CN116194811A - 多纤芯光纤 - Google Patents

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S·R·别克汉姆
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Abstract

具有低弯曲损耗、低串扰和大模场直径的多纤芯光纤。在一些实施方式中，圆形多纤芯光纤包括：玻璃基质；布置在玻璃基质中的至少3根纤芯，其中，任意两根纤芯具有小于29微米的纤芯中心‑纤芯中心间距；以及置于对应纤芯与玻璃基质之间的多个凹陷层，每个凹陷层具有小于或等于14微米的外半径和大于50％Δ微米2的凹陷体积；其中，光纤具有1310nm处大于约8.2微米的模场直径，以及其中，光纤具有小于约130微米的外直径。

Description

多纤芯光纤
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119，要求2020年7月22日提交的美国临时申请系列第63/054,941号的优先权权益，本文其内容作为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本公开内容涉及多纤芯光纤，具体来说，涉及具有低弯曲损耗、低串扰和大模场直径的多纤芯光纤。
背景技术
多纤芯光纤是在包层基质中嵌入了多根纤芯的光纤。
多纤芯光纤对于许多应用具有吸引力，包括它们用于增加光纤密度来克服光缆尺寸限制以及无源光网络(“PON”)系统中的管道拥塞问题。使用它们用于高速光学互联也是诱人的，其中，存在对于增加光纤密度以实现紧凑高光纤数量连接器的需求。为了多纤芯光纤的高性能，必需具有低损耗、低弯曲损耗、低串扰和大模场，与标准单模光纤良好匹配。
因此，发明人开发了具有低弯曲损耗、低串扰和大模场直径的改良多纤芯光纤。
发明内容
在本文公开的第1个实施方式中，圆形多纤芯光纤包括：具有前端面、后端面、长度、折射率n20以及中心轴的玻璃基质；布置在玻璃基质中的至少3根纤芯，每根纤芯具有沿着玻璃基质的至少一个直径放置的中心，以及其中，任意两根纤芯具有小于29微米的纤芯中心-纤芯中心间距，其中，纤芯位置大致平行于中心轴位于前后端面之间且具有各自的折射率n50，其中，n50>n20，其中，每根纤芯和玻璃基质限定了波导；以及多个凹陷层，其中，每个凹陷层的位置在对应的纤芯与玻璃基质之间，每个凹陷层具有小于或等于14微米的外半径以及大于50％Δ微米2的凹陷体积；其中，光纤具有1310nm处大于约8.2微米的模场直径，以及其中，光纤具有小于约130微米的外直径。
本公开内容的第2个实施方式可以包括第1个实施方式，其中，光纤包含4根纤芯，以及其中，每根纤芯的中心沿着玻璃基质的第一直径放置。
本公开内容的第3个实施方式可以包括第1个实施方式，其中，光纤包含5根纤芯，以及其中，第一纤芯和第二纤芯的中心沿着玻璃基质的第一直径放置，以及其中，第三纤芯和第四纤芯的中心沿着与第一直径垂直相交的玻璃基质的第二直径放置，以及其中，第五纤芯的中心位于第一直径与第二直径的相交处。
本公开内容的第4个实施方式可以包括第1至第3个实施方式，其中，光纤具有约125微米的直径。
本公开内容的第5个实施方式可以包括第1至第4个实施方式，其中，所述多根纤芯是至少4根纤芯。
本公开内容的第6个实施方式可以包括第1至第4个实施方式，其中，所述多根纤芯是至少8根纤芯。
本公开内容的第7个实施方式可以包括第1至第6个实施方式，其中，每根纤芯的直径是约5微米至约27微米。
本公开内容的第8个实施方式可以包括第1至第7个实施方式，其中，光纤具有1310nm处大于8.5微米的模场直径。
本公开内容的第9个实施方式可以包括第1至第7个实施方式，其中，光纤具有1310nm处大于8.6微米的模场直径。
本公开内容的第10个实施方式可以包括第1至第9个实施方式，其中，每个凹陷层的外半径小于或等于约13微米。
本公开内容的第11个实施方式可以包括第1至第9个实施方式，其中，每个凹陷层的外半径小于或等于约12.5微米。
本公开内容的第12个实施方式可以包括第1至第11个实施方式，其中，凹陷体积大于55％Δ微米2。
本公开内容的第13个实施方式可以包括第1至第11个实施方式，其中，凹陷体积大于60％Δ微米2。
本公开内容的第14个实施方式可以包括第1至第11个实施方式，其中，凹陷体积大于65％Δ微米2。
本公开内容的第15个实施方式可以包括第1至第14个实施方式，其中，从纤芯的边缘到玻璃基质的边缘的距离是4微米或更小。
本公开内容的第16个实施方式可以包括第1至第14个实施方式，其中，从纤芯的边缘到玻璃基质的边缘的距离是3.5微米或更小。
本公开内容的第17个实施方式可以包括第1至第16个实施方式，其中，光纤的串扰小于约-30dB。
本公开内容的第18个实施方式可以包括第1至第16个实施方式，其中，光纤的串扰小于约-35dB。
本公开内容的第19个实施方式可以包括第1至第16个实施方式，其中，光纤的串扰小于约-40dB。
本公开内容的第20个实施方式可以包括第1至第19个实施方式，其中，玻璃基质中的任意两根光纤之间的1310nm处的损耗差异小于约0.1dB/km。
本公开内容的第21个实施方式可以包括第1至第20个实施方式，其中，玻璃基质中的每根光纤在1310nm处的最大损耗是约0.32dB/km至约0.45dB/km。
本公开内容的第22个实施方式可以包括第1至第21个实施方式，其中，玻璃基质中的任意两根光纤之间的1310nm处的模场直径差异小于0.3微米。
在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。要理解的是，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
附图说明
所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与详细描述一起用来解释各种实施方式的原理和操作。因此，结合附图，通过以下详细描述会更好地理解本公开内容，其中：
图1是根据本公开内容一些实施方式的示例性多纤芯光学纤维(“多纤芯光纤”)的等距前视图；
图2是根据本文一些实施方式的图1的多纤芯光纤在前端面处的一部分的放大横截面图，并且显示了一起限定了波导的纤芯与围绕包层中的至少一个，以及还显示了在纤芯内的主要传播导模；
图3是根据本文一些实施方式的示例性多纤芯光纤的示意性横截面，其包括围绕主包层的外包层，所述主包层包围了多纤芯；
图4显示根据本文所述一个或多个实施方式的多纤芯光纤的纤芯部分、内包层区域和下陷包层区域；
图5A-5B是根据本公开内容一些实施方式的示例性多纤芯光纤的折射率分布；
图6显示根据本公开内容一些实施方式的光纤的串扰与纤芯间距关系图；以及
图7A-7C显示根据本公开内容一些实施方式的多纤芯光纤的示例性构造。
具体实施方式
下面详细描述本公开内容的各种实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同或类似的附图标记和符号来表示相同或类似的部分。附图不一定成比例，并且本领域技术人员会理解对附图做出简化以显示本公开内容的关键方面。
如下所附的权利要求书结合在该具体实施方式中并构成其部分。
在本文件中，关系术语，例如第一和第二、顶部和底部等，仅仅用于将一个实体或行为与另一个实体或行为区分开来，没有必然要求或暗示此类实体或行为之间的任何实际的此类关系或顺序。
本领域技术人员会理解的是，所述公开内容和其他组分的构建不限于任何具体材料。除非本文另有说明，否则本文所揭示的本公开内容的其他示例性实施方式可以由宽范围的各种材料形成。
当涉及径向坐标“r”使用时，“径向位置”和/或“径向距离”指的是相对于多纤芯光纤中的每个单独纤芯部分的中心线(r＝0)的径向位置。当涉及径向坐标“R”使用时，“径向位置”和/或“径向距离”指的是相对于多纤芯光纤的中心线(R＝0，中心光纤轴)的径向位置。
长度尺度“微米”在本文中可以被称作微米(micron)(或者微米(microns))或μm。
如本文所用，“折射率分布”是折射率或者相对折射率与距离多纤芯光纤的每个纤芯部分的纤芯部分的中心线的径向距离r之间的关系。对于本文所示的在各个区域之间具有相对锋利边界的相对折射率分布，加工条件中的正常变化可能导致相邻区域的界面处的并非锋利的步阶状边界。要理解的是，虽然本文可能将折射率分布的边界显示为折射率的阶梯式变化，但是实践中，边界可能是圆化的或者任意其他方式偏离完美阶梯式功能特性。还要理解的是，在纤芯区域和/或任意包层区域内，相对折射率值可能随着径向位置发生变化。当在光纤的特定区域(纤芯和/或任意包层区域)内，相对折射率随着径向位置发生变化时，它可以用其实际或近似的函数依赖性表示，或者以适用于该区域的平均值进行表示。除非另有说明，否则如果区域(纤芯区域和/或任意内包层区域和/或共用包层区域)的相对折射率表述为单值，则要理解的是，区域内的相对折射率是恒定或者近似恒定的，并且对应该单值，或者该单值表示依赖于区域内的径向位置的非恒定的相对折射率的平均值。无论是通过设计还是正常制造变化的结果，相对折射率对于径向位置的依赖性可能是倾斜的、弯曲的、或者任意其他方式非恒定的。
如本文所用，相对于多模光纤以及多模光纤的光纤纤芯的“相对折射率”或者“相对折射率百分比”根据等式(1)定义如下：
Figure BDA0004129319050000051
除非另有说明，否则的话，式中，n(r)是1550nm波长时距离纤芯的中心线为径向距离r处的折射率，并且nc是1.444，这是未掺杂的二氧化硅玻璃在1550nm波长处的折射率。除非另有说明，否则，如本文所用的相对折射率用Δ(或“Δ”)或者Δ％(或“Δ％”)表示，并且其数值的单位是“％”或“％Δ”。相对折射率也可以表示为Δ(r)或Δ(r)％。当区域的折射率小于折射率nc时，则该相对折射率是负的，并且可以被称作凹陷。当区域的折射率大于参比折射率nc时，则该相对折射率是正的，并且该区域可以被称为是提升的或者具有正折射率。
多纤芯光纤中的区域的平均相对折射率可以根据等式(2)定义如下：
Figure BDA0004129319050000052
式中，r内是区域的内半径，r外是区域的外半径，以及Δ(r)是区域的相对折射率。
术语“α-分布”(本文也称作α分布)指的是区域(例如，纤芯区域)的相对折射率分布，其表述为Δ(r)，单位是“％”，其中，r是半径。纤芯的α-分布(其在本文中定义为纤芯α或者α纤芯)满足如下等式(3)：
Figure BDA0004129319050000061
式中，ro是Δ(r)为最大值的点，r1是Δ(r)％为零的点，以及r的范围是ri≤r≤rf，式中，ri是α-分布的起点，rf是α-分布的终点，并且α是实数。在一些实施方式中，本文所示的例子可以具有如下纤芯α：1≤α≤100。在实践中，对于实际的光纤，即使当目标分布是α分布时，仍然可能出现与理想配置存在一定的偏差水平。因此，可以通过测量的折射率分布的最佳拟合来获得光纤的α参数，这是本领域已知的。
术语“分级折射率分布”指的是这样的α-分布，其中，α<10。术语“步阶状折射率分布”指的是这样的α-分布，其中，α≥10。
对于给定模式，理论光纤截止波长或者“理论光纤截止”或“理论截止”是高于该波长导光就无法以该模式发生传播的波长。数学定义可参见“单模光纤光学件(Single ModeFiber Optics)”，Jeunhomme，第39-44页，Marcel Dekker，纽约，1990，其中，将理论光纤截止描述为模式传播常数变得等于外包层中的平面波传播常数的波长。这种理论波长适用于不具有直径变化的无限长的完美直光纤。
光纤截止采用标准2m光纤截止测试(FOTP-80(EIA-TIA-455-80))测量，得到“光纤截止波长”，也被称作“2m光纤截止”或者“测量截止”。通过进行FOTP-80标准测试从而使用受控量的弯曲提取出较高级的模式，或者将光纤的光谱响应标准化至多模光纤的光谱响应。
本文中，可以通过如IEC-60793-1-47标准(“Optical fibres-Part1-47:Measurement methods and test procedures-Macrobending loss.”(光纤：1-47部分：测量方法和测试方案：宏弯曲损耗)”)所规定的指定测试条件下的诱发衰减来度量光纤的抗弯曲性，表述为“弯曲损耗”。例如，测试条件可以包括将光纤绕着规定直径的心轴部署或缠绕一圈或多圈，例如，绕着15mm、20mm或30mm或者类似直径的心轴缠绕1圈(例如，“1×15mm直径弯曲损耗”或者“1×20mm直径弯曲损耗”或者“1×30mm直径弯曲损耗”)并测量每圈的衰减增加。
如本文所用，术语“衰减”是光学功率随着信号沿着光纤传送时的损耗。根据IEC60793-1-40:2019标准(题为“Optical fibres-Part 1-40:Attenuation measurementmethods.(光纤：1-40部分：衰减测量方法)”)规定来测量衰减。
“正掺杂剂”是添加到进行研究的组分玻璃的这样一种物质，其具有相对于纯的未掺杂二氧化硅使得折射率提升的倾向性。“负掺杂剂”是添加到进行研究的组分玻璃的这样一种物质，其具有相对于纯的未掺杂二氧化硅使得折射率下降的倾向性。正掺杂剂的例子包括：GeO2(氧化锗)、Al2O3、P2O5、TiO2、Cl、Br以及碱金属氧化物(例如，K2O、Na2O、Li2O、Cs2O、Rb2O)及其混合物。负掺杂剂的例子包括氟和硼。
术语多纤芯光纤中的“串扰”是从一个纤芯部分到另一个相邻的纤芯部分的功率泄漏程度的测量。如本文所用，术语“相邻的纤芯部分”指的是与参考纤芯部分最接近的纤芯。在实施方式中，所有纤芯部分可以彼此等距间隔开，这意味着所有的纤芯部分彼此相邻。在其他实施方式中，纤芯部分可以没有彼此等距间隔开，这意味着一些纤芯部分会相比于与参考纤芯部分间隔开的相邻纤芯部分更远离参考纤芯部分。可以基于耦合系数来确定串扰，这取决于：纤芯部分的折射率分布设计，这两个相邻纤芯部分之间的距离，围绕这两个相邻纤芯部分的包层的结构，以及Δβ，其取决于这两个相邻纤芯部分之间的传播常数β值(例如，如本文所述，具有以最小纤芯-纤芯分隔距离间隔开的中心线的两个纤芯部分)。对于具有以功率P1发射进入到第一纤芯部分的两个相邻纤芯部分，则从第一纤芯部分耦合到第二纤芯部分的功率P2可以采用如下等式(4)通过耦合模理论确定：
Figure BDA0004129319050000071
式中，<>表示平均值，L是光纤长度，κ是这两根纤芯的电场之间的耦合系数，ΔL是光纤的长度，Lc是相关长度，以及g由如下等式(5)给出：
Figure BDA0004129319050000072
式中，Δβ是当它们被隔离开的情况下，这两个相邻纤芯部分中的LP01模之间的传播常数的失配情况。然后采用如下等式(6)确定串扰(单位为dB)：
Figure BDA0004129319050000073
两个相邻纤芯部分之间的串扰随着光纤长度在线性标尺(等式(5))中以线性增加，但是并没有随着光纤长度在dB标尺(等式(7))中以线性增加。如本文所用，串扰性能参照的是光纤100km长度L的光纤。然而，也可以相对于替代光纤长度(以适当缩放)来表示串扰性能。对于不是100km的光纤长度，纤芯之间的串扰可以采用如下等式(7)确定：
Figure BDA0004129319050000081
例如，对于10km长度的光纤，可以通过将100km长度光纤的串扰值增加“-10dB”来确定串扰。对于1km长度的光纤，可以通过将100km长度光纤的串扰值增加“-20dB”来确定串扰。
用于确定多纤芯光纤中的纤芯之间的串扰的技术可以参见：M.Li等人的“CoupledMode Analysis of Crosstalk in Multicore fiber with Random Perturbations(具有随机扰动的多纤芯光纤中的串扰的耦合模分析)”，光纤通信会议，OSA技术摘要(在线)，美国光学协会，2015年，论文W2A.35；以及Shoichiro Matsuo等人的“Crosstalk behavior ofcores in multi-core portion under bent condition(弯曲状态下的多纤芯部分中的纤芯的串扰行为)”，IEICE电子快报，第8卷，第6期，第385-390页，2011年3月25日公开；以及Lukasz Szostkiewicz等人的“Cross talk analysis in multicore optical fibers bysupermode theory(通过超模理论对多纤芯光纤进行串扰分析)”，光学学报，第41卷，第16期，第3759-3762页，2016年8月15日公开，它们的内容全都以全文引用方式结合入本文。
如本文所用，短语“耦合系数”κ涉及的是当两个纤芯彼此靠近时的电场重叠。耦合系数的平方κ2涉及的是纤芯m中的平均功率，其受到多纤芯光纤中的其他纤芯中的功率的影响。可以采用耦合功率表理论，通过M.Koshiba、K.Saitoh、K.Takenaga和S.Matsuo在“Analytical Expression of Average Power-Coupling Coefficients for EstimatingIntercore Crosstalk in Multicore fibers(估算多芯光纤中芯间串扰的平均-功率耦合系数的解析表达式)”，IEEE光子学期刊，4(5)，1987-95(2012)，以及T.Hayashi、T.Sasaki、E.Sasaoka、K.Saitoh和M.Koshiba在“Physical Interpretation ofIntercore Crosstalkin Multicore fiber:Effects of Macrobend,Structure Fluctuation,and Microbend(多纤芯光纤中的芯间串扰的物理解释：宏弯曲、结构波动和微弯曲的影响)”，光学快报，21(5)，5401-12(2013)中公开的方法进行估算，它们的内容全都以全文引用方式结合入本文。
“凹陷体积”定义如下：
Figure BDA0004129319050000091
式中，r凹陷,内是折射率分布的凹陷区域的内半径，r凹陷,外是折射率分布的凹陷区域的外半径，Δ凹陷(r)是折射率分布的凹陷区域的相对折射率，以及r是光纤中的径向位置。凹陷体积是绝对值并且是正数，在本文中表述的单位如下：％Δ微米2、％Δ-微米2、％Δ-μm2或％Δμm2，这些单位在本文中可互换使用。凹陷区域在本文中也被称作下陷折射率包层区域，并且凹陷体积在本文中也被称作V3。
光纤的“模场直径”或“MFD”由等式(9)定义：
Figure BDA0004129319050000092
式中，f(r)是导光学信号的电场分布的横向分量，r是光纤中的径向位置。“模场直径”或“MFD”依赖于光学信号的波长，并且在本文中记录的是1310nm、1550nm和1625nm波长的情况。当本文涉及模场直径时，会具体指出波长。除非另有说明，否则模场直径指的是具体波长处的LP01模式。
光纤的“有效面积”的定义如等式(10)：
Figure BDA0004129319050000093
式中，f(r)是导光学信号的电场的横向分量，r是光纤中的径向位置。“有效面积”或者“Aeff”取决于光学信号的波长，并且要理解的是，在本文中指的是1550nm波长的情况。
除非另外说明，否则在本文中，将“色散”称作“分散”，光纤的色散是材料色散、波导色散和模间色散之和。“材料色散”指的是用于光学纤芯的材料的折射率影响纤芯内的不同光波长发生传播的速度的方式。“波导色散”指的是由于光纤的纤芯和包层的不同折射率所导致的色散。对于单模波导光纤，模间色散为零。双模体质中的色散值假设模间色散的色散值为零。零色散波长(λ0)是色散值等于零的波长。色散斜率表示色散相对于波长的变化率。在本文中，如注意到的那样，记录的是色散和色散斜率是1310nm或1550nm波长处的，并且分别用单位ps/nm/km和ps/nm2/km表述。根据IEC 60793-1-42:2013标准(“Opticalfibres-Part 1-42:Measurement methods and test procedures-Chromatic dispersion(光纤：1-42部分：测量方法和测试方案：色散)”)来测量色散。
本文所用的方向术语，例如上、下、右、左、前、后、顶、底，仅仅是参照绘制的附图而言，并不用来暗示绝对的取向。
图1是根据本公开内容一些实施方式的示例性多纤芯光纤的示意图。多纤芯光纤10具有：中心轴AC(多纤芯光纤10的中心线，显示为沿着z方向，定义了径向位置R＝0)，前端面12，后端面14，以及外表面16。多纤芯光纤10具有直径DF和轴向长度L，这是在前端面12与后端面14之间测量的。在一些实施方式中，光纤的外直径DF小于约160微米，优选小于约130微米，更优选约为125微米。在一些实施方式中，光纤的外直径DF是约120微米至约130微米。
多纤芯光纤10包括透明电介质基质20，在其中形成或嵌入了多个纤芯部分50，所述多个纤芯部分50以纵向(即，大致平行于中心轴AC)延伸，并且在前端面12与后端面14之间延伸。在一些实施方式中，多纤芯光纤10的中心轴AC也是玻璃基质20的中心轴。
在一些实施方式中，透明电介质基质20由玻璃制造，并且因而在下文被称作“玻璃基质”20。光纤10的纤芯部分50完全位于玻璃基质20中。出于简化阐述考虑，图1显示3根纤芯50。在示例性多纤芯光纤10的一个实施方式中，纤芯50由嵌入玻璃基质20中的实心材料制造，所述玻璃基质20起到纤芯的共用包层的作用，在该情况下，玻璃基质也被称作“包层”20或者“共用包层”20。
包层20具有折射率n20而纤芯50具有折射率n50，其中，n50>n20，从而使得多根纤芯和围绕的共用包层一起限定了多个波导WG(参见图2)，其中，波导的数量与纤芯的数量相同。
图2是多纤芯光纤10在前端面12处的一部分的放大横截面图，显示了一根纤芯50和围绕包层20，其组合限定了波导WG。显示光60入射到纤芯50处的前端面12上，然后在波导WG中作为导波(或者“导光”或“导模”)60G传播。导波60G主要在纤芯50中传播，一小部分的导光在紧靠纤芯外侧的包层20中作为渐逝光传播。导波60G的表现形式可以被认为是以纤芯轴AX为中心的单模的强度分布。
在一些实施方式中，包层20和纤芯50构造成使得导光60G在运行波长下是单模的(即，每根纤芯的截止波长低于运行波长)。在另一个例子中，包层20与至少一些纤芯50构造成在运行波长下支持多导模60G。为了便于讨论，将纤芯50称作“单模”或“多模”，尽管是包层20与纤芯50的组合限定了多纤芯光纤10的给定纤芯的光导性质。在一个例子中，运行波长是可见光波长，但是在另一个例子中，运行波长是已知电讯波长中的一种(例如，标称约为850nm或者约为1300nm或者约为1550nm)。
在一个例子中，包层20可以由纯二氧化硅制造，而在另一个例子中，包层20包含降低折射率的掺杂剂，例如氟或硼。在一些实施方式中，纤芯50可以包含增加折射率的掺杂剂，例如Ge、Ti、Al、P或Ta。
在一些实施方式中，纤芯50不需要是完全相同的，即不需要具有完全相同的性质。例如，纤芯50不需要具有相同的折射率n50。此外，在例子中，纤芯50不需要具有相同的折射率分布，其在例子中可以通过α参数以及一个或多个相对折射率值(即，“Δ”)限定，这是本领域已知的。
多纤芯光纤10具有横截面面积A10并且在本文的例子中显示为具有圆形横截面形状。也可以使用圆形以外的其他横截面形状(例如，椭圆形、矩形、正方形、D形状等)。每根纤芯50具有横截面面积A50i，并且纤芯的总面积AT是单个纤芯面积的总和，即，AT＝ΣA50i。包层的横截面总面积是A20，而有效面积A’20则由横截面面积A20减去纤芯总面积A10得到，即，A’20＝A20-AT。
图3是以x-y平面截取的示例性多纤芯光纤10的横截面图。图3显示这样的实施方式，其中，多纤芯光纤包括围绕包层20的外表面16的外包覆层(“外包层”)22。外包覆层22可以用于控制包层20以及由其限定的多纤芯区域的尺寸。外包层22可以由纯二氧化硅或者经掺杂的二氧化硅制造。多纤芯光纤10具有光纤直径DF。包层20具有直径DC。在一些实施方式中，包层直径DC是30至100μm。注意到的是，在图3的实施方式中，包层面积A20不等于光纤面积A10，因为光纤面积包括了外包层22的环形面积。类似地，包层直径DC不等于光纤直径DF。在没有外包层22的实施方式中，包层面积A20等于光纤面积A10，以及类似地，包层直径DC等于光纤直径DF。图3显示具有布置在共用包层20中的单排(1乘3阵列)的三根纤芯50的实施方式，每根纤芯50大体上平行于中心光纤轴AC延伸穿过多纤芯光纤110的长度。每根纤芯50包括中心轴或中心线CL50(其限定了每个纤芯部分的径向位置r＝0)和直径D50。
在一些实施方式中，如图3所示，纤芯50全都具有相同的尺寸，例如相同的直径D50。纤芯50可以不具有相同的折射率n50，并且可以不具有相同的折射率分布。在一些实施方式中，每根纤芯50的直径D50是约5微米至约50微米，优选是约5微米至约27微米。
将任意两根相邻纤芯50之间的中心-中心间距称为距离DCC50。纤芯间距影响模耦合强度和微分群延迟(DGD)。对于纤芯一致的情况，纤芯之间的更大间距导致更弱的耦合效应和有效折射率之间的更小差异。在一些实施方式中，距离DCC50小于29微米。在一些实施方式中，距离DCC50大于10微米。在一些实施方式中，距离DCC50大于或等于10微米且小于或等于29微米。在一些实施方式中，对于所有的相邻纤芯，间距DCC50是大致相同的。
在一些实施方式中，纤芯部分50的边缘还可以与多纤芯光纤10的外表面间隔开纤芯边缘至光纤边缘距离DCE，这是从多个纤芯部分50中的每一个的边缘到外表面测量得到的。纤芯边缘至光纤边缘距离DCE是沿着纤芯部分50的外圆周的点(例如，外圆周上最靠近外表面的点)到沿着外表面的圆周的最接近的点的距离，其确定为沿着纤芯部分40的外圆周的点与沿着外表面上圆周的最接近的点之间的在垂直于光纤轴AC的平面中的直线段。在一些实施方式中，距离DCE是4微米或更小。在一些实施方式中，距离DCE是3.5微米或更小。
在一些实施方式中，可以对纤芯直径D50进行选择从而使得所有的纤芯都是单模。布置在共用包层20中的纤芯50的数量N可以发生变化，最大数量NMAX有利地用于将多纤芯光纤10用于数据中心应用的应用。纤芯50的最大数量NMAX(以及最大纤芯密度ρMAX)代表了可以适用于共用包层20中且满足所需的耦合系数的间距条件的最多的纤芯50。纤芯密度ρ是每单位光纤面积AF或者包层面积A20的纤芯数量N。在一些实施方式中，多纤芯光纤10中的纤芯数量N是至少3根纤芯。在一些实施方式中，多纤芯光纤10中的纤芯数量N是至少4根纤芯。在一些实施方式中，多纤芯光纤10中的纤芯数量N是至少8根纤芯。对于多纤芯光纤，随着保持光纤直径恒定(例如，125微米)的同时向光纤添加更多的纤芯，纤芯之间的距离影响了光纤串扰，并且纤芯边缘与光线边缘之间的距离影响了隧道损耗。
应理解的是，多纤芯光纤10考虑各种数量和布置的纤芯部分，并且是可行的。例如，图7A显示在共用包层20中具有4个纤芯部分50的多纤芯光纤10的替代示例性构造。在图7A所示的实施方式中，这4个纤芯部分50布置成单排，每根纤芯50的中心线CL50的位置是沿着光纤10的直径DF，形成1×4的纤芯的线性阵列。图7A所示的纤芯部分50可以布置成其他合适的排布，例如但不限于这样的排布，其中，每个纤芯部分50置于绕着光纤10的中心轴AC形成的正方形图案的角上。
图7B显示具有包层20中的5根纤芯50的多纤芯光纤10的另一种示例性构造。如图7B所示，第一纤芯50a和第二纤芯50b的中心沿着光纤10的第一直径DF1放置，每个纤芯部分50的中心线CL50的位置是沿着光纤10的第一直径DF1。第三纤芯50c和第四纤芯50d的中心沿着光纤10的第二直径DF2放置，所述第二直径DF2与第一直径DF1垂直相交。第五纤芯50e的中心置于光纤10的第一直径DF1与第二直径DF2的相交处。图7B所示的纤芯部分50可以布置成其他合适的排布，例如但不限于如下排布，其中，每个纤芯部分50放置成单排，每根纤芯50的中心线CL50的位置是沿着光纤10的直径，形成1乘5的纤芯线性阵列。
图7C显示具有包层20中的8根纤芯50的多纤芯光纤10的另一种示例性构造。在图7C所示的实施方式中，这8个纤芯部分50放置成两排，每排具有4根纤芯，形成2乘4的纤芯线性阵列。图7C所示的纤芯部分50可以布置成其他合适的排布，例如但不限于这样的排布，其中，每个纤芯部分50放置成绕着光纤10的中心轴AC形成的圆形图案。
图4示意性显示中心位于中心线CL50上的纤芯50的横截面图。内包层区域52(本文也称作内包覆层)围绕且直接接触纤芯50，以及下陷包层区域54围绕且直接接触内包层区域52。下陷包层区域54在本文中也可以被称作凹陷或者凹陷区域。纤芯区域50具有半径r1，以及下陷包层区域54具有半径r3，其限定了纤芯50的外半径，从而使得r3对应于与每根纤芯50相关的半径。内包层区域52在纤芯50的半径r1与下陷包层区域54的内半径r2之间延伸，从而使得内包层区域52在径向方向上具有厚度T2＝r2-r1。下陷包层区域54在径向方向上具有厚度T3＝r3-r2。
图5A和5B显示根据本公开内容一些实施方式的五种示例性多纤芯光纤的折射率分布Δ(％)与光纤半径r的关系。下表1列出了图5A和5B所示的示例性光纤的光学性质。
表1：示例性光纤1-5的光学性质
Figure BDA0004129319050000141
图5A和5B所示的相对折射率分布从纤芯50的中心线CL50径向向外延伸并进入到一部分的共用包层中。纤芯50具有半径r1和相对折射率Δ1。在一些实施方式中，半径r1约为3.5微米至6微米。在一些实施方式中，相对折射率Δ1可以随着径向坐标(半径)r变化，并且表示为Δ1(r)。在一些实施方式中，纤芯50包括具有正掺杂剂(例如，锗)的基于二氧化硅的玻璃。在一些实施方式中，相对折射率Δ1(r)包括最大相对折射率Δ1max(相对于纯二氧化硅而言)。在一些实施方式中，Δ1max大于或等于0.2％Δ且小于或等于0.4％Δ。在一些实施方式中，Δ1max大于或等于0.3％Δ且小于或等于0.45％Δ。
内包层区域52从半径r1延伸到半径r2使得内包层具有径向厚度T2＝r2-r1。在一些实施方式中，内包层区域52包括半径r2和相对折射率Δ2。在一些实施方式中，半径r2是约6微米至约11微米。在一些实施方式中，内包层区域52由基本不含掺杂剂(例如，正掺杂剂和负掺杂剂)的基于二氧化硅的玻璃形成，从而相对折射率Δ2近似为0。在实施方式中，内包层区域160由于共用包层20相似的基于二氧化硅的玻璃形成，从而Δ2＝ΔCC。下陷包层区域54从半径r2延伸到半径r3，从而外包层具有径向厚度T3＝r3-r2。
在一些实施方式中，每个凹陷区域54具有如下半径r3：小于或等于14微米，优选小于或等于13微米，更优选小于或等于12.5微米。小于14微米的凹陷半径r3使得多纤芯光纤10在具有更高数量纤芯50的同时维持125微米外纤芯尺寸和1310nm处大于约8.2微米、优选1310nm处大于约8.5微米、更优选1310nm处高于8.6微米的模场直径。在一些实施方式中，玻璃基质中的任意两根相邻纤芯之间的1310nm处的模场直径差异小于约0.3微米，优选小于约0.2微米，以及更优选小于约0.1微米。
下陷包层区域54具有相对折射率Δ3。在一些实施方式中，在整个下陷包层区域170上，相对折射率Δ3小于或等于内包层区域52的相对折射率Δ2。相对折射率Δ3还可以小于或等于共用包层20的相对折射率ΔCC从而下陷包层区域170形成了纤芯50的相对折射率分布中的凹陷。在一些实施方式中，相对于包层，凹陷区域54的相对折射率Δ3小于或等于-0.6％Δ，优选小于或等于-0.65％Δ，更优选小于或等于-0.7％Δ。在一些实施方式中，相对于包层，凹陷区域54的相对折射率Δ3是-0.6％Δ至-0.8％Δ。
在一些实施方式中，下陷包层区域54构建成具有负掺杂剂浓度以实现如下凹陷体积：大于或等于50％Δ微米2，优选大于或等于55％Δ微米2，优选大于或等于60％Δ微米2，更优选大于或等于65％Δ微米2。凹陷层可以用来控制两根相邻的纤芯之间的串扰。具体来说，通过凹陷体积大于或等于50％Δ微米2来实现纤芯之间的低串扰和低弯曲损耗。
在一些实施方式中，光纤的串扰小于约-30dB，优选小于约-35dB，更优选小于约-40dB。图6显示三种光纤(一种光纤具有80Δm2的有效面积，步阶式折射率纤芯；一种光纤具有80Δm2的有效面积，步阶式折射率纤芯以及置于对应纤芯与玻璃基质之间的凹陷层；一种光纤具有100Δm2的有效面积，步阶式折射率纤芯以及置于对应纤芯与玻璃基质之间的凹陷层)的串扰与纤芯间距关系图，其中，串扰随着辅助光纤的凹陷的纤芯间距的增加而下降。
光纤光缆的光学性能可以通过例如测量穿过光纤光学互联光缆装配件的插入损耗(“损耗)来进行测量。插入损耗是信号光在互联光缆装配件中发生损耗的比例，并且通常测量的单位是分贝。总体上来说，插入损耗是不合乎希望的结果，因为这导致较弱的光学信号。在一些实施方式中，共用包层内的任意两根光纤之间的1310nm处的插入损耗差异小于约0.1dB/km。在一些实施方式中，共用包层内的每根光纤在1310nm处的最大插入损耗是约0.32dB/km至约0.45dB/km。
多纤芯光纤制造
可以通过本领域已知的堆叠和拉制方法来制造本文公开的多纤芯光纤10的各种实施方式。首先，通过例如OVD方法制备玻璃纤芯坯。然后从玻璃纤芯坯再拉制得到具有所需直径和长度的玻璃纤芯棒。将芯棒插入到较大直径的玻璃管中以形成预制件装配件。管壁形成外包层的薄层。可以通过经由OVD工艺沉积玻璃添加额外的外包覆层。最后，采用光纤拉制塔将预制件装配件拉制成多纤芯光纤。
制造多纤芯光纤10的另一种方法是使用烟炱包棒(cane-in-soot)方法。首先，通过例如OVD方法制备玻璃纤芯坯。然后从玻璃纤芯坯再拉制得到具有所需直径和长度的玻璃纤芯棒。接着，通过OVD方法制造具有大的中心孔区域的二氧化硅烟炱管坯。将芯棒插入到烟炱管的中心孔区域中以形成烟炱包棒装配件。然后，使用烟炱固结工艺对烟炱包棒装配件进行固结。在固结过程期间，烟炱管致密化成为坍塌到玻璃芯棒上的玻璃管，从而形成玻璃预制件装配件。管壁形成外包层的薄层。可以通过经由OVD工艺沉积玻璃添加额外的外包覆层。最后，采用光纤拉制塔将预制件装配件拉制成多纤芯光纤。
对本领域的技术人员而言，很清楚可以在不偏离所附权利要求所限定的本公开内容的精神或范围下，对本文所述的本公开内容的优选实施方式进行各种修改。因此，本公开内容覆盖了此类修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求及其等同方案的范围之内。

Claims (22)

1.一种圆形多纤芯光纤，其包括：
具有前端面、后端面、长度、折射率n20和中心轴的玻璃基质；
布置在玻璃基质中的至少3根纤芯，每根纤芯具有沿着玻璃基质的至少一个直径放置的中心，以及其中，任意两根相邻纤芯具有小于29微米的纤芯中心-纤芯中心间距，其中，纤芯位置大致平行于中心轴位于前后端面之间且具有各自的折射率n50，其中，n50>n20，其中，每根纤芯和玻璃基质限定了波导；以及
多个凹陷层，其中，每个凹陷层的位置在对应的纤芯与玻璃基质之间，每个凹陷层具有小于或等于14微米的外半径以及大于50％Δ微米2的凹陷体积；
其中，光纤具有1310nm处大于约8.2微米的模场直径，以及
其中，光纤具有小于约130微米的外直径。
2.如权利要求1所述的光纤，其中，光纤包含4根纤芯，以及其中，每根纤芯的中心沿着玻璃基质的第一直径放置。
3.如权利要求1所述的光纤，其中，光纤包含5根纤芯，以及其中，第一纤芯和第二纤芯的中心沿着玻璃基质的第一直径放置，以及其中，第三纤芯和第四纤芯的中心沿着与第一直径垂直相交的玻璃基质的第二直径放置，以及其中，第五纤芯的中心位于第一直径与第二直径的相交处。
4.如权利要求1所述的光纤，其中，光纤具有约125微米的直径。
5.如权利要求1所述的光纤，其中，所述多根纤芯是至少4根纤芯。
6.如权利要求1所述的光纤，其中，所述多根纤芯是至少8根纤芯。
7.如权利要求1所述的光纤，其中，每根光纤的直径是约5微米至约27微米。
8.如权利要求1所述的光纤，其中，光纤具有1310nm处大于8.5微米的模场直径。
9.如权利要求1所述的光纤，其中，光纤具有1310nm处大于8.6微米的模场直径。
10.如权利要求1所述的光纤，其中，每个凹陷层的外直径小于或等于约13微米。
11.如权利要求1所述的光纤，其中，每个凹陷层的外直径小于或等于约12.5微米。
12.如权利要求1所述的光纤，其中，凹陷体积大于55％微米2。
13.如权利要求1所述的光纤，其中，凹陷体积大于60％微米2。
14.如权利要求1所述的光纤，其中，凹陷体积大于65％微米2。
15.如权利要求1所述的光纤，其中，从纤芯的边缘到玻璃基质的边缘的距离是4微米或更小。
16.如权利要求1所述的光纤，其中，从纤芯的边缘到玻璃基质的边缘的距离是3.5微米或更小。
17.如权利要求1所述的光纤，其中，光纤的串扰小于约-30dB。
18.如权利要求1所述的光纤，其中，光纤的串扰小于约-35dB。
19.如权利要求1所述的光纤，其中，光纤的串扰小于约-40dB。
20.如权利要求1所述的光纤，其中，玻璃基质中的任意两根纤芯之间的1310nm处的损耗差异小于约0.1dB/km。
21.如权利要求1所述的光纤，其中，玻璃基质中的每根纤芯在1310nm处的最大损耗是约0.32dB/km至约0.45dB/km。
22.如权利要求1所述的光纤，其中，玻璃基质中的任意两根纤芯之间的1310nm处的模场直径差异小于0.3微米。
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