CN109154695A - 用于多模和单模操作两者的光纤及其传输系统 - Google Patents
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Abstract
公开的是光纤，其包括芯，该芯包括二氧化硅、具有芯直径并且具有至少两种掺杂剂、至少为0.7％的最大相对折射率Δ和在1.9‑2.2范围内的α值。芯具有折射率分布，其配置成在800‑1100nm范围内的第一波长λ1下以多模传播传输光，并在第二波长λ2下以LP01模式传播光。第二波长λ2大于1200nm。光纤被构造成在1310nm下具有8.5μm‑12.5μm范围内的LP01模场直径。
Description
本申请根据35U.S.C.§119要求于2016年5月17日提交的美国临时申请序列第62/337,612号的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体结合于此。
领域
本公开涉及能够多模和单模传输的光纤，以及利用这种光纤的传输系统。背景
在数据中心中采用光纤传输系统以将一个光学设备(例如，路由器、服务器、交换机等)与一个或多个其他光学设备光学地连接。
当前数据中心通常配置有耦合到850nm多模垂直腔表面发射激光器(VCSEL)光源的多模光纤，该光源向多模光纤提供调制数据信号。使用这种多模光纤，因为光学设备中的收发器中的光源是多模光源。从历史上看，用多模光纤工作比用单模光纤更容易。遗憾的是，由于模式色散，多模光纤可能具有较小的带宽-距离乘积，这可能使得在维持高带宽传输的同时扩展光纤传输系统的到达范围变得困难和昂贵。此外，利用以10Gb/s操作的典型发送器(利用850nm的VCSEL)作为光源，当前的标准的光学多模3(OM3)和光学多模4(OM4)多模光纤可以在典型地仅具有约300米至约500米的距离上传输光信号，由于这些多模光纤的二氧化硅材料引入的模式色散和色度色散导致的信号失真。当光传输速度移动到25Gb/s或更高时，对于在850nm附近操作的当前标准的OM3和OM4多模光纤，该距离变得更短(例如，大约10m到100m)。
发明内容
根据本公开的一个实施例，光纤包括芯，该芯包括二氧化硅、具有芯直径并且具有至少两种掺杂剂、至少为0.7％的最大相对折射率Δ和在1.9-2.2范围内的α值。芯具有折射率分布，其配置成在800-1100nm范围内的第一波长λ1处以多模传播传输光，并在第二波长λ2处以LP01模式传播光。因此，光纤能够在第二波长处单模传播。第二波长λ2大于1200nm。在一些实施例中，光纤被构造成在1310nm的波长处具有在8.5μm-12.5μm范围内的LP01模场直径。在一些实施例中，光纤被构造成在1310nm的波长处具有在8.5μm-12μm范围内的LP01模场直径。在一些实施例中，光纤被构造成在1310nm下具有在8.5μm-11.5μm范围内的LP01模场直径。在一些实施例中，光纤被构造成在1550nm下具有在9.5μm-13μm范围内的LP01模场直径。在一些实施例中，光纤被构造成在1550nm下具有在9.5μm-12μm范围内的LP01模场直径。
根据本公开的另一个实施例，光纤具有芯，该芯具有芯直径、至少为0.7％的最大相对折射率Δ以及在1.9-2.2范围内的α值。折射率分布被配置成在800-1200nm的波长范围之间的至少100nm的子窗口内的所有波长处以大于2GHz·km模式带宽以多模传播传输光并且在另一个波长λ2处以LP01模式传播光。波长λ2大于1200nm并且光纤被构造成在1310nm下具有8.5μm-12.5μm范围内的LP01模场直径。
根据本公开的另一个实施例，一种光学传输系统，包括：收发器，该收发器生成具有大于1200nm的操作波长的调制光和具有在800nm-1100nm之间的范围内的操作波长的调制光中的至少一种；互连模块；光学地耦合收发器和模块的跨接线缆；以及光学地耦合到模块的干线线缆。跨接线缆和干线线缆中的至少一个包括光纤。在一些实施例中，跨接线缆、干线线缆和模块中的至少两个包括光纤。在一些实施例中，跨接线缆、干线线缆和模块包括该光纤。该光纤包括包含二氧化硅的芯，该芯具有至少0.7％的最大相对折射率Δ，该芯具有折射率分布，该折射率分布被配置成在800-1100nm之间的第一波长λ1处以多模传播传输光并在第二波长λ2处以LP01模式传播光。第二波长λ2大于1200nm。光纤被构造成在1310nm下具有8.5μm-12.5μm范围内的LP01模场直径。
根据本公开的另一个实施例，光纤包括芯，该芯具有二氧化硅、具有芯直径并且具有至少两种掺杂剂、至少为0.7％的最大相对折射率Δ和在1.9-2.2的范围内的α值。在一些实施例中，本文所述的光纤包括掺杂的二氧化硅芯，其包含至少两种掺杂剂，其中两种掺杂剂可包括GeO2，以及F、P2O5或B2O3中的一种。芯具有折射率分布，其配置成在800-1650nm范围内的第一波长λ1处以多模传播传输光，并在第二波长λ2处以LP01模式传播光。第二波长λ2大于1200nm。光纤被构造成在1310nm下具有8.5μm-12.5μm范围内的LP01模场直径。
将在随后的详细描述中阐述附加特征以及优点，通过描述这些特征以及优点部分地对所属领域的技术人员显而易见，或通过实施如书面描述所描述以及此处的权利要求以及附图所描述的实施例识别这些特征以及优点。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概观或框架。
所包括的附图用于提供对本说明书进一步的理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图图示一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。
附图说明
图1A是根据一个实施例的光纤传输系统的示意图；
图1B是根据另一各实施例的光纤传输系统的示意图；
图1C是根据一个实施例的光纤的横截面图；
图2A是根据一个实施例的结构化线缆的示意图；
图2B是根据一个实施例的跨接线缆的立体图；
图2C是根据一个实施例的线束的立体图；
图2D是根据一个实施例的模块的立体图；
图3图示了在1310nm波长的LP01模式的模场直径与若干个示例性光纤实施例的光纤芯半径的关系；
图4图示了对于若干个示例性光纤的带宽与波长的关系；
图5A图示了根据一个实施例的光纤的折射率分布；
图5B图示了对于图5A的光纤的带宽与波长的关系；
图6图示了根据另一个实施例的对于示例性光纤的带宽与波长的关系；
图7图示了根据另一个实施例的对于示例性光纤的带宽与波长的关系；以及
图8图示了根据另一个实施例的对于示例性光纤的带宽与波长的关系。
具体实施方式
本发明的附加特征和优点将在以下详细描述中阐述，并且将从该描述中对于本领域技术人员来说是清楚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。
如本文中所使用的，在两个或更多个项目的列表中使用的术语“和/或”意指所列出的项目中的任一者可单独被采用，或者所列出的项目中的两个或更多个的任何组合可被采用。例如，如果组成被描述为包含组成部分A、B和/或C，则该组成可包含仅A；仅B；仅C；A和B的组合；A和C的组合；B和C的组合；或者A、B和C的组合。
在本文档中，诸如第一和第二、顶部和底部等之类的关系术语单独地用来将一个实体或动作与另一个实体或动作区别开，而不一定要求或暗示这些实体或动作之间具有任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或其任意其它变型旨在覆盖非排他的包含，使得包括一系列要素的过程、方法、物品或装置不仅包括这些要素而且还包括并未明确列出的或这些过程、方法、物品或装置固有的其它要素。以“包含一”开头的要素，在没有更多约束条件的情形下，不排除在包括该要素的过程、方法、物品或装置中有另外的相同要素存在。
现在参考图1A-图1C，描绘了光学传输系统10，其包括光纤14和多个传输部件18。在所描绘的实施例中，光纤14光学地耦合到两个传输部件18，然而，将理解，超过两个的传输部件18可以与光纤14耦合。可选地，光学传输系统10可以包括与光纤14和传输部件18光学地连接的一个或多个连接器线缆20。光纤14可以被配置为在多模和单模传播两者中传输光。
传输部件18可以包括单模发送器、多模发送器、单模收发器和/或多模收发器。将理解，发送器的任何描述可以相同地应用于收发器，反之亦然。在一个特定实施例中，传输部件18中的一个可以是单模发送器或收发器，而另一个传输部件可以是多模收发器。在另一个实施例中，两个传输部件18可以是单模收发器或多模收发器。在传输部件18的单模发送器和收发器的实施例中，单模发送器可以是在光通信收发器中使用的单模发送器，诸如LR、LR4、CWDM4、PSM4或CLR4收发器。单模发送器和/或收发器发射调制光，其具有第二标称波长λ2或操作波长，其范围在约950nm和约1700nm之间，且特别地是约1060nm(即，1060nm±10nm)、约1200nm(即，1200nm±10nm)、约1310nm(即，1310nm±10nm)、约1510nm(即1510nm±10nm)、或在约1550nm(即，1550nm±10nm)。在另一个实施例中，波长λ2位于1260nm至1340nm波段，或1540nm至1560nm波段，或1530nm至1611nm波段，或1565nm至1625nm波段，或1625nm至1675nm波段。在优选实施例中，波长λ2位于1530nm至1570nm波段中。此外，标称波长λ2光源可以是例如980nm、1060nm、1310nm或1550VCSEL，或者在1310nm或1550nm下操作的硅光子激光源，在约950nm至1700nm之间的波长范围内工作的状态边缘发射激光器或DFB(分布式反馈)激光器。在各种实施例中，单模发送器和/或收发器可以在一个或多个波长处(例如，2、3、4、5、6、7或8个波长)同时或快速连续地在一个或多个波长下操作或发射调制光。在特定实施例中，单模收发器可在大于约1250nm的4个或更多个波长处操作。单模发送器和/或收发器被配置为以基模(LP01)或单模传播在光纤14中传播光。传输部件18的单模发送器和收发器实施例可以在100m到2000m范围内的距离上的数据中心内或数据中心之间传输数据，可能的数据速率为10Gb/s或更高(例如，25Gb/s或更高，取决于受到光纤14的功率预算和带宽限制的系统能力)。更高的数据速率可包括50Gb/s或56Gb/s NRZ，使用具有25Gbd或28Gbd的PAM4调制格式的50Gb/s，或使用具有50Gbd或56Gbd的PAM4调制格式的100Gb/s。
在传输部件18的多模发送器和/或收发器实施例中，多模发送器和/或收发器发射调制光，其具有在约800nm和约1650nm之间，800nm和约1300nm之间(例如，约1310nm)，或约800nm和约1100nm之间，或约840nm和约1070nm之间，或约840nm和约960nm之间，或约870nm和约960nm之间，或约870nm和约950nm之间，或约870nm和约920nm之间的范围内的第一标称波长λ1。多模接收器可以是用于基于VCSEL的收发器中的接收器，或它可以是专门设计的多模接收器。多模发送器和/或收发器可以发射调制光，使得光纤14以多模传播(即，以两种或更多种模式)或以两种或更多种模式组发射光。在一些实施例中，多模传播指的是至少2个模式组的传播。在一些实施例中，多模传播指的是至少5个模式组的传播。在其他实施例中，多模传播指的是至少8个模式组的传播。在其他实施例中，多模传播指的是至少10个模式组的传播。在一些实施例中，多模传播指的是至少18个模式组的传播。波导理论预测光信号将在传播常数低于某些最小值的衰减模式中和在传播常数在该值之上的离散的相对非衰减的简并模式组中沿光纤14向下传播。模式组是一系列光线，其具有沿芯22向下的相同传播路径，使得它们同时地到达光纤14的相对端以形成组。光纤14可以被配置为在例如800-1650nm，或800-1300nm，或800-1100nm范围内的每个波长处以多模传播来传输光。
现在参考图1C，光纤14包括由包层26围绕的芯22。芯22可包括光学透明材料，诸如二氧化硅。芯22可以具有在约14μm和约62.5μm之间的直径D。在各种实施例中，芯22和/或包层26可以掺杂有一种或多种(例如，两种)掺杂剂。“上掺杂剂”在本文被认为是相对于纯的未掺杂SiO2具有提高折射率倾向的掺杂剂。“下掺杂剂”在本文被认为是相对于纯的未掺杂SiO2具有降低折射率倾向的掺杂剂。上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，可存在于具有负相对折射率的光纤14的区域中。同样地，不是上掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可存在于具有正相对折射率的光纤区域中。下掺杂剂在伴随有不是下掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂时，可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存在于具有负相对折射率的光纤区域中。在各种实施例中，芯22可具有一种或多种掺杂剂，两种或更多种掺杂剂，三种或更多种掺杂剂，或四种或更多种掺杂剂。掺杂剂可包括GeO2、F、P2O5和/或B2O3。在特定实施例中，芯22可包括GeO2，以及F、P2O5或B2O3中的一种。包层26可包括一种或多种上掺杂剂。示例性的上掺杂剂可包括GeO2、F、P2O5和Al2O3。
“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”定义为Δ＝100×[n(r)2-ncl 2)/2n(r)2]，其中n(r)是距离光纤中心线的径向距离r处的折射率，除非另外指出，ncl是包层26的外包层区域在850nm波长处的平均折射率，例如，通过在包层26的外环形区域中取“N”个折射率测量(nC1，nC2，...nCN)，并通过以下等式计算平均折射率来计算：
i＝N
nC＝(1/N)∑nCi
i＝1
在一些实施例中，外包层区域包括基本上纯的二氧化硅。如本文所使用的，相对折射率是以delta或Δ表示的，而且它的值是以“％”为单位给出，除非另外指明。在区域的折射率小于外包层的平均折射率的折射率的情况下，相对折射率百分比为负且被称为具有凹陷折射率或槽，而且相对折射率在相对折射率负值最大的点处被计算，除非另外指明。术语“槽”或“壕沟”是指围绕芯的包层中的凹陷折射率区域，并且在本文中可互换使用。在区域的折射率大于外包层的平均折射率的折射率的情况下，相对折射率百分比为正且该区域被称为抬升或具有正折射率，而且在相对折射率正值最大的点处被计算，除非另外指明。参考芯Δ值，其在本文中公开为最大％Δ。包层26可以在光纤14的折射率分布内限定凹陷区域或槽。将理解，包层26可以包括一种或多种塑料材料而不背离本文提供的教导。
术语“单模传播”、“单模操作”和“单模传输”分别指本文所述光纤的基模(即LP01模式)的传播、操作和传输。术语“单模(single mode)”和“单模(single-mode)”在本文中可互换使用。术语“多模(multimode)”和“多模(multi-mode)”在本文中可互换使用。
光纤14可以具有折射率分布，该折射率分布被设计成在特定波长处用“峰值带宽”最佳地操作，该特定波长也被称为“峰值波长”或λp。光纤14的峰值波长可以在约800nm至约1100nm的范围内，或约840nm至约1070nm之间，或约840nm至约960nm之间，或约870nm至约960nm之间,或约870nm至约920nm之间。在一些实施例中，光纤14的峰值带宽发生的波长在870-960nm之间。在一些实施例中，光纤14的峰值带宽发生的波长在870-920nm之间。对于840nm和953nm之间的多模传播，最佳峰值波长可以在约870nm和约920nm之间。如本文所使用的，术语光纤的“峰值波长”可以意味着使光纤14的模式带宽最大化的光的波长，如下面更详细地解释的。
本文中使用的术语渐变折射率，“α分布”或“阿尔法分布”指相对折射率分布，它以Δ表示，其单位为“％”，其中r是半径，并且它由下列方程定义：
其中Δ0是外推至r＝0的相对折射率，R1是芯22的半径(即在Δ(r)为零处的半径)，α是为实数的指数。对于阶跃式折射率分布，α值大于或等于10。对于渐变折射率分布，阿尔法值小于10。如本文中所使用的，术语“抛物线的”包括基本上呈抛物线形状的折射率分布，所述折射率分布可以在芯22中的一个或多个点处从2.0的α值略微变化；以及具有微小变化和/或中心线下沉的分布。示例性本公开的模型化的折射率分布具有渐变折射率芯，其是完美的α分布。实际光纤通常与完美的α分布具有微小偏差，包括诸如在中心线处的下沉或尖峰和/或芯22的外部界面处的扩散尾部的特征。然而，α和Δ0的准确值可能仍然是通过将所测量的相对折射率分布数值拟合到从0.05R1≤r≤0.95R1的半径范围上的α分布而获得。在没有诸如中心线处的下沉或尖峰的缺陷的理想的渐变折射率光纤中，Δ0＝Δ1MAX，其中Δ1MAX是芯22的最大折射率。在其他情况下，从0.05R1≤r≤0.95R1的数值拟合得到的Δ0的值可以大于或小于Δ1MAX。芯22可以具有在约1.9和约2.2之间的α值，更优选在约1.98和约2.2之间。
光纤14的弯曲阻抗或弯曲性能可通过在规定的测试条件下传播经过光纤14的光的诱发衰减来测得。如本文所用，用于测量光纤14的弯曲性能的15mm和30mm宏弯测试由分别在15mm和30mm心轴周围缠绕光纤2次，并计算由将光纤14围绕心轴而导致的诱导衰减(即衰减的增加)组成。除非本文另有说明，否则光纤性质的测量是在850nm的波长λ2处进行。根据一些实施例，当围绕直径为15mm的心轴缠绕两匝时，光纤14在850nm下的弯曲损耗可小于或等于约0.5dB，在一些实施例中，当围绕直径为15mm的心轴缠绕两匝时小于或等于约0.1dB。在一些实施例中，当围绕直径为30mm的心轴缠绕两匝时，光纤14在850nm下的弯曲损耗小于或等于约0.1dB。在一些实施例中，当围绕直径为30mm的心轴缠绕两匝时，光纤14在850nm下的弯曲损耗小于或等于约0.05dB。
如上所解释，光纤14可以被配置为在多模和单模传播两者中传输光。多模和单模(即，LPO1模式)传播可以并且优选地确实在两个不同的传输窗口中发生。取决于传播的光的类型(例如，多模或单模)，光纤14可以具有不同的模式带宽。除非另有说明，否则根据《IEC 60793-1-41(TIA-FOTP-204)测量方法和测试程序：带宽(Measurement Methods andTest Procedures:Bandwidth)》光纤的满溢(或满溢的(OFL))带宽(BW)在本文中定义为使用850nm下的满溢发射条件来测量。在下面的讨论中，除非另有说明，否则带宽被理解为意味着满溢带宽。最小计算的有效模式带宽(EMB)可以从《IEC60793-1-49(TIA/EIA-455-220)，测量方法和测试程序：差模延迟(Measurement Methods and Test Procedures:Differential Mode Delay)》所规定的所测量的差模延迟谱中获得。在光的多模传播期间，光纤14的波长可以在约800nm至约1650nm的波长范围内的λ1处具有至少2GHz·Km、2.5GHz·Km、3GHz·Km、5GHz·Km、8GHz·Km或10GHz·Km的模式带宽。此外，子窗口可以限定在约800nm至约1300nm，或约840nm至约1200nm的波长范围内，在该波长范围内，光纤14在所有波长处具有最小模式带宽。子窗口可以跨越至少10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、300nm或约400nm的波长范围。光纤14可以在子窗口内的所有波长处具有在至少2GHz·Km、2.5GHz·Km，3GHz·Km、4.7GHz·Km、5GHz·Km、8GHz·Km或10GHz·Km的子窗口内的模式带宽。对于至少20nm、50nm或至少100nm的子窗口内的所有波长的波长大于约1200nm的多模发射条件，光纤14可以具有小于大约4GHz·Km、3GHz·Km、2.5GHz·Km、2GHz·Km、1.5GHz·Km或1GHz·Km的模式带宽。在其他实施例中，对于至少20nm、50nm或至少100nm的子窗口内的所有波长的波长大于约1200nm的多模发射条件，光纤14的模式带宽可以大于大约2GHz·Km、3GHz·Km、4GHz·Km或大于5GHz·Km。模式带宽可以根据T.A.Lenahan的“Calculationof Modes in an Optical Fiber Using the Finite Element Method and EISPACK(使用有限元法和EISPACK计算光纤模式)”，Bell Sys.Tech.J.,卷62,第2663-2695页(1983)中概述的程序来计算，其全部公开内容由此通过引用结合于此。
光纤14被构造成使得LP01模式的模场直径(MFD)和多模模式的MFD大致等于标准单模光纤的模场直径(MFD)。光纤14的LP01模式具有近似等于符合G.652标准单模光纤(诸如光纤)的MFD。光纤14内的单模传输的MFD可以在1310nm下的在约8.5μm和约12.5μm之间的范围内。在某些情况下，模场直径在1310nm下可以为约8.7-9.7μm，在1550nm下可以约为9.8-10.8μm。光纤14构造成在LP01模式传播在波长λ2的光并且使LP01模式的MFD与单模光纤(例如，在980nm，1060nm，1310nm，1550nm下等)的MFD近似相等(±30％，更优选±20％，甚至更优选±10％)。
由于光纤14能够在多模传播和单模(或LP01)传播(例如，来自光纤14的多模和单模实施例)两者中传输具有类似MFD的光，所以光纤14可以被称为“通用光纤”。因为本文描述的光纤14在LP01模式中传输在第二波长λ2的光信号，所以从传输部件18的单模发送器和/或收发器实施例发射的光将传播经过光纤14，就好像它是单模光纤。类似地，因为本文描述的光纤14在多模传播中传输在第一波长λ1的光信号，所以从传输部件18的单模发送器和/或收发器实施例发射的光将传播经过光纤14，就好像它是多模光纤。因此，能够传输单模和多模光两者的光纤14可以用在光学传输系统10和类似的系统内的各种位置，如下面更详细地说明的。此外，光纤14还可用于替换光学传输系统10中的现有单模和多模光纤。
现在参考图2A-图2D所示，光学传输系统10(图1A和图1B)可以被配置为结构化的线缆基础设施34。结构化的线缆基础设施34可以用于促进两个或更多个电子器件或其他设备38之间的光通信。设备38被配置成以与上文结合传输部件18(图1A)描述的基本相同的方式传输和/或接收光信号。设备38可以是电控制的或供电的，或者可以是纯无源的。在数据中心示例中，设备38可以是服务器机架、交换机架、数据存储器、接线板、主分配区域、光学抽头模块和/或能够接收光信号的其他电或无源设备。结构化的线缆基础设施34可以包括连接器线缆20，模块42和干线线缆46。设备38可以通过连接器线缆20与模块42中的一个光学耦合。连接器线缆20可以采用多种形式，包括单个光纤或多个光纤连接器、具有MPO连接器的跨接线缆50(图2B)和/或具有多个LC连接器的MPO到LC线束54或扇出线缆(图2C)。连接器线缆20的长度可以小于或等于约5米、10米、15米、20米、25米、30米、40米或50米。模块42可以包括互连模块，诸如多光纤终端推入式连接器，例如到LC连接器的MPO连接器(图2D)或将不同线缆或跨接线(jumper)连接在一起的连接硬件模块。模块42光学耦合到干线线缆46(例如，通过连接器化(connectorization))和/或连接器线缆20。干线线缆46的长度可以大于约1米、约10米、约100米、约200米、或大于约300米。
与传统光纤相比，本公开的使用可提供各种优点。首先，由于光纤14的传输多模和单模光的“通用”性质，光纤14可以结合到连接器线缆20和/或干线线缆46中，而不考虑什么类型的电子设备38在每一端被耦合(例如，单模或多模)。在将通用光纤14光学地连接到现有或“传统”系统中时，这种特征可能是有利的。例如，光纤14可以耦合到现有的单模发送器和/或现有的单模光纤，因为通用光纤14的基模的MFD与标准单模光纤的MFD大致相同。此外，在光纤14的接收端，单模或多模接收器可以直接耦合到通用光纤14。将理解，如果在光纤14内的光传播期间发生模式耦合，可以将标准单模光纤作为滤波器放置在通用光纤14和接收器之间，以剥离高阶模。类似地，因为本文公开的光学传输系统10的实施例中的通用光纤14对于多模传输能够在大约800nm到大约1200nm的波长范围内操作并且对于单模传输能够在更长的波长λ2下操作(即，λ2>λ1，其中λ2-λ1≥100nm)，它们可以与通常使用的850nmVCSEL一起使用，并且稍后可以通过用更长的波长(例如，λ2>950nm)光源替换850nm VCSEL，而不替换已经铺设的(多个)通用光纤14，来有利地升级光学传输系统10。将理解，通用光纤14也可以耦合到具有从中获得类似益处的传统的多模光纤(例如，OM2，OM3或OM4多模光纤)。
其次，通用光纤14可以用在光学传输系统10中，以用于传输由(多个)VCSEL光源(例如，在大约800nm和大约1650nm之间的波长范围内)、发光二极管源提供的信号，以及用于从单模光纤提供给它的信号光的单模传输，并且光学传输系统10有利地可能不需要在单模光纤和多模光纤之间利用模式转换透镜来耦合设备。例如，单模光纤和通用光纤14可以有利地彼此接合，或者彼此对接，而不一定需要在它们之间具有介入的透镜元件。此外，传统的多模光纤(例如，具有约50μm的芯的连接器线缆20)与通用光纤14之间的低耦合损耗(即，插入损耗)可小于或等于约3.0dB，2.5dB，2.0dB，1.5dB，1.0dB或小于约1.0dB。此外，传统单模光纤(例如，具有在1310nm下的模场直径为8.5至9.5微米的SMF)与通用光纤14之间的低耦合损耗(即插入损耗)可小于或等于约2.0dB，≤1.5dB，≤1.0dB，≤0.5dB或小于约0.3dB。
示例
图3图示了在第二波长λ2＝1310nm下具有若干示例性芯Δ相对于芯半径的光纤14(图1A)的模型化的LP01模式MFD。出于图3所示模型的目的，光纤14的芯α是2.1，但是经计算的LP01模式对于在图3中所示的芯半径的范围上的在1.9和2.2之间的α的范围变化非常小。图3图示了为了使得光纤14的MFD在波长λ2＝1310nm处与符合G.652的光纤(诸如或超光纤)的MFD相匹配(例如，±20％)，具有1％Δ的光纤14的芯22的半径(图1C)应为约10μm(芯直径D应为约20μm)。例如，对于具有Δ＝0.6％的相对折射芯指数Δ的光纤14，光纤14应该优选地具有约15μm的芯直径D，以便具有大约等于符合G.652的光纤(诸如或超光纤)的MFD的LP01模式MFD。图3还指示，当光纤14的芯Δ减小时，光纤14的芯半径应该被减小，以便使光纤14的LP01模式MFD在1310nm下近似等于符合G.652的光纤(诸如或超光纤)的MFD(即，在波长为1310μm处约8.5μm至12.5μm之间，以使得光纤14能够表现出符合G.652的光纤(诸如超光纤或G65X光纤)的MFD的±30％以内的MFD。然而，如果选择具有芯Δ为2.0％的光纤14，则芯直径D应为约30μm。因此，图3指示当光纤14的芯Δ增加时，光纤14的纤芯半径应该增加。图3图示了对于所选择的光纤14的任何给定的芯Δ值，可以选择适当的芯直径D，使得光纤14的模场直径近似(±30％)等于单模光纤的模场直径(即，在该示例中，诸如超光纤的符合G.652的光纤的MFD)。对于在1550nm附近的波长处的单模操作或对于任何其他感兴趣的波长λ2，可以进行类似的研究。
实际上，可以考虑在1310nm波长处的单模操作和850nm波长附近的多模操作的性能。已经发现，1300nm下的多模光纤的LP01MFD对标准单模光纤表现出低插入损耗。对于所公开的通用光纤的多模操作，优选大的芯和高的Δ用于减少来自VCSEL和/或来自具有1％的Δ和50μm的芯直径的标准多模光纤的耦合损耗。例如，对于1％的Δ和20μm的芯直径，来自50μm标准多模光纤的850nm下的耦合损耗约为5.1dB，并且从具有1％的Δ和20μm直径的芯的所公开的通用光纤到1％的Δ和50μm的芯直径的多模光纤的耦合为<0.2dB。在1310nm下具有1％的Δ和20μm直径芯的通用光纤的MFD为约9.1μm，几乎完全匹配标准单模光纤的1310nm下的9.2μm的MFD，导致这两种光纤之间的插入损耗几乎为零dB。如果1％Δ的通用光纤的芯直径增加到26μm，则来自50μm标准多模光纤的耦合损耗在850nm下降至3.8dB，而从具有1％的Δ和20μm直径的芯的通用光纤到1％的Δ和50μm的芯直径的多模光纤的耦合为<0.2dB。在1310nm下的对应的MFD为10.4μm，导致这两个光纤之间的插入损耗约为0.07dB，对于1310单模操作而言仍然非常低。可以增加芯Δ以进一步降低耦合损耗。例如，如果通用光纤具有1.2％的芯Δ，并且选择芯直径为31μm，则来自1％Δ50μm芯直径的多模光纤在850nm下的耦合损耗降至2.5dB，且从具有1％Δ和20μm直径芯的通用光纤到1％Δ和芯直径为50μm的多模光纤的耦合为<0.2dB。在1310nm下的对应的MFD为10.9μm，导致这两个光纤之间的插入损耗约为0.13dB，对于1310单模操作而言仍然非常低。如果通用光纤的芯Δ增加到2％，并且芯直径增加到35μm，则来自1％Δ50μm芯直径的多模光纤在850nm下的耦合损耗仅为0.6dB，且从具有1％Δ和20μm直径芯的通用光纤到1％Δ和芯直径为50μm的多模光纤的耦合为<0.2dB。在1310nm下的对应的MFD为10.9μm，导致这两个光纤之间的插入损耗约为0.06dB，对于1310单模操作而言仍然非常低。从本文公开的示例，优选芯具有Δ，Δ1max，其中在一些实施例中1％≤Δ1max≤2％，并且在其他实施例中1.2％≤Δ1max≤2％。在一些实施例中，芯直径在20μm和40μm之间，并且在一些其他实施例中，芯直径在30μm-40μm之间。在一些实施例中，在一些优选实施例中，1310nm下的LP01MFD可以在8.5μm-12.5μm的范围内。在一些实施例中，1310nm下的LP01MFD可以在9μm-12μm的范围内。
现在参考图4-图8，描绘的是对于若干示例性光纤14的带宽对波长和Δ对光纤半径的曲线图，每个光纤具有在图5A中示意性描绘的折射率分布。图4描绘了若干示例性芯Δ及其相关联带宽对波长的分布(即，来自表2的示例)。表1示出了光纤14的示例的示例性参数，其中光纤14的多模操作可以在不同波长窗口处被优化，同时单模操作可以在约1200nm和约1600nm之间执行。表1中所示的光纤14的所有实施例具有在9.1μm至9.3μm范围内的MFD，其在符合G.652标准单模光纤(诸如光纤或超光纤)的模场直径的30％内，符合G.652标准单模光纤具有在1310nm下的9.2μm的模场直径。
表1示出了具有掺杂GeO2的芯的通用光纤(光纤1-4)，芯Δ1max，芯半径，芯α，槽(壕沟)Δ和内半径和外半径且外半径为62.5μm的二氧化硅光纤的模型化示例。
表1：
| 参数 | 光纤1 | 光纤2 | 光纤3 | 光纤4 |
| 芯Δ1<sub>max</sub>(％) | 1.0 | 1.0 | 1.2 | 1 |
| 芯半径(μm) | 11.5 | 14.0 | 11.5 | 13.5 |
| 芯α | 2.085 | 2.043 | 2.005 | 1.997 |
| 槽Δ(％) | -0.4 | -0.4 | -0.4 | 0 |
| 槽R1(μm) | 12.6 | 14.8 | 12.3 | n/a |
| 槽R2(μm) | 17.6 | 19.8 | 17.3 | n/a |
表1中所示的光纤14的所有实施例在850nm、2匝/15mm和2匝/30mm的心轴下分别具有在≤0.5dB和0.1dB的范围内的弯曲损耗，并且光纤1、2和3在850nm、2匝/15mm和2匝/30mm的心轴下分别具有在≤0.1dB和0.05dB的范围内的弯曲损耗。将理解，表1中公开的所有光纤都能够在>1200nm波长下的单模操作和800-1100nm之间的波长下的多模传输。
现在参考图5A和图5B，描绘了表1中所示的光纤14的光纤1示例的折射率分布(图5A)和模式带宽的曲线图(图5B)。图5A是本文所述的玻璃光纤(例如，光纤14)的示意图。光纤14包括具有最大折射率Δ1MAX和外半径R1的芯22，具有折射率Δ2、外半径R2和宽度W2＝R2-R1的内包层26A。槽70具有折射率Δ3MIN，最小半径R3，外半径R4，W5＝R4-R2的最大宽度W5，以及W4＝R4-R3的最小宽度W4。外包层26B具有折射率Δ4和半径Rmax。还可以使用围绕光纤14的主聚合物涂层和次聚合物涂层。光纤14可具有约900nm波长处的峰值波长。光纤14可以在约800nm与约1100nm之间的波长范围内的约100nm的子窗口波长带上具有至少约1GHz·Km，1.5GHz·Km，2.0GHz·Km，2.5GHz·Km，3.0GHz·Km，3.5GHz·Km，4.0GHz·Km，4.5GHz·Km或5GHz·Km的带宽。
现在参考图6，描绘了光纤14的光纤2示例的带宽对波长图。光纤14的光纤2示例可具有约1060nm波长处的峰值波长。光纤14可以在约800nm与约1100nm之间的波长范围内的约100nm的子窗口波长带上具有至少约1GHz·Km，1.5GHz·Km，2.0GHz·Km，2.5GHz·Km，3.0GHz·Km，3.5GHz·Km，4.0GHz·Km，4.5GHz·Km，5GHz·Km或5.5GHz·Km的带宽。
现在参考图7，描绘了光纤14的光纤3示例的带宽对波长图。光纤14的光纤3示例可具有约1060nm波长处的峰值波长。光纤14可以在约800nm与约1100nm之间的波长范围内的约100nm的子窗口波长带上具有至少约1GHz·Km，1.5GHz·Km，2.0GHz·Km，2.5GHz·Km，3.0GHz·Km，3.5GHz·Km，4.0GHz·Km，4.5GHz·Km或5GHz·Km的带宽。
现在参考图8，描绘了光纤14的光纤4示例的带宽对波长图。光纤14的光纤4示例可具有约1060nm波长处的峰值波长。光纤14可以在约800nm与约1100nm之间的波长范围内的约100nm的子窗口波长带上具有至少约1GHz·Km，1.5GHz·Km，2.0GHz·Km，2.5GHz·Km，3.0GHz·Km，3.5GHz·Km，4.0GHz·Km，4.5GHz·Km，5GHz·Km或5.5GHz·Km的带宽。
表2示出了通用光纤(示例5-19)的示例的模型化的插入损耗，其中芯Δ1max、芯数值孔径和芯直径是变化的。这些示例包括二氧化硅光纤，其包括掺杂GeO2的芯、具有与芯边缘间隔约1至1.5微米的起始半径、约为-0.4％的Δ3min、以及约为-90％Δ·μm 2的槽体积的掺杂氟的槽。
表2：
表2(续)
表2(续)
表2中的结果示出，从具有0.2数值孔径的50μm芯的标准MMF到通用光纤的在850nm下的多模插入损耗可以是低的并且在0.6dB到5.1dB之间。另外，表2中的数据显示通用光纤在1310nm下的LP01模式的MFD在9.1μm至12.1μm之间。此外，表2中的数据显示，从具有9.2μmMFD(在1310nm下)的SMF到通用光纤的基模的在1310nm下的插入损耗非常低并且在0.00dB和0.32dB之间，并且从通用光纤到具有0.2数值孔径的50μm芯的标准MMF的在850nm下的多模插入损耗也非常低且<0.2dB。从通用光纤到具有9.2μm MFD(在1310nm下)的SMF的基模的在1310nm下的插入损耗非常低并且在0.00dB和0.32dB之间。在示例5-8中，在850nm和950nm下的通用光纤带宽>5GHz·km。在示例9-12中，在850nm和950nm下的通用光纤带宽分别>4.7GHz·km和3.8GHz·km。在示例13-15中，在850nm和950nm下的通用光纤带宽分别>4.7GHz·km和2GHz·km。在示例16-18中，在850nm和950nm下的通用光纤带宽分别>3GHz·km和1GHz·km。
表3显示了在芯中具有双掺杂剂GeO2和P2O5的模型化的二氧化硅光纤(例如，通用光纤)。
表3：
表3(续)
表3(续)
表3中的结果示出，通用光纤的示例在850nm和950nm下具有>3GHz·km的带宽并且在一些示例中>5GHz·km。这些光纤在850nm下对于围绕直径为15mm的心轴两匝也示出<0.2dB的优异的弯曲损耗性能。
表4显示了在芯中具有双掺杂剂GeO2和F的模型化的二氧化硅光纤。
表4：
表4(续)
表4(续)
表4中的结果示出，通用光纤的这些示例在850nm和950nm下具有>3GHz·km的带宽并且在一些示例中>5GHz·km。这些光纤在850nm下对于围绕直径为15mm的心轴两匝也示出<0.2dB的优异的弯曲损耗性能。此外，对于表3和表4中所示的光纤，从具有9.2μm的MFD(在1310nm下)的SMF到通用光纤的基模的在1310nm下的模型化的插入损耗非常低并且在0.00和0.32dB之间，这类似于表2中具有相同的芯Δ最大值和半径的光纤。还有从表3和表4中所示的通用光纤到具有0.2数值孔径的50μm芯的标准MMF的在850nm下的模型化的多模插入损耗非常低且<0.2dB。从表3和表4中所示的通用光纤到具有9.2μm MFD(在1310nm下)的SMF的基模的在1310nm下的模型化的插入损耗非常低并且在0.00dB和0.32dB之间。
本领域技术人员以及制造或使用本公开的人员将想到本公开的修改。因此，应当理解，附图中示出的和上面描述的实施例仅用于说明目的，并不旨在限制本公开的范围，本公开的范围由根据专利法的原理(包括等同原则)解释的以下权利要求限定。
本领域普通技术人员将理解，所描述的公开内容和其他部件的构造不限于任何特定材料。除非本文另有说明，否则本文公开的公开内容的其他示例性实施例可以由多种材料形成。
出于本公开的目的，术语“耦合(coupled)”(以其所有形式：耦合(couple,coupling,coupled)等)通常意味着两个部件(在电学上或机械上)彼此直接或间接地连接。这种连接本质上可以是固定的或者本质上是可移动的。这种连接可以通过两个部件(电学上或机械上)和任何附加的中间构件彼此或用两个部件一体地形成为单个整体来实现。除非另有说明，否则这种连接本质上可以是永久性的，或者本质上可以是可移除的或可释放的。
同样重要的是要注意，如示例性实施例中所示，本公开的元件的构造和布置仅是说明性的。尽管在本公开中已经详细描述了本发明的仅仅一些实施例，但是阅读本公开的本领域技术人员将容易理解，可以进行许多修改(例如，各种元件的尺寸，维度，结构，形状和比例，参数值，安装布置，材料的使用，颜色，取向等的变化)，而不实质上脱离所述主题的新颖教导和优点。例如，示出为整体地形成的元件可以由多个部件构成，或者示出为多个部件的元件可以整体地形成，接口的操作可以颠倒或以其他方式变化，可以改变系统的结构和/或构件或连接器或其他元件的长度或宽度，并且可以改变在元件之间提供的调节位置的性质或数字。应该注意的是，系统的元件和/或组件可以由多种材料中的任何一种构成，这些材料以各种颜色、纹理和组合中的任何一种提供足够的强度或耐久性。因此，所有这些修改旨在包括在本发明的范围内。可以在期望的和其他示例性实施例的设计、操作条件和布置中进行其他替换、修改、改变和省略，而不脱离本发明的精神的情况。
将理解，任何描述的过程或所描述的过程内的步骤可以与其他公开的过程或步骤组合以形成本公开范围内的结构。本文公开的示例性结构和过程用于说明目的，而不应解释为限制。
还应理解，可以在不脱离本公开的概念的情况下对前述结构和方法进行变化和修改，并且进一步应当理解，这些概念旨在由以下权利要求覆盖，除非这些权利要求通过其语言以其他方式明确地说明。
Claims (20)
1.一种光纤，包括：芯，由二氧化硅组成，具有芯直径并且包括至少两种掺杂剂、至少为0.7％的最大相对折射率Δ，和在1.9-2.2范围内的α值，所述芯具有折射率分布，所述折射率分布被配置成在800-1100nm范围内的第一波长λ1处以多模传播传输光，并在第二波长λ2处以LP01模式传播光，其中所述第二波长λ2大于1200nm，所述光纤被构造成在1310nm的波长处具有在8.5-12.5μm的范围内的LP01模场直径。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多模传播包括在800-1100nm范围内的第一波长λ1处的至少5个模式组的传播。
3.根据权利要求2所述的光纤，其中所述光纤被配置为在800-1100nm范围内的每个波长处以多模传播传输光。
4.根据权利要求2所述的光纤，其中所述光纤在870-960nm之间的波长处具有峰值多模带宽。
5.根据权利要求4所述的光纤，其中所述光纤在870-920nm之间的波长处具有峰值多模带宽。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤，其中所述至少两种掺杂剂包括GeO2，以及F、P2O5或B2O3中的一种。
7.根据权利要求5所述的光纤，其中所述芯的α值在1.98-2.2的范围内。
8.根据权利要求5所述的光纤，其中所述光纤包括包层，所述包层包括围绕所述芯的二氧化硅，所述包层包括相对于外包层的凹陷的折射率区域。
9.根据权利要求2所述的光纤，其中所述光纤在第一波长λ1处具有至少2.5GHz·km的模式带宽。
10.根据权利要求9所述的光纤，其中所述光纤在第一波长λ1处具有至少3.0GHz·km的模式带宽。
11.一种光纤，包括：芯，所述芯具有芯直径、至少为0.7％的最大相对折射率Δ，和在1.9-2.2范围内的α值，以及折射率分布，所述折射率分布被配置成在800-1200nm的波长范围之间的至少100nm的子窗口内的所有波长处以大于2GHz·km模式带宽以多模传播传输光并且在另一个波长λ2处以LP01模式传播光，其中所述波长λ2大于1200nm，所述光纤被构造成在1310nm下具有在8.5-12.5μm的范围内的LP01模场直径。
12.根据权利要求11所述的光纤，其中所述芯被配置为在800-1200nm的波长范围之间的至少100nm的子窗口内的所有波长处以大于3GHz·km以多模传播传输光并且所述光纤在870-960nm之间的波长处具有峰值带宽。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的光纤，其中所述波长λ2大于1250nm，并且所述光纤在870-920nm之间的波长处具有峰值带宽。
14.根据权利要求13所述的光纤，其中所述子窗口在840-1100nm的波长范围内。
15.根据权利要求11所述的光纤，其中所述波长λ2位于1260nm至1340nm的波长带中，或1530nm至1611nm的波长带中，或1565nm至1625nm的波长带中，或1625nm至1675nm的波长带中。
16.一种光学传输系统，包括：
收发器，生成具有大于1200nm的操作波长的调制光和具有在800-1100nm之间的操作波长范围的调制光中的至少一种；
模块；
光学地耦合所述收发器和所述模块的跨接线缆；和
光学地耦合到所述模块的干线线缆，
其中所述跨接线缆和所述干线线缆中的至少一个包括光纤，所述光纤包括由二氧化硅组成的芯，所述芯具有至少为0.7％的最大相对折射率Δ，所述芯具有折射率分布，所述折射率分布被配置成在800-1100nm之间的第一波长处以多模传播传输光并且在第二波长λ2处以LP01模式传播光，其中所述第二波长λ2大于1200nm，所述光纤被构造成在1310nm下具有在8.5-12.5μm的范围内的LP01模场直径。
17.根据权利要求16所述的光学传输系统，进一步包括：
光学地耦合到所述跨接线和所述模块的MPO至LC的扇出线缆，所述扇出线缆包括多模光纤并且所述跨接线缆包括所述光纤，其中所述扇出线缆和所述跨接线缆之间的耦合损耗小于或等于约3.0dB。
18.根据权利要求16或17中任一项所述的光学传输系统，其中所述干线线缆和所述跨接线缆包括所述光纤，并且所述干线线缆的长度大于100m，并且所述跨接线缆的长度小于50m。
19.一种光纤，包括：芯，由二氧化硅组成，具有芯直径并且包括至少两种掺杂剂、至少为0.7％的最大相对折射率Δ，和在1.9-2.2范围内的α值，所述芯具有折射率分布，所述折射率分布被配置成在800-1650nm范围内的第一波长λ1处以多模传播传输光，并在第二波长λ2处以LP01模式传播光，其中所述第二波长λ2大于1200nm，所述光纤被构造成在1310nm的波长处具有在8.5-12.5μm的范围内的LP01模场直径。
20.根据权利要求19所述的光纤，其中所述最大相对折射率Δ，Δ1max为1％≤Δ1max≤2％。
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