CN105324692B - 多芯光纤和多芯光缆 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及易于制造并且单位横截面面积具有优异的传输容量、频率利用效率等的多芯光纤。所述多芯光纤设置有多个芯部、包层和覆层。适当设定相邻芯部的芯间间距、光缆截止波长、光进入各芯部的限制指标、包层的外径和相邻芯部的芯间功率耦合系数。在预定关系下存在表达式Λ/(rclad‑OCTmin)的最小值、所述表达式的最大值和芯部数量之间的关系。

Description

多芯光纤和多芯光缆
技术领域
本发明涉及一种多芯光纤和多芯光缆。
背景技术
多芯光纤具有在共同包层内沿光纤轴线延伸的多个芯部。存在以下需求：提高多芯光纤中的每单位横截面面积的传输容量。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请待审公开No.2011-170336
非专利文献
非专利文献1：T.Hayashi,T.Nagashima,O.Shimakawa,T.Sasaki,andE.Sasaoka,"Crosstalk variation of multi-core fibre due to fibre bend(多芯光纤的因光纤弯曲而造成的串扰变化),"in Eur.Conf.Opt.Commun.(ECOC),2010,We.8.F.6.
发明内容
技术问题
发明人对常规多芯光纤进行了细致的研究并且发现下述问题。
即，为了提高多芯光纤中的每单位横截面面积的传输容量，前述专利文献1和非专利文献1描述了对所需光学特性与串扰之间的关系以及光纤横截面中的芯部格局进行的研究。然而，在考虑多芯光纤的制造容易性的同时，从每单位横截面面积的传输容量和频谱效率的观点考虑，前述专利文献1和非专利文献1没有实现优化。
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具有优异的每单位横截面面积的传输容量和频谱效率且易于制造的多芯光纤以及多芯光缆。
解决技术问题的方案
根据本发明的一种多芯光纤，包括：多个芯部，其均沿着中心轴线延伸并且由硅基玻璃构成；共同包层，其覆盖多个芯部中的每一个芯部并且由石英玻璃构成；以及覆层，其设置在包层的外周表面上并且由与石英玻璃不同的材料构成。
具体而言，在本发明的第一方面中，在多芯光纤的与中心轴线垂直的横截面中，多个芯部以等边三角形的格子图案布置，并且作为相邻芯部的中心之间的距离的相邻芯部间距Λ[μm]为常数。多个芯部的每一个芯部的光缆截止波长λcc[μm]不超过1.53μm。当理论截止波长由λcth[μm]表示以及模场直径由MFD[μm]表示时，作为光进入多个芯部的每一个芯部中的限制指标的MFD/(λcc)0.657在1.55μm的波长下不超过8.2，或者作为光进入多个芯部的每一个芯部中的限制指标的MFD/(λcth)0.720在1.55μm的波长下不超过6.9。共同包层的外径2rclad[μm]为从115μm至250μm。当多芯光纤在其整个长度上以0.3m至3m范围内的曲率半径R弯曲时，相邻芯间功率耦合系数和相邻同种芯部的芯间功率耦合系数在1625nm的波长下均不超过2.3×10-6/km，并且相邻芯间功率耦合系数和相邻同种芯部的芯间功率耦合系数中的至少任一者在1530nm的波长下不小于3.6×10-9/km。当OCT表示从多个芯部中的位于最外周处的芯部的中心到共同包层的外周表面的最短距离时，使覆层中的传输损耗增加值在理论上变为0.01dB/km的OCT0.01dB/km[μm]和使覆层中的传输损耗增加值在理论上变为0.001dB/km的OCT0.001dB/km[μm]是利用1625μm的波长下的MFD[μm]通过以下公式(1)或公式(2)获得的值。当容许的最小OCT由OCTmin表示时，OCTmin是从OCT0.01dB/km至OCT0.001dB/km的值，并且实际OCT不小于OCTmin。此外，在利用作为相邻芯部间距Λ与共同包层的可布置芯部半径的比率的公式Λ/(rclad-OCTmin)表示参数的定义的情况下，[芯部数：参数的最小值：参数的最大值]的关系为[19:0.450:0.500]、[27:0.378:0.397]、[31:0.351:0.378]、[37:0.315:0.333]、[42:0.297:0.311]、[48:0.278:0.285]、[55:0.255:0.277]、[63:0.240:0.248]、[69:0.229:0.240]、[73:0.222:0.229]、[85:0.203:0.218]、[102:0.189:0.195]、[109:0.182:0.189]、[121:0.173:0.180]和[151:0.154:0.160]中的一者。
作为适用于前述第一方面的第二方面，优选地，当多芯光纤在其整个长度上以0.3m至3m范围内的曲率半径R弯曲时，相邻不同芯部的芯间功率耦合系数和相邻同种芯部的芯间功率耦合系数在1625nm的波长下均不超过1.1×10-6/km，并且相邻不同芯部的芯间功率耦合系数和相邻同种芯部的芯间功率耦合系数中的至少任一者在1530nm的波长下不小于5.3×10-8/km。
作为适用于前述第一方面和第二方面中的至少任一方面的第三方面，多个芯部中的相邻芯部对包括一对相同的芯部。此外，在多芯光纤的曲率半径R[m]的沿多芯光纤的纵向的平均数不小于0.3m的使用情况下，当波长由λ[μm]表示，有效折射率由neff表示，相邻同种芯部之间的芯部间距由Λidentical[μm]表示时，有效折射率neff的最小ηmin为3.6×10-9/km，有效折射率neff的最大ηmax为2.3×10-6/km，以及有效曲率半径Reff,λ由以下公式(3)限定时，Λidentical[μm]优选地满足第一条件或第二条件。第一条件是这样的条件：在λ＝1.53μm时，Λidentical[μm]满足以下公式(4)，以及在λ＝1.625μm时，Λidentical[μm]满足公式(5)。第二条件是这样的条件：在λ＝1.53μm时，Λidentical[μm]满足以下公式(6)，以及在λ＝1.625μm时，Λidentical[μm]满足公式(7)。
作为适用于前述第一方面至第三方面中的至少任一方面的第四方面，多个芯部优选地都是相同的芯部。
作为适用于前述第一方面至第四方面中的至少任一方面的第五方面，当在1.55μm的波长下在芯部数在27与55之间变化的情况下，芯部数、MFD/(λcc)0.657的上限值和MFD/(λcth)0.720的上限值之间的所需关系以[芯部数、MFD/(λcc)0.657的上限值和MFD/(λcth)0.720的上限值]的形式描述时，[芯部数、MFD/(λcc)0.657的上限值和MFD/(λcth)0.720的上限值]优选地为[27、6.4、5.6]、[31、6.1、5.4]、[37、5.4、4.8]、[42、5.1、4.6]、[48、4.7、4.2]和[55、4.6、4.1]中的一者。
作为适用于前述第一方面至第五方面中的至少任一方面的第六方面，共同包层包括多个光学包层，多个光学包层均为与多个芯部中的对应芯部接触的区域，并且有助于光在对应芯部中的传播。此外，多个芯部中的相邻芯部对包括由不同芯部构成的一个或多个相邻不同芯部对，不同芯部在芯部直径、芯部与光学包层之间的相对折射率差、光学包层的折射率中的至少一者方面不同。就此而言，相邻不同芯部之间的芯部间距优选地小于相邻同种芯部之间的芯部间距Λidentical。
作为适用于前述第一方面至第六方面中的至少任一方面的第七方面，使所有相邻不同芯部对中的相邻不同芯部之间的串扰变为最大的多芯光纤的弯曲的曲率半径R小于0.3m。
根据本发明的一种多芯光缆，包括根据第一方面至第六方面中的至少任一方面的多芯光纤。具体而言，就多芯光纤来说，在将沿着多芯光纤的纵向的曲率半径R的平均值保持为不小于0.3m的状态下装入多芯光纤。
另一方面，根据本发明的多芯光缆可以包括第一方面、第二方面、第四方面至第七方面中的任一方面。在这种情况下，就多芯光纤来说，在将沿着多芯光纤的纵向的曲率半径R的平均值保持为不超过3m的状态下装入多芯光纤。
本发明的有益效果
根据本发明的多芯光纤易于制造并且具有优异的每单位横截面面积的传输容量和频谱效率。
附图说明
图1A和图1B是分别示出多芯光纤1的横截面结构和多芯光缆100的内部结构的视图。
图2是示出比率(SSElim,core/SSElim,SMF)与阶跃型折射率芯部的有效横截面面积Aeff和芯部间距Λ的关系的曲线图。
图3是示出最大可布置芯部数与通过用最外周芯部的中心与光纤中心之间的距离rom除以相邻芯部的最小间距dmin进行归一化而获得的值的关系的视图。
图4是示出比率(SSElim,MCF/SSElim,SMF)与阶跃型折射率芯部的有效横截面面积Aeff和芯部间距Λ的关系的曲线图。
图5是示出比率(dmin/rom)与通过用六边形填充中的芯部数除以最密集填充中的芯部数而获得的芯部数比率的关系的曲线图。
图6是共同示出芯部数比率为1时的dmin/rom范围和相应范围内的六边形填充中的芯部数的表格。
图7是共同示出芯部数比率不小于0.95时的dmin/rom范围和相应范围内的六边形填充中的芯部数的表格。
图8是共同示出芯部数比率不小于0.9时的dmin/rom范围和相应范围内的六边形填充中的芯部数的表格。
图9是示出阶跃型折射率的折射率分布的视图。
图10A和图10B是分别示出归一化的外包层厚度OCT/λ与最外周芯部的传输损耗增加值为0.01dB/km情况下的MFD/(λcc)0.869的关系和归一化的外包层厚度OCT/λ与最外周芯部的传输损耗增加值为0.001dB/km情况下的MFD/(λcc)0.703的关系的曲线图。
图11是示出每Aeff归一化后的SSElim,core与来自其他芯部的总串扰的统计平均值(XTtotal)的关系的曲线图。
图12是示出多芯光纤1A的横截面的视图。
图13是多芯光纤1A的沿图12中的线L1A的折射率分布图。
图14是示出多芯光纤1B的横截面的视图。
图15是多芯光纤1B的沿图14中的线L1B的折射率分布图。
图16A和图16B是示出多芯光纤1的横截面中的在仅有相同芯部的情况下和在具有多种类型芯部的情况下的相邻芯部的关系的视图。
具体实施方式
下文将参考附图详细描述本发明。在附图的描述中，相同的元件将用相同的附图标记表示，省略重复的描述。
图1A是示出多芯光纤1的横截面结构的视图。在图1A中，多芯光纤1具有：多个芯部10，其均沿光纤轴线(多芯光纤1的中心轴线)延伸；共同包层20(其在下文中将简称为包层)，其覆盖多个芯部10中的每一个芯部；以及覆层30，其围绕共同包层20的外周设置。图1A示出芯部数为七的实例。在图1A的光纤横截面中，六个芯部10围绕位于中心(与光纤轴线AX相交的位置)的一个芯部10布置。即，在图1A的光纤横截面中，七个芯部10以等边三角形的格子图案布置。多个芯部10中的每一个芯部具有比共同包层20高的折射率。芯部10和包层20由石英玻璃构成，并且芯部10或包层20掺杂有用于调节折射率的杂质。覆层由除石英玻璃以外的材料构成，例如树脂等。
图1B是示出多芯光缆100的内部结构的视图。在图1B的实例中，用于将前述多芯光纤1以预定的曲率半径R保持为处于弯曲状态的带槽圆杆60被保持在光缆护套(其由附图中的虚线表示)中。带槽圆杆60由除石英玻璃以外的材料构成，例如由树脂构成，并且抗拉部件50布置在带槽圆杆60中心。在带槽圆杆60的表面中沿抗拉部件50的纵向以螺旋方式形成有槽61，并且前述多芯光纤1被设置在槽61中，从而多芯光纤1变为以预定曲率半径R弯曲。用于以预定曲率半径R弯曲多芯光纤1的结构并不总是必须仅限于带槽圆杆60。也可以通过除螺旋布置以外的布置实现曲率半径R的弯曲。
为了使多芯光纤1中的传输容量达到最大，需要增大空间-频率利用效率(SSE：空间频谱效率)，空间-频率利用效率是通过用各个空间信道(各个芯部)的频率利用效率(SE：频谱效率)之和除以光纤横截面面积Acs而获得的值。SSE由以下公式(8)限定。
各个空间信道的SE不能无限制地增大。当光放大器的噪声和由于非线性光学现象而造成的噪声被最小化时，各个空间信道的SE变为最大。各个空间信道的频谱效率SE的上限值将用SElim表示。空间频谱效率SSE的上限值用以下公式(9)表示。
本发明的发明人基于以上定义进行了以下研究。在不考虑光纤的直径和形状且芯部以等边三角形的格子图案布置在无限扩展平面上的情况下，使SSElim,core为SSElim。SSElim,core由以下公式(10)限定。在该公式中，Λ表示相邻芯部的中心之间的距离(其在下文中将简称为芯部间距)。SSElim,core可以用作能够利用芯部实现的SSE的潜在指标。SSElim，core随芯部形状和折射率分布的变化而变化。
例如，比率(SSElim,core/SSElim,SMF)被确定为光缆截止波长为1530nm的阶跃型折射率芯部中的SSElim,core与光缆截止波长为1260nm且在1550nm的波长下有效横截面面积Aeff为80μm2的通用单模光纤的SSElim,SMF(其使用250μm的覆层直径作为Λ，由前述公式(10)计算得到)的比率，并且对比率(SSElim,core/SSElim,SMF)与阶跃型折射率的有效横截面面积Aeff和芯部间距Λ的关系进行了研究。图2是示出比率(SSElim,core/SSElim,SMF)与阶跃型折射率芯部的有效横截面面积Aeff和芯部间距Λ的关系的曲线图。在假定传输损耗为0.18dB/km、光纤的平均曲率半径为1m、光放大器的噪声系数为6dB、光放大器之间的距离为80km、总传输链路长度为3200km的情况下，在此完成了计算。在Λ太小的情况下SSElim,core变成几乎为0的原因在于芯间串扰变得太大。
尽管使用的是简单的阶跃型折射率芯部，但当阶跃型折射率芯部的Aeff不超过约87μm2时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的30倍。当阶跃型折射率芯部的Aeff不超过约64μm2时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的35倍。此外，当阶跃型折射率芯部的Aeff不超过约50μm2时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的40倍。
当使用由光缆截止波长λcc[μm]和MFD[μm]表示的MFD/(λcc)0.657作为光进入芯部的限制指标(注意：如下所述，随着限制指标增大，限制变强)，能够在波长为1.55μm的情况下实现以下方面：当MFD/(λcc)0.657不超过7.8时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的30倍；当MFD/(λcc)0.657不超过6.8时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的35倍；当MFD/(λcc)0.657不超过6.0时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的40倍；当MFD/(λcc)0.657不超过5.4时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的45倍。当使用由理论截止波长λcth[μm]和MFD[μm]表示的MFD/(λcth)0.720作为光进入芯部的限制指标时，能够在波长为1.55μm的情况下实现以下方面：当MFD/(λcth)0.720不超过6.7时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的30倍；当MFD/(λcth)0.720不超过5.9时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的35倍；当MFD/(λcth)0.720不超过5.3时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的40倍；当MFD/(λcth)0.720不超过4.8时，SSElim,core可以不小于SSElim,SMF的45倍。只要芯部布置在无限扩展平面上，就可以通过将芯部布置在六边形格子上来实现最密集填充。然而，对光纤的横截面存在限制，并且存在这样的情况：可以以除六边形格子格局以外的格局布置更多的芯部。
当包层直径Dclad变大时，光纤的失效概率增大并且机械可靠性下降。因此，包层直径Dclad需要保持为不超过某一水平。如果外包层厚度OCT(其为包层与覆层之间的界面(包层外周表面)与芯部中心之间的最短距离)太小，则靠近包层外周表面的芯部的传输损耗将变差，因此OCT需要不小于某一水平。如果最短相邻芯部间距dmin(其为相邻芯部的中心之间的最短距离)太小，串扰XT将变差，并且截止波长将发生变化；因此，dmin需要不小于某一水平。
当包层直径Dclad、外包层厚度OCT和最短相邻芯部间距dmin以这种方式确定时，采用圆形包层的芯部格局的问题可以被处理为圆形填充的问题，并且我们可以利用数学的成果。
图3是示出最大可布置芯部数与通过在最外周芯部的传输损耗增加值在容许范围内的情况下用最外周芯部的中心与光纤中心之间的最大距离rom除以最短相邻芯部间距dmin进行归一化而获得的值(rom/dmin)的关系的视图。图3示出六边形格子填充(六边形填充)的情况和在已知限值范围内的最密填充(最密集填充)的情况。应理解的是，与六边形填充情况相比，在最密集填充情况中，dmin的小幅增大或rom的小幅增大能够更有效地导致芯部数的增加。
包层直径Dclad的容许最大值被认为是约200μm至250μm。于是在包层直径Dclad被假定为225μm的同时，通过计算获得多芯光纤的SSElim(SSElim,MCF)。图4是示出比率(SSElim,MCF/SSElim,SMF)与阶跃型折射率芯部的有效横截面面积Aeff和芯部间距Λ的关系的曲线图。图4示出比率SSElim,MCF/SSElim,SMF的值，其中，也以与图2相同的方式计算出通用单模光纤的SSElim(SSElim,SMF)。这里，利用350μm的覆层直径Dcoat和横截面面积Acs＝π(Dcoat/2)2以及还利用图3中的最密集填充的芯部数来计算SSElim,MCF。
即使减小覆层厚度以使覆层直径Dcoat变小，也不会改变SSElim,MCF的大小的趋势，从而导致SSElim,MCF的整体改善；因此，Dcoat需要尽可能小，而不引起微弯曲损耗等的问题。关于外包层厚度OCT，外包层厚度的容许最小OCTmin被限定为这样的值：在1625nm的波长下，最外周芯部的传输损耗增加值为0.001dB/km，因此rom随着有效横截面面积Aeff的减小而变大。其原因在于：光进入芯部的限制随着Aeff变小而变大。从图4可以看出，我们可以实现以下方面：当Aeff不超过50μm2且dmin在30μm至39μm的范围内时，SSElim,MCF可以不小于SSElim,SMF的10倍。
然而，由与六边形格子填充不同的最密集填充形成的芯部格局可能在便于制造方面存在问题。对于制造多芯光纤而言，棒内熔缩法或砂包层法允许芯部格局具有一些自由度。然而，在堆拉法(stack-and-draw)中，可以在除六边形格子以外的格局中堆叠用于芯部的棒，但是它们需要以复杂组合的方式进行堆叠并且用于包层的棒具有不同的直径，这使得设计和实际工作非常困难。关于多芯光纤的外周装置，例如在通过一束多个单芯光纤实现多芯光纤的分散的情况下，也存在与前述堆拉法相同的困难。
尽管下述多芯光纤具有六边形格子芯部格局，但它们可以实现与最密集填充中的芯部数等同的芯部数和高的空间频谱效率SSE。图5是示出比率(dmin/rom)与芯部数比率的关系的曲线图，该芯部数比率是通过用六边形填充中的芯部数除以最密集填充中的芯部数而获得的值。图5根据图3获得。从图5中可以看出，即使芯部以六边形填充方式布置，芯部数比率在dmin/rom的特定范围内也可以为1或接近1的值。应注意的是，dmin/rom等于Λ/(rclad-OCTmin)。
图6是共同示出芯部数比率为1时的dmin/rom范围和相应范围内的六边形填充中的芯部数的表格。图7是共同示出芯部数比率不小于0.95时的dmin/rom范围和相应范围内的六边形填充中的芯部数的表格。图8是共同示出芯部数比率不小于0.9时的dmin/rom范围和相应范围内的六边形填充中的芯部数的表格。“芯部数比率”是通过用六边形填充中的芯部数除以最密集填充中的芯部数而获得的值。然而，省略了小于0.005的dmin/rom的任何连续范围。其原因如下：例如，2rom为200μm，该比率转换为作为dmin的最大值和最小值的范围的0.5μm的范围；不总是容易以这种精度控制芯部格局，并且存在降低多芯光纤的制造性和产量的可能性。
对能够实现不小于0.9的芯部数比率和较大SSElim,MCF的多芯光纤的具体结构进行了研究，并且它们如下所述。
首先将对从最外周芯部的传输损耗增加值的观点考虑可以允许的最小外包层厚度OCT的关系进行描述。这里引入归一化的外包层厚度OCT/λ，从而找出独立于波长的关系。
图10A和图10B是示出在最外周芯部的传输损耗增加值为0.01dB/km和0.001dB/km的情况下OCT[μm]与波长[μm]和截止波长[μm]和MFD[μm]的关系的曲线图。图10A和图10B包括在光缆截止波长为1.26μm和1.53μm的情况下在波长1550nm和波长1625nm下的数据。当使用光缆截止波长λcc作为截止波长时，MFD/(λcc)0.869与最外周芯部的传输损耗增加值为0.01dB/km(OCT0.01dB/km)时的OCT的关系用下面的公式(11-1)表示，并且MFD/(λcc)0.869与最外周芯部的传输损耗增加值为0.001dB/km(OCT0.001dB/km)时的OCT的关系用下面的公式(11-2)表示。当使用光缆截止波长λcth作为截止波长时，MFD/(λcth)0.703与OCT0.01dB/km的关系用下面的公式(12-1)表示，MFD/(λcth)0.703与OCT0.001dB/km的关系用下面的公式(12-2)表示。
在使用辅槽型芯部的光纤中也具有这些关系，辅槽型芯部具有折射率比围绕芯部的包层的折射率低的沟槽层。当考虑到在光学特性方面超过0.01dB/km的最外周芯部传输损耗增加值导致传输损耗显著增加这点时，在1.625μm波长下的OCT优选地为不小于由以下公式(11-1)或公式(12-1)计算得到的OCT0.01dB/km，并且为了将最外周芯部的传输损耗保持为0.001dB/km以下，在1.625μm波长下的OCT优选地为不小于由以下公式(11-2)或公式(12-2)计算得到的OCT0.001dB/km。或者，当OCTmin为OCT0.01dB/km至OCT0.001dB/km(OCT0.001dB/km>OCT0.01dB/km)之间的值时，实际OCT优选地为不小于OCTmin。在这种情况下，Λ/(rclad-OCTmin)优选地为在根据芯部数的图8的dmin/rom范围内的值，更优选地为在根据芯部数的图7的dmin/rom范围内的值，并且更优选地为在根据芯部数的图6的dmin/rom范围内的值。具体而言，当芯部数小至19以下时，该比率优选地为在图6的dmin/rom范围内的值，以尽可能高地增大芯部数比率。即使在等边三角形的格子图案的芯部格局中，这也能够实现高芯部数比率，而不使OCT过度增大，同时抑制最外周芯部的传输损耗增加值。
下面将对能够增大SSElim.MCF/SSElim,SMF的相邻芯部的最小间距进行描述。这里，让我们考虑如在图2和图4的情况下的阶跃型折射率芯部。如图9所示，使Δcore作为芯部的相对于包层折射率的相对折射率差，并且使2rcore作为芯部的直径。图9的折射率分布是包括一个芯部10的相邻区域的折射率分布，并且示出各个部分沿图1A的线L1的折射率。假设以C波段完成传输并且光缆截止波长λcc固定为1530nm，如果芯部的相对折射率差Δcore和直径2rcore中的一者被确定，则另一者也将被唯一确定。图11是示出每Aeff归一化后的SSElim,core与来自其他芯部的总串扰的统计平均值(XTtotal)的关系的曲线图。图11包括这样的数据：Aeff在30μm至270μm的范围内，Δcore在0.18％至1.0％的范围内，在1.55μm波长下光进入芯部的限制指标MFD/(λcc)0.657在4.9至10.4的范围内，以及在1.55μm波长下光进入芯部的限制指标MFD/(λcth)0.720在4.5至13.6的范围内。在图2中，SSElim,core为最大值时的dmin随Aeff变化而变化，而在图11中可以看出，SSElim,core为最大值时的XTtotal几乎独立于Aeff(或限制指标)。从该结果可以看出，为了使SSElim,core达到最大，XTtotal需要在一定范围内。
图11所示的曲线图示出总传输链路长度假定为3200km时的计算值，但SSElim,core为最大值时的相邻芯间功率耦合系数与总传输链路长度不存在显著大的相关度。使η为相邻芯间功率耦合系数，让我们采用等边三角形的格子图案的芯部格局，并且让我们假定总传输链路长度在80km至12000km的范围内。在这种情况下，为了将SSElim.MCF/SSElim,SMF保持为不小于0.85，相邻芯间功率耦合系数η优选地为约3.6×10-9/km至约2.3×10-6/km。为了将SSElim.MCF/SSElimSMF保持为不小于0.9，相邻芯间功率耦合系数η优选地为约1.4×10-8/km至约1.7×10-6/km。为了将SSElim.MCF/SSElimSMF保持为不小于0.95，相邻芯间功率耦合系数η优选地为约5.3×10-8/km至约1.1×10-6/km。前述讨论涉及多芯光纤仅由相同类型的芯部构成的情况，但在多芯光纤由两种以上类型的芯部(其中，相邻芯部具有不同类型)构成的情况下，相邻同种芯部的芯间功率耦合系数在某些情况下可以大于相邻芯间功率耦合系数。在此类情况下，相邻芯间功率耦合系数和相邻同种芯部的芯间功率耦合系数这两者在1625nm的波长下优选地为不超过上述η的所需范围的最大值，并且相邻芯间功率耦合系数和相邻同种芯部的芯间功率耦合系数中的至少任一者在1530nm的波长下优选地为不小于上述η的所需范围的最小值。
图16A是示出在多芯光纤1的横截面中芯部仅为相同芯部的情况下的相邻芯部的关系的视图，而图16B是示出在多芯光纤1的横截面中芯部为多种类型芯部的情况下的相邻芯部的关系的视图。在图16A和图16B中，相同图案(阴影)的芯部是相同类型的芯部。应注意的是，“相邻芯间功率耦合系数”最初应用于相同芯部和不同芯部这两者。“相邻同种芯部的芯间功率耦合系数”指的是如图16A所示存在于多芯光纤1中的相同芯部中的处于最短距离的相同芯部之间的功率耦合系数。“处于最短距离的相同芯部”可以是这样的：处于最短距离的芯部是一对相邻芯部，但也可以涵盖处于最短距离的芯部不是一对相邻芯部的情况。在本说明书中，术语“相邻同种芯部的芯间”指的是相同芯部中的相邻同种芯部。此外，“相邻不同芯部的芯间功率耦合系数”指的是相邻芯部为不同芯部的情况下的功率耦合系数。芯部是否是“不同芯部”或“相同芯部”按如下方式确定：“相同芯部”是折射率分布和外径均相同的芯部；而“不同芯部”是折射率分布和外径中的至少一者不同的芯部。
为了使SSElim,core变大，还需要将Aeff和芯部的相对折射率差以及η设定在适当范围内。为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的30倍，Aeff优选地为不超过87μm2。为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的35倍，Aeff优选地为不超过64μm2。为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的40倍，Aeff优选地为不超过50μm2。在1.55μm的波长下，为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的30倍，MFD/(λcc)0.657优选地为不超过7.8。为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的35倍，MFD/(λcc)0.657优选地为不超过6.8。为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的40倍，MFD/(λcc)0.657优选地为不超过6.0。为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的45倍，MFD/(λcc)0.657优选地为不超过5.4。为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的30倍，MFD/(λcth)0.720优选地为不超过6.7。为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的35倍，MFD/(λcth)0.720优选地为不超过5.9。为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的40倍，MFD/(λcth)0.720优选地为不超过5.3。为了将SSElim,core保持为不小于SSElim,SMF的45倍，MFD/(λcth)0.720优选地为不超过4.8。
现在，基于参考文献1“M.Koshiba,K.Saitoh,K.Takenaga,and S.Matsuo,“Analytical expression of average power-coupling coefficients for estimatingintercore crosstalk in multicore fibers(用于估算多芯光纤中的芯间串扰的平均功率耦合参数的解析式),”IEEE Photon.J.,vol.4,no.5,pp.1987-1995,Oct.2012,”中的表达式(12)至(15)，相邻同种芯部之间的功率耦合系数可以用下面的公式(13)表示。在该公式中，κ表示模式耦合系数，R表示曲率半径，β表示传播常数，Λidentical表示相同芯部间距，以及lc表示芯间相位差的相关长度，并且Reff将被称为关于串扰的有效曲率半径。由于前述参考文献1报告到lc变为约0.05m，关于串扰的有效曲率半径Reff[m]可以由下面的公式(14)表示，其中，曲率半径为R[m]，波长为λ[μm]，有效折射率为neff，以及相同芯部间距为以[μm]为单位的Λidentical。
当我们考虑相同的阶跃型折射率芯部时，使η在1530nm的波长下变为不小于前述范围的下限值且使η在1625nm的波长下变为不超过前述范围的上限值的芯部间距Λidentical[μm]如下所述。这里，相同芯部是折射率分布或有效折射率大致相等的芯部。在实际的多芯光纤中，当使某两个芯部之间的串扰在不受弯曲损耗影响的情况下达到最大的光纤曲率半径不小于使用光纤时的曲率半径时，两个芯部可以被称为相同的芯部。
利用前述公式(13)通过模拟计算获得η[/km]、Λidentical[μm]、λ[μm]、λcc[μm]、λcth[μm]、MFD[μm]和Reff[m]之间的关系，并且通过计算发明人发现：通过使用作为光进入芯部的限制指标且由光缆截止波长λcc和MFD表示的MFD/(λcc)0.657或由理论截止波长λcth和MFD表示的MFD/(λcth)0.720，存在诸如以下公式(15)或公式(16)等关系。
根据以上公式(15)，优选地，在1.53μm的波长下存在以下公式(17)，以及在1.625μm的波长下存在以下公式(18)；或者根据以上公式(15)，优选地，在1.53μm的波长下存在以下公式(19)，以及在1.625μm的波长下存在以下公式(20)。就此而言，为了将SSElim,MCF/SSElim,max,MCF保持为不小于0.85，优选的是，ηmin＝3.6×10-9/km和ηmax＝2.3×10-6/km；为了将SSElim,MCF/SSElim,max,MCF保持为不小于0.9，优选的是，ηmin＝1.4×10-8/km和ηmax＝1.7×10-6/km；为了将SSElim,MCF/SSElim,max,MCF保持为不小于0.95，优选的是，ηmin＝5.3×10-8/km和ηmax＝1.1×10-6/km。
在相邻芯部是相同芯部的多芯光纤中，存在Λ＝Λidentical这种关系。仅由相同芯部构成的多芯光纤是优选的，因为在制造过程中易于管理芯部材料的库存和产量，并且变得更容易管理铺设后的传输链路的光学特性。
在仅由相同芯部构成的多芯光纤中，其中假定包层直径为不超过250μm，在满足图8的同时，芯部数优选地为19，优选的是，在1.55μm的波长下，MFD/(λcc)0.657不超过8.2或MFD/(λcth)0.720不超过6.9。类似地，当在芯部数在27与55之间变化的情况下芯部数、MFD/(λcc)0.657的上限值和MFD/(λcth)0.720的上限值之间的各种所需关系以[芯部数、MFD/(λcc)0.657的上限值和MFD/(λcth)0.720的上限值]的形式表示时，各种所需关系可以为[27、6.4、5.6]、[31、6.1、6.4]、[37、5.4、4.8]、[42、5.1、4.6]、[48、4.7、4.2]和[55、4.6、4.1]中的一者。
在相邻芯部是不同芯部的多芯光纤中，Λ是Λidentical的整数部分。在由三种类型的芯部构成的多芯光纤中，能够布置不同芯部的所有相邻芯部，并且使Λ等于Λidentical的1/31/2。在由四种类型的芯部构成的多芯光纤中，能够布置不同芯部的所有相邻芯部，并且使Λ等于Λidentical的1/2。在由七种类型的芯部构成的多芯光纤中，能够布置不同芯部的所有相邻芯部，并且使Λ等于Λidentical的1/71/2。在由九种类型的芯部构成的多芯光纤中，能够布置不同芯部的所有相邻芯部，并且使Λ等于Λidentical的1/3。相邻芯部为不同芯部的多芯光纤在制造过程中需要复杂的芯部材料的库存管理和产量管理，并且还需要铺设后的传输链路的光学特性的复杂管理，但在SSE增大方面是优选的，因为可以在不显著增大串扰的情况下减小芯部间距。
如前述专利文献1和前述非专利文献1所述，已知的是，不同芯部之间的串扰随曲率半径增大而变为突然变差。作为阈值的曲率半径Rpk用以下公式(21)表示。在该公式中，D表示不同芯部的中心之间的距离，<neff>表示不同芯部之间的平均有效折射率，并且Δneff表示不同芯部之间的有效折射率差。
为了抑制不同芯部之间的串扰的劣化，在所有相邻芯部之间，Rpk优选地为小于0.3m，更优选地为不超过0.2m，并且更优选地为不超过0.1m。或者，在所有相邻芯部之间，最大串扰时的曲率半径优选地为小于0.3m，更优选地为不超过0.2m，并且更优选地为不超过0.1m。
通过增大芯部之间的有效折射率差Δneff，可以使Rpk或不同芯部之间的在最大串扰时的曲率半径变小。通过给定芯部直径之差或不同芯部之间的Δcore，可以得到有效折射率差Δneff。为了抑制不同芯部之间所产生的光学特性的差异，更优选的是，通过使作为围绕芯部的包层的光学包层产生差异来得到有效折射率差Δneff。
光学包层是围绕芯部的包层部分。通过将棒以及尽可能多的包括光学包层的芯部插入到被该数量的芯部穿孔的一个护套棒的各个孔中，并且对它们进行加热以形成一体，可以制造多芯光纤的预制件。在另一方法中，通过堆叠棒以及尽可能多的包括光学包层的芯部，将棒一起插入到具有一个孔的护套管中，并且对它们进行加热以形成一体，可以制造多芯光纤的预制件。在另一方法中，通过以等边三角形的格子图案布置或堆叠棒以及尽可能多的包括光学包层的芯部，将棒一起插入到具有一个孔的护套管中，用石英玻璃填充管与芯棒之间的间隙，并且然后对它们进行加热以形成一体，可以制造多芯光纤的预制件。光学包层外部的包层在本文中将被称为护套。
光学包层的折射率可以等于护套的折射率或可以不等于护套的折射率。护套可以存在或不存在于光学包层之间。光学包层可以彼此直接接触。所有光学包层的折射率可以低于护套的折射率或所有光学包层的折射率可以高于护套的折射率。
图12是示出多芯光纤1A的横截面的视图。图13是多芯光纤1A的折射率分布图并且示出沿图12中的中心线L1A的各个部分的折射率。在这些图12和图13所示的多芯光纤1A的实例中，定位成分别围绕七个芯部10的光学包层21具有彼此不同的折射率，并且在光学包层21之间布置有护套22。
图14是示出多芯光纤1B的横截面的视图。图15是多芯光纤1B的折射率分布图并且示出沿图14中的中心线L1B的各个部分的折射率。在这些图14和图15所示的多芯光纤1B的实例中，定位成分别围绕七个芯部10的光学包层21具有彼此不同的折射率，并且在光学包层21之间不存在护套22。
附图标记列表
1、1A、1B多芯光纤；10芯部；20包层(共同包层)；21光学包层；以及22护套。

Claims (9)

1.一种多芯光纤，包括：多个芯部，其均沿着中心轴线延伸并且由硅基玻璃构成；共同包层，其覆盖所述多个芯部中的每一个芯部并且由石英玻璃构成；以及覆层，其设置在所述共同包层的外周表面上并且由与石英玻璃不同的材料构成，
其中，在所述多芯光纤的与所述中心轴线垂直的横截面中，所述多个芯部以等边三角形的格子图案布置，并且作为相邻芯部的中心之间的距离的相邻芯部间距Λ[μm]为常数，
所述多个芯部的每一个芯部的光缆截止波长λcc[μm]不超过1.53μm，
当理论截止波长由λcth[μm]表示以及模场直径由MFD[μm]表示时，作为光进入所述多个芯部的每一个芯部中的限制指标的MFD/(λcc)0.657在1.55μm的波长下不超过8.2，或者作为光进入所述多个芯部的每一个芯部中的限制指标的MFD/(λcth)0.720在1.55μm的波长下不超过6.9，
所述共同包层的外径2rclad[μm]为从115μm至250μm，
当所述多芯光纤在其整个长度上以0.3m至3m范围内的曲率半径R弯曲时，相邻芯间功率耦合系数和相邻同种芯部的芯间功率耦合系数在1625nm的波长下均不超过2.3×10-6/km，并且所述相邻芯间功率耦合系数和所述相邻同种芯部的芯间功率耦合系数中的至少任一者在1530nm的波长下不小于3.6×10-9/km，
当OCT表示从所述多个芯部中的位于最外周处的芯部的中心到所述共同包层的外周表面的最短距离时，使所述覆层中的传输损耗增加值在理论上变为0.01dB/km的OCT0.01dB/km[μm]和使所述覆层中的传输损耗增加值在理论上变为0.001dB/km的OCT0.001dB/km[μm]是利用1625nm的波长下的MFD[μm]通过以下公式(1)或公式(2)获得的值，
当容许的最小OCT由OCTmin表示时，OCTmin是从OCT0.01dB/km至OCT0.001dB/km的值，并且实际OCT不小于OCTmin，
在利用作为所述相邻芯部间距Λ与所述共同包层的可布置芯部半径的比率的公式Λ/(rclad-OCTmin)表示参数的定义的情况下，[芯部数：所述参数的最小值：所述参数的最大值]的关系为[19:0.450:0.500]、[27:0.378:0.397]、[31:0.351:0.378]、[37:0.315:0.333]、[42:0.297:0.311]、[48:0.278:0.285]、[55:0.255:0.277]、[63:0.240:0.248]、[69:0.229:0.240]、[73:0.222:0.229]、[85:0.203:0.218]、[102:0.189:0.195]、[109:0.182:0.189]、[121:0.173:0.180]和[151:0.154:0.160]中的一者。
2.根据权利要求1所述的多芯光纤，其中，当所述多芯光纤在其整个长度上以0.3m至3m范围内的曲率半径R弯曲时，相邻不同芯部的芯间功率耦合系数和所述相邻同种芯部的芯间功率耦合系数在1625nm的波长下均不超过1.1×10-6/km，并且所述相邻不同芯部的芯间功率耦合系数和所述相邻同种芯部的芯间功率耦合系数中的至少任一者在1530nm的波长下不小于5.3×10-8/km。
3.根据权利要求1所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部中的相邻芯部对包括一对相同的芯部，
在所述多芯光纤的曲率半径R[m]的沿所述多芯光纤的纵向的平均数不小于0.3m的使用情况下，当波长由λ[μm]表示，有效折射率由neff表示，相邻同种芯部之间的芯部间距由Λidentical[μm]表示时，有效折射率neff的最小ηmin为3.6×10-9/km，有效折射率neff的最大ηmax为2.3×10-6/km，以及有效曲率半径Reff,λ由以下公式(3)限定时，Λidentical[μm]满足第一条件，即，在λ＝1.53μm时，Λidentical[μm]满足公式(4)，以及在λ＝1.625μm时，Λidentical[μm]满足公式(5)，或者Λidentical[μm]满足第二条件，即，在λ＝1.53μm时，Λidentical[μm]满足公式(6)，以及在λ＝1.625μm时，Λidentical[μm]满足公式(7)。
4.根据权利要求3所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部都是相同的芯部。
5.根据权利要求4所述的多芯光纤，其中，当在1.55μm的波长下在所述芯部数在27与55之间变化的情况下，所述芯部数、MFD/(λcc)0.657的上限值和MFD/(λcth)0.720的上限值之间的所需关系以[所述芯部数、MFD/(λcc)0.657的上限值和MFD/(λcth)0.720的上限值]的形式描述时，[所述芯部数、MFD/(λcc)0.657的上限值和MFD/(λcth)0.720的上限值]为[27、6.4、5.6]、[31、6.1、5.4]、[37、5.4、4.8]、[42、5.1、4.6]、[48、4.7、4.2]和[55、4.6、4.1]中的一者。
6.根据权利要求3所述的多芯光纤，其中，所述共同包层包括多个光学包层，所述多个光学包层均为与所述多个芯部中的对应芯部接触的区域，并且有助于光在所述对应芯部中的传播，
所述多个芯部中的相邻芯部对包括由不同芯部构成的一个或多个相邻不同芯部对，所述不同芯部在芯部直径、所述芯部与所述光学包层之间的相对折射率差、所述光学包层的折射率中的至少一者方面不同，并且所述相邻不同芯部之间的芯部间距小于所述相邻同种芯部之间的芯部间距Λidentical。
7.根据权利要求6所述的多芯光纤，其中，使所有相邻不同芯部对中的相邻不同芯部之间的串扰变为最大的所述多芯光纤的弯曲的曲率半径R小于0.3m。
8.一种多芯光缆，其包括根据权利要求1至6中的任一项所述的多芯光纤，其中，在将沿着所述多芯光纤的纵向的所述曲率半径R的平均值保持为不小于0.3m的状态下装入所述多芯光纤。
9.根据权利要求8所述的多芯光缆，其包括根据权利要求1、2、4至7中的任一项所述的多芯光纤，其中，在将沿着所述多芯光纤的纵向的所述曲率半径R的平均值保持为不超过3m的状态下装入所述多芯光纤。
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Multi-core fiber design and analysis：coupled-mode theory and coupled-power theory;Masanori Koshiba等;《OPTICS EXPRESS》;20111212;第19卷(第26期);B102至第B111页

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