CN106537197A - 多模光纤和包括这种多模光纤的系统 - Google Patents

多模光纤和包括这种多模光纤的系统 Download PDF

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Abstract

一种多模光纤，包括：芯，该芯具有直径D40以及折射率分布，该芯被配置成用于在波长λ1＝850nm处最佳地传输光并且用于在另一个波长λo处传播LP01模式，其中，λo>950nm，该多模光纤具有LP01模场直径LP01MFDMMλ0，并且8.5μm<LP01MFDMMλ0<11μm。

Description

多模光纤和包括这种多模光纤的系统
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2014年5月16日提交的美国临时申请序列号61/994388的优先权权益，该申请的内容被用作依据并且通过引用以其全部内容结合在此。
技术领域
本公开涉及采用多模光纤的光学传输系统以及利用这种光纤的传输系统。
背景技术
不承认在本文引用的任何参考构成现有技术。申请人明确地保留质疑任何引用文献的准确性和相关性的权利。
在数据中心中采用光纤传输系统来将一台光学设备(例如，路由器、服务器、交换机等)与另一组光学设备光学地连接。
当前数据中心配置有多模光纤，这些多模光纤被耦合至向多模光纤提供调制数据信号的850nm多模VCSEL光源。因为光学设备中的收发器中的光源是多模光源，所以使用这种多模光纤。而且，在历史上，相比单模光纤，一直以来使用多模光纤进行工作更加容易。不幸地是，由于模色散的原因，多模光纤的带宽距离乘积更小，这使得在维持高带宽传输的同时扩展光纤传输系统的范围是困难且昂贵的。此外，利用以10Gb/s来进行操作的典型发射器(其利用850nm VCSEL)作为源，由于这些多模光纤的二氧化硅材料所带来的色散而引起的信号失真，当前标准OM3和OM4多模光纤仅可以在约300m到约500m的距离上传输光信号。随着光学传输速度移至25Gb/s或更高，由于在850nm周围进行操作的当前标准OM3和OM4多模光纤的色散的原因，此距离变得甚至更短(75m到150m)。因此，需要增大光纤传输系统的传输距离而不会导致用于替换现有多模光纤的时间、劳力和费用的其他方式。
发明内容
根据一些实施例，一种多模光纤包括多模芯，该多模芯具有直径D40以及折射率分布，该芯被配置成用于在位于840nm与860nm之间的波长λ1处最佳地传输光并且用于在另一个波长λo处以LP01模式来传播光，其中，λo>950nm，该多模光纤具有LP01模场直径LP01MFDMMλ0，并且8.5μm<LP01MFDMMλ0<11μm。根据一个示例性实施例，λo在1320nm与1360nm之间。根据另一个示例性实施例，λo在1540nm与1560nm之间。根据一些实施例，优选地，多模光纤具有至少0.7％的最大折射率变化量Δ1(％)。
根据一些实施例，多模光纤具有：芯直径D40，使得15μm≤D40<23μm；以及在0.7％与1.25％之间的芯折射率变化量。根据一些实施例，芯的阿尔法值为2.09≤α≤2.13。该芯由包层包围。在一些实施例中，光纤包括包围芯的包层以及位于包层内的凹陷折射率区域。根据一些实施例，多模光纤OF(全模式)模带宽(BW)在波长λ1＝850nm处为至少2.5GHz·Km并且在波长1200nm处为小于2GHz·Km。根据一些实施例，全模式带宽在波长λ1处为至少2.5GHz·Km，多模光纤模带宽在波长λ1＝850nm处为至少5GHz·Km，并且根据一些实施例，在此波长处为大于10GHz·Km。
根据一些实施例，一种光学传输系统包括：
多模发射器，该多模发射器生成调制光，该调制光具有840nm与860nm之间的工作波长；
光学接收器，所述光学接收器被配置成用于接收并检测所述调制光；
多模光纤，该多模光纤限定了该多模发射器与该光学接收器之间的光学路径，该多模光纤具有芯，该芯具有直径D40以及折射率分布，该芯被配置成用于在位于840nm与860nm之间的波长λ1处最佳地传输光并且用于在另一个波长λo处传播LP01模式，其中，λo>950nm，该多模光纤具有LP01模场直径LP01MFDMMλ0并且8.5μm<LP01MFDMMλ0<11μm。根据一个示例性实施例，λo在1320nm与1360nm之间。根据另一个示例性实施例，λo在1540nm与1560nm之间。
根据一些实施例，多模光纤的模带宽在波长λ1处为至少2.5GHz·Km。
根据一些实施例，一种光学传输系统包括：
发射器，该发射器生成调制光，该调制光具有使得λ0>950nm的工作波长λ0；
光学接收器，所述光学接收器被配置成用于接收并检测所述调制光；
多模光纤，该多模光纤限定了该多模发射器与该光学接收器之间的光学路径，该多模光纤具有芯，该芯具有直径D40、至少0.7％的最大相对折射率变化量Δ1(％)、以及折射率分布，该芯被配置成用于在波长850nm处最佳地传输光并且用于在该波长λo处传播LP01模式，该多模光纤具有LP01模场直径LP01MFDMMλ0并且8.5μm<LP01MFDMMλ0<11μm。根据至少一些光学传输系统实施例，在波长λo中的光以基本上LP01模式被发射到多模光纤中。
在一些示例性实施例中，波长λo位于1260nm到1340nm的波长带或者1540nm到1560nm的波长带中。
附加特征以及优点将在以下详细描述中予以阐明、并且部分地从该描述中对本领域的技术人员而言将变得非常明显或者通过实践如所写描述中描述的实施例和其权利要求书以及所附附图很容易被认识。
应当理解的是，上述概括描述和以下详细描述仅是示例性的，并且旨在为理解权利要求书的本质和特征提供概要或框架。
附图被包括以便提供进一步理解，并被结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图展示了一个或多个实施例，并且与说明书一起用于解释各种实施例的原理和操作。
附图说明
图1A是采用通过多模光纤40光学地连接的多模发射器和单接收器的光纤传输系统的一个实施例的示意图；
图1B是采用通过多模光纤40光学地连接的单模发射器和单模或多模接收器的光纤传输系统的一个实施例的示意图；
图2A是采用通过多模光纤光学地连接的单模发射器和多模接收器的光纤传输系统的一个实施例的示意图；
图2B是采用通过多模光纤光学地连接的单模发射器和单模接收器30S的光纤传输系统的一个实施例的示意图；
图3A和图3B是光学传输系统的其他示例性实施例的示意图；
图4展示了若干示例性多模光纤实施例在1310nm波长处的LP01模式MFD对纤芯半径；
图5展示了若干示例性多模光纤实施例在1550nm波长处的LP01模式MFD对纤芯半径；
图6示出了若干示例性MMF的带宽对波长；
图7示意性地展示了一根示例性MMF 40的折射率分布；以及
图8是采用通过多模光纤40′光学地连接的单模发射器、以及包括SMF 50的(多根)SM光纤跳线的光纤传输系统的一个实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的附加特征以及优点将在以下详细描述中予以阐述，并且将从该描述中对本领域的技术人员而言是明显的或通过实践如在以下描述连同权利要求书和附图中描述的本发明被认识。
“折射率分布”是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”被定义为Δ＝100×[n(r)2-ncl 2)/2n(r)2，其中，除非另外指明，n(r)是在离光纤的中心线的径向距离r处的折射率，并且ncl是包层的外部包层区域在波长850nm处的平均折射率，该平均折射率可以例如通过在包层的外部环形区域中进行“N”次折射率测量(nC1、nC2、…、nCN)并通过以下各项来计算平均折射率来计算：
在包层的外部环形区域中进行“N”次折射率测量(nC1、nC2、…、nCN)并通过以下各项来计算平均折射率来计算：
i＝N
nC＝(1/N)∑nCi。
i＝1
在一些示例性实施例中，外部包层区域包括基本上纯的二氧化硅。除非另外指明，如在本文中所使用的，相对折射率由变化量或Δ表示并且它的值通常以“％”为单位给出。除非另外指明，在区域的折射率小于外部包层区域的平均折射率的情况下，相对折射率百分比为负并且被称为具有凹陷折射率，并且是在相对折射率最负的点处计算的。除非另外指明，在区域的折射率大于外部包层区域的平均折射率的折射率的情况下，相对折射率百分比为正，并且该区域可以说是被提高或者具有正折射率，并且该相对折射率百分比是在相对折射率最正的点处计算的。参照芯变化量值，其在本文中被公开为最大％变化量。
“上掺杂剂(up-dopant)”在本文中被认为是相对于纯的未掺杂SiO2具有提高折射率的倾向的掺杂剂。“下掺杂剂(down-dopant)”在本文中被认为是相对于纯的未掺杂SiO2具有降低折射率的倾向的掺杂剂。在伴随有不是上掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂时，上掺杂剂可以存在于具有负相对折射率的光纤区域中。同样地，不是上掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可以存在于具有正相对折射率的光纤区域中。在伴随有不是下掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂时，下掺杂剂可以存在于具有正相对折射率的光纤区域中。同样地，不是下掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可以存在于具有负相对折射率的光纤区域中。
除非另外说明，光纤的全模式(Overfill)(或全模式(Overfilled，OFL))带宽(BW)在本文中被定义为根据Measurement Methods and Test Procedures:Bandwidth(测量方法和测试程序：带宽)(IEC 60793-1-41(TIA-FOTP-204))在850nm处使用全模式发射条件来测量的。除非另外指明，在以下讨论中，带宽BW被理解为指全模式带宽。
最小计算有效模带宽(EBW)可以从如由Measurement Methods and TestProcedures:Differential Mode Delay(测量方法和测试程序：差分模式延迟)(IEC60793-1-49(TIA/EIA-455-220))所指定的测量差分模式延迟光谱中获得。
光纤的NA是指如使用题为“Measurement Methods and Test Procedures:Numerical Aperture(测量方法和测试程序：数值孔径)”的IEC-60793-1-43(TIA SP3-2839-URV2FOTP-177)中所阐述的方法来测量的数值孔径。
模型化带宽可以根据T.A.Lenahan(T.A.里纳瀚)“Calculation of Modes in anOptical Fiber Using the Finite Element Method and EISPACK(使用有限元法和EISPACK来计算光纤中的模式)”，Bell Sys.Tech.J.(贝尔系统技术杂志)，第62卷，第2663-2695页(1983)中所概述的程序来计算，其全部公开据此通过引用结合在此。此参考的方程47用于计算模延迟；然而，注意，术语dk包层/dω2必须由dk2 包层/dω2来代替，其中，k包层＝2π*n包层/λ并且ω＝2π/λ，并且n包层＝nc，其中，是外部包层区域的平均折射率。通常每单位长度地对模延迟进行归一化，并且以ns/km为单位(或等效地以ps/m为单位)给出模式延迟。计算带宽还假设折射率分布是理想的，不具有如中心线下降等扰动，并且因此，对于给定设计，代表最大带宽。
如在本文中所使用的，术语渐变折射率、“α分布”或“阿尔法分布”是指相对折射率分布，用以“％”为单位的Δ来表示，其中，r是半径，并且其遵循以下方程，
其中，Δ0是被外推至r＝0的相对折射率，R1是芯的半径(即，Δ(r)为0的半径)，并且α是作为实数的指数。对于阶跃折射率分布，阿尔法值大于或等于10。对于渐变折射率分布，阿尔法值小于10。如在本文中所使用的，术语“抛物线的”包括基本上抛物线形状的折射率分布，这些折射率分布可以在芯中的一个或多个点处从例如2.0的α值略微变化，以及具有微小变化和/或中心线下降的分布。举例说明本发明的模型化折射率分布具有作为完美阿尔法分布的渐变折射率芯。真实光纤通常将与完美阿尔法分布具有微小偏差，包括如在芯的外部接口处的中心线和/或扩散尾部处的下降或尖峰等特征。然而，准确的阿尔法值和Δ0值仍然可以通过在从0.05R1≤r≤0.95R1的半径范围内数值地将测量的相对折射率分布与阿尔法分布进行拟合来获得。在中心线处不具有如下降或尖峰等缺陷的理想渐变折射率光纤中，Δ0＝Δ1MAX，其中，Δ1MAX是芯的最大折射率。在其他情况下，从0.05R1≤r≤0.95R1的数值拟合中获得的Δ0值可能大于或小于Δ1MAX。
本发明的附加特征以及优点将在以下详细描述中予以阐述，并且将从该描述中对本领域的技术人员而言是明显的或通过实践如在以下描述连同权利要求书和附图中描述的本发明被认识。
“折射率分布”是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”被定义为Δ＝100×[n(r)2-ncl 2)/2n(r)2，其中，除非另外指明，n(r)是在离光纤的中心线的径向距离r处的折射率，并且ncl是包层的外部包层区域在波长850nm处的平均折射率，该平均折射率可以例如通过在包层的外部环形区域中进行“N”次折射率测量(nC1、nC2、…、nCN)并通过以下各项来计算平均折射率来计算：
在包层的外部环形区域中进行“N”次折射率测量(nC1、nC2、…、nCN)并通过以下各项来计算平均折射率来计算：
i＝N
nC＝(1/N)∑nCi。
i＝1
在一些示例性实施例中，外部包层区域包括基本上纯的二氧化硅。除非另外指明，如在本文中所使用的，相对折射率由变化量或Δ表示并且它的值通常以“％”为单位给出。除非另外指明，在区域的折射率小于外部包层区域的平均折射率的情况下，相对折射率百分比为负并且被称为具有凹陷折射率，并且是在相对折射率最负的点处计算的。除非另外指明，在区域的折射率大于外部包层区域的平均折射率的折射率的情况下，相对折射率百分比为正，并且该区域可以说是被提高或者具有正折射率，并且该相对折射率百分比是在相对折射率最正的点处计算的。参照芯变化量值，其在本文中被公开为最大％变化量。
“上掺杂剂(up-dopant)”在本文中被认为是相对于纯的未掺杂SiO2具有提高折射率的倾向的掺杂剂。“下掺杂剂(down-dopant)”在本文中被认为是相对于纯的未掺杂SiO2具有降低折射率的倾向的掺杂剂。在伴随有不是上掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂时，上掺杂剂可以存在于具有负相对折射率的光纤区域中。同样地，不是上掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可以存在于具有正相对折射率的光纤区域中。在伴随有不是下掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂时，下掺杂剂可以存在于具有正相对折射率的光纤区域中。同样地，不是下掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可以存在于具有负相对折射率的光纤区域中。
除非另外说明，光纤的全模式(Overfill)(或全模式(Overfilled，OFL))带宽(BW)在本文中被定义为根据Measurement Methods and Test Procedures:Bandwidth(测量方法和测试程序：带宽)(IEC 60793-1-41(TIA-FOTP-204))在850nm处使用全模式发射条件来测量的。除非另外指明，在以下讨论中，带宽BW被理解为指全模式带宽。
最小计算有效模带宽(EBW)可以从如由Measurement Methods and TestProcedures:Differential Mode Delay(测量方法和测试程序：差分模式延迟)(IEC60793-1-49(TIA/EIA-455-220))所指定的测量差分模式延迟光谱中获得。
光纤的NA是指如使用题为“Measurement Methods and Test Procedures:Numerical Aperture(测量方法和测试程序：数值孔径)”的IEC-60793-1-43(TIA SP3-2839-URV2FOTP-177)中所阐述的方法来测量的数值孔径。
模型化带宽可以根据T.A.Lenahan(T.A.里纳瀚)“Calculation of Modes in anOptical Fiber Using the Finite Element Method and EISPACK(使用有限元法和EISPACK来计算光纤中的模式)”，Bell Sys.Tech.J.(贝尔系统技术杂志)，第62卷，第2663-2695页(1983)中所概述的程序来计算，其全部公开据此通过引用结合在此。此参考的方程47用于计算模延迟；然而，注意，术语dk包层/dω2必须由dk2 包层/dω2来代替，其中，k包层＝2π*n包层/λ并且ω＝2π/λ，并且n包层＝nc，其中，是外部包层区域的平均折射率。通常每单位长度地对模延迟进行归一化，并且以ns/km为单位(或等效地以ps/m为单位)给出模式延迟。计算带宽还假设折射率分布是理想的，不具有如中心线下降等扰动，并且因此，对于给定设计，代表最大带宽。
如在本文中所使用的，术语渐变折射率、“α分布”或“阿尔法分布”是指相对折射率分布，用以“％”为单位的Δ来表示，其中，r是半径，并且其遵循以下方程，
其中，Δ0是被外推至r＝0的相对折射率，R1是芯的半径(即，Δ(r)为0的半径)，并且α是作为实数的指数。对于阶跃折射率分布，阿尔法值大于或等于10。对于渐变折射率分布，阿尔法值小于10。如在本文中所使用的，术语“抛物线的”包括基本上抛物线形状的折射率分布，这些折射率分布可以在芯中的一个或多个点处从例如2.0的α值略微变化，以及具有微小变化和/或中心线下降的分布。举例说明本发明的模型化折射率分布具有作为完美阿尔法分布的渐变折射率芯。真实光纤通常将与完美阿尔法分布具有微小偏差，包括如在芯的外部接口处的中心线和/或扩散尾部处的下降或尖峰等特征。然而，准确的阿尔法值和Δ0值仍然可以通过在从0.05R1≤r≤0.95R1的半径范围内数值地将测量的相对折射率分布与阿尔法分布进行拟合来获得。在中心线处不具有如下降或尖峰等缺陷的理想渐变折射率光纤中，Δ0＝Δ1MAX，其中，Δ1MAX是芯的最大折射率。在其他情况下，从0.05R1≤r≤0.95R1的数值拟合中获得的Δ0值可能大于或小于Δ1MAX。
现在详细参照本公开的各实施例，附图中展示了这些实施例的示例。在任何可能的情况下，在附图中使用相同的或相似的参考数字和符号来指代相同或相似的部分。附图不一定是按比例的，而且本领域的技术人员将认识到附图已经简化了的地方以展示本公开的重要方面。
如以下所阐述的权利要求书被结合到具体实施方式中并构成具体实施方式的一部分。
将通过以下示例来进一步阐明各实施例。
本公开的至少一个实施例涉及包括多模光纤(MMF)40、40′的光学传输系统10、10′。多模光纤40、40′既可以在位于840nm-860nm的波长范围(例如，845nm<λ1<855nm的范围，850nm)内的信号波长λ1处进行操作以便进行多模(MM)传输，又可以在更长波长λ0(例如，980nm、1060nm、1310nm、或1550nm)处进行操作以便基本上进行单模(SM)传输。期望的是，光学传输系统10具有长于950nm的工作波长λ0(例如，980nm、1060nm、1310nm或1550nm)，以便降低由于光纤的二氧化硅材料而引起的色散。由此，因为在本文中所公开的光学传输系统的实施例中的多模光纤40、40′能够既在850nm处进行操作以便进行多模传输，又在更长波长λ0(即，λ0>λ1，其中，λ0-λ1>100nm)处进行操作以便进行单模传输，所以它们可以与通常利用的850nm VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔表面发射激光器)一起使用，并且在稍后的时间，可以有利地通过使用更长波长(例如，λ0>950nm)光源来替换850nm VCSEL从而对光学传输系统进行升级，而无需替换已经铺设的(多根)多模光纤。更长波长光源可以是例如980nm、1060nm、1310nm或1550VCSEL、或者在或者1310nm或者1550nm处进行操作的硅光子激光源、或者在950nm到1600nm的波长处进行操作的DFB(DistributedFeed-back，分布反馈)激光器。
例如，在光学传输系统10的一些实施例中，在波长λ0>950nm处提供光信号的更长波长光源被光学地耦合至单模光纤(SMF)50、50′的相对短长度(例如，0.01m到20m)。例如，SMF 50、50′的相对短长度可以采用0.01m到0.2m的SMF光纤插芯类型连接器的形式，或者SMF跳线中的0.5m到2m。单模光纤(SMF)50、50′反过来可以被直接耦合至在本文中所描述的多模光纤40、40′。可以例如在单个模块中提供更长波长光源和SMF 50，以便容易地被耦合至MMF 40′、40。这些实施例的升级的光学传输系统10利用被优化成用于在840到860nm的波长范围内(例如，以λ1＝850nm)进行多模传输的至少一根多模光纤(MMF)40、40′以及被耦合至(多根)多模光纤40、40′的能够在波长λ0>950nm处进行SM传输的至少一根单模光纤(SMF)50′、50。多模光纤40、40′被构造成用于在波长λ0处以LP01模式来传播光，并且用于使LP01光学模式的模场直径大约等于(±30％，更优选地，±20％)SM光纤50、50′的模场直径。SM光纤50、50′被光学地耦合至收发器20、30。从SMF的LP01模式到MMF的LP01模式的耦合损耗取决于模场直径(MFD)。由于MFD失配而引起的耦合损耗CL可以使用来计算。不大于±30％的模场直径失配帮助将由于MFD失配而引起的耦合损耗保持为不大于0.5dB。例如，SMF 50′、50可以位于发射器20(包含在长于950nm的波长处进行操作的光源)与MMF 40、40′之间。然而，其还可以位于接收器30与MMF 40、40′之间。在光学系统10的一些实施例中，MMF 40、40′的长度为100m到1000m。
在一些示例性实施例中，在1310nm处对单模光纤50、50′进行单模处理，并且多模光纤40、40′被构造成具有这样的模场直径(MFD)：该模场直径使得在1310nm处传播通过多模光纤的LP01模式大约等于单模光纤50、50′在此波长处的MFD(即，±30％，或者在λ0＝1310nm处，0.7MFDSM<LP01 MFDMM<1.3MFDSM)。在一些实施例中，0.8MFDSM<LP01 MFDMMλ0<1.2MFDSM，并且在一些实施例中，在λ0＝1310nm处，0.9MFDSM<LP01 MFDMMλ0<1.1MFDSM。
而且，例如，在一些实施例中，单模光纤50、50′在1060nm处是单模光纤，并且多模光纤40、40′被构造成具有这样的模场直径(MFD)：该模场直径使得在约1060nm的λ0处传播通过多模光纤的LP01模式大约等于单模光纤50、50′的模场直径(即，±30％，或者在λ0处，0.7MFDSM<LP01 MFDMM<1.3MFDSM)。在一些实施例中，0.8MFDSM<LP01 MFDMMλ0<1.2MFDSM，并且在一些实施例中，在λ0＝1060nm处，0.9MFDSM<LP01 MFDMMλ0<1.1MFDSM。
而且，例如，在一些实施例中，单模光纤50、50′在λ0＝1550nm处是单模光纤，并且多模光纤40、40′被构造成具有这样的模场直径(MFD)：该模场直径使得在λ0＝1550nm处传播通过多模光纤的LP01模式大约等于单模光纤50、50′的模场直径(即，±30％，或者在λ0＝1550nm处，0.7MFDSM<LP01 MFDMM<1.2MFDSM)。在一些实施例中，0.8MFDSM<LP01 MFDMMλ0<1.2MFDSM，并且在一些实施例中，在λ0＝1550nm处，0.9MFDSM<LP01 MFDMMλ0<1.1MFDSM。
并且，例如，在一些实施例中，在波长λ1处对光纤50、50′进行多模处理，并且该光纤在980nm、或1060nm、或1310nm、或1550nm的波长，或者另一个波长λ0(其中，λ0-λ1>100nm)处以LP01模式来传播光，并且多模光纤被构造成具有这样的模场直径：该模场直径使得在此波长处传播通过多模光纤40、40′的LP01大约等于(±30％，更优选地，20％，并且甚至更优选地，10％)单模光纤50、50′在该波长处的MFD，以便将MMF与SMF之间的耦合损耗最小化。由此，根据这些实施例，可以在光学传输系统10中将多模光纤40、40′既用于传输由(多个)850nm VCSEL光源所提供的信号，又用于对从单模光纤提供至该多模光纤的信号光进行单模传输，并且有利地，光学传输系统10不需要利用在单模光纤与多模光纤之间的模式转换透镜的耦合设备。例如，有利地，SMF和MMF可以彼此接合，或者彼此对接耦合，而不需要具有在其之间的介入透镜元件。
根据一些实施例，可以在光学传输系统10中将多模光纤40、40′既用于在波长λ1处(例如，在λ1＝850nm处)传输由(多个)VCSEL光源所提供的信号，又用于进行到单模光纤50、50′的单模传输(LP01模式，在波长λ0处)，其中，单模光纤50、50′位于MM光纤与接收器之间。在这些实施例中，λ0-λ1>100nm。在此实施例中，例如，多模光纤和单模光纤可以彼此物理接触，或者可以与其之间的折射率匹配流体或粘合剂耦合，或者可以被小的气隙d(例如，d<1mm)分离。(多根)光纤50、50′、40、40′被构造成使得在λ0处，0.7MFDSM<LP01 MFDMM<1.3MFDSM。因此，在此实施例中，在更高阶光学模式进一步传播到光学系统10中之前，单模光纤50、50′剥离这些更高阶光学模式(同时允许以LP01模式传播光)。在这些实施例中，有利地，光学传输系统10不需要利用位于单模光纤50、50′与多模光纤40、40′之间的模式转换/匹配透镜的耦合设备。
本公开的一些实施例涉及光学传输系统10，该光学传输系统在从950nm到1600nm的范围内的波长处进行操作且采用光学地耦合至被设计成用于进行850nm多模操作的多模光纤的对应端的单模光发射器和光学接收器。光学传输系统10采用光发射器与接收器20和30之间的光学路径内的至少一根单模光纤50、50′。在这些实施例中，单模50、50′确保仅在该波长处来自LP01模式的光传输通过该系统，由此有利地启用大于10GHz·km的系统带宽。单模光纤50、50′可以具有相对短的长度L，例如，1cm到5m或者50cm到5m。
根据一些示例性实施例，单模光纤50′的物理芯直径DSM为从8.0μm到9.5μm，并且此光纤被耦合至多模光纤40。在此实施例中，多模光纤40具有相对小的芯直径D40(例如，14μm到30μm)，该芯直径小于传输系统中使用的常规MMF的50μm或62.5μm的直径。
根据其他实施例，单模光纤50的物理芯直径DSM大于常规SMF的物理芯直径，并且具有比常规SMF的芯变化量更小的芯变化量(例如，0.1％到0.25％)。例如，单模光纤50的物理芯直径DSM为14μm到24μm，并且此SMF 50可以被耦合至多模光纤40′。这些实施例的多模光纤40′具有例如50μm或62.5μm的芯直径D40。
可以在限定光学路径的部件中的任何部件中将单模光纤50、50′整合在该光学路径内。例如，单模光纤50、50′可以被耦合至发射器20和/或接收器30。可以将单模光纤50、50′接合在多模光纤40、40′的任一端或两端处，例如以便形成光纤链路的一部分。在一些示例中，升级的光学传输系统10支持大于10Gb/s的数据速率，例如，16Gb/s、25Gb/s或甚至更高。
如在图1A中所示出的，根据一些实施例，光学系统利用适合用于进行850nm多模传输和在更长波长λ0(例如，980nm、1060nm、1310nm或1550)处进行LP01模式传输的多模光纤(MMF)40。此实施例的MMF 40针对在位于845到855nm的范围内的波长λ1(例如，λ1＝850nm)处的高带宽(BW)而设计。MMF 40的基本模式(LP01)具有大约等于标准单模光纤50′(比如，)的模场直径(LP01 MFDMM)的模场直径，例如，在1310nm处约8.7-9.7μm以及在1550nm处约9.8-10.8μm，并且MMF 40优选地具有约13-30μm的物理芯直径D40，例如，15μm≤D40≤23μm。当MMF 40用于在光学传输系统10′中在图1A中所示出的850nm处进行传输时，MM发射器被直接耦合至MMF。在接收端处，MMF 40被耦合至MM接收器。
当图1A的MMF 40用于在如图1B中所示出的更长波长(λ0>950nm，例如，1060nm、1310nm或1550nm)处进行单模传输时，SM发射器可以被耦合至标准SMF 50′，该标准SMF被耦合至MMF 40(呈中心对齐)。因为MMF 40的基本模式的MFD与标准SMF 50′的MFD大约相同，所以从SM源20S(或者从SMF 50′)处提供至MMF 40的光被耦合到基本模式LP01中。在接收端处，如果在MMF中没有发生明显的模式耦合损耗，则SM接收器或MM接收器中的任一者都可以被直接耦合至MMF 40。然而，如果在MMF 40中进行传播期间发生模式耦合，则可以将标准SMF 50′作为滤波器放在MMF与接收器之间，以便剥离更高阶模式。
图2A是采用通过多模光纤(MMF)40光学地连接的单模(SM)发射器20S和多模(MM)接收器30M的光纤传输系统(“系统”)10的示意图，该多模光纤具有被设计成用于在约850nm的标称波长处最佳地进行操作的折射率分布(即，具有845nm-855nm的范围内的“峰值波长”，在该范围内，模色散最小)。因为在本文中所描述的MM光纤40在波长λ0处以LP01模式来传输光信号，所以从SM发射器20S处发射的光将传播通过光纤40，就好像其是单模光纤。
图2B类似于图2A，但是采用了SM接收器30S。SM发射器20S可以是在如LR或LRM收发器等光通信收发器中使用的SM发射器。MM接收器30M可以是在基于VCSEL的收发器中使用的MM接收器，或者其可以是特别设计的MM接收器。SM发射器20S发射调制光22，在示例中，该调制光具有至少950nm的标称波长λ0(例如，980nm、1060nm、1200nm、1310nm、或1550nm)。更一般地，SM发射器20S发射具有从950nm到1600nm的范围内的波长的光，并且在本文中所公开的系统和方法可以具有此范围内的工作波长。在图2A和图2B中所示出的光学传输系统10的两个实施例中，SM光纤(未示出)可以被耦合至收发器20、30和多模光纤，从而使得SMF的MFD直径大约等于MMF的MFD直径，即，在波长λ0处，0.7MFDSM<LP01 MFDMM<1.3MFDSM。优选地，在波长λ0处，0.8MFDSM<LP01 MFDMM<1.2MFDSM。在一些实施例中，在波长λ0处，0.9MFDSM<LP01 MFDMM<1.1MFDSM。
光学系统10的一个实施例类似于图1B中所示出的光学系统的一个示例，但是代替MMF 40，光学系统10包括现有或“遗留”850nm MMF 40′，比如，在波长950nm到1600nm处具有12-16μm的范围内的LP01 MFD的现有OM2、OM3或OM4MM光纤，其中，SM收发器20S在从950nm到1600nm的范围内的波长λ0处(并且特别是在约1060nm(即，1060nm±10nm)处、或者在约1310nm(即，1310nm±10nm)处、或者在约1510nm(即，1510nm±10nm)处)进行操作以便以可能10Gb/s或更高数据速率(例如，25Gb/s或更高，取决于如由MMF 40′的功率预算和带宽所限制的系统能力)在100m到1000m的距离上在数据中心之内或之间传输数据。在此实施例中，SMF 50被设计成用于与现有或“遗留”850nm MMF 40′(比如，现有OM2、OM3或OM4MM光纤)一起利用。在此实施例中，MMF 40′被直接耦合至SM光纤50，该SM光纤被构造成在波长λ0处具有使得0.7MFDSM<LP01 MFDMM<1.3MFDSM的MFD直径(MFDSM)。在一些实施例中，0.8MFDSM<LP01 MFDMM<1.2MFDSMμm，例如，0.9MFDSM<LP01 MFDMM<1.1MFDSM。SMF 50具有12-16微米的范围内的MFD(在位于950nm与1600nm之间的波长λ0处)，在此波长处，该MFD大于标准SMF 50′的MFD(例如，大于的MFD)。在一些实施例中，被耦合至在位于950nm与1600nm的范围内的波长λ0处具有约12-16μm的LP01模式MFD的OM2、OM3或OM4MM光纤40′的SM光纤50的芯直径(DSM)为例如15到23μm。
由此，在一些实施例中，光学系统10包括MMF 40′(比如，在波长λ0处具有12-16μm的MFD的现有OM2、OM3、或OM4MM光纤)，其中，SM收发器20S在从950nm到1600nm的范围内的波长λ0处(并且特别是在约980nm(±10nm)、1060nm(±10nm)、1310nm(±10nm)或者1510nm(±10nm)处)进行操作以便以可能10Gb/s或更高数据速率(例如，25Gb/s或更高，取决于如由MMF 40′的功率预算和带宽所限制的系统能力)在100m到1000m的距离上在数据中心之内或之间传输数据。在这些实施例中，MMF 40′被直接耦合至常规SMF光纤50，并且SMF 50被构造成波长λ0处具有使得0.7MFDSM<LP01 MFDMM<1.3MFDSM的MFD直径(MFDSM)。
注意，在这些实施例中，此处所讨论的SM发射器30S可以是基于现有标准而设计成用于使用单模光纤(SMF)来进行工作的发射器。可以对这种SM发射器30S进行修改以便与MMF一起使用来确保更好的物流管理或者与现有设备的兼容性。还注意的是，MMF 40′被设计成用于在850nm处进行最佳操作，但是光学传输系统10在从950nm到1600nm的范围内的标称波长处(例如，在约980nm、1060nm、1310nm、或1550nm的标称波长处)进行操作。
图3A和图3B是作为图2A和图2B的系统10的修改版本的并且被配置成用于减小更高阶模式所产生的不利效果的示例性光学传输系统100的示意图，这些更高阶模式具有与基本LP01模式的群延迟非常不同的群延迟。参照图3A，系统10包括单模接收器或多模接收器(“接收器”)30和安排在MMF 40、40′与接收器30之间的单模光纤50、50′。在这些实施例中，MMF 50被耦合至SMF 40′，或者MMF 50′被耦合至SMF 40。图3B类似于图3A，并且也包括SM发射器20S与MMF 40之间的第二单模光纤50、50′。图3A的两个特写插图示出了单模光纤50、50′和MMF 40、40′的截面视图。单模光纤50、50′具有由包层54包围的中心芯52。中心芯具有直径DSM。优选地，单模光纤50、50′具有从5nm到10m的范围内的长度。多模光纤40、40′具有由包层44包围的直径为D40的芯42。
单模光纤50、50′的芯直径DSM小于MMF 40、40′的芯直径D40。单模光纤50、50′的更小芯直径DSM用于滤出可能在MMF 40、40′中行进的更高阶模式。虽然存在一些模式损耗，但是来自SM发射器20的行进穿过系统10的光22将被限制在基本上沿着MMF 40、40′的中心向下行进的那些模式。
图4展示了在λ0＝1310nm处具有若干示例性芯变化量的MMF 40的LP01 MFD对芯半径。为了图4中所示出的模型的目的，我们将MMF 40的芯阿尔法选择为2.1，但是在图4中所展示的芯半径的范围内，计算的LP01 MFD在1.9与2.2之间的阿尔法的范围内变化非常小。例如，我们考虑了当MMF 40的芯变化量为1.0％时的MFD。已知的是，由纽约州康宁市的康宁公司(Corning Incorporated)所生产的单模光纤在1310nm处具有的9.2μm的标称MFD。图4展示了为了MMF 40能够在λ0＝1310nm处与的使得在λ0＝1310nm处0.8MFDSM<LP01 MFDMM<1.2MFDSM的9.2μm的MFD相匹配，变化量为1％的MMF 40的芯半径应当在10微米左右(芯直径D40应当在20微米左右)。例如，对于具有Δ＝0.6％的相对芯折射率变化量的MMF 40，该光纤应当优选地具有约15μm的芯直径D40，以便具有大约等于光纤的MFD的LP01模式MFD。图4还指示当MMF 40的芯变化量减小时，MMF 40的芯半径应当减小，以便在1310nm处LP01 MFDMM能够大约等于的MFD(即，以便使该光纤能够满足以下条件：在λ0＝1310nm处，0.7MFDSM<LP01 MFDMM<1.3MFDSM)。然而，如果我们选择MMF 40的芯变化量为2.0％，则芯直径D40应当为30微米左右。由此，图4指示当MMF 40的芯变化量增大时，MMF 40的芯半径应当增大。图4展示了对于MMF 40的任何给定芯变化量值，我们可以选择合适的芯直径D40，从而使得MMF 40的MFD大约(±30％)等于光纤50′的MFD(即，在此示例中，光纤的MFD)。可以对在1550nm左右进行的单模操作或对任何其他兴趣波长λ0进行类似研究。
例如，在图5中示出了在λ0＝1550nm的波长处，对于MMF 40的不同芯半径，在若干芯变化量处的LP01 MFD。为了让LP01 MFD在1550nm处与的10.3μm的标称MFD相匹配(在大小上)，人们可以选择芯变化量为1％的情况下的22微米的芯直径或者芯变化量为2％的情况下的31微米的芯直径。以上分析示出了对于给定变化量，用于在1310nm和1550nm两者处匹配的MFD的芯直径大约相同。人们可以选择用于非常小误差地匹配1310nm和1550nm两者的MFD的平均直径。例如，对于芯变化量1％，可以将芯直径选择为约21μm，并且对于变化量2％，可以将芯直径选择为约30.5μm。
在光学系统10的一些实施例中，对于1310nm操作，单模光纤SMF(例如，作为SM尾纤)可能不同于光纤的MFD，并且在这种情况下，在给定此光纤的MFD的情况下，对于给定芯变化量，人们可以参照图4而找到芯半径或直径D40，从而使得MM光纤将具有类似于此SMF的LP01 MFD的LP01 MFD。此相同的MM光纤将在1550nm处非常合理地工作。
例如，对于芯变化量1％，以上确定20微米的芯直径将在此波长处与的LP01相匹配。相同的光纤在1550nm处具有9.9微米的LP01 MFD，该LP01 MFD基本上类似于的10.3微米值。在一个进一步实施例中，需要时，人们可以选择使用与锥形单模光纤相匹配的一个附加模式来进行模式转换。
如果某些应用需要更小的MMF芯直径，那么我们可以使用匹配的单模光纤(即，具有大约与MMF的LP01模式相同的MDF的SMF)来与其一起工作。例如，对于芯变化量1％，如果我们将MMF 40的芯直径选择为30μm，那么在1310nm处，LP01模式的MFD为11.2μm，该MFD大于如等常规SM光纤的MFD。在这种情况下，我们可以使用具有相同或类似MFD的单模光纤50来发射LP01模式。作为示例，变化量为0.25％且芯半径为5.3μm的阶跃折射率单模光纤设计具有11.2μm的MFD，该MFD与MMF 40的LP01模式的MFD基本上相同。
虽然示例性MMF 40用于在长波长(比如，980nm、1060nm、1310nm或1550nm中任一者)或单模发射器可用的任何其他>950nm的波长(或者其中，λ0-λ1<100nm)处进行单模传输或基本上进行单模传输，但是因为大多数VCSEL迄今在850nm左右进行操作，所以示例性MMF40是用于进行850nm VCSEL传输的多模光纤。优选地，MMF 40的纤芯42的阿尔法值被选择为使得MM光纤在850nm左右的带宽性能是最优的。图6示出了若干MMF的带宽对波长。它们具有1.9到2.3的范围内的阿尔法，例如，分别为2.096、2.104、2.098和2.092。在图6中示出了具有1％的50微米芯MMF的结果，以便进行比较。可以示出的是，在更小的芯和相同变化量1％的情况下，峰值带宽可能由于更少的模式群和更小的材料色散效应而大大增大。另一方面，在芯变化量为2％的情况下，最大带宽相当低。然而，芯变化量为2％的光纤的带宽仍然足以用于一些应用。
图7展示了一根示例性MMF 40的折射率分布。此MMF 40具有阿尔法为2左右(即，2.09<α<2.13)的渐变折射率芯，以便将模群延迟最小化，从而在850nm处实现高带宽。多模光纤40的模带宽在波长λ1(例如，λ1＝850nm)处为至少2.5GHz·Km(优选地，至少5GHz·Km，并且根据一些实施例，10GHz·Km)。根据一些实施例，优选地，该芯在850nm的波长处具有至少0.7％的相对折射率变化量Δ1(％)，例如，0.7％≤Δ1≤1.25。表1示出了MMF 40的若干实施例的示例性参数(光纤示例1-5)。在表1中所示出的MMF 40的所有实施例具有9.1μm到9.3μm的范围内的MFD，该范围在如在1310nm处具有9.2μm的MFD的等标准单模光纤50′的MFD的30％内。MMF的理论带宽大于58GHz.km，这些理论带宽由于更少的模式群在MMF 40中进行传播而远高于标准MMF的理论带宽。在表1中所示出的示例性实施例中，15μm≤D40≤23μm，并且多模光纤40的模带宽在波长λ1处为至少2.5GHz·Km并且在波长λ1≥1200nm处为小于2GHz·Km。
表1.MMF 40设计示例
如以上所讨论的，根据另一个实施例，单模光纤50(光纤跳线50)可以用于使用850nm标准MMF 40′来升级现有系统，以便在1310nm或1550nm处进行单模传输。变化量为1％的标准MMF 40′的MFD在1310nm处为14.6μm，并且在1550nm处为15.8μm，并且变化量为2％的标准MMF 40′的MFD在1310nm处为13.8μm，并且在1550nm处为15.0μm，这些MFD远大于标准SMF 50′的MFD。如果标准SMF 50′在1310或1550nm处被用作跳线，那么MMF 40′与SMF 50′之间的MFD失配将激起更高阶光学模式，这些更高阶光学模式将使系统性能降级。可以通过使用如在图8中所示出的特别设计的SMF 50跳线来解决这一问题。
在下表2中描述了MFD类似于标准MMF 40′的MFD的SMF 50的一些示例性实施例，该表提供了SMF实施例50的参数。示例6光纤具有这样的分布设计：凹陷的内部包层包围芯。该光纤的截止波长为1288nm。可以在1310nm或1550nm的波长λ0处进行操作的传输系统10上使用这种SM光纤50。如果SM光纤50仅用于1550nm，那么可以增大其截止波长以便改善弯曲损耗。在示例7的SM光纤50中，通过增大芯变化量来将截止波长增大到1466nm。示例8SM光纤50具有这样的分布设计：在包层中具有低折射率沟槽。示例7和示例8的SM光纤50被设计成用于与芯变化量为1％且芯直径为50μm的标准MMF相匹配。示例9和示例10的SM光纤50被设计成用于与芯变化量为2％且芯直径为62.5μm的标准MMF相匹配。示例9SM光纤50具有凹陷的内部包层，并且示例10具有向上掺杂的外部包层。
表2.SMF 50设计示例
表3示出了SMF 50的被设计成与MM光纤40′一起使用的可以在850nm的波长处进行操作并且能够在1060nm处进行LP01传播的若干实施例的示例性参数。由此，可以在光学传输系统10中结合这种MMF而使用在表3中所示出的光纤50的实施例(示例11光纤和示例12光纤)。
表3
对本领域的技术人员将变得清楚的是，可以在不偏离如由所附权利要求书所限定的本公开的精神或范围的情况下对如在本文中所描述的本公开的优选实施例作出各种修改。因此，本公开涵盖了所提供的这些修改和变形，它们落在所附权利要求书和其等价物的范围内。
除非另外明确指出，否则并不以任何方式意图使在本文中所阐述的任何方法解释为要求其步骤按特定顺序执行。相应地，在方法权利要求没有实际叙述其步骤所要遵循的顺序或在权利要求书或说明中没有另行明确地指出这些步骤将局限于特定顺序的情况下，绝不旨在推测任何具体的顺序。
对本领域的技术人员而言将明显的是，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下作出多种不同的修改和变更。由于本领域技术人员可能发生结合本发明的精神和实质对所公开的实施例加以修改组合、产生子组合和变体，所以本发明应当解释为包括在所附权利要求及其等效物的范围之内的每一事项。

Claims (19)

1.一种多模光纤，包括：芯，所述芯具有直径D40、至少0.7％的最大相对折射率变化量Δ1(％)、以及折射率分布，所述芯被配置成用于在波长λ1＝850nm处最佳地传输光并且用于在另一个波长λo处以LP01模式来传播光，其中，λo>950nm，所述多模光纤被构造成具有LP01模场直径LP01MFDMMλ0，使得8.5μm<LP01MFDMMλ0<11μm。
2.如权利要求1所述的多模光纤，其中，15μm≤D40≤23μm，并且0.7％≤Δ1≤1.25％。
3.如权利要求1或2所述的多模光纤，其中，所述芯具有2.09≤α≤2.13的阿尔法值。
4.如权利要求1、2或3所述的多模光纤，其中，所述光纤包括包围所述芯的包层以及位于所述包层内的凹陷折射率区域。
5.根据权利要求1或2或3所述的光学传输系统，其中，所述多模光纤的模带宽在波长λ1处为至少2.5GHz·Km并且在波长1200nm处为小于2GHz·Km。
6.根据权利要求5所述的光学传输系统，其中，所述多模光纤的模带宽在波长λ1处为至少5GHz·Km并且在波长1200nm处为小于2GHz·Km。
7.一种光学传输系统，包括：
发射器，所述发射器生成调制光，所述调制光具有位于840nm与860nm之间的工作波长λ1；
光学接收器，所述光学接收器被配置成用于接收并检测所述调制光；
多模光纤，所述多模光纤限定了所述多模发射器与所述光学接收器之间的光学路径，所述多模光纤具有芯，所述芯具有直径D40、至少0.7％的最大相对折射率变化量Δ1(％)、以及折射率分布，所述芯被配置成用于在波长850nm处最佳地传输光并且用于在另一个波长λo处传播LP01模式，其中，λo>950nm，所述多模光纤具有LP01模场直径LP01MFDMMλ0，并且8.5μm<LP01MFDMMλ0<11μm。
8.根据权利要求7所述的光学传输系统，其中，所述多模光纤的模带宽在波长λ1处为至少2.5GHz·Km。
9.根据权利要求7所述的光学传输系统，其中，所述波长λo位于1260nm到1340nm的波长带或者1540nm到1560nm的波长带中。
10.根据权利要求7、8或9所述的光学传输系统，其中，15μm≤D40<23μm，并且0.7％≤Δ1≤1.25％。
11.根据权利要求10所述的光学传输系统，其中，所述芯具有2.09≤α≤2.13的阿尔法值。
12.如权利要求7所述的光学传输系统，其中，所述光纤包括包围所述芯的包层以及位于所述包层内的凹陷折射率区域。
13.如权利要求7所述的光学传输系统，其中，所述发射器是在850nm波长处进行操作的VCSEL。
14.如权利要求7所述的光学传输系统，其中，所述发射器是在850nm波长处进行操作的多模VCSEL。
15.如权利要求7、12、13或14所述的光学传输系统，其中，所述多模光纤的模带宽在波长λ1处为至少5GHz·Km。
16.如权利要求15所述的光学传输系统，其中，所述多模光纤的模带宽在波长λ1处为至少10GHz·Km。
17.一种光学传输系统，包括：
发射器，所述发射器生成调制光，所述调制光具有工作波长λ0，使得λ0>950nm；
光学接收器，所述光学接收器被配置成用于接收并检测所述调制光；
多模光纤，所述多模光纤限定了所述多模发射器与所述光学接收器之间的光学路径，所述多模光纤具有芯，所述芯具有直径D40、至少0.7％的最大相对折射率变化量Δ1(％)、以及折射率分布，所述芯被配置成用于在波长850nm处最佳地传输光并且用于在所述波长λo处传播LP01模式，所述多模光纤具有LP01模场直径LP01MFDMMλ0，并且8.5μm<LP01MFDMMλ0<11μm。
18.根据权利要求17所述的光学传输系统，其中，所述波长λo位于1260nm到1340nm的波长带或者1540nm到1560nm的波长带中。
19.根据权利要求17或18所述的光学传输系统，其中，波长λo的所述光以基本上LP01模式被发射到所述多模光纤中。
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