CN108700703A - 模分复用所用的少模光纤 - Google Patents

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Abstract

一种少模光纤，其支持25或30个LP导模，该少模光纤包括：渐变折射率纤芯，其具有α分布、(在折射率差为0的情况下)在21.5～27μm内的半径R1、以及在12.5×10‑3～20×10‑3内的最大折射率差Dn1，并且该α分布在具有折射率差Dn1b的半径R1b处结束；包围纤芯的槽，其中该槽具有在30～42μm内的半径R3和在‑15×10‑3～‑6×10‑3内的折射率差Dn3；中间凹槽，其具有半径R2和折射率差Dn2，其中R1b<R2<R3，并且Dn3<Dn2<0，其中：对于|Dn1b‑Dn2|≥0.5×10‑3，Min(Dn1b,Dn2)<‑1.5×10‑3，并且对于|Dn1b‑Dn2|<0.5×10‑3，Dn2在‑5×10‑3～‑3.5×10‑3内。

Description

模分复用所用的少模光纤
技术领域
本发明涉及光纤传输领域，并且更具体地涉及模分复用所用的改进的少模光纤设计。
背景技术
传统上，光纤包括传输光信号的光纤芯以及将光信号限制在光纤芯内的光包层。为此，纤芯的折射率n0大于包层的折射率nCl。通常，光纤通过由使折射率(n)与光纤的半径(r)相关联的折射率分布来表征：在x轴上示出相对于光纤中心的距离r，并且在y轴上示出半径r处的折射率n(r)与光包层的折射率nCl之间的差Dn。
如今，主要存在多模光纤和单模光纤这两类光纤。在多模光纤中，对于给定波长，多个光模式可以沿着光纤同时传播，而在单模光纤中，高阶模(以下称为HOM)是被截止或被高度衰减的。
单模光纤通常用于诸如接入网、城域网或远程网等的长距离应用。为了获得能够传输单模光信号的光纤，需要直径相对较小的纤芯(通常在5μm～15μm内)。为了满足高速或高比特率的应用(例如，10Gbps)的要求，标准单模光纤需要使用被调谐成通常以1550nm的波长进行工作的调制单模激光发射器。然而，单模光纤存在非线性问题，而这成为光纤传输容量的主要限制。
多模光纤通常用于诸如局域网(LAN)、多住户单元(MDU)和数据中心等(更通常已知为室内网络)的要求高带宽的短距离应用。多模光纤的纤芯的直径通常为50μm或62.5μm。电信中最普遍的多模光纤是渐变折射率分布光纤。通过使模间色散(即，沿着光纤的光模式的传播延迟时间或组速度之间的差，还被称为差分模式组延迟即DMGD)最小化，这种折射率分布针对给定波长保证高的模态带宽。
由于经由光纤网络的数据业务持续呈指数增长，因此针对特别是跨越长距离的不断增长的每光纤业务的需求不断增加。为此，开发了使得多个单独数据流能够共用同一光纤的复用技术。在这些技术中，一个有前景的方法是空分复用(SDM)，其中在空分复用中，利用单个光纤所引导的多个光信号模式中的各个信号模式来提供该光纤内的多个数据通道。
这种技术要求开发被称为少模光纤的新型光纤，其中少模光纤支持多于一个的空间模式，但比多模光纤所支持的空间模式少。PCT专利文献WO2011/094400中特别讨论的这种少模光纤支持2个LP模以上。
使用少模光纤(FMF)的空分复用传输由于有可能使单模传输的容量增大要使用的模式的数量倍，因而近来受到极大关注。
少模光纤的一个设计方法包括使差分模式组延迟(DMGD，即空间复用所使用的导模(guided mode)的各个到达时间的差)最小化，由此可以与作为桥接长距离的限制因素其中之一的模耦合现象无关地使用复杂的2N×2N(N是空间模式的总数，即包括LP(线偏振)模简并)的多输入多输出(MIMO)技术来同时检测所有的模式。在该方法中，需要FMF的精心设计，从而减小DMGD(优选低于300ps/km以保持MIMO效率)，同时仍为所引导的所有LP模提供低的弯曲损耗。
然而，该优化在LP模的数量增加的情况下变得越来越难。迄今为止，仅报告了支持差分模式组延迟(DMGD)低的多达20个可用的LP模的FMF。
在“50μm Multimode Fibers for Mode Division Multiplexing”(Ecoc会议4.2.1–2015)中，P.Sillard等人公开了直径为50μm的渐变折射率纤芯多模光纤，其可适用于使用MIMO数字信号处理和选择性模复用的模分复用传输。实现并表征了这种光纤，并且与差分模式组延迟低的少模光纤进行了比较。
图1示出相对于纤芯直径为50μm的这种FMF的半径的折射率差，其中该FMF在1550nm处支持30个LP模，但仅20个LP模可用。实际上，弯曲损耗的严重退化阻止了在这种光纤的空分复用系统中使用第9模组和第10模组。
专利文献US 2015/0168643公开了一种少模光纤，该少模光纤具有渐变折射率纤芯和周围的包层，其中该包层包括纤芯和槽之间的层、与该层邻接的下掺杂(down-doped)槽、以及与该槽邻接的未掺杂包层区域。该光纤的折射率分布被配置为支持9～20个LP模以传输空间复用的光信号。不期望的模式各自的有效折射率接近或小于包层折射率，从而导致不期望的模式泄漏到外包层中。有效折射率最低的期望模式和有效折射率最高的泄漏模式之间的折射率间距足够大，以基本防止这两者之间的耦合。
尽管这些设计很有前景，但这些设计不能在按期望的程度减小差分模式组延迟的同时支持25个或30个可用的LP模。另外，这两个文献中公开的分布不够优化以确保低弯曲损耗，然而低弯曲损耗对于FMF而言是强制性的。
因此，需要LP导模的任何组合之间的差分模式组延迟小(优选低于200ps/km)并且弯曲损耗低(优选在弯曲半径为10mm的情况下低于100dB/匝)的、引导所支持的数量有所增加的模式的(25个LP模以上)的少模光纤的设计。
发明内容
在本发明的一个特定实施例中，提出一种光纤，其包括被光包层包围的中央的光纤芯，所述光纤芯具有作为相对于所述光纤芯的中心的径向距离r的函数的α渐变折射率分布n(r)，其中α在1～3内，并且α是用于定义所述光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数，所述光纤芯具有最大折射率n0和外半径R1b，其中所述光纤芯相对于在外边缘处具有折射率nCl的所述光包层具有折射率差Dn1b＝n(R1b)-nCl。所述光纤芯还具有半径R1使得n(R1)＝nCl、以及最大折射率差Dn1＝n0-nCl，其中半径R1包含在21.5μm～27μm内，最大折射率差Dn1＝n0-nCl在12.5×10-3～20×10-3内，所述折射率差是在λ＝λC处确定的，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长。
此外，所述光包层包括：
-被称为槽的包围所述光纤芯的具有凹型折射率ntrench的区域，所述槽具有在30μm～42μm内的外半径R3，并且所述槽和所述光包层之间的折射率差Dn3＝ntrench-nCl包含在-15×10-3～-6×10-3内，
-被称为中间槽的包围所述光纤芯的具有凹型折射率的中间区域，所述中间槽具有外半径R2，其中R1b<R2<R3，并且所述中间槽和所述光包层之间的折射率差为Dn2，其中Dn3<Dn2<0。
所述光纤如下：
-对于|Dn1b-Dn2|≥0.5×10-3，Min(Dn1b,Dn2)≤-1.5×10-3，以及
-对于|Dn1b-Dn2|<0.5×10-3，Dn2在-5×10-3～-3.5×10-3内。
如这里所使用的，并且除非另外规定，否则术语“α渐变折射率分布”是指具有如下定义的折射率分布n(r)的光纤芯：
其中：
r是表示光纤的半径的变量；
R1b是光纤芯的外半径；
Δ是归一化折射率差，
n1是光纤芯的最小折射率；
n0是光纤芯的最大折射率；
α是定义光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数。
阿尔法参数α＝2与反抛物线相对应。阿尔法参数α＝1与三角形状相对应，而阿尔法参数α＝∞与阶跃函数相对应。
这种FMF光纤与现有技术的FMF光纤相比表现出更大的纤芯直径，从而使得能够支持数量有所增加的LP模。此外，这种FMF光纤包括凹槽，从而使得通过改进纤芯内的光模式的限制来减少宏弯曲损耗。因而，这种设计能够显著改善DMGD和弯曲损耗之间的权衡。
最后，这种FMF光纤呈现渐变折射率纤芯和槽之间的精心设计的界面，从而能够保持LP导模的任何组合之间的DMGD低、同时还保持任何LP导模的弯曲损耗同样低。
根据实施例，所述光纤的归一化频率在18.4～23内。
根据实施例，所述光纤引导至少25个LP模。
根据另一实施例，所述光纤引导至少30个LP模。
这些大量导模使得能够增加包括这种少模光纤的光学系统的容量，并且解决了长途光传输系统中针对更高带宽的需求。
因而，与现有技术的FMF相比，根据本发明实施例的少模光纤引导可以高效地用在空分复用传输中的数量有所增加的LP模。
根据另一实施例，在λ＝λC处，Max|DMGD|<200ps/km，其中：λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，DMGD是所述光纤中的两个导模之间的差分模式组延迟，并且Max|DMGD|是导模的任意组合之间的DMGD的绝对最大值。例如，可以通过以下来表征DMGD：使用多模光纤的标准差分模式延迟测量过程，即测量光纤的针对径向地扫描纤芯的单模注入的脉冲应答(中心的注入激发最低阶模，而大的偏移注入激发最高阶模)。
根据又一实施例，针对λ∈[λC-δλ；λC+δλ]，Max|DMGD|<500ps/km，其中：λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，并且2δλ是所述工作波段的宽度。
因而，差分模式组延迟非常低，同时满足了使LP模的数量增加至多达25或30个的挑战。
根据实施例，在λ＝λC处，所述光纤所引导的基本LP01模的有效面积Aeff>150μm2。这种相对较大的有效面积限制了模内非线性。
根据另一实施例，在λ＝λC处，在弯曲半径为10mm的情况下，Max|BL|<100dB/匝，优选Max|BL|<50dB/匝，其中：BL是所述光纤中的不同的导模的弯曲损耗，并且Max|BL|是所有的导模的BL的绝对最大值。例如，可以通过使用谱衰减台架测量在应用和不应用半径为10mm的环路的情况下模复用器所选择的并且注射在少模光纤中的给定模式的损耗差，来表征BL。
因而，这种少模光纤表现出弯曲损耗和差分模式组延迟之间的非常良好的权衡。
根据实施例，λC＝1550nm并且δλ＝20nm。
注意，这里以及整个文献中所述的FMF适合用于(在最低限度上)整个“C波段(1530nm～1565nm)”，而且在一些情况下还适合用于S波段(1460nm～1530nm)、L波段(1565nm～1625nm)和U波段(1625nm～1675nm)。因而，这些FMF的差分模式组延迟在所有的扩展C波段上非常低。
本发明的另一方面涉及一种光链路，其包括如这里在以上任意实施例中所述的至少一个光纤。
这种光链路可以包括任意数量的串连光纤，只要这些光纤其中之一至少符合本发明所阐述的特征即可。这种光链路还可以包括全部符合本发明的特征的多个光纤。
根据实施例，提供一种光链路，其包括N个光纤，其中N≥2，N是整数，
索引的各光纤包括中央的光纤芯和包围所述光纤芯的光包层，所述光纤芯具有作为相对于所述光纤芯的中心的径向距离r的函数的αi渐变折射率分布ni(r)，其中αi在1～3内，并且αi是用于定义所述光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数，
所述光纤芯具有最大折射率n0i和外半径R1bi，其中所述光纤芯相对于在外边缘处具有折射率nCli的所述光包层具有折射率差Dn1bi＝ni(R1bi)-nCli，所述光纤芯还具有半径R1i，使得ni(R1i)＝nCli，并且最大折射率差Dn1i＝n0i-nCli，
所述光包层包括：
-被称为槽的包围所述光纤芯的具有凹型折射率ntrenchi的区域，所述槽具有外半径R3i，并且所述槽和所述光包层之间的折射率差为Dn3i＝ntrenchi-nCli，
-被称为中间槽的包围所述光纤芯的具有凹型折射率的中间区域，所述中间槽具有外半径R2i，其中R1bi<R2i<R3i，并且所述中间槽和所述光包层之间的折射率差为Dn2i，其中Dn3i<Dn2i<0。
所述光链路如下：
所述光链路的平均光纤芯半径R1link包含在21.5μm～27μm内，其中其中Li是所述光链路中的光纤i的长度，
在λ＝λC处，所述光链路的平均最大折射率差Dn1link在12.5×10-3～20×10-3内，其中其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，
所述光链路的平均槽外半径R3link在30μm～42μm内，其中 Li是所述光链路中的光纤i的长度，
在λ＝λC处，所述光链路的所述槽和所述光包层之间的平均折射率差Dn3link包含在-15×10-3～-6×10-3内，其中以及
-对于|Dn1blink-Dn2link|≥0.5×10-3，Min(Dn1blink,Dn2link)≤-1.5×10-3，以及
-对于|Dn1blink-Dn2blink|＜0.5×10-3，Dn2blink在-5×10-3～-3.5×10-3内，
其中：是针对所述光链路的所述中间槽和所述光包层之间的平均折射率差，并且是针对所述光链路的所述光纤芯在其外半径处和所述光包层之间的平均折射率差，这两者都在λ＝λC处，其中λC是所述光链路期望的工作波段的中心传输波长。
通过适当地选择构成光链路的所有光纤各自的长度Li，可以构建能够引导与现有技术的FMF相比数量有所增加的LP模、同时实现最低的差分模式组延迟的少模光纤链路。因而，这种光链路是DMGD补偿型FMF链路，并且可以相对于所述光链路中所包括的个体FMF表现出改进的性质。这种低DMGD使得能够与模耦合现象无关地使用2N×2N(N是空间模式的总数，即包括LP模简并)的MIMO(“多输入多输出”)技术来同时检测所有的模式。因而，系统距离相对于现有技术有所增加。
特别是在所支持的LP模的数量和DMGD的低值方面，这种光链路表现出与前面关于FMF光纤所述的性质类似的性质。该光链路中所包括的光纤示出凹槽，从而使得能够通过改进纤芯内的光模式的限制来减少宏弯曲损耗。
根据实施例，所述光链路具有所述光链路的归一化频率 包含在18.4～23内，其中：是所述光链路的光纤芯的平均最大折射率，并且是所述光链路的光包层的平均折射率。
根据实施例，所述光链路引导至少25个LP模。
根据实施例，所述光链路引导至少30个LP模。
根据另一实施例，对于所述光链路中的所有光纤选择所述长度Li，以使所述光链路上的Max|DMGDlink|最小，其中：DMGDlink是所述光链路中的两个导模之间的差分模式组延迟，并且Max|DMGDlink|是所述光链路中的导模的任意组合之间的差分模式组延迟的绝对最大值。
根据又一实施例，所述光链路中的至少两个光纤针对所述光纤所引导的至少一个模式具有表现出符号相反的DMGDi，其中DMGDi是光纤i中的该一个模式和任何其它导模之间的差分模式组延迟。
因而，这种光链路可以利用如下的光纤形成，其中这些光纤满足以上针对根据本发明实施例的光纤所阐述的标准，但在特定公差内彼此不同且表现出符号相反的差分模式组延迟(其中一旦组装在光链路中，这些差分模式组延迟可以彼此补偿)。对于形成这种光链路的光纤而言，如下是可接受的：折射率差的公差为±0.5×10-3，光纤半径的公差为±0.5μm，并且α的公差为±0.02。
根据实施例，在λ＝λC处，Max|DMGDlink|<200ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长。
根据另一实施例，针对λ∈[λC-δλ；λC+δλ]，Max|DMGDlink|<500ps/km，其中：λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，并且2δλ是所述工作波段的宽度。
根据又一实施例，在λ＝λC处，在弯曲半径为10mm的情况下，Max|BLlink|<100dB/匝，优选Max|BLlink|<50dB/匝，其中：BLlink是所述光链路中的不同的导模的弯曲损耗，并且Max|BLlink|是所述光链路中的所有导模的BLlink的绝对最大值。
优选地，λC＝1550nm并且δλ＝20nm。
本发明还涉及一种光链路，其包括N个光纤，其中N≥2，N是整数。各光纤符合以上根据本发明实施例所阐述的要求。从形成所述光链路的所述N个光纤中所选择的任意两个光纤在λC处具有折射率差Dn1和/或Dn2和/或Dn3、以及/或者半径R1和/或R1b和/或R2和/或R3，其中Dn1和/或Dn2和/或Dn3的值最大相差±0.5×10-3，半径R1和/或R1b和/或R2和/或R3的值最大相差±0.5μm。此外，所述N个光纤中的至少两个光纤具有符号相反的DMGD，其中DMGD是所述光纤中的两个导模之间的差分模式组延迟。
因而，这种光链路可以利用并不完全相同且表现出符号相反的差分模式组延迟(其中一旦组装在光链路中，这些差分模式组延迟可以彼此补偿)的光纤形成。因而，这种光链路是DMGD补偿型链路。此外，在形成光链路的光纤的任何组合之间α的公差为±0.02，这也是可接受的。
本发明的另一方面涉及一种光学系统，其包括如这里以上在任意实施例中所述的至少一个光纤或至少一个光链路。
附图说明
根据以下以指示性且非穷尽性的示例的方式给出的说明以及根据附图，本发明的实施例的其它特征和优点将变得明显，其中在附图中：
-图1以图形提供现有技术的FMF光纤的折射率分布，其中该FMF光纤在1550nm处支持30个LP模，但仅20个LP模可用；
-图2示意性示出根据这里所述的一个或多个实施例的示例性FMF光纤的等距视图；
-图3以图形提供根据本发明实施例的FMF光纤的例示性折射率分布；
-图4以图形提供根据本发明实施例的两个示例性FMF光纤的折射率分布；
-图5以图形提供根据本发明实施例的两个其它示例性FMF光纤的折射率分布；
-图6示出根据本发明实施例的光链路；
-图7A和7B示出根据本发明的光学系统的实施例。
附图中的组件不一定是按比例绘制的，而是重点在于例示本发明的原理。
具体实施方式
本发明的一般原理是提出相对于现有技术的FMF表现出差分模式组延迟降低并且支持更多的LP模的精心设计的槽辅助渐变折射率少模光纤。更精确地，这种设计的目的在于优化渐变折射率纤芯和槽之间的界面，从而使所支持的LP模的数量增加至多达25或30个，同时保持LP导模的任何组合之间的差分模式组延迟低(优选低于200ps/km)，并且同时保持任何LP导模的弯曲损耗低(优选在弯曲半径为10mm的情况下低于100dB/匝)。
在光纤中行进的光实际形成通常被称为LP(线偏振)模的混合型模。LP0p模具有两个偏振自由度并且是二重简并，并且m≥1的LPmp模是四重简并。在指定光纤中传播的LP模的数量的情况下，不计算这些简并。因而，具有两个LP模的少模光纤支持所有的LP01模和LP11模的传播，或者引导6个LP模的少模光纤支持所有的LP01模、LP11模、LP02模、LP21模、LP12模和LP31模的传播。
现在将详细参考在附图中例示了示例的少模光纤的实施例。只要有可能，在所有附图中将使用相同的附图标记以指代相同或相似的部分。
在图2中以等距视图示意性描述根据本发明的少模光纤的一个实施例。光纤20通常具有被玻璃包层包围的玻璃纤芯21。更精确地，光纤20包括四个邻接的同心区域，即：
-渐变折射率纤芯21，其具有外半径R1b；
-中间槽22，其具有内半径R1b和外半径R2；
-槽23，其具有内半径R2和外半径R3；
-外包层24，其具有内半径R3和外半径R4，并且折射率为nCl。
中间槽22和槽23的半径如下：R1b<R2<R3。
在本发明的实施例中，玻璃纤芯21通常具有约21.5μm～约27μm的渐变折射率差为零(即，n(R1)＝nCl)的半径R1。此外，槽的外半径R3在30μm～42μm内。在这里所示和说明的实施例中，纤芯21和包层通常包括二氧化硅、具体是二氧化硅玻璃。光纤20的截面相对于纤芯21的中心通常可以呈圆对称。在这里所述的一些实施例中，半径R4(即，光纤20的玻璃部分的半径)约为62.5μm。然而，应当理解，可以调整包层的尺寸，以使得半径R4可以大于62.5μm或者小于62.5μm。光纤20还包括包围包层的涂层。这种涂层可以包括多个层，并且这种涂层特别地可以是双层涂层，尽管在图2中没有示出这些不同的层。
包层中的不同部分可以包括纯二氧化硅玻璃(SiO2)、诸如包层的一部分为“上掺杂(up-doped)”的情况等的具有使折射率增加的一个或多个掺杂物(例如，GeO2或任何其它已知的掺杂物)的二氧化硅玻璃、或者诸如包层的一部分(例如，针对中间槽22或针对槽23)为“下掺杂(down-doped)”的情况等的具有使折射率减小的掺杂物(诸如氟等)的二氧化硅玻璃。
尽管图2并未示出，但对于r>R3的情况，外包层24还可以包括折射率更低或更高的其它部分或层。
还必须注意，在一些实施例中，R1＝R1b可以成立。
图3示出根据本发明实施例的光纤20的折射率分布n(r)。该折射率分布n(r)描述折射率值n和相对于光纤中心的距离r之间的关系。x轴表示径向位置，其中x＝0表示纤芯区域的中心，并且y轴表示折射率(除非另外说明，否则表示为折射率差Dn)。在本文中，在λ＝λC处确定折射率差，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长。例如，λc＝1550nm。
在本实施例中，光纤20具有光纤芯21，其中光纤芯21具有如下定义的折射率分布n(r)：
其中：
r是表示光纤的半径的变量；
R1b是光纤芯外半径；
Δ是归一化折射率差，其中
n1是光纤芯的最小折射率；
n0是光纤芯的最大折射率；
α是定义光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数。
光纤芯21的α折射率分布使得能够减少光纤20的模间色散。光纤芯21具有半径R1，其中在该半径R1处，纤芯相对于包层的折射率差等于零，即n(R1)＝nCl，其中nCl是外包层的折射率。光纤芯21还具有与外包层24的最大折射率差Dn1＝n0-nCl，其在12.5×10-3～20×10-3内。
在光纤芯21的外半径R1b处，光纤芯21与外包层24的折射率差表现为Dn1b＝n(R1b)-nCl。因而，在R1b>R1的实施例中，纤芯21的最小折射率不等于外包层的折射率nCl，而相对于光纤外包层表现出负的折射率差Dn1b。
在一些其它实施例中，R1＝R1b，并且纤芯21的最小折射率等于外包层的折射率nCl。
光纤芯21被光包层直接包围，其中该光包层包括内半径为R1b且外半径为R2的还被称为中间槽的中间凹型折射率区域22、内半径为R2且外半径为R3的还被称为槽的凹型折射率环23、以及内半径为R3的外包层24。在一些实施例中，这种外包层24包括纯二氧化硅玻璃(SiO2)，因而外包层24的折射率nCl是二氧化硅玻璃的折射率。
中间槽22相对于外包层的折射率具有负的折射率差Dn2，并且槽23的负的折射率差Dn3＝ntrench-nCl包含在-15×10-3～-6×10-3内，使得Dn3<Dn2<0。中间槽22和槽23的位置和大小被设计成提高了光纤的抗弯曲损耗性。特别地，这两者的设计如下：
-对于|Dn1b-Dn2|≥0.5×10-3，Min(Dn1b,Dn2)≤-1.5×10-3，以及
-对于|Dn1b-Dn2|<0.5×10-3，Dn2在-5×10-3～-3.5×10-3内。
与槽23相关联的这种中间槽22的精心设计使得能够形成中央光纤芯和包层之间的优化的特定界面，因而使得能够实现支持25或30个LP导模的少模光纤。
这些少模光纤的归一化频率(其中，λC是光纤的工作波长)在18.4～23内。
在λ(这里为1550nm)(并且更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)处，LP导模的任何组合之间的Max|DMGD|(即，所述光纤中的两个导模之间的差分模式组延迟的绝对最大值)低于200ps/km。在1530～1570nm内(并且更一般地，针对任何工作波长的波段[λC-δλ；λC+δλ]，其中2δλ是所述工作波段(例如C波段、或者L波段、S波段或U波段等)的宽度，优选δλ＝20nm)，Max|DMGD|还优选<500ps/km。
根据本发明实施例的FMF的所有LP导模在1550nm处(并且更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)，在弯曲半径为10mm的情况下，弯曲损耗<100dB/匝，优选<50dB/匝。此外，在1550nm处(并且更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)，作为所有LP导模的最小有效面积的基本LP01模的有效面积Aeff>150μm2。如这里所使用的，光纤的有效面积是光纤中光进行传播的面积，并且除非另外规定，否则是在波长1550nm的情况下以所指定的模式(例如，LP01)所确定的。
表1给出根据图2和3的实施例的FMF的十二个示例(示例1～示例12)的折射率分布的参数、以及与归一化频率V、Max|DMGD|、Max|BL|和有效面积Aeff有关的结果。
表1：
如可以观察到，给出根据本发明实施例的FMF的十二个示例，并且在表1的第一列中与对应于多模光纤的比较例进行比较，其中该多模光纤已被适用于λ＝1550nm的情况，而不是如通常标准多模光纤的情况那样的λ＝850nm的情况。这种适用通过修改纤芯的渐变折射率分布的α的值(约为1.94、而不是如通常标准MMF的情况那样的α＝2.0)来进行。
对于这种比较例，纤芯半径传统上为R1＝25μm，并且纤芯的渐变折射率分布如下：纤芯的最小折射率等于外包层的折射率。换句话说，R1＝R1b。此外，不存在中间槽22，并且Dn2＝0。换句话说，不存在光纤芯和包层之间的界面的特定设计，这导致最大差分模式组延迟和最大弯曲损耗这两者的值都非常高，即Max|DMGD|>500ps/km并且Max|BL|>1000dB/匝。
因而，这种光纤(比较例)不能用作模分复用所用的少模光纤。
示例1～示例4、示例7和示例10对应于支持25个LP导模的FMF，而示例5、示例6、示例8、示例9、示例11和示例12对应于支持30个LP导模的FMF。
示例10～示例12对应于R1＝R1b的特殊实施例，并且光纤21的最小折射率等于外包层24的折射率nCl。
示例7～示例9对应于另一特殊实施例，其中Dn2＝Dn1b，即中间槽22的折射率等于纤芯21的最小折射率。
此外，示例1～示例6和示例10～示例12对应于纤芯和包层之间的界面的如下的特定设计：|Dn1b-Dn2|≥0.5×10-3，并且Min(Dn1b,Dn2)≤-1.5×10-3。
示例7～示例9对应于纤芯和包层之间的界面的如下的另一特定设计：|Dn1b-Dn2|<0.5×10-3，并且Dn2在-5×10-3～-3.5×10-3内。
图4以图形提供与表1中的示例1和示例6相对应的两个示例性FMF光纤的折射率分布。y轴上示出的折射率差Dn是在1550nm处测量的，并且以μm为单位表示x轴上示出的FMF光纤的半径。
用虚线示出示例6的FMF的折射率差。渐变折射率纤芯21表现出α＝1.93的α分布、折射率差为0的半径R1＝21.6μm、以及在1550nm处的最大折射率差Dn1＝19.8×10-3。α分布在R1b＝22.7μm处结束，其中折射率差为Dn1b＝-1.9×10-3。
中间槽22与光纤芯21相比为下掺杂，并且相对于外包层24的折射率差表现为Dn2＝-3.9×10-3。中间槽22在半径R2＝25.7μm处结束。中间槽22被槽23包围，其中槽23与中间槽22相比为下掺杂，并且在1550nm处相对于外包层24的折射率差表现为Dn3＝-6.7×10-3。槽23在半径R3＝33.4μm处结束。
对于该示例，如在表1中所示，对于LP01导模，得到V＝21.0，Max|DMGD|＝142ps/km，Max|BL|＝7dB/匝并且Aeff＝135μm2。
用实线示出示例1的FMF的折射率差。渐变折射率纤芯21表现出α＝1.94的α分布、折射率差为0的半径R1＝23.1μm、以及在1550nm处的最大折射率差Dn1＝15.8×10-3。α分布在R1b＝25.0μm处结束，其中折射率差为Dn1b＝-2.6×10-3。
中间槽22与光纤芯21的最小折射率相比为上掺杂，并且相对于外包层24的折射率差表现为Dn2＝-1.2×10-3。中间槽22在半径R2＝25.8μm处结束。中间槽22被槽23包围，其中槽23与中间槽22相比为下掺杂，并且在1550nm处相对于外包层24的折射率差表现为Dn3＝-6.6×10-3。槽23在半径R3＝32.5μm处结束。
对于该示例，如在表1中所示，对于LP01导模，得到V＝20.1，Max|DMGD|＝53ps/km，Max|BL|＝72dB/匝并且Aeff＝162μm2。
图5以图形提供与表1中的示例8和示例10相对应的两个其它示例性FMF光纤的折射率分布。y轴上示出的折射率差Dn是在1550nm处测量的，并且以μm为单位表示x轴上示出的FMF光纤的半径。
用灰色线示出示例8的FMF的折射率差。渐变折射率纤芯21表现出α＝1.93的α分布、折射率差为0的半径R1＝22.5μm、以及在1550nm处的最大折射率差Dn1＝17.1×10-3。α分布在R1b＝25.0μm处结束，其中折射率差为Dn1b＝-3.9×10-3。
中间槽22具有与光纤芯21的最小折射率相等的折射率，因而相对于外包层24的折射率差表现为Dn2＝Dn1b＝-3.9×10-3。中间槽22在半径R2＝25.7μm处结束。中间槽22被槽23包围，其中槽23与中间槽22相比为下掺杂，并且在1550nm处相对于外包层24的折射率差表现为Dn3＝-6.7×10-3。槽23在半径R3＝33.4μm处结束。
对于该示例，如在表1中所示，对于LP01导模，得到V＝20.4，Max|DMGD|＝89ps/km，Max|BL|＝20dB/匝并且Aeff＝152μm2。
用黑色实线示出示例10的FMF的折射率差。渐变折射率纤芯21表现出α＝1.91的α分布、折射率差为0的半径R1＝22.8μm、以及在1550nm处的最大折射率差Dn1＝13.6×10-3。α分布在相对于外包层的折射率差为零的R1＝R1b处结束。
中间槽22与外包层24相比为下掺杂，并且相对于外包层24的折射率差表现为Dn2＝-1.9×10-3。中间槽22在半径R2＝28.8μm处结束。中间槽22被槽23包围，其中槽23与中间槽22相比为下掺杂，并且在1550nm处相对于外包层24的折射率差表现为Dn3＝-6.7×10-3。槽23在半径R3＝37.4μm处结束。
对于该示例，如在表1中所示，对于LP01导模，得到V＝18.4，Max|DMGD|＝195ps/km，Max|BL|＝1dB/匝并且Aeff＝171μm2。
图6示出根据本发明实施例的光链路60。这种光链路包括拼接到一起的p段光纤，其中p≥2。图6仅示出光纤601和光纤60p，其中利用虚线来表示光链路中的所有其它可能的光纤。光链路60内的光纤中的至少一个光纤如下：该光纤包括上述的一个实施例的特征。换句话说，这些光纤中的至少一个光纤支持25或30个LP导模，并且表现以上与图2～5有关地所述的纤芯和包层之间的界面的特定设计，且特别地表现出：
-渐变折射率纤芯，其具有α在1～3内的α分布、(折射率差为0的)在21.5～27μm内的半径R1和在12.5×10-3～20×10-3内的最大折射率差Dn1，并且α分布在具有折射率差Dn1b的半径R1b处结束；
-包围纤芯的槽，其具有在30～42μm内的半径R3和在-15×10-3～-6×10-3内的折射率差Dn3；
-中间凹槽，其具有半径R2(其中，R1b<R2<R3)和折射率差Dn2(其中，Dn3<Dn2<0)，以及FMF的这些不同部分的折射率差的特定设计，使得：
○对于|Dn1b-Dn2|≥0.5×10-3，Min(Dn1b,Dn2)≤-1.5×10-3，以及
○对于|Dn1b-Dn2|<0.5×10-3，Dn2在-5×10-3～-3.5×10-3内。
然而，光链路60还可以如下：该光链路60所包括的多个光纤或所有光纤符合本发明的实施例。
在特定实施例中，光链路60包括表现出符号相反的DMGD并且组合在同一光链路中的多段FMF。例如，所使用的这些段的FMF对应于如下的FMF，其中这些FMF全部满足以上针对根据本发明实施例的FMF所述的标准和性能，但实际标准有意地或者由于制造期间的工艺变化而彼此不同。例如，考虑到形成光链路的任何的光纤对，在形成光链路的光纤的任何组合之间，针对Dn1、Dn2和Dn3所实现的1550nm处的折射率差可以相差不超过±0.5×10-3，半径R1、R1b、R2和R3可以相差不超过±0.5μm，并且α值可以相差不超过±0.02。换句话说，这种光链路的目的是通过使表现出不同特征的多个FMF串连来对少模光纤的制造工艺期间可能发生的小的分布变化进行补偿等。
实际上，α存在最佳值，其中对于这些最佳值，Max|DMGD|具有最小值，并且比这些“最佳α”更低的α以及比这些“最佳α”更高的α通常展现出符号相反的DMGD。
因此，本发明人得出如下结论：如果FMF在α方面偏离目标(即，如果FMF的α值略高于或略低于最佳α”(例如，约为±0.02))，则通过针对该FMF和表现出适当α(即，在该偏离目标的α较小的情况下高于“最佳α”、或者在该偏离目标的α较大的情况下小于“最佳α”)的另一FMF这两者选择适当的长度，可以使该FMF与该另一FMF联合，从而实现“DMGD补偿型”链路。
该联合例如可以对可能产生具有略微偏离最佳α的FMF的工艺可变性进行补偿。
光链路60的长度为L km，其中该L km可以是几十或几百千米。在示例中，存在至少两段光纤601和602。在另一示例中，存在至少五段光纤601～605。在又一示例中，存在至少十段光纤601～6010。
换句话说，少模光纤1～p被拼接到一起，以形成长度为L＝L1+…+Li+…+Lp的光链路60，其中该长度可以为几十～几百千米。
选择不同段的光纤的长度Li，从而使光链路上的最大DMGD最小化，并且使得光链路表现出满足以上针对与本发明实施例有关的FMF光纤所阐述的要求的链路参数，即：
-平均光纤芯半径R1link，其包含在21.5μm～27μm内，其中 其中Li是链路中的光纤i的长度；
-在λ＝1550nm处的平均最大折射率差Dn1link，其在12.5×10-3～20×10-3内，其中
-平均槽外半径R3link，其在30μm～42μm内，其中
-在λ＝1550nm处槽和包层之间的平均折射率差Dn3link，其包含在-15×10-3～-6×10-3内，其中
-对于|Dn1blink-Dn2link|≥0.5×10-3，Min(Dn1blink,Dn2link)≤-1.5×10-3；以及
-对于|Dn1link-Dn2link|<0.5×10-3，Dn2link在-5×10-3～-3.5×10-3内，
其中：是针对光链路的中间槽和包层之间的平均折射率差，并且是针对光链路的纤芯在其外半径处和包层之间的平均折射率差，其中这两者均是在λ＝1550nm处。
支持25或30个LP导模的这些DMGD补偿型光链路在λ＝1550nm处(更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)具有Max|DMGD|<100ps/km，并且在1530～1570nm内(并且更一般地，针对任何工作波长的波段[λC-δλ；λC+δλ]，其中2δλ是所述工作波段(例如C波段、或者L波段、S波段或U波段等)的宽度，优选δλ＝20nm)具有Max|DMGD|<300ps/km。
图7A和7B示出根据本发明的光学系统的实施例。
根据图7A中的第一实施例，这种光学系统包括利用包括至少一段光纤的光链路60光学地连接的收发器71和接收器75。收发器71包括光源(诸如激光器等)，并且生成图7A的光学系统中所使用的附图标记为1、2、…、n的n个LP模。模复用器72复用n个LP模，并且光学地连接至光链路60，其中该光链路60将复用的n个LP模向着光学地连接至光链路60的端部的模解复用器73引导。
模解复用器73对复用的n个LP模进行解复用，并且将各LP模馈送到放大器74中。在放大器74的输出处，LP模进入接收器75。
这种光学系统可以包括M个光链路(或M段光纤)。在示例中，M＝1；在另一示例中，M＝2；在另一示例中，M＝5；在又一示例中，M＝10。在光学系统包括M个光链路或M段的情况下，该光学系统针对该光学系统所引导的各LP模还包括M个模复用器72、M个模解复用器73和M个放大器74。
图7B中的实施例与图7A中的第一实施例的不同之处在于：放大器74放大光链路60所引导的所有LP模；如此，放大器74光学地连接在光链路60的输出和模解复用器73的输入之间。在该第二实施例中，在光学系统包括M个光链路或M段的情况下，该光学系统还包括M个放大器74；然而，在收发器71和光链路60之间仅光学地连接一个模复用器72，并且在放大器74和接收器75之间仅光学地连接一个模解复用器73。
图7A和7B的实施例仅是作为示例所给出的，并且根据本发明的光纤当然还可用在任何其它类型的光学系统中。

Claims (22)

1.一种光纤，其包括被光包层包围的中央的光纤芯，
所述光纤芯具有作为相对于所述光纤芯的中心的径向距离r的函数的α渐变折射率分布n(r)，其中α在1～3内，并且α是用于定义所述光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数，
所述光纤芯具有最大折射率n0和外半径R1b，其中所述光纤芯相对于在外边缘处具有折射率nCl的所述光包层具有折射率差Dn1b＝n(R1b)-nCl，
所述光纤芯具有半径R1使得n(R1)＝nCl、以及最大折射率差Dn1＝n0-nCl，其中半径R1包含在21.5μm～27μm内，最大折射率差Dn1＝n0-nCl在12.5×10-3～20×10-3内，
所述折射率差是在λ＝λC处确定的，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，
所述光包层包括：
-被称为槽的包围所述光纤芯的具有凹型折射率ntrench的区域，所述槽具有在30μm～42μm内的外半径R3，并且所述槽和所述光包层之间的折射率差Dn3＝ntrench-nCl包含在-15×10-3～-6×10-3内，
-被称为中间槽的包围所述光纤芯的具有凹型折射率的中间区域，所述中间槽具有外半径R2，其中R1b<R2<R3，并且所述中间槽和所述光包层之间的折射率差为Dn2，其中Dn3<Dn2<0，
其中：
-对于|Dn1b-Dn2|≥0.5×10-3，Min(Dn1b,Dn2)≤-1.5×10-3，以及
-对于|Dn1b-Dn2|<0.5×10-3，Dn2在-5×10-3～-3.5×10-3内。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述光纤的归一化频率在18.4～23内。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤引导至少25个LP模。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤，其中，所述光纤引导至少30个LP模。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，其中，在λ＝λC处，Max|DMGD|<200ps/km，其中：λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，DMGD是所述光纤中的两个导模之间的差分模式组延迟，并且Max|DMGD|是导模的任意组合之间的DMGD的绝对最大值。
6.根据权利要求5所述的光纤，其中，针对λ∈[λC-δλ；λC+δλ]，Max|DMGD|<500ps/km，其中：λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，并且2δλ是所述工作波段的宽度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤，其中，在λ＝λC处，所述光纤所引导的基本LP01模的有效面积Aeff>150μm2。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光纤，其中，在λ＝λC处，在弯曲半径为10mm的情况下，Max|BL|<100dB/匝，优选Max|BL|<50dB/匝，其中：BL是所述光纤中的不同的导模的弯曲损耗，并且Max|BL|是所有的导模的BL的绝对最大值。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光纤，其中，λC＝1550nm并且δλ＝20nm。
10.一种光链路，其包括根据权利要求1至9中任一项所述的至少一个光纤。
11.一种光链路，其包括N个光纤，其中N≥2，N是整数，
索引的各光纤包括中央的光纤芯和包围所述光纤芯的光包层，所述光纤芯具有作为相对于所述光纤芯的中心的径向距离r的函数的αi渐变折射率分布ni(r)，其中αi在1～3内，并且αi是用于定义所述光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数，
所述光纤芯具有最大折射率n0i和外半径R1bi，其中所述光纤芯相对于在外边缘处具有折射率nCli的所述光包层具有折射率差Dn1bi＝ni(R1bi)-nCli，所述光纤芯还具有半径R1i，使得ni(R1i)＝nCli，并且最大折射率差Dn1i＝n0i-nCli，
所述光包层包括：
-被称为槽的包围所述光纤芯的具有凹型折射率ntrenchi的区域，所述槽具有外半径R3i，并且所述槽和所述光包层之间的折射率差为Dn3i＝ntrenchi-nCli，
-被称为中间槽的包围所述光纤芯的具有凹型折射率的中间区域，所述中间槽具有外半径R2i，其中R1bi<R2i<R3i，并且所述中间槽和所述光包层之间的折射率差为Dn2i，其中Dn3i<Dn2i<0，
其中，所述光链路的平均光纤芯半径R1link包含在21.5μm～27μm内，其中其中Li是所述光链路中的光纤i的长度，
在λ＝λC处，所述光链路的平均最大折射率差Dn1link在12.5×10-3～20×10-3内，其中其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，
所述光链路的平均槽外半径R3link在30μm～42μm内，其中 Li是所述光链路中的光纤i的长度，
在λ＝λC处，所述光链路的所述槽和所述光包层之间的平均折射率差Dn3link包含在-15×10-3～-6×10-3内，其中以及
其中，
-对于|Dn1blink-Dn2link|≥0.5×10-3，Min(Dn1blink,Dn2link)≤-1.5×10-3，以及
-对于|Dn1blink-Dn2link|<0.5×10-3，Dn2link在-5×10-3～-3.5×10-3内，
其中：是针对所述光链路的所述中间槽和所述光包层之间的平均折射率差，并且是针对所述光链路的所述光纤芯在其外半径处和所述光包层之间的平均折射率差，这两者都在λ＝λC处，其中λC是所述光链路期望的工作波段的中心传输波长。
12.根据权利要求11所述的光链路，其中，所述光链路的归一化频率在18.4～23内，其中：是所述光链路的光纤芯的平均最大折射率，并且是所述光链路的光包层的平均折射率。
13.根据权利要求11或12所述的光链路，其中，所述光链路引导至少25个LP模。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的光链路，其中，所述光链路引导至少30个LP模。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的光链路，其中，对于所述光链路中的所有光纤i∈[[1；N]]，选择所述长度Li，以使所述光链路上的Max|DMGDlink|最小，
其中：DMGDlink是所述光链路中的两个导模之间的差分模式组延迟，并且Max|DMGDlink|是所述光链路中的导模的任意组合之间的差分模式组延迟的绝对最大值。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的光链路，其中，所述光链路中的至少两个光纤针对所述光纤所引导的至少一个模式具有表现出符号相反的DMGDi，其中DMGDi是光纤i中的该一个模式和任何其它导模之间的差分模式组延迟。
17.根据权利要求15所述的光链路，其中，在λ＝λC处，Max|DMGDlink|<200ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长。
18.根据权利要求17所述的光链路，其中，针对λ∈[λC-δλ；λC+δλ]，Max|DMGDlink|<500ps/km，其中：λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，并且2δλ是所述工作波段的宽度。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的光链路，其中，在λ＝λC处，在弯曲半径为10mm的情况下，Max|BLlink|<100dB/匝，优选Max|BLlink|<50dB/匝，其中：BLlink是所述光链路中的不同的导模的弯曲损耗，并且Max|BLlink|是所述光链路中的所有导模的BLlink的绝对最大值。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的光链路，其中，λC＝1550nm并且δλ＝20nm。
21.一种光链路，其包括根据权利要求1至20中任一项所述的N个光纤，其中N≥2，N是整数，
其中，从形成所述光链路的所述N个光纤中所选择的任意两个光纤在λC处具有折射率差Dn1和/或Dn2和/或Dn3、以及/或者半径R1和/或R1b和/或R2和/或R3，其中Dn1和/或Dn2和/或Dn3的值最大相差±0.5×10-3，半径R1和/或R1b和/或R2和/或R3的值最大相差±0.5μm，以及
所述N个光纤中的至少两个光纤具有符号相反的DMGD，其中DMGD是所述光纤中的两个导模之间的差分模式组延迟。
22.一种光学系统，其包括根据权利要求1至10中任一项所述的至少一个光纤或者根据权利要求11至21中任一项所述的至少一个光链路。
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