专利名称：改进了折射率分布图的多模光纤和包括该光纤的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及改进了折射率分布图的多模光纤和包含本发明的光纤的通信系统。
光纤是业内人士熟知的，且在许多应用中都用到，其中包括传输激光的装置和放大器。光纤基本上由某一折射率的介质材料制成的内部纤芯和包围纤芯的包层组成。包层由比纤芯折射率低的材料构成。只要纤芯的折射率大于包层的折射率，沿该纤芯传播的光束呈现全内反射，从而沿纤芯的长度引导光束。在大多数实际应用中，纤芯与包层相互折射率之差小于几个百分点。
光纤的设计随应用、要求的光束传输模式、或制作时用的材料而改变。可以制成传播单模光束或多模光束的光纤；支持多于一个导模的光纤称为多模光纤。多模光纤通常比单模光纤有较大的纤芯直径，可使大量模式通过光纤传播。多模应用还提出其他的设计制约。例如，这些制约可以包括用于制作纤芯和包层的材料选择，和光纤的折射率分布图(例如，折射率分布图反映折射率从光纤纤芯到包层外圆周的径向变化)。已知有各种类型的折射率分布图，如阶跃折射率、渐变折射率、凹陷型包层、或W型变化。
用于高带宽时，多模光纤中各种模式的群速度应尽可能相同。通过令构成纤芯材料的折射率逐渐变化，可以控制微分群速度，意思是，规定折射率作为光纤半径函数的某种函数形式。在一普通的多模光纤中，设计的目标是要获得一种α-分布图，其定义是n(r)-ncladn(r)=Δ(1-(r/rcore)α)]]>这里r是光纤半径，rcore是纤芯半径，nclad是包层的折射率，α和Δ是自由参量。这些参量的优选取决于构成光纤的材料性质以及预期的用途。
然而，在α-类型分布图中存在固有的限制；实际上，制作时的变数，使实现理论上最佳的α-分布图变得困难。例如，α-类型分布图的一种固有限制，是高阶模没有得到适当的补偿(高阶模是属于高阶主模群的那些模；主模群是以几乎相等相速度传播的模的群，而高阶模群是那些最邻近截止的模群)。此外，制作偏差可以在分布图中任何地方发生。对最常用的两种制作技术，即OVD和MCVD，邻近光纤中心的不规则结构特别成问题，就是说，不规则结构在邻近中心发生的频度和幅度比在光纤其他区域更大。MCVD工艺常见的侧面效应，在光纤中心造成折射率凹陷，或凹坑，导致欠补偿的低阶模(即小主模数的那些模)。换言之，当存在中心凹陷时，电磁场被约束在光纤中心轴附近的模，比大多数模有完全不同的群速度。对某些应用，如用在半导体激光器注入，欠补偿的低阶模会严重影响光纤的性能。
已经作了许多努力研发光纤折射率分布图，以均衡多模光纤中的高阶模，和补偿中心凹陷。见Okamoto等的“Computer-Aided Synthesisof the Optimum Refractive-Index Profile for a Multi-Mode Fiber，”IEEETrans.Microwave Theory and Techniques，Vol.MTT-25，No.3(March 1977)，p.213(纳入本文内)(此后称之为“Okamoto”)。在Okamoto中，应用计算机辅助设计，开发一种优化分布图，按照报道，它是一光滑的W型分布图(如
图1，引自该文)。此分布图基本上包含在包层以下(如纤芯/包层边界区域之外)的α型的推广，有一负的包层跳变，然后是分布图形状的进一步数值改进。亦见Okamoto等，“Analysis of Wave Propagation in Optical Fibers Having Core with a-Power Refractive-Index Distribution and Uniform Cladding，”IEEETrans.Microwave Theory and Techniques，Vol.MTT-24，No.7(July1976)，p.416(纳入本文内)，文章讨论了使用数值分析得出的类似的分布图。虽然这些分布图有利于导致高带宽，但却难以制作，且相信会导致漏模。Geshiro等的“Truncated Parabolic-Index Fiber withMinimum Mode Dispersion，”IEEE Trans.Microwave Theory andTechniques，Vol.MTT-26，No.2(Feb 1978)，p.115(纳入本文内)，文章指出，一种抛物线形折射率分布图与包层跳变组合，比没有包层跳变的抛物线形分布图，导致更高的带宽。在抛物线形折射率分布图中，纤芯的折射率分布图呈抛物线分布，且被有恒定折射率的包层包围。
正如可以理解的，研发光通信系统的有关人士，不断探索新的组份和设计，包括新光纤的设计。随着光通信系统越来越进步，对多模光纤和增强光纤的性能，越来越有兴趣。本发明提供一种多模光纤，它的折射率分布图相对容易制作，又改进了高阶模在该光纤中传播的性能，同时对存在的中心凹陷加以补偿，从而也改进低阶模的性能。另外的优点在考虑下面给出的说明后，可以明显看出。
申请人发现，具有增强性能的多模光纤可以通过修改普通的α-分布图而得到，修改方法为(i)修改邻近纤芯-包层边界的分布图，以改善与α-分布图相关的高阶模的性能，和(ii)邻近光纤中心，添加一折射率脊，以补偿存在的中心凹陷，从而改进低阶模的性能。通过在纤芯～包层边界，用一波纹修改折射率分布图，还可以在性能上得到增进。
为更好地了解本发明，下面结合附图，举出一个示例性实施例，附图有图1A画出一种普通的优化α-分布图(虚线)和一种修改的分布图(实线)，其中，修改的分布图是由下面步骤形成的(i)对纤芯与包层之间边界的折射率，添加一跳变，和(ii)对带有跳变的折射率分布图添加一线性修正；图1B画出优化的α-分布图与图1A的修改分布图之间的分布图之差；图2展示图1A中两种分布图的预计的模延时；图3A画出一种普通的优化α-分布图(虚线)，和按图1A形成并在分布图中引进一小波纹的一种修改的分布图；图3B画出优化的分布图与图3A的修改分布图之间的分布图之差，展示引进分布图的波纹；
图4展示图3A-3B中两种分布图的预计的模延时，表明用波纹修改分布图得到额外的性能增进；图5A画出一种普通的优化α-分布图(虚线)，以及包层附近用线性修正并把小波纹引进分布图所形成的修改分布图，但没有包层跳变；图5B画出优化的分布图与图5A的修改分布图之间的分布图之差，展示引进分布图的波纹；图6展示图5A-5B中两种分布图的预计的模延时，表明用波纹得到的性能增进；图7A画出带中心凹陷的普通α-分布图，而图7B画出添加折射率脊修改后的α-分布图；图8A和图8B分别画出图7A和7B两种分布图的模延时，显示了中心凹陷的存在引起的低阶模的不良性能，如何能被邻近中心添加的折射率脊大大修正；和图9示意画出由本发明的光纤组成的光通信系统。
应该指出，这些图实质上只为演示本发明的概念，而非对本发明的限制。
本发明提供一种多模光纤，它的折射率分布图相对容易制作，改进了高阶模在该光纤中传播的性能，同时对存在的中心凹陷加以补偿，从而也改进低阶模的性能。要获得改进的光纤，至少用下面三种方法之一对普通α-分布图加以修改(i)在折射率分布图中纤芯和包层区域的边界上，形成与一线性修正组合的一个阶跃；(ii)邻近纤芯-包层边界，添加与一线性修正组合的波纹，可以有也可以没有折射率阶跃；或(iii)在有中心凹陷缺陷的α-分布图的折射率分布图中，形成一个环状脊。应当指出，这些修改可以单独施行，也可以组合一起施行。例如，环状脊(iii)可以与折射率分布图中的阶跃(i)结合施行，和/或与波纹(ii)结合施行。阶跃(i)可以不带波纹，而波纹(ii)可以不带阶跃。
更细致地参看各图，图1A画出一普通的优化α-分布图(虚线)和一修改的分布图(实线)。注意，修改的分布图是用上述三个选项的第一个形成的，即，在纤芯和包层之间边界的折射率上，添加一个阶跃，并对此有阶跃的折射率分布图进行线性修正。图1B画出优化的α-分布图与图1A修改的分布图之间的分布图之差。约21微米以下半径的折射率渐变，是人为的特殊规定的α-分布图，用来产生修改的分布图。业内人士熟知，这类折射率渐变，相当于不明显改变α的Δ的小变化，对光纤的传播性质没有多大影响。图3A画出普通优化α-分布图(虚线)和用上述第一和第二两个选项形成的修改的分布图(实线)。换言之，图3A中，实线表示一光纤，在其中的纤芯和包层边界的折射率上添加了一个阶跃，添加了线性修正，还在分布图中引进了一小波纹。图3B画出优化的分布图与图3A的修改分布图之间的分布图之差，特别显示出引进分布图的波纹。
为了改进高阶模性能而修改分布图的各种途径，是众所周知的。例如，如Okamoto公开的，其中之一是用计算机代码，寻找使预计带宽的测量优化的分布图。但是，Okamoto公开的W-型分布图难以制作，且会引起大量不想有的漏模。本发明与之相比，对α-分布图进行微扰，以获得W-分布图的许多好处，同时还易于制作并避免附加的漏模。
按照本发明，分布图形状的等级可以在数学上描述。在数学上，分布图的等级可以写成
这里Δ(1-(r/rcore)α)是普通的α-分布图，J＞0是纤芯-包层边界折射率的阶跃，fripple(r)在后面说明，flinear(r，r0)定义如下
方程式(1)可以用来获得多种分布图，它们的高阶模性能是近似优化的；换言之，在优化设计中存在一定量的自由度。对某种给定应用，要达到较佳设计的一种方法，包括如下步骤选定要修改的α-分布图的参量rcore和α，以及光纤将要工作的波长λ；选定折射率阶跃J的数值，它最好在0至0.5％的范围；然后应用计算机代码以获得方程式(2)中参量r0和m的数值。可以应用的计算机代码，T.A.Lenahan，Calculation of Modes in an Optical Fiber Using the FiniteElement Method and Eispack，THE BELL SYSTEM TECHNICALJOURNAL，62(9)2663-2694(1983)有描述(此后称之为“Lenahan”)，这里纳入本文，以供参考。因子fripple可以是0，也可以取某数值，以便将来优化光纤性能时使用。
作为例子，对一掺锗石英构成纤芯，周围由纯石英构成包层的光纤，应用上述方法以获得较佳设计。首先，选定参量rcore和Δ，这里rcore＝25μm，Δ＝1％，波长选定为λ＝1.3μm。其次，折射率阶跃的数值选为J＝0.12％。在本例中，应用如Lenahan所述的计算机代码，获得优化的参量数值为r0＝0.85rcore和m＝0.0011。fripple的值设为0。这一过程的结果反映在图1A和1B的修改的分布图上。添加附加项fripple(r)，还可以获得带宽上的增进，对其优化数值，可以再一次用计算机代码确定(m和r0的数值作为优化的一部分重新确定)。添加项fripple(r)后，这一过程的结果画在图3A-3B上。数值J选为0时，这一过程的结果画在图5A-5B上。在图5A-5B中，邻近纤芯-包层边界，除了作线性修正外，还添加波纹，但没有折射率阶跃。图5A画出一种普通的优化α-分布图(虚线)，和邻近包层用线性修正并把小波纹引进分布图所形成的修改分布图(实线)，但没有包层跳变；图5B画出优化的分布图与图5A的修改分布图之间的分布图之差，展示引进分布图的修正。
本发明修改折射率分布图的好处，示于图2、4、和6。这些曲线分别表示图1A-1B、3A-3B、和5A-5B各种光纤的预计模延时。图上报告了作为光纤主模数函数的每公里的模延时(即各种模的群速度的倒数)，一种光纤具有修改的分布图(以+表示)，一种光纤则具有普通的α-分布图(以o表示)。理想地说，人们希望找到一种光纤，它所有的模都有相等的延时。从图2、4、和6的每一个都可以看到，具有修改的分布图的光纤(+)，其延时比具有普通α-分布图的光纤(o)更均一。
有许多理由表明，修改分布图以达到在模延时中减小分散，是有好处的。例如，一种好处是，过充满的(overfilled)带宽(已包含在曲线上)可能更高。还有，若某系统中含有用一个或多个光纤间连接器来注入的激光器，如果使用本发明的光纤，则注入条件和连接器的容许偏差，可以比用普通分布图的光纤的系统更宽容。例如，在某些应用中，使用普通光纤可能宣布没有把光耦合进高阶模，而用本发明的光纤，则可能存在这种耦合。
本发明的另一个实施例画在图7B，图上画出一种修改的分布图，它紧靠普通α-分布图的中心凹陷有一折射率脊。这一分布图大大改进了低阶模的性能。注意，紧靠普通α-分布图(画在图7A，以资比较)的中心凹陷，添加了一折射率脊。如果此脊和中心凹陷都限制在纤芯直径的小的百分比内(如约百分之五)，那么光纤各个模的群速度，只由该中心邻域的折射率的积分决定，而与邻近中心的形状的细节无关。因此，邻近中心的形状变得不重要，而中心凹陷的存在对光纤性能的冲击也变小了。该脊必须局限于其内的半径，依赖于光纤传送的波长λ和光纤的设计(如构成纤芯和包层的材料，纤芯和包层的直径，以及其他参数)。例如，图7B的分布图反映的光纤，其纤芯由掺锗石英构成，周围的包层由纯石英构成，传送的波长约850nm。注意，该脊最好离开中心一定距离，约为纤芯半径百分之四以内。
用图7B的修改的折射率分布图获得的好处，还可能依赖于脊的分布图的高度和宽度。最好是，脊的高度和宽度的选取，要使中心邻域折射率的总积分等于纯α-分布图的总积分，在此意义上抵消中心凹陷。一般说，当该脊必须局限于其内的半径减小时，获得的好处更大；就是说，较可取的做法是，把脊限制在尽可能邻近中心。但是，用更宽的脊也有好处，例如，典型的多模光纤设计，脊限制在纤芯半径的10-20％左右。制作过程中，控制中心邻域的总积分，比控制光纤中心的精确形状更容易。因此，用本文修改的分布图，可以制作一种增强性能的光纤，它要求较低的精度或较小的制作过程控制。图8画出图7A-7B两种分布图的模延时。可以看出，有脊的光纤比只有中心凹陷的光纤，大大减小了低阶模的延时的分散。所以，在只激发低阶模的注入条件下，有脊的光纤的带宽，大大高于没有脊的光纤的带宽。为了说明，在假定激发最初四个主模群的注入条件下，指出了预计的带宽。
业内熟练人士容易看出，存在中心峰时，可以用一沟槽补偿，这与上述用一脊补偿中心凹陷的方式相同。
参考图9，显然，本发明的光纤可以组成光通信系统的一部分，光通信系统包括诸如发射机100、接收机104、和连接发射机与接收机的光路102等部件，还可能沿光路放置一个或多个放大器106。本发明的光纤可以用于整个光路或光路选出的区域，如110部分，也可以与普通光纤或装置耦合。
应当指出，这里描述的实施例仅仅是示例性的，业内精明人士在不偏离本发明的精神和范围下，可以作各种变化和修改。所有这类变化和修改将包括在后附的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种包含多模光纤的产品，该光纤包括用有预定折射率的材料制作的纤芯；围绕纤芯的、其折射率不同于纤芯折射率的包层，包层与纤芯接合的界面，定义为边界区域，其中的纤芯具有修改的折射率分布图，此修改的折射率分布图包括一个α-分布图，该α-分布图由至少是下面之一修改(a)在邻近边界区域的折射率中，与线性修正组合的一个阶跃；(b)在邻近边界区域的折射率中，与线性修正组合的一种波纹；和(c)在邻近光纤中心区域的一个折射率脊。
2.按照权利要求1的产品，其中修改的折射率分布图包括在邻近边界区域的折射率中，与线性修正组合的一个阶跃，和邻近边界区域的一种波纹。
3.按照权利要求1的产品，其中修改的折射率分布图包括邻近边界区域与线性修正组合的一种波纹，没有折射率阶跃。
4.按照权利要求1的产品，其中修改的折射率分布图由下述方程式定义
这里Δ(1-(r/rcore)α)是普通的α-分布图，J＞0是邻近边界区域的折射率中的阶跃，fripple(r)是定义波纹的参量，而flinear(r，r0)定义如下
5.一种包含多模光纤的产品，该光纤包括用有预定折射率的材料制作的纤芯；围绕纤芯的、其折射率不同于纤芯折射率的包层，包层与纤芯接合的界面，定义为边界区域，其中的纤芯具有修改的折射率分布图，此修改的折射率分布图具有α-分布图的形状，被邻近边界区域的折射率的一个阶跃所修改，和被在该区域的线性修正所修改，其中r＞r0，这里r0≥0.7rcore，r是光纤半径，rcore是光纤纤芯半径。
6.按照权利要求5的产品，其中修改的折射率分布图还包括邻近纤芯区域的一种波纹。
7.一种包含多模光纤的产品，该光纤包括有确定的纤芯半径并用有预定折射率的材料制作的纤芯；围绕纤芯的、其折射率不同于纤芯折射率的包层，其中在纤芯折射率中、在纤芯半径的百分之二十的范围内，布置一脊或一沟槽，分别补偿存在的中心凹陷或中心峰。
8.按照权利要求7的产品，其中的脊或沟槽，布置在纤芯半径的百分之五的范围内。
9.一种包括发射机和检测器的系统，发射机与检测器用按照权利要求1的一根或多根多模光纤连接。
10.一种包括发射机和检测器的系统，发射机与检测器用按照权利要求5的一根或多根多模光纤连接。
全文摘要
一种具有改进折射率分布图的多模光纤。至少用下面的一种方法对普通的折射率分布图进行修改(i)在纤芯和包层区域边界的折射率分布图中,形成与线性修正组合的一个阶跃;(ii)邻近纤芯—包层边界的与线性修正组合的一种波纹,附有或不附有折射率阶跃;和(iii)在带有中心凹陷缺陷的α－分布图的折射率分布图中,形成一环状脊。本发明还涉及用本发明光纤组成的通信系统。
文档编号G02B6/02GK1276536SQ0011797
公开日2000年12月13日 申请日期2000年6月6日 优先权日1999年6月7日
发明者史蒂文·尤金·戈龙威克, 威廉·艾尔弗雷德·里德, 阿伯特·约翰·里特格 申请人:朗迅科技公司