专利名称：多模光纤和光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传输领域，尤其涉及多模光纤(MMF)。多模光纤特别用于要求大带宽的短距离传输系统。
背景技术：
传统上，光纤包括光纤芯和光包层，其中，光纤芯的功能是传输光信号并可能地放大光信号，光包层的功能是将光信号限制在光纤芯内。为此，纤芯的折射率n。和外包层的折射率ng具有如下的关系，即n。> ng。对于短距离应用和本地网络，频繁使用多模光纤。与单模光纤的纤芯的直径约为6 ii m相比，多模光纤的纤芯的直径为50iim以上。因此,对于给定波长,几种光模式沿着光纤同时传播以传输相同的信息。带宽与在光纤的多模纤芯中传播的光模式的群速度(groupvelocity)直接相关。为了确保大带宽，所有模式的群速度必须都相同，即对于给定波长，模间色散必须为零或者至少被最小化。直径为50 ii m的多模光纤已经成为标准ITU-T G. 651下的国际标准的主题，其中，标准ITU-T G. 651针对光纤间兼容性的要求具体定义了关于带宽、数值孔径和纤芯直径的标准。对于光纤，通常将折射率分布限定为与用于标绘使折射率和光纤半径相关联的函数的图形的轨迹相关。传统上，沿着横轴示出相对于光纤中心的距离r，并且沿着纵轴示出光纤芯的折射率和光纤包层的折射率之间的差。因此，对于具有阶梯、梯形、三角形或渐变形的各个形状的图形，折射率分布被称为“阶梯”分布、“梯形”分布、“三角形”分布或“a (alpha)”分布。这些曲线通常代表光纤的理论分布或设定分布，其中，制造光纤时的限制可能导致不同的分布。在阶梯折射率的光纤中，不同的模式以不同的速度沿着光纤传播，这造成光脉冲的扩散，而光脉冲的扩散可能与脉冲间的间距相当并且导致不能接受的错误率。为了减小多模光纤的模间色散，已提出了制造具有“ a ”纤芯分布的折射率渐变的光纤。这种光纤已经使用了很多年，并且在D. Gloge等人发表的“Multimode theory of graded-corefibres”，Bell System Technical Journal, 1973pp 1563-1578、以及 G. Yabre 发表的出版物“Comprehensive theory of dispersion in graded-index optical fibers，，，Journalof Lightwave Technology, February 2000, vol. 18, No. 2, pp 166-177 中已具体描述了这种光纤的特性。可以将一般的渐变折射率分布定义为某一点处的折射率值n相对于从该点到光纤中心的距离r之间的关系。n(r) = 0 1-2A —
V ^aJ(I)其中，a ^ I ；(a —与阶梯折射率相对应的)n0是多模纤芯的最大折射率；
a是多模纤芯的半径；以及
{nl -n2,)A=1 0
2no(2)其中，I1是多模纤芯的最小折射率值，其通常与(最常见是由二氧化硅制成的)包层的折射率值相对应。因此，折射率渐变的多模光纤具有旋转对称的纤芯分布，以使得沿着任何径向方向，折射率的值从该光纤的中心向着其外围连续减小。
当多模光信号在所述渐变折射率纤芯中传播时，不同的模式经历不同的传播介质，而不同的传播介质对各模式的传播速度产生不同的影响。通过调整参数a的值，理论上可以获得对于所有模式几乎相等的群速度，因而减少了模间色散。为了用于高比特率应用，多模光纤必须展示可能的最大带宽。为了应用于长距离的快速比特率的以太网(Ethernet)网络、特别是应用于300米(m)以上(分别为550m)的10GbE(10Gb/s)以上的比特率，所确保的有效带宽必须为2000MHz-km以上(分别为4700MHz-km)。标准TIA-492AAAC-A规定了直径为50 y m的快速比特率多模光纤所要求的性能水平。对于多模光纤，带宽依赖于所使用的源。对于给定波长确定带宽。一方面，确定过满注入(overfilled launch)带宽0FL-BW需要使用例如LED (发光二极管)等的均匀光源。另一方面，有效模式带宽EMB更适合于利用VC SEL(Vertical Cavity Surface EmittingLaser,垂直腔面发射激光器)源来确定使用中的光纤带宽。采用已知的方式，可以通过测量由于模式色散所引起的延迟来估计有效模式带宽EMB，其中，已知有作为“色散模式延迟”图形表现的缩写DMD。DMD测量工序已成为标准(IEC60793-1-49和F 0TP-220)的主题。为了执行该测量，通常需要注意所使用的源或光纤波长以使得色度色散(chromatic dispersion)实际上可忽略,从而能够以光纤的模式色散为特征。当色度色散对于IOGbE应用中的所有标准源而言均可忽略时，有效模式带宽与源-光纤对的所有EMB的最小带宽相对应。通过向光纤中央注入给定波长\ ^的光脉冲并且测量给定光纤长度L之后的脉冲延迟来获得DMD图形表现，其中，给定波长的光脉冲的引入发生径向偏移以覆盖多模光纤的整个纤芯。当将参数a设置为最佳值a ^时，对于给定波长X ^，无论向前传播脉冲的半径I■如何，光脉冲延迟实际上都未发生偏移；模间色散低并且有效模式带宽大。可以参考描述DMD图形表现和所计算出的EMB的文献EP-A-2144096。折射率渐变的多模光纤通常专用于高速数据通信。这些多模光纤很好地利用基于VC SEL技术的低成本的高速源的优点。由于这些源呈发散，因此多模光纤实际上被设计成提供大的数值孔径(越大越好)。高速传输专用的纤芯通常为50 u m的多模光纤展示约为0. 200的数值孔径。如同超级计算机或消费电子装置那样的一些新兴应用要求通过更大的数值孔径可能带来的更大的灵活性。已发现大的数值孔径通常导致模式带宽劣化。因此，需要模式带宽高且数值孔径大的多模光纤。此外，根据应用，可以探索使用纤芯大小大于标准的50lim、例如为80lim的光纤。因此，无论纤芯大小如何，特别是当纤芯大小与标准的50i!m MMF相比增大了时，需要模式带宽高并具有大数值孔径的多模光纤。可以如下计算数值孔径NA。NA = n0 V2A(3)其中，A和nQ是基于方程式(2)所计算出的。纤芯通常为50 ii m的多模光纤具有A =0.01、 (a = 25) U m和a 2 ( a约为2)，从而提供约为0. 2的数值孔径。已提出了根据众所周知的幂律方程式(power law equation) (I)来对多模光纤的值a进行微调，从而使有效模式带宽最大。然而，该现有解决方案提供了受到限制的最小有效模式带宽。图IA IC分别针对三个不同的a值示出A值为2. 04%从而提供约为0. 3的大数值孔径的80 y m多模光纤的DMD图。渐变折射率纤芯符合方程式(I)。图IA IC分别针对a = 2. 04、a = 2. 06、a = 2. 08示出750m长的光纤的预期DMD图。根据这些图可以看出，对于数值孔径大的光纤，仅通过对值a进行微调无法补偿模式色散。的确，对于整个纤芯半径，无论a的值如何，延迟都不恒定。根据基于F0TP-220所作成的这些DMD图，可以使用加权函数来计算有效模式带宽。图2针对A值为2. 04%的渐变折射率纤芯符合方程式(I)的多模光纤不出一些DMD值、所计算出的最小有效模式带宽(EMBc)和过满注入带宽(OFL-BW)。可以看出，无论a的值如何，DMD值都大于0. 15ps/m。这导致有效模式带宽(EMB c)和过满注入带宽(OFL-Bff)的值受到限制。此外，对于提供最高的EMB c的给定a值，OFL-BW低，反之亦然。具有大数值孔径且渐变折射率纤芯符合方程式(I)的多模光纤在有效模式带宽(EMB c)和过满注入带宽(OFL-BW)这两个方面的带宽都受到限制。因此，这种多模光纤的应用受到限制。文献US 2010/0154478教导了纤芯符合修正的幂律方程式的渐变折射率分布。内侧部分符合标准的方程式(I)，而折射率分布偏离幂律方程式并具有较小的折射率。这种分布导致DMD劣化(图4和6)以及有效模式带宽受到限制。文献US 7，315，677教导了基于共掺杂的“双a分布”;各掺杂分布展示其自身的a。并未公开DMD性能。文献WO 00/50936教导了如下的渐变折射率分布，其中，纤芯符合修正的幂律方程式，从而在波长1300nm处提供了在纤芯的两个不同区域内具有两个不同斜率的DMD图。文献JP 2007-272239涉及补偿VAD工艺固有的在纤芯包层界面处的尾(tail)/裙(skirt)的有害影响。文献JP 2001-235648涉及补偿VAD工艺固有的在纤芯包层界面处的尾/裙的有
吾影响。R. E.Freund, " High-Speed Transmission in Multimode Optical fibers",JLT，Vol. 28，No. 4，Feb 2010在图4和方程式6中公开了双a分布。然而，设立该分布是为了模拟光纤的制造缺陷。无法确保该分布的一阶微分的连续性，并且这导致差的DMD性倉泛。此外，上述文献均未教导大数值孔径。
发明内容
为此，本发明提出一种具有高数值孔径并且纤芯符合指数a依赖于光纤半径的修正的幂律方程式的多模光纤。指数a沿着纤芯半径具有至少两个不同的值，其中第一值Q1，用于控制纤芯的内区段或中央区段的渐变折射率；以及第二值Ci2，用于控制纤芯的外区段或外周区段的渐变折射率。选择本发明的多模光纤的渐变折射率纤芯的a指数的值，以使得多模光纤展示在整个纤芯内延迟基本恒定的DMD分布。因而，所计算出的有效模式带宽HMBc高。因此，本发明涉及一种多模光纤 ，其包括-中央纤芯，其具有delta(A)值为I.9%以上的渐变折射率分布(n(r))，其中，A = ~ )
2 on0是所述纤芯的最大折射率值，并且nd是所述纤芯的最小折射率值；-外包层；其中，所述纤芯的渐变折射率分布(n(r))沿着纤芯半径具有至少两个不同的指数值，即至少具有针对所述纤芯的内区段的第一指数值(O1)和针对所述纤芯的外区段的第二指数值(a 2)，并且所述第二指数值(a 2)小于所述第一指数值(a J，以及，所述纤芯的渐变折射率分布(n (r))及其一阶微分(dn (r) /dr)在整个折射率渐变的所述纤芯内连续。根据另一实施例，在波长850nm处,本发明的多模光纤的有效模式带宽(EMB)大于1000MHz. km，优选大于2000MHz. km,并且更优选大于3000MHz. km。根据又一实施例，在波长850nm处，本发明的多模光纤的过满注入带宽(OFL-BW)大于1000MHz. km，优选大于1500MHz. km,并且更优选大于3000MHz. km。根据又一实施例，所述纤芯的渐变折射率分布符合如下的幂方程式(powerequation)
nx-. I - 2 A1 f—I 0<r <rV_\a)n{r) 二< n2.小-2_ A2 j^ rt <r < a
^Ar) a<r其中，a是折射率渐变的所述纤芯的外半径，rt是所述纤芯在内区段和外区段之间的过渡处的半径值，并且，
aAf ^T2""1A1=--，
aI +(a权利要求
1.一种多模光纤,包括 -中央纤芯，其具有λ值为I. 9%以上的渐变折射率分布即n (r)，其中，
2.根据权利要求I所述的多模光纤，其特征在于，在波长850nm处,所述多模光纤的有效模式带宽即EMB大于1000MHz. km，优选大于2000MHz. km,并且更优选大于3000MHz. km。
3.根据权利要求I或2所述的多模光纤,其特征在于，在波长850nm处,所述多模光纤的过满注入带宽即OFL-BW大于1000MHz. km，优选大于1500MHz. km，并且更优选大于3000MHz. km。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的多模光纤，其特征在于，所述纤芯的渐变折射率分布符合如下的幂方程式
5.根据权利要求4所述的多模光纤，其特征在于，所述渐变折射率分布的针对所述纤芯的内区段的第一指数值即Ci1S 2.05 2. 10。
6.根据权利要求4或5所述的多模光纤，其特征在于，所述渐变折射率分布的针对所述纤芯的外区段的第二指数值即α2比所述渐变折射率分布的针对所述纤芯的内区段的第一指数值即α I小至少O. 04，即α I > α 2+0. 04。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的多模光纤，其特征在于，折射率渐变的所述纤芯的内区段和外区段之间的过渡处的半径值相对于所述纤芯的外半径的比即rt/a*0.5 O.7。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的多模光纤，其特征在于，所述中央纤芯的直径即 2a 为 50 μ m。
9.根据权利要求8所述的多模光纤,其特征在于,在波长850nm处,所述多模光纤在外罩为O 23 μ m的情况下的色散模式延迟值即DMD值小于O. 40ps/m,优选小于O. 20ps/m， 并且更优选小于O. 14ps/m。
10.根据权利要求I至7中任一项所述的多模光纤，其特征在于，所述中央纤芯的直径即 2a 为 80 μ m。
11.根据权利要求10所述的多模光纤,其特征在于,在波长850nm处,所述多模光纤在外罩为O 37 μ m的情况下的DMD值小于O. 40ps/m,优选小于O. 20ps/m,并且更优选小于O.14ps/m。
12.根据权利要求I至7中任一项所述的多模光纤，其特征在于，所述中央纤芯的直径即 2a 为 62. 5 μ m。
13.根据权利要求12所述的多模光纤,其特征在于,在波长850nm处,所述多模光纤在外罩为O 29 μ m的情况下的DMD值小于O. 40ps/m,优选小于O. 20ps/m,并且更优选小于O.14ps/m。
14.根据权利要求I至13中任一项所述的多模光纤，其特征在于，还包括位于所述中央纤芯和所述外包层之间的折射率降低的内包层。
15.根据权利要求I至13中任一项所述的多模光纤，其特征在于，还包括与所述中央纤芯邻接的阶梯部以及与所述阶梯部邻接的折射率降低的内包层。
16.一种光学系统，其包括根据权利要求I至15中任一项所述的多模光纤的至少一部分。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统是局域网。
全文摘要
本发明涉及多模光纤和光学系统，公开了一种多模光纤，其包括外包层以及具有Δ值为1.9％以上的渐变折射率分布的中央纤芯。所述纤芯的渐变折射率分布沿着纤芯半径具有至少两个不同的指数值，即至少具有针对所述纤芯的内区段的第一指数值和针对所述纤芯的外区段的第二指数值，其中第二指数值小于第一指数值。所述纤芯的渐变折射率分布及其一阶微分在整个渐变折射率纤芯内连续。由此获得了一种带宽改进了的适用于以太网光学系统的多模光纤。
文档编号H04B10/2581GK102621625SQ201210021899
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者D·莫林, K·德容, M·比戈-阿斯楚克, P·斯拉德 申请人:德拉克通信科技公司