带宽保持多模光纤的制作方法
【专利摘要】本发明涉及带宽保持多模光纤。本说明书描述了一种具有特定设计参数的多模光纤，所述特定设计参数即受控的折射率设计比例和尺寸，其使光纤很大程度上不受中等严重弯曲的影响。光纤中的模态结构也很大程度上不受弯曲影响，因此，使得光纤带宽本质上并未受损。弯曲性能结果由绕在心轴上的光纤的DMD测量对比于无严重弯曲的光纤的测量而建立。
【专利说明】带宽保持多模光纤
[0001]本申请是申请日为2009年9月16日、申请号为200910211614.3、发明名称为“带
宽保持多模光纤”的发明专利申请的分案申请。
[0002]申请号为200910211614.3的发明专利申请要求于2008年9月17日提交的、序号为61097639的临时申请的权益，该临时申请通过引用方式合并于此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及具有鲁棒性的光传输特性的光纤的一系列设计。更具体地，本发明涉及被设计成在保持光纤的模态结构和带宽的同时控制弯曲损耗的光纤。
【背景技术】
[0004]光纤在弯曲时会泄漏光能的趋势自从该技术的早期起就已经被熟知。众所周知，光沿着直线路径传播，但是在某种程度上能通过提供由低折射率材料包围的高折射率材料的路径(甚至是曲线路径)而被引导。然而，实际上该原理是受限的，而且光纤常常具有曲率超出光导包含光的能力的弯曲。
[0005]在弯曲时控制传输特性是几乎每个实用光纤设计的一个问题。最初的方法，也是普遍的方法，是防止或最小化光纤中的物理弯曲。虽然这种方式可以通过在长距离时设计鲁棒性的线缆或者在短距离时在微导管(microduct)中安装光纤来很大程度上实现，但是在所有的情况下，光纤必须在每个端部被端接。因此即使是在最优的情况下，弯曲(通常是严重弯曲)会在光纤端出现。
[0006]控制弯曲损耗也可在光纤自身的物理设计中解决。一些光纤相对于其他光纤本身就不易弯曲损耗。这很早就被发现，并且大多数光纤现在被特定设计为低损耗。对微弯曲损耗控制典型有效的设计要素涉及光纤包层(通常是外包层)的属性。于是，在光纤折射率分布之外通常发现环形特征或者沟槽特征或者它们的组合，来控制弯曲损耗。例如参见美国专利4，691，990和4，852，968，两者均通过引用合并于此。
[0007]光纤在弯曲情况下的性能问题通常被认为涉及总光能损耗，因为有光从光纤弯曲处泄漏。在多数情况下，模态结构的改变对弯曲损耗的影响被忽略。
[0008]在单模光纤中总能量损耗是首要考虑的事情，因为所有的漏损都涉及光纤基模中的光。然而，在多模光纤中模态结构影响了损耗，其中高阶模的损耗多于低阶模。另外，光纤中的弯曲引起模式转变和混合。因此，虽然一个信号在低阶模中可能能抵抗一些弯曲，但如果它转变成高阶模，将更易受弯曲损耗的影响。
[0009]多模光纤中高阶模和低阶模的组合决定了光纤的带宽，且因此决定了光纤的信号承载能力。弯曲多模光纤会降低光学系统的信号承载能力。
[0010]多模光纤中的差模损耗特性比单模光纤中的总光能损耗更加严重。后者能够通过使用低成本功率放大器来解决。然而，多模光纤中的差模损耗能导致在高阶模中传播的信号的完全损失。
【发明内容】
[0011]我们已经设计出即使在存在严重弯曲时也能够在很大程度上保持光纤的模态结构，由此保持光纤的带宽的多模光纤。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是示出根据下面描述的实施例中使用的设计参数的标记的光纤折射率分布图。该图不表示任何空间比例；
[0013]图2是用于测量差模延迟(DMD)的装置的示意图，其中差模延迟是一种用于评估本发明光纤的性能的特性；
[0014]图3a和3b是显示弯曲对传统多模光纤的影响的DMD脉冲轨迹；
[0015]图4a和4b是相对于图3a和3b的显示了弯曲对本发明的多模光纤的影响的DMD轨迹；
[0016]图5是比较两种多模光纤的损耗对波长的图，其中一种是传统光纤，而另一种是根据本发明设计的光纤。 【具体实施方式】
[0017]参考图1，示出了与实施本发明相关的空间设计参数。垂直参考线即线dl代表多模光纤的中心。具有不同的绝对值的同样比例的轮廓将表征用于制造光纤的预成型品(preform)。
[0018]可以发现，针对特别控制设计比例和尺寸，可以制造出本身就不易受中等严重弯曲影响的多模光纤。模态结构也很大程度上不受弯曲影响，因此导致光纤带宽本质上并未受损。普通光纤在弯曲时会展现出显著的模态结构改变，这是因为高阶模泄漏进入包层并且中间阶次模混入高阶模造成了光纤带宽的显著改变。这些改变通常被测量为差模延迟(DMD)0与本发明相关的DMD技术和DMD测量，将在下面更详细地予以描述。
[0019]典型光纤以及本发明所属的那些光纤具有多模渐变折射率的纤芯，其中最大折射率位于纤芯的中心，且折射率朝着纤芯/包层边界逐渐减小。逐渐减小的折射率通常满足下述公式定义的抛物线:
[0020](IR (IO=Cl1 [1-2 Λ (Va1)]1/2
[0021](2) Δ = ((Ii2-Cl22)/2d:2
[0022]在下面描述的参数涉及在图1中示出的那些。参量Cl1和d2分别是纤芯在r=0和^a1处的折射率。参量&1是最大纤芯半径，且代表纤芯到包层边界的距离。参量α是纤芯的形状轮廓参数并且确定渐变折射率曲线的形状。纤芯被半径表示为a2的包层包围。对传统多模光纤来说，在％到a2之间的半径范围内折射率保持在值d2。
[0023]本发明的一个特殊的设计特征是靠近纤芯-包层边界的包层区域内的一部分(图1中示出为在半径位置a2和a3之间)(在此称作“沟槽”)具有与d2不同的折射率值d3，并且具有在包层区域内精确控制的宽度(a3_a2)。另外，外包层折射率山可以不同于表示为d2的内部值。该负折射率区域(沟槽)的折射率深度为(d3-d2，d3_d4)、宽度为(a3_a2)，连同其相对于渐变折射率纤芯的位置(a2_ai)，有助于在本发明的光纤被紧紧弯曲时保持其模态结构(如本说明书后面所限定的)。因此，出现了一个光纤性能的新参数，并且其被指定为“弯曲模式性能(bend mode performance) ” ( “BMP”)，其中BMP是在弯曲状态和不弯曲状态下0-23微米DMD之间的绝对差。如被公知为TIA-F0TP-220标准的DMD测试过程定义的那样，BMP和DMD参数均表示为皮秒每米，或者ps/m。
[0024]在制订满足本发明标准的设计中，发现沟槽的性能，特别是沟槽宽度a3_a2和肩宽B2-B1对于光纤的BMP有很大影响。实际上，在沟槽宽度和肩宽的特定范围内，光纤的模态结构即使在遭受极端弯曲时也能够基本保持不变。
[0025]如前所述，有关改变通常被测量为差模延迟(DMD)。DMD是沿多模光纤的纤芯中的不同模传播的光能之间的传播时间的差值。多模光纤支持将光从发射器载送到接收器的多个光路或模式。当激光脉冲的能量发射进入光纤时，其划分为多个不同的路径。当能量沿着多模光纤传播时，DMD会导致脉冲在到达接收器之前的展宽。如果脉冲过度展宽，它们走到一起。当这些发生时，接收器将无法区别数字的I和0，链接将会失败。这是lGb/s系统的一个问题，并且它将现有的10Gb/s系统和预期的40Gbs/s和100Gb/s系统限制到使用传统多模光纤的仅仅适度的距离。使用OFS-Fitel开发的高分辨率程序来以皮秒/米(ps/m)为单位测量多模光纤DMD。该程序在跨光纤的纤芯隔开非常小的步阶(step)的很多位置处发射很短的高能的850nm脉冲。收到的脉冲被绘图并且数据被专门开发的OFS软件采用来表示DMD。
[0026]OFS-Fitel在1998年提倡用高分辨率DMD作为质量控制方法来确保成品多模光纤的激光带宽。高分辨率DMD被国际标准委员会采用作为对10Gb/S和新出现的40Gb/s和100Gb/s多模光纤系统的激光带宽的最可靠的预测。OFS-Fitel共同创造的DMD测试程序被称为TIA/EIA-455-220。该程序已成为工业标准被广泛用于成品光纤，以确保lGb/s和IOGb/s系统的可靠的系统性能。该程序也将被加入用于未来的40Gb/s和100Gb/s系统的标准中。
[0027]该TIA/EIA-455-220测试程序在图2中示意性地示出。以采用850nm激光出射脉冲21的单模光纤22径向地扫描待测的多模光纤的纤芯23。利用高速光学接收器基于在光纤纤芯另一端处相应的输出脉冲相对于单模光纤的径向位置的位置，来整体地记录这些对应的输出脉冲。这提供了在各径向偏移处的选择受激的模组之间的模式延迟差的准确信息。接着基于多次扫描，评估该DMD扫描。
[0028]图3a, 3b, 4a和4b示出了 DMD扫描数据。
[0029]图3a和3b表明了在其他多模光纤设计中模态结构在紧紧弯曲时相对于无弯曲状况怎样改变。
[0030]图3a示出了表明由TIA/EIA-455-220标准定义的无弯曲状况下的多模光纤(MMF)的模态结构的DMD脉冲轨迹。注意在径向位置21微米(在31处示出)和24微米(在32处示出)之间的外部模态结构。可以发现在这些位置处，开始出现多个脉冲。
[0031]图3b是表明除了以大约12.8_直径心轴弯曲(在此定义为紧弯曲状况)之外与图3a所示的相同MMF的模态结构的DMD脉冲轨迹。这里径向位置21微米(在31’处示出)和24微米(在32’处示出)之间的外部模态结构在图3a所示的无弯曲状况和该弯曲状况之间发生了显著变化。具体地，在图3b中21微米和24微米之间所示的脉冲有显著减小，由此显示了信号功率的实质性损耗。
[0032]比较图3a和3b，很明显针对0_23半径计算出的外部模态结构和DMD值有很大改变。另外，在外部模态(在19微米及其之外)中传播的功率也大幅下降，暗示了模式能量被重新分配并且更多功率逸出进入了包层模中。这样的模式能量重新分配有两个结果。一个是众所周知的，当弯曲明显时光纤损耗增加。然而，在本发明之前，没有发现与弯曲状态相关的对模态结构的影响。
[0033]在误码率(BER)系统测试中，已经示出了其他MMF设计和标准光纤中的模态带宽和附加损耗，这当在紧弯曲状况下测量时造成重大障碍使得链接失败(>10_12ber)。对于本发明所制造的光纤，已经表明BER系统测试中的障碍相比用其他MMF和标准光纤做的测试被大大降低，该链接以好于10_12BER工作。
[0034]图4a和4b表明根据本发明的多模光纤设计的模态结构在紧弯曲时相比于未弯曲状况并未改变。
[0035]图4a示出了表明根据本发明的一个实施例制造的MMF的模态结构的DMD脉冲轨迹。图4a中所示的是在无弯曲状况下的MMF脉冲轨迹。注意在径向位置21微米(在41处示出)和24微米(在42处示出)之间的外部模态结构。与图3a中所示的DMD脉冲轨迹相似，在外部模态结构中开始出现多个脉冲。
[0036]图4b示出了表明除了以大约12.8mm直径心轴弯曲(紧弯曲状况)之外与图4a所示的同样的MMF的模态结构的相应的DMD脉冲轨迹。注意到在径向位置21微米(在41’处示出)和24微米(在42’处示出)之间的外部模态结构在无弯曲状况和弯曲状况之间保持不变。因此不仅是图4a和4b所示的MMF的功率损耗在弯曲状态下最小，而且原始模态结构也基本上保持不变和完整。
[0037]保留了模态结构 以后，测量出来的MMF光纤(上侧曲线)对标准光纤(下侧曲线)的附加功率损耗的对比在图5中图示出。测量结果是每根光纤以IOmm为直径心轴绕两圈后的弯曲损耗。
[0038]显然，因为保留了高带宽和低弯曲损耗，本发明的改进多模光纤不需要限制在短跳线。该光纤能够应用于，例如，远传输链接；在lGb/s高至2km,在10Gb/s可以高至550m,而且在40Gb/s或者100Gb/s估计可达100m。
[0039]表1提供了与图1所示的折射率分布图相关的推荐参数。在为这些参数所提供的范围内，可以同时实现具有高带宽和超低弯曲损耗的多模光纤。
[0040]表1
[0041]
【权利要求】
1.一种多模光纤,包括:具有第一半径S1和轮廓参数alpha的纤芯区域；从B1径向延伸到第二半径a2的内包层；从第二半径a2径向延伸到第三半径a3的沟槽；和延伸至第四半径a4的外包层，其中纤芯区域的最大折射率为屯，内包层的折射率为d2，沟槽的折射率为d3，并且外包层的折射率为d4，其中:
a1 是 28.4 微米 +/-2% ；
a2 是 28.81+/-2% ；
a3 是 40.71+/—2% ；
a4 是 62.5+/-2% ；
Cl1 是 1.472+/-2% ；
d2 是 1.457+/-2% ；
d3 是 1.449+/-2% ；
d4 是 1.457+/-2% ；以及
alpha 是 2.08+/_2%。
2.如权利要求1所述的多模光纤，其中所述多模光纤在给定以IOmm为直径绕两圈的参考状态下，从未弯曲状态到弯曲状态展现出的作为弯曲模式性能被测量的差模延迟中的变化小于0.07皮秒每米。
3.—种多模光纤,包括:具有第一半径S1和轮廓参数alpha的纤芯区域；从S1径向延伸到第二半径a2的内包层；从第二半径a2径向延伸到第三半径a3的沟槽；和延伸至第四半径a4的外包层，其中纤芯区域的最大折射率为屯，内包层的折射率为d2，沟槽的折射率为d3，并且外包层的折射率为d4，其中:
ai 是 25 微米 +/-2% ；
a2 是 25.5+/-2% ；
a3 是 36.9+/-2% ；
a4 是 62.5+/-2% ；
Cl1 是 1.472+/-2% ；
d2 是 1.457+/-2% ；
d3 是 1.449+/-2% ；
d4 是 1.457+/-2% ;且
alpha 是 2.08+/_2%。
4.如权利要求3所述的多模光纤,其中所述多模光纤在给定以IOmm为直径绕两圈的参考状态下，从未弯曲状态到弯曲状态展现出的作为弯曲模式性能被测量的差模延迟中的变化小于0.07皮秒每米。
【文档编号】G02B6/028GK104020520SQ201310551704
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2009年9月16日 优先权日:2008年9月17日
【发明者】金真基, G·E·欧朗德森, D·S·维迪亚, 甄文辉, 蒋辛利 申请人:Ofs菲特尔有限责任公司