CN108027474B - 多芯光纤、多芯光缆以及光纤传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及MCF等，其中包括在一个耦合芯组中的相邻芯部之间的模式耦合或功率耦合的强度被设定为适当等级以减小DGD。MCF包括至少一个耦合芯组。包括在耦合芯组中的相邻芯部之间的芯部间隔Λ被设定为，使得在1550nm的波长处相邻芯部之间的模式耦合系数为2.6×10⁰[m^‑1]至1.6×10²[m^‑1]，或者在1550nm的波长处相邻芯部之间的功率耦合系数为1.3×10^‑3[m^‑1]至8.1×10⁰[m^‑1]。

Description

多芯光纤、多芯光缆以及光纤传输系统

技术领域

本发明涉及多芯光纤(在下文中，被称为“MCF”)、MCF光缆以及包括MCF或MCF光缆的光纤传输系统。

背景技术

近来，开发了使用多输入和多输出(MIMO)信号处理技术对空间模式之间的串扰进行补偿并且实施空分复用(space-division multiplex)传输的光纤传输系统。已知作为适用于光纤传输系统的传输介质的实例的带有这样的耦合芯组的MCF：多个芯部布置为生成模式耦合(mode coupling)。通过在多个芯部之间生成模式耦合，耦合芯组实质上可以被视为一个多模式传输路径。

引用文献列表

非专利文献

[非专利文献1]：S.Fan和J.M.Kahn，“Principal modes in multimodewaveguides(多模波导中的主模式)”，Opt.Lett.30(2)，135-137(2005)

[非专利文献2]：M.Koshiba、K.Saitoh、K.Takenaga和S.Matsuo，“Analyticalexpression of average power-coupling coefficients for estimating intercorecrosstalk in multicore fibers(用于估计多芯光纤中的交叉串扰的平均功率耦合系数的解析表达式)”，IEEE Photon.J.4(5)，1987-1995(2012)

[非专利文献3]：T.Hayashi、T Sasaki、E.Sasaoka、K.Saitoh和M.Koshiba，“Physical interpretation of intercore crosstalk in multicore fiber:effects ofmacrobend,structure fluctuation,and microbend(多芯光纤中的交叉串扰的物理解释：宏观弯曲、结构波动和微弯曲的影响)”，Opt.Express 21(5)，5401-5412(2013)。

发明内容

技术问题

作为对应用于根据现有技术的光纤传输系统的带有耦合芯组的MCF的检查结果，发明人已发现以下问题。即，在使用根据现有技术的光纤传输系统的空间复用传输的情况下，需要减小空间模式之间的差分群延迟(DGD)以抑制MIMO信号处理的负荷增加。就发明人所知，当在生成随机模式耦合的MCF中，耦合芯组中的相邻芯部之间的芯部间隔减小时，空间模式之间的DGD也减小。然而，不为人知的是，当芯部间隔过度减小时，空间模式之间的DGD增加。

换言之，不为人知的是，当构成耦合芯组的芯部之间的模式耦合的程度过度增加时，会损害芯部间隔与空间模式间的DGD的线性关系。即，据认为，由于在设定了适当的芯部间隔的耦合芯组中，因光纤弯曲和光纤扭曲导致沿光纤纵向离散地生成大量随机模式耦合，因此空间模式之间的DGD的累积变得缓和。同时，据认为，当芯部间隔过度减小时，从光纤弯曲和光纤扭曲施加到芯部之间的耦合的扰动变得小于芯部之间的模式耦合的强度，并且最终，随机模式耦合变得难以生成且空间模式之间的DGD的累积增加。

本发明为解决以上问题而作出，并且本发明的目的在于提供：一种MCF，包括在该MCF中的耦合芯组中的相邻芯部之间的模式耦合或功率耦合的强度被设定为适当等级以减小空间模式之间的DGD；一种MCF光缆；以及一种包括MCF或MCF光缆的光纤传输系统。

问题的解决方案

根据本发明实施例的MCF是包括以下部分的MCF：至少一个耦合芯组，所述耦合芯组由多个芯部构成；以及共用包覆层，所述共用包覆层围绕耦合芯组。在所述MCF中，多个芯部中的相邻芯部的中心之间的芯部间隔Λ被设定为，使得在1550nm的波长处相邻芯部之间的模式耦合系数为2.6×10⁰[m^-1]至1.6×10²[m^-1]，或者在1550nm的波长处相邻芯部之间的功率耦合系数为1.3×10^-3[m^-1]至8.1×10⁰[m^-1]。这里，模式耦合系数是在传播期间单位长度从某一模式到另一模式的复振幅分量(complex amplitude component)的耦合率，并且由表达式(2)定义。功率耦合系数是在传播期间单位长度从某一模式耦合到另一模式的分量的功率的比率。

技术效果

根据本发明实施例，获得了这样的MCF：在该MCF中，包括在一个耦合芯组中的相邻芯部之间的模式耦合或功率耦合的强度被设定为适当等级以减小空间模式之间的DGD。

附图说明

图1是示出根据实施例的光纤传输系统的示意性构造的示意图；

图2A是示出适用于根据该实施例的光纤传输系统的MCF的截面结构的示意图；

图2B是示出适用于根据该实施例的光纤传输系统的MCF光缆的截面结构的示意图；

图3是示出适用于包括芯部和芯部周围的包覆层的一部分的区域的各种类型的折射率分布的表格；

图4A是示出脉冲响应的20dB全宽和模式耦合系数的评价结果的曲线；

图4B是示出脉冲响应的20dB全宽和功率耦合系数的评价结果的曲线；

图5A是示出表达式(1)的参数b和DGD/a的关系的曲线；并且

图5B是示出表达式(1)的参数b和κ/(βΛC)的关系的曲线。

具体实施方式

[本发明的实施例的描述]

首先，将单独地描述本发明的实施例的内容。

根据本实施例的多芯光纤(MCF)包括：至少一个耦合芯组，所述耦合芯组由多个芯部构成；以及共用包覆层，所述共用包覆层围绕耦合芯组。具体地说，作为本实施例的一个方面，构成耦合芯组的多个芯部中的相邻芯部之间的芯部间隔Λ被设定为，使得在1550nm的波长处相邻芯部之间的模式耦合系数为2.6×10⁰[m^-1]至1.6×10²[m^-1]，或者在1550nm的波长处相邻芯部之间的功率耦合系数为1.3×10^-3[m^-1]至8.1×100[m^-1]。

作为本实施例的一个方面，相邻芯部之间的芯部间隔Λ可以被设定为，使得在1550nm的波长处相邻芯部之间的模式耦合系数为2.1×10¹[m^-1]至5.7×10¹[m^-1]，或者在1550nm的波长处相邻芯部之间的功率耦合系数为1.0×10^-1[m^-1]至9.0×10^-1[m^-1]。

作为本实施例的一个方面，考虑到光缆形成时的光纤弯曲曲率，MCF优选地具有实现低空间模式色散(dispersion)(由脉冲响应的自相关函数的标准偏差定义)的构造。具体地说，当宏观地观察时，即使当MCF被设定为直线状态(光纤弯曲曲率宏观上为零)时，也会发生细微光纤弯曲(微弯曲)和扰动。MCT的虚拟曲率C_f[m^-1]是通过以添加宏观的光纤弯曲代替这些微弯曲和扰动的影响而虚拟地表示的光纤弯曲曲率，并且处于直线状态下的MCF的虚拟曲率C_f[m^-1]由C_f＝C_bend·h_b/h_s定义(h_b是在光纤以5[m^-1]以上的曲率C_bend弯曲的状态下，芯部之间的功率耦合系数，并且h_s是在光纤以0.1[m^-1]以下的曲率被保持笔直的状态下，芯部之间的功率耦合系数)，构成耦合芯组的多个芯部中的相邻芯部之间的模式耦合系数以κ[m^-1]表示，耦合芯组中的相邻芯部的传播常数的平均值以β[m^-1]表示，并且耦合芯组中的相邻芯部之间的芯部中心间隔以Λ[m]表示，MCF优选地具有满足以下第一条件至第三条件的芯部结构和芯部布置。第一条件通过设定耦合芯组中的相邻芯部之间的芯部间隔Λ，使得在1550nm的波长处相邻芯部之间的模式耦合系数κ为1.6×10²[m^-1]以下而限定。另外，第二条件通过在1530nm至1625nm的波长范围内将κ/(βΛC_f)设定为0.1以下而限定。另外，第三条件通过在1530nm至1625nm的波长范围内将κ设定为2.6×10⁰[m^-1]以上，或将κ/(βΛC_f)设定为0.01以上而限定。尽管不是该方面的必要要求，但除了上述参数的限定外，当处于MCF被内置于光缆中的状态下的MCF的沿MCF的纵向的曲率的平均值以C_avg[m^-1]表示时，在C_avg被设定为0.01至2[m^-1]或0.1至1[m^-1]的情况下，第二条件可以通过在1530nm至1625nm的波长范围内将κ/(βΛC_avg)设定为0.1以下而限定。另外，第三条件可以通过在1530至1625nm的波长范围内将κ设定为2.6×10⁰[m^-1]以上，并且将κ/(βΛC_avg)设定为0.01以上而限定。

作为本实施例的一个方面，下面描述用于长距离传输的耦合型MCF的优选特性。在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，全模式激励(full modelaunch)下的传输损耗优选为0.20dB/km以下、0.18dB/km以下、0.16dB/km以下或0.15dB/km以下。色散的模式平均值优选为16ps/(nm·km)以上。在全部空间模式中，当MCF在具有30mm的直径的心轴上缠绕一圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗优选为0.2dB以下。在全部空间模式中，当MCF在具有20mm的直径的心轴上缠绕时，在1550nm的波长处弯曲损耗优选为20dB/m以下。在全部空间模式中，当MCF在具有30mm的半径的心轴上缠绕100圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗优选为0.5dB以下。在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，模式相关损耗(mode dependent loss)的平均值优选为0.01dB/km^1/2以下。在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，对个各个波长，空间模式之间的DGD的最大值的平均值优选为10ps/km^1/2以下。

作为本实施例的一个方面，共用包覆层包括：共用光学包覆层，其覆盖构成耦合芯组的全部多个芯部；以及物理包覆层，其覆盖光学包覆层的周围部分(周部)。具体地说，作为实现上述特性的优选芯部结构，多个芯部中的每一个芯部的外径优选为6μm至15μm。当在MCF的与纵向垂直的截面中基于纯石英的折射率的相对折射率差以Δ表示时，多个芯部中的每一个芯部的平均面积的Δ与光学包覆层的Δ之差优选为约0.2％至0.5％，物理包覆层的Δ优选地高于光学包覆层的Δ，并且物理包覆层的Δ与光学包覆层的Δ之差优选为0.0％至1％。

作为本实施例的一个方面，下面描述具有125μm的包覆层的MCF的优选结构。即，耦合芯组优选地由2至7个芯部或8至15个芯部构成。物理包覆层的外径优选为125±1μm。在物理包覆层与最靠近物理包覆层的邻近芯部的中心的最短距离以D_J表示，邻近芯部的半径以a表示，光学包覆层的中心与邻近芯部的中心的距离以D_offset表示，并且log₁₀(D_offset/a)以X表示的情况下，MCF满足表达式：

D_J/a≥7.68×10^-2·X²-2.21×10^-1·X+3.15；或

D_J/a≥7.57×10^-2·X²-2.25×10^-1·X+3.40。

根据本实施例的多芯光缆(MCF光缆)具有这样的结构：通过控制光纤弯曲、芯部结构和芯部间距而减小空间模式色散并生成随机空间模式耦合。结果，可以在减小空间模式之间的DGD的累积的同时增加光纤单位截面面积的芯部数量。具体地说，MCF光缆具有内置于其中的多个MCF。作为本实施例的一个方面，多个MCF中的每一个MCF包括：至少一个耦合芯组，所述耦合芯组由多个芯部构成；以及共用包覆层，其围绕耦合芯组。在处于MCF被内置于MCF光缆中的状态下的MCF沿其纵向的曲率的平均值以C_avg[m^-1]表示，处于直线状态下的MCF的虚拟曲率以C_f[m^-1]表示，构成耦合芯组的多个芯部中的相邻芯部之间的模式耦合系数以κ[m^-1]表示，耦合芯组中的相邻芯部的传播常数的平均值以β[m^-1]表示，并且耦合芯组中的相邻芯部之间的芯部中心间隔以Λ[m]表示的情况下，MCF优选地具有满足以下第一条件至第三条件的芯部结构和芯部布置。第一条件通过设定耦合芯组中的相邻芯部之间的芯部间隔Λ，使得在1550nm的波长处相邻芯部之间的模式耦合系数κ为1.6×10²[m^-1]以下而限定。第二条件通过在1530至1625nm的波长范围内，将κ/(βΛC_avg)或κ/(βΛC_f)设定为0.1以下而限定。第三条件通过在1530nm至1625nm的波长范围内，将κ设定为2.6×10⁰[m^-1]以上，或将κ/(βΛC_avg)或κ/(βΛC_f)设定为0.01以上而限定。

作为本实施例的一个方面，为了在减小空间模式之间的DGD的累积的同时进一步增加光纤单位截面面积的芯部数量，内置于MCF光缆中的多个MCF中的每一个MCF中的芯部结构和芯部布置优选地被调整为，使得在1530至1625的波长范围内κ/(βΛC_avg)或κ/(βΛC_f)为0.01以上。

作为本实施例的一个方面，当假定光缆中的光纤曲率适于长距离传输时，为了实现上述特性，在没有弯曲被施加在MCF光缆上的状态下，C_avg优选为0.01至2[m^-1]。出于相同的原因，作为本实施例的一个方面，在没有弯曲被施加在MCF光缆上的状态下，C_avg优选为0.1[m^-1]以上、1[m^-1]以下或0.1[m^-1]至1[m^-1]。

作为本实施例的一个方面，下面描述适用于用于长距离传输的MCF光缆的耦合型MCF的优选特性。即，在内置于MCF光缆中的多个MCF中的每一个MCF中在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，全模式激励下的传输损耗优选地为0.20dB/km以下、0.18dB/km以下、0.16dB/km以下或0.15dB/km以下。色散的模式平均值优选为16ps/(nm·km)以上。在全部空间模式中，当MCF在具有30mm的直径的心轴上缠绕一圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗优选为0.2dB以下。在全部空间模式中，当MCF在具有20mm的直径的心轴上缠绕时，在1550nm的波长处弯曲损耗优选为20dB/m以下。在全部空间模式中，当MCF在具有30mm的半径的心轴上缠绕100圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗优选为0.5dB以下。在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，模式相关损耗的平均值优选为0.01dB/km^1/2以下。在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，空间模式色散的平均值优选为10ps/km^1/2以下。

作为根据本实施例的光纤传输系统的一个方面，根据各个方面的MCF或MCF光缆可以用作传输路径。在这种情况下，光纤传输系统优选地包括通过MIMO信号处理来补偿在耦合芯组中产生的空间模式之间的串扰的结构。

上述“本发明的实施例的描述”一栏中列举的各个方面可以应用于其余方面中的每一个方面或其余方面的所有组合。

[本发明的实施例的细节]

在下文中，将参考附图对根据本发明的MCF、MCF光缆和光纤传输系统的具体实例进行描述。然而，本发明不限于这些实例，并且所附权利要求及其等同内容的全部变化都包括在本发明中。

图1是示出根据本实施例的光纤传输系统的示意性构造的示意图。图1所示的光纤传输系统1包括：根据本实施例的MCF 100，其被应用为传输路径；发送站10，其布置在MCF100的一端侧；以及接收站20，其布置在MCF 100的另一端侧。MCF 100是包括至少一个由多个彼此模式耦合的芯部构成的耦合芯组的MCF。发送站10中设置有多个发送器11(TX₁至TX_N)以及将光信号从多个发送器11引导到MCF 100的每个芯部的连接器构件(扇入·扇出装置：FI/FO)12。另外，接收站20中设置有多个接收器21(RX₁至RX_N)以及将MCF 100的单个传播空间模式分配到相应的接收器21的连接器构件(FI/FO)22。另外，在光纤传输系统1中，作为通过MIMO信号处理对MCF 100的耦合芯组中生成的空间模式之间的串扰进行补偿的结构，在发送站10中布置有对发送器11中的每一个发送器进行控制的MIMO信号处理单元13，并且在接收站20中布置有对接收器21中的每一个接收器进行控制的MIMO信号处理单元23。

图2A示出了MCF 100的具体截面结构。图2A所示的截面图示出了与MCF 100的纵向垂直的截面。MCF 100包括耦合芯组110和围绕耦合芯组110的共用包覆层120。共用包覆层120包括：光学包覆层，其覆盖构成耦合芯组110中的每一个耦合芯组的全部多个芯部；以及物理包覆层，其覆盖光学包覆层。即，在图2A所示的MCF 100的截面中，以虚线环绕的每个区域为光学包覆层，并且以虚线环绕的每个区域之外的区域为物理包覆层。

每个耦合芯组110包括多个芯部，相邻芯部以预定芯部间隔Λ布置并且彼此模式耦合。芯部间隔Λ由每个耦合芯组110中的相邻芯部的中心间的距离限定。另外，耦合芯组110的数量可以是一个或多个。当耦合芯组110的数量是多个时，耦合芯组110彼此分开足够距离D以进入非耦合状态(低串扰)。

另外，可以将内置有多个具有上述结构的MCF 100的MCF光缆300铺设在发送站10与接收站20之间。图2B是示出根据本实施例的MCF光缆的构造实例的示意图。如图2B所示，MCF光缆300包括：支撑部件310；多个MCF 100，其以支撑部件310为中心轴线拧成螺旋形状并以预定间距缠绕在支撑部件310上；强度部件250，其缠绕在多个MCF 100上以保持缠绕状态；以及光缆护套200，其覆盖强度部件250的周围部分。在图2B所示的实例中，MCF光缆300保持有四个MCF 100。

即使当光缆被保持为笔直时，多个MCF 100中的每一个MCF也沿其纵向以预定间距缠绕在支撑部件310上，从而施加恒定曲率半径CR的弯曲。光缆护套200完全覆盖强度部件250以保护MCF 100免受外力影响。强度部件250可以是例如芳香族聚酰胺纤维(由DUPONT-TORAY CO.,LTD.制造的“Kevlar”(注册商标)或由TEIJIN LIMITED制造的“Technora(注册商标)”)。通过设置强度部件250，在拉拽MCF光缆300时张力和拉力很难施加到MCF 100，并且通过缓冲作用可以防止MCF 100受到外部冲击。

支撑部件310可以是诸如抗拉部件等金属材料，并且可以是抵抗光缆护套200的收缩的抗收缩材料。在图2B的实例中，为了简单起见仅示出了一个MCF 100。然而，在实际中，包括在MCF光缆300中的全部MCF 100都缠绕在支撑部件310上。

考虑每个芯部的折射率分布或根据折射率分布的光学特性，可以根据用途选择适当的结构。然而，单个芯部的结构可以相同或可以不同。另外，MCF 100的截面中的芯部的数量不受限制，并且MCF 100的截面直径(玻璃直径)和设置在共用包覆层的外周表面上的涂覆树脂的外径可以根据内置于MCF 100中的芯部的数量而适当地设定。在图3所示的表格中，列举了适用于包括芯部和芯部周围的包覆层的一部分的区域的各种类型的折射率分布。

具体地说，由(每个芯部的折射率分布的形状)/(覆盖每个芯部的光学包覆层的折射率分布的形状)表示的分布形状适用于以下所有类型：台阶/匹配类型(类型a)、顶部凹入式台阶/匹配类型(类型b)、顶部凸起式台阶/匹配类型(类型c)、渐变/匹配类型(类型d)、台阶/凹陷类型(类型e)、双重台阶/匹配类型(类型f)以及台阶/沟槽类型(类型g)，并且芯部和包覆层的折射率分布可以任意地组合。另外，每个芯部可以具有以芯部的传播模式的数量是一个的单模工作为前提的结构，并且可以具有以多个传播模式的多模工作为前提的结构。然而，当每个芯部具有以多模工作为前提的结构时，构成每个耦合芯组110的芯部中的LP01(基本模式)之间的功率耦合系数被设定为相邻芯部之间的功率耦合系数。

图4A和图4B是示出关于被制备为根据本实施例的MCF 100的耦合芯组的多个样品的脉冲响应的20dB全宽与模式耦合系数和功率耦合系数的评价结果的曲线。具体地说，图4A是示出脉冲响应的20dB全宽[ns](脉冲总时间宽度比最大值小20dB)与模式耦合系数[m^-1]的关系的曲线，并且图4B是示出脉冲响应的20dB全宽[ns]与功率耦合系数[m^-1]的关系的曲线。

制备样品1至6中的每一个是具有六个耦合芯组110的MCF，并且每个耦合芯组110由两个芯部构成。另外，每个芯部基于共用包覆层120的相对折射率差Δ为0.41％，并且每个芯部的芯部直径为9.0μm。样品1中的芯部间隔Λ为12.5μm，样品2中的芯部间隔Λ为15.0μm，样品3中的芯部间隔Λ为17.5μm，样品4中的芯部间隔Λ为20.0μm，样品5中的芯部间隔Λ为25.0μm，并且样品6中的芯部间隔Λ为27.5μm。在全部样品1至6中，六个耦合芯组110彼此分开足够距离D以进入非耦合状态。

另外，在样品1至6中，光纤长度被设定为66m，并且使用光频域反射计(OFDR)对每个耦合芯组110中的芯部之间，在1550nm的波长处的脉冲响应的20dB全宽进行评价。在OFDR中，光从缠绕在具有140mm的半径的缠线管上的样品1至6中的每一个样品的一端入射，并且测量另一端处的菲涅尔反射(Fresnel reflection)的峰值。

具有上述结构的样品1至6中的每一个样品的耦合芯组110中的芯部之间在1550nm的波长处的模式耦合系数的计算值为：在样品1(Λ＝12.5μm)的耦合芯组110中为4.5×10²[m^-1]，在样品2(Λ＝15.0μm)的耦合芯组110中为1.6×10²[m^-1]，在样品3(Λ＝17.5μm)的耦合芯组110中为5.7×10¹[m^-1]，在样品4(Λ＝20.0μm)的耦合芯组110中为2.1×10¹[m^-1]，在样品5(Λ＝25.0μm)的耦合芯组110中为2.6×10⁰[m^-1]，并且在样品6(Λ＝27.5μm)的耦合芯组110中为9.4×10^-1[m^-1]。

另外，在样品1至6中的每一个样品的耦合芯组110中的芯部之间在1550nm的波长处的功率耦合系数的计算值为：在样品1(Λ＝12.5μm)的耦合芯组110中为7.6×10¹[m^-1]，在样品2(Λ＝15.0μm)的耦合芯组110中为8.1×10⁰[m^-1]，在样品3(Λ＝17.5μm)的耦合芯组110中为9.0×10^-1[m^-1]，在样品4(Λ＝20.0μm)的耦合芯组110中为1.0×10^-1[m^-1]，在样品5(Λ＝25.0μm)的耦合芯组110中为1.3×10^-3[m^-1]，并且在样品6(Λ＝27.5μm)的耦合芯组110中为1.5×10^-4[m^-1]。

根据图4A和图4B，在样品6的耦合芯组中脉冲响应的20dB全宽发生骤增。为了使脉冲响应的20dB全宽实现等于或小于1.1ns的值(该1.1ns与脉冲响应的20dB全宽中不发生骤增的样品5的耦合芯组的脉冲响应的20dB全宽相同)，模式耦合系数优选为2.6×10⁰[m^-1]至1.6×10²[m^-1]，并且功率耦合系数优选为1.3×10^-3[m^-1]至8.1×10⁰[m^-1]。另外，为了使脉冲响应的20dB全宽变为等于或小于最低等级的0.4ns，模式耦合系数更加优选为2.1×10¹[m^-1]至5.7×10¹[m^-1]，并且功率耦合系数更加优选为1.0×10^-1[m^-1]至9.0×10^-1[m^-1]。因此，在根据本实施例的MCF 100中，每个耦合芯组110中的芯部间隔Λ优选地被设定为满足模式耦合系数或功率耦合系数的以上范围。

优选地将适当的弯曲施加于根据本实施例的MCF 100。另外，优选地将以共用包覆层120的中心(共用包覆层120的与MCF 100的纵向垂直的截面的中心)为旋转轴线的扭绞施加于根据本实施例的MCF 100。可以在光纤的拉制期间玻璃被熔化的状态下实施扭绞，并且可以在拉制光纤之后玻璃硬化的状态下实施扭绞。

接下来，检查空间模式之间的DGD的累积的减小。可以认为，当MCF的光纤长度被设定为L并且a被设定为比例常数时，空间模式之间的DGD根据以下表达式(1)相对于光纤长度L增加。

DGD＝aL^b (1)

根据偏振模色散的实例，已知当空间模式之间不生成随机耦合时得到b＝1、空间模式之间的DGD变得最大，并且当空间模式之间生成足够的随机耦合时空间模式之间的DGD增加相对于光纤长度L的增加变得缓和(b＝0.5)。图5A是示出DGD/a与光纤长度L的关系的示意图。在图5A中，曲线G510示出了b＝0.5时的关系，并且曲线G520示出了b＝1时的关系。

这里，当比例常数a被设定为DGD比例因子并且b被设定为DGD增长率时，发明人通过随机仿真计算来核实b具有何值。使用芯部模式的模式耦合方程式实施仿真。在假定偏振模式退化并且为了简单起见可以忽略偏振模式的情况下，可以通过以下表达式(2)来表示两个芯部(即，总共两个模式)的模式耦合方程式。

这里，κ是芯部之间的模式耦合系数，β是每个芯部的传播常数，Λ是芯部间隔(芯部之间的中心间隔)，C是光纤的曲率(弯曲半径的倒数)，并且θ是当采用某一标准时光纤相对于弯曲方向的旋转角度。另外，每个参数的附标(下标)表示芯部编号。如果求解表达式(2)，则可以获得如以下表达式(3)所示的z＝0至z＝L的转换方程式。

这里，T是芯部编号(总模式编号)×芯部编号(总模式编号)的转换矩阵。通过对上述非专利文献1中所描述的群延迟算子形式的转换矩阵T进行变换而获得群延迟算子矩阵的特征值，并且通过取DGD的最大值和最小值的差可以对空间模式之间的DGD进行仿真。

图5B示出了通过上述方法对在1530nm至1625nm的波长范围内的多个等级处的Λ、C和θ关于z的变化率进行计算的计算结果。可以认为，相邻芯部之间的模式耦合系数为κ，每个相邻芯部的传播常数为β(这里，假定两个芯部中的传播常数相同)，并且芯部间隔(相邻芯部之间的中心间隔)为Λ。根据图5B的结果可知，DGD增长率b显示了对κ/(βΛC)的明显依赖关系。这里，如从κ被包括在以上表达式(2)的非对角线元素中可知，作为κ/(βΛC)的分子的κ示出了两个相邻芯部的电场振幅的耦合，并且作为κ/(βΛC)的分母的(βΛC)示出了受作为对角线元素的弯曲的影响的等价传播常数差的最大值。当κ/(βΛC)等于或小于0.1时，b取0.5附近的值，当κ/(βΛC)从0.1向1接近时，b接近1，并且当κ/(βΛC)等于或大于1时，b变为1。由此，为减小空间模式之间的DGD，需要调整芯部结构和芯部布置以使κ/(βΛC)变得等于或小于0.1。即，为了减小空间模式之间的DGD，κ/(βΛC)优选为等于或小于0.1。

根据以上结果，当传播常数差沿MCF的纵向稍稍变化或芯部之间的模式耦合过度强(βΛC<<κ，即，κ/(βΛC)>>1))时，为了超级模式(其中芯部模式耦合)的稳定传播，超级模式不耦合并且超级模式之间的DGD在b＝1处累积。同时，当芯部之间的模式耦合系数在适当范围内并且传播常数差沿MCF的纵向变化(作为变化的最大值的βΛC较大，即，κ/(βΛC)较小)时，生成空间模式之间的随机耦合，b接近0.5，并且空间模式之间的DGD的累积变得缓和。

因此，当光缆中的MCF的沿MCF的光纤纵向的曲率的平均值被设定为C_avg[m^-1]，相邻芯部之间的模式耦合系数被设定为κ[m^-1]，耦合芯组中的相邻芯部之间的传播常数的平均值被设定为β[m^-1]，并且耦合芯组中的相邻芯部之间的芯部中心间隔被设定为Λ[m]时，通过内置下述MCF可以减小MCF光缆中的空间模式之间的DGD的累积：在该MCF中芯部结构和芯部布置被调整为使得在1530nm至1625nm的波长范围内κ/(βΛC_avg)变为0.1以下。当芯部间隔增加时，κ/(βΛC_avg)减小。因此，当κ/(βΛC_avg)过度减小时，芯部密度减小并且芯部耦合变弱且模式耦合变得非常弱。在这种情况下，不能生成使空间模式之间的DGD减小所必须的足够的随机模式耦合。因此，κ/(βΛC_avg)优选为0.01以上。在此时，C_avg可以是在充分控制之后施加到MCF的曲率的平均值，并且可以是包括不经意施加的曲率的曲率平均值。

参考上述非专利文献2和非专利文献3，据认为，即使当MCF处于直线状态时(即使当实际上C为0时)，通过光纤结构沿纵向的变化或微弯曲也能生成芯部间传播常数差沿MCF的纵向的变化，该变化与施加0.01至1[m^-1]或0.1至1[m^-1]的C的情况下的变化大致相等。当光纤被保持笔直时，可以通过C_f[m^-1]＝C_bend·h_b/h_s来估算曲率C，h_b是在光纤以5[m^-1]以上的曲率弯曲的状态下芯部之间的功率耦合系数，并且h_s是在光纤以0.1[m^-1]以下的曲率被保持笔直的状态下芯部之间的功率耦合系数，通过内置下述MCF可以减小MCF光缆中的空间模式之间的DGD的累积：在该MCF中芯部结构和芯部布置被调整为使得在15305nm至1625nm的波长范围内κ/(βΛC_f)变为0.1以下。当芯部间隔增加时，κ/(βΛC_f)减小。因此，当κ/(βΛC_f)过度减小时，芯部密度减小并且芯部耦合变弱且模式耦合变得非常弱。在这种情况下，不能生成使空间模式之间的DGD减小所必须的足够的随机模式耦合。因此，κ/(βΛC_f)优选为0.01以上。

在下文中，将结合κ/(βΛC_avg)的下限对根据本实施例和比较例的MCF的样品进行描述。

被试制为根据本实施例的MCF的样品中的每一个样品包括：2至7个芯部，其具有环型折射率分布；共用光学包覆层，其覆盖芯部；以及物理包覆层，其覆盖光学包覆层并且具有125μm的外径。芯部的外径被设定为约11.3μm，并且当基于纯石英的折射率的相对折射率差被设定为Δ时，芯部的平均面积的Δ与光学包覆层的Δ之差为约0.34％，物理包覆层的Δ高于光学包覆层的Δ，并且物理包覆层的Δ与光学包覆层的Δ之差为0.05％至0.1％。当物理包覆层与最靠近物理包覆层的邻近芯部的中心的最短距离被设定为D_J，邻近芯部的半径被设定为a，邻近芯部与光学包覆层的中心的距离被设定为D_offset，并且设定X＝log₁₀(D_offset/a)时，MCF满足表达式：

D_J/a≥7.68×10^-2·X²-2.21×10^-1·X+3.15；或

D_J/a≥7.57×10^-2·X²-2.25×10^-1·X+3.40。

在MCF的样品中，当将κ/(βΛC)调整为2.7×10^-2时，获得的空间模式色散值的测量结果(空间模式之间的DGD的均方根)为约6.1ps/km^1/2。

同时，在比较例中，当κ/(βΛC)调整为2×10^-3至3×10^-3时，获得的空间模式色散值的测量结果为约32ps/km^1/2，并且空间模式色散值变得比根据κ/(βΛC)为0.01以上的本实施例的MCF样品中的空间模式色散值大几乎五倍。

在根据本实施例的MCF中，芯部和共用包覆层优选为由玻璃或石英玻璃制造。另外，共用包覆层的周围部分可以覆盖有由树脂、金属和碳制成的保护材料。可以向每个芯部的玻璃添加微量的碱金属。

作为在长距离传输时改善光信号与噪声的比的优选特性，在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，全模式激励下的传输损耗优选为0.20dB/km以下、0.18dB/km以下、0.16dB/km以下或0.15dB/km以下。色散的模式平均值优选为16ps/(nm·km)以上。在全部空间模式中，当MCF在具有30mm的直径的心轴上缠绕一圈时在1550nm的波长处弯曲损耗优选为0.2dB以下。在全部空间模式中，当MCF在具有20mm的直径的心轴上缠绕时在1550nm的波长处弯曲损耗优选为20dB/m以下。在全部空间模式中，当MCF在具有30mm的半径的心轴上缠绕100圈时在1550nm的波长处弯曲损耗优选为0.5dB以下。在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，模式相关损耗的平均值为优选为0.01dB/km^1/2以下。在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，在每个波长处的空间模式之间的DGD的最大值的平均值优选为10ps/km^1/2以下。对于内置有具有上述特性的多个MCF的全部MCF光缆，在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，空间模式色散的平均值为10ps/km^1/2以下。

作为根据本实施例的MCF的优选特性，在施加有外部应力的情况下，在全部空间模式中定位在每个芯部中的空间模式的有效面积优选为60μm²至180μm²以改善在长距离传输时光信号与噪声的比。

作为获得优选特性的构造，在根据本实施例的MCF中，共用包覆层优选地包括：共用光学包覆层，其覆盖构成耦合芯组的全部多个芯部；以及物理包覆层，其覆盖光学包覆层的周围部分。具体地说，作为实现以上特性的优选芯部结构，多个芯部中的每一个芯部的外径优选为6μm至15μm。在MCF的与纵向垂直的截面中，当基于纯石英的折射率的相对折射率差被设定为Δ时，多个芯部中的每一个芯部的平均面积的Δ与光学包覆层的Δ之差优选为约0.2％至0.5％，物理包覆层的Δ优选地高于光学包覆层的Δ，并且物理包覆层的Δ与光学包覆层的Δ之差优选为0.0％至1％、0.0％至0.5％或0.0％至0.35％。

满足上述芯部结构的根据本实施例的MCF优选地具有以下结构，以增加具有125μm的外径的物理包覆层中的芯部的数量。即，耦合芯组由2至7个芯部或8至15个芯部构成。物理包覆层的外径为125±1μm。为了抑制传输损耗由于物理包覆层的或光学包覆层和物理包覆层的界面的OH基团而增加，在物理包覆层与最靠近物理包覆层的邻近芯部的中心的最短距离被设定为D_J，邻近芯部的半径被设定为a，光学包覆层的中心与邻近芯部的中心的距离被设定为D_offset，并且设定X＝log₁₀(D_offset/a)的情况下，MCF优选地满足表达式：

D_J/a≥7.68×10^-2·X²-2.21×10^-1·X+3.15；或

D_J/a≥7.57×10^-2·X²-2.25×10^-1·X+3.40。

附图标记列表

1……光纤传输系统；10……发送站；11……发送器(TX₁至TX_N)；12……连接器构件；20……接收站；21……接收器(RX₁至RX_N)；100……MCF(多芯光纤)；110……耦合芯组；120……共用包覆层；以及300……MCF光缆(多芯光缆)。

Claims (13)

1.一种多芯光纤，包括：

至少一个耦合芯组，所述耦合芯组由多个芯部构成；以及

共用包覆层，所述共用包覆层围绕所述耦合芯组，

其中，在处于所述多芯光纤被内置于光缆中的状态下的所述多芯光纤沿其纵向的曲率的平均值以C_avg[m^-1]表示，处于直线状态下的所述多芯光纤的虚拟曲率以C_f[m^-1]表示，构成所述耦合芯组的所述多个芯部中的相邻芯部之间的模式耦合系数以κ[m^-1]表示，所述耦合芯组中的所述相邻芯部的传播常数的平均值以β[m^-1]表示，并且所述耦合芯组中的所述相邻芯部之间的芯部中心间隔以Λ[m]表示的情况下，

所述多芯光纤具有满足以下第一条件至第三条件的芯部结构和芯部布置：

第一条件定义为：所述耦合芯组中的所述相邻芯部之间的所述芯部间隔Λ被设定为，使得在1550nm的波长处所述相邻芯部之间的所述模式耦合系统κ为1.6×10²[m^-1]以下；

第二条件定义为：当C_avg被设定为0.01至2[m^-1]或0.1至1[m^-1]时，在1530至1625nm的波长范围内，κ/(βΛC_avg)或κ/(βΛC_f)为0.1以下；并且

第三条件定义为：在1530至1625nm的波长范围内，κ为2.6×10⁰[m^-1]以上，或者κ/(βΛC_avg)或κ/(βΛC_f)为0.01以上。

2.根据权利要求1所述的多芯光纤，其中，

在1530nm至1565nm的波长范围或在1460nm至1625nm的波长范围内，全模式激励下的传输损耗为0.20dB/km以下，

色散的模式平均值为16ps/(nm·km)以上，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有30mm的直径的心轴上缠绕一圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗为0.2dB以下，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有20mm的直径的心轴上缠绕时，在1550nm的波长处弯曲损耗为20dB/m以下，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有30mm的半径的心轴上缠绕100圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗为0.5dB以下，

在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，模式相关损耗的平均值为0.01dB/km^1/2以下，并且

在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，对于各个波长，空间模式之间的差分群延迟的最大值的平均值为10ps/km^1/2以下。

3.根据权利要求1或2所述的多芯光纤，其中，

所述共用包覆层包括：共用光学包覆层，其覆盖构成所述耦合芯组的全部所述多个芯部；以及物理包覆层，其覆盖所述光学包覆层的周部，

所述多个芯部中的每一个芯部的外径为6至15μm，并且

在所述多芯光纤的与所述纵向垂直的截面中基于纯石英的折射率的相对折射率差以Δ表示的情况下，

所述多个芯部中的每一个芯部的平均面积的Δ与所述光学包覆层的Δ之差为0.2至0.5％，所述物理包覆层的Δ高于所述光学包覆层的Δ，并且所述物理包覆层的Δ与所述光学包覆层的Δ之差为0.0至1％。

4.根据权利要求3所述的多芯光纤，其中，

所述耦合芯组由2至15个芯部构成，

所述物理包覆层的外径为125±1μm，并且

在所述物理包覆层与最靠近所述物理包覆层的邻近芯部的中心的最短距离以D_J表示，所述邻近芯部的半径以a表示，所述光学包覆层的中心与所述邻近芯部的中心的距离以D_offset表示，并且log₁₀(D_offset/a)以X表示的情况下，

所述多芯光纤满足以下表达式：

D_J/a≥7.68×10^-2·X²-2.21×10^-1·X+3.15；或

D_J/a≥7.57×10^-2·X²-2.25×10^-1·X+3.40。

5.一种将根据权利要求1至4中任一项所述的多芯光纤应用为传输路径的光纤传输系统，

其中，所述光纤传输系统具有通过MIMO信号处理来补偿在所述耦合芯组中产生的空间模式之间的串扰的结构。

6.一种内置有多个多芯光纤的多芯光缆，所述多个多芯光纤中的每一个具有与根据权利要求1所述的多芯光纤相同的结构，其中，所述多个多芯光纤中的每一个的所述芯部结构和芯部布置满足以下第四条件，

所述第四条件定义为：在1530至1625nm的波长范围内，κ/(βΛC_avg)或κ/(βΛC_f)为0.1以下。

7.根据权利要求6所述的多芯光缆，其中，

在所述多个多芯光纤中的每一个多芯光纤中，所述芯部结构和所述芯部布置被调整为，使得在1530至1625nm的波长范围内，κ/(βΛC_avg)或κ/(βΛC_f)为0.01以上。

8.根据权利要求6或7所述的多芯光缆，其中，

在所述多芯光缆不弯曲的状态下，C_avg为0.01至2[m^-1]。

9.根据权利要求6或7所述的多芯光缆，其中，

在所述多芯光缆不弯曲的状态下，C_avg为0.1[m^-1]至1[m^-1]。

10.根据权利要求6或7所述的多芯光缆，其中，

在所述多个多芯光纤中的每一个多芯光纤中，在1530nm至1565nm的波长范围或在1460nm至1625nm的波长范围内，全模式激励下的传输损耗为0.20dB/km以下，

色散的模式平均值为16ps/(nm·km)以上，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有30mm的直径的心轴上缠绕一圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗为0.2dB以下，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有20mm的直径的心轴上缠绕时，在1550nm的波长处弯曲损耗为20dB/m以下，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有30mm的半径的心轴上缠绕100圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗为0.5dB以下，

在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，模式相关损耗的平均值为0.01dB/km^1/2以下，并且

在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，空间模式色散的平均值为10ps/km^1/2以下。

11.根据权利要求8所述的多芯光缆，其中，

在所述多个多芯光纤中的每一个多芯光纤中，在1530nm至1565nm的波长范围或在1460nm至1625nm的波长范围内，全模式激励下的传输损耗为0.20dB/km以下，

色散的模式平均值为16ps/(nm·km)以上，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有30mm的直径的心轴上缠绕一圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗为0.2dB以下，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有20mm的直径的心轴上缠绕时，在1550nm的波长处弯曲损耗为20dB/m以下，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有30mm的半径的心轴上缠绕100圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗为0.5dB以下，

在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，模式相关损耗的平均值为0.01dB/km^1/2以下，并且

在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，空间模式色散的平均值为10ps/km^1/2以下。

12.根据权利要求9所述的多芯光缆，其中，

在所述多个多芯光纤中的每一个多芯光纤中，在1530nm至1565nm的波长范围或在1460nm至1625nm的波长范围内，全模式激励下的传输损耗为0.20dB/km以下，

色散的模式平均值为16ps/(nm·km)以上，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有30mm的直径的心轴上缠绕一圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗为0.2dB以下，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有20mm的直径的心轴上缠绕时，在1550nm的波长处弯曲损耗为20dB/m以下，

在全部空间模式中，当所述多芯光纤在具有30mm的半径的心轴上缠绕100圈时，在1550nm的波长处弯曲损耗为0.5dB以下，

在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，模式相关损耗的平均值为0.01dB/km^1/2以下，并且

在1530nm至1565nm的波长范围或1460nm至1625nm的波长范围内，空间模式色散的平均值为10ps/km^1/2以下。

13.一种将根据权利要求6至12中任一项所述的多芯光缆应用为传输路径的光纤传输系统，

其中，所述光纤传输系统具有通过MIMO信号处理来补偿在所述耦合芯组中产生的空间模式之间的串扰的结构。

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