CN111007590B - 模分复用所用的弱耦合少模光纤和相应的光学传输系统 - Google Patents

模分复用所用的弱耦合少模光纤和相应的光学传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及模分复用所用的弱耦合少模光纤和相应的光学传输系统。少模光纤包括纤芯的形状类似梯形的折射率分布Δn(r)，光纤芯具有半径R1的中心部分和范围从半径R1到半径R2的过渡部分，其中R2>R1，其中R2在6.8μm和11.5μm之间，所述折射率分布由以下定义：纤芯折射率分布的面积分，其在180×10‑3μm和270×10‑3μm之间；过渡斜率S，其在1.7×10‑3μm‑1和12×10‑3μm‑1之间；其中，Δn1和Δn2分别是光纤芯的中心部分和与光纤芯邻接的包层部分相对于外光包层的折射率差。

Description

模分复用所用的弱耦合少模光纤和相应的光学传输系统
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nco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Δn。
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(通常在5μm～13μm内)的纤芯。为了满足高速或高比特率(例如，10Gbps)的应用的要求，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)和多住户单元(MDU)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中特别论述的这种少模光纤(FMF)支持至少两个线偏振(LP)模。
使用FMF的空分复用传输由于有可能使单模传输的容量增大将使用的模式的数量倍，因而近来受到极大关注。根据FMF的设计，所传输的空间模式可以耦合，从而受益于相对较低的累积组延迟。
FMF的一个设计方法在于使模式耦合(以下称为弱耦合FMF)最小化，使得与作为桥接长距离的限制因素其中之一的LP模的数量无关地，可以在无需多输入多输出(MIMO)技术的情况下或者使用简单的“2N×2N”的MIMO技术(例如，N是空间模式的总数，其等于1或2)来同时检测所有的LP模。因此，这种弱耦合FMF使得能够简化光信号的电子处理。
为了确保空间模式之间的质量耦合，弱耦合FMF被设计成使得后续空间模式之间的最小有效折射率差(以下称为Δneff min)(以下称为最小模间有效折射率差)具有可能的最高值。
增加在弱耦合FMF中实际可以使用的LP模的数量对于所传输的LP模的模式耦合和损耗而言是具有挑战性的问题。
在不减小Δneff min的情况下增加空间模式的数量的方式是增大纤芯折射率。然而，这将导致所传输的光信号的衰减增加，这将不是最佳的。
迄今为止，阶跃折射率纤芯分布已被证明非常适合于弱耦合FMF，因为这种分布使得能够获得以下两者之间的折衷：
-模间有效折射率差(其必须尽可能高：通常，在两个后续LP模之间，最小有效折射率差Δneff min高于0.9×10-3)，以便限制模式耦合；以及
-所有空间模式的有效面积Aeff(其必须尽可能大：通常，Aeff大于80μm2)，以便限制模内非线性。
例如，Bigot女士等人的标题为“Next-Generation Multimode Fibers for SpaceDivision Multiplexing”的出版物(2017年7月24日)公开了已被证明非常适合于弱耦合FMF的阶跃折射率纤芯分布的示例。实验折射率分布是在波长665nm处测量的。因而，由于该波长处的测量的分辨率不足，因此折射率阶跃分布的折射近场实验测量在该分布的顶部和基部是“平滑的”，这与具有直角拐角的表现过渡纤芯/包层的理论折射率阶跃分布相反。
除了光信号的衰减问题之外，设计者还观察到如阶跃折射率FMF那样的弱耦合FMF在空间模式之间遭受显著的衰减差异(也称为“差分模式衰减”即DMA，通常是在DMA>0.05dB/km时)，这严重影响了传输容量。在这种情况下，必须实现复杂的放大系统以补偿关联的损耗。更特别地，DMA影响模式依赖损耗，其中对于更高阶模，光学损耗最高。最高阶模的更高衰减的一个起因可能是这些最高阶模与包层模和泄漏模的耦合以及微弯效应。阶跃折射率分布中的对于最高阶模发生的非预期额外损耗的另一起因可能是小角度光散射效应(SALS)的相对较高的贡献。
通过限制高阶模与包层模和泄漏模的耦合来减少DMA的一个方法是作用于包层/纤芯界面处的折射率分布。例如，专利文献US 2016/0306108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、抵接该层的下掺杂(down-doped)槽、以及抵接该槽的未掺杂包层区域。该光纤的折射率分布被配置为支持至少九个LP模以传输空间复用的光信号。尽管这种设计通过使与非导模的耦合最小化而在DMA方面是有前途的，但这种设计不适合于低模式耦合FMF。实际上，渐变折射率纤芯分布使得能够将光纤所支持的LP模划分成模式组，其中一个模式组内的模式具有相同的有效折射率。因此，如果模式组之间的有效折射率差彼此足够远，则模式组之间的耦合可以低，但一个模式组内的不同LP模式强耦合。因而，该渐变折射率纤芯分布用于组合空间模式之间的低差分组延迟和低DMA这两者。然而，DMA和Δneff min之间的折衷不够优化(特别是在使用无MIMO或者利用需要LP模之间的低模式耦合的简单的(2×2或4×4)的MIMO技术的光学检测系统时)，并且需要复杂且昂贵的传输硬件。
因此，需要设计一种弱耦合FMF，其在LP模之间表现出足够高的有效折射率差，同时减少DMA，以便增加空间复用的光信号的传输容量。
发明内容
在本发明的一个特定实施例中，提出一种光纤，其包括由光包层包围的光纤芯，其中，所述光纤芯具有作为从所述光纤芯的中心起的径向距离r的函数的形状类似梯形的折射率分布Δn(r)，所述光纤芯具有半径R1的中心部分并且范围从所述半径R1到半径R2的过渡部分，其中R2＞R1，所述折射率分布由以下定义：
-面积分Acore，其被定义为如下：Acore＝2∫0 R2Δn(r)dr，
-过渡斜率S，其被定义为如下：
Figure BDA0002225612660000042
其中：
Δn1是所述光纤芯的中心部分相对于外光包层的折射率差；
Δn2是与所述光纤芯邻接的包层部分相对于所述外光包层的折射率差；以及
其中，
-所述面积分Acore在180×10-3μm和270×10-3μm之间；
-所述半径R2在6.8μm和11.5μm之间；
-所述过渡斜率S在1.7×10-3μm-1和12×10-3μm-1之间。
这种弱耦合少模光纤与现有技术的FMF光纤相比在空间模式之间表现出足够高的有效折射率差，同时保持差分模式衰减尽可能低。本发明依赖于光纤芯和包层之间的形状类似梯形的巧妙的折射率分布，其被设计为减少界面纤芯/包层处的扩散现象，从而显著地减少DMA的SALS分量。这种梯形形状使得能够减少FMF中的额外散射损耗。因此，本发明基于减少SALS贡献以减少DMA的用于FMF的折射率分布设计，而不是如在现有技术的解决方案中那样关注于不利于高阶模的衰减的在最高阶模和包层模之间的耦合效应。
这种方法还使得能够显著地改善高的模间有效折射率差和低的DMA之间的折衷。通常，这种弱耦合FMF使得能够获得等于或高于0.9×10-3的模间有效折射率差Δneff min与等于或低于0.05dB/km的DMA的组合。
根据特定特征，光纤芯的中心部分由面积分Acore定义，该面积分Acore由以下的等式定义：
Acore＝2∫0 R2Δn(r)dr＝(Δn1-Δn2)×(R1+R2)。
根据特定特征，折射率差Δn1在13×10-3和18×10-3之间。
根据特定特征，所述中心部分的半径相对于所述过渡部分的半径的比R1/R2在0.30和0.85之间。
这种比确保了在保持DMA尽可能低的同时，获得期望的弱模式耦合FMF。
根据另一特定特征，折射率差Δn2在-1×10-3和1×10-3之间，并且更特别的，折射率差Δn2在-0.5×10-3和0.5×10-3之间。
根据特别有利的特征，所述光纤芯的中心部分包括被称为内凹型纤芯的凹型折射率的区域，所述内凹型纤芯的范围从所述光纤芯的中心到半径R0并且具有相对于所述外光包层的折射率差Δn0，使得Δn1＞Δn0≥(Δn1-6×10-3)。
在光纤芯的中心部分中添加这种凹型折射率部分(内凹型纤芯)使得能够重新调整模间有效折射率差Δneff，以便确保在FMF中引导的空间模式之间的适当分离，由此与现有技术的FMF相比，增加空间复用的光信号的传输容量。
根据另一特定特征，所述内凹型纤芯具有面积分A0，并且在假定面积分Atrap作为无凹型纤芯的折射率分布的面积分的情况下，按照如下定义面积分A0和Atrap：
A0＝2∫0 R0(Δn1-Δn(r))dr
Figure BDA0002225612660000061
其中，比A0/Atrap低于或等于0.01。
因而，利用这样的比，DMA和模间有效折射率差之间的折衷得到进一步改善。
根据另一特定特征，所述过渡斜率S满足以下的不等式：
Figure BDA0002225612660000062
其中，J＝650×10-3μm-1，K＝-78×10-3μm-1，并且L＝4.0×10-3μm-1。
这样的分布使得能够获得等于或大于0.9×10-3的改进的模间有效折射率差Δneff min。
根据另一特定特征，所述过渡斜率S满足以下的不等式：
Figure BDA0002225612660000063
其中，J＝1900×10-3μm-1，K＝-209×10-3μm-1，并且L＝7.6×10-3μm-1。
这样的分布使得能够获得等于或大于1.3×10-3的进一步改进的模间有效折射率差Δneff min。
根据另一特定特征，所述过渡斜率S满足以下的不等式：
Figure BDA0002225612660000071
其中，J＝5800×10-3μm-1，K＝-580×10-3μm-1，并且L＝17×10-3μm-1。
这样的分布使得能够获得等于或大于1.5×10-3的甚至更进一步改进的模间有效折射率差Δneff min。
根据另一特定特征，所述光纤所引导的各线性偏振模具有有效面积Aeff，使得Aeff＞80μm2。
这样的有效面积限制了FMF中的模内非线性。
根据本发明的特定方面，在所述光纤中引导至少五个线性偏振模。
根据另一特定特征，所述光纤所引导的所有模式的差分模式衰减即DMA如下：DMA≤0.050dB/km，并且更特别地，DMA≤0.020dB/km。
根据另一特定特征，类似梯形的纤芯折射率分布的过渡部分包括至少一个掺杂材料，所述至少一个掺杂材料的浓度作为所述径向距离r的函数而从所述光纤芯的中心部分的浓度向着与所述光纤芯邻接的所述包层部分的浓度逐渐改变。
因而，应用一个或数个掺杂物的软过渡可用在光纤芯中，以产生纤芯折射率分布的过渡部分(其范围从半径R1到半径R2)。
根据另一特定特征，所述至少一个掺杂材料属于包括以下的组：氧化锗、氧化磷、氧化硼、氟、或影响二氧化硅的折射率的其它掺杂材料。
根据另一特定特征，所述光包层的折射率在1.437和1.458之间。
本发明的另一方面涉及一种光学系统，其包括至少一个如上文在本发明的任何实施例中所述的光纤。
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以图形描述根据本发明第一实施例的示例性弱耦合FMF的折射率分布；
-图2以图形描述根据本发明第二实施例的示例性弱耦合FMF的折射率分布；以及
-图3例示示出梯形折射率分布的过渡斜率以及比A0/Atrap对FMF的模间折射率差Δneff min的影响的图形。
具体实施方式
本发明的一般原理依赖于设计具有从光纤芯到包层的折射率分布的软过渡的FMF的新颖且创造性的方法，使得在保持弱耦合FMF的同时，显著地减少FMF中的额外光散射损耗。更确切地，这种设计的目的是优化光纤芯的折射率分布，以便FMF能够引导多个弱耦合空间模式(通常是最小模间有效折射率差Δneff min等于或大于0.9×10-3的至少五个LP模)，同时与现有技术的FMF相比具有更少的DMA(通常DMA低于0.05dB/km)。
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，或者引导六个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所示的示例的根据本发明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。
因此，本说明书提出了两个典型实施例以获得Δneff min和DMA之间的期望折衷：梯形折射率分布的弱耦合FMF和由内凹型纤芯辅助的弱耦合FMF。在本说明书中后面将详述第二实施例。
如本文所使用的，Δneff min是指在光纤中引导的两个后续LP模之间的有效折射率差的绝对值上的最小值，并且Δneff是给定LP模相对于包层折射率的有效折射率差。
Figure BDA0002225612660000091
无凹型纤芯的弱耦合FMF
图1描述根据本发明第一实施例的光纤的折射率分布n(r)。该折射率分布n(r)描述作为从光纤中心起的以微米为单位表示的径向距离r的函数的折射率差Δn的关系。x轴表示径向位置，其中x＝0表示光纤芯的中心，并且y轴表示被表示为折射率差Δn的折射率。如本文所使用的，术语“折射率差”不排除折射率差为零。
光纤具有由光包层包围的光纤芯和包围该包层的涂层。涂层可以包括数个层；例如，涂层可以是双层涂层。包层由与光纤芯邻接的中间部分以及外侧部分(也分别称为中间包层和外包层)这两部分形成。
在该特定实施例中，折射率分布具有梯形形状，并且该折射率分布(从光纤中心开始)呈现：
-光纤芯的中心部分，其具有半径R1和基本上恒定的相对于外包层的折射率差Δn1；
-光纤芯的环形部分，其中折射率以基本上线性的方式减小，直到从光纤芯的中心部分的折射率到中间包层的折射率的径向距离R2为止；
-中间包层，其具有半径R3和基本上恒定的相对于外包层的折射率差Δn2；
-外包层，其范围是从半径R3到FMF的玻璃部分的端部。
在整个本文中，上述的光纤芯的环形部分也被称为纤芯的类似梯形的折射率分布的“过渡部分”。
因而，光纤整体构成具有所谓的“类似梯形”分布的光纤。
由于图1所示的FMF的截面相对于光纤芯的中心呈圆对称，因此如此得到的纤芯的折射率分布具有等腰梯形形状(折射率分布相对于光纤芯的中心(y轴)具有对称形状)。
如上所述，纤芯的分布的中心部分相对于外包层(ncl)的折射率差Δn1基本上恒定，纤芯的分布的过渡部分相对于径向距离的折射率差基本上线性地减小。该线性减小是根据斜率S(所谓的“过渡斜率”)定义的，其中该斜率S由以下等式定义：
Figure BDA0002225612660000101
在下文，使用面积分来定义光纤分布的各截面或部分。术语“面”不应从几何上理解，而是应被理解为在具有两个维度的分布曲线下方的区域(这里以微米为单位表示)。
根据本发明，光纤芯的中心部分由面积分Acore定义，其中该面积分Acore由以下等式定义：
Acore＝2∫0 R2Δn(r)dr＝(Δn1-Δn2)×(R1+R2)
选择诸如半径R1和R2、折射率差Δn1和Δn2等的光纤参数，以使面积分Acore在预定范围的值内。
根据本典型实施例的FMF通常还具有以下的性质：
-纤芯的折射率分布的面积分Acore，其范围在180×10-3μm和270×10-3μm之间；
-中心部分的半径相对于过渡部分的半径的比R1/R2，其范围在0.30和0.85之间；
-过渡部分的半径R2，其范围在6.8μm和11.5μm之间；
-折射率差Δn1，其范围在13×10-3和18×10-3之间；
-折射率差Δn2，其范围在-1×10-3和1×10-3之间，并且更特别地在-0.5×10-3和0.5×10-3之间；
-过渡斜率S，其范围在1.7×10-3μm-1和12×10-3μm-1之间。
由于这些分布参数，因而根据本发明的FMF能够在表现出Δneff min和DMA之间的优化折衷的同时，引导至少五个LP模。这里，本发明的发明人发现，这样的分布参数使得能够获得低的模式耦合(即，增大的最小模间有效折射率差Δneff min)以及低的DMA。
“低的模式耦合”是指最小模间有效折射率差Δneff min≥0.9×10-3，并且“低的DMA”是指差分模式衰减DMA≤0.050dB/km。
这种梯形分布形状是通过光纤芯的从R1到R2的过渡部分中的一个或数个掺杂材料的浓度的逐渐变化来实现的。掺杂物浓度的逐渐变化基于(以上定义的)过渡斜率S的期望值。在本发明的上下文中可以使用许多掺杂物，例如，均允许增大折射率的锗和磷以及均允许减小折射率的硼和氟等。本领域技术人员将容易理解，(除氟以外的)这些掺杂物以氧化物的形式存在于二氧化硅基质中。因而，使用锗作为掺杂物意味着例如使用二氧化锗(GeO2)。
Figure BDA0002225612660000111
具有内凹型纤芯的弱耦合FMF
图2描述根据本发明第二实施例的光纤的折射率分布n(r)。图2与图1的不同之处在于：在FMF的折射率分布中存在大小巧妙的内凹型纤芯，以便保证光纤中所引导的LP模之间的适当分离。
如该图所示，纤芯分布的中心部分包括被称为内凹型纤芯的凹型折射率的区域，该内凹型纤芯的范围是从光纤芯的中心到半径R0，并且具有基本上恒定的相对于外包层(nc1)的折射率差Δn0，使得：Δn1＞Δn0≥(Δn1-6×10-3)。与现有技术的FMF相比，如图2所示在光纤芯的中心部分中添加这样的内凹型纤芯使得能够重新调整模间有效折射率差Δneff并且提高空间复用的光信号的传输容量。因此，在本典型实施例中，纤芯的梯形分布以某种方式被截断成其中心具有凹型折射率的区域，以改善FMF的模式耦合。这种槽的外半径R0例如在0.8μm和R1-0.8μm之间。
如本文所使用的，术语“内凹型纤芯”用于指定光纤中的折射率低于该光纤芯的中心部分的折射率的径向部分。
在下文，再次使用面积分来定义光纤分布的各截面或部分。术语“面”不应从几何上理解，而是应被理解为在具有两个维度的分布曲线下方的区域(这里以微米为单位表示)。
根据本发明，内凹型纤芯由如下的面积分A0定义：
A0＝2∫0 R0(Δn1-Δn(r))dr
现在将由以下的等式定义的面积分Atrap视为无槽型纤芯的折射率分布的面积分：
Figure BDA0002225612660000121
根据本发明的该特定实施例，光纤芯的中心部分由以下的面积分Acore定义：
Acore＝2∫0 R2Δn(r)dr＝Atrap-A0
选择面积分A0和Atrap，以使比A0/Atrap低于或等于0.01。利用这样的比，DMA和Δneff min之间的折衷得到更进一步的改善。
应当注意，在A0等于零的情况下选择的比恢复为表现第一实施例的折射率分布。还应注意，以上关于图1所论述的性质(R1/R2、R2、Δn1、Δn2、S)在这里同样适用于该第二典型实施例。
本发明的发明人进一步发现，斜率和比A0/Atrap对模间有效折射率差Δneff有影响，并且本发明人开发了以下的不等式，以保证在模式耦合低的情况下引导至少五个LP模，同时保持DMA低(即，DMA≤0.050dB/km)：
Figure BDA0002225612660000131
其中，J＝650×10-3μm-1，K＝-78×10-3μm-1，并且L＝4.0×10-3μm-1，以得到Δneff min≥0.9×10-3(称为“标准1”)；或者
其中，J＝1900×10-3μm-1，K＝-209×10-3μm-1，并且L＝7.6×10-3μm-1，以得到Δneff min≥1.3×10-3(称为“标准2”)；或者
其中，J＝5800×10-3μm-1，K＝-580×10-3μm-1，并且L＝17×10-3μm-1，以得到Δneff min≥1.5×10-3(称为“标准3”)。
可以在二氧化硅基质中使用掺杂物(例如，二氧化硼和/或氟等)，以使折射率相对于纤芯的中心部分的折射率(nco)减小，从而获得具有期望的折射率差Δn0的内凹型纤芯。纤芯的该部分相对于纤芯的中心部分是所谓的“下掺杂”。
可选地，折射率增大掺杂物(例如氧化锗和/或氧化磷等)的浓度在具有折射率差Δn0的内凹型纤芯中与在折射率差Δn1为R0～R1的纤芯中心部分中相比更小。
图3例示示出梯形折射率分布的过渡斜率S对FMF的Δneff min的影响的图形。该图形表现出作为面积分比A0/Atrap(x轴)的函数的梯形折射率分布的斜率S(y轴)的关系(x＝0表示第一典型实施例并且x＞0表示第二典型实施例)。曲线10、20和30表示通过利用分别给出以下的最小模间折射率差的光纤参数的数值模拟所获得的曲线：Δneff min≥0.9×10-3(实线)、Δneff min≥1.3×10-3(虚线)和Δneff min≥1.5×10-3(点线)。该图形上的黑点、黑圈和黑星是来自以下论述的表1的分别满足以下条件的示例：Δneff min≥0.9×10-3、Δneff min≥1.3×10-3和Δneff min≥1.5×10-3。
表1给出根据本发明的基于图1(Ex.1)和图2(Ex.2～Ex.12)的典型实施例的FMF的十二个示例的折射率分布的参数。这些分布参数是在波长633nm处确立的。以下表1、2、3和4中的“，”表示小数点“.”。例如，表1中的“5,54”表示“5.54”。
表1
Figure BDA0002225612660000141
应当注意，仅第一个示例(Ex.1)示出图1的示例(即，无凹型弱耦合FMF)，而十一个其它示例(Ex.2～Ex.12)示出图2的示例(即，内凹型纤芯的弱耦合FMF)。第十二个示例(Ex.12)示出与第七个示例(Ex.7)的梯形分布相同的梯形分布，但其折射率ncl为1.4411且折射率差Δn1接近二氧化硅的折射率差。后面在表2中设置利用这些分布参数获得的结果。
如以上关于本发明的背景部分所论述的，DMA影响模式依赖损耗，其中对于更高阶模，光学损耗最高。高DMA的一个起因可能是由于在更高阶模的有效折射率过于接近包层的折射率时、最高阶模与包层模或泄漏模的耦合。然而，在更高阶模和包层模之间的有效折射率差足够高(优选大于0.8x10-3)时，发明人将对于最高阶模发生的非预期额外损耗的起因归因于小角度光散射(SALS)贡献。对于在波长1550nm处在FMF中引导的各LP模，超过70％的损耗是由于瑞利散射造成的。其余的损耗一方面覆盖由吸收机制引起的损耗(连同由OH峰引起的损耗、红外损耗和紫外损耗一起)，另一方面覆盖由SALS引起的损耗。DMA被认为是在具有最高损耗的LP模和具有最低损耗的LP模之间的损耗(包括瑞利损耗、由吸收引起的损耗和SALS损耗)方面的差异。
本发明的目的其中之一是尽可能最大地减少DMA的SALS分量，以便增加FMF上的空间复用的光信号的传输容量。
已按照如下确立了用于评价FMF中所引导的各模式的损耗的SALS分量的参数(以dB/km为单位表示)：
Figure BDA0002225612660000151
其中，
Figure BDA0002225612660000152
r是从光纤芯的中心起的径向距离，θ是极坐标中的方位分量，并且Ei(r，θ)是在模i(mode i)的半径r和角度θ处的模场振幅分布。
设计具有非预期额外损耗(诸如Cel(modei)≤0.05dB/km或者甚至这样的Cel(modei)≤0.015dB/km等)的这种梯形折射率分布使得能够满足降低损耗和弱耦合FMF这两者的特定需求(如以下的表2所示)。
此外，为了限制模内非线性(并由此在FMF内保持良好的光学引导性质)，设计FMF的折射率分布以使得各导模的有效面积Aeff大于80μm2。
表2利用表1的FMF的十二个示例的折射率分布给出了特性Δneff min、DMA、以及针对光纤所引导的各LP模的非预期额外损耗系数Cel、由吸收和扩散损耗机制产生的总损耗TL、最大弯曲损耗BL(对于10mm的半径)以及有效面积Aeff。
如本文所使用的，除非另外说明，否则光纤的有效面积是在波长1550nm处传播光并且按所指定的模式确定的光纤的面积。按照如下定义模LPμv的有效面积
Figure BDA0002225612660000153
-在μ≠0的情况下：
Figure BDA0002225612660000154
其中：ψμv是模LPμv在半径r处(即，在横向于光纤且相对于光纤居中的轴系统中的点的极坐标中的极距r处)的模场振幅分布；以及
-在μ＝0的情况下：
Figure BDA0002225612660000161
表2还提供对各LP模的弯曲半径为10mm的每匝的弯曲损耗的评估。表2所示的弯曲损耗数据是根据符合通过引用而包含于此的IEC 60793-1-47(版本2.0)的要求的测量而收集的。为了适当地表征LP01模的宏弯曲损耗，可以在被测FMF的注入侧拼接两米部分的SMF，以滤除高阶模。对于高阶模，需要在FMF的输入和输出处使用模式转换器，以正确地评价期望模中的功率。尽管FMF的表征尚未标准化，但可以根据通过引用而包含于此的IEC 60793-1-40(版本1.0)标准(方法A)来测量LP01模的损耗。然而，为了适当地表征基模的损耗，可以在被测FMF的注入侧拼接两米部分的SMF，以滤除高阶模。对于高阶模，需要在FMF的输入和输出处使用模式转换器，以正确地评价期望模中的功率。
表2
Figure BDA0002225612660000162
Figure BDA0002225612660000171
Figure BDA0002225612660000181
如这里所示，由于(在表1中收集的)根据本发明所选择的分布参数，因而被测试的各FMF能够引导至少五个LP模式，其中Δneff min≥0.9×10-3，Cel≤0.015dB/km，并且DMA≤0.02dB/km。
表1和表2中的所有示例都满足以下的结构要求：
-面积分Acore在180×10-3μm和270×10-3μm之间；
-半径R2在6.8μm和11.5μm之间；
-折射率差Δn1在13×10-3和18×10-3之间；
-过渡斜率S在1.7×10-3μm-1和12×10-3μm-1之间。
在另一优选实施例中，包层的中间部分的半径R3的值如下：R3≥1.8×R2。
根据特定特征，外包层的折射率(nCl)被选择成接近二氧化硅的折射率。在另一典型实施例中，外包层的折射率(nCl)可被选择成在1.437和1.458之间，或者可选地，光纤芯的折射率被选择成接近二氧化硅的折射率以减少FMF的总损耗。因此，包层折射率(nCl)可以相对于二氧化硅折射率被下掺杂到-20×10-3为止，以便通过(由于低Ge或纯二氧化硅纤芯结构)减少瑞利贡献来提供超低损耗FMF。
现在参考表3，表3给出在本发明的范围外(即，不满足本发明的标准)的光纤的六个比较例(Comp.Ex.1～Comp.Ex.6)的折射率分布的参数。
表3
Figure BDA0002225612660000191
关于表2，表4利用以上表3的光纤的六个示例的折射率分布给出了特性Δneff min、DMA、以及针对光纤所引导的各LP模的非预期额外损耗系数Cel、由吸收和扩散损耗机制产生的总损耗TL、最大弯曲损耗BL(对于10mm的半径)以及有效面积Aeff。
表4
Figure BDA0002225612660000192
Figure BDA0002225612660000201
Comp.Ex.1是具有通过不满足“标准1”的斜率S所表征的梯形形状纤芯分布(A0/Atrap＝0)的光纤的示例。结果，LP21模和LP02模之间的Δneff min过小。
Comp.Ex.2是具有通过过大的斜率S所表征的存在凹型中心的梯形形状纤芯分布的光纤的示例。结果，纤芯-包层过渡对于最高阶模过于急剧，并且LP12和LP41的非预期额外损耗系数Cel是不可取的(Cel＞0.015dB/km)。
Comp.Ex.3是具有阶跃折射率分布的光纤的示例。模LP21、LP02、LP31、LP12和LP41的非预期额外损耗系数Cel由于大于0.02dB/km因而是不可取的。结果，DMA过高(DMA＞0.05dB/km)而不能满足光纤通信容量要求。
Comp.Ex.4是具有存在凹型中心部分的阶跃折射率分布的光纤的示例，其与Comp.Ex.3相比使得能够获得改进的足够高的最小模间有效折射率差(Δneff min＞1.5×10-3)，但非预期额外损耗过高(Cel＞0.02dB/km)。结果，DMA过高(DMA＞0.05dB/km)而不能满足光纤通信容量要求。
Comp.Ex.5是具有通过过小且不满足“标准1”的斜率S所表征的存在凹型中心的梯形纤芯形状分布的光纤的示例。结果，仅引导四个LP模，并且LP21模和LP02模之间的Δneff min过小。
Comp.Ex.6是具有通过不满足“标准1”的斜率S和大于0.1的比A0/Atrap所表征的存在凹型中心的梯形纤芯形状分布的光纤的示例。结果，LP02模和LP31模之间的Δneff min过小。

Claims (16)

1.一种光纤，其包括由光包层包围的光纤芯，其中，所述光纤芯具有作为从所述光纤芯的中心起的径向距离r的函数的梯形形状的折射率分布Δn(r)，所述光纤芯具有半径R1的中心部分并且范围从所述半径R1到半径R2的过渡部分，其中R2>R1，所述折射率分布由以下定义：
-面积分Acore，其被定义为如下：
Figure FDA0003937776590000011
-过渡斜率S，其被定义为如下：
Figure FDA0003937776590000012
其中：
Δn1是所述光纤芯的中心部分相对于外光包层的折射率差；
Δn2是与所述光纤芯邻接的包层部分相对于所述外光包层的折射率差；以及
其中，
-所述面积分Acore在180×10-3μm和270×10-3μm之间；
-所述半径R2在6.8μm和11.5μm之间；
-所述过渡斜率S在1.7×10-3μm-1和12×10-3μm-1之间；以及
-所述光纤芯的中心部分包括被称为内凹型纤芯的凹型折射率的区域，所述内凹型纤芯的范围从所述光纤芯的中心到半径R0并且具有相对于所述外光包层的折射率差Δn0，使得Δn1>Δn0≥(Δn1-6×10-3)，所述内凹型纤芯具有面积分A0，并且在假定面积分Atarp作为无凹型纤芯的折射率分布的面积分的情况下，按照如下定义面积分A0和Atrap：
Figure FDA0003937776590000013
Figure FDA0003937776590000014
其中，比A0/Atrap低于或等于0.01。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，折射率差Δn1在13×10-3和18×10-3之间。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述中心部分的半径相对于所述过渡部分的半径的比R1/R2在0.30和0.85之间。
4.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，折射率差Δn2在-1×10-3和1×10-3之间。
5.根据权利要求4所述的光纤，其中，折射率差Δn2在-0.5×10-3和0.5×10-3之间。
6.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述过渡斜率S满足以下的不等式：
Figure FDA0003937776590000021
其中，J＝650×10-3μm-1，K＝-78×10-3μm-1，并且L＝4.0×10-3μm-1。
7.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述过渡斜率S满足以下的不等式：
Figure FDA0003937776590000022
其中，J＝1900×10-3μm-1，K＝-209×10-3μm-1，并且L＝7.6×10-3μm-1。
8.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述过渡斜率S满足以下的不等式：
Figure FDA0003937776590000023
其中，J＝5800×10-3μm-1，K＝-580×10-3μm-1，并且L＝17×10-3μm-1。
9.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤所引导的各线性偏振模具有有效面积Aeff，使得Aeff>80μm2。
10.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，引导至少五个线性偏振模。
11.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤所引导的所有模式的差分模式衰减即DMA如下：DMA≤0.050dB/km。
12.根据权利要求11所述的光纤，其中，DMA≤0.020dB/km。
13.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，梯形的纤芯折射率分布的过渡部分包括至少一个掺杂材料，所述至少一个掺杂材料的浓度作为所述径向距离r的函数而从所述光纤芯的中心部分的浓度向着与所述光纤芯邻接的所述包层部分的浓度逐渐改变。
14.根据权利要求13所述的光纤，其中，所述至少一个掺杂材料属于包括氧化锗、氧化磷、氧化硼和氟的组。
15.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光包层的折射率在1.437和1.458之间。
16.一种光学传输系统，其包括至少一个根据权利要求1至15中任一项所述的光纤。
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