯曲损耗。实施例30(方块)和31(三角)包含具有下陷折射率的内环形段，它们在1310nm处的2x15mm弯曲损耗小于0.5dB。在1260-1400nm之间的所有波长处的2x15mm弯曲损耗同样小于0.5dB。实施例32(实线)不包含具有下陷折射率的内环形段，它在1310nm处和1260-1400nm之间所有波长处的2x15mm弯曲损耗约大于0.7dB。
图5显示了利用多模光纤100的光传输系统的一个实施方式。根据一些实施方式，多模光纤100耦接到至少一个光源204，该光源在1200-1700nm(例如1260-1400nm或1490-1610nm)之间工作，并且以大于20GHz(例如25GHz)的比特率调制。光纤100在光学上是多模光纤，包含直径为41-80μm的渐变折射率玻璃纤芯和含有外包层部分的包层，其中所述光纤具有在1310nm或1550nm波长处大于2.5GHz·km的过满注入带宽；约小于2.04(优选小于2.03)的阿尔法值；小于5ps/nm/km的色散值；在工作波长(例如1310nm或1550nm)处小于0.7dB/km的衰减。接收器或光检测器210光学耦接到多模光纤100上，其结构能检测大于1200nm的波长，例如1200-1700nm(例如1260-1400nm或1490-1610nm)之间的波长。
根据一些实施方式，光纤100耦接到VCSEL上，VCSEL以大于20GHz的速率调制。根据一些实施方式，光纤100耦接到硅光子光源上，该光源在1200-1400nm范围内或1260-1400nm范围内(例如1260-1360nm,1260nm,1290nm,1310nm,1330nm,1350nm,1370nm或1400nm)工作。因此，表1-9中的示例性光纤1-28适用于光传输系统。根据一个实施方式，系统200包含：(i)包含至少一个光源206(例如VCSEL或硅光子激光器)的收发器，其中所述光源在1200-1400nm(例如1260-1400nm，或1260-1360nm，或1270-1350nm，或1280-1340nm)之间的一个或多个波长处以等于或大于25GHz(根据一些实施方式，优选等于或大于40GHz)的比特率调制；(ii)至少一根多模光纤100；(iii)包含至少一个光检测器210的接收器。在一个实施方式中，所述收发器包含N个以等于或大于25GHz的比特率调制的光源，如图5所示。所述收发器还可包含至少一个外部调制器208，所述外部调制器以等于或大于25GHz的比特率调制所述至少一个光源。所述收发器还可包含多路复用器(Mux)212，所述多路复用器将来自N个光源的N个波长多路复合为单一波导。所述接收器还可包含多路信号分离器(Demux)212，所述多路信号分离器将光学信号分离成N个波长，并将它们光学耦接到N个光检测器210。光检测器210光学耦接到多模光纤100上，它能检测1200-1700nm波长范围内的波长。
根据一些实施方式，光纤100包含渐变折射率玻璃纤芯、包围该纤芯的内包层区域和外包层，并且在处于1260-1400nm波长范围内的工作波长处的过满注入带宽大于5GHz·km；阿尔法值约小于2.04，优选小于2.02；工作波长处的色散值小于10ps/nm/km，衰减小于0.7dB/km。根据其他实施方式，光纤100包含渐变折射率玻璃纤芯、包围该纤芯的内包层区域和外包层，并且在处于1490-1610nm波长范围内的工作波长处的过满注入带宽大于5GHz·km；阿尔法值约小于2.04，优选小于2.02；工作波长处的色散值小于10ps/nm/km，衰减小于0.7dB/km。在一些实施方式中，例如，光源206(例如VCSEL或硅光子激光器)以至少30GHz的比特率调制，在一些实施方式中至少35GHz或37GHz，在一些实施方式中至少40GHz，在一些实施方式中至少45GHz。光纤的一些实施方式在1260-1360nm之间的一个或多个波长处具有大于4.7GHz·km的过满注入带宽；光纤的一些实施方式在1290-1330nm之间的所有波长处具有大于4.7GHz·km的过满注入带宽；光纤的一些实施方式在1270-1350nm之间的所有波长处具有大于4.7GHz·km的过满注入带宽。
应当指出，也可采用VCSELS以外的光源，例如在1200-1700nm之间的波长处工作的混合硅激光器(例如硅光子激光器)，例如在1200-1400nm或1260-1400nm(例如1260-1360nm)之间；或者在1490-1700nm，例如1490-1610nm之间。混合硅激光器通过例如将磷化铟基晶片直接粘合到预图案化硅光子芯片上制备。该技术见述于例如A.W.Fang等发表的“Electrically pumpedhybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser”(电泵浦混合AlGaInAs-硅衰减激光器)，Optics Express，第14卷，第9203-9210页(2006年10月)。当在粘合芯片上施加电压时，磷化铟基材料发出的光直接耦合到硅波导中，产生混合硅激光206。该技术的主要优点之一是能将许多激光器结合到单一芯片上，这些激光器的输出可多路复合为单一输出，然后将该单一输出耦合到多模光纤100中。例如，1250-1370nm范围内的两个、四个、八个或16个波长可以等于或大于25GHz的比特率调制，多路复合到单一输出通道，然后光学耦合到多模光纤100的输入端。多模光纤100的输出端光学耦接到接收器，该接收器将1200-1700nm范围内(例如1250-1370nm范围内，或者1490-1610nm)的所述两个、四个、八个或16个波长进行多路分离，并将它们光学耦合到能检测光信号的光检测器。
这种系统的一个实施方式包含例如：(i)至少一个VCSEL 206，该VCSEL以等于或大于25GHz(根据一些实施方式，优选等于或大于40GHz)的比特率在1260-1360nm之间的一个或多个波长处发射信号；(ii)多模光纤100；(iii)至少一个光检测器210。例如，多模光纤100包含渐变折射率玻璃纤芯20、包围该纤芯并与该纤芯接触的内包层部分30和包围该内包层部分30的下陷折射率环形包层部分40，所述下陷折射率环形部分40具有约小于-0.2％的相对折射率德尔塔和至少1μm的宽度，其中纤芯20具有大于20.5μm且小于40μm的半径、0.6％-1.6％之间(优选0.8％-1.3％之间)的最大相对折射率和约小于2.04(优选小于2.03)的阿尔法值。多模光纤100具有1260-1360nm之间或1500-1600nm之间的一个或多个波长，大于4.7GHz·km的过满注入带宽，小于10ps/nm/km的色散值和小于0.7dB/km的衰减。
上述系统的实施方式具有一个或多个以下优点：能量效率和比特率。电功率消耗是现代数据中心的严重问题，而结合多模光纤100使用波长更长(≥1200nm)的光源如VCSEL(≥1200nm,，或≥1260nm，或其他光源)的更长的系统可缓解在850nm处工作的传输系统所面临的一些能量消耗问题。此外，若传输系统的工作波长约为850nm，要将系统的速度增加到高于35GHz·km似乎面临突出的障碍。结合多模光纤100使用波长更长的光源(例如≥1300nm)，如基于In-Ga-As半导体的VCSEL，能使传输系统获得比现有速度明显更高的传输速度(例如≥20GHz，或≥25GHz，或≥35GHz，甚至≥40GHz)。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离权利要求书的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。

Claims (20)

1.一种多模光纤，它包含：
渐变折射率玻璃纤芯，其直径在41-80μm范围内，其渐变折射率具有阿尔法分布，其中1.9≤α≤2.04，其最大相对折射率Δ1最大在0.6％-1.8％范围内；以及
包围所述纤芯并与所述纤芯接触的包层，所述包层包含包围所述纤芯并与所述纤芯接触的内环形部分和包围所述内环形部分的下陷折射率环形部分，其中所述内环形部分具有在半径R2处测定的相对折射率Δ2，半径R2位于一阶微商d(Δ/Δ1最大)/d(r/R1)等于-2.5处，
其中光纤在1260-1610nm之间的至少一个波长处的过满注入带宽大于2500MHz·km。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：
(i)所述纤芯具有数值孔径NA，且0.16<NA<0.26；(ii)所述包层包含包围所述下陷折射率环形部分并与所述下陷折射率环形部分接触的外环形部分；(iii)所述光纤在1310nm处的过满注入带宽大于3750MHz·km。
3.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于：
(i)所述纤芯具有数值孔径NA，且0.16<NA<0.26；(ii)所述包层包含包围所述下陷折射率环形部分并与所述下陷折射率环形部分接触的外环形部分；(iii)所述光纤在1550nm处的过满注入带宽大于3750MHz·km。
4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述下陷折射率环形部分具有小于-0.2％的最小相对折射率Δ3最小和至少1μm的宽度。
5.如权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述下陷折射率环形部分具有位于-0.25％与-0.7％之间的最小相对折射率Δ3最小。
6.如权利要求1,2,3,4或5所述的光纤，其特征在于，所述纤芯具有0.7％-1.2％之间的最大相对折射率Δ1最大。
7.如权利要求1或6所述的光纤，其特征在于，所述纤芯的数值孔径在0.17≤NA≤0.23的范围内。
8.如权利要求1,5,6或7所述的光纤，其特征在于，所述光纤在(i)1260-1360nm或(ii)1520-1580nm之间的所有波长处的过满注入带宽大于2500MHz·km。
9.如权利要求1,6或7所述的光纤，其特征在于，所述光纤在(i)1270-1350nm或(ii)1530-1570nm之间的所有波长处的过满注入带宽大于3750MHz·km。
10.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1310nm或1550nm处的过满注入带宽大于5000MHz·km。
11.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1310nm处的过满注入带宽大于7500MHz·km。
12.如权利要求11所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1270-1350nm之间所有波长处的过满注入带宽大于5000MHz·km。
13.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm处的过满注入带宽大于7500MHz·km。
14.如权利要求13所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1520-1580nm之间所有波长处的过满注入带宽大于5000MHz·km。
15.如权利要求1,6或7所述的光纤，其特征在于，所述纤芯具有小于2.02的阿尔法值。
16.一种系统，该系统包含：
(i)至少一个光源，所述光源在1200-1700nm之间的一个或多个工作波长处以等于或大于25GHz的比特率发射信号；
(ii)与所述光源光学耦接的至少一根多模光纤，所述光纤包含直径为41-80μm的渐变折射率玻璃纤芯和包层，所述包层包含外包层部分，其中所述光纤在1200-1700nm之间的至少一个波长处的过满注入带宽大于2.5GHz·km；所述光纤具有约小于2.04的阿尔法值；并且所述光纤在所述一个或多个工作波长处的色散值小于10ps/nm/km且衰减小于0.7dB/km，以及
(iii)与所述多模光纤光学耦接的检测器，所述检测器能检测1200-1700nm之间的波长。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述纤芯具有大于20.5μm且小于40μm的半径和0.6％-1.6％之间的最大相对折射率Δ1最大，并且所述光纤在(i)1200-1400nm或(ii)1500-1600nm之间的一个或多个波长处具有大于5.0GHz·km的过满注入带宽。
18.如权利要求16或17所述的系统，其特征在于，所述包层包含包围所述纤芯并与所述纤芯接触的内环形部分和包围所述内环形部分的下陷折射率环形部分，其中所述内环形部分具有在半径R2处测定的相对折射率Δ2，半径R2位于一阶微商d(Δ/Δ1最大)/d(r/R1)等于-2.5处；所述下陷折射率环形部分具有约小于-0.2％的相对折射率Δ3最小和至少1μm的宽度，并且所述光纤在1200-1400nm或1500-1600nm之间的一个或多个波长处的过满注入带宽大于5.0GHz·km。
19.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述至少一个光源是至少一个VCSEL。
20.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述至少一个光源是至少一个硅光子激光器。
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