CN116209930A - 用于单模操作的低串扰多芯光纤 - Google Patents

用于单模操作的低串扰多芯光纤 Download PDF

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Abstract

一种多芯光纤(110)包括共用包层和设置在共用包层中的多个芯部分(C1、C2、C3、C4)。芯部分中的每个芯部分包括：中心轴；从中心轴延伸至半径r1的芯区域，该芯区域包括相对折射率Δ1；从半径r1延伸至半径r2的内包层区域，该内包层区域包括相对折射率Δ2；以及从半径r2延伸至半径r3的凹陷包层，该凹陷包层区域包括相对折射率Δ3和最小相对折射率Δ3最小。相对折射率可满足Δ1>Δ2>Δ3最小。每个芯部分的模场直径可以大于或等于8.2μm并且小于或等于9.5μm。

Description

用于单模操作的低串扰多芯光纤
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2020年7月27日提交的美国临时申请序列第63/056,869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以其整体并入本文。
技术领域
本公开涉及光纤。更具体地，本公开涉及具有芯部分的多芯光纤，该芯部分具有包括用于实现低串扰的沟槽的相对折射率分布。
背景技术
理论上，通过单模光纤的传输容量已达到约100Tb/s/光纤的基本极限。在没有改进的光学信噪比(OSNR)的情况下，即使在单模光纤中以80Tb/s在跨洋距离上传输也已证明具有挑战性。跨洋传输系统中使用的海底单模光纤系统在约10000公里以上的实际容量限制仅为约50Tb/s，即使使用先进的超低损耗和低非线性光纤也是如此。
当用于越洋应用时，多芯光纤(MCF)可能会表现出较小的传输损耗。然而，为了在超长距离海底系统中的实际使用，MCF应具有超低损耗(即，低衰减)以产生高OSNR，具有高空间模式密度以增加空间信道计量，并且能够在空间模式之间实现低差分群延迟(DGD)以降低数字信号处理的复杂性。此外，应保持125μm的标准包层直径，使得不需要对线缆的安装进行重大修改。
发明内容
因此，需要解决上述问题同时具有令人满意的衰减和增加的传输容量的新的光纤。
本公开的第一方面包括一种多芯光纤，该多芯光纤包括共用包层和设置在共用包层中的多个芯部分。多个芯部分中的每个芯部分包括：中心轴；从中心轴延伸至半径r1的芯区域，该芯区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ1；内包层区域，包围并直接接触芯区域、并从半径r1延伸至半径r2，该内包层区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ2；以及凹陷包层区域，包围并直接接触内包包层区域、并从半径r2延伸至半径r3，该凹陷包层区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ3和相对于纯二氧化硅的最小相对折射率Δ3最小。在实施例中，相对折射率Δ1、Δ2和Δ3满足关系Δ1≥Δ2>Δ3最小。每个芯部分在1310nm的波长下的模场直径大于或等于8.2μm并且小于或等于9.5μm。每个芯部分的零色散波长大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm。
本公开的第二方面可以包括第一方面，其中共用包层包括大于或等于120μm并且小于或等于200μm的外半径RCC。
本公开的第三方面可以包括第一至第二方面中的任一方面，其中多个芯部分包括大于或等于3个芯部分并且小于或等于8个芯部分。
本公开的第四方面可以包括第一至第三方面中的任一方面，其中外半径RCC等于125μm。
本公开的第五方面可以包括第一至第四方面中的任一方面，其中多个芯部分以2×2布置在共用包层内，使得多个芯部分中的芯部分的中心轴与两个相邻芯部分的中心轴以大于或等于35μm的最小芯到芯分离距离分隔开。
本公开的第六方面可以包括第一至第五方面中的任一方面，其中多个芯部分中的每个芯部分的线缆截止波长小于或等于1260nm。
本公开的第七方面可以包括第一至第六方面中的任一方面，其中，多个芯部分中的每个芯部分中的整个凹陷包层区域的相对折射率Δ3小于或等于Δ2，使得凹陷包层区域在每个芯部分的相对折射率分布中形成凹陷折射率沟槽。
本公开的第八方面可以包括第一至第七方面中的任一方面，其中每个芯部分的相对折射率分布中的凹陷折射率沟槽具有大于或等于30％Δμm2并且小于或等于75％Δμm2的沟槽体积。
本公开的第九方面可以包括第一至第八方面中的任一方面，其中每个芯部分的相对折射率分布中的凹陷折射率沟槽具有大于或等于40％Δμm2并且小于或等于70％Δμm2的体积。
本公开的第十方面可以包括第一至第九方面中的任一方面，其中凹陷折射率沟槽延伸至半径r3，其中r3大于或等于11μm并且小于或等于20μm。
本公开的第十一方面可以包括第一至第十方面中的任一方面，其中r3大于或等于12μm并且小于或等于18μm。
本公开的第十二方面可以包括第一至第十一方面中的任一方面，其中最小相对折射率Δ3最小在r3处发生。
本公开的第十三方面可以包括第一至第十二方面中的任一方面，其中每个芯部分的凹陷包层区域的相对折射率Δ3从半径r2处的Δ2单调地减小至r3处的Δ3最小。
本公开的第十四方面可以包括第一至第十三方面中的任一方面，其中每个芯部分的凹陷包层区域的相对折射率Δ3从半径r2处的Δ2连续地减小至r3处的Δ3最小，使得沟槽具有基本上三角形的形状。
本公开的第十五方面可以包括第一至第十四方面中的任一方面，其中每个芯部分的凹陷包层区域的相对折射率Δ3最小小于或等于-0.2％Δ并且大于或等于-0.6％Δ。
本公开的第十六方面可以包括第一至第十五方面中的任一方面，其中每个芯部分的凹陷包层区域包括下掺杂剂，该下掺杂剂具有随着距中心轴的径向距离而变化的浓度，使得凹陷包层区域包括在r3处的最大下掺杂剂浓度和在r2处的最小下掺杂剂浓度。
本公开的第十七方面可以包括第一至第十六方面中的任一方面，其中下掺杂剂是氟，并且最大下掺杂剂浓度大于或等于1.2wt％并且小于或等于2.0wt％。
本公开的第十八方面可以包括第一至第十七方面中的任一方面，其中最大下掺杂剂浓度大于或等于1.2wt％并且小于或等于1.8wt％。
本公开的第十九方面可以包括第一至第十八方面中的任一方面，其中每个芯部分的内包层区域基本上不含下掺杂剂。
本公开的第二十方面可以包括第一至第十九方面中的任一方面，其中每个芯部分在1310nm下的模场直径大于或等于8.8μm并且小于或等于9.5μm。
本公开的第二十一方面可以包括第一至第二十方面中的任一方面，其中每个芯部分在1310nm下的模场直径大于或等于9.0μm并且小于或等于9.5μm。
本公开的第二十二方面可以包括第一至第二十一方面中的任一方面，其中每个芯部分在1310nm下的模场直径大于或等于9.1μm并且小于或等于9.5μm。
本公开的第二十三部分可包括第一至第二十二方面中的任一方面，其中多个芯部分的中心轴以大于或等于35微米的最小分离距离彼此分隔。
本公开的第二十四方面可以包括第一至第二十三方面中的任一方面，其中多个芯部分中的每个芯部分与多个芯部分中最近的芯部分之间的串扰小于或等于-30dB。
本公开的第二十五方面可以包括第一至第二十四方面中的任一方面，其中多个芯部分中的每个芯部分与多个芯部分中最近的芯部分之间的串扰小于或等于-50dB。
本公开的第二十六方面可以包括一种多芯光纤，该多芯光纤包括共用包层和设置在共用包层中的多个芯部分。多个芯部分中的每个芯部分可以包括：中心轴；芯区域，从中心轴延伸至半径r1，该芯区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ1；内包层区域，包围并直接接触芯区域、并从半径r1延伸至半径r2，该内包层区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ2；以及凹陷包层区域，包围并直接接触内包包层区域、并从半径r2延伸至半径r3，该凹陷包层区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ3和相对于纯二氧化硅的最小相对折射率Δ3最小。相对折射率Δ1、Δ2和Δ3最小可以满足关系Δ1>Δ2>Δ3最小并且Δ2≥Δ3，使得凹陷包层区域的每个芯部分的相对折射率分布中在r2和r3之间形成凹陷折射率沟槽。在实施例中，Δ3随着与每个芯部分的中心轴的径向距离的增加而单调地减小至最小相对折射率Δ3最小。
本公开的第二十七方面可以包括第二十六方面，其中每个芯部分在1310nm下的模场直径大于或等于8.2μm并且小于或等于9.5μm。
本公开的第二十八方面可以包括第二十六至第二十七方面中的任一方面，其中每个芯部分的零色散波长大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm。
本公开的第二十九方面可以包括第二十六至第二十八方面中的任一方面，其中每个芯部分的相对折射率分布中的凹陷折射率沟槽具有大于或等于40％Δμm2并且小于或等于70％Δμm2的体积。
本公开的第三十方面可以包括第二十六至第二十九方面中的任一方面，其中多个芯部分中的每个芯部分的线缆截止波长小于或等于1260nm。
本公开的第三十个方面可以包括第二十六至第三十方面中的任一方面，其中每个芯区域包括相对于纯二氧化硅的最大相对折射率Δ1最大，其中芯部分中的每个芯部分中的Δ1最大大于或等于0.28％Δ并且小于或等于0.45％Δ。
本公开的第三十二方面可以包括第二十六至第三十一方面中的任一方面，其中芯区域内每个芯部分的折射率分布是渐变折射率分布。
本公开的第三十三方面可以包括第二十六至第三十二方面中的任一方面，其中渐变折射率分布的α值大于或等于10。
本公开的第三十四方面可以包括第二十六至第三十三方面中的任一方面，其中渐变折射率分布的α值小于或等于5。
本公开的第三十五方面可以包括第二十六至第三十四方面中的任一方面，其中r3大于或等于12μm并且小于或等于18μm。
本公开的第三十六方面可以包括第二十六至第三十五方面中的任一方面，其中Δ3最小小于或等于-0.2％Δ并且大于或等于-0.6％Δ。
本公开的第三十七方面可以包括第二十六至第三十八方面中的任一方面，其中共用包层包括大于或等于120μm并且小于或等于200μm的外半径RCC。
本公开的第三十八方面可以包括第二十六至第三十九方面中的任一方面，其中多个芯部分包括大于或等于3个芯部分并且小于或等于8个芯部分。
本公开的第三十九方面可以包括第二十六至第三十八方面中的任一方面，其中每个芯部分的凹陷包层区域的相对折射率Δ3从半径r2处的Δ2连续地减小至r3处的Δ3最小，使得沟槽具有基本上三角形的形状。
本公开的第四十方面可以包括一种形成多芯光纤的方法。该方法包括：形成芯杖的芯区域，该芯区域包括上掺杂剂；以及围绕芯区域沉积过覆(overclad)层以形成二氧化硅烟灰预形成物；在固结炉中固结二氧化硅烟灰预形成物。在开始二氧化硅烟灰预形成物的固结之后的时间段T，该方法包括将二氧化硅烟灰预形成物暴露于下掺杂剂。时间段T是基于下掺杂剂通过过覆层的扩散速率来确定的，使得在二氧化硅烟灰预形成物固结之际，过覆层的内包层区域基本上不含下掺杂剂，使得经固结的二氧化硅烟灰预形成物包括：芯区域，该芯区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ1；内包层区域，该内包层区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ2；以及凹陷包层区域，该凹陷包层区域包括相对于纯二氧化硅的、在Δ2和最小相对折射率Δ3最小之间减小的相对折射率Δ3。该方法还包括：将经固结的二氧化硅烟灰预形成物插入烟灰空区(blank)，以形成多芯预形成物；以及将该多芯光纤预形成物抽入多芯光纤中。
本公开的第四十一方面可以包括第四十方面，其中过覆层是使用外部气相沉积工艺来围绕芯区域沉积的。
本公开的第四十二方面可以包括第四十至第四十一方面中的任一方面，其中上掺杂剂包括锗。
本公开的第四十三方面可以包括第四十至第四十二方面中的任一方面，其中下掺杂剂包括氟。
本公开的第四十四方面可以包括第四十至第四十三方面中的任一方面，其中过覆层是在芯区域处于部分固结状态时围绕芯区域沉积的，使得芯区域与过覆层一起被固结。
应当理解的是，前述的大体描述和以下的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述或框架。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。
附图说明
附图被包括以提供进一步理解，并且被收入并构成本说明书的一部分。附图说明了本公开的选定方面，并与描述一起用于解释本公开所包含的方法、产品和组合物的原理和操作，其中：
图1示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的信号源、多芯光纤和光电检测器的光学系统；
图2示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的、图1中所描绘的多芯光纤的横截面；
图3示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的多芯光纤的横截面；
图4示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的多芯光纤的横截面；
图5示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的多芯光纤的芯部分的横截面，该芯部分包括芯区域、内包层区域和凹陷包层区域；
图6示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的芯部分和共用包层的相对折射率分布；
图7示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的芯部分和共用包层的相对折射率分布；
图8示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的制造多芯光纤的方法的流程图，该多芯光纤包括芯部分，该芯部分包括芯区域、内包层区域和凹陷包层区域；
图9示意性地描绘了根据本文所描述的一个或多个实施例的固结芯杖同时将芯杖暴露于下掺杂剂以产生凹陷包层区域的过程。
具体实施方式
现在将详细参考多芯光纤的各实施例，其示例在各附图中示出。在可能时，贯穿附图将使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。在图1中的横截面中示出了多芯光纤的一个实施例。多芯光纤可以包括多个芯部分。多个芯部分中的每个芯部分可以包括中心轴和从中心轴延伸至半径r1的芯区域。芯区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ1。内包层区域可以包围并直接接触芯区域，并从半径r1延伸至半径r2。内包层区域可以具有相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ2。凹陷包层区域可以包围并直接接触内包层区域，并从半径r2延伸至半径r3。凹陷包层区域可以包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ3和相对于纯二氧化硅的最小相对折射率Δ3最小。在该实施例中，Δ1>Δ2>Δ3最小。每个芯部分在1310nm下的模场直径可以大于或等于8.2μm并且小于或等于9.5μm。每个芯部分的零色散波长大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm。本文将具体参考附图进一步详细描述多芯光纤的各种实施例。
在本说明书和随后的权利要求书中，将参考许多术语，这些术语应被定义为具有以下含义：
如本文中所使用，术语“约”是指量、尺寸、配方、参数、和其他数量和特性不是也不需要是精确的，但可以根据需要是近似的和/或更大或更小，从而反映出公差、转换因子、舍入、测量误差等和本领域技术人员已知的其他因素。当在描述值或范围的端点中使用术语“约”时，本公开应被理解为包括所指的特定值或端点。无论说明书中的数值或范围的端点是否记载了“约”，数值或范围的端点旨在包括两个实施例：一个由“约”修饰，并且一个未由“约”修饰。还将理解的是，每一个范围的端点相对于另一个端点都是重要的，并且独立于另一个端点。
为了本公开的目的，多芯光纤(也称为多芯光纤或“MCF”)被认为包括设置在共用包层内的两个或更多个芯部分。每个芯部分可以被认为具有被较低折射率内包层区域包围的较高折射率芯区域。如本文所使用，术语“内芯部分”是指较高折射率芯区域。也就是说，芯部分可包括内芯部分和一个或多个较低折射率内包层。
当用于参考径向坐标时，“径向位置”和/或“径向距离”，“r”是指相对于多芯光纤中每个单独芯部分的中心线(r＝0)的径向位置。当用于参考径向坐标时，“径向位置”和/或“径向距离”，“R”是指相对于多芯光纤的中心线(R＝0，中心纤轴)的径向位置。
长度尺寸“微米(micrometer)”在本文中可称为微米(micron)(或微米(microns))或μm。
“折射率分布”是指折射率或相对折射率与多芯光纤的每个芯部分离芯部分的中心线的径向距离r之间的关系。对于本文中描绘为各区域之间相对锐利边界的相对折射率分布，处理条件的正常变化可导致相邻区域的界面处不尖锐的阶跃边界。应理解，尽管折射率分布的边界在本文中可以被描绘为折射率的阶跃变化，但是在实践中边界可以是圆形的或者以其他方式偏离完美阶跃函数特性。进一步理解，相对折射率的值可以随着芯区域和/或包层区域中的任一包层区域内的径向位置而变化。当相对折射率在光纤的特定区域(芯区域和/或包层区域中的任一包层区域)中随径向位置而变化时，可以用其实际或近似的函数依赖性或可应用于该区域的平均值来表示。除非另有规定，否则如果区域(芯区域和/或内和/或共用包层区域中的任何一者)的相对折射率被表示为单个值，则应理解该区域中的相对折射率是恒定的或近似恒定的，并且对应于该单个值，或者该单个值表示取决于该区域中的径向位置的非恒定相对折射率的平均值。无论是通过设计还是作为正常的制造可变性的结果，相对折射率对径向位置的依赖性都可以是倾斜的、弯曲的或以其他方式不恒定的。
本文中使用的关于多芯光纤和多芯光纤的纤芯的“相对折射率”或“相对折射率百分比”根据等式(1)定义：
Figure BDA0004147336710000091
其中，除非另有规定，否则n(r)是在1550nm的波长下，在距芯的中心线的径向距离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波长下的折射率。如本文所使用，除非另有规定，否则相对折射率用Δ(或“增量”)或Δ％(或“增量％”)来表示，并且相对折射率的值以“％”或“％Δ”为单位给出。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参考折射率nc时，相对折射率为负，并且可以称为沟槽。当区域的折射率大于参考折射率nc时，相对折射率为正，而且可以说该区域是提高的或具有正折射率。
多芯光纤区域的平均相对折射率可以根据等式(2)定义：
Figure BDA0004147336710000101
其中rinner是区域的内半径，router是区域的外半径，并且Δ(r)是区域的相对折射率。
术语“α-分布”(也称为“α分布”)是指具有以下函数形式(3)的相对折射率分布Δ(r)：
Figure BDA0004147336710000102
其中ro是Δ(r)最大处的点，r1是Δ(r)为零处的点，并且r在ri≤r≤rf的范围内，其中ri是α-分布的起始点，rf是α-分布的终点，并且α是实数。在一些实施例中，本文所示的实例可以具有1≤α≤100的芯α。在实践中，对于实际光纤，即使目标分布是α分布，也可能发生与理想配置的某种程度的偏差。因此，如本领域已知的，光纤的α参数可以从测量的折射率分布的最佳拟合来获得。
术语“渐变折射率分布”是指其中α<10的α分布。术语“阶跃折射率分布”是指其中α≥10的α分布。
“有效面积”可以被定义为(4)：
Figure BDA0004147336710000103
其中f(r)是被引导的光学信号的电场的横向分量，并且r是光纤中的径向位置。“有效面积”或“A有效”取决于光学信号的波长。当提及本文中的“有效面积”或“A有效”时，将对波长进行具体指示。有效面积在本文中以“μm2”、“平方微米(micrometer)”、“平方微米(micron)”等单位来表示。
除非本文另有说明，否则针对LP01模式报告光学属性(诸如色散、色散斜率等)。
除非另有说明，否则光纤的“色度色散”(本文中称为“色散”)是材料色散、波导色散和模间色散的总和。“材料色散”是指用于光学芯的材料的折射率影响不同光学波长在芯内传播的速度的方式。“波导色散”是指由光纤的芯和包层的不同折射率引起的色散。在单模波导光纤的情况下，模间色散为零。双模体制中的色散值假定模间色散为零。零色散波长(λ0)是色散在该处具有零值的波长。色散斜率是色散关于波长的变化速率。如前所述，本文报告了1310nm或1550nm波长下的色散和色散斜率，并且色散和色散斜率分别以ps/nm/km和ps/nm2/km为单位来表示。速度色散按照IEC 60793-1-42:2013标准“Optical fibres-Part1-42:Measurement methods and test procedures-Chromatic dispersion(光纤——第1-42部分：测量方法和试验过程——色度色散)”的规定进行测量。
光纤的截止波长是在该处光纤将仅支持一种传播模式的最小波长。对于低于截止波长的波长，可发生多模传输，并且可能会出现额外的色散源，以限制光纤的信息承载能力。截止波长将在本文中报告为线缆截止波长。线缆截止波长基于如电信行业协会(TIA)的TIA-455-80:FOTP-80IEC-60793-1-44Optical Fibres–Part 1-44:Measurement Methodsand Test Procedures–Cut-off Wavelength(光纤——第1-44部分：测量方法和测试过程——截止波长)(2003年5月21日)中所规定的22米线缆光纤长度。
光纤的抗弯曲性(在本文中表示为“弯曲损耗”)可以通过如IEC-60793-1-47:2017标准“Optical fibres-Part 1-47:Measurement methods and test procedures-Macrobending loss(光纤——第1-47部分：测量方法和测试过程——宏弯曲损耗)”所规定的规定的测试条件下的诱发衰减来测量。例如，测试条件可能需要将光纤围绕规定直径的芯轴展开或缠绕一圈或多圈，例如，通过围绕15mm、20mm或30mm或类似直径芯轴(例如“1×15mm直径弯曲损耗”或“1×20mm直径弯曲损耗”或“2×30mm直径弯曲损耗”)缠绕1圈，并测量每圈衰减的增加。
本文中使用的术语“衰减”是信号沿光纤行进时的光学功率损失。衰减如题为“Optical fibres-Part 1-40:Attenuation measurement methods(光纤——第1-40部分：衰减测量方法)”的IEC 60793-1-40:2019标准所规定地进行测量。
如本文所使用，多芯光纤可包括多个芯部分，其中每个芯部分可被定义为第i个芯部分(即，第1、第2、第3、第4等)。每个第i个芯部分可具有外半径rCi。在实施例中，每个芯部分的外半径rCi对应于该芯部分的凹陷包层区域的外半径r3。每个第i个芯部分被设置在多芯光纤的包层阵列内，该包层阵列定义多芯光纤的共用包层。共用包层包括相对折射率ΔCC和外半径RCC。
根据本公开的一个方面，芯区域形成多芯光纤内每个芯部分的中心部分，并且在形状上基本上是圆柱形的。当两个区域彼此直接相邻时，两个区域的内区域的外半径与两个区域的外区域的内半径一致。例如，在其中内包层区域围绕芯区域并直接与芯区域相邻的实施例中，芯区域的外半径与内包层区域的内半径一致。
“上掺杂剂”是添加到被研究的部件的玻璃中的物质，该物质具有相对于纯未掺杂的二氧化硅提高折射率的倾向。“下掺杂剂”是添加到被研究的部件的玻璃中的物质，该物质具有相对于纯未掺杂的二氧化硅降低折射率的倾向。上掺杂剂的示例包括GeO2(氧化锗)、Al2O3、P2O5、TiO2、Cl、Br和碱金属氧化物，诸如K2O、Na2O、Li2O、Cs2O、Rb2O及其混合物。下掺杂剂的示例包括氟和硼。
多芯光纤中的术语“串扰”是衡量有多少功率从一个芯部分泄漏到另一相邻芯部分的量度。如本文所使用，术语“相邻芯部分”是指最靠近参考芯部分的芯。在实施例中，所有芯部分可以彼此相等地间隔开，这意味着所有芯部分彼此相邻。在其他实施例中，芯部分可以彼此不相等地间隔开，这意味着一些芯部分与参考芯部分的间隔比相邻芯部分与参考芯部分的间隔更远。串扰可以基于耦合系数来确定，该耦合系数取决于芯部分的折射率分布设计、两个相邻芯部分之间的距离、围绕两个相邻的芯部分的包层的结构、以及Δβ，Δβ取决于两个相邻的芯部分之间传播常数β值的差异(例如，如本文所述，两个芯部分具有以最小芯到芯分离距离分隔开的中心线)。对于其中功率P1发射到第一芯部分的两个相邻的芯部分，则从第一芯部分耦合至第二芯部分的功率P2可以使用以下等式(5)从耦合模式理论来确定：
Figure BDA0004147336710000121
其中<>表示平均值，L是光纤长度，κ是两个芯的电场之间的耦合系数，ΔL是光纤的长度，Lc是相关性长度，并且g由以下等式(6)给出：
Figure BDA0004147336710000131
其中Δβ是两个相邻的芯部分被隔离时在这两个相邻的芯部分的LP01模式之间的传播常数的失配。然后使用以下等式(7)确定串扰(以dB为单位)：
Figure BDA0004147336710000132
两个相邻的芯部分之间的串扰在线性刻度下随着光纤长度线性地增加(等式(5))，但在dB刻度下不随着光纤长度线性地增加(等式(7))。如本文所使用，串扰性能参考100km长度L的光纤。然而，串扰性能也可以通过适当的缩放关于替代光纤长度来表示。对于100km以外的光纤长度，芯之间的串扰可以使用以下等式(8)来确定：
Figure BDA0004147336710000133
例如，对于10km长度的光纤，可以通过向100km长度的光纤的串扰值加上“-10dB”来确定串扰。对于1km长度的光纤，可以通过向100km长度的光纤的串扰值加上“-20dB”来确定串扰。对于非耦合芯多芯光纤中的长距离传输，串扰应小于或等于-30dB，小于或等于-40dB，或甚至小于或等于-50dB。
可以在以下文献中找到用于确定多芯光纤中的芯之间的串扰的技术：M.Li等人的光纤通信会议，OSA技术摘要(在线)中的“Coupled Mode Analysis of Crosstalk inMulticore fiber with Random Perturbations(使用随机扰动的多芯光纤中的串扰的耦合模式分析)”，美国光学学会(Optical Society of America)，2015，期刊W2A.35；以及Shoichiro Matsuo等人的“Crosstalk behavior of cores in multi-core portionunder bent condition(弯曲条件下的多芯部分中的芯的串扰表现)”，IEICE电子快报(IEICE Electronics Express)，第8卷，第6期，第385-390页，发布于2011年3月25日；以及Lukasz Szostkiewicz等人的“Cross talk analysis in multicore optical fibers bysupermode theory(通过超模理论的多芯光纤中的串扰分析)”，光学快报(OpticsLetters)，第41卷，第16期，第3759-3762页，发布于2016年8月15日，这些文献的公开内容通过引用整体并入本文。
本文中使用的短语“耦合系数”κ与两个芯彼此靠近时的电场的重叠有关。耦合系数的平方(κ2)与受多芯光纤中其他芯中的功率影响的芯m中的平均功率有关。“耦合系数”可以用以下文献中公开的方法使用耦合功率理论来进行估计：M.Koshiba、K.Saitoh、K.Takenaga和S.Matsuo的“Analytical Expression of Average Power-CouplingCoefficients for Estimating Intercore Crosstalk in Multicore fibers(用于估计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光子杂志(IEEEPhotonics J.)，4(5)，1987-95(2012)；以及T.Hayashi、T.Sasaki、E.Sasaoka、K.Saitoh和M.Koshiba的“Physical Interpretation of Intercore Crosstalk in Multicorefiber:Effects of Macrobend,Structure Fluctuation,and Microbend(多芯光纤中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(Optics Express)，21(5)，5401-12(2013)，这些文献的公开内容通过引用整体并入本文。
模场直径(MFD)使用Petermann II方法测量，并从以下等式确定：
MFD＝2w (9)
Figure BDA0004147336710000141
其中f(r)是被引导的光的电场分布的横向分量，并且r是光纤中的径向位置。除非另有规定，否则“模场直径”或“MFD”是指1310nm下的模场直径。
如本文中所使用的方向性术语(例如，上、下、右、左、前、后、顶部、底部)仅参考如所绘制的附图作出，而不旨在隐含绝对取向。
除非另外明确地指出，此处所阐述的任何方法决不会被解释为要求其步骤以特定的顺序执行，也不要求任何装置特定定向。因此，在方法权利要求实际上未叙述要遵循其步骤的顺序、或者任何装置权利要求实际上未叙述各个部件的顺序或定向、或者在权利要求或描述中没有以其他方式特别说明这些步骤将被限制于特定顺序、或者没有记载对装置的组件的特定顺序或定向/取向的情况下，在任何方面，决不旨在推断顺序或定向/取向。这适用用于解译的任何可能的非明确的基础，包括：相对于步骤排列、操作流程、部件的顺序或部件的定向的逻辑事项；从语法组织或标点推出的普通含义；以及说明书中所描述的实施例的数量或类型。
如本文所使用，术语“基本上不含有”当用于描述光纤的特定部分中特定上掺杂剂或下掺杂剂的浓度和/或不存在时，意味着组成成分不是有意地添加到光纤中的。然而，光纤可含有组成成分的痕迹作为污染物或流浪物(tramp)，其量小于0.15wt％。
如本文中所使用的，单数形式一“/一个(a/an)”、和“该(the)”包括复数指代物，除非上下文明确地另作规定。因此，例如，对“一部件”的引用包括具有两个或多个这样的部件的方面，除非上下文明确地另作指示。
多芯光纤对许多光纤应用具有吸引力，包括用于提高光纤密度，以克服无源光网络(“PON”)系统中的线缆尺寸限制和管道拥塞问题。例如，多芯光纤正被考虑用于数据中心应用和高速光学互连。在这样的应用中，增加光纤密度以保持多芯光纤的紧凑性(例如，提供直径与用于此类应用的传统光纤的直径相匹配的多芯光纤，诸如直径为约125μm)是有益的，同时与用于此类应用的传统光纤相比，提供相对较高的光纤计数。在这种多模光纤内实现高光纤密度同时减少多芯光纤的芯之间的串扰的常规方法包括将每个芯部分在1310nm下的模场直径减小到小于8.0μm。模场直径的这种减小可以减少芯部分之间的串扰，但在将每个芯部分耦合到光学互连中的标准单模光纤时会产生困难，从而导致信号损耗。
本文描述的多模光纤解决了在相对较小的多芯光纤中提供高光纤密度的传统方法的这些缺陷。特别地，通过结合芯部分(芯部分包括芯区域、内包层区域和具有沟槽折射率分布的凹陷包层区域)，本文所述的多模光纤提供相对低的串扰(例如，小于-30dB、小于-40dB或甚至小于-50dB)、从角落光纤到边缘的低隧穿损耗，以及良好的弯曲性能。附加地，本文所述的多模光纤在1310nm下实现了相对较大的模场直径(例如，大于或等于8.2μm并且小于或等于9.5μm)，从而与传统方法相比改善了与标准单模光纤的耦合。
现在参考图1，示意性地描绘了光学系统100，该光学系统100包括具有多个芯部分C1、C2、C3和C4(图2)的非耦合芯多芯光纤110、信号源180和光电检测器190。信号源180可以产生多个调制信号，诸如由分布式反馈激光器(DFB)或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)产生的调制信号。非耦合芯多芯光纤110包括光学地耦合至信号源180的输入端112、光学地耦合至光电检测器190的输出端114、以及外表面116。在操作中，信号源180可以选择性地将光子从一个激光器引导到多个芯部分C1、C2、C3和C4的单独芯部分中。例如，信号源180、非耦合芯多芯光纤110的输入端112或该两者可以耦合至多芯扇入设备，该多芯扇入设备被配置成将信号源180与多个芯部分C1、C2、C3和C4中的任何单独芯部分对准(见图2)。
图2描绘了沿着图1的截面II-II的非耦合芯多芯光纤110的横截面图。非耦合芯多芯光纤110包括中心纤轴12(非耦合芯多芯光纤110的中心线，其定义径向位置R＝0)和共用包层19。共用包层19可以具有外半径RCC，在图2所描绘的实施例中，该外半径RCC对应于非耦合芯多芯光纤110的外半径。多个芯部分Ci(在图2的示例中单独表示为C1、C2、C3和C4，并且统称为芯部分“C”)被设置在共用包层19内，其中每个芯部分Ci总体上延伸穿过非耦合芯多芯光纤110平行于中心纤轴12的长度。
在实施例中，2*RCC(例如，多芯光纤110的直径)等于125微米。在实施例中，多芯光纤110的直径大于140微米。在实施例中，多芯光纤110的直径大于170微米。在实施例中，多芯光纤110的直径小于200微米。在实施例中，类光纤的直径小于160微米。在实施例中，多芯光纤110的直径大于或等于120并且小于或等于130微米。
每个芯部分C1、C2、C3和C4包括中心轴或中心线CL1、CL2、CL3和CL4(其定义每个芯部分的径向位置r＝0)以及外半径rC1、rC2、rC3和rC4。非耦合芯多芯光纤110内的中心线CL1、CL2、CL3和CL4中的每个中心线的位置可以使用笛卡尔坐标来定义，其中中心纤轴12定义与由径向坐标R定义的坐标系一致的x-y坐标系的原点(0，0)。中心线CL1的位置可以被定义为(x1，y1)，中心线CL2的位置可以被定义为(x2，y2)，中心线CL3的位置可以被定义为(x3，y3)，并且中心线CL4的位置可以被定义为(x4，y4)。在实施例中，每个芯部分Ci与最近的一个芯部分(例如，具有最靠近该芯部分的中心线的中心线CLi的芯部分Ci)以最小芯到芯分离距离(或“最小分离距离”)分隔开。在实施例中，每个芯部分Ci与多个芯部分以最小分离距离分隔开。例如，如图2中所描绘的，芯部分C1、C2、C3和C4以2×2布置被布置，其中中心线CL1、CL2、CL3和CL4中的每个中心线都位于正方形的角处。在这种布置中，芯部分C1和C2的中心线CL1和CL2以最小分离距离分隔开，该最小分离距离可以被定义为Dc1–Dc2＝√[(x2–x1)2+(y2–y1)2]。芯部分C1和C4的中心线CL1和CL4也以最小分离距离分隔开，该最小分离距离可以被定义为Dc1–Dc4＝√[(x4–x1)2+(y4–y1)2]。如本文所使用，术语“相邻芯部分”用于表示具有彼此最接近的中心线的芯部分(即，没有其他芯部分Ci具有比相邻芯部分更靠近芯部分的中心线CLi)。在实施例中，相邻芯部分的中心线以最小分离距离分隔开。应当理解，特定芯部分可以具有多个相邻的芯部分。
在实施例中，芯部分C1、C2、C3和C4之间的最小分离距离大于或等于35微米，以便于保持芯部分C1、C2、C3和C4之间相对较低的串扰。在实施例中，最小分离距离大于或等于40微米。在实施例中，最小分离距离大于或等于45微米(例如，大于或等于50微米、大于或等于60微米、大于等于70微米、小于或等于75微米)。
在实施例中，多个芯部分Ci的边缘也可以与非耦合芯多芯光纤110的外表面116至少以最小芯边缘到光纤边缘距离DE分隔开，该最小芯边缘到光纤边缘距离DE是从多个芯部分Ci中的每个芯部分的边缘到外表面116测量的。如图2中所描绘的，最小芯边缘到光纤边缘距离DE是从芯部分Ci(例如，对应于针对芯部分Ci的r3值，如本文关于图5所述)的沿着外圆周的点(例如，最靠近外表面116的外圆周上的点)到沿着外表面116的圆周的最近点的最小距离，如由沿着芯部分Ci的外圆周的点和在垂直于纤轴12的平面中沿着外表面15上的圆周的最近点之间的线段所确定的。在实施例中，DE大于或等于8微米。在实施例中，DE大于或等于12微米。在实施例中，DE大于15微米。在不受任何特定理论约束的情况下，认为由于隧穿而导致的信号损失的程度取决于DE的最小值。
在实施例中，非耦合芯多芯光纤110可以具有圆形横截面形状。应理解，多芯光纤110可以包括与关于图1-2所描述的不同数量的芯部分，并且芯部分在共用包层19(见图1)内的布置可以变化。在实施例中，非耦合芯多芯光纤110可以具有N个总芯部分Ci，其中i＝1…N，并且N至少为3。根据本公开的一个方面，非耦合芯多芯光纤110中的芯Ci的总数N为3至12、3至10、3至8、3至6、3至5或3至4。例如，非耦合芯多芯光纤10中的芯部分Ci的总数N可以是3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，或者芯部分Ci的任何总数N在这些值中的任何值之间。芯部分Ci的总数N可以是偶数或奇数，并且可以在共用包层19内以任何图案布置，其非限制性示例包括2×2图案(或其倍数，诸如2×4图案)、矩形图案、正方形图案、矩形图案，圆形图案和六边形晶格图案。
例如，图3描绘了具有以六边形晶格图案布置的N＝7个芯部分Ci的非耦合芯多芯光纤400的横截面图。在实施例中，可以使用非耦合芯多芯光纤400来代替关于图1描述的非耦合芯多芯光纤110。非耦合芯多芯光纤400包括第一芯部分C1，该第一芯部分C1延伸穿过非耦合芯多芯光纤400的中心轴412。六个附加的芯部分C2、C3、C4、C5、C6和C7与第一芯部分C1等距地以六边形布置被布置在包层阵列410中。在实施例中，包括第一芯部分C1和附加芯部分C2、C3、C4、C5、C6和C7中的两个附加芯部分的芯部分的三元组形成等边三角形，其中每个三元组中芯部分的中心线以等于DC1–DC2的最小分离距离分隔开。在实施例中，最小分离距离DC1–DC2大于或等于35微米，以便于保持芯部分C1、C2、C3和C4之间相对较低的串扰。在实施例中，最小分离距离大于或等于40微米。在实施例中，最小分离距离DC1–DC2大于或等于45微米。在实施例中，芯部分的布置在包层阵列410内居中，使得附加芯部分C2、C3、C4、C5、C6和C7中的每个附加芯部分与包层阵列410的外表面420至少以最小芯边缘到光纤边缘的距离DE分隔开。在实施例中，DE大于或等于8微米。在实施例中，DE大于或等于12微米。在实施例中，DE大于15微米。
图4描绘了具有围绕中心轴512以三角形图案布置的N＝3个芯部分Ci的非耦合芯多芯光纤500的横截面图。在实施例中，可以使用非耦合芯多芯光纤500来代替关于图1描述的非耦合芯多芯光纤110。非耦合芯多芯光纤500包括设置在包层阵列510中的芯部分C1、C2、C3。在实施例中，芯部分C1、C2、C3形成等边三角形，其中每个三元组中芯部分的中心线以等于DC1–DC2的分离距离分隔开。在实施例中，芯部分C1、C2和C3不是均匀间隔的(例如，第一芯部分C1的中心线与第二芯部分C2可以以第一距离分隔开，第二芯部分C2与第三芯部分C3可以以不同于第一距离的第二差值分隔开)。在实施例中，DC1–DC2大于本文所述的最小分离距离。为了便于在芯部分C1、C2和C3之间保持相对低的串扰。在实施例中，最小分离距离大于或等于35微米或大于或等于40微米。在实施例中，最小分离距离DC1–DC2大于或等于45微米。在实施例中，芯部分C1、C2、C3中的每个芯部分与包层阵列410的外表面520至少以最小的芯边缘到光纤边缘距离DE分隔开。在实施例中，DE大于或等于8微米。在实施例中，DE大于或等于12微米。在实施例中，DE大于15微米。
应理解，用于非耦合芯多芯光纤110的芯部分的各种数量和布置被构想并且是可能的。例如，在实施例中，非耦合芯多芯光纤110可以具有以圆形图案布置的N＝12个芯部分Ci。在实施例中，非耦合芯多芯光纤110可以具有芯部分Ci，该芯部分Ci被定位为使得芯中心线CLi与中心纤轴12对准。在实施例中，非耦合芯多芯光纤110可以具有芯部分Ci图案，该芯部分Ci图案为使得芯Ci围绕中心纤轴12间隔开。
图5示意性地描绘了本文中关于图1-图2描述的芯部分Ci中的一个芯部分沿着图2的线V-V的横截面图。在实施例中，芯部分Ci中的每个芯部分包括以中心线CLi为中心的芯区域150和包层区域155。包层区域155包括包围并直接接触芯区域150的内包层区域160(本文中也称为内包层)和包围并直接接触内包层区域160的凹陷包层区域170。在实施例中，芯区域150和包层区域155是同心的，使得芯部分Ci的横截面相对于具有总半径rCi的中心线CLi总体上是圆形对称的。芯区域150具有半径r1，并且凹陷包层区域170具有半径r3，该半径r3定义芯部分Ci的外半径，使得r3对应于本文关于图2所述的与每个芯部分Ci相关联的半径rCi。内包层区域160在芯区域150的半径r1和凹陷包层区域170的内半径r2之间延伸，使得内包层区域160在径向方向上具有厚度T2＝r2–r1。凹陷包层区域170在径向方向上具有厚度T3＝r3–r2。本文更详细地描述了芯区域150、内包层区域160和凹陷包层区域170中的每一者的结构、组成和光学属性。
参考图5和图6，示意性地描绘了芯部分Ci中的一个芯部分的一个实施例的径向横截面(图5)和芯部分Ci沿着图2中的线VI的对应相对折射率分布(图6)。在图6中，芯部分Ci的相对折射率分布被绘制为与芯部分Ci的中心线CLi的径向距离r的函数。如图2中所描绘的，图6中所描绘的相对折射率分布从芯部分Ci的中心线CLi径向向外延伸，并延伸入共用包层19的一部分。如图6中所描绘的，芯区域150具有相对折射率Δ1。在实施例中，相对折射率Δ1可以随着径向坐标(半径)r而变化，并表示为Δ1(r)。在实施例中，芯区域150包括具有上掺杂剂(例如，锗)的二氧化硅基玻璃。在实施例中，相对折射率Δ1(r)包括最大相对折射率Δ1最大(相对于纯二氧化硅)。在实施例中，Δ1最大大于或等于0.28％Δ并且小于或等于0.45％Δ。在实施例中，为了实现Δ1最大的这些值，芯区域150具有大于或等于6wt.％并且小于或等于9wt.％的上掺杂剂(例如，锗)浓度。上掺杂剂浓度可以在芯区域150内变化。提供具有在该范围内的Δ1最大值的芯部分Ci有助于每个芯部分Ci在1310nm下具有大于或等于8.2μm并且小于或等于9.5μm的模场直径。
在实施例中，相对折射率Δ1(r)遵循渐变折射率分布，其中α值大于或等于1.5并且小于或等于5.0。例如，在实施例中，最大相对折射率Δ1最大可以在r＝0处(例如，在中心线CLi处)发生，并且随着α分布而减小，直到达到半径r1。在实施例中，相对折射率Δ1(r)遵循阶跃折射率分布，其中α值大于或等于10。例如，在实施例中，相对折射率Δ1(r)可以保持基本上等于最大相对折射率Δ1最大，直到半径r1。在实施例中，半径r1与内包层区域160的内半径一致。在实施例中，芯半径r1大于或等于3.0微米并且小于或等于7.0微米。在实施例中，芯半径r1大于或等于3.5微米并且小于或等于6.5微米(例如，大于或等于4.0微米并且小于或等于6.0微米)。提供具有在该范围内的芯半径r1有助于每个芯部分Ci在1310nm下具有大于或等于8.2μm并且小于或等于9.5μm的模场直径。
仍然参考图5和图6，内包层区域160从半径r1延伸至半径r2，使得内包层具有径向厚度T2＝r2-r1。在实施例中，内包层区域160包括相对折射率Δ2。在实施例中，内包层区域160由基本上不含掺杂剂(例如，上掺杂剂和下掺杂剂)的二氧化硅基玻璃形成，使得相对折射率Δ2为约0。在实施例中，内包层区域160由与共用包层19类似的二氧化硅基玻璃形成，使得Δ2＝ΔCC。在不希望受理论约束的情况下，据信，r2的值(以及因此内包层区域160的径向厚度T2)部分地确定芯部分Ci中的每个芯部分的零色散波长。在实施例中，芯部分Ci中的每个芯部分具有大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm的零色散波长。为了实现这样的零色散波长，r2可以大于或等于4.5μm并且小于或等于17μm。在实施例中，r2大于或等于7.0μm并且小于或等于7.5μm。
凹陷包层区域170从半径r2延伸至半径r3，使得外部包层具有径向厚度T3＝r3–r2。半径r3可以对应于本文关于图2描述的芯部分Ci的半径的外半径rCi。在实施例中，每个芯部分Ci具有外径d＝2*r3。在不希望受理论约束的情况下，据信，r3的值(以及因此凹陷包层区域170的径向厚度T3)部分地确定芯部分Ci中的每个芯部分的零色散波长。在实施例中，芯部分Ci中的每个芯部分具有大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm的零色散波长，如上所述。为了实现这样的零色散波长，r3可以大于或等于11μm并且小于或等于20μm。在实施例中，r3可以大于或等于12μm并且小于或等于18μm。在实施例中，r3可以大于或等于14.5μm并且小于或等于16μm。
凹陷包层区域170具有相对折射率Δ3。在实施例中，贯穿凹陷包层区域170，相对折射率Δ3小于或等于内包层区域160的相对折射率Δ2。相对折射率Δ3也可以小于或等于共用包层19的相对折射率ΔCC(见图2)，使得凹陷包层区域170在芯部分Ci的相对折射系数分布中形成沟槽。本文中使用的术语“沟槽”是指芯部分的在径向横截面中被具有相对较高折射率的多芯光纤的区域(例如，内包层区域160和共用包层19)包围的区域。在实施例中，相对折射率Δ3在整个凹陷包层区域170中可以是恒定的。在其他实施例中，相对折射率Δ3可以随着径向坐标r(半径)而变化，并表示为Δ3(r)。在实施例中，凹陷包层区域170内的相对折射率Δ3(r)随着与中心线CLi的径向距离的增加而单调减小，使得凹陷包层区域170包括r3处的最小相对折射率Δ3最小。在实施例中，Δ3(r)随着距中心线CLi的径向距离以恒定速率减小，使得凹陷包层区域170内的相对折射率分布基本上是线性的。在实施例中，相对折射率Δ3(r)随着与中心线CLi的径向距离的增加而以增加或减少的速率连续减小，使得凹陷包层区域170内的相对折射率分布具有凹形或凸形的抛物线或类似形状。仍然参考图5-图6，在实施例中，Δ1>Δ2>Δ3最小。在实施例中，Δ2≥Δ3，使得凹陷包层区域在每个芯部分的相对折射率分布中在r2和r3之间形成凹陷折射率沟槽。
仍然参考图5和图6，在实施例中，凹陷包层区域170包括具有一种或多种下掺杂剂(例如，氟)的二氧化硅玻璃。在实施例中，凹陷包层区域170内的下掺杂剂浓度作为距芯部分Ci的中心线CLi的径向距离的函数而变化。例如，在实施例中，凹陷包层区域170内的下掺杂剂浓度通过例如从径向位置r2处的最小值0wt.％单调增大至径向位置r3处的最大值。在实施例中，下掺杂剂浓度的最大值大于或等于1.2wt.％并且小于或等于2.0wt.％。在实施例中，最大下掺杂剂浓度F最大大于或等于1.2wt.％并且小于或等于1.8wt.％。根据凹陷包层区域170内的下掺杂剂浓度，相对折射率Δ3(r)可以随着增加与芯部分Ci的中心线CLi的径向距离而单调减小，使得凹陷包层区域170在折射率分布中形成三角形沟槽，如图6和图7中所描绘的。这样的实施例是有益的，因为它们可以使用本文关于图8和图9进一步描述的单步骤工艺来形成。在实施例中，Δ3最小小于或等于-0.2％Δ并且大于或等于-0.6％Δ。
芯部分Ci的特定玻璃部分的径向厚度可以与特定玻璃部分相对折射率相关。具体而言，具有相对折射率Δi％、内半径rin和外半径rout的玻璃部分“i”可以具有如下定义的沟槽体积Vi：
Figure BDA0004147336710000221
其可以改写为：
Figure BDA0004147336710000222
因此，凹陷包层区域170可以具有如下的沟槽体积VT：
Figure BDA0004147336710000231
在实施例中，凹陷包层区域170被构造为具有在每个芯部分Ci内实现大于或等于30％Δμm2并且小于75％Δμm2的沟槽体积VT的下掺杂剂浓度。在不希望受理论约束的情况下，据信，凹陷包层区域170内的沟槽体积VT对于每个芯部分Ci的零色散波长和模场直径是确定性的。提供沟槽体积VT可以提供具有大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm的零色散波长、并且模场直径(在1310nm下)大于或等于8.2μm并且小于或等于9.5μm的芯部分Ci。在不希望受理论约束的情况下，据信，较大的沟槽体积VT倾向于限制行进通过每个芯部分Ci的光，并且使每个芯部分Ci的模场直径更小。在实施例中，如果沟槽体积大于75％Δμm2，则模场直径倾向于低于8.2μm，使与标准单模光纤的耦合更加困难，或者具有大于1260nm的线缆截止，使得光纤不适合在1310nm波长下或在O带中操作。还据信，凹陷包层区域170的径向起点(例如，所描绘的实施例中的r2)对于每个芯部分Ci的模场直径也是确定性的。相对较大的r2值降低了凹陷包层区域限制通过每个芯部分Ci传播的光的趋势。在实施例中，具有相对较大的r3值(例如，大于或等于15μm)的芯部分Ci可以包括大于或等于75％Δμm2的沟槽体积。提供在这样的范围内的沟槽体积VT也可以改善每个芯部分Ci在不包括凹陷包层区域170的多芯光纤上的弯曲性能。
图7示意性地描绘了本文关于图1-2描述的多芯光纤110的芯部分Ci的另一相对折射率分布。在实施例中，图7中所描绘的芯部分相对折射率分布也沿着图2中所示的线VI从芯部分Ci的中心线CLi延伸至共用包层19中。芯部分Ci可以包括如关于图5和图6所描述的类似的结构组件。因此，在根据图7的实施例中，芯部分Ci中的每个芯部分Ci包括芯区域150’和包层区域155’。包层区域155’包括围绕并直接接触芯区域150’的内包层区域160’和围绕并直接接触内包层区域160’的凹陷包层区域170’。芯区域150’具有半径r1’，并且凹陷包层区域170’具有半径r3’，该半径r3’定义芯部分Ci的外半径，使得r3’对应于本文关于图2所述的与每个芯部分Ci相关联的半径rCi。内包层区域160’在芯区域150’的半径r1’和凹陷包层区域170’的内半径r2’之间延伸，使得内包层区域160在径向方向上具有厚度T2’＝r2’–r1’。凹陷包层区域170’在径向方向上具有厚度T3’＝r3’–r2’。
芯区域150’、内包层区域160’和凹陷包层区域170’中的每一者可以具有大体上与本文中关于图5和图6所述的芯区域150、内包层区域160和凹陷包层区域170的所述结构和组成属性类似的结构和组成属性。如所描绘的，图7中所描绘的芯区域150’与关于图5和图6所述的芯区域150’的不同之处在于，相对折射率Δ1’(r)遵循具有比图6中所描绘的芯区域150的相对折射率Δ1(r)(其具有大于10的α值)的α值更低的α值(例如，小于2.5)的渐变折射率分布。芯区域150’的半径r1’大于图6中所描绘的芯区域150的半径r1，使得内包层区160’的厚度T2’小于图6中所描绘的内包层区域160的厚度T2。图7中所描绘的凹陷包层区域170’的最小相对折射率Δ3最小’小于本文参考图5-6所述的凹陷包层区域170的最小相对折射率Δ3最小，并且凹陷包层区域170’的r3’相对于凹陷包层区域170的r3减小，使得凹陷包层区域170’定义稍小的沟槽体积。与根据图7中所描绘的相对折射率分布构造的芯纤Ci相比，图6中所描绘的相对折射率分布实现了稍微更好的弯曲损耗性能。在本文包含的示例部分中更详细地描述了图6和图7中所描绘的相对折射分布的性能以及与其相关联的特定值。
在实施例中，每个芯部分Ci和相邻的芯部分Ci之间的串扰小于或等于-30dB。串扰取决于芯部分的设计(例如，相对折射率分布)和相邻芯部分之间的距离(例如，本文所述的最小分离距离)。在实施例中，串扰是根据本文中的等式5-8来确定的。在实施例中，每个芯部分Ci和相邻的芯部分之间的串扰小于或等于-35dB。在实施例中，每个芯部分Ci和相邻的芯部分之间的串扰小于或等于-40dB。
在实施例中，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1310nm的波长下可以具有大于62μm2并且小于或等于72μm2的有效面积A有效。在不考虑非耦合芯多芯光纤110的芯部分Ci之间的串扰的影响的情况下，单独地为非耦合芯多芯光纤110中的每个芯部分Ci确定有效面积。
通过测量非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1310nm或1550nm波长下的衰减，然后基于每个芯部分Ci的各个衰减测量计算整个非耦合芯多芯光纤110的平均衰减，来确定非耦合芯多芯光纤110的平均衰减。在实施例中，非耦合芯多芯光纤110在1310nm下的平均衰减小于或等于0.34dB/km(例如，小于或等于0.33dB/km，小于或等于0.32dB/km)。在实施例中，非耦合芯多芯光纤110在1550nm下的平均衰减小于或等于0.19dB/km(例如，小于或等于0.185dB/km，小于或等于0.18dB/km)。应当理解，非耦合芯多芯光纤110的衰减可以在由本文所述的衰减的下限中的任何一者和衰减的上限中的任何一者形成的范围内。
在各种实施例中，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci的线缆截止积大于或等于1100nm并且小于或等于1260nm(例如，大于或等于1150nm并且小于等于1260nm)。在实施例中，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci的线缆截止大于或等于1200nm并且小于或等于1260nm。应当理解，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci的线缆截止可以在由本文所述的线缆截止的下限中的任何一者和线缆截止的上限中的任何一者形成的范围内。
通过测量非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1510nm波长下的15mm弯曲损耗，然后基于每个芯部分Ci的各个15mm弯曲损耗测量计算整个非耦合芯多芯光纤的平均15mm弯曲损耗，来确定非耦合芯多芯光纤的平均15mm弯曲损耗。在实施例中，使用具有15mm直径的芯轴在1550nm波长下测量的非耦合芯多芯光纤110的平均弯曲损耗(“1×15mm直径弯曲损耗”)小于或等于0.5dB/圈或小于或等于0.25dB/圈。
通过测量非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1510nm波长下的20mm弯曲损耗，然后基于每个芯部分Ci的各个20mm弯曲损耗测量计算整个非耦合芯多芯光纤110的平均20mm弯曲损耗，来确定非耦合芯多芯光纤的平均20mm弯曲损耗。在实施例中，使用具有20mm直径的芯轴在1550nm波长下的非耦合芯多芯光纤110的平均弯曲损耗(“1×15mm弯曲损耗”)小于或等于0.1dB/圈或小于或等于0.005dB/圈。
通过测量非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1510nm波长下的30mm弯曲损耗，然后基于每个芯部分Ci的各个30mm弯曲损耗测量计算整个非耦合芯多芯光纤110的平均30mm弯曲损耗，来确定非耦合芯多芯光纤110的平均30mm弯曲损耗。在实施例中，使用具有30mm直径的芯轴在1550nm波长下的非耦合芯多芯光纤110在1550nm波长下的平均弯曲损耗(“1×15mm弯曲损耗”)小于或等于0.005B/圈、或小于0.003db/圈或小于或等于0.0025dB/圈。
在各种实施例中，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci的零色散波长大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm。在实施例中，每个芯部分Ci的零色散波长大于或等于1308nm并且小于或等于1322nm。在实施例中，每个芯部分Ci的零色散波长大于或等于1310nm并且小于或等于1318nm。应当理解，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci的零色散波长可以在由本文所述的零色散波长的下限中的任何一者和零色散波长的上限中的任何一者形成的范围内。
在各种实施例中，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1310nm下的色散大于或等于-1.3ps/nm/km并且小于或等于1ps/nm/km。应当理解，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1310nm下的色散可以在由本文所述的在1310nm下的色散的下限中的任何一者和在1310nm下的色散的上限中的任何一者形成的范围内。
在各种实施例中，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1310nm下的色散斜率大于或等于0.085ps/nm2/km并且小于或等于0.093ps/nm2/km。应当理解，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1310nm下的色散斜率可以在由本文所述的在1310nm下的色散斜率的下限中的任何一者和在1310nm下的色散斜率的上限中的任何一者形成的范围内。
在各种实施例中，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1550nm下的色散大于或等于17ps/nm/km并且小于或等于20ps/nm/km。应当理解，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1550nm下的色散可以在由本文所述的在1550nm下的色散的下限中的任何一者和在1550nm下的色散的上限中的任何一者形成的范围内。
在各种实施例中，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1550nm下的色散斜率大于或等于0.060ps/nm2/km并且小于或等于0.070ps/nm2/km。应当理解，非耦合芯多芯光纤110的每个芯部分Ci在1550nm下的色散斜率可以在由本文所述的在1550nm下的色散斜率的下限中的任何一者和在1550nm下的色散斜率的上限中的任何一者形成的范围内。
再次参考图5，在实施例中，制造每个芯部分Ci，使得凹陷包层区域170的变化的相对折射率Δ3由随着径向坐标r变化的下掺杂剂浓度D确定，即，D＝D(r)。在实施例中，下掺杂剂是氟，并且D(r)被表示为径向依赖的氟浓度F(r)。因此，凹陷包层区域170内的F(r)可以在最小值F最小和最大值F最大之间变化。在实施例中，F最小位于径向位置r2，并且F最大位于径向位置r3。在实施例中，F最小＝0wt％。在实施例中，F最大大于或等于1.2wt.％并且小于或等于2.0wt.％。在实施例中，F最大大于或等于1.2wt.％并且小于或等于1.8wt.％。
凹陷包层区域170内的下掺杂剂浓度(例如，F最大和F最小)的值确定其中的折射率分布，并且从而确定了图6和图7中凹陷包层区域170和170’的沟槽体积VT。在不希望受理论约束的情况下，据信，沟槽体积确定芯部分Ci中的每个芯部分Ci的零色散波长。如本文所述，可以选择下掺杂剂浓度，使得芯部分Ci中的每个芯部分Ci的零色散波长大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm。为了实现这样的零色散波长，每个芯部分Ci的凹陷包层区域170内的沟槽体积可以是30％Δμm2并且小于75％Δμm2。
本公开的多芯光纤110可以使用用于形成多芯光纤的任何合适的方法来制造。例如，参见2020年2月14日提交的美国专利申请序列第16/791,708号，其公开通过引用整体并入本文。现在通过示例方式参考图8，描绘了形成多芯光纤的方法800的流程图。方法800可用于形成本文中关于图1-7描述的非耦合芯多芯光纤110(或其任何替代实施例)。在步骤802中，针对共用包层19形成烟灰空区。烟灰空区的形成可以包括首先经由外部气相沉积(“OVD”)工艺、烟灰压制方法、气相轴向沉积(“VAD”)工艺或任何其他已知方法形成烟灰体。烟灰体可以由玻璃前体材料形成。在实施例中，烟灰体由二氧化硅基材料形成。例如，在OVD工艺中，惰性杆可以被铺有二氧化硅基烟灰颗粒层，这些烟灰颗粒是通过让蒸汽(诸如四氯化硅(SiCl4)蒸汽)通过燃烧器火焰而形成的，使得蒸汽在火焰中反应以形成沉积在惰性杆上的精细二氧化硅基烟灰颗粒。烟灰沉积完成后，可以移除惰性杆并且可以部分地固结烟灰体以达到适于钻孔以形成烟灰空区的体积密度。然后可以使用已知技术对烟灰空区进行钻孔以产生用于芯杖插入的开口。
在步骤804中，可以形成芯杖的芯区域。在实施例中，在完成方法800之际(例如，在抽取之后)，芯区域可以对应于本文中关于图5-图7描述的芯区域150。芯区可以经由OVD工艺、烟灰压制方法、VAD工艺或任何已知方法形成。在方法800完成之后，芯区域可以形成为具有本文中关于图5-图7所述的相对折射率Δ1(r)。因此，可以使用上掺杂剂来形成芯区域。在示例中，可以使用OVD工艺形成芯区域，其中SiCl4蒸汽与上掺杂剂蒸汽(例如，含锗蒸汽)混合，并且蒸汽通过燃烧器并反应以在惰性杆上形成烟灰颗粒。在实施例中，在OVD工艺完成之后，可以通过将芯区域加热到低于用于形成芯区域的材料的正常烧结峰值温度的温度达预定时间来部分地固结芯区域。
在步骤806中，在芯区域上沉积过覆层。在实施方案中，经由OVD或VAD工艺在芯区域上形成二氧化硅基烟灰的烟灰过覆层。在步骤808和810中，经过覆的芯区域被定位在固结炉内，并且经过覆的芯区域的固结被发起。例如，可以将经过覆的芯区域加热至峰值烧结温度以发起固结。
在步骤812中，在固结期间，在固结的发起之后将经过覆的芯区域暴露于下掺杂剂达时段T，使得在固结之际，下掺杂剂不到达过覆层的内包层区域。图9示意性地描绘了可用于执行本文所述的步骤808、810和812的示例固结炉914。图9描绘了由固结过程的完成所产生的烟灰预形成物900。烟灰预形成物900包括芯区域902和围绕芯区域902的过覆层904。在步骤808期间，芯区域902(例如，处于未固结或部分固结状态)和过覆层904可以被放置在固结炉914的内部920中。固结炉914可以被加热至过覆层904的峰值烧结温度以发起固结。
气体源916与固结炉914的内部920流体连通。气体源916将包含下掺杂剂912的气体918提供到内部920中。下掺杂剂912(例如，氟)接着在固结期间通过过覆层904扩散。在实施例中，下掺杂剂912通过过覆层的扩散速率取决于过覆层904的组成和材料属性(例如，孔隙率、密度等)。随着过覆层904固结，过覆层904的孔隙率减小，使得下掺杂剂912的扩散速率可以随着上包层902固结而减小。
如本文所述，芯区域902可包含上掺杂剂，诸如锗。芯区域902中的下掺杂剂和上掺杂剂的存在可能会因方法800的性能而修改芯部分的折射率分布，使得使芯部分不具有所期望的属性(例如，模场直径、零色散波长、截止波长、沟槽体积)。因此，下掺杂剂912被引入内部920的固结发起之后的时间段T可以被确定，使得在过覆层904变得固结之前，下掺杂剂914不扩散通过整个过覆层902。时间段T可以基于下掺杂剂912通过过覆层904的扩散速率和烟灰预形成物900的估计固结时间来确定。例如，基于过覆层904的厚度，可以选择时间段T，使得当烟灰预形成物900固结时，过覆层902的仅一部分包含下掺杂剂912。
如图9中所描绘的，在固结之后，过覆层904的内包层区域910基本上不含下掺杂剂912。过覆层904的固结可以防止下掺杂剂912扩散到内包层区域910中。在实施例中，在完成方法800之际，内包层区域910对应于本文关于图5-图7描述的内包层区域160。过覆层904的外部区域906具有可变浓度的下掺杂剂912。过覆层904的外表面908可能已经暴露于下掺杂剂912达最长时间段，并且因此具有最高浓度的下掺杂剂912。在实施例中，外部区域906对应于凹陷包层区域170，该凹陷包层区域170在方法800完成之际在本文关于图5-图7描述的相对折射率分布中具有沟槽。
返回参考图8，在步骤812中，在将经过覆的芯区域固结到烟灰预形成物900中之后，将烟灰预形成物900插入在步骤802期间形成的烟灰空区中钻出的孔中。步骤804、806、808、810和812可以重复任意次数，以插入任意数量的烟灰预形成物，任意数量的烟灰预形成物对应于要并入非耦合芯多模式光纤中以形成光纤预形成物的期望数量的芯部分。在步骤816中，在将每个烟灰预形成物插入烟灰空区之后，将光纤预形成物抽入多芯光纤。
示例
将通过以下示例进一步阐述本文所描述的实施例。
三角形沟槽示例
对具有两种不同芯部分设计的两种多芯光纤设计(示例A和示例B)进行了数学建模，以确定光纤的光学属性。两个多芯光纤的芯部分的每个芯区域都上掺杂了锗。在实施例中，每个芯区域上掺杂锗，以包括大于或等于6wt.％并且小于或等于6.7wt.％的最大锗浓度。在实施例中，芯部分中的每个芯部分还包括下掺杂有氟的凹陷包层区域。凹陷包层区域可以包括大于或等于1.6wt.％并且小于或等于1.85wt.％的最大氟浓度。两个多芯光纤中的每个芯部分都用图5中所描绘的结构建模。也就是说，示例A和B中的每个芯部分被建模为包括：芯区域150；内包层区域160，该内包层区域160围绕并直接接触芯区域150；以及凹陷包层区域170，该凹陷包层区域170围绕并直接接触内包层160，并且在芯部分的相对折射率分布中定义沟槽。示例A和示例B中的每个多芯光纤都具有由半径为RCC＝62.5μm的未掺杂二氧化硅基玻璃构成的外部共用包层。示例A中的每个芯部分Ci都具有图6中所描绘的相对折射率分布。示例B中的每个芯部分Ci都具有图7中所描绘的相对折射率分布。示例A和示例B的光纤的结构和光学属性如表1所述。
确定了几何参数，包括每个芯部分Ci的r1、r2和r3的值(以μm为单位)，以及所述示例中共用包层的RCC(以μm为单位)。还确定了物理特性，包括：每个芯的零色散波长(以nm为单位)、芯的有效面积(A有效)(以μm2为单位)、每个芯在1310nm下的模场直径(以微米为单位)、每个芯在1510nm下的模场直径(以微米为单位)、每个芯的线缆截止(以nm为单位)、1550nm下的平均1×15mm直径弯曲损耗(以dB/圈为单位)、1550n下的平均1×20mm直径弯曲损耗(以dB/圈为单位)、1550nm下的平均1×30mm直径弯曲损耗(以dB/圈为单位)、每个芯在1310nm下的色散(以ps/nm/km为单位)，每个芯在1310nm下的色散斜率(以ps/nm2/km为单位)、每个芯在1550nm下的色散(以ps/nm/km为单位)、以及每个芯在1550nm下的色散斜率(以ps/nm2/km为单位)。
表1：示例A和示例B
Figure BDA0004147336710000311
/>
Figure BDA0004147336710000321
如示例A和B中所示，本文所述的光纤能够针对每个芯部分实现1310nm下大于或等于60μm2并且小于或等于72μm2的有效面积A有效。在实施例中，本文所述的光纤能够针对每个芯部分实现1310nm下大于或等于63μm2并且小于或等于70μm2的有效面积A有效。本文所述的光纤也表现出1310nm下大于或等于9μm并且小于或等于9.5μm的模场直径，以有助于与标准单模光纤的耦合。在实施例中，本文所述的光纤具有大于或等于9.1μm并且小于或等于9.2μm的模场直径，以有助于与标准单模光纤的耦合。本文所述的光纤也表现出小于或等于1260nm(例如，小于或等于1230nm)的线缆截止，从而表现出本文的芯部分用于单模传输的容量。
如示例A和示例B中所示，本文所述的光纤的每个芯部分具有大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm的零色散波长，以有助于该波长范围内的光学信号的长期传输。虽然在实施例中的示例A和示例B中未示出，但本文所述的光纤中的每个光纤的芯部分与相邻的芯部分具有小于或等于-30dB(例如，小于或等于-40dB，或甚至小于或等于-50dB)的串扰。为了实现在这样的范围内的串扰值，本文所述的光纤的芯部分可以至少以大于或等于30μm的最小分离距离(例如，大于或等于35μm、大于或等于40μm)彼此分隔开。在实施例中，为了防止本文所述的光纤内的隧穿损耗，本文所述的光纤的芯部分可以与外边缘(例如，共用包层的外边缘)至少以最小芯边缘到光纤边缘距离分隔开，该最小芯边缘到光纤边缘距离大于或等于18μm(例如，大于或等于20μm、大于或等于25μm)。
矩形沟槽示例
在附加示例中，对具有两种不同芯部分设计的另两种多芯光纤设计(示例C和示例D)进行了数学建模，以确定光纤的光学属性。两个多芯光纤的芯部分的每个芯区域都上掺杂了锗。在实施例中，每个芯区域上掺杂锗，以包括大于或等于6wt.％并且小于或等于6.7wt.％的最大锗浓度。在实施例中，芯部分中的每个芯部分还包括下掺杂有氟的凹陷包层区域。凹陷包层区域可以包括大于或等于1.5wt.％并且小于或等于1.7wt.％的最大氟浓度。两个多芯光纤中的每个芯部分都用图5中所描绘的结构建模。也就是说，示例C和示例D中的每个芯部分被建模为包括：芯区域150；内包层区域160，该内包层区域160围绕并直接接触芯区域150；以及凹陷包层区域170，该凹陷包层区域170围绕并直接接触内包层160，并且在芯部分的相对折射率分布中定义沟槽。示例C和示例D中的每个多芯光纤都具有由半径为RCC＝62.5μm的未掺杂二氧化硅基玻璃构成的外部共用包层。示例C和示例D与本文所述的示例A和示例B的不同之处在于，示例C和示例D包括具有矩形沟槽分布的凹陷包层区域170。也就是说，相对折射率Δ3在示例C和示例D的凹陷包层区域170内保持基本恒定在最小相对折射率Δ3最小。在实施例中，凹陷包层区域170定义具有大于或等于40％Δμm2并且小于或等于70％Δμm2的沟槽体积VT的沟槽。
确定了几何参数，包括每个芯部分Ci的r1、r2和r3的值(以μm为单位)，以及所述示例中共用包层的RCC(以μm为单位)。还确定了物理特性，包括：每个芯的零色散波长(以nm为单位)、芯的有效面积(A有效)(以μm2为单位)、每个芯在1310nm下的模场直径(以微米为单位)、每个芯在1510nm下的模场直径(以微米为单位)、每个芯的线缆截止(以nm为单位)、1550nm下的平均1×15mm直径弯曲损耗(以dB/圈为单位)、1550n下的平均1×20mm直径弯曲损耗(以dB/圈为单位)、1550nm下的平均1×30mm直径弯曲损耗(以dB/圈为单位)、每个芯在1310nm下的色散(以ps/nm/km为单位)，每个芯在1310nm下的色散斜率(以ps/nm2/km为单位)、每个芯在1550nm下的色散(以ps/nm/km为单位)、以及每个芯在1550nm下的色散斜率(以ps/nm2/km为单位)。
表2：示例C和D
Figure BDA0004147336710000341
/>
Figure BDA0004147336710000351
如示例C和示例D中所示，本文所述的光纤能够针对每个芯部分实现1310nm下大于或等于60μm2并且小于或等于72μm2的有效面积A有效。在实施例中，本文所述的光纤能够针对每个芯部分实现1310nm下大于或等于63μm2并且小于或等于70μm2的有效面积A有效。本文所述的光纤也表现出1310nm下大于或等于9μm并且小于或等于9.5μm的模场直径，以有助于与标准单模光纤的耦合。本文所述的光纤也表现出小于或等于1260nm(例如，小于或等于1230nm)的线缆截止，从而表现出本文的芯部分用于单模传输的容量。
如示例C和示例D中所示，本文所述的光纤的每个芯部分具有大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm的零色散波长，以有助于该波长范围内的光学信号的长期传输。虽然在实施例中的示例C和示例D中未示出，但本文所述的光纤中的每个光纤的芯部分与相邻的芯部分具有小于或等于-30dB(例如，小于或等于-40dB，或甚至小于或等于-50dB)的串扰。
从前面的描述中显而易见的是，包括多个芯部分和围绕芯区域的凹陷包层区域的非耦合芯多芯光纤提供芯部分之间相对较低的串扰，同时实现相对较高的光纤密度。附加地，这种凹陷包层区域为多芯光纤提供相对较低的弯曲损耗。相对折射率随半径增加而单调减小的凹陷包层区域可通过该方法有益地产生：其中凹陷包层区域在掺杂期间与具有折射率的芯区域在单个步骤中固结。本公开的实施例有助于将多个芯部分(例如，大于或等于3个芯部分并且小于或等于八个芯部分)结合到标准125μm光纤中，同时仍然提供相对较低的串扰(例如，小于-30dB)，同时保持每个芯部分的模场直径大于或等于8.2μm，以有助于与标准单模光纤耦合。
对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离要求保护的主题的精神和范围的情况下对本文描述的实施例作出各种修改和变化。因此，旨在使说明书覆盖本文描述的各实施例的多种修改和变化，只要这些修改和变化落在所附权利要求书及其等效方案的范围内。

Claims (44)

1.一种多芯光纤，包括：
共用包层；以及
设置在所述共用包层中的多个芯部分，所述多个芯部分中的每个芯部分包括：
中心轴；
芯区域，所述芯区域从所述中心轴延伸至半径r1，所述芯区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ1；
内包层区域，所述内包层区域包围并直接接触所述芯区域并从所述半径r1延伸至半径r2，所述内包层区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ2；以及
凹陷包层区域，所述凹陷包层区域包围并直接接触所述内包层区域并从所述半径r2延伸至半径r3，所述凹陷包层区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ3和相对于纯二氧化硅的最小相对折射率Δ3最小，
其中：
Δ1>Δ2>Δ3最小；
每个芯部分在1310nm波长下的模场直径大于或等于8.2μm并且小于或等于9.5μm；并且
每个芯部分的零色散波长大于或等于1300nm并且小于或等于1324nm。
2.如权利要求1所述的多芯光纤，其中，所述共用包层包括大于或等于120μm并且小于或等于200μm的外半径RCC。
3.如权利要求2所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部分包括大于或等于3个芯部分并且小于或等于8个芯部分。
4.如权利要求3所述的多芯光纤，其中，所述外半径RCC等于125μm。
5.如权利要求3所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部分以2×2布置在所述共用包层内，使得所述多个芯部分中的芯部分的中心轴与两个相邻芯部分的中心轴以大于或等于35μm的最小芯到芯分离距离分隔开。
6.如权利要求1所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部分中的每个芯部分的线缆截止波长小于或等于1260nm。
7.如权利要求1所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部分中的每个芯部分中的整个凹陷包层区域的所述相对折射率Δ3小于或等于Δ2，使得所述凹陷包层区域在每个芯部分的相对折射率分布中形成凹陷折射率沟槽。
8.如权利要求7所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述相对折射率分布中的所述凹陷折射率沟槽具有大于或等于30％Δμm2并且小于或等于75％Δμm2的沟槽体积。
9.如权利要求7所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述相对折射率分布中的所述凹陷折射率沟槽具有大于或等于40％Δμm2并且小于或等于70％Δμm2的体积。
10.如权利要求7所述的多芯光纤，其中，所述凹陷折射率沟槽延伸至所述半径r3，其中所述半径r3大于或等于11μm并且小于或等于20μm。
11.如权利要求10所述的多芯光纤，其中，r3大于或等于12μm并且小于或等于18μm。
12.如权利要求7所述的多芯光纤，其中，所述最小相对折射率Δ3最小在r3处发生。
13.如权利要求7所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述凹陷包层区域的所述相对折射率Δ3从所述半径r2处的Δ2单调减小至r3处的Δ3最小。
14.如权利要求13所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述凹陷包层区域的所述相对折射率Δ3从所述半径r2处的Δ2连续减小至r3处的Δ3最小，使得所述沟槽具有基本三角形的形状。
15.如权利要求13所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述凹陷包层区域的所述相对折射率Δ3最小小于或等于-0.2％Δ并且大于或等于-0.6％Δ。
16.如权利要求13所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述凹陷包层区域包括下掺杂剂，所述下掺杂剂具有随着距所述中心轴的径向距离而变化的浓度，使得所述凹陷包层区域包括在r3处的最大下掺杂剂浓度和在r2处的最小下掺杂剂浓度。
17.如权利要求16所述的多芯光纤，其中，所述下掺杂剂是氟，并且所述最大下掺杂剂浓度大于或等于1.2wt％并且小于或等于2.0wt％。
18.如权利要求16所述的多芯光纤，其中，所述最大下掺杂剂浓度大于或等于1.2wt％并且小于或等于1.8wt％。
19.如权利要求16所述的多芯光纤，其中，所述芯部分中的每个芯部分的所述内部包层区域基本上不含所述下掺杂剂。
20.如权利要求1所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述模场直径大于或等于8.8μm并且小于或等于9.5μm。
21.如权利要求1所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述模场直径大于或等于9.0μm并且小于或等于9.5μm。
22.如权利要求1所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述模场直径大于或等于9.1μm并且小于或等于9.5μm。
23.如权利要求1所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部分的所述中心轴以大于或等于35微米的最小分离距离彼此分隔开。
24.如权利要求23所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部分中的每个芯部分和所述多个芯部分中的最近芯部分之间的串扰小于或等于-30dB。
25.如权利要求23所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部分中的每个芯部分和所述多个芯部分中的最近芯部分之间的串扰小于或等于-50dB。
26.一种多芯光纤，包括：
共用包层；以及
设置在所述共用包层中的多个芯部分，所述多个芯部分中的每个芯部分包括：
中心轴；
芯区域，所述芯区域从所述中心轴延伸至半径r1，所述芯区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ1；
内包层区域，所述内包层区域包围并直接接触所述芯区域并从所述半径r1延伸至半径r2，所述内包层区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ2；以及
凹陷包层区域，所述凹陷包层区域包围并直接接触所述内包层区域并从所述半径r2延伸至半径r3，所述凹陷包层区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ3和相对于纯二氧化硅的最小相对折射率Δ3最小，
其中：
Δ1>Δ2>Δ3最小；
Δ2≥Δ3，使得所述凹陷包层区域在每个芯部分的相对折射率分布中在r2和r3之间形成凹陷折射率沟槽；并且
Δ3随着与每个芯部分的中心轴的径向距离的增加而单调地减小至所述最小相对折射率Δ3最小。
27.如权利要求26所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的模场直径大于或等于8.2μm并且小于或等于9.5μm。
28.如权利要求26所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的零色散波长大于或等于1300μm并且小于或等于1324μm。
29.如权利要求26所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述相对折射率分布中的所述凹陷折射率沟槽具有大于或等于40％Δμm2并且小于或等于70％Δμm2的体积。
30.如权利要求26所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部分中的每个芯部分的线缆截止波长小于或等于1260nm。
31.如权利要求26所述的多芯光纤，其中，每个芯区域包括相对于纯二氧化硅的最大相对折射率Δ1最大，其中所述芯部分中的每个芯部分中的Δ1最大大于或等于0.28％Δ并且小于或等于0.45％Δ。
32.如权利要求31所述的多芯光纤，其中，每个芯部分在所述芯区域内的所述折射率分布是渐变折射率分布。
33.如权利要求32所述的多芯光纤，其中，所述渐变折射率分布的α值大于或等于10。
34.如权利要求32所述的多芯光纤，其中，所述渐变折射率分布的α值小于或等于5。
35.如权利要求26所述的多芯光纤，其中，r3大于或等于12μm并且小于或等于18μm。
36.如权利要求35所述的多芯光纤，其中，Δ3最小小于或等于-0.2％Δ并且大于或等于-0.6％Δ。
37.如权利要求26所述的多芯光纤，其中，所述共用包层包括大于或等于120μm并且小于或等于200μm的外半径RCC。
38.如权利要求37所述的多芯光纤，其中，所述多个芯部分包括大于或等于3个芯部分并且小于或等于8个芯部分。
39.如权利要求26所述的多芯光纤，其中，每个芯部分的所述凹陷包层区域的所述相对折射率Δ3从所述半径r2处的Δ2连续减小至r3处的Δ3最小，使得所述沟槽具有基本三角形的形状。
40.一种形成多芯光纤的方法，所述方法包括：
形成芯杖的芯区域，所述芯区域包括上掺杂剂；
围绕所述芯区域沉积过覆层，以形成二氧化硅烟灰预形成物；
在固结炉中固结所述二氧化硅烟灰预形成物；
在开始所述二氧化硅烟灰预形成物的所述固结之后的时间段T，将所述二氧化硅烟灰预形成物暴露于下掺杂剂，其中所述时间段T是基于所述下掺杂剂通过所述过覆层的扩散速率来确定的，使得在所述二氧化硅烟灰预形成物固结之际，所述过覆层的内包层区域基本上不含所述下掺杂剂，使得经固结的二氧化硅烟灰预形成物包括：所述芯区域，所述芯区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ1；所述内包层区域，所述内包层区域包括相对于纯二氧化硅的相对折射率Δ2；以及凹陷包层区域，所述凹陷包层区域包括相对于纯二氧化硅的、在Δ2和最小相对折射率Δ3最小之间减小的相对折射率Δ3；
将所述经固结的二氧化硅烟灰预形成物插入烟灰空区以形成多芯预形成物；以及
将所述多芯预形成物抽入所述多芯光纤。
41.如权利要求40所述的方法，其中，所述过覆层是使用外部蒸汽沉积工艺来围绕所述芯区域沉积的。
42.如权利要求40所述的方法，其中，所述上掺杂剂包括锗。
43.如权利要求40所述的方法，其中，所述下掺杂剂包括氟。
44.如权利要求40所述的方法，其中，所述过覆层是在所述芯区域处于部分固结状态时围绕所述芯区域沉积的，使得所述芯区域与所述过覆层一起被固结。
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