CN110268294B - 被优化成在1060nm附近工作的多模光纤和相应的多模光学系统 - Google Patents

Abstract

一种多模光纤(10)，其包括α分布渐变折射率纤芯、包围纤芯(11)的槽(13)、以及在纤芯和槽之间的中间包层(12)。这样的多模光纤(10)具有：1060nm处的54和68个LP模之间的模承载容量，其由纤芯的数值孔径和纤芯半径之间的特定关系来定义；在槽、纤芯和中间包层的参数之间的定义关系，以在1060nm处实现高带宽和低弯曲损耗；以及24和26μm之间的纤芯半径、0.190和0.225之间的数值孔径、以及2.01和2.05之间的α值，以保持与传统光纤的兼容性。

Description

被优化成在1060nm附近工作的多模光纤和相应的多模光学 系统

技术领域

本发明涉及光纤传输领域，并且更具体地，涉及需要大带宽的短距离传输系统所使用的多模光纤。更具体地，本发明涉及被设计为满足下一代400GbE系统的高比特率要求的多模光纤。

背景技术

多模光纤连同通常使用横向多模的垂直腔面发射激光器(更简称为VCSEL)的高速源一起成功地用在高速数据网络中。以850nm和1300nm工作的多模光纤是众所周知的。

由于以下事实，多模光纤受模间色散影响：在多模光纤中，对于特定波长，多个光模式在承载相同信息的情况下沿着光纤同时传播，但以不同的传播速度行进。模式色散是以差分模式延迟(Differential Mode Delay，DMD)的形式表示的，其中该差分模式延迟(DMD)是穿过光纤的最快模式和最慢模式之间的脉冲延迟差(ps/m)的度量。

通常，光纤应当具有最宽的带宽，以用于高带宽应用。对于给定波长，带宽可以以多种不同的方式表征。通常，所谓的满注入条件(overfilled launch，OFL)带宽和所谓的有效模式带宽条件(EMB)之间有所区分。OFL带宽的获取对针对光纤的整个径向表面呈现均匀激发的光源的使用(激光二极管或发光二极管(LED)的使用)进行调节。已经开发了根据DMD测量得出的计算有效模式带宽(EMBc)，以估计50μm芯径的光纤如在使用以850nm工作的垂直腔面发射激光器(VCSEL)源的情况下那样在非均匀激发下针对该光纤的径向表面的最小有效模式带宽。

测量DMD并计算有效模式带宽的方法的实施例可以在FOTP 220标准(TIA-455-220-A，2003年1月)中找到，而在IEC 66793-1-41(FOTP-204，TIA-455-204-A，2013年10月)中描述了针对满注入条件而测量的带宽，其中这两者均通过引用而被并入本文。

为了使模式色散最小化，数据通信中所使用的多模光纤通常包括呈现如下的折射率的通常掺杂了锗的纤芯，其中该折射率从光纤中心向光纤中心与包层的接合部逐渐减小。通常，如下所述，通过已知为“α分布”的关系来给出折射率分布：

其中r≤R_core

其中：

n_core是光纤的光轴上的折射率；

r是相对于所述光轴的距离；

R_core是所述光纤的纤芯的半径；

Δ_core是表示光纤的纤芯和包层之间的折射率差的无量纲参数；以及

α是表示折射率分布的形状的无量纲参数。

在光信号在具有渐变折射率的这种纤芯中传播的情况下，不同的模式经历不同的传播介质，从而对这些模式的传播速度产生不同的影响。通过调整参数α的值，由此可以从理论上获得对于所有模式而言实际上均相等的组速度，并且由此可以从理论上获得针对特定波长的有所减小的模间色散。

然而，实际上，多模光纤被制造为：渐变折射率的中心纤芯被恒定折射率的外包层包围。因此，多模光纤的纤芯从不对应于理论上完美的阿尔法(α)分布，这是由于纤芯(具有α分布)与外包层(具有恒定的折射率)的界面使α分布中断。与较低阶模式相比，外包层使较高阶模式加速，并且在最高阶模式组内出现时间延迟的一些差异。这种现象被已知为包层效应。在DMD测量中，针对最高径向位置(即最靠近外包层)所获取到的响应呈现多个脉冲，这导致响应信号的时间扩展。因此，带宽由于包层效应而减小。

多模光纤的渐变折射率α形分布和纤芯-包层界面被优化为与可以直接电流调制以在850nm处支持10Gbps和25Gbps系统的GaAs VCSEL一起工作。针对目前使用的50μm和62.5μm多模光纤中的大多数，还保证了以1300nm使用的与LED源的向后兼容性。这种激光优化的高带宽50μm的多模光纤(也称为OM4光纤)的性能已由国际标准化组织在文献ISO/IEC11801以及TIA/EIA 492AAAD标准(2009年10月)中进行了标准化。

然而，企业网络中对带宽需求的激增正推动对更高的以太网速度的迫切需求。为了针对下一代400GbE系统进一步提高数据比特率，使用在1060nm附近以40-56Gb/s工作的InGaAs VCSEL，这看起来是一个有希望的解决方案，因为该方案将使得能够实现可靠性更高的更高速度、更低的工作温度和VCSEL的更低成本。此外，在该波长，如果渐变折射率α形分布被优化为以该特定波长进行工作，则由于模式组更少，因此光纤呈现更低的衰减、更低的色散和更高的潜在模式带宽。

尽管现在可以针对高速应用提出这种VCSEL，但是缺少针对以大于950nm的波长进行工作的这些VCSEL而优化的光纤。

此外，以大于850nm的波长工作存在降低光纤的宏弯曲性能的缺点。

本领域技术人员知道，在包层中添加被称为槽的具有凹陷折射率的区域使得能够通过改进纤芯内的光模式的限制来减少弯曲损耗。此外，槽的体积越大，弯曲损耗越低。然而，如果槽体积过大并且如果纤芯和槽之间的界面的设计不恰当，则槽会对带宽性能造成不利影响，尤其是在较长波长的情况下更是如此：这可能会损害光纤在1300nm处的后向兼容性。

本领域技术人员还非常清楚，使α形分布和纤芯-包层界面适应工作波长可以减少模间色散。然而，各制造商针对以850nm进行工作的弯曲不敏感50μm多模光纤所制订的设计规则不能仅通过改变渐变折射率纤芯的α值来适应，从而设计针对1060nm处或其附近的工作而优化的多模光纤。

在长于850nm的波长处并且特别是在1060nm附近，由于模式组更少，因此受纤芯-包层几何形状并且受槽直接影响的模式组的比例更大。因此，纤芯-包层几何形状的优化更加棘手，并且纤芯-包层几何形状对总带宽的影响增加。

用以改善1060nm处的弯曲损耗的解决方案包括设计纤芯直径更小(通常小于48μm)的光纤。然而，以相同的方式，对于小的纤芯半径，由于模式组更少，因此纤芯-包层几何形状对总带宽的影响也增加。此外，纤芯半径更小的光纤的缺点在于，在使用标准50μm多模光纤跳线时或者这些光纤必须与标准50μm多模光纤连接时的插入损耗更高。

专利文献WO 2015/126895描述了一种在扩展的波长范围内工作的多模光纤：该多模光纤包括折射率为Δ1、最大折射率德尔塔(Δ)为Δ1MAX、并且纤芯半径在11和23.75微米之间的渐变折射率玻璃纤芯；以及包围该纤芯的包括折射率Δ4的包层区域。该多模光纤在波长850nm处呈现至少3GHz·km的满带宽，并且在980和1060nm之间的一个或多个波长处呈现至少1.2GHz·km的满带宽。

该现有技术文献所提供的典型实施例表明，数值孔径和纤芯直径的低值使得多模光纤能够实现充分高的带宽。然而，如上所述，在两个光纤必须连接在一起时，小的纤芯半径会增加插入损耗。在这样的光纤需要连接在一起时，这些光纤的小纤芯半径使这些光纤对径向偏移更敏感。

因此，与该现有技术文献相比，期望提供关于连接损耗表现出改善性能的多模光纤。

专利文献WO 2013/181182描述了1310nm和/或1550nm窗口中的波分复用所使用的一个典型多模光纤的特征。该多模光纤包括具有41微米至80微米的范围内的直径的渐变折射率玻璃纤芯，其中该渐变折射率具有小于2.04的α和0.6％至1.8％之间的范围内的最大相对折射率。包层包括凹型折射率环形部分。该光纤在1200nm和1700nm之间的至少一个波长处具有大于2.5GHz·km的满带宽。

将期望提供相对于现有技术显示出改进、并且特别是针对在1060nm附近工作的InGaAs VCSEL所生成的高比特率(40-56Gb/s)的传输而优化的多模光纤。

发明内容

根据一些实施例，一种多模光纤，其包括光纤芯和包围所述光纤芯的外侧的光包层，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_core并且具有外半径R_core。所述光包层在其外边缘处具有折射率n_Cl，并且包括被称为槽的具有凹型折射率n_trench的区域，该区域相对于所述光包层具有负的折射率差Dn_t＝n_trench-n_Cl，所述槽具有宽度w₃。所述光包层还包括相对于所述光包层具有折射率差Dn₂的中间包层的区域，所述中间包层具有宽度w₂，并且位于所述光纤芯和所述槽之间且与所述光纤芯和所述槽接触。

这样的多模光纤具有在包括在1050nm和1070nm之间的工作波长λ_op处支持传播至少54个且最多68个LP模的模承载容量，这样的模承载容量由纤芯的数值孔径

和纤芯的外半径R_core之间的特定关系定义。

此外，所述光纤芯、所述中间包层和所述槽满足标准Cg_int<0.25，

其中，

其中：

R_core、w₂和w₃以微米为单位表示，

V_t＝π{(R_core+w₂+w₃)²-(R_core+w₂)²}*Dn_t是以μm²为单位表示的所述槽的体积，其中Dn_t>-5.5×10^-3，

以％为单位表示，以及

Dn₂、Dn_t和Δ_core是在波长λ＝633nm处测量的。

所述光纤芯具有外半径24μm≤R_core≤26μm，在包括在1050nm和1070nm之间的所述工作波长λ_op处，数值孔径NA在0.190和0.225之间，并且α的值在2.01和2.05之间。

因此，本发明依赖于多模光纤的新颖且具有创造性的方法。实际上，本发明提供了一种多模光纤，该多模光纤适用于使用发出1060nm处的光的VCSEL的高速应用，该多模光纤具有优化的纤芯-包层几何形状，并且在1060nm附近和在1300nm处都实现了低的插入损耗、低的弯曲损耗和大的满注入带宽。

更精确地，这样的多模光纤在1060nm附近的工作波长λ_op处具有54个LP模和68个LP模之间的重要模承载能力，其通过如由等式Eq.1给出的纤芯的数值孔径和纤芯外半径之间的特定关系定义：

其中：

是所述光纤芯在所述工作波长λ_op处的数值孔径，以及记号

代表地板函数、即小于或等于x的最大整数。将所支持的LP模的数量定义为在工作波长λ_op处(相对于包层折射率的)有效折射率差Dn_eff大于0.001(Dn_eff>0.001)的光纤中引导的LP模的数量。

这样的多模光纤还满足特定标准Cg_int<0.25，其中Cg_int提供了槽、纤芯和中间包层的参数之间的定义关系，以在1060nm附近实现高带宽和低弯曲损耗。实际上，多模光纤包括凹槽，这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。

最后，这样的多模光纤具有纤芯半径、纤芯的数值孔径和渐变折射率分布的α参数的值，从而使得该光纤能够保持与传统光纤的兼容性。

根据一些实施例，槽的体积V_t包括在-5.40μm²和-3.30μm²之间，并且优选在-5.40μm²和-3.60μm²之间。绝对值大于3.60μm²的槽体积确保了在7.5mm弯曲半径的两匝之后小于0.2dB的弯曲损耗。绝对值被限制为5.40μm²的槽体积限制了泄露模。

根据一些实施例，所述多模光纤具有在包括在1050nm和1070nm之间的工作波长λ_op处支持传播至少56个且最多64个LP模的模承载容量，所述模承载容量由如下关系定义：

根据一些实施例，所述槽的折射率差如下：Dn_t<-2×10^-3。

根据一些实施例，在包括在1050nm和1070nm之间的所述工作波长λ_op处，所述多模光纤(10)具有大于5000MHz·km的满注入带宽(OFL-BW)。

根据一些实施例，在波长λ＝1300nm处，所述多模光纤具有大于850MHz·km的满注入带宽(OFL-BW)。

根据一些实施例，在1060nm附近的所述工作波长λ_op处，所述多模光纤对于7.5mm弯曲半径的两匝具有宏弯曲损耗Max|BL|<0.2dB，其中BL是所述光纤中的不同导模的弯曲损耗，以及Max|BL|是所有导模的BL的最大绝对值。

本发明的实施例还涉及一种多模光学系统，其包括如上所述的多模光纤的至少一部分。

根据一些实施例，这样的光学系统所呈现的数据比特率在100m的长度上大于或等于10Gb/s，优选在300m的长度上大于或等于10Gb/s。

根据一些实施例，这样的光学系统所呈现的数据比特率在100m的长度上大于或等于25Gb/s。根据一些实施例，这样的光学系统所呈现的数据比特率在50m的长度上大于或等于50Gb/s。

根据一些实施例，这样的光学系统还包括另一个如前面所述的多模光纤的至少一部分，并且在至少两个部分以所述至少两个部分的光轴之间的径向偏移小于或等于两微米的状态彼此连接的情况下，所述至少两个部分之间的连接损耗在1060nm附近的所述工作波长λ_op处小于0.25dB。

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多模光纤的等距视图；

-图2以图形提供根据本发明实施例的多模光纤的例示性折射率分布；

-图3针对各种50μm多模光纤示出作为槽体积V_t的函数的7.5mm弯曲半径的两匝的弯曲损耗；

-图4A表示针对各种槽体积的、作为光纤长度的函数的MMF光纤的纤芯大小的建模结果；

-图4B表示作为槽体积的函数的、在根据由于在2m的光纤长度之后存在导模和泄漏模而产生的近场图案所推导出的纤芯大小和仅利用导模所计算出的纤芯大小之间的差；

-图5例示针对四个示例性光纤的、作为两个相同的MMF光纤的光轴之间的连接处的径向偏移的函数的这两个光纤之间的在工作波长λ_op＝1060nm处的插入损耗；

-图6例示作为槽的深度的函数的、在1060nm和1300nm这两者处的以MHz·km为单位表示的不同多模光纤的OFL带宽；

-图7例示包括至少一部分的根据本发明实施例的光纤的多模光学系统的示意图。

附图中的组件没有必要按比例绘制，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供针对由以1060nm进行工作的InGaAs VCSEL生成的高比特率的传输而优化的精心设计的槽辅助渐变折射率多模光纤，从而在维持与传统光纤的兼容性的同时，支持54到68个LP模并在1060nm附近实现高带宽和低弯曲损耗这两者。更确切地，这种设计的目的是优化渐变折射率纤芯和槽之间的界面，以在保持任何LP导模的弯曲损耗低、优选针对7.5mm弯曲半径的两匝低于0.2dB的同时，使所支持的LP模的数量增加到多达54个以上。

注意，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。LP_0p模具有两个偏振自由度并且是二重简并，并且m≥1的LP_mp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。

现在将详细参考在附图中例示了示例的多模光纤的实施例。只要有可能，在所有附图中将使用相同的附图标记来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多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包括四个邻接的同心区域，即：

·渐变折射率纤芯11，其具有外半径R_core；

·中间包层12，其具有内半径R_core、宽度w₂并因而具有外半径R_core+w₂；

·槽13，其具有宽度w₃并因而具有外半径R_core+w₂+w₃；

·外包层14，其具有折射率n_Cl。

在本发明的实施例中，玻璃纤芯11通常具有从约24μm至约26μm的零折射率差(即n(R_core)＝n_Cl)的半径R_core。在本文所示并说明的实施例中，纤芯11和包层通常包括二氧化硅、具体为二氧化硅玻璃。光纤10的截面可以是相对于纤芯11的中心大致圆对称的。在本文所述的一些实施例中，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，使得包层的外半径可以大于或小于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(例如，针对中间包层12)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，针对槽13)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。

尽管未在图1中示出，但外包层14也可以包括更低或更高折射率的其它部分或层。

图2描述根据本发明实施例的光纤10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)。在整个本文中，折射率差是在与用于评估光纤预制件的特征的设备的校准波长相对应的λ＝633nm处确定的。

在本实施例中，光纤10具有光纤芯11，该光纤芯11具有按照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；

·R_core是光纤芯外半径；

·Δ_core是光纤芯的归一化折射率差，其中

·n_Cl是与光包层的折射率相对应的光纤芯的最小折射率；

·n_core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11的α折射率分布使得能够减少光纤10的模间色散。光纤芯11具有半径R_core，在该半径R_core，当n(R_core)＝n_Cl时，纤芯相对于包层的折射率差等于0，其中n_Cl是外包层的折射率。光纤芯11也具有与外包层14的最大折射率差即Dn_core＝n_core-n_Cl。

光纤芯11被光包层直接包围，其中该光包层包括具有宽度w₂的中间包层12、具有宽度w₃的还称为槽的凹型折射率环13、以及外包层14。在一些实施例中，这种外包层14包括纯二氧化硅玻璃(SiO₂)，因而外包层14的折射率n_Cl是二氧化硅玻璃的折射率。

中间包层12相对于外包层的折射率具有折射率差Dn₂，并且槽13相对于外包层的折射率具有负的折射率差Dn_t＝n_trench-n_Cl。如以下将更详细地介绍，中间包层12和槽13的位置和大小被设计成降低连接的损耗并改善光纤的抗弯曲损耗、以及1060nm和1300nm这两者处的高带宽。

图3针对纤芯直径在47和53μm之间并且光纤芯的数值孔径

在0.185和0.215之间的各种50μm多模光纤示出了作为槽体积V_t的函数的7.5mm弯曲半径的两匝的弯曲损耗。在图3中，连续线链接在波长λ＝850nm处收集的数据，而虚线链接在波长λ＝1060nm处收集的数据。

图3所示的数据是根据符合描述光纤的宏弯曲损耗的测量过程的ISO IEC 60793-1-47(第3.0版,2009)(其通过引用而被并入本文)的要求的测量所收集的。

宏弯曲损耗测量的注入条件符合在ISO IEC 61280-4-1(第2.0版,2009)(其通过引用而被并入本文)中描述的注入条件，其中该注入条件描述了针对使用具有受控环型通量(EF)的源的光衰减的注入条件要求。EF是作为从纤芯的光学中心起的径向距离的函数的、累积近场功率相对于总输出功率的分数。定义了一组特定径向控制点的目标EF值。还可以定义一组特定径向控制点的EF值的上限和下限。符合注入是在特定径向控制点处落在模板内的注入。

在还通过引用而被并入本文的IEC 60793-2-10(第5.0版,2015)中描述了被优化为以850nm进行工作的50μm弯曲不敏感MMF(即，A1a.1b光纤和A1a.3b光纤)的规格。要求的宏弯曲损耗分别是对于具有37.5mm弯曲半径的100匝为0.5dB、对于具有15mm半径的两匝为0.1dB、并且对于具有7.5mm半径的两匝为0.2dB。在最具判别力的条件是针对7.5mm半径所获得的弯曲损耗水平的情况下，认为如果想要设计被优化为在1060nm附近进行工作的弯曲不敏感MMF，相同的弯曲损耗水平必须以1060nm为目标(即，对于7.5mm半径的两匝为0.2dB)。

根据图1和2的多模光纤的构造和折射率分布，可以以μm²为单位将槽的体积V_t表示为：

V_t＝π{(R_core+w₂+w₃)²-(R_core+w₂)²}*Dn_t。

如在图3上可以观察到，在工作波长λ＝1060nm处维持弯曲损耗低于0.2dB，这需要使槽的体积V_t与在850nm处所需的槽的体积V_t相比增大超过60％。

根据本发明的实施例，将槽体积V_t的绝对值设置为大于3.30μm²以确保在具有7.5mm弯曲半径的两匝之后在1060nm处弯曲损耗低于0.3dB，并且优选大于3.60μm²以确保在具有7.5mm弯曲半径的两匝之后在1060nm处弯曲损耗低于0.2dB。

尽管凹槽13通常改善了导模的抗弯曲性，但凹槽13也允许被称为“泄漏模”的附加模与期望的导模共同传播。这些泄漏模表现出被称为“泄漏损耗”的附加损耗。通常，更宽的凹槽使泄漏模的泄漏损耗降低。另外，凹槽越深(即，就绝对值而言，凹槽相对于外包层的负折射率差越大)，泄漏模的数量越多。泄漏模也存在于常规的MMF(即，在抗弯曲性方面无任何明显改进的MMF)内，但泄漏模的存在实际被忽视，因为这些泄漏模的泄漏损耗的水平极高。

这些附加泄漏模的有效折射率低于渐变折射率纤芯所保持的有效折射率。这使得与在根据众所周知的标准化IEC 60793-1-43(第2.0版本,2015)方法(其通过引用而被并入本文)的无凹槽的渐变折射率光纤中测量到的数值孔径相比、在包括凹槽的渐变折射率光纤中通过远场图案在2m处测量到的数值孔径增大。另外，泄漏模可能导致损坏利用IEC60793-1-20(第2.0版,2014)方法C(其通过引用而被并入本文)根据在2m长样本的输出处在满注入(OFL)下测量到的近场图案所推导出的纤芯大小。具有槽的纤芯大小可能看上去大于通过其渐变折射率纤芯宽度所预期的纤芯大小。

损坏的数值孔径和纤芯大小测量可能导致与纤芯大小和折射率分布的值Dn_core有关的错误结论，这些结论对于连接目的非常重要，因为这些结论确定导模的数量和形状。两个不同的渐变折射率光纤之间的导模在数量和形状方面的这种差异可能导致模失配，因此导致高拼接损耗或连接损耗。

作为例示，图4A表示在具有R_core＝25μm、Δ_core＝1％和各种槽体积V_t(还表示为V_trench)的不同MMF的不同光纤长度(2m至1000m)之后、在无曲线拟合的情况下使用IEC60793-1-20方法C根据在1060nm处以水平k＝2.5％(其中k是用于定义纤芯半径的阈值)所测量到的图案而直接推导出的纤芯大小的建模结果。槽的体积V_t(的绝对值)越大，达到稳定纤芯大小并消除泄漏模损坏所需的长度越长。图4B表示根据由于在2m之后存在导模和泄漏模而产生的近场图案所推导出的纤芯大小和仅利用导模所计算出的纤芯大小之间的差。如在图4B上可以观察到，发现-5.40μm2是V_t＝V_trench的最大体积，以将纤芯大小过高估计限制为1.0μm。

结果，根据本发明的实施例，并且为了限制泄漏模，槽13的体积V_t的绝对值被限制为5.40μm²。

此外，根据本发明的实施例，并且为了限制弯曲损耗，最大光纤芯外半径优选被限制为R_core≤26μm。

根据本发明实施例的多模光纤的精心设计还旨在当两个多模光纤连接在一起时实现小的插入损耗。

图5例示针对四个示例性光纤(即，与示例Ex.1、Ex.24、Ex.25和Ex.33相对应的示例性光纤，其中以下将在表2和表3中详述这些光纤的特征和参数)、作为两个相同MMF光纤的光轴之间的连接处的径向偏移的函数的这两个光纤之间在工作波长λ_op＝1060nm处的插入损耗。在850nm处根据IEC61280-4-1(第2.0版,2009)模板(其通过引用而被并入本文)已调整了芯轴设置以确保第一光纤中的EF(环型通量的缩写)注入，但在1060nm处应用芯轴设置(必须注意，1060nm处的注入条件尚未被标准化)。实际上，如针对前面关于图3所述的宏弯曲损耗测量那样，在工作波长λ_op＝1060nm处，应用IEC 61280-4-1标准中定义的用于描述使用具有受控环型通量(EF)的源的光衰减的注入条件要求的注入条件。

示例Ex.1的示例性光纤的纤芯半径是25μm；示例Ex.24的示例性光纤的纤芯半径是24.2μm；示例Ex.25的示例性光纤的纤芯半径是26μm；以及示例Ex.33的示例性光纤的纤芯半径是23.75μm。

如在图5上可以观察到，在两个连接光纤之间的径向偏移显著时，示例性光纤Ex.24和Ex.33中的较小纤芯半径引入显著的插入损耗。更一般地，纤芯半径越小，连接(或插入)损耗对径向偏移越敏感。在所连接的MMF光纤的光轴之间存在2μm的偏移的情况下，对于从26μm到23.75μm改变的光纤芯半径，插入损耗在0.15dB～0.27dB之间改变。

这种现象在考虑更为现实的情况(例如包括连接类型相同但具有如下纤芯半径的两个光纤，该纤芯半径根据具有标准偏差σ＝0.5μm以及在标称值附近的+/-1μm处的最小值和最大值的正态分布而改变)时得到进一步加强。

表1

考虑类型相同的两个光纤的连接，其中这两个光纤的光轴之间的径向偏移为2μm。表1的第一列指示光纤的类型(在示例性光纤Ex.1、Ex.24、Ex.25和Ex.33中)。表1的第二列针对各类型的光纤给出光纤芯半径R_core的标称值。认为纤芯半径根据以该标称值为中心具有标准偏差σ＝0.5μm以及在标称值附近的+/-1μm处的最小值和最大值的正态分布而改变。许多光链路是通过使同一类型的任意两个光纤级联所构建成的。表1的第三列针对给定类型的光纤(即Ex.1、Ex.24、Ex.25和Ex.33)给出表现出大于0.30dB的插入损耗的链路的比例。

如可以观察到，通过连接Ex.33类型的两个多模光纤所制成的光链路中的27％表现出大于0.30dB的插入损耗，这似乎是很重要的比例。

结果，为了限制将光纤连接在一起时的插入损耗，根据本发明实施例的最小光纤芯半径R_core优选被限制为24μm。

如已经论述的，在多模光纤的包层中添加凹型折射率的槽使得能够减少宏弯曲损耗。然而，对于给定的槽体积V_t，即使在光纤芯和槽之间存在优化的中间包层的情况下，更深的槽也趋于使多模光纤的满注入带宽(OFL-BW)劣化。换言之，设置槽的最小值和最大值对于多模光纤的优化和精心设计而言是不够的：设置槽的深度(以及因此设置槽的宽度)也很重要。

在通过引用而被并入本文的IEC 60793-1-41(FOTP-204，TIA-455-204-A，2013年10月)中对满注入带宽测量(OFL-BW)进行了标准化。注意，OFL-BW是源将光均匀地注入到多模光纤的所有模中的最初标准化的光纤带宽测量方法。该测量的注入条件与LED源的注入条件相似。因此，该测量方法给出在使用利用LED源的传统协议时的系统性能的良好指示。此外，在光纤的所有模被激发的情况下，OFL-BW测量使得能够区分渐变折射率纤芯相同但纤芯-包层几何形状不同的光纤，其中更高阶模强烈地依赖于纤芯-包层几何形状。

图6示出作为槽的深度Dn_t＝n_trench-n_Cl(X轴，以10^-3为单位表示)的函数的、在1060nm(左侧Y轴)和1300nm(右侧Y轴)这两者处以MHz·km为单位表示的不同多模光纤的OFL带宽。图6的测量所使用的MMF光纤示出图1的折射率分布，并且具有纤芯半径R_core＝25μm、纤芯的相对折射率Δ_core＝1％、槽体积V_t＝-4.08μm²(对应于针对本发明实施例所设置的上限V_t＝-3.30μm²和下限V_t＝-5.40μm²之间的大致中值)和为了使总带宽最大化而优化的中间包层(就宽度w₂和深度Dn₂而言)。

根据图6的结果，根据本发明的实施例，槽的负的折射率差Dn_t、即槽的深度被限制为Dn_{t min}＝-5.5×10^-3，从而保证1300nm处的OFL-BW在1000MHz·km附近以及1060nm处的OFL-BW在7000MHz·km附近。

最后，根据本发明的实施例，优化了具有深度Dn₂和宽度w₂的中间包层，使得链接到纤芯/包层界面的几何形状的标准Cg_int满足：

Cg_int＝|1000Dn₂-3.00+2.21w₂+0.290w₃+0.365(V_t/Δ_core)|+0.12(R_core-25)⁴<0.25

其中：Dn₂是在波长633nm处中间包层与外包层的折射率差，Dn_t是在波长633nm处槽与外包层的折射率差，Δ_core是在波长633nm处以％为单位的纤芯折射率，并且w₂和w₃分别是内包层和槽的以微米为单位的宽度。

根据本发明的实施例，根据等式Eq.1的公式，选择在工作波长λ_op为1060nm+/-10nm处的光纤芯外半径R_core和纤芯的数值孔径

从而给出在给定波长λ处光纤所支持的具有有效折射率差Dn_eff>0.001的LP模的数量，使得：

以下的表2概述了与本发明的实施例相对应的25个示例性光纤(命名为Ex.1～Ex.25)的特征，即：

-第一列给出示例性光纤的指代即Ex.1～Ex.25；

-第二列给出以微米为单位表示的光纤芯外半径R_core，并且包括在针对示例性光纤Ex.24的R_core＝24.20μm和针对示例性光纤Ex.25的R_core＝26μm之间；

-第三列给出以％为单位表示的纤芯归一化折射率Δ_core；

-第四列和第五列分别示出中间包层的以微米为单位表示的宽度w₂和以10^-3为单位表示的深度Dn₂；

-第六列和第七列分别示出槽的以微米为单位表示的宽度w₃和以10^-3为单位表示的深度Dn_t，而第八列给出以μm2为单位表示的槽体积V_t；

-列9和列10分别在1060nm和1300nm处提供以MHz·km为单位的OFL带宽；

-列11指示以dB为单位表示的针对弯曲半径为7.5mm的两匝在1060nm处的宏弯曲损耗；

-列12提供标准Cg_int的值；

-列13示出根据本发明实施例的MMF光纤所支持的LP模的数量。

表2

以下的表3概述了在本发明实施例的范围外的八个示例性光纤(命名为Ex.26～Ex.33)的特征。表3的结构与表2的结构相同，其中相同的列对应于多模光纤的相同特征，并具有相同的单位。

表3

在表3中，用粗体字打印的值对应于在本发明实施例的范围外的示例性光纤的特征。

与示例Ex.26、Ex.27、Ex.28、Ex.29相对应的多模光纤在本发明的范围外，这是因为用于优化中间包层的特征和设计的标准Cg_int高于阈值0.25：

-Cg_int(Ex.26)＝0.61>0.25；

-Cg_int(Ex.27)＝0.59>0.25；

-Cg_int(Ex.28)＝0.36>0.25；

-Cg_int(Ex.29)＝2.07>0.25。

换言之，对于中间包层，环宽度w₂和环折射率Dn₂未被良好地设计为纤芯折射率Δ_core、槽体积V_t和槽宽度w₃的函数。结果，工作波长λ_op＝1060nm的OFL带宽受到惩罚并且低于5000MHz·km：

-对于示例Ex.26，OFL-BW@1060nm＝2415MHz·km；

-对于示例Ex.27，OFL-BW@1060nm＝1375MHz·km；

-对于示例Ex.28，OFL-BW@1060nm＝1673MHz·km；

-对于示例Ex.29，OFL-BW@1060nm＝725MHz·km。

与示例Ex.30相对应的多模光纤由于槽过深、即槽相对于外包层的相对折射率差Dn_t过低(Dn_t＝-9.0x10^-3)，因而在本发明的范围外。结果，在波长λ＝1300nm处的OFL带宽受到惩罚并且低于850MHz·km(OFL-BW@1300nm＝570MHz·km)。

与示例Ex.31相对应的多模光纤由于用于优化中间包层的特征和设计的标准Cg_int高于阈值0.25：Cg_int(Ex.31)＝0.32>0.25，因而在本范明的范围外。槽体积V_t＝-3.23μm²的绝对值过小(在值-5.40μm²<V_t<-3.30μm²的范围外)，并且工作波长λ_op＝1060nm处的宏弯曲损耗过高(两匝的BL_R＝7.5mm@1060nm>0.2dB)。

与示例Ex.32和Ex.33相对应的多模光纤由于用于优化中间包层的特征和设计的标准Cg_int高于阈值0.25，因而在本发明的范围外：

-Cg_int(Ex.32)＝0.72>0.25；

-Cg_int(Ex.33)＝0.29>0.25。

对于示例Ex.32和Ex.33这两者，光纤芯外半径过小R_core<24μm(即，R_core(Ex.32)＝23.50μm并且R_core(Ex.33)＝23.75μm)，并且LP导模的数量过低(即，对于Ex.32而言为42个LP导模并且对于Ex.33而言为49个LP导模)，以确保良好连接性。这些光纤遭受高的连接损耗。

图7示出包括至少一部分的根据本发明的光纤的多模光学系统的示意图。这种光学系统包括利用包括至少一段光纤70₁、70₂的光链路70光学地连接的收发器71和接收器72。收发器71可以是以高比特率(例如，在波长1060nm处包括在40和56Gb/s之间)传输的VCSEL。如前面关于本发明的先前几个图所述，光链路70包括M段光纤70₁、70₂。在一个示例中，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。

在光链路70由至少两部分光纤70₁、70₂(这些光纤以它们的光轴之间的径向偏移小于或等于两微米的状态彼此连接)制成的情况下，这些部分的光纤70₁、70₂之间的连接损耗在1060nm附近的工作波长λ_op处小于0.25dB。

特别地，光纤链路70可以在100m的长度上呈现大于或等于10Gb/s的比特率。光学系统还可以在300m的长度上呈现大于或等于10Gb/s的速率。

根据本发明的光纤可有利地用在包括以1060nm进行工作的VCSEL的多模光学系统中，以使用高体积和低成本的制造工艺获得在波长1060nm处的宽带宽和低弯曲损耗。这种光学系统提供了能效和高比特率的双重优势。实际上，与以850nm进行工作的VCSEL的电力消耗相比，以1060nm进行工作的VCSEL的电力消耗大大降低。此外，将波长为1060nm的光源(例如，基于InGaAs半导体的VCSEL)与根据本发明的多模光纤相结合利用，这使得能够实现传输速度比当前可利用的传输速度明显更高的传输系统。

当然，本发明不限于通过示例说明的实施例。

特别地，增加折射率的掺杂物没有必要一定是锗。在变形例中，可以选择磷或铝。

Claims (15)

1.一种多模光纤(10)，其包括光纤芯(11)和包围所述光纤芯的外侧的光包层(14)，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(11)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具有最大折射率n_core并且具有外半径R_core，

所述光包层(14)在其外边缘具有折射率n_Cl，

所述光包层包括被称为槽的具有凹型折射率n_trench的区域(13)，该区域相对于所述光包层具有负的折射率差Dn_t＝n_trench-n_Cl，所述槽(13)具有宽度w₃，

所述光包层还包括相对于所述光包层具有折射率差Dn₂的中间包层(12)的区域，所述中间包层(12)具有宽度w₂并且位于所述光纤芯(11)和所述槽(13)之间且与所述光纤芯(11)和所述槽(13)接触，

其中，所述多模光纤(10)具有在包括在1050nm和1070nm之间的工作波长λ_op处支持传播至少54个LP模且最多68个LP模的模承载容量，所述模承载容量由所述光纤芯在所述工作波长λ_op处的数值孔径

和所述光纤芯的外半径R_core之间的特定关系来定义，

其中，所述光纤芯、所述中间包层和所述槽满足标准Cg_int＜0.25，

其中，

Cg_int＝|1000Dn₂-3.00+2.21w₂+0.290w₃+0.365(V_t/Δ_core)|+0.12(R_core-25)⁴

其中：

R_core、w₂和w₃以微米为单位表示，

V_t＝π{(R_core+w₂+w₃)²-(R_core+w₂)²}*Dn_t是以μm²为单位表示的所述槽的体积，

Dn_t＞-5.5×10^-3，

以％为单位表示，以及

Dn₂、Dn_t和Δ_core是在波长λ＝633nm处测量的，以及

其中，所述光纤芯具有外半径24μm≤R_core≤26μm，在所述工作波长λ_op处数值孔径NA在0.190和0.225之间，并且α的值在2.01和2.05之间。

2.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，所述槽(13)的体积V_t包括在-5.40μm²和-3.30μm²之间。

3.根据权利要求2所述的多模光纤，其中，所述槽(13)的体积V_t包括在-5.40μm²和-3.60μm²之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多模光纤，其中，所述光纤芯(11)在所述工作波长λ_op处的数值孔径

和所述光纤芯的外半径R_core之间的所述特定关系是：

5.根据权利要求1至3中任一项所述的多模光纤，其中，所述多模光纤(10)具有在包括在1050nm和1070nm之间的工作波长λ_op处支持传播至少56个LP模且最多64个LP模的模承载容量，所述模承载容量由如下关系定义：

6.根据权利要求1至3中任一项所述的多模光纤，其中，所述槽的折射率差如下：Dn_t＜-2×10^-3。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的多模光纤，其中，在所述工作波长λ_op，所述多模光纤(10)的满注入带宽即OFL-BW大于5000MHz·km。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的多模光纤，其中，在波长λ＝1300nm处，所述多模光纤(10)的满注入带宽即OFL-BW大于850MHz·km。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的多模光纤，其中，在所述工作波长λ_op，所述多模光纤(10)对于7.5mm弯曲半径的两匝具有宏弯曲损耗Max|BL|＜0.2dB，其中BL是所述多模光纤中的不同导模的弯曲损耗，以及其中Max|BL|是所有导模的BL的最大绝对值。

10.一种多模光学系统，其包括根据权利要求1至9中任一项所述的多模光纤(10)的至少一部分。

11.根据权利要求10所述的多模光学系统，其中，所述多模光学系统所呈现的数据比特率在100m的长度上大于或等于10Gb/s。

12.根据权利要求11所述的多模光学系统，其中，所述多模光学系统所呈现的数据比特率在300m的长度上大于或等于10Gb/s。

13.根据权利要求11所述的多模光学系统，其中，所述多模光学系统所呈现的数据比特率在100m的长度上大于或等于25Gb/s。

14.根据权利要求13所述的多模光学系统，其中，所述多模光学系统所呈现的数据比特率在50m的长度上大于或等于50Gb/s。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的多模光学系统，其中，所述多模光学系统还包括另一个根据权利要求1至9中任一项所述的多模光纤(10)的至少一部分，以及在至少这两部分以至少这两部分的光轴之间的径向偏移小于或等于2微米的状态彼此连接的情况下，至少这两部分之间的连接损耗在所述工作波长λ_op处小于0.25dB。

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