用于空間多路復(fù)用的多芯光纖設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】在光纖中，多個(gè)單獨(dú)的纖芯貫穿公共包層。每個(gè)單獨(dú)纖芯支持至少一種局部橫向空間模。該單獨(dú)的纖芯和圍繞的包層被構(gòu)造為支持多個(gè)期望的信號(hào)傳輸模的傳播，同時(shí)抑制不希望的模，從而支持一個(gè)或者更多個(gè)空間多路復(fù)用信號(hào)的傳播。光纖的纖芯至纖芯間隔被配置成將纖芯之間的模耦合維持在一個(gè)能夠接受的低水平上。
【專利說明】用于空間多路復(fù)用的多芯光纖設(shè)計(jì)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本發(fā)明申請(qǐng)主張申請(qǐng)日為2011年2月24日的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)61/446，222，以及申請(qǐng)日為2011年9月7日的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)61/531,842的優(yōu)先權(quán)，兩者均為本發(fā)明申請(qǐng)的 申請(qǐng)人:所擁有，并且在這里通過引用的方式合并于此。
【背景技術(shù)】發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體涉及光纖領(lǐng)域，具體地涉及用于空間多路復(fù)用的改進(jìn)的少模光纖設(shè)計(jì)。
[0004]【背景技術(shù)】
[0005]光纖網(wǎng)絡(luò)之上的數(shù)據(jù)通信繼續(xù)按指數(shù)速率增長。為了滿足這一需要，多路復(fù)用技術(shù)已經(jīng)被發(fā)展為允許多個(gè)分散數(shù)據(jù)流共用相同的光纖，從而顯著地增加每個(gè)光纖的通信量。
[0006]在光纖行業(yè)中當(dāng)前的研究和發(fā)展主要集中在密集波分復(fù)用(DWDM)上，這是一種多路復(fù)用技術(shù)，其中多個(gè)數(shù)據(jù)通道被分配給某一運(yùn)轉(zhuǎn)帶寬內(nèi)的相應(yīng)的波長。數(shù)據(jù)通道在單模光纖的基本(LPtll)模式之上被結(jié)合用于傳輸，并且當(dāng)它們到達(dá)各自目的地時(shí)被分別返回進(jìn)入分離通道之內(nèi)。
[0007]在基于DWDM的傳輸系統(tǒng)內(nèi)，給定放大器帶寬內(nèi)的總?cè)萘勘还庾V效率所限制，光譜效率用于描述在給定數(shù)據(jù)比率下，當(dāng)光纖受到非線性效應(yīng)所帶來的極端限制時(shí)，用于通信目的單個(gè)波長可以被間隔的緊密程度。利用日益復(fù)雜的算法可以增加光譜效率，例如使用高階調(diào)制方案，但是這種方法帶來帶寬收益遞減并且適度的改進(jìn)不能跟上指數(shù)增長的帶寬需要。可以預(yù)料，在下一個(gè)10至15年之內(nèi)，單模光纖中的DWDM光譜效率將會(huì)接近它的理論極限。
[0008]一種用于增加每個(gè)光纖容量的有前景的方法是空分多路復(fù)用(SDM)，其中單光纖內(nèi)的多個(gè)數(shù)據(jù)通道通過相應(yīng)的多個(gè)纖芯，或通過光纖引導(dǎo)的相應(yīng)的多個(gè)光信號(hào)模式提供。基于SDM的技術(shù)有能夠顯著地增加每個(gè)光纖傳輸容量的潛能，突破基于DWDM系統(tǒng)的非線性的限制。
[0009]由于SDM和現(xiàn)有技術(shù)之間的原理不同，SDM已經(jīng)被證明是技術(shù)上的挑戰(zhàn)，需要新型的光學(xué)纖維和相關(guān)裝置的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]一種少模光纖，包括由包層圍繞的纖芯，該光纖的折射率分布配置成沿著光纖的一段引導(dǎo)空間多路復(fù)用的光信號(hào)。該包層可以具有外包層區(qū)域以及向下?lián)诫s溝槽或者配置在纖芯和外包層區(qū)域之間的凹陷包層區(qū)域?？商鎿Q實(shí)施例進(jìn)一步具有包層之內(nèi)的高折射率導(dǎo)向環(huán)，配置在纖芯和溝槽或者凹陷包層區(qū)域之間。該折射率分布被構(gòu)造成用來支持用于傳送相應(yīng)的許多空間多路復(fù)用傳輸信號(hào)的多個(gè)導(dǎo)模，同時(shí)抑制不希望的導(dǎo)模。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,一種光纖包括纖芯和圍繞纖芯的包層。該纖芯和包層具有階躍折射率分布，其被構(gòu)造為用于支持多個(gè)期望的信號(hào)傳送模的傳播，同時(shí)抑制不希望的模。該包層包括外包層區(qū)域，其外半徑為Lladding，折射率為IIeladding，并且折射率差A(yù)ncladding = O。該纖芯的半徑為reOTe，折射率為neOTe，折射率差為AneOTe。纖芯和包層如此配置是為了使不希望的模相應(yīng)的有效折射率接近于或者小于包層折射率，從而使不希望的模是漏模。具有最低有效折射率的期望模式和具有最高有效折射率的漏模之間的折射率間隔足夠大以便防止其間發(fā)生耦合。
[0012]本發(fā)明的另一個(gè)方面指向一種少模光纖，具有漸變折射率纖芯，其在穿過光纖傳播的模式之間提供了所描述的折射率間隔。
[0013]本發(fā)明的進(jìn)一步方面指向一種光纖，包括貫穿公共包層的多個(gè)單獨(dú)纖芯。每個(gè)單獨(dú)纖芯支持至少一種局部橫向空間模。該單獨(dú)的纖芯和圍繞包層被構(gòu)造為支持多個(gè)期望信號(hào)傳送模的傳播，同時(shí)抑制不希望的模，從而支持一個(gè)或者更多空間多路復(fù)用信號(hào)的傳播。光纖的纖芯至纖芯間隔被配置成保持纖芯之間的可接受的低水平模耦合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是一系列圖，說明了 LP11模的四種可能的元件(a)-(d)，包括偏振態(tài)。
[0015]圖2所示的是一對(duì)表格，表明了在特定假設(shè)條件下，用于理想的少模光纖之上的通信的最大可容許的平均微分群延遲(maximum allowable mean differential groupdelay)，以 ps/km 為單位。
[0016]圖3所不的一組表格表明了對(duì)于30和60Gbaud下不同安裝數(shù)量,不同目標(biāo)鏈接長度以及不同模間耦合的可容許的平均DGD的近似極限，以ps/km為單位。
[0017]圖4所示的是根據(jù)包括多芯結(jié)構(gòu)的本發(fā)明一個(gè)方面的示意性光纖的截面圖。
[0018]圖5所示的是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的具有高折射率導(dǎo)向環(huán)的光纖的折射率分布。
[0019]圖6所示的是現(xiàn)有技術(shù)中已知的，階躍折射率光學(xué)纖維的計(jì)算特性的圖表。
[0020]圖7A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的示意性光纖的輪廓設(shè)計(jì)。圖7B所示的一對(duì)表格表明了圖7A的示意性光纖的設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算特性。
[0021]圖8的圖表所示的是兩模光纖的測量折射率分布的絕對(duì)差值差值，并且以虛線示出以LPtll, LP11模的計(jì)算有效折射率，以及在包層級(jí)別之下的下一個(gè)高階LP模。
[0022]圖9的圖表比較了具有1.25m, 2.5m, 5m以及IOm的相應(yīng)長度的試驗(yàn)性兩模光纖的直光纖段中的除LP11之外下一個(gè)高次模的光譜損耗曲線。
[0023]圖10的圖表比較了在增加25.4mm直徑線圈之后的圖9的光譜損耗曲線。
[0024]圖11圖表所示的是干涉測量的結(jié)果,表示了 LPcil和LP11模之間的最大群延時(shí)差是大約0.06ps/m或者60ps/km,跨越C波段的范圍內(nèi)。
[0025]圖12A-B描述了凹陷包層的折射率分布，步長指數(shù)，有效面積接近于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的兩模光纖，并且表格表示了光纖的設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算特性。
[0026]圖13A-B表示了模有效面積與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖類似的少模光纖的溝槽輔助輪廓，并且表格表示了光纖的設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算特性。[0027]圖14A-B表示了具有超大模有效面積的兩模光纖的溝槽輔助輪廓，并且表格表示了光纖用于設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算特性。
[0028]圖15所示圖表說明了模擬少模光纖設(shè)計(jì)的折射率分布，其中包層管的物理橫截面積分別是 2850 μ m2，1100 μ τα 以及 500 μ m2。
[0029]圖16A-16C所不的一系列圖表,其中說明了對(duì)于圖15中描述的三個(gè)光纖設(shè)計(jì),用于以下導(dǎo)模:LPQ1，LP11, LP11, LP12以及LP21的計(jì)算有效折射率差異。
[0030]圖17A-17C所示一系列圖表說明了圖15的三個(gè)光纖設(shè)計(jì)的每一個(gè)的耗散以及有效面積。
[0031]圖18A-18C所示一系列圖表說明了在彎曲半徑30mm處以及在彎曲半徑80mm處的圖15的三個(gè)光纖設(shè)計(jì)的計(jì)算彎曲損失。
[0032]圖19是未按比例繪制的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示意性的漸變折射率少模光纖(FMF)的截面圖。
[0033]圖20是圖19所示FMF的折射率分布。
[0034]圖21和22的圖表所示的是，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，分別在850nm和1550nm處，相對(duì)具有50 μ m的纖芯直徑以及I %的相對(duì)差值的傳統(tǒng)漸變折射率多模光纖(MMF)，對(duì)于LPlim模的計(jì)算模態(tài)結(jié)構(gòu)。
[0035]圖23所示的是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的FMF折射率分布。
[0036]圖24的圖表所示的是隨圖23所示光纖設(shè)計(jì)的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時(shí)差。
[0037]圖25是圖23所示的表格表示FMF設(shè)計(jì)的規(guī)格。
[0038]圖26描述了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0039]圖27的圖表所示的是隨圖26所示光纖設(shè)計(jì)的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時(shí)差。
[0040]圖28的表格表不了圖26所不光纖設(shè)計(jì)的規(guī)格。
[0041]圖29描述了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0042]圖30的圖表所示的是隨圖29所示光纖設(shè)計(jì)的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時(shí)差。
[0043]圖31的表格表不了圖29所不光纖設(shè)計(jì)的規(guī)格。
[0044]圖32描述了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0045]圖33的圖表說明了隨圖32所示光纖設(shè)計(jì)的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時(shí)差。
[0046]圖34的表格表不了圖32所不光纖設(shè)計(jì)的規(guī)格。
[0047]圖35描述了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0048]圖36的圖表說明了隨圖35所示光纖設(shè)計(jì)的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時(shí)差。
[0049]圖37的表格表不了圖35所不光纖設(shè)計(jì)的規(guī)格。
[0050]圖38所示的是圖35所示光纖設(shè)計(jì)的原型的測量折射率分布。
[0051]圖39描述了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0052]圖40的圖表說明了隨圖39所示光纖設(shè)計(jì)的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時(shí)差。
[0053]圖41的表格表不了圖39所不光纖設(shè)計(jì)的規(guī)格。
[0054]圖42描述了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0055]圖43的圖表說明了隨圖42所示光纖設(shè)計(jì)的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時(shí)差。
[0056]圖44的表格表不了圖42所不光纖設(shè)計(jì)的規(guī)格。
[0057]圖45描述了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的四模光纖的折射率分布。
[0058]圖46的圖表說明了隨圖45所示光纖設(shè)計(jì)波長而變的LPQ1，LP11, LP11和LP21模之間的群延時(shí)差。
[0059]圖47的圖表說明了隨波長而變的，圖45所示光纖設(shè)計(jì)的四模的相應(yīng)有效折射率。
[0060]圖48的表格表不了圖45所不光纖設(shè)計(jì)的規(guī)格。
[0061]圖49描述了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的四模光纖的折射率分布。
[0062]圖50的圖表說明了隨圖49所示光纖設(shè)計(jì)波長而變的LPtll, LP11, LP11和LP21模之間的群延時(shí)差。
[0063]圖51的圖表說明了隨波長而變的，圖49所示光纖設(shè)計(jì)的四模的相應(yīng)有效折射率。
[0064]圖52的表格表不了圖49所不光纖設(shè)計(jì)的規(guī)格。
[0065]圖53描述了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的四模光纖的折射率分布。
[0066]圖54-57的一系列表格表明了圖23-53中所不的不意性少模光纖的規(guī)格。詳細(xì)說明
[0067]本發(fā)明的一些方面在于改進(jìn)的光纖設(shè)計(jì)和技術(shù)，它們適用于空分多路復(fù)用(SDM)。特別地，這里描述的光纖和技術(shù)適于模分復(fù)用(MDM)，其中光纖的多個(gè)橫向振蕩模導(dǎo)被用來提供多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸信道。
[0068]應(yīng)當(dāng)注意到這里描述的結(jié)構(gòu)和技術(shù)可以和其它的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)結(jié)合，包括波分復(fù)用(WDM)。進(jìn)一步注意到，盡管本發(fā)明的方面在這里是相對(duì)于具有一個(gè)纖芯的示意性的光纖而描述的，本發(fā)明的一些方面可以適于與多芯光纖(MCF)技術(shù)結(jié)合以產(chǎn)生具有多個(gè)纖芯的光纖，配置成支持相應(yīng)的多個(gè)空間多路復(fù)用光信號(hào)的通信。
[0069]MDM相配的光纖當(dāng)然需要支持所選擇的信號(hào)傳送模的傳播。另外，成功的光纖必須考慮許多問題，舉例來說，波導(dǎo)的波長依賴性；介質(zhì)的非線性；差分群延遲(DGD)以及差分模衰減(DMA);信號(hào)模與其它的信號(hào)模的耦合(例如，串?dāng)_)；信號(hào)模與有損耗的不希望的模的耦合；以及下面討論的其它問題。
[0070]傳統(tǒng)的多模光纖(MMF)不適用于MDM。傳統(tǒng)的MMF具有數(shù)百的導(dǎo)模，每個(gè)具有相應(yīng)的有效折射率。如同圖21中所示例子，如下所述，標(biāo)準(zhǔn)MMF中的導(dǎo)模的有效折射率是密集的在一起。這一密植距的結(jié)果是帶來了不能被接受的模耦合的高電平。用于傳送單獨(dú)的傳輸信號(hào)兩個(gè)或更多期望的模之間的耦合導(dǎo)致了串?dāng)_。期望的模和“漏”或者“有損”模之間的耦合導(dǎo)致了明顯的信號(hào)損失。傳統(tǒng)的MMF未能解決差分群延遲(D⑶)，差分模衰減(DMA)，及下面論述的其他問題。
[0071]這里描述的光纖屬于被籠統(tǒng)稱為“少模光纖”(FMF)的種類，即，可以引導(dǎo)一個(gè)以上橫模的光纖，但比傳統(tǒng)的多模光纖(MMF)的橫模要少，傳統(tǒng)的多模光纖通常支持?jǐn)?shù)百種導(dǎo)模并且被廣泛地配置在數(shù)百米之上的數(shù)據(jù)通信鏈路中。一般而言，F(xiàn)MF支持少于100個(gè)的導(dǎo)模。取決于特定的應(yīng)用，F(xiàn)MF可被設(shè)計(jì)成能支持10-20種導(dǎo)模，甚至更少。
[0072]這里描述的FMF包括引導(dǎo)至少LPtll和LP11模的光纖，以及引導(dǎo)至少LPtll, LP11, LP11以及LP21模的光纖。應(yīng)當(dāng)理解的是，這里描述的結(jié)構(gòu)和技術(shù)可被應(yīng)用在引導(dǎo)更多模的FMF的設(shè)計(jì)中。
[0073]應(yīng)當(dāng)注意到這里描述的FMF以及涉及的結(jié)構(gòu)和技術(shù)適于在至少整個(gè)“C波段”，也就是，1530nm至1565nm，以及有時(shí)在S，C和L波段內(nèi)使用。舊的少模設(shè)計(jì)不適于或者易于在C波段使用。進(jìn)一步的，這些舊的設(shè)計(jì)未能考慮差分模衰減及其他問題，以下將描述，這些對(duì)于成功光纖設(shè)計(jì)的空間多路復(fù)用以及類似的應(yīng)用的發(fā)展而言是至關(guān)重要的。
[0074]相對(duì)本發(fā)明論述的目的，除非明確地指出了例外情況，或者除非依據(jù)內(nèi)容有另外需要，術(shù)語“UYm?！敝傅氖强偲饋碚f該模的任何或者所有單獨(dú)的結(jié)構(gòu)、退化以及偏振。舉例來說，對(duì)于給定的傳播常數(shù)，在理想的圓光纖中，存在四個(gè)退化LP11子模，特征為它們的各自的角形配置和偏振。在某些范圍內(nèi)，有用的是將每個(gè)LP11子模，或者其疊加表示為分離模。然而，在本發(fā)明說明書的范圍內(nèi)，沒有必要做出這樣的區(qū)分。因此，術(shù)語“^^?！庇脕肀硎具@些四個(gè)LP11子模或者其子模的疊加的任何一種或者所有。遵循這一約定，引導(dǎo)LPtll和LP11模的少模光纖被稱為“雙模FMF”，即使該光纖可被用于雙模以上的MDM(即，LPtll和多個(gè)LP11子模以上)。類似地，引導(dǎo)LPc^LP1PLP11以及LP21模的少模光纖被稱為“四?！盕MF。
[0075]這里描述的每個(gè)光纖包括由包層圍繞的芯區(qū)，包層包括多個(gè)包層區(qū)域。取決于上下文，給定光纖區(qū)域的折射率可以使用一個(gè)或多個(gè)下列方法量化:
[0076](I)給定波長處的給定光纖區(qū)域的折射率可以利用絕對(duì)單位量化。
[0077](2)給定光纖區(qū)域的折射率可以相對(duì)于外包層的折射率用“絕對(duì)折射率差”來量化或者“絕對(duì)差值”(Λ η)來量化，其通過從以絕對(duì)單位表示的給定光纖區(qū)域的折射率減去，同樣以絕對(duì)單位表示的外包層區(qū)域的折射率而得到。通過定義，外包層區(qū)域的絕對(duì)絕對(duì)折射率差值Λη = O。
[0078](3)給定光纖區(qū)域的折射率可以相對(duì)于外包層的折射率被量化為“百分比相對(duì)折
射率差”或者只是“差值” Λ，其通過如下計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種光纖，包括: 貫穿公共包層的多個(gè)單獨(dú)的纖芯， 其中，每個(gè)單獨(dú)的纖芯支持至少一個(gè)局部橫向空間模， 其中，所述單獨(dú)的纖芯以及圍繞的包層被構(gòu)造成支持多個(gè)期望信號(hào)傳輸模的傳播，同時(shí)抑制不期望的模，從而支持一個(gè)或更多個(gè)空間多路復(fù)用信號(hào)的傳播，并且 其中，纖芯至纖芯的間隔被配置成保持纖芯之間能夠接受的低水平的模耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖， 其中，局部空間模的群折射率被匹配成在不同模中傳播的信號(hào)之間產(chǎn)生能夠接受的低水平的時(shí)間偏移。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，每個(gè)纖芯支持各自的空間多路復(fù)用數(shù)據(jù)流。
4.如權(quán)利要求3所述的光纖，其中，每個(gè)纖芯以及圍繞的包層被配置成支持多個(gè)期望的信號(hào)傳輸模并且抑制不期望的模。
5.如權(quán)利要求4所述的光纖，其中，每個(gè)纖芯以及圍繞的包層被配置為使不期望的模各自的有效折射率比包層折射率小，從而成為基本上耗散進(jìn)入外包層的漏模。
6.如權(quán)利要求5所述的光纖，其中，具有最低有效折射率的期望模和具有最高有效折射率的漏模之間的折射率間隔足夠大，以便減少其間發(fā)生的耦合。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖，其中，纖芯和包層被配置成具有間隔開的各自有效折射率，以便使其間的模耦合最小化，并且同樣使差分群延遲和差分模衰減最小化。
8.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，纖芯具有階躍折射率。
9.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，纖芯具有漸變折射率。
10.如權(quán)利要求1所述的光纖，包括圍繞一個(gè)或更多個(gè)纖芯的凹陷包層區(qū)域。
11.如權(quán)利要求1所述的光纖，包括圍繞每個(gè)纖芯的包層溝槽。
【文檔編號(hào)】G02B6/44GK103547953SQ201280010430
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月24日
【發(fā)明者】約翰·M·菲尼 申請(qǐng)人:Ofs飛泰爾公司