CN109937372B - 耦合少模光纤以及相应的光链路和光学系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤(10)，其包括光纤芯(11)和包围光纤芯的光包层(30，50)，光纤芯具有α≥1的单个α渐变折射率分布，α是用于定义光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数，光纤芯在其中心处具有最大折射率n_co；光包层在其外边缘处具有折射率n_Cl，并且包括被称为槽(12)的具有凹型折射率n_trench的区域，槽相对于光包层具有负的折射率差Δn_t＝n_trench‑n_Cl，槽具有外半径R_trench。根据本发明的实施例，光纤芯和光包层被配置为支持最少为6个空间模式并且最多为55个空间模式在工作波长λ_op处的传播，工作波长λ_op位于1460nm和1675nm之间且包括两个端点，以及在光纤芯内的折射率n_eq相等的圆周处测量椭圆度标准时，光纤芯满足在0.05和0.30之间的椭圆度标准，Δn_eq＝n_eq‑n_Cl小于Δn_co＝n_co‑n_Cl的75％，椭圆度标准o通过以下等式来定义：o＝a‑b/a+b，其中，a是圆周的半长轴的长度并且b是圆周的半短轴的长度。

Description

耦合少模光纤以及相应的光链路和光学系统

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(MDM)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n_co大于包层的折射率n_Cl。通常，光纤通过使光纤的折射率(n)与半径(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n_Cl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或城域网等的长距离应用。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和11μm之间)。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(DC)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(通常为850nm)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约2至50个模。

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在于使差分模式组延迟(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，由此可以使用复杂的2N×2N(N是空间模式的总数，即包括LP(线性偏振)模简并)的MIMO技术来同时检测所有的模式，并且MIMO数字信号处理可以高效地补偿有害的模态串扰影响。

可以通过利用适当的光纤设计和补偿技术最小化DMGD来实现小的组延迟扩展(GDS)，其中这些光纤设计和补偿技术在于组合为了具有符号相反的DGMD所制造的光纤。因而，少模光纤以所谓的弱耦合方式工作，其中GDS随着传播距离而线性增加。

例如在专利文献US 8,705,922和WO 2015/040446中描述了用于FMF的这种方法。

尽管在传播模式之间实现零串扰似乎在理论上是理想的，但看起来模式耦合确实是不可避免的。因而，使用少模光纤的另一方法在于以强耦合方式利用这些少模光纤。实际上，如果模式之间的耦合强，则时间扩展将遵循随机游走过程，并且GDS将随着光纤长度的平方根进行缩放。因此，强耦合可以潜在地降低MIMO均衡器的计算复杂度，并由此使得能够节省网络的成本和电力消耗。

在Sercan

Arik等人于2015年在OFC提出的“MIMO DSP Complexity in Mode-Division Multiplexing”中强调了在强耦合的情况下随着传播距离的平方根而增加的GDS的这种行为。在这篇文章中，作者提出了对现有的组延迟管理技术和模分复用系统所用的多输入多输出(MIMO)数字信号处理(DSP)架构的总结。这些作者还描述了集总长光纤布拉格光栅如何引起扰动并对6空间模式光纤施加强模式耦合，并且强调作为结果，GDS随着传播距离的平方根而增加。根据该现有技术，由于必须沿着光纤长度定期引入的单独的光纤光栅装置，因而引入了模式耦合。

专利文献EP 1 101 744 A2也解决了在多模光纤(MMF)而不是少模光纤(FMF)中实现显著的模式耦合的问题。这种显著的模式耦合的目的是增加多模光纤在短距离内的带宽。为此，建议制造具有非圆形纤芯(优选具有在光纤拉制期间引入的手性)的多模光纤。然而，如在该专利文献中所强调的，特别是通过参考R.Olshansky(1975年4月的AppliedOptics(应用光学)的第14卷(4)的第935页中的‘ModeCoupling Effects in Graded-IndexOptical Fibers’)的文献，该技术的缺点是在带宽通过模式耦合增加时，传输功率降低。因而，已知不圆度还增加了光纤损耗。这种增加是由于最高阶导模的(弯曲)损失的增加引起的。

此外，该现有技术专利文献仅关注于改善多模光纤在短距离内的带宽，但没有解决在FMF中实现GDS在长距离内的平方根行为的问题。

另外，在2015年6月的Optics Express(光学快讯)的第17120-17126页中的“SDMtransmission of real-time 10GbE traffic using commercial SFP+transceiversover 0.5km elliptical-core few mode fiber”中也研究了光纤芯的不圆度，但其相反目标是减少FMF中相同模式组内空间模式的模式耦合。更确切地说，该文献描述了仅具有2个LP模的FMF(即，1300mm处的3个空间模式和1500nm处的2个空间模式)，该FMF具有椭圆度为0.20的椭圆形纤芯，其中椭圆度被定义为

其中a和b分别是椭圆的长轴和短轴的半径。光纤芯的这种椭圆度的目的是打破属于相同模式组的LP_11a模和LP_11b模的简并性，使得这些模可以独立地发送信息并且在接收时不使用MIMO。因而，光纤传输的空间模式较少，这与增加长距离内的每光纤业务量的不断增加的需求相矛盾。

作为结论，尽管已知模式耦合(组内和组间)降低了GDS的线性依赖性、并因此降低了MIMO均衡器的计算复杂度，但仍需要用于实现少模光纤中的传播模式的强的组内和组间模式耦合的适当技术。

发明内容

在本发明的实施例中，公开了一种光纤，其包括光纤芯和包围所述光纤芯的光包层，所述光纤芯具有α渐变折射率分布，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且α≥1，并且所述光纤芯在其中心处具有最大折射率n_co；所述光包层在其外边缘处具有折射率n_Cl，并且包括被称为槽(12)的具有凹型折射率n_trench的区域，所述槽相对于所述光包层具有负的折射率差Δn_t＝n_trench-n_Cl，所述槽具有外半径R_trench。

所述光纤芯和所述光包层被配置为支持最少为6个空间模式并且最多为55个空间模式在工作波长λ_op处的传播，所述工作波长λ_op位于1460nm和1675nm之间且包括两个端点。此外，在所述光纤芯内的折射率n_eq相等的圆周处测量椭圆度标准时，所述光纤芯满足在0.05和0.30之间的椭圆度标准，其中Δn_eq＝n_eq-n_Cl小于Δn_co＝n_co-n_Cl的75％，所述椭圆度标准o通过以下等式来定义：

其中，a是所述圆周的半长轴的长度并且b是所述圆周的半短轴的长度。

因而，这种FMF光纤具有纤芯椭圆度，这使得能够减小正在传播的空间模式之间的有效折射率差，由此迫使这些空间模式耦合并施加组延迟扩展随着传播距离的平方根行为。这种纤芯椭圆度是在纤芯中的折射率相等的区域处、而不是在如现有技术解决方案中经常描述的纤芯-包层界面处测量到的，其中该折射率对应于小于纤芯和包层之间的最大折射率差的75％。

这种纤芯椭圆度通过值可以高达0.3的椭圆度标准来评价，由此强烈增加在光纤中传播的最多10个模式组(即，55个空间模式)之间的模式混合。为了补偿由这种强模式耦合引起的光纤损耗的强烈增加，这种光纤的包层设置有嵌入式凹槽，这使得通过改进纤芯内的光模式的限制来减少宏弯曲损耗。优选地，椭圆度标准在0.10和0.30之间，更优选在0.15和0.30之间。

这种光纤的光纤芯表现出α渐变折射率分布，其通常指定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；

r₀是光纤芯的外半径；

Δ是归一化折射率差，其中

n₁是光纤芯的最小折射率；

n_co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。

这种定义非常适合圆形纤芯，但当然必须适用于椭圆形纤芯，其中对于该椭圆形纤芯，折射率将根据沿着椭圆的长(更长)轴a和短(更短)轴b的到纤芯中心的距离而以不同方式改变。值得注意的是，α参数可以沿着纤芯的椭圆形圆周的两个轴具有不同的值。

由于组延迟扩展根据沿着该光纤的传播距离的平方根行为，因此与现有技术的解决方案相比，在接收时引入较少的模式延迟，并且可以降低MIMO均衡器的计算复杂度，这也产生更高效的串扰补偿。

根据本发明的实施例，所述光纤芯的所述椭圆度标准根据到所述光纤芯的中心的距离而改变。

实际上，设计椭圆形纤芯的目的是减小导模之间的有效折射率差，以引起这些导模的耦合。然而，椭圆度一方面对基本模式并且另一方面对最高阶模的影响相当不同，并且纤芯内的不断变化的椭圆度可以使得能够适应在光纤中传播的空间模式的特定特征。

根据本发明的另一实施例，所述光纤芯的所述椭圆度标准从在所述光纤芯内的折射率n′_eq相等的圆周处测量到的第一低椭圆度值向在所述光纤芯内的折射率n_eq相等的圆周处测量到的最佳椭圆度值增大，其中，Δn′_eq＝n′_eq-n_Cl大于Δn_co＝n_co-n_Cl的75％，并且Δn_eq＝n_eq-n_Cl小于Δn_co＝n_co-n_Cl的75％，以及所述光纤芯的所述椭圆度标准从所述最佳椭圆度值向在纤芯-包层界面处测量到的第二低椭圆度值减小。

因而，第一低椭圆度值对应于光纤的中心处的更圆纤芯，其中高椭圆度标准实际上不能减小LP₀₁和LP₁₁模式组之间的有效折射率差，而纤芯中心处的小椭圆度值更容易制造。第二低椭圆度值也对应于纤芯-包层界面处的纤芯的更圆圆周，其中椭圆度标准的小值足以减小最高阶模之间的有效折射率的差。

因而，根据本实施例的光纤的椭圆度分布随着到纤芯中心的距离而从第一低值向为了引入传播模式之间的强模式耦合而选择的最佳值增大，然后向纤芯-包层界面减小。

优选地，所述最佳椭圆度值在0.1和0.3之间，更优选在0.15和0.3之间，而所述第一低椭圆度值和所述第二低椭圆度值小于约0.05。第一低椭圆度值和第二低椭圆度值可以相等或者可以不相等。第二低椭圆度值可以等于零，其对应于纤芯的圆形外圆周。必须注意，不能定义纤芯中心处的椭圆度标准的值。

根据实施例，所述光纤芯和所述光包层被配置成使得：

-所述光纤芯的外圆周的半长轴的长度a在13.5μm和27μm之间；

-所述槽的外半径R_trench在20μm和42μm之间；

-所述槽的负的折射率差Δn_t＝n_trench-n_Cl在所述工作波长λ_op处在-15×10^-3和-5×10^-3之间；以及

该最后一个参数对应于光纤的归一化频率V。

在光纤芯的外圆周是圆形的情况下，纤芯的半径r₀在13.5μm和27μm之间。

光纤芯和包层的这种设计使得光纤能够在工作波长λ_op处支持6至55个空间模式。这种工作波长优选在C-(1530-1570nm)或L-(1570-1625nm)波段内，但可以在与少模光纤的通常工作波长相对应的1460和1675nm之间选择。

根据实施例，所述无量纲参数α的值在1和3之间。实际上，对α的限制不如在设计旨在以弱耦合方式工作的FMF光纤时那样重要，其中对于该弱耦合方式，α应被选择为接近2。

根据实施例，在所述光纤芯中传播的除LP₀₁、LP_11a和LP_11b空间模式以外的任意两个后续空间模式之间的有效折射率差的最大值Max|Δn_{eff o}|如下：Max|Δn_{eff o}|≤1.0×10^-3。因而，在除前三个空间模式LP₀₁、LP_11a和LP_11b之外的空间模式之间实现了强模式耦合。

根据另一实施例，在所述光纤芯中传播的除LP₀₁、LP_11a和LP_11b空间模式以外的任意两个后续空间模式之间的有效折射率差的最大值Max|Δn_{eff o}|如下：Max|Δn_{eff o}|≤0.8×10^-3。

根据另一实施例，在所述光纤芯中传播的除LP₀₁、LP_11a和LP_11b空间模式以外的任意两个后续空间模式之间的有效折射率差的最大值Max|Δn_{eff o}|如下：

其中：

·

是归一化纤芯包层折射率差，

·

以及

·M是在所述光纤芯为圆形且不满足任何非零椭圆度标准的情况下将在所述光纤芯中传播的模式组的数量。

根据又一实施例，在所述光纤芯中传播的除LP₀₁、LP_11a和LP_11b空间模式以外的任意两个后续空间模式之间的有效折射率差的最大值Max|Δn_{eff o}|如下：

其中，Max|Δn_{eff c}|是在所述光纤芯为圆形且不满足任何非零椭圆度标准的情况下将在所述光纤芯中传播的任意两个后续空间模式之间的有效折射率差的最大值。

根据实施例，这种光纤具有至少1匝/米的手性。实际上，该手性还可以进一步增强具有略微椭圆形纤芯的FMF的简并空间模式之间的耦合。

本发明的另一方面涉及一种光链路，其包括至少一个如这里在以上任意实施例中所述的光纤。

这种光链路可以包括级联的任意数量的光纤，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个根据本发明实施例的光纤，其中N≥2，N是整数。所述光链路中的至少两个光纤具有至少针对所述光纤所引导的LP₁₁模表现出符号相反的DMGD_i，其中DMGD_i是光纤i中的所述LP₁₁模和基本LP₀₁模之间的差分模式组延迟。

实际上，光纤的椭圆度可能不足以使LP₀₁和LP₁₁之间以及LP₁₁和其它模式之间的混合与其它空间模式之间的混合一样强。因而，可能不会在光纤内产生完全强耦合方式。使针对LP₁₁模具有正和负的DMGD的适当长度的椭圆形纤芯光纤级联是用以进一步减少根据本发明实施例的光纤的组延迟扩展的方式。

更一般地，根据实施例，提供一种光链路，包括如下的光纤，这些光纤具有不仅针对LP₁₁模而且还针对在光纤中引导的一部分或全部的更高阶LP模表现出符号相反的DMGD，其中这种级联对于减小链路的DMGD也可以是有益的。

这种光链路包括N个光纤，其中N≥2，N是整数。该链路中的至少两个光纤具有针对这些光纤所引导的至少两个LP_xy模表现出符号相反的

其中

是光纤i中的LP_xy模和基本LP₀₁模之间的差分模式组延迟，其中x属于{0，1，2，...}并且y属于{1，2，...}。

根据实施例，

其中

是所述光链路中的所述LP₁₁模和基本LP₀₁模之间的差分模式组延迟的绝对最大值。

本发明还涉及一种光学系统，其包括根据本发明的实施例所述的至少一个光纤或至少一个光链路。

附图说明

参考以下通过示例给出的并且没有限制保护范围的说明书和附图，可以更好地理解本发明，其中：

-图1示意性描述根据本文所述的一个或多个实施例的示例性FMF光纤的等距视图；

-图2示意性描述根据本文所述的一个或多个实施例的光纤的截面图；

-图3以图形提供第一现有技术的圆对称FMF光纤的折射率分布；

-图4以图形提供根据本发明的第一实施例的与图3的具有恒定纤芯椭圆度0.15的FMF相对应的FMF光纤的折射率分布；

-图5示出根据本发明实施例的光链路；

-图6以图形提供第二现有技术的圆对称FMF光纤的折射率分布；

-图7以图形提供根据本发明的第二实施例的与图6的具有恒定纤芯椭圆度0.15的FMF相对应的FMF光纤的折射率分布；

-图8示意性描述根据本发明实施例的椭圆度不断改变的光纤的截面；

-图9A和9B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

本发明的一般原理依赖于具有传播模式的强的组内和组间模式耦合的新少模光纤的设计，以减小组延迟扩展的线性依赖性并由此降低接收时的MIMO均衡器的计算复杂度。这种强耦合通过在光纤的纤芯中引入一些椭圆度来实现。

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1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10通常具有被玻璃包层包围的玻璃纤芯11。更确切地，光纤10包括三个邻接的同心区域，即：

-渐变折射率纤芯11；

-槽12，其具有外半径R_trench；

-外包层13，其具有折射率n_Cl。

在本发明的实施例中，如以下将更详细地所述，玻璃纤芯11可以具有长度为a(或更长)的半长轴且长度为b(或更短)的半短轴的椭圆形外圆周。椭圆度标准o被定义为如下：

玻璃光纤11可以与半径r₀相关联，使得a＝r₀(1+o)，并且b＝r₀(1-o)，其中r₀在13.5μm和27μm之间。此外，槽的外半径R_trench在20μm和42μm之间。槽12可以直接抵接光纤芯或者可以不抵接光纤芯。在本文所示并说明的实施例中，纤芯11和包层13通常包括二氧化硅、具体为二氧化硅玻璃。在本文所述的一些实施例中，半径R₃(即，光纤10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，使得半径R₃可以大于或小于62.5μm。光纤10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1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、以及/或者诸如包层的一部分(例如，针对槽12)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。

图2示出图1的FMF光纤的截面。如已经针对图1所述，光纤10通常具有被玻璃包层包围的玻璃纤芯11。在图2的实施例中，玻璃纤芯11具有半长轴的长度为a且半短轴的长度为b的椭圆形外圆周。包层直接抵接纤芯并且具有外半径R₃。不论中间的层数有多少，光纤还包括内半径为R₃且外半径为R₄的涂层60。在本文所述的一些实施例中，半径R₄约为125μm(但该半径也可以大于或小于125μm)。在替代实施例中，其它尺寸可以如下：R₃＝40μm或者R₃＝50μm、并且R₄＝62.5μm。

光纤11被光包层直接包围，其中该光包层至少包括具有内半径R₂和外半径R_trench的还被称为槽的凹型折射率环12、以及具有内半径R_trench的外包层50。在一些实施例中，这种外包层50包括纯二氧化硅玻璃(SiO₂)，因而外包层50的折射率n_Cl是二氧化硅玻璃或者具有一个或多个掺杂物的二氧化硅玻璃的折射率。槽12相对于外包层的折射率具有负的折射率差Δn_t＝n_trench-n_Cl，并且槽12的位置和大小被设计成提高了光纤的抗弯曲损耗性。

包层还可以可选地包括直接包围光纤芯且具有外半径R₂的内包层30。因而，槽12可以通过内包层30与纤芯11间隔开。可选地，槽12可以包围并直接接触纤芯部分11。

图2上的点线21_eq在光纤芯11内示出折射率n_eq相等的圆周。在图2的典型实施例中，这样的圆周21_eq是以纤芯中心为中心但具有不同的椭圆度的椭圆形。因而，离纤芯中心更近的圆周与其它两个圆周相比更圆。这对应于根据本发明的FMF的实施例。然而，根据另一实施例，纤芯的椭圆度在整个纤芯中保持基本上相同，并且圆周21_eq将是具有相同椭圆度

的索引i的同心椭圆形，其中a_i是椭圆i的半长轴长度，并且b_i是椭圆i的半短轴长度。根据又一实施例，纤芯11、槽12和可选的内包层30的椭圆度基本上相同。更确切地，光纤的椭圆度不限于纤芯11，并且槽12和可选的包层30也可以是椭圆度恒定或不断改变的椭圆形。

图3描述根据现有技术的少模光纤的折射率分布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Δn(×10³))。

这样的FMF具有光纤芯，该光纤芯具有按照如下定义的折射率分布n(r)：

其中r≤r₀，

其中：

r是表示光纤的半径的变量；

r₀是光纤芯半径；

Δ是归一化折射率差，其中

n_Cl是光纤芯的最小折射率；

n_co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。

光纤芯的α折射率分布使得能够减少光纤的模间色散。

光纤芯被光包层直接包围，其中该光包层包括内包层、槽和外包层。槽相对于外包层的折射率具有负的折射率差Δn_t＝n_trench-n_Cl，其中槽的位置和大小被设计成提高了光纤的抗弯曲损耗性。

迄今为止，已设计了FMF以尽可能获得最小的差分模式组延迟，并且已采用弱耦合方式工作，其中组延迟扩展随着传播距离而线性增加。在这样的FMF中，传播模式之间的耦合低，这主要是因为模式或模式组之间的有效折射率差Δn_eff高。

实际上，如在图3中针对标准10空间模式(即，分成4个模式组的6个LP模(LP₀₁、LP_{11 a，b}、LP₀₂、LP_{21 a，b}、LP_{12 a，b}、LP_{31 a，b}))光纤可以观察到，任意两个后续模式组之间的最大有效折射率差在工作波长λ_op＝1550nm处为Max|Δn_{eff c}|＞2.0×10^-3。在该关系中，下标c代表圆形，因为图3的FMF示出具有半径r₀的圆对称纤芯。任意两个LP模之间的最大差分模式组延迟Max|DMGD_c|在10ps/km。

图4所示的本发明的实施例在于制造具有略椭圆形纤芯的FMF，以减小传播模式之间的有效折射率差Δn_eff，由此迫使模式耦合并施加组延迟扩展随着传播距离的平方根行为。

实际上，组延迟扩展的一般形式可被表示为

其中L是传播距离并且L_c是耦合长度。根据C.D.Poole在1988年的Optics Letters(光学快报)的第687页的文章“Statistical treatment ofpolarization dispersion in single-mode fiber”中针对两个偏振模式给出的公式，可以针对N个空间模式直接推导出该公式。在弱耦合方式中，Lc＞＞L，并且结果，GDS～Max|DMGD|×L。在强耦合方式中，Lc＜＜L并且

假定Max|DMGD|保持不变，则与弱耦合方式相比，在强耦合方式中，组延迟扩展如此降低了

倍。

因而，图4示出图3的具有由值o＝0.15的纤芯椭圆度标准

定义的纤芯椭圆度的少模光纤的折射率分布n(r)。图4的FMF的纤芯11现在是具有长度为a＝r₀(1+o)的半长轴和长度为b＝r₀(1-o)的半短轴的椭圆。

在图4中，实线的折射率分布对应于图3的圆形纤芯光纤的平均折射率分布。沿着椭圆的长轴x(用虚线示出)并沿着短轴y(点线)示出椭圆形纤芯光纤的折射率分布：因而，图4的x轴通过轴示出光纤芯的半径，也就是说沿着任意轴到纤芯中心的距离。

如可以观察到，纤芯的椭圆度打破了模式组简并，并且现在可以区分具有10个不同有效折射率的10个空间模式，即LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP₀₂、LP_21a、LP_21b、LP_12a、LP_12b、LP_31a和LP_31b。这十个空间模式各自通过指示与外包层的关联有效折射率差的水平虚线示出。如此得到的在光纤芯11中传播的除LP₀₁、LP_11a和LP_11b空间模式以外的任意两个后续空间模式之间的最大有效折射率差Max|Δn_{eff o}|现在在λ_op＝1550nm处为Max|Δn_{eff o}|≤0.65×10^-3。下标o代表椭圆度。任意两个LP模之间的最大差分模式组延迟Max|DMGD_o|在20ps/km。

假定在图4的椭圆形情况中利用耦合长度Lc＝10km实现了强耦合方式，则在与图3的圆形情况相对应的弱耦合方式中组延迟扩展达到GDS_c～100ns的情况下，组延迟扩展因此在10,000km之后达到GDS_o～9ns。如果例如由于LP₀₁和LP₁₁之间以及LP₁₁和其它模之间的混合不够强、因而在图4的椭圆形情况中没有实现强耦合方式，则组延迟扩展GDS_o将减少得较少，然后将满足以下的不等式：9ns＜GDS_o＜＜100ns。

为了进一步减少组延迟扩展GDS_o，本发明的实施例在于针对LP₁₁模使具有正和负的DMGD的椭圆纤芯光纤级联，以形成如图5所示的光链路。

光链路70是通过使数个FMF级联所构建成的(例如，这样的光链路70包括拼接到一起的p段光纤，其中p≥2。图5仅示出FMF 70₁和FMF 70_p，其中利用虚线来表示光链路中的所有其它可能的FMF i∈[[1；p]]。FMF 70₁具有长度L₁，FMF 70_i具有长度L_i并且FMF 70_p具有长度L_p。因而，FMF 70₁至70_p拼接到一起以形成长度为L＝L₁+...+L_i+...+L_p的光链路70，其中该长度可以为数十或数百千米。当然，本发明包含级联以形成光链路的任何数量的FMF；作为简单示例，这样的链路可以包括仅两个FMF、四个FMF、或者甚至数十个FMF。

如例如在专利文献WO2015/040447中所述，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，可以通过针对α值略高于或低于“最佳α”的FMF以及表现出适当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和该另一FMF联合，从而实现“DMGD补偿型”链路。

该联合可以有助于在没有实现强模式耦合的情况下减少组延迟扩展GDS_o。该级联必须关注于前三个空间模式即LP₀₁、LP_11a和LP_11b，并且必须选择级联光纤的α的值，以使LP₁₁模的DMGD最小化。因而，可以构建具有

的光链路。

图6示出根据现有技术的另一少模光纤的折射率分布n(r)，其描述折射率值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Δn(×10³))。

图6的FMF光纤在包括具有半径r₀的圆形纤芯的结构方面与图3的FMF光纤相同，但支持15个空间模式(即，分成五个模式组的九个LP模(LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP₀₂、LP_21a、LP_21b、LP_12a、LP_12b、LP_31a、LP_31b、LP₀₃、LP_22a、LP_22b、LP_41a和LP_41b))的传播。

如在图6中针对该标准15空间模式光纤可以观察到，任意两个模式组之间的最大有效折射率差在工作波长λ_op＝1550nm处为Max|Δn_{eff c}|＞2.5×10^-3。在该关系中，下标c代表圆形，因为图6的FMF光纤示出具有半径r₀的圆对称纤芯。任意两个LP模之间的最大差分模式组延迟Max|DMGD_c|在150ps/km。

图7示出图6的具有由值o＝0.15的纤芯椭圆度标准

定义的纤芯椭圆度的少模光纤的折射率分布n(r)。图7的FMF的纤芯11现在是具有长度为a＝r₀(1+o)的半长轴和长度为b＝r₀(1-o)的半短轴的椭圆。

在图7中，实线的折射率分布对应于图6的圆形纤芯光纤的平均折射率分布。沿着椭圆形的长轴x(用虚线示出)并且沿着短轴y(点线)示出椭圆形纤芯光纤的折射率分布：因而，图7的x轴通过轴示出光纤芯的半径，也就是说沿着任意轴到纤芯中心的距离。

如可以观察到，如图4那样，纤芯的椭圆度打破了模式组简并，并且现在可以区分具有15个不同的有效折射率的15个空间模式，即LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP₀₂、LP_21a、LP_21b、LP_12a、LP_12b、LP_31a、LP_31b、LP₀₃、LP_22a、LP_22b、LP_41a和LP_41b。这15个空间模式各自通过指示与外包层的关联有效折射率差的水平虚线来示出。如此得到的在光纤芯11中传播的除LP₀₁、LP_11a和LP_11b空间模式以外的任意两个后续空间模式之间的最大有效折射率差Max|Δn_{eff o}|现在在λ_op＝1550nm处为Max|Δn_{eff o}|≤0.8×10^-3。下标o代表椭圆度。任意两个LP模之间的最大差分模式组延迟Max|DMGD_o|在200ps/km。

假定在图7的椭圆形情况中通过耦合长度Lc＝10km实现强耦合方式，则在与图6的圆形情况相对应的弱耦合方式中组延迟扩展达到GDS_c～1.5μs的情况下，组延迟扩展由此在10,000km之后达到GDS_o～90ns。如果例如由于LP₀₁和LP₁₁之间以及LP₁₁和其它模之间的混合不够强、因而在图7的椭圆形情况中没有实现强耦合方式，则组延迟扩展GDS_o将减少得较少，然后将满足以下的不等式：90ns＜GDS_o＜＜1.5μs。

如前面针对图5所述，可以通过使满足在0.05和0.30之间的椭圆度标准并针对LP₁₁模表现出符号相反的DMGD的少模光纤级联来进一步减少组延迟扩展GDS_o。

根据本发明的实施例，如图4和图7所示那样，这些FMF支持6至55个空间模式。工作波长λ_op优选在C-(1530-1570nm)或L-(1570-1625nm)波段内，但可以在1460和1675nm之间选择。

这些FMF的通过椭圆度标准o的值所测量到的纤芯椭圆度在0.05和0.30之间，其中：o＝(a-b)/(a+b)，其中a是椭圆形纤芯的半长轴的长度并且b是其半短轴的长度。这种椭圆度标准是在比纤芯最大折射率低的折射率处(即，在折射率n_eq相等的圆周上，其中Δn_eq＝n_eq-n_Cl小于Δn_co＝n_co-n_Cl的75％)测量到的。

这些FMF也可以表现出不断变化的椭圆度分布，其中椭圆度标准的值从纤芯中心的区域增大以达到0.10和0.30之间的最佳值，然后向着椭圆度标准的值可能低于0.05的纤芯-包层界面减小。

通过图8示出这种不断变化的椭圆度分布的示例，其示出根据本发明实施例的FMF的截面图。更确切地，图8的FMF的纤芯11从纤芯中心起直到沿着长轴(或图8中的x轴)的8μm的距离处为止具有0.05的恒定椭圆度。然后，该椭圆度在沿着长轴的从8μm至12μm增加到0.15，并且从12μm至17.2μm(其中17.2μm与槽12的端部相对应)再次从0.15减小到0.05。因而，椭圆度不限于光纤的纤芯，而且还包含槽12和内包层30。

纤芯椭圆度可以在沉积(通过OVD(“外部气相沉积”)、VAD(“轴向气相沉积”)、MCVD(“改进的化学气相沉积”)或PCVD(“等离子体化学气相沉积”)的预制件的制造)期间通过升高温度和/或通过改变预制件的转动来获得。纤芯椭圆度也可以在固结或径向收缩阶段期间以及/或者在通过可以打破纤芯的圆对称性的任何可能方式的外包期间获得。

在拉制期间，光纤优选以每米几匝旋转以引入至少1匝/米的手性，从而还可以进一步增强具有略微椭圆形的纤芯的FMF的简并空间模式之间的耦合。

图9A和9B示出根据本发明的光学系统的实施例。根据图9A中的第一实施例，这种光学系统包括利用包括至少两段光纤的光链路70光学地连接的收发器81和接收器85。收发器81包括光源(诸如激光器等)，并且生成图9A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82复用n个LP模，并且光学地连接至光链路70，其中该光链路70将复用的n个LP模向着光学地连接至光链路70的端部的模解复用器83引导。

模解复用器83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84中。在放大器84的输出，LP模进入接收器85。

这种光学系统可以包括M个光链路。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82、M个模解复用器83和M个放大器84。

图9B中的实施例与图9A中的第一实施例的不同之处在于：放大器84放大光链路70所引导的所有LP模；如此，放大器84光学地连接在光链路70的输出和模解复用器83的输入之间。在该第二实施例中，在光学系统包括M个光链路的情况下，该光学系统还包括M个放大器84；然而，在收发器81和光链路70之间仅光学地连接一个模复用器82，并且在放大器84和接收器85之间仅光学地连接一个模解复用器83。

图9A和9B的实施例仅是作为示例所给出的，并且根据本发明的光链路当然还可用在任何其它类型的光学系统中。

Claims (16)

1.一种光纤(10)，其包括光纤芯(11)和包围所述光纤芯的光包层(13；30,50)，所述光纤芯具有α渐变折射率分布，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且α≥1，并且所述光纤芯在其中心处具有最大折射率n_co，

所述光包层在其外边缘处具有折射率n_Cl，

所述光包层包括被称为槽(12)的具有凹型折射率n_trench的区域，所述槽相对于所述光包层具有负的折射率差Δn_t＝n_trench-n_Cl，所述槽具有外半径R_trench，

其中，所述光纤芯和所述光包层被配置为支持最少6个空间模式且最多55个空间模式在工作波长λ_op处的传播，所述工作波长λ_op位于1460nm和1675nm之间且包括两个端点，以及

其中，在所述光纤芯内的折射率n_eq相等的多个圆周处测量椭圆度标准时，所述光纤芯满足在0.05和0.30之间的椭圆度标准，其中Δn_eq＝n_eq-n_Cl小于Δn_co＝n_co-n_Cl的75％，

所述椭圆度标准o通过以下等式来定义：

其中，a是所述圆周的半长轴的长度并且b是所述圆周的半短轴的长度。

2.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述光纤芯的所述椭圆度标准根据到所述光纤芯的中心的距离而改变。

3.根据权利要求2所述的光纤，其中，所述光纤芯的所述椭圆度标准从在所述光纤芯内的折射率n′_eq相等的圆周处测量到的第一低椭圆度值向在所述光纤芯内的折射率n_eq相等的圆周处测量到的最佳椭圆度值增大，其中，Δn′_eq＝n′_eq-n_Cl大于Δn_co＝n_co-n_Cl的75％，并且Δn_eq＝n_eq-n_Cl小于Δn_co＝n_co-n_Cl的75％，以及

其中，所述光纤芯的所述椭圆度标准从所述最佳椭圆度值向在纤芯-包层界面处测量到的第二低椭圆度值减小。

4.根据权利要求3所述的光纤，其中，所述最佳椭圆度值在0.10和0.30之间。

5.根据权利要求4所述的光纤，其中，所述最佳椭圆度值在0.15和0.30之间。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的光纤，其中，所述第一低椭圆度值和所述第二低椭圆度值小于0.05。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，其中，所述光纤芯和所述光包层被配置成使得：

-所述光纤芯的外圆周的半长轴的长度a在13.5μm和27μm之间；

-所述槽的外半径R_trench在20μm和42μm之间；

-所述槽的负的折射率差Δn_t＝n_trench-n_Cl在所述工作波长λ_op处在-15×10^-3和-5×10^-3之间；以及

8.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，其中，所述无量纲参数α的值在1和3之间。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，其中，在所述光纤芯中传播的除LP₀₁、LP_11a和LP_11b空间模式以外的任意两个后续空间模式之间的有效折射率差的最大值Max|Δn_effo|如下：Max|Δn_effo|≤1.0×10^-3。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，其中，在所述光纤芯中传播的除LP₀₁、LP_11a和LP_11b空间模式以外的任意两个后续空间模式之间的有效折射率差的最大值Max|Δn_effo|如下：Max|Δn_effo|≤0.8×10^-3。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，其中，在所述光纤芯中传播的除LP₀₁、LP_11a和LP_11b空间模式以外的任意两个后续空间模式之间的有效折射率差的最大值Max|Δn_effo|如下：

其中：

·r₀是光纤芯的外半径，

·

是归一化纤芯包层折射率差，

·

以及

·M是在所述光纤芯为圆形且不满足任何非零椭圆度标准的情况下将在所述光纤芯中传播的模式组的数量。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，其中，在所述光纤芯中传播的除LP₀₁、LP_11a和LP_11b空间模式以外的任意两个后续空间模式之间的有效折射率差的最大值Max|Δn_effo|如下：

其中，Max|Δn_effc|是在所述光纤芯为圆形且不满足任何非零椭圆度标准的情况下将在所述光纤芯中传播的任意两个后续空间模式之间的有效折射率差的最大值，并且M是在所述光纤芯为圆形且不满足任何非零椭圆度标准的情况下将在所述光纤芯中传播的模式组的数量。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤，其中，所述光纤具有至少1匝/米的手性。

14.一种光链路(70)，其包括N个根据权利要求1至13中任一项所述的光纤(70₁-70_p)，其中N≥2，N是整数，

其中，所述光链路中的至少两个光纤具有至少针对所述光纤所引导的LP₁₁模表现出符号相反的DMGD_i，其中DMGD_i是光纤i中的所述LP₁₁模和任意其它导模之间的差分模式组延迟。

15.根据权利要求14所述的光链路，其中，

其中

是所述光链路中的所述LP₁₁模和任意其它导模之间的差分模式组延迟的绝对最大值。

16.一种光学系统(80)，其包括至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的光纤(10)或者至少一个根据权利要求14或15所述的光链路(70)。

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