用于空间多路复用的渐变折射率少模光纤设计的制作方法
【专利摘要】一种少模光纤，包括由包层围绕的纤芯，具有渐变折射率分布，该渐变折射率分布被构造为支持多个希望的信号运载模的传播，同时抑制不希望的模。纤芯和包层被配置为使得不希望的模具有各自的有效折射率，所述有效折射率接近或者小于包层折射率使得不希望的模成为漏模。具有最低有效折射率的希望的模与具有最高有效折射率的漏模之间的折射率间隔为足够大至基本上防止它们之间的耦合。
【专利说明】用于空间多路复用的渐变折射率少模光纤设计
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张于2011年2月24日递交的美国临时专利申请N0.61/446，222，和于2011年9月7日递交的美国临时专利申请N0.61/531，842的优先权，这两者都是本申请的受让人所拥有的,并且通过参考的方式将他们的全部内容合并入本文中。
【技术领域】
[0003]本发明通常涉及光纤领域，尤其涉及用于空间多路复用的改进的少模光纤设计。【背景技术】
[0004]光纤网络之上的数据通信继续按指数速率增长。为了满足这一需要，多路复用技术已经被发展为允许多个分散数据流共用相同的光纤，从而显著地增加每个光纤的通信量。
[0005]在光纤行业中当前的研究和发展主要集中在密集波分复用(DWDM)上，这是一种多路复用技术，其中多个数据通道被分配给某一运转带宽内的相应的波长。数据通道在单模光纤的基本(LPtll)模式之上被结合用于传输，并且当它们到达各自目的地时被分别返回进入分离通道之内。
[0006]在基于DWDM的传输系统内，给定放大器带宽内的总容量被光谱效率所限制，光谱效率用于描述在给定数据速率下，当光纤受到非线性效应所带来的极端限制时，用于通信目的单个波长可以被间隔的紧密程度。利用日益复杂的算法可以增加光谱效率，例如使用高阶调制方案，但是这种方法带来带宽收益递减并且适度的改进不能跟上指数增长的带宽需要。可以预料，在下一个10至15年之内，单模光纤中的DWDM的光谱效率将会接近它的理论极限。
[0007]—种用于增加每个光纤容量的有前景的方法是空分多路复用(SDM)，其中单光纤内的多个数据通道通过相应的多个纤芯，或通过光纤引导的相应的多个光信号模提供。基于SDM的技术具有能够显著地增加每个光纤传输容量的潜能，突破基于DWDM系统的非线性的限制。
[0008]由于SDM和现有技术之间的原理不同，因此SDM已经被证明是技术上的挑战，需要新型的光纤和相关装置的发展。
【发明内容】
[0009]一种少模光纤，包括包层围绕的纤芯，光纤具有被配置为沿着光纤的长度引导空分复用的光信号的折射率分布。包层可以包括外包层区域和位于纤芯和外包层区域之间的向下掺杂的沟槽或者凹陷的包层区域。替选实施例还包括包层内的高折射率引导环，其被放置在纤芯和沟槽或者凹陷包层区域之间。折射率分布被构造为支持多个引导的模，来运载各自的多个空分复用传输信号，同时抑制不希望的模。
[0010]根据本发明的一个方面，光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层。纤芯和包层具有阶跃折射率分布，其被构造为支持多个希望的信号运载模的传播，同时抑制不希望的模。包层包括具有外半径reladding的外包层区域，折射率neladding和折射率差Aneladding=0。纤芯具有半径、折射率以及折射率差Λη.ε=0。纤芯和包层被配置为使得不希望的模分别具有接近或者小于包层折射率的有效折射率，以使得不希望的模成为漏模。具有最低有效折射率的希望的模和具有最高有效折射率的漏模之间的折射率间隔足够大到基本防止它们之间的耦合。
[0011]本发明的另一个方面指向具有渐变折射率纤芯的少模光纤，所述纤芯提供经过光纤传播的模之间的所描述的折射率间隔。
[0012]本发明的另外一个方面指向光纤，包括经过公共包层延伸的多个单独的纤芯。每个单独的纤芯支持至少一个局部横向空间模。单独的纤芯和周围的包层被构造成支持多个希望的信号运载模的传播，同时抑制不希望的模，从而支持一个或多个空分复用信号的传播。光纤的纤芯至纤芯的间隔被配置为维持纤芯之间的可接受的低水平的模耦合。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是一系列图，说明了 LP11模的四种可能的元件(a) - (d)，包括偏振态。
[0014]图2所示的是一对表格，表明了在特定假设条件下，用于理想的少模光纤之上的通信的最大可容许的平均差分群延迟(maximum allowable mean differential groupdelay),以 ps/km 为单位。
[0015]图3所示的一组表格表明了对于30和60Gbaud下不同安装数量、不同目标链接长度以及不同模间耦合的可容许的平均DGD的近似极限，以ps/km为单位。
[0016]图4所示的是根据包括多芯结构的本发明一个方面的示意性光纤的截面图。
[0017]图5所示的是根据本发明的进一步方`面的具有高折射率导向环的光纤的折射率分布。
[0018]图6所示的是现有技术中已知的、阶跃折射率光学纤维的计算特性的图表。
[0019]图7A是根据本发明的一个方面的示意性光纤的分布设计。图7B所示的一对表格表明了图7A的示意性光纤的设计参数和计算特性。
[0020]图8的图表所示的是两模光纤的测量折射率分布的绝对差值，并且以虚线示出以LP01^LP11模的计算有效折射率，以及在包层级别之下的下一个高阶LP模。
[0021]图9的图表比较了具有1.25m、2.5m,5m以及IOm的相应长度的试验性两模光纤的直光纤段中的除LP11之外下一个高次模的光谱损耗曲线。
[0022]图10的图表比较了在增加25.4mm直径线圈之后的图9的光谱损耗曲线。
[0023]图11的图表所示的是干涉测量的结果，表示了 LPtll和LP11模之间的最大群延时差是大约0.06ps/m或者60ps/km,跨越C波段的范围内。
[0024]图12A-B描述了凹陷包层的折射率分布、阶跃折射率、有效面积接近于标准单模光纤的两模光纤，并且表格表示了光纤的设计参数和计算特性。
[0025]图13A-B表示了模有效面积与标准单模光纤类似的少模光纤的沟槽辅助分布，并且表格表示了光纤的设计参数和计算特性。
[0026]图14A-B表不了具有超大模有效面积的两模光纤的沟槽辅助分布,并且表格表不了光纤用于设计参数和计算特性。[0027]图15所示图表说明了模拟少模光纤设计的折射率分布，其中包层管的物理横截面积分别是 2850 μ m2、1100 μ m2 以及 500 μ m2。
[0028]图16A-16C所示的一系列图表，其中说明了对于图15中描述的三个光纤设计，用于以下导模=Lpc^Lp1PLp1PLp12以及LP21的计算有效折射率差异。
[0029]图17A-17C所示一系列图表说明了图15的三个光纤设计的每一个的耗散以及有效面积。
[0030]图18A-18C所示一系列图表说明了在弯曲半径30mm处以及在弯曲半径80mm处的图15的三个光纤设计的计算弯曲损失。
[0031]图19是未按比例绘制的根据本发明的一个示意性的渐变折射率少模光纤(FMF)的截面图。
[0032]图20是图19所示的FMF的折射率分布。
[0033]图21和图22的图表所示的是，根据现有技术分别在850nm和1550nm处，相对具有50 μ m的纤芯直径以及1%的相对差值的传统渐变折射率多模光纤(MMF)，对于Ii\m模的计算模态结构。
[0034]图23所示的是根据本发明的进一步方面的FMF折射率分布。
[0035]图24的图表所示的是随图23所示光纤设计的波长而变的LPtll和LP11模之间的群延时差。
[0036]图25是图23所示的表格表示FMF设计的规格。
[0037]图26描述了根据本发明的进一步方面的少模光纤(FMF)的折射率分布。
`[0038]图27的图表所示的是随图26所示光纤设计的波长而变的LPtll和LP11模之间的群延时差。
[0039]图28的表格表不了图26所不的光纤设计的规格。
[0040]图29描述了根据本发明进一步方面的少模光纤(FMF)的折射率分布。
[0041]图30的图表所示的是随图29所示光纤设计的波长而变的LPtll和LP11模之间的群延时差。
[0042]图31的表格表不了图29所不的光纤设计的规格。
[0043]图32描述了根据本发明的进一步方面的少模光纤(FMF)的折射率分布。
[0044]图33的图表说明了随图32所示光纤设计的波长而变的LPtll和LP11模之间的群延时差。
[0045]图34的表格表不了图32所不的光纤设计的规格。
[0046]图35描述了根据本发明的进一步方面的少模光纤(FMF)的折射率分布。
[0047]图36的图表说明了随图35所示光纤设计的波长而变的LPtll和LP11模之间的群延时差。
[0048]图37的表格表不了图35所不的光纤设计的规格。
[0049]图38所示的是图35所示光纤设计的原型的测量折射率分布。
[0050]图39描述了根据本发明的进一步方面的少模光纤(FMF)的折射率分布。
[0051]图40的图表说明了随图39所示光纤设计的波长而变的LPtll和LP11模之间的群延时差。
[0052]图41的表格表示了图39所示的光纤设计的规格。[0053]图42描述了根据本发明的进一步方面的少模光纤(FMF)的折射率分布。
[0054]图43的图表说明了随图42所示光纤设计的波长而变的LPtll和LP11模之间的群延时差。
[0055]图44的表格表不了图42所不的光纤设计的规格。
[0056]图45描述了根据本发明的进一步方面的四模光纤的折射率分布。
[0057]图46的图表说明了随图45所示光纤设计波长而变的LPQ1、LP11, LP11和LP21模之间的群延时差。
[0058]图47的图表说明了随波长而变的、图45所示光纤设计的四模的相应有效折射率。
[0059]图48的表格表不了图45所不的光纤设计的规格。
[0060]图49描述了根据本发明的进一步方面的四模光纤的折射率分布。
[0061]图50的图表说明了随图49所示光纤设计波长而变的LPQ1、LP11, LP11和LP21模之间的群延时差。
[0062]图51的图表说明了随波长而变的、图49所示光纤设计的四模的相应有效折射率。
[0063]图52的表格表不了图49所不的光纤设计的规格。
[0064]图53描述了根据本发明的进一步方面的四模光纤的折射率分布。
[0065]图54-57的一系列表格表明了图23-53中所不的不意性少模光纤的规格。【具体实施方式】
[0066]本发明的一些方面在于改进的光纤设计和技术，它们适用于空分多路复用(SDM)。特别地，这里描述的光纤和技术适于模分多路复用(MDM),其中由光纤引导的多个横向模被用来提供多个独立的数据传输信道。
[0067]应当注意到这里描述的结构和技术可以和其它的数据传输技术结合，包括波分多路复用(WDM)。进一步注意到，尽管本发明的一些方面在这里是相对于具有一个纤芯的示意性的光纤而描述的，但是本发明的一些方面还可以适于与多芯光纤(MCF)技术结合以产生具有多个纤芯的光纤，其被配置成支持相应的多个空间多路复用光信号的通信。
[0068]MDM相配的光纤当然需要支持所选择的信号传送模的传播。另外，成功的光纤需要考虑许多问题，举例来说，波导的波长依赖性；介质的非线性；差分群延迟(DGD)以及差分模衰减(DMA);信号模与其它的信号模的耦合(例如，串扰)；信号模与有损耗的不希望的模的耦合；以及下面讨论的其它问题。
[0069]传统的多模光纤(MMF)不适用于MDM。传统的MMF具有数百的导模，每个具有相应的有效折射率。如同图21中所示例子，如下所述，标准MMF中的导模的有效折射率是密集的在一起。这一密植距的结果是带来了不能被接受的高水平的模耦合。用于传送单独的传输信号两个或更多期望的模之间的耦合导致了串扰。期望的模和“漏”模或者“有损”模之间的耦合导致了明显的信号损失。传统的MMF未能解决差分群延迟(DGD)、差分模衰减(DMA)及下面论述的其他问题。
[0070]这里描述的光纤属于被统称为“少模光纤”(FMF)的种类，即，可以引导一个以上横模的光纤，但比传统的多模光纤(MMF)的横模要少，传统的多模光纤通常支持数百导模并且被广泛地配置在数百米之上的数据通信链路中。一般而言，FMF支持少于100个的导模。取决于特定的应用，FMF可被设计成能支持10-20个的导模，甚至更少。
[0071]这里描述的FMF包括引导至少LPtll和LP11模的光纤，以及引导至少UV、LP1PLP11以及LP21模的光纤。应当理解的是，这里描述的结构和技术可被应用在引导更多模的FMF的设计中。
[0072]应当注意到，这里描述的FMF以及涉及的结构和技术适于在至少整个“C波段”，也就是，1530nm至1565nm，以及有时在S，C和L波段内使用。旧的少模设计不适于或者易于在C波段内使用。进一步的，这些旧的设计未能考虑差分模衰减及其他问题，以下将描述这些对于成功光纤设计的空间多路复用以及类似的应用的发展而言是至关重要的。
[0073]相对本发明论述的目的，除非明确地指出了例外情况，或者除非依据内容有另外需要，术语“Ii\m模”指的是总起来说该模的任何或者所有单独的结构、退化以及偏振。举例来说，对于给定的传播常数，在理想的圆光纤中，存在四个退化LP11子模，特征为它们各自的角形配置和偏振。在某些范围内，有用的是将每个LP11子模，或者其叠加表示为分离模。然而，在本发明说明书的范围内，没有必要做出这样的区分。因此，术语“^^模”用来表示这些四个LP11子模或者其子模的叠加的任何一种或者所有。遵循这一约定，引导LPtll和LP11模的少模光纤被称为“双模FMF”，即使该光纤可被用于双模以上的MDM(即，LPtll和多个LP11子模以上)。类似地，引导IiVIiVLP11以及LP21模的少模光纤被称为“四模”FMF。
[0074]这里描述的每个光纤包括由包层围绕的芯区，包层包括多个包层区域。取决于上下文，给定光纤区域的折射率可以使用一个或多个下列方法量化:
[0075](I)给定波长处的给定光纤区域的折射率可以利用绝对单位量化。
[0076](2)给定光纤区域的折射率可以相对于外包层的折射率用“绝对折射率差”来量化或者“绝对差值”(Λη)来量化，其通过从以绝对单位表示的给定光纤区域的折射率减去，同样以绝对单位表示的外包层区域的折射率而得到。通过定义，外包层区域的绝对折射率差值Λη=0。
[0077](3)给定光纤区域的折射率可以相对于外包层的折射率被量化为“百分比相对折射率差”或者只是“差值” Λ，其通过如下计算:
【权利要求】
1.一种光纤，包括: 纤芯和围绕纤芯的包层， 其中，包层包括外包层区域，该外包层区域具有外半径r—g，折射率IIcdadding和折射率差Λη，并且 其中，纤芯具有半径和折射率，该折射率从纤芯内的峰值纤芯折射率差△ ηΜΜ(_)开始渐变至纤芯的外圆周处的最低纤芯折射率差Anc_(min)， 其中，纤芯和包层被配置为支持空分复用光信号的传播，该光信号包括多个希望的模，同时抑制不希望的模， 其中，每个纤芯和周围的包层被配置为使得不希望的模具有各自的有效折射率，所述有效折射率接近或者小于包层折射率，从而导致泄漏进入外包层区域的漏模，并且 其中，在具有最低有效折射率的希望的模和具有最高有效折射率的漏模之间的折射率间隔足够大到基本防止它们之间的耦合。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为在C波段中运行。
3.根据权利要求1所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为使得希望的模具有各自的有效折射率，所述有效折射率具有足够大的折射率间隔，以便达到希望水平的模耦合、差分群延迟以及差分模衰减。
4.根据权利要求3所述的光纤，其中，希望的模的数量为十个或者更少。
5.根据权利要求3所述的光纤,其中,光纤被配置为支持UV、LPn、LP11和LP21模,并切断下一个更高阶模。
6.根据权利要求3所述的光纤，其中，光纤被配置为支持LPtll和LP11并且切断下一个更高阶模。
7.根据权利要求6所述的光纤，其中，LPtll模和LP11模之间的折射率间隔是Λβ/k0=0.002或更大。
8.根据权利要求7所述的光纤，其中，LP11模和下一个最高阶模之间的折射率间隔是Δ η=.0009或更大。
9.根据权利要求7所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到200ps/km或者更少的差分群延迟。
10.根据权利要求7所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到100pS/km或者更少的差分群延迟。
11.根据权利要求7所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到20ps/km或者更少的差分群延迟。
12.根据权利要求7所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到0.ldB/km或者更少的差分模衰减。
13.根据权利要求7所述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到0.2dB/km或者更少的差分模衰减。
14.根据权利要求7所 述的光纤，其中，纤芯和包层被配置为达到0.01dB/km或者更少的差分模衰减。
15.根据权利要求7所述的光纤，其中，包层还包括在纤芯和外包层区域之间的、内部的、向下掺杂的沟槽区域。
【文档编号】G02B6/02GK103827708SQ201280019895
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年2月24日 优先权日:2011年2月24日
【发明者】拉尔斯·格鲁纳-尼尔森, 罗伯特·L·林格尔, 阿兰·麦克迪, 戴维·W·佩克汉姆, 孙义 申请人:Ofs飞泰尔公司