CN105891946B - 多模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及具有用于实现在更宽波长范围内扩大带宽并提高芯部中的折射率分布的制造容易性的结构的GI‑MMF。在GI‑MMF的实例中，芯部的整个区域掺杂有Ge，并且芯部的一部分掺杂有P。即，掺Ge区域与芯部的整个区域一致，并且掺Ge区域由掺杂有Ge和P的部分掺P区域和掺杂有Ge但有意未掺杂P的未掺P区域构成。

Description

多模光纤
技术领域
本发明涉及具有GI(渐变折射率)型折射率分布的多模光纤。
背景技术
已知的是，对于长距离光传输而言，多模光纤(在下文中称为MMF)因其结构比单模光纤(在下文中称为SMF)大而具有较大的传输损耗。另一方面，MMF广泛用于像LAN(局域网)等短距离信息传输，因为MMF容易建立光纤-光纤的连接，并且使通过利用低要求性能的设备来容易地构建网络变得可行。
近年来，为了提高前述短距离信息传输的信号质量，已经对降低前述MMF的传输损耗的技术以及扩展MMF的传输带宽(扩大带宽)进行了积极的研究。具体而言，伴随着提高传输容量的需要，为了实现在更宽波长范围内扩大带宽，例如美国专利申请公开US2013/0114934A1(专利文献1)、美国专利申请公开US2013/0114935A1(专利文献2)、美国专利No.8，644，664(专利文献3)、以及非专利文献1(Denis Molin,Frank Achten,MarianneBigot,Adrin Amezcua-Correa和Pierre Sillard，“用于下一代400GHz的数据通信的宽带OM4多模光纤(WideBand OM4Multi-Mode Fiber for Next-Generation 400GHz DataCommunications)”，ECOC 2014，Cannes-France，P1.6)中的每一者公开了这样的MMF：该MMF的芯部具有与α分布一致的GI型折射率分布(在下文中将称为GI-MMF)。
发明内容
发明人对常规GI-MMF进行了研究并且发现了下述问题。即，前述专利文献1至3中所述的所有GI-MMF具有芯部，该芯部形成有与α分布一致的GI型折射率分布，并且各个GI-MMF的芯部的整个区域中掺杂有作为基础掺杂剂的锗(在下文中用“Ge”表示)，并且还共同掺杂有除Ge之外的折射率控制掺杂剂。但是，先进的光纤制造技术需要精确地控制如上所述在整个区域共同掺杂有多种掺杂剂的芯部中的α分布的形状，这可能导致制造成品率的降低。具体而言，在GI-MMF需要在特定波长下或在特定波长范围内具有更大的传输带宽的情况下，需要在芯部中准确地产生折射率分布(与α分布一致的GI型折射率分布)。换言之，在芯部的制造过程中，需要高度准确地控制要共同掺杂的掺杂剂的掺杂浓度。
为了解决如上所述的问题而完成了本发明，并且本发明的目的在于提供具有以下结构的GI-MMF：该结构能够实现在用于波分复用(WDM)传输的更宽波长范围内扩展作为传输带宽之一的有效模带宽(EMB)，并且能够提高芯部中的折射率分布的制造容易性。
本发明的实施例涉及GI-MMF，该GI-MMF的芯部具有与α分布一致的GI型折射率分布，并且在结构上，该GI-MMF明确区别于长距离传输用的SMF。为了解决上述问题，根据本发明实施例的GI-MMF至少包括沿着预定轴线的方向延伸的芯部和设置在芯部的外周表面上的包层。整个芯部掺杂有作为基础掺杂剂的Ge，并且芯部的一部分掺杂有磷(在下文中用“P”表示)或氟(在下文中用“F”表示)。已知前述Ge、P和F均为用于控制玻璃的折射率的掺杂剂，并且通过选择掺杂有这些掺杂剂的区域并适当地调节这些掺杂剂的掺杂量，变得能够在芯部区域中形成GI型折射率分布。具体而言，在本发明的实施例中，通过以下两种模式实现芯部中的GI型折射率分布的制造容易性。
(1)在芯部掺杂有Ge和P的构造中，芯部具有通过掺杂Ge和P而形成的GI型折射率分布。在芯部的与预定轴线垂直的横截面中，掺杂有Ge的掺Ge区域与芯部的横截面的整个区域一致。另一方面，在芯部的横截面中，掺Ge区域由未掺P区域和因掺杂有P而得到的部分掺P区域构成，在部分掺P区域中，相对于包层的相对折射率差受到控制，在未掺P区域中，P的掺杂量被设定为不超过部分掺P区域中的P的最大掺杂量的5％。
(2)另一方面，在芯部掺杂有Ge和F的构造中，芯部具有通过掺杂Ge和F而形成的GI型折射率分布。在芯部的与预定轴线垂直的横截面中，掺杂有Ge的掺Ge区域与芯部的横截面的整个区域一致。另一方面，在芯部的横截面中，掺Ge区域由未掺F区域和因掺杂有F而得到的部分掺F区域构成，在部分掺F区域中，相对于包层的相对折射率差受到控制，在未掺F区域中，F的掺杂量被设定为不超过部分掺F区域中的F的最大掺杂量的5％。
附图说明
图1A是示出根据本发明实施例的GI-MMF的典型结构的横截面图，而图1B是GI-MMF的折射率分布。
图2A和图2B是用于示出根据本发明实施例的GI-MMF的横截面结构的各种实例的折射率分布。
图3A是根据比较例的GI-MMF的折射率分布，而图3B是示出根据比较例的GI-MMF中的EMB的波长依存性的曲线图。
图4是用于示出根据第一实施例的GI-MMF的横截面结构的折射率分布。
图5是用于示出根据第二实施例的GI-MMF的横截面结构的折射率分布。
图6A是示出在第一实施例的GI-MMF中相对于自芯部中心起的距离r(μm)与掺杂P而得到的相对折射率差Δn(P)(％)的各种组合(r，Δn(P))而言的评估函数值的分布的视图，图6B是示出在第一实施例的GI-MMF中各种组合(r，Δn(P))在波长0.9μm下的α值的最佳值的分布的视图，以及图6C是示出第一实施例的GI-MMF中的EMB的波长依存性的曲线图。
图7A是示出在第二实施例的GI-MMF中相对于自芯部中心起的距离r(μm)与掺杂P而得到的相对折射率差Δn(P)(％)的各种组合(r，Δn(P))而言的评估函数值的分布的视图，图7B是示出在第二实施例的GI-MMF中各种组合(r，Δn(P))在波长0.9μm下的α值的最佳值的分布的视图，以及图7C是示出第二实施例的GI-MMF中的EMB的波长依存性的曲线图。
图8是用于示出根据第三实施例的GI-MMF的横截面结构的折射率分布。
图9是用于示出根据第四实施例的GI-MMF的横截面结构的折射率分布。
图10A是示出在第三实施例的GI-MMF中相对于自芯部中心起的距离r(μm)与掺杂F而得到的相对折射率差Δn(F)(％)的各种组合(r，Δn(F))而言的评估函数值的分布的视图，图10B是示出在第三实施例的GI-MMF中各种组合(r，Δn(F))在波长0.9μm下的α值的最佳值的分布的视图，以及图10C是示出第三实施例的GI-MMF中的EMB的波长依存性的曲线图。
图11A是示出在第四实施例的GI-MMF中相对于自芯部中心起的距离r(μm)与掺杂F而得到的相对折射率差Δn(F)(％)的各种组合(r，Δn(F))而言的评估函数值的分布的视图，图11B是示出在第四实施例的GI-MMF中各种组合(r，Δn(F))在波长0.9μm下的α值的最佳值的分布的视图，以及图11C是示出第四实施例的GI-MMF中的EMB的波长依存性的曲线图。
具体实施方式
[本发明的实施例的说明]
首先将对本发明的实施例的各方面进行举例说明。
(1)作为第一方面，根据本发明实施例的GI-MMF包括：芯部，其沿着预定轴线延伸，并且掺杂有Ge和P；以及包层，其设置在芯部的外周表面上。芯部具有通过掺杂Ge和P而形成的GI型折射率分布。在芯部的与预定轴线垂直的横截面中，掺杂有Ge的掺Ge区域与芯部的横截面的整个区域一致。此外，在芯部的横截面中，掺Ge区域由部分掺P区域和未掺P区域构成。部分掺P区域是掺杂有Ge并被有意掺杂P的区域。未掺P区域是掺杂有Ge并有意未掺杂P的区域，具体而言，未掺P区域是这样的区域：P的掺杂量被设定为不超过部分掺P区域中的P的最大掺杂量的5％。在本说明书中，该未掺P区域被定义为这样的区域：因掺杂有P而得到的相对折射率差被设定成大致为0％。因此，通过控制因掺杂有Ge而得到的相对折射率差和因掺杂有P而得到的相对折射率差这两者，来确定部分掺P区域中沿着芯部径向的折射率分布的形状。此外，仅通过控制因掺杂有Ge而得到的相对折射率差，来基本上确定未掺P区域中的折射率分布的形状。
(2)作为适用于第一方面的第二方面，优选地，在掺Ge区域中，未掺P区域布置为围绕整个部分掺P区域。
(3)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，优选地，部分掺P区域和未掺P区域布置为彼此接触。在该区域布置中，当r表示从芯部的中心到所述部分掺P区域与所述未掺P区域之间的边界的距离，并且Δn(P)表示所述部分掺P区域中因掺杂有所述P而得到的相对于所述包层的最大相对折射率差时，距离r被优选地设定为使得下面的表达式(1)所限定的评估函数变为最大，
其中，B0.850是在所述距离r和所述最大相对折射率差Δn(P)变化的情况下作为波长0.850μm下的传输带宽之一的EMB(GHz·km)，数值4.700表示波长0.850μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.875是在所述距离r和所述最大相对折射率差Δn(P)变化的情况下在波长0.875μm下的EMB(GHz·km)，数值4.200表示波长0.875μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.900是在所述距离r和所述最大相对折射率差Δn(P)变化的情况下在波长0.900μm下的EMB(GHz·km)，数值3.600表示波长0.900μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.925是在所述距离r和所述最大相对折射率差Δn(P)变化的情况下在波长0.925μm下的EMB(GHz·km)，数值3.300表示波长0.925μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.950是在所述距离r和所述最大相对折射率差Δn(P)变化的情况下在波长0.950μm下的EMB(GHz·km)，数值3.100表示波长0.950μm下的目标EMB(GHz·km)。EMB例如为ISO/IEC11801的OM3(Ala.2)和OM4(Ala.3)标准所限定的传输带宽之一。
(4)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，优选地，部分掺P区域掺杂有沿着所述芯部的径向恒定掺杂量的P。
(5)作为第五方面，根据本发明实施例的GI-MMF可以包括：芯部，其沿着预定轴线延伸，并且掺杂有Ge和F；以及包层，其设置在芯部的外周表面上。在这种情况下，芯部具有通过掺杂Ge和F而形成的GI型折射率分布。在芯部的与预定轴线垂直的横截面中，掺杂有Ge的掺Ge区域与芯部的横截面的整个区域一致。此外，在芯部的横截面中，掺Ge区域由部分掺F区域和未掺F区域构成。部分掺F区域是掺杂有Ge并被有意掺杂F的区域。未掺F区域是掺杂有Ge并有意未掺杂F的区域，具体而言，未掺F区域是这样的区域：F的掺杂量被设定为不超过部分掺F区域中的F的最大掺杂量的5％。在本说明书中，该未掺F区域被定义为这样的区域：因掺杂有F而得到的相对折射率差被设定成大致为0％。因此，通过控制因掺杂有Ge而得到的相对折射率差和因掺杂有F而得到的相对折射率差这两者，来确定部分掺F区域中沿着芯部径向的折射率分布的形状。此外，仅通过控制因掺杂有Ge而得到的相对折射率差，来基本上确定未掺F区域中的折射率分布的形状。
(6)作为适用于第五方面的第六方面，优选地，在掺Ge区域中，部分掺F区域布置为围绕整个未掺F区域。
(7)作为适用于前述第五方面和第六方面中的至少任一方面的第七方面，优选地，部分掺F区域和未掺F区域布置为彼此接触。在该区域布置中，当r表示从芯部的中心到所述部分掺F区域与所述未掺F区域之间的边界的距离，并且Δn(F)表示所述部分掺F区域中因掺杂有所述F而得到的相对于所述包层的最小相对折射率差时，距离r被优选地设定为使得下面的表达式(2)所限定的评估函数变为最大，
其中，B0.850是在所述距离r和所述最小相对折射率差Δn(F)变化的情况下作为波长0.850μm下的传输带宽之一的EMB(GHz·km)，数值4.700表示波长0.850μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.875是在所述距离r和所述最小相对折射率差Δn(F)变化的情况下在波长0.875μm下的EMB(GHz·km)，数值4.200表示波长0.875μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.900是在所述距离r和所述最小相对折射率差Δn(F)变化的情况下在波长0.900μm下的EMB(GHz·km)，数值3.600表示波长0.900μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.925是在所述距离r和所述最小相对折射率差Δn(F)变化的情况下在波长0.925μm下的EMB(GHz·km)，数值3.300表示波长0.925μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.950是在所述距离r和所述最小相对折射率差Δn(F)变化的情况下在波长0.950μm下的EMB(GHz·km)，数值3.100表示波长0.950um下的目标EMB(GHz·km)。
(8)作为适用于前述第五方面至第七方面中的至少任一方面的第八方面，优选地，部分掺F区域掺杂有沿着所述芯部的径向恒定掺杂量的F。
[本发明的实施例的细节]
下文将参考附图对根据本发明实施例的GI-MMF(具有GI型折射率分布的多模光纤)的具体结构进行详细说明。应当注意的是，本发明决不意在限于通过举例说明而呈现的这些实施例，而是意在如在权利要求的范围中所记载的那样涵盖与权利要求的范围等同的含义和范围内的所有变化。
图1A是示出根据本发明实施例的GI-MMF的典型结构的横截面图，而图1B是GI-MMF的折射率分布。
如图1A所示，根据本发明实施例的GI-MMF 100具有沿着光轴AX延伸的芯部110和设置在芯部110的外周上的包层120。在图1A所示的GI-MMF 100中，芯部110的整个区域被掺杂有Ge，Ge作为基础掺杂剂且用于调节折射率分布的形状。芯部110由包括光轴AX的内部区域110A和围绕内部区域110A的外周的外部区域110B构成，这些区域110A、110B中的任一者掺杂有P或F。因此，在芯部110被部分地掺杂有P的构造中，内部区域110A和外部区域110B中的任一者是部分掺P区域，而另一者是未掺P区域。部分掺P区域是被有意掺杂P的区域。未掺P区域是未有意掺杂P的区域，并且在未掺P区域中，P的掺杂量被设定为不超过部分掺P区域中的P的最大掺杂量的5％。另一方面，在芯部110被部分地掺杂有F的构造中，内部区域110A和外部区域110B中的任一者是部分掺F区域，而另一者是未掺F区域。同样在该构造中，部分掺F区域是被有意掺杂F的区域。未掺F区域是未有意掺杂F的区域，并且在未掺F区域中，F的掺杂量被设定为不超过部分掺F区域中的F的最大掺杂量的5％。
如上所述，在芯部110中，与α分布一致的GI型折射率分布(参见图1B)通过作为基础掺杂剂的Ge和部分掺杂的P或F形成。该芯部110具有外径2a(半径a)和最大折射率n1。包层120是纯硅或掺杂有用于调节折射率的杂质的玻璃区域，并且具有比最大折射率n1低的折射率n0(n0<n1)。
图1B所示的GI-MMF 100的折射率分布150A表示在与光轴AX垂直的线L(与GI-MMF100的径向一致的线L)上的各部分的折射率，更具体而言，区域151A表示沿着线L的芯部110的各部分的折射率，而区域152A表示沿着线L的包层120的各部分的折射率。
具体而言，图1B中的折射率分布150A的区域151A具有圆顶形状(α分布)，使得如下文表达式(3)所表示的那样，折射率n(r)在与光轴AX一致的芯部110的中心(或者在光轴AX与GI-MMF 100的横截面相交的位置)处具有最大折射率。折射率n(r)表示半径为a的芯部110的折射率和沿径向相距芯部110的中心的距离为r的位置处的折射率。用于限定该圆顶形状的α值为1.8至2.2。芯部110的中心相对于包层120而言的最大相对折射率差Δcore(其等同于芯部110相对于包层120的最大相对折射率差)为0.8％至2.4％。芯部110的直径约为25μm至65μm。在本说明书中，芯部110(具有最大折射率n1)相对于包层120(具有折射率n0)的相对折射率差Δcore由下文的表达式(4)限定。诸如如上所述的芯部的相对折射率差等结构参数的相同定义也适用于将在下文说明的实施例、比较例等。
这里，Δcore表示芯部相对于包层的最大相对折射率差，n1表示芯部中心处的折射率(最大折射率)，n0表示包层的折射率，r表示自芯部中心起的距离，a表示芯部的半径，以及α表示用于确定α分布的形状的幂数α。
根据本发明实施例的GI-MMF的结构不限于上述结构(图1A和图1B)。例如，除了芯部110和包层120之外，根据本发明实施例的GI-MMF还可以具有沟槽部，沟槽部具有比包层120的折射率n0低的折射率n2。图2A和图2B是用于示出根据本发明实施例的GI-MMF的横截面结构的各种实例的折射率分布。
与图1A所示的GI-MMF 100一样，具有图2A所示的折射率分布150B的GI-MMF具有半径为a的芯部(具有最大折射率n1)和半径为b的包层(具有折射率n0)。此外，该GI-MMF具有沟槽部，该沟槽部设置在芯部与包层之间，并且具有比包层的折射率低的折射率n2。图2A所示的折射率分布150B表示在与光轴AX垂直的基准线(与图1A的线L对应)上的各部分的折射率，并且更具体而言，区域151B表示沿着基准线的芯部的各部分的折射率，区域152B表示沿着基准线的包层的各部分的折射率，而区域153B表示沿着基准线的沟槽部的各部分的折射率。在本说明书中，沟槽部相对于包层的相对折射率差Δtrench由下文的表达式(5)限定。
与图1A所示的GI-MMF 100一样，具有图2B所示的折射率分布150C的GI-MMF具有半径为a的芯部(具有最大折射率n1)和半径为b的包层(具有折射率n0)。此外，该GI-MMF具有沟槽部，该沟槽部在与芯部相距预定距离的状态下设置在包层中，并且具有比包层的折射率低的折射率n2。图2B所示的折射率分布150C表示在与光轴AX垂直的基准线(与图1A的线L对应)上的各部分的折射率，并且更具体而言，区域151C表示沿着基准线的芯部的各部分的折射率，区域152C表示沿着基准线的包层的各部分的折射率，而区域153C表示沿着基准线的沟槽部的各部分的折射率。在图2B的实例中，沟槽部相对于包层的相对折射率差Δtrench也由前述表达式(5)限定。
根据本发明实施例的GI-MMF具有如上所述的结构，并且芯部110的GI型折射率分布通过整体掺杂作为基础掺杂剂的Ge和部分掺杂除Ge之外的P或F形成。这允许本发明的实施例实现在用于WDM传输的更宽波长范围内扩大带宽，例如0.850μm至0.950μm，并且还能够提高芯部的折射率分布的制造容易性。用于扩大带宽的具体方案是例如如前述非专利文献1所述的作为传输带宽之一的EMB。具体而言，在前述非专利文献1的方案中，波长0.850μm(＝850nm)下的EMB不小于4.700GHz·km(＝4700MHz·km)，波长0.875μm(＝875nm)下的EMB不小于4.200GHz·km(＝4200MHz·km)，波长0.900μm(＝900nm)下的EMB不小于3.600GHz·km(＝3600MHz·km)，波长0.925μm(＝925nm)下的EMB不小于3.300GHz·km(＝3300MHz·km)，以及波长0.950μm(＝950nm)下的EMB不小于3.100GHz·km(＝3100MHz·km)。
另外，本发明人利用下文表达式(6)所表示的评估函数对本发明的实施例的GI-MMF和比较例的GI-MMF的带宽特性进行了评估。即，表达式(6)所限定的评估函数是表示GI-MMF的带宽比前述非专利文献1所提出的各个波长下的带宽大多少的指标。
其中，B0.850是作为波长0.850μm下的传输带宽之一的EMB(GHz·km)，数值4.700表示波长0.850μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.875是波长0.875μm下的EMB(GHz·km)，数值4.200表示波长0.875μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.900是波长0.900μm下的EMB(GHz·km)，数值3.600表示波长0.900μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.925是波长0.925μm下的EMB(GHz·km)，数值3.300表示波长0.925μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.950是波长0.950μm下的EMB(GHz·km)，以及数值3.100表示波长0.950um下的目标EMB(GHz·km)。
(比较例)
图3A是根据比较例的GI-MMF的折射率分布，而图3B是示出比较例的GI-MMF中的EMB的波长依存性的曲线图。
与图1A所示的GI-MMF 100一样，比较例的GI-MMF具有芯部和包层。然而，在该比较例的GI-MMF中，芯部仅掺杂有Ge，并且在图3A的折射率分布150D中，区域151D表示沿着与光轴AX垂直的基准线(与图1A的线L对应)芯部的各部分的相对折射率差(各个芯部相对于包层的相对折射率差)，而区域152D表示沿着基准线的包层的各部分的相对折射率差(＝0％)。
在该比较例的GI-MMF中，芯部仅掺杂有Ge并且外径为50μm(半径为25μm)。此外，芯部因掺杂有Ge而具有与α分布一致的GI型折射率分布，并且芯部相对于包层的最大相对折射率差Δcore(即，因掺杂有Ge而得到的最大相对折射率差Δn(Ge))仅为1.0％。α分布的形状按如下方式设计：波长0.9μm下的α分布的形状设计成使评估函数达到最大；利用WKB近似法(温-克-布三氏近似法)进行计算。在这种情况下，α值(最佳值)为2.058。包层由纯石英玻璃构成并且其外径为125μm。
在图3B中，曲线G300A表示如上所述那样优化后的比较例的GI-MMF的EMB，而曲线G300B表示前述非专利文献1所提出的目标波长范围(0.85μm至0.95μm)内的目标EMB(最小值)。还可以从图3B中看出，超过目标EMB的比较例的GI-MMF(曲线300A)的波长范围与目标波长范围基本一致。这意味着在实际的光纤制造中需要更精确地控制芯部中的α分布的形状(即，制造容易性较低)。
(第一实施例)
下文将利用图4和图6A至图6C对第一实施例的GI-MMF的带宽评估进行说明。通过对芯部的整个区域掺杂作为基础掺杂剂的Ge和对芯部的一部分掺杂P来构成第一实施例的GI-MMF。第一实施例的GI-MMF具有与图1A所示的结构相同的横截面结构，并且具有图1B所示的折射率分布150A。
具体而言，图4是用于示出第一实施例的GI-MMF的具体横截面结构的折射率分布。在图4中，折射率分布150A表示因掺杂有Ge和P而与α分布一致的GI型折射率分布，而折射率分布150AP表示因部分掺杂有P而得到的折射率分布。
第一实施例的GI-MMF具有芯部110和包层120，并且芯部110由内部区域110A和外部区域110B构成。即，在第一实施例的GI-MMF中，芯部110的整个区域(内部区域110A和外部区域110B这两者)掺杂有作为基础掺杂剂的Ge，并且芯部110的内部区域110A掺杂有P。另一方面，芯部110的外部区域110B掺杂有Ge而未掺杂有P。因此，在该第一实施例中，内部区域110A是部分掺P区域，而外部区域110B是未掺P区域。
具体而言，在图4所示的折射率分布150A中，区域151A表示沿着线L的芯部110的各部分处的相对折射率差(各个芯部相对于包层120的相对折射率差)，区域152A表示沿着线L的包层120的相对折射率差(＝0％)，区域151Ai表示沿着线L的内部区域110A(部分掺P区域)的相对折射率差(内部区域的各个部分相对于包层120的相对折射率差)，以及区域151Ao表示沿着线L的外部区域110B(未掺P区域)的相对折射率差(外部区域的各个部分相对于包层120的相对折射率差)。
图6A至图6C示出如上所述那样构造的第一实施例的GI-MMF的带宽评估的结果。在第一实施例的GI-MMF中，芯部110的外径为50μm(半径为25μm)。芯部因掺杂有Ge和P而具有与α分布一致的GI型折射率分布，并且芯部相对于包层的最大相对折射率差Δcore(即，因掺杂有Ge和P而得到的最大相对折射率差Δn(Ge+P))为1.0％。在区域151Ai(内部区域110A)中，因掺杂有P而得到的最大相对折射率差Δn(P)为0.5％，而在区域151Ao(外部区域110B)中，因掺杂有P而得到的最大相对折射率差Δn(P)大致为0％。区域151Ai与区域151Ao之间的边界(自与光轴AX一致的芯部中心起的距离r)被设定在与芯部中心相距15μm的位置。
具体而言，图6A是表示在第一实施例的GI-MMF中相对于自芯部中心起的距离在0μm至25μm范围内的距离r(μm)和因掺杂有在0％至1.0％范围内的P而得到的最大相对折射率差Δn(P)(％)的各种组合(r，Δn(P))而言在评估函数值(0.6至2.2)的分布中分组的八个数值范围的视图。在示出评估函数值的分布的图6A中，区域G600A1至区域G600A8分别表示在评估函数值顺次落在2.0至2.2的范围、1.8至2.0的范围、1.6至1.8的范围、1.4至1.6的范围、1.2至1.4的范围、1.0至1.2的范围、0.8至1.0的范围和0.6至0.8的范围内的情况下的组合(r，Δn(P))的分布。图6A还示出了评估函数的最优解OP1。
图6B是表示在第一实施例的GI-MMF中相对于各种组合(r，Δn(P))而言在波长0.9μm下在α值的最佳值(通过利用WKB近似法计算得到的数值2.010至2.060)的分布中分组的十个数值范围的视图。在示出α值的最佳值的分布的图6B中，区域G600B1至区域G600B10分别表示在最佳α值顺次落在2.055至2.060的范围、2.050至2.055的范围、2.045至2.050的范围、2.040至2.045的范围、2.035至2.040的范围、2.030至2.035的范围、2.025至2.030的范围、2.020至2.025的范围、2.015至2.020的范围和2.010至2.015的范围内的情况下的组合(r，Δn(P))的分布。图6B还示出了最佳α值的最优解OP1。
从前述图6A和图6B中可以看出，为了获得评估函数和最佳α值的最优解OP1，Δn(P)被优选地设定在0.6％附近，并且距离r被优选地设定在15μm附近。大致基于该计算结果设定图4所示的折射率分布150AP。第一实施例的GI-MMF的带宽特性(EMB的波长依存性)的形状(其具有与图4所示的整个芯部的折射率分布对应的折射率分布150A)变为图6C所示的形状。在图6C中，曲线G600C1表示如上所述那样优化后的第一实施例的GI-MMF的EMB，而曲线G600C2表示前述非专利文献1所提出的目标波长范围(0.85μm至0.95μm)内的目标EMB(最小值)。还可以从图6C中看出，与目标波长范围相比，超过目标EMB的第一实施例的GI-MMF(曲线G600C1)的波长范围显著扩大。这意味着在实际的光纤制造中可以降低芯部中的α分布的形状所需的精度(提高制造容易性)。
(第二实施例)
图5是用于示出根据第二实施例的GI-MMF的横截面结构的折射率分布，而图7A至图7C是用于说明第二实施例的GI-MMF中的带宽特性的评估结果的视图。就像第一实施例的实例中那样，也通过对芯部的整个区域掺杂作为基础掺杂剂的Ge和对芯部的一部分掺杂P来构成第二实施例的GI-MMF。此外，第二实施例的GI-MMF也具有与图1A所示的结构相同的横截面结构，并且具有图1B所示的折射率分布150A。
具体而言，图5是用于示出第二实施例的GI-MMF的具体横截面结构的折射率分布。在图5中，折射率分布150A表示因掺杂有Ge和P而与α分布一致的GI型折射率分布，而折射率分布150AP表示因部分掺杂有P而得到的折射率分布。第一实施例的折射率分布和第二实施例的折射率分布的不同点在于：在作为部分掺P区域的内部区域110A(与图5中的区域151Ai对应)中因掺杂有P而得到的折射率分布150AP的形状。即，在第一实施例中，在内部区域110A中因掺杂有P而得到的折射率分布150AP的形状为：因掺杂有P而得到的相对折射率差Δn(P)自芯部中心(光轴AX)起沿着径向逐渐下降，另一方面，在第二实施例中，在内部区域110A中因掺杂有P而得到的折射率分布150AP的形状为：因掺杂有P而得到的相对折射率差Δn(P)被设定成自芯部中心(光轴AX)起沿着径向恒定不变。
与第一实施例的实例中一样，第二实施例的GI-MMF具有芯部110和包层120，并且芯部110由内部区域110A和外部区域110B构成。即，在第二实施例的GI-MMF中，芯部110的整个区域(内部区域110A和外部区域110B这两者)掺杂有作为基础掺杂剂的Ge，并且芯部110的内部区域110A掺杂有沿着径向恒定的掺杂浓度的P。另一方面，芯部110的外部区域110B掺杂有Ge而未掺杂有P。因此，在该第二实施例中，与第一实施例的实例中一样，内部区域110A是部分掺P区域，而外部区域110B是未掺P区域。
具体而言，在图5所示的折射率分布150A中，区域151A表示沿着线L的芯部110的各部分处的相对折射率差(各个芯部相对于包层120的相对折射率差)，区域152A表示沿着线L的包层120的相对折射率差(＝0％)，区域151Ai表示沿着线L的内部区域110A(部分掺P区域)的相对折射率差(内部区域的各个部分相对于包层120的相对折射率差)，以及区域151Ao表示沿着线L的外部区域110B(未掺P区域)的相对折射率差(外部区域的各个部分相对于包层120的相对折射率差)。
图7A至图7C示出如上所述那样构造的第二实施例的GI-MMF的带宽评估的结果。在第二实施例的GI-MMF中，芯部110的外径为50μm(半径为25μm)。芯部因掺杂有Ge和P而具有与α分布一致的GI型折射率分布，并且芯部相对于包层的最大相对折射率差Δcore(即，因掺杂有Ge和P而得到的最大相对折射率差Δn(Ge+P))为1.0％。在区域151Ai(内部区域110A)中，因掺杂有P而得到的相对折射率差Δn(P)为0.5％，而在区域151Ao(外部区域110B)中，因掺杂有P而得到的相对折射率差Δn(P)大致为0％。区域151Ai与区域151Ao之间的边界(自与光轴AX一致的芯部中心起的距离r)被设定在与芯部中心相距15μm的位置。
具体而言，图7A是表示在第二实施例的GI-MMF中相对于自芯部中心起的距离在0μm至25μm范围内的距离r(μm)和因掺杂有在0％至1.0％范围内的P而得到的最大相对折射率差Δn(P)(％)的各种组合(r，Δn(P))而言在评估函数值(0.0至2.0)的分布中分组的十个数值范围的视图。在示出评估函数值的分布的图7A中，区域G700A1至区域G700A10分别表示在评估函数值顺次落在1.8至2.0的范围、1.6至1.8的范围、1.4至1.6的范围、1.2至1.4的范围、1.0至1.2的范围、0.8至1.0的范围、0.6至0.8的范围、0.4至0.6的范围、0.2至0.4的范围和0.0至0.2的范围内的情况下的组合(r，Δn(P))的分布。图7A还示出了评估函数的最优解OP2。
图7B是表示在第二实施例的GI-MMF中相对于各种组合(r，Δn(P))而言在波长0.9μm下在α值的最佳值(通过利用WKB近似法计算得到的数值2.015至2.060)的分布中分组的十个数值范围的视图。在示出α值的最佳值的分布的图7B中，区域G700B1至区域G700B9分别表示在最佳α值顺次落在2.055至2.060的范围、2.050至2.055的范围、2.045至2.050的范围、2.040至2.045的范围、2.035至2.040的范围、2.030至2.035的范围、2.025至2.030的范围、2.020至2.025的范围和2.015至2.020的范围内的情况下的组合(r，Δn(P))的分布。图7B还示出了最佳α值的最优解OP2。在图7B中，除区域G700B1至G700B9以外的区域是最佳α值为2.060以外的区域。
从前述图7A和图7B中可以看出，为了获得评估函数和最佳α值的最优解OP2，Δn(P)被优选地设定在0.5％附近，并且距离r被优选地设定在15μm附近。大致基于该计算结果设定图5所示的折射率分布150AP。第二实施例的GI-MMF的带宽特性(EMB的波长依存性)的形状(其具有与图5所示的整个芯部的折射率分布对应的折射率分布150A)变为图7C所示的形状。在图7C中，曲线G700C1表示如上所述那样优化后的第二实施例的GI-MMF的EMB，而曲线G700C2表示前述非专利文献1所提出的目标波长范围(0.85μm至0.95μm)内的目标EMB(最小值)。还可以从图7C中看出，与目标波长范围相比，超过目标EMB的第二实施例的GI-MMF(曲线G700C1)的波长范围显著扩大。这意味着在实际的光纤制造中可以降低芯部中的α分布的形状所需的精度(提高制造容易性)。
(第三实施例)
前述第一实施例和第二实施例具有这样的构造：芯部110部分掺杂有P，而第三实施例和第四实施例具有这样的构造：芯部部分掺杂有F而不是P。具体而言，图8是用于示出根据第三实施例的GI-MMF的横截面结构的折射率分布，而图10A至图10C是用于说明第三实施例的GI-MMF中的带宽特性的评估结果的视图。通过对芯部的整个区域掺杂作为基础掺杂剂的Ge和对芯部的一部分掺杂F来构成第三实施例的GI-MMF。此外，第三实施例的GI-MMF也具有与图1A所示的结构相同的横截面结构，并且具有图1B所示的折射率分布150A。
具体而言，图8是用于示出第三实施例的GI-MMF的具体横截面结构的折射率分布。在图8中，折射率分布150A表示因掺杂有Ge和F而与α分布一致的GI型折射率分布，而折射率分布150AF表示因部分掺杂有F而得到的折射率分布。
第三实施例的GI-MMF具有芯部110和包层120，并且芯部110由内部区域110A和外部区域110B构成。即，在第三实施例的GI-MMF中，芯部110的整个区域(内部区域110A和外部区域110B这两者)掺杂有作为基础掺杂剂的Ge，并且芯部110的外部区域110B掺杂有F。另一方面，芯部110的内部区域110A掺杂有Ge而未掺杂有F。因此，在该第三实施例中，与前述第一实施例和第二实施例的实例相反，内部区域110A是未掺F区域，而外部区域110B是部分掺F区域。
具体而言，在图8所示的折射率分布150A中，区域151A表示沿着线L的芯部110的各部分处的相对折射率差(各个芯部相对于包层120的相对折射率差)，区域152A表示沿着线L的包层120的相对折射率差(＝0％)，区域151Ai表示沿着线L的内部区域110A(未掺F区域)的相对折射率差(内部区域的各个部分相对于包层120的相对折射率差)，以及区域151Ao表示沿着线L的外部区域110B(部分掺F区域)的相对折射率差(外部区域的各个部分相对于包层120的相对折射率差)。
图10A至图10C示出如上所述那样构造的第三实施例的GI-MMF的带宽评估的结果。在第三实施例的GI-MMF中，芯部110的外径为50μm(半径为25μm)。芯部因掺杂有Ge和F而具有与α分布一致的GI型折射率分布，并且芯部相对于包层的最大相对折射率差Δcore(即，因掺杂有Ge和F而得到的最大相对折射率差Δn(Ge+F)为1.0％。在区域151Ai(内部区域110A)中，因掺杂有F而得到的相对折射率差Δn(F)大致为0％，而在区域151Ao(外部区域110B)中，因掺杂有F而得到的最小相对折射率差Δn(F)为-0.5％。区域151Ai与区域151Ao之间的边界(自与光轴AX一致的芯部中心起的距离r)被设定在与芯部中心相距3μm的位置。
具体而言，图10A是表示在第三实施例的GI-MMF中相对于自芯部中心起的距离在0μm至25μm范围内的距离r(μm)和因掺杂有在-1.0％至0％范围内的F而得到的最小相对折射率差Δn(F)(％)的各种组合(r，Δn(F))而言在评估函数值(1.1至2.1)的分布中分组的十个数值范围的视图。在示出评估函数值的分布的图10A中，区域G1000A1至区域G1000A10分别表示在评估函数值顺次落在2.0至2.1的范围、1.9至2.0的范围、1.8至1.9的范围、1.7至1.8的范围、1.6至1.7的范围、1.5至1.6的范围、1.4至1.5的范围、1.3至1.4的范围、1.2至1.3的范围和1.1至1.2的范围内的情况下的组合(r，Δn(F))的分布。图10A还示出了评估函数的最优解OP3。在图10A中，除区域G1000A1至G1000A10以外的区域是评估函数值不超过1.1的区域。
图10B是表示在第三实施例的GI-MMF中相对于各种组合(r，Δn(F))而言在波长0.9μm下在α值的最佳值(通过利用WKB近似法计算得到的数值2.035至2.060)的分布中分组的五个数值范围的视图。在示出α值的最佳值的分布的图10B中，区域G1000B1至区域G1000B5分别表示在最佳α值顺次落在2.055至2.060的范围、2.050至2.055的范围、2.045至2.050的范围、2.040至2.045的范围和2.035至2.040的范围内的情况下的组合(r，Δn(F))的分布。图10B还示出了最佳α值的最优解OP3。
从前述图10A和图10B中可以看出，为了获得评估函数和最佳α值的最优解OP3，Δn(F)被优选地设定在-0.9％附近，并且距离r被优选地设定在3μm附近。图8所示的折射率分布150AF以如下方式设定：最小相对折射率差Δn(F)为-0.5％，并且内部区域110A与外部区域110B之间的边界的位置(与内部区域110A的半径一致)为3μm。第三实施例的GI-MMF的带宽特性(EMB的波长依存性)的形状(其具有与图8所示的整个芯部的折射率分布对应的折射率分布150A)变为图10C所示的形状。在图10C中，曲线G1000C1表示如上所述那样优化后的第三实施例的GI-MMF的EMB，而曲线G1000C2表示前述非专利文献1所提出的目标波长范围(0.85μm至0.95μm)内的目标EMB(最小值)。还可以从图10C中看出，与目标波长范围相比，超过目标EMB的第三实施例的GI-MMF(曲线G1000C1)的波长范围显著扩大。这意味着在实际的光纤制造中可以降低芯部中的α分布的形状所需的精度(提高制造容易性)。
(第四实施例)
图9是用于示出根据第四实施例的GI-MMF的横截面结构的折射率分布，而图11A至图11C是用于说明第四实施例的GI-MMF中的带宽特性的评估结果的视图。就像第三实施例的实例中那样，也通过对芯部的整个区域掺杂作为基础掺杂剂的Ge和对芯部的一部分掺杂F来构成第四实施例的GI-MMF。此外，第四实施例的GI-MMF也具有与图1A所示的结构相同的横截面结构，并且具有图1B所示的折射率分布150A。
具体而言，图9是用于示出第四实施例的GI-MMF的具体横截面结构的折射率分布。在图9中，折射率分布150A表示因掺杂有Ge和F而与α分布一致的GI型折射率分布，而折射率分布150AF表示因部分掺杂有F而得到的折射率分布。第三实施例的折射率分布和第四实施例的折射率分布的不同点在于：在作为部分掺F区域的外部区域110B(与图9中的区域151Ao对应)中因掺杂有F而得到的折射率分布150AF的形状。即，在第三实施例中，在外部区域110B中因掺杂有F而得到的折射率分布150AF的形状为：因掺杂有F而得到的相对折射率差Δn(F)自芯部中心(光轴AX)起沿着径向逐渐下降。另一方面，在第四实施例的GI-MMF中，在外部区域110B中因掺杂有F而得到的折射率分布150AF的形状为：因掺杂有F而得到的相对折射率差Δn(F)被设定成自芯部中心(光轴AX)起沿着径向恒定不变。
与第三实施例的实例中一样，第四实施例的GI-MMF具有芯部110和包层120，并且芯部110由内部区域110A和外部区域110B构成。即，在第四实施例的GI-MMF中，芯部110的整个区域(内部区域110A和外部区域110B这两者)掺杂有作为基础掺杂剂的Ge，并且芯部110的外部区域110B掺杂有沿着径向恒定的掺杂浓度的F。另一方面，芯部110的内部区域110A掺杂有Ge而未掺杂有F。因此，在该第四实施例中，与第三实施例的实例中的一样，内部区域110A是未掺F区域，而外部区域110B是部分掺F区域。
具体而言，在图9所示的折射率分布150A中，区域151A表示沿着线L的芯部110的各部分处的相对折射率差(各个芯部相对于包层120的相对折射率差)，区域152A表示沿着线L的包层120的相对折射率差(＝0％)，区域151Ai表示沿着线L的内部区域110A(未掺F区域)的相对折射率差(内部区域的各个部分相对于包层120的相对折射率差)，以及区域151Ao表示沿着线L的外部区域110B(部分掺F区域)的相对折射率差(外部区域的各个部分相对于包层120的相对折射率差)。
图11A至图11C示出如上所述那样构造的第四实施例的GI-MMF的带宽评估的结果。在第四实施例的GI-MMF中，芯部110的外径为50μm(半径为25μm)。芯部因掺杂有Ge和F而具有与α分布一致的GI型折射率分布，并且芯部相对于包层的最大相对折射率差Δcore(即，因掺杂有Ge和F而得到的最大相对折射率差Δn(Ge+F))为1.0％。在区域151Ai(内部区域110A)中，因掺杂有F而得到的相对折射率差Δn(F)大致为0％，而在区域151Ao(外部区域110B)中，因掺杂有F而得到的相对折射率差Δn(F)为-0.5％。区域151i与区域151Ao之间的边界(自与光轴AX一致的芯部中心起的距离r)被设定在与芯部中心相距12.5μm的位置。
即，图11A是表示在第四实施例的GI-MMF中相对于自芯部中心起的距离在0μm至25μm范围内的距离r(μm)和因掺杂有在-1.0％至0％范围内的F而得到的最小相对折射率差Δn(F)(％)的各种组合(r，Δn(F))而言在评估函数值(0.6至2.6)的分布中分组的十个数值范围的视图。在示出评估函数值的分布的图11A中，区域G1100A1至区域G1100A10分别表示在评估函数值顺次落在2.4至2.6的范围、2.2至2.4的范围、2.0至2.2的范围、1.8至2.0的范围、1.6至1.8的范围、1.4至1.6的范围、1.2至1.4的范围、1.0至1.2的范围、0.8至1.0的范围和0.6至0.8的范围内的情况下的组合(r，Δn(F))的分布。图11A还示出了评估函数的最优解OP4。
图11B是表示在第四实施例的GI-MMF中相对于各种组合(r，Δn(F))而言在波长0.9μm下在α值的最佳值(通过利用WKB近似法计算得到的数值2.010至2.060)的分布中分组的十个数值范围的视图。在示出α值的最佳值的分布的图11B中，区域G1100B1至区域G1100B10分别表示在最佳α值顺次落在2.055至2.060的范围、2.050至2.055的范围、2.045至2.050的范围、2.040至2.045的范围、2.035至2.040的范围、2.030至2.035的范围、2.025至2.030的范围、2.020至2.025的范围、2.015至2.020的范围和2.010至2.015的范围内的情况下的组合(r，Δn(F))的分布。图11B还示出了最佳α值的最优解OP4。此外，除区域G1100B1至G1100B10以外的区域是最佳α值不超过2.010的区域。
从前述图11A和图11B中可以看出，为了获得评估函数和最佳α值的最优解OP4，Δn(F)被优选地设定在-0.5％附近，并且距离r被优选地设定在13μm附近。大致基于该计算结果设定图9所示的折射率分布150AF。第四实施例的GI-MMF的带宽特性(EMB的波长依存性)的形状(其具有与图9所示的整个芯部的折射率分布对应的折射率分布150A)变为图11C所示的形状。在图11C中，曲线G1100C1表示如上所述那样优化后的第四实施例的GI-MMF的EMB，而曲线G1100C2表示前述非专利文献1所提出的目标波长范围(0.85μm至0.95μm)内的目标EMB(最小值)。还可以从图11C中看出，与目标波长范围相比，超过目标EMB的第四实施例的GI-MMF(曲线G1100C1)的波长范围显著扩大。这意味着在实际的光纤制造中可以降低芯部中的α分布的形状所需的精度(提高制造容易性)。
在本发明的实施例中，如上所述，整个芯部掺杂有作为基础掺杂剂的Ge，并且仅芯部的一部分掺杂有P或F。通过P或F被部分掺杂在芯部(其中，如上所述那样形成GI型折射率分布，并且基础掺杂剂是Ge)中的构造，在芯部的横截面中，降低多种掺杂剂的掺杂浓度需要被高度精确控制的区域相对于芯部的整个区域的占有比率变得可行。结果，在实现在用于WDM传输的更宽波长范围内扩大带宽(例如0.850μm至0.950μm)的GI-MMF中，本发明能够提高芯部的折射率分布的制造容易性。
根据本发明的上述说明，显而易见的是，本发明可以以多种方式变化。这些变化不被视为脱离了本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员显而易见的所有改进都旨在包括在所附权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种多模光纤，包括：
芯部，其沿着预定轴线延伸，并且掺杂有锗和氟；以及
包层，其设置在所述芯部的外周表面上，
其中，所述芯部具有通过掺杂所述锗和所述氟而形成的渐变折射率型折射率分布，
在所述芯部的与所述预定轴线垂直的横截面中，掺杂有所述锗的掺锗区域与所述芯部的所述横截面的整个区域一致，并且
在所述芯部的所述横截面中，所述掺锗区域由部分掺氟区域和未掺氟区域构成，在所述部分掺氟区域中，因掺杂有所述氟而得到的相对于所述包层的相对折射率差受到控制，在所述未掺氟区域中，所述氟的掺杂量被设定为不超过所述部分掺氟区域中的所述氟的最大掺杂量的5％，其中，在所述掺锗区域中，所述部分掺氟区域布置为围绕整个所述未掺氟区域。
2.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，所述部分掺氟区域和所述未掺氟区域布置为彼此接触，并且
当r表示从所述芯部的中心到所述部分掺氟区域与所述未掺氟区域之间的边界的距离，并且Δn(F)表示所述部分掺氟区域中因掺杂有所述氟而得到的相对于所述包层的最小相对折射率差时，距离r被设定为使得下面的表达式(2)所限定的评估函数变为最大，
其中，B0.850是在所述距离r和所述最小相对折射率差Δn(F)变化的情况下作为波长0.850μm下的传输带宽之一的EMB(GHz·km)，数值4.700表示波长0.850μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.875是在所述距离r和所述最小相对折射率差Δn(F)变化的情况下在波长0.875μm下的EMB(GHz·km)，数值4.200表示波长0.875μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.900是在所述距离r和所述最小相对折射率差Δn(F)变化的情况下在波长0.900μm下的EMB(GHz·km)，数值3.600表示波长0.900μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.925是在所述距离r和所述最小相对折射率差Δn(F)变化的情况下在波长0.925μm下的EMB(GHz·km)，数值3.300表示波长0.925μm下的目标EMB(GHz·km)，B0.950是在所述距离r和所述最小相对折射率差Δn(F)变化的情况下在波长0.950μm下的EMB(GHz·km)，数值3.100表示波长0.950um下的目标EMB(GHz·km)。
3.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，所述部分掺氟区域掺杂有沿着所述芯部的径向恒定掺杂量的所述氟。
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