在擴(kuò)展的波長范圍內(nèi)具有高帶寬的多模光纖和相應(yīng)的多模光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多模光纖，其包括至少利用氟F和鍺GeO2進(jìn)行了共摻雜的漸變折射率纖芯，該漸變折射率纖芯的折射率分布具有至少兩個(gè)α值。根據(jù)本發(fā)明，纖芯中心處的氟F的濃度([F]r＝0)為0～3wt％，并且纖芯外半徑處的氟F的濃度([F]r＝a)為0.5wt％～5.5wt％，其中[F]r＝a?[F]r＝0＞0.4wt％。對于包括在850nm～1100nm之間的波長，所述多模光纖在大于150nm的連續(xù)工作波長范圍內(nèi)具有大于3500MHz.km的過滿注入帶寬(OFL?BW)和大于4700MHz.km的計(jì)算有效模式帶寬(EMBc)。
【專利說明】
在擴(kuò)展的波長范圍內(nèi)具有高帶寬的多模光纖和相應(yīng)的多模光 學(xué)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳輸領(lǐng)域，并且更具體地，涉及距離相對長且比特率高的系統(tǒng)中 所使用的多模光纖。更具體地，本發(fā)明涉及被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)下一代400GbE系統(tǒng)的高比特率要 求的多模光纖。
【背景技術(shù)】
[0002] 多模光纖連同通常使用橫向多模的垂直腔面發(fā)射激光器(更簡稱為VCSEL)的高速 源一起成功地用在高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。在850nm和1300nm處進(jìn)行工作的多模光纖是眾所周知 的。
[0003] 多模光纖受到由于以下事實(shí)而產(chǎn)生的模間色散影響：在多模光纖中，針對特定波 長，多個(gè)光模式在承載相同的信息的情況下沿著光纖同時(shí)傳播，但以不同的傳播速度行進(jìn)。 模式色散是以差分模式延遲(Differential Mode Delay，DMD)的形式表示的，其中該差分 模式延遲(DMD)是穿過光纖的最快模式和最慢模式之間的脈沖延遲差(ps/m)的度量。
[0004] 為了使模式色散最小化，數(shù)據(jù)通信中所使用的多模光纖通常包括呈現(xiàn)如下的折射 率的通常摻雜有鍺的纖芯，其中該折射率從光纖中心向纖芯與包層的接合部逐漸減小。通 常，如下所述，通過已知為"α分布"的關(guān)系來給出折射率分布：
[0005]
[0006] 其中：
[0007] no是光纖的光軸上的折射率；
[0008] r是相對于所述光軸的距離；
[0009] a是所述光纖的纖芯的半徑；
[0010] △是表示光纖的纖芯和包層之間的折射率差的無量綱參數(shù)；以及
[0011] α是表示折射率分布的形狀的無量綱參數(shù)。
[0012] 在光信號(hào)在具有漸變折射率的這種纖芯中傳播的情況下，不同的模式經(jīng)歷不同的 傳播介質(zhì)，從而對這些模式的傳播速度產(chǎn)生不同的影響。通過調(diào)整參數(shù)α的值，由此可以從 理論上獲得對于所有模式而言實(shí)際上均相等的組速度，并且由此可以從理論上獲得針對特 定波長的有所減小的模間色散。然而，參數(shù)α的最佳值僅針對特定波長有效。
[0013] 對多模光纖的漸變折射率阿爾法形狀分布和纖芯-包層界面進(jìn)行優(yōu)化，以利用可 直接被電流調(diào)制成在850nm處支持IOGbps系統(tǒng)和25Gbps系統(tǒng)的GaAs VCSEL進(jìn)行工作。對于 當(dāng)前使用中的50μπι和62.5μπι的多模光纖中的大部分，還確保了在1300nm處連同LED源一起 使用的向后兼容性。這種激光優(yōu)化的高帶寬50_多模光纖(還被稱為0M4光纖）的性能已由 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在文獻(xiàn)IS0/IEC 11801中以及在TIA/EIA 492AAAD標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。
[0014] 然而，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中針對帶寬需求的激增不斷推動(dòng)對更高的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)速度的迫切 需求。為了進(jìn)一步提高下一代400GbE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)比特率，出現(xiàn)了與波分復(fù)用相結(jié)合的在約 850nm~1200nm之間以40~56Gb/s進(jìn)行工作的InGaAs VCSEL的使用作為有希望的解決方 案，這是因?yàn)樵摻鉀Q方案將允許實(shí)現(xiàn)更高的速度和更高的可靠性這兩者。在這種結(jié)構(gòu)中，由 此，與在850nm處進(jìn)行了優(yōu)化的現(xiàn)有0M4MMF相比，在擴(kuò)展的傳輸帶寬內(nèi)需要0M4性能。
[0015] 由于阿爾法的最佳值是波長依賴的，因此與最佳波長相比，傳輸帶寬在其它波長 處通常變得極小。本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知，可以使用如磷(P)或氟(F)那樣的摻雜物來修 改二氧化硅SiO 2的折射率，因而使得能夠降低最佳阿爾法的波長依賴性。
[0016] 以Draka Comteq B.V.的名義申請的專利文獻(xiàn)US 7,421，172公開了如下的多模光 纖:通過使用GeOdPF作為SiO2中的摻雜物來構(gòu)建漸變折射率纖芯。通過改變纖芯半徑內(nèi)的 摻雜物的濃度，可以以帶寬的波長依賴性更小的方式來改變多模光纖的模間色散特性。
[0017] 盡管漸變折射率多模光纖的這種共摻雜使得能夠與先前已知的多模光纖相比在 更寬的波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的帶寬，但這種帶寬不足以高到滿足下一代系統(tǒng)的高比特率的 需求。
[0018] 以Draka Comteq B.V.的名義申請的文獻(xiàn)US 8,391，661公開了與現(xiàn)有技術(shù)的多模 光纖相比模式帶寬更高且數(shù)值孔徑更大的多模光纖。為此，這種多模光纖包括如下的中央 纖芯:遵循修正的具有依賴于光纖內(nèi)的徑向位置的指數(shù)阿爾法(例如，阿爾法參數(shù)）的冪律 方程。阿爾法參數(shù)沿著中央纖芯的半徑至少具有兩個(gè)不同的值。第一阿爾法參數(shù)值M控制 中央纖芯的內(nèi)側(cè)區(qū)域中的漸變折射率纖芯的形狀，并且第二阿爾法參數(shù)值α 2控制中央纖芯 的外側(cè)區(qū)域中的漸變折射率纖芯的形狀。第二阿爾法參數(shù)值通常小于第一阿爾法參數(shù)值。 漸變折射率纖芯分布及其一階導(dǎo)數(shù)在漸變折射率纖芯的寬度上通常是基本連續(xù)的。中央纖 芯的漸變折射率分布的德爾塔A值為1.9%以上。
[0019] 在該US 8,391，661文獻(xiàn)中，使用具有兩個(gè)以上的阿爾法值的漸變折射率分布的目 的在于設(shè)計(jì)數(shù)值孔徑NA大的多模光纖。然而，這種高NA的多模光纖具有針對單一波長(通常 為850nm)而優(yōu)化的帶寬。這些多模光纖不允許在擴(kuò)展的傳輸帶寬內(nèi)達(dá)到0M4性能。
[0020] 文獻(xiàn)US 7,315,677公開了包括共摻雜在光纖的纖芯中的二氧化鍺(GeO2)和氟的 多模光纖。摻雜物濃度分布由一對阿爾法參數(shù)^和^來定義。工作窗或帶寬窗變大，并且衰 減或損耗低。在一些實(shí)施例中，可利用兩個(gè)工作窗來進(jìn)行傳輸。
[0021] 因而，文獻(xiàn)US 7,315，677教導(dǎo)了基于共摻雜的"雙阿爾法分布"，其中各摻雜物分 布是針對這兩個(gè)化合物使用相同的CtjPa2的情況下的兩個(gè)阿爾法分布的總和。阿爾法定義 不同于通常使用的阿爾法分布的定義。這些分布從工藝的角度是難以產(chǎn)生的。實(shí)際上，難以 控制Ge和F的濃度形狀。
[0022] 更通常地，在文獻(xiàn)和專利中提出了涉及使用全氟或低Ge摻雜概念的一些解決方 案。這些解決方案中的一部分解決方案也教導(dǎo)了雙阿爾法分布，其中各摻雜物分布使用其 自身的阿爾法。但這些解決方案要求具有折射率比SiO 2的折射率低得多的外包層。因而，對 于需要在基管內(nèi)沉積不同摻雜層的如MCVD( "Modified Chemical Vapor Deposition(改進(jìn) 的化學(xué)氣相沉積)"的縮寫）和PCVD( "Plasma Chemical Vapor Deposition(等離子體化學(xué) 氣相沉積)"的縮寫）那樣的沉積工藝，這些解決方案相當(dāng)復(fù)雜。需要管理泄漏損耗以及/或 者添加外凹型包層。此外，在存在氟摻雜的外包層的情況下，變得更加難以考慮需要進(jìn)一步 對包層進(jìn)行F摻雜的"槽輔助"概念。將需要以現(xiàn)有的沉積工藝所不能達(dá)到的F濃度水平。
[0023] 因而，將期望設(shè)計(jì)適用于寬帶應(yīng)用并且相對于現(xiàn)有技術(shù)表現(xiàn)出改進(jìn)的多模光纖。
[0024] 更精確地，將期望設(shè)計(jì)表現(xiàn)出提高至多個(gè)波長或提高至大于150nm的波長工作窗 的0M4性能的多模光纖。
[0025] 還將期望設(shè)計(jì)通過使用如MCVD和PCVD那樣的沉積工藝非常容易制造的多模光纖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026] 在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例中，提出一種多模光纖，包括：
[0027] 中央纖芯，其被外光包層包圍，所述中央纖芯具有(i)外半徑a、（ii)小于所述外半 徑a的過渡半徑rt、（iii)最大折射率no、（iv)最小折射率ηα和(V)作為相對于所述中央纖芯 的中心的徑向距離r的函數(shù)的漸變折射率分布n(r)，
[0028] 其中，至少利用氟F和鍺GeO2對所述中央纖芯進(jìn)行共摻雜，
[0029] 通過以下等式來定義所述中央纖芯的漸變折射率分布n(r):
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]阿爾法參數(shù)a(r)是相對于所述中央纖芯的中心的徑向距離r的函數(shù)，所述阿爾法 參數(shù)a(r)沿著所述中央纖芯的中心與所述中央纖芯的外半徑a之間的徑向位置具有兩個(gè)以 上的不同值，以及
[0034] 纖芯中心處的氟F的重量比（[F]r=o)為0~3wt%，并且纖芯外半徑處的氟F的重量 比（[F]r=a)為0 · 5wt% ~5 · 5wt%，其中[F]r=a-[F]r=〇>0 · 4wt% 〇
[0035]因而，本發(fā)明依賴于多模光纖的新穎且具有創(chuàng)造性的方法。實(shí)際上，本發(fā)明提出了 使用共摻雜水平高的氟和鍺這兩者的適用于寬帶應(yīng)用的多模光纖，因而使得能夠設(shè)計(jì)如下 的折射率分布:漸變折射率纖芯的外側(cè)部分的折射率接近純二氧化硅S i O2的折射率。組合 物隨著半徑的大的變化使得有必要使用隨著纖芯半徑而改變的阿爾法參數(shù)。
[0036]因而，這樣的發(fā)明使得能夠設(shè)計(jì)在以最佳工作波長為中心的大于150nm的工作窗 內(nèi)具有0M4性能的多模光纖。
[0037]實(shí)際上，根據(jù)本發(fā)明的方面，對于包括在850nm~11OOnm之間的波長，所述多模光 纖在大于150nm的連續(xù)工作波長范圍內(nèi)具有大于3500MHz. km的過滿注入帶寬即0FL-BW。 [0038] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，對于包括在850nm~IlOOnm之間的波長，所述多模光纖在 大于150nm的連續(xù)工作波長范圍內(nèi)具有大于4700MHz .km的計(jì)算有效模式帶寬即EMBc0
[0039]根據(jù)本發(fā)明的方面，Δ為0.7%~1.5%。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述纖芯外半徑處的Ge〇2的摩爾分?jǐn)?shù)[Ge]r=a為1.5mol % ~17.5mol % 〇
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述纖芯中心處的Ge〇2的摩爾分?jǐn)?shù)[Ge]r=o為9.5mol%~ 30mol% 〇
[0042] 根據(jù)又一方面，對于小于所述中央纖芯的過渡半徑Rt的徑向位置，所述阿爾法參 數(shù)a(r)具有第一值Ct 1，以及對于大于所述中央纖芯的過渡半徑Rt的徑向位置，所述阿爾法參
[0044] 數(shù)a(r)具有第二值α2。[0043] 根據(jù)另一方面，通過以下的冪方程來定義所述中央纖芯的漸變折射率分布：
[0045]
[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050] 根據(jù)另一方面，所述第一阿爾法值Ct1約為1.945~2.07。
[0051 ] 根據(jù)又一方面，所述第二阿爾法值α2約為1.945~2.07,其中0.001彡Ia 1-Q2I彡 0.1。
[0052]根據(jù)又一方面，所述過渡半徑的參數(shù)rt約為0.2~0.9。
[0053] 根據(jù)又一方面，所述中央纖芯的外半徑a約為20μηι~40μηι。
[0054] 根據(jù)又一方面，氟F的重量比[F](r)是被表示為以下等式的相對于所述中央纖芯 的中心的徑向距離r的函數(shù)：
[0055]
[0056] 其中，p是大致等于2的常數(shù)。
[0057] 根據(jù)又一方面，這種多模光纖遵循以下的定律:0.017([F](a)-[F](0))-0.107< Ci1-Q2I <〇 .017( [F](a)_[F] (0))+0.006,其中Q1^a2o
[0058] 根據(jù)又一方面，這種多模光纖還遵循以下的定轉(zhuǎn) 其中 ，.
中且是以wt/mol單位表示的。
[0059] 根據(jù)另一實(shí)施例，所述纖芯外半徑處的氟F的重量比[F]r=a*0.85wt%~5.5wt%， 其中[F]r=a-[F]r=〇>0 · 85wt% 〇
[0060] 此外，對于包括在800nm~1200nm之間的波長，所述多模光纖在大于175nm的連續(xù) 工作波長范圍內(nèi)具有大于3500MHz. km的過滿注入帶寬即0FL-BW。
[0061 ] 此外，對于包括在800nm~1200nm之間的波長，所述多模光纖在大于175nm的連續(xù) 工作波長范圍內(nèi)具有大于4700MHz. km的計(jì)算有效模式帶寬即EMBc。
[0062] 根據(jù)又一實(shí)施例，所述纖芯外半徑處的氟F的重量比[F]r=a*2. Owt %~5.5wt %， 其中[F]r=a-[F]r=〇> 1 · 8wt% 〇
[0063] 此外，對于包括在750nm~1300nm之間的波長，所述多模光纖在大于200nm的連續(xù) 工作波長范圍內(nèi)具有大于3500MHz. km的過滿注入帶寬即0FL-BW。
[0064] 此外，對于包括在750nm~1300nm之間的波長，所述多模光纖在大于200nm的連續(xù) 工作波長范圍內(nèi)具有大于3500MHz. km的過滿注入帶寬即0FL-BW。
[0065]在根據(jù)本發(fā)明的多模光纖的特殊實(shí)施例中，所述外光包層包括包圍所述中央纖芯 的被稱為槽的具有凹型折射率ntr_h的區(qū)域，其中所述槽的寬度為w2。優(yōu)選地，所述槽的寬 度W2約為0.4μηι~2.5μηι，并且槽-包層折射率差Δ Π2約為_2. OxHT3~0，其中Δ n2 = ntrench-nci〇
[0066] 在根據(jù)本發(fā)明的多模光纖的另一特殊實(shí)施例中，所述外光包層包括直接包圍所述 中央纖芯的內(nèi)包層和包圍所述內(nèi)包層的被稱為槽的具有凹型折射率Ii trench的區(qū)域，其中所 述內(nèi)包層的寬度為W2且折射率差為△ n2,以及所述槽的寬度為W3且折射率差為△ M，其中Δ n3 = ntrendi-nQ。優(yōu)選地，所述內(nèi)包層的寬度W2約為0.4μηι~2.5μηι且折射率差ΔΠ2約為-1.5X 10一3~1.5 X 10_3，并且所述槽的寬度W3約為1.5μπι~5 .Ομπι且折射率差Δ η3約為-7.5 X 10一3 ~-1.5X10-3〇
[0067] 本發(fā)明還涉及一種多模光學(xué)系統(tǒng)，其包括上述的多模光纖的至少一部分。
【附圖說明】
[0068] 參考以示例的方式給出的且并不限制保護(hù)范圍的以下說明和附圖，可以更好地理 解本發(fā)明，其中：
[0069]圖1示出氟摻雜二氧化硅的633nm處的折射率差；
[0070]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的示例的折射率分布；
[0071 ]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的示例(示例1)的折射率分布和氟濃度分布；
[0072]圖4示出與本發(fā)明的實(shí)施例相對應(yīng)或不與本發(fā)明的實(shí)施例相對應(yīng)的多個(gè)多模光纖 的計(jì)算有效模式帶寬(EMBc);
[0073]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的另一示例的折射率分布；
[0074] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的多個(gè)示例（示例7、8和9)的折射率分布和氟濃度分 布；
[0075] 圖7示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的示例(示例13)和本發(fā)明的范圍外的比較光纖的折射 率分布和氟濃度分布；
[0076] 圖8示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的示例(示例13)和本發(fā)明的范圍外的比較光纖的過滿 注入帶寬(OFL-BW);
[0077] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的示例性波分復(fù)用系統(tǒng)的示意圖。
[0078]這些附圖中的組成部分沒有必要按比例繪制，而是強(qiáng)調(diào)示出本發(fā)明的原理。
[0079]在本文獻(xiàn)中，等同地使用術(shù)語鍺、Ge和GeO2來指代摻雜物Ge02。
【具體實(shí)施方式】
[0080]在本文獻(xiàn)中，術(shù)語工作窗指定了多模光纖展現(xiàn)出比0M4規(guī)格中所定義的值大的帶 寬的波長的范圍。根據(jù)所使用的源，以下的示例考慮大于4700MHz.km的計(jì)算有效模式帶寬 EMBc或大于3500MHz.km的過滿注入帶寬OFL-BW。無論所使用的波長如何(權(quán)重函數(shù)相同）， F0TP-220標(biāo)準(zhǔn)和IEC60793-1-49標(biāo)準(zhǔn)中所定義的方法用于根據(jù)DMD( "Differential Mode Delay(差分模式延遲)"的縮寫)測量值來對計(jì)算有效模式帶寬EMBc進(jìn)行計(jì)算。
[0081] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多模光纖包括被外光包層包圍的中央纖芯。該中央纖芯具有 (：0外半徑3、（：[；0小于外半徑3的過渡半徑1'1；、（：[：[：0最大折射率11()、（；^)最小折射率11(；1和 (V)作為相對于所述中央纖芯的中心的徑向距離r的函數(shù)的漸變折射率分布n(r)。
[0082] 纖芯和包層構(gòu)成光纖的玻璃部分。在一些實(shí)施例中，包層被一個(gè)或多個(gè)涂層（例 如，被丙烯酸酯聚合物)涂覆。
[0083]為了在保持折射率大致等于純二氧化硅的折射率的情況下使工作窗擴(kuò)展到150nm 以上，在漸變折射率中央纖芯中需要高濃度的氟和鍺這兩者?？梢匀缦滤鰧⒅醒肜w芯的 摻雜基質(zhì)的氟和所有成分之間的重量比[F](r)表示為相對于光纖中心的徑向距離r的函 數(shù)：
[0084]
[0085] 其中，[F](0)是纖芯中心處的氟的重量比，[F](a)是半徑a的阿爾法分布的端部處 的氟的重量比，并且P是大致等于2的常數(shù)。
[0086] 圖1示出以wt %為單位表示的重量比[F](在圖1上表示為CF)和對與SiO2的折射率 差的貢獻(xiàn)度之間的關(guān)系。例如，玻璃基質(zhì)中的氟濃度為lwt%使得純二氧化硅SiO2的折射率 減小-3.5 X 10-3。
[0087]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，纖芯中心處的氟的濃度[F](0)(還表示為[F]r=o)為Owt%~ 3wt%，并且纖芯外半徑處的氟的濃度[F](a)(還表示為[F]r=a)為0.5wt%~5.5wt%，其中 [F] r=a-[F]r=o>0.4wt%。纖芯外半徑處的鍺的濃度[Ge] (a)(還表示為[Ge]r=a)為1.5mol % ~17.5mol % 〇
[0088] 在組合物伴隨著半徑的這種大變化的情況下，通過對阿爾法值進(jìn)行微調(diào)通常無法 完美地補(bǔ)償模式色散。實(shí)際上，無論阿爾法的值如何，延遲在纖芯半徑內(nèi)不是恒定的，并且 由于色度色散隨著半徑的變化，因而時(shí)間延遲并不隨著波長均勻地改變。這樣使得有必要 使用隨著纖芯半徑而改變的阿爾法參數(shù)以進(jìn)一步提高帶寬。通過以下的冪方程來定義中央 纖芯的漸變折射率分布n(r):
[0089]
[0090]
[0091]
[0092]
[0093]
[0094]
[0095] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多模光纖的表示為作為半徑的函數(shù)的折射率差Δ n 的折射率分布形狀。如可以觀察到，外半徑為a的中央纖芯包括呈現(xiàn)具有第一〇1值的漸變折 射率分布的第一內(nèi)纖芯。這種內(nèi)纖芯從纖芯的中心延伸到過渡半徑R t(其中，Rt = rt.a)。中 央纖芯還包括呈現(xiàn)具有第二<^值的漸變折射率分布的外纖芯。這種外纖芯從過渡半徑Rt(其 中，Rt = rt.a)延伸到外纖芯半徑a。
[0096] 纖芯被光包層包圍，其中該光包層包括直接包圍纖芯的具有凹型折射率的內(nèi)層， 其中該內(nèi)層的寬度為W2并且呈現(xiàn)折射率差Δ n2。
[0097]以下的表1公開了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示出根據(jù)圖2的分布形狀并且纖芯半徑為 2 5μηι的多模光纖的一些不例。 LUUVVJ
[0100] 表1中所公開的所有示例在以最佳波長為中心的150nm以上的工作波長范圍內(nèi)具 有大于4700MHz. km的計(jì)算有效模式帶寬EMBc和大于3500MHz. km的過滿注入帶寬0FL-BW。通 過在多模光纖的纖芯中添加高濃度水平的氟并結(jié)合"雙阿爾法"形狀來實(shí)現(xiàn)該寬帶效果，其 中選擇參數(shù)αι、α 2和rt，以使EMBc值在最佳波長處最大。
[0101] 圖3示出以上的表1所述的根據(jù)本發(fā)明的第一示例實(shí)施例(被稱為Ex.(示例）1)的 折射率分布(表不為RI分布)和氟濃度分布(表不為CF)。
[0102]以下的表2呈現(xiàn)一些比較例，其中與以上的表1中的示例相反，這些比較例全部在 本發(fā)明的范圍外。
[0104] ^2
[0105] 表2中的比較例Ex. Ic具有與表1中的示例Ex.2相同的折射率，但示例Ex. Ic的多模 光纖的纖芯僅摻雜有鍺。在漸變折射率纖芯中不存在氟。此外，選擇了單一阿爾法(也就是 說，Ct1 = Ct2)以使計(jì)算有效模式帶寬EMBc在950nm處最大。該最佳值非常接近示例Ex. 2的EMBc 的最佳值。但在除950nm以外的其它波長處使用光纖的情況下，該最佳值大幅減小。因此，示 例Ex. Ic的多模光纖的EMBc大于4700MHz.km的工作窗的寬度僅為125nm，而對于在纖芯中心 處氟的濃度為1.37wt %并且在纖芯的外半徑處氟的濃度為4.29wt %的示例Ex. 2，該寬度延 伸到240nm。
[0106]表2中的比較例Ex. 3c的多模光纖也僅在纖芯中摻雜了鍺，其中比較例Ex. 3c具有 與表1中的示例Ex.2和表2中的Ex. Ic相同的折射率，但具有雙阿爾法形狀。然而，如從表2所 示的帶寬結(jié)果可以觀察到，在纖芯僅摻雜了鍺而不存在任何氟摻雜的情況下，使用雙阿爾 法分布并沒有好處。如在示例Ex.2和Ex. Ic中那樣，最佳計(jì)算有效模式帶寬EMBc約為950nm， 但計(jì)算有效模式帶寬的最大值低于利用示例Ex. 2和Ex. Ic所獲得的最大值。這里，再次地， EMBc>4700MHz. km的工作窗的寬度與示例Ex. 2相比窄得多。
[0107]圖4針對如表1所示的與本發(fā)明的實(shí)施例相對應(yīng)的示例Ex. 2并且針對如表2所示的 本發(fā)明范圍外的比較例Ex. Ic和Ex. 3c，示出計(jì)算有效模式帶寬EMBc(以MHz. km為單位表示） 隨著波長（以nm為單位表示）的變化。還添加了EMBc極限4700MHz. km以供比較。如從圖4可以 觀察到，示例Ex. 2的多模光纖到目前為止實(shí)現(xiàn)了更寬的連續(xù)工作波長范圍，其中，針對該更 寬的連續(xù)工作波長范圍，計(jì)算有效模式帶寬(EMBc)大于4700MHz.km。
[0108] 表2中的比較例Ex. 4c的多模光纖的纖芯被Ge和F高度摻雜，并且已對參數(shù)C^ct2和 rt進(jìn)行了微調(diào)，以使計(jì)算有效模式帶寬EMBc在950nm處最大。然而，盡管示例Ex. 4c的多模光 纖與表1的示例Ex. 5相比在纖芯的中心處呈現(xiàn)相同的折射率分布和相同水平的共摻雜，但 氟的濃度在漸變折射率纖芯內(nèi)沿著半徑是恒定的。結(jié)果，EMB C>4700MHZ.km的EX.4C的工作 窗的寬度僅為130nm(而不是表1中的示例Εχ·5的200nm)〇
[0109] 表2中的比較例Ex.2c的多模光纖是漸變折射率纖芯僅摻雜有氟的多模光纖。在漸 變折射率纖芯中不存在鍺。此外，選擇了單一阿爾法(Ct 1 = Ct2)以及纖芯-包層界面處的凹型 包層的參數(shù)W2和An2，以使計(jì)算有效模式帶寬EMBc在950nm處最大。盡管本實(shí)施例使得能夠 達(dá)到過滿注入帶寬OFL-BW大于3500MHz. km的寬度為200nm的波長工作窗，但這種全氟的多 模光纖不允許達(dá)到大于6950MHz. km的計(jì)算有效模式帶寬EMBc。計(jì)算有效模式帶寬EMBc大于 4700MHz. km的波長工作窗不大于155nm。這種波長工作范圍比在本發(fā)明的實(shí)施例中可以實(shí) 現(xiàn)的波長工作范圍窄得多，這是由于本發(fā)明的實(shí)施例中，在具有隨著半徑而改變的阿爾法 形狀的折射率的漸變折射率纖芯中將高水平的鍺和氟這兩者組合使用。
[0110]此外，在作為漸變折射率纖芯僅摻雜有氟的多模光纖的示例Ex. 2c中，纖芯的外側(cè) 部分的折射率n?ter 比二氧化硅的折射率Ilsilira低得多，諸如以下等：
[0111] n〇uter core- nsmca = -14.7 X 10-3〇
[0112] 結(jié)果，為了保持包層折射率處于纖芯的外側(cè)部分的水平，需要利用氟對外包層進(jìn) 行高度摻雜。特別是對于需要在基管內(nèi)沉積不同的摻雜層的如MCVD和PCVD那樣的沉積工 藝，實(shí)現(xiàn)這種折射率分布很復(fù)雜。因而，需要管理泄漏損耗以及/或者添加外凹型包層。
[0113] 此外，在存在氟摻雜的外包層的情況下，變得難以考慮需要進(jìn)一步對包層進(jìn)行F摻 雜的"槽輔助"概念。將需要以現(xiàn)有的沉積工藝可能難以達(dá)到的氟濃度水平。僅作為示例，示 例Ex. 2c的多模光纖將需要大于約5wt%的氟重量比，以添加呈現(xiàn)小于-I X HT3的折射率差 An3的槽。
[0114] 圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的多模光纖的折射率分布。
[0115] 在該第二實(shí)施例中，可以在直接包圍光纖芯的折射率差為An2且寬度為￥2的內(nèi)包 層之后添加折射率差為An 3且寬度為W3的槽，從而提高多模光纖的彎曲損耗性能。
[0116] 以下的表3公開了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的、均呈現(xiàn)根據(jù)圖5的槽輔助型折射率分布的 四個(gè)多模光纖(示例Ex.7~Ex. 10)。表3還公開了本發(fā)明的范圍外的比較例Ex.5c，盡管該比 較例Ex.5也呈現(xiàn)根據(jù)圖5的折射率分布。表3中所列出的所有多模光纖的纖芯半徑均為25μ m〇
[0118]
[0119] 如從表3可以觀察到，示例Ex. 7、Ex. 8和Ex. 9具有圖6所示的三個(gè)不同的氟濃度分 布，其中圖6示出作為以微米為單位表示的半徑的函數(shù)的以wt%為單位表示的氟的重量比 CF。更精確地，示例Ex. 7、Ex. 8和Ex. 9的多模光纖具有（圖6所示的)相同的折射率分布，但根 據(jù)這些多模光纖的氟濃度而表現(xiàn)出不同的αι、α2和r t值，其中選擇C^a2和rt值，以使計(jì)算有 效模式帶寬EMBc在最佳波長處最大。
[0120] 表3中所列出的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多模光纖的所有示例均具有計(jì)算有效模式帶 寬EMBc大于4700MHz. km的大于200nm的連續(xù)工作波長范圍。
[0121] 通過將表1和表3中的典型實(shí)施例的性能進(jìn)行比較，可以觀察到，在氟和Ge的濃度 水平足夠高的情況下，在外包層中添加寬度《 2和高度An2根據(jù)槽尺寸進(jìn)行了微調(diào)的槽并沒 有限制開口窗的寬度。
[0122] 表3中的示例Ex. 10的多模光纖的折射率分布不同于示例Ex. 7、Ex. 8和Ex. 9的多模 光纖的折射率分布。然而，示例Ex. 10的多模光纖呈現(xiàn)與示例Ex.9的多模光纖的帶寬性能相 同的帶寬性能，但具有另一氟濃度分布。示例Ex. 10的多模光纖也與本發(fā)明的典型實(shí)施例相 對應(yīng)。
[0123] 相反，比較例Ex. 5c在本發(fā)明的范圍外。這種多模光纖具有在纖芯的外側(cè)包含 0.85wt %的氟的單一阿爾法的漸變折射率纖芯(Ct1 = a2)和直接包圍該纖芯的內(nèi)包層，其中 對該內(nèi)包層的參數(shù)A n2和W2進(jìn)行了微調(diào)以使計(jì)算有效模式帶寬EMBc在950nm處最大。然而， 如從表3的結(jié)果可以觀察到，這些特征不允許達(dá)到EMBc大于4700MHz. km的大于IlOnm的工作 窗;針對過滿注入寬度大于3.5GHz. km的工作波長范圍，工作窗不大于75nm。
[0124] 以下的表4公開了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的與纖芯半徑為a = 40ym的多模光纖相對應(yīng) 的其它示例(Ex. 11、Εχ· 12和Ex. 13)以及比較例Ex. 6c〇
[0126]
[0127] 如在表4中可以觀察到，示例EX.ll是參數(shù)α1、 α2、rt、Δn2和W2被選擇為使過滿注入 帶寬OFL-BW在波長925nm處最大的漸變折射率多模光纖。針對氟的重量比的精確微調(diào)(在纖 芯中心處為[?](0)=0.43￥丨％并且在外纖芯半徑處為[?](&)=0.85￥丨％)使得能夠在從 855nm延伸至1020nm的連續(xù)波長范圍內(nèi)保持大于3500MHz .km的過滿注入帶寬0FL-BW。
[0128] 示例Ex. 12在纖芯的中心處呈現(xiàn)與示例Ex. 11相同的折射率分布和相同的氟濃度。 還選擇參數(shù)αι、α2和rt，以使過滿注入帶寬OFL-BW在波長925nm處最大。然而，示例Ex. 12的多 模光纖在纖芯的外側(cè)具有較高的氟濃度：[F] (a) = 3.63wt%。結(jié)果，工作窗的寬度延伸到 300nm(780nm~1080nm)。
[0129] 圖7針對表4中所列出的示例Ex. 13和比較例Ex. 6c的多模光纖示出作為半徑的函 數(shù)的折射率分布（RI分布）和氟濃度（CF)。因而，如從圖7和表4這兩者可以推導(dǎo)出，示例 Ex. 13和Ex.6c的多模光纖展現(xiàn)出相同的折射率分布，但這兩者呈現(xiàn)沿著半徑的不同的氟濃 度分布。
[0130] 如可以再次觀察到，在鍺濃度和氟濃度這兩者均足夠高的情況下，在外包層中添 加槽以提高漸變折射率多模光纖的彎曲性能（與示例Ex. 13相對應(yīng)），這并不會(huì)防止工作窗 延伸至約300nm。
[0131] 圖8示出作為（以nm為單位表示的）波長的函數(shù)的以MHz . km為單位表示的示例 Ex. 13和Ex. 6c的多模光纖的過滿注入帶寬。還添加了OFL-BW極限3500MHz. km以供比較。
[0132] 比較例Ex. 6c的漸變折射率多模光纖具有與示例Ex. 13的光纖相同的折射率，但具 有低的氟濃度和單一阿爾法(Q1 = Q2)的漸變折射率纖芯，其中對阿爾法參數(shù)進(jìn)行微調(diào)以使 帶寬峰值在900nm附近最優(yōu)化。如在圖8中可以看出，這些特征不允許過滿注入帶寬OFL-BW 大于3500MHz. km的超過150nm的連續(xù)工作波長范圍。
[0133] 圖9是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的波分復(fù)用系統(tǒng)的示意圖。波分復(fù)用系統(tǒng)1包括經(jīng)由 根據(jù)前面所述的本發(fā)明的實(shí)施例其中之一的多模光纖2相連接的復(fù)用器(MUX)3和解復(fù)用器 (DEMUX)4。在波分復(fù)用系統(tǒng)1中，在利用復(fù)用器3對具有各種波長1 1八2、一、\"的光信號(hào)進(jìn)行 復(fù)用之后，復(fù)用的信號(hào)經(jīng)由多模光纖2進(jìn)行傳輸并且由解復(fù)用器4解復(fù)用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多模光纖，包括： 中央纖芯，其被外光包層包圍，所述中央纖芯具有（i)外半徑a、（ii)小于所述外半徑a 的過渡半徑Rt，其中Rt = a.rt、（iii)最大折射率n〇、（iv)最小折射率nci和(v)作為相對于所 述中央纖芯的中心的徑向距離r的函數(shù)的漸變折射率分布n(r)， 其中，至少利用氟F和鍺Ge02對所述中央纖芯進(jìn)行共摻雜， 通過以下等式來定義所述中央纖芯的漸變折射率分布n(r):阿爾法參數(shù)a(r)是相對于所述中央纖芯的中心的徑向距離r的函數(shù)，所述阿爾法參數(shù)α (r)沿著所述中央纖芯的中心與所述中央纖芯的外半徑a之間的徑向位置具有兩個(gè)以上的 不同值，以及 纖芯中心處的氟F的重量比[F]r = 0為0~3wt%，并且纖芯外半徑處的氟F的重量比[F]r =已為0.5界1:%~5.5￥1:%，其中[卩1=3-|^1=()>0.4￥1:%。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模光纖，其中，對于包括在850nm~llOOnm之間的波長，所述 多模光纖在大于150nm的連續(xù)工作波長范圍內(nèi)具有大于3500MHz.km的過滿注入帶寬即0FL-Bff〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多模光纖，其中，對于包括在850nm~1100nm之間的波長， 所述多模光纖在大于150nm的連續(xù)工作波長范圍內(nèi)具有大于4700MHz. km的計(jì)算有效模式帶 寬即4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，Δ為0.7%~1.5%。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，所述纖芯外半徑處的Ge02的摩爾 分?jǐn)?shù)[Ge] r=a為 1 · 5mol % ~17 · 5mol %。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，所述纖芯中心處的Ge〇2的摩爾分 數(shù)[Ge]r = 0為9 · 5mol % ~30mol % 〇7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，對于小于所述中央纖芯的過渡 半徑Rt的徑向位置，所述阿爾法參數(shù)a(r)具有第一值，以及對于大于所述中央纖芯的過渡 半徑Rt的徑向位置，所述阿爾法參數(shù)a(r)具有第二值α 2。8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，通過以下的冪方程來定義所述 中央纖芯的漸變折射率分布：9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的多模光纖，其中，所述第一阿爾法值αι約為1.945~2.07。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多模光纖，其中，所述第二阿爾法值α2約為1.945~2.07，其中 0.001^|αι-α2|^0.1〇11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，所述過渡半徑的參數(shù)rt約為0.2 ~0 · 9〇12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，所述中央纖芯的外半徑a約為 20μπι ~40μπι。13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，氟F的重量比[F](r)是被表示 為以下等式的相對于所述中央纖芯的中心的徑向距離r的函數(shù)：其中，P是大致等于2的常數(shù)。14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中， 0.017([F](a)_[F](0))_0· 107< Icn-ad <〇.017([F](a)_[F](0))+0.006,其中(^乒句。15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，所述纖芯外半徑處的氟F的重 量比[F]r=a為0 · 85wt% ~5 · 5wt%，其中[F]r=a-[F]r=〇>0 · 85wt% 〇17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的多模光纖，其中，對于包括在800nm~1200nm之間的波長，所 述多模光纖在大于175nm的連續(xù)工作波長范圍內(nèi)具有大于3500MHz.km的過滿注入帶寬即 OFL-BW。18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的多模光纖，其中，對于包括在800nm~1200nm之間的波 長，所述多模光纖在大于175nm的連續(xù)工作波長范圍內(nèi)具有大于4700MHz. km的計(jì)算有效模 式帶寬即EMBc〇19. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，所述纖芯外半徑處的氟F的重 量比[F]r=a為2 · Owt% ~5 · 5wt%，其中[F]r=a-[F]r=〇> 1 · 8wt% 〇 20 ·根據(jù)權(quán)利要求19所述的多模光纖，其中，對于包括在750nm~1300nm之間的波長，所 述多模光纖在大于200nm的連續(xù)工作波長范圍內(nèi)具有大于3500MHz. km的過滿注入帶寬即 OFL-Bl21. 根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的多模光纖，其中，對于包括在750nm~1300nm之間的波 長，所述多模光纖在大于200nm的連續(xù)工作波長范圍內(nèi)具有大于4700MHz. km的計(jì)算有效模 式帶寬即EMBc〇22. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，所述外光包層包括包圍所述中 央纖芯的被稱為槽的具有凹型折射率ntr_ h的區(qū)域，其中所述槽的寬度為W2。23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的多模光纖，其中，所述槽的寬度《2約為0.4μπι~2.5μπι。24. 根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的多模光纖，其中，槽-包層折射率差Δ η2約為-2.0 X 10-3 ~〇,其中 An2 = ntrench_nci〇25. 根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，所述外光包層包括直接包圍 所述中央纖芯的內(nèi)包層和包圍所述內(nèi)包層的被稱為槽的具有凹型折射率的區(qū)域，其 中所述內(nèi)包層的寬度為W2且折射率差為Α Π2，以及所述槽的寬度為W3且折射率差為A n3，其 中 A 113 - Iltrench-I1C1 〇26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的多模光纖，其中，所述內(nèi)包層的寬度W2約為0.4μπι~2.5μπι。27. 根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的多模光纖，其中，折射率差Δ η2約為-1.5 X 10-3~1.5 X 10-3。28. 根據(jù)權(quán)利要求25至27中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，所述槽的寬度W3約為1.5μπι~ 5 · Ομπ?ο29. 根據(jù)權(quán)利要求25至28中任一項(xiàng)所述的多模光纖，其中，折射率差Δ η3約為-7.5 X 10 -3 ~-1.5X10-3〇30. -種多模光學(xué)系統(tǒng)，其至少包括根據(jù)權(quán)利要求1至29中任一項(xiàng)所述的多模光纖的一 部分。
【文檔編號(hào)】G02B6/028GK106062599SQ201480076480
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年2月28日
【發(fā)明人】M·比戈, D·莫林, P·斯拉德
【申請人】德拉克通信科技公司