專利名稱：改進(jìn)了折射率分布圖的多模光纖和包括該光纖的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)了折射率分布圖的多模光纖和包含本發(fā)明的光纖的通信系統(tǒng)。
光纖是業(yè)內(nèi)人士熟知的，且在許多應(yīng)用中都用到，其中包括傳輸激光的裝置和放大器。光纖基本上由某一折射率的介質(zhì)材料制成的內(nèi)部纖芯和包圍纖芯的包層組成。包層由比纖芯折射率低的材料構(gòu)成。只要纖芯的折射率大于包層的折射率，沿該纖芯傳播的光束呈現(xiàn)全內(nèi)反射，從而沿纖芯的長度引導(dǎo)光束。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，纖芯與包層相互折射率之差小于幾個(gè)百分點(diǎn)。
光纖的設(shè)計(jì)隨應(yīng)用、要求的光束傳輸模式、或制作時(shí)用的材料而改變?？梢灾瞥蓚鞑文９馐蚨嗄９馐墓饫w；支持多于一個(gè)導(dǎo)模的光纖稱為多模光纖。多模光纖通常比單模光纖有較大的纖芯直徑，可使大量模式通過光纖傳播。多模應(yīng)用還提出其他的設(shè)計(jì)制約。例如，這些制約可以包括用于制作纖芯和包層的材料選擇，和光纖的折射率分布圖(例如，折射率分布圖反映折射率從光纖纖芯到包層外圓周的徑向變化)。已知有各種類型的折射率分布圖，如階躍折射率、漸變折射率、凹陷型包層、或W型變化。
用于高帶寬時(shí)，多模光纖中各種模式的群速度應(yīng)盡可能相同。通過令構(gòu)成纖芯材料的折射率逐漸變化，可以控制微分群速度，意思是，規(guī)定折射率作為光纖半徑函數(shù)的某種函數(shù)形式。在一普通的多模光纖中，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是要獲得一種α-分布圖，其定義是n(r)-ncladn(r)=Δ(1-(r/rcore)α)]]>這里r是光纖半徑，rcore是纖芯半徑，nclad是包層的折射率，α和Δ是自由參量。這些參量的優(yōu)選取決于構(gòu)成光纖的材料性質(zhì)以及預(yù)期的用途。
然而，在α-類型分布圖中存在固有的限制；實(shí)際上，制作時(shí)的變數(shù)，使實(shí)現(xiàn)理論上最佳的α-分布圖變得困難。例如，α-類型分布圖的一種固有限制，是高階模沒有得到適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償(高階模是屬于高階主模群的那些模；主模群是以幾乎相等相速度傳播的模的群，而高階模群是那些最鄰近截止的模群)。此外，制作偏差可以在分布圖中任何地方發(fā)生。對最常用的兩種制作技術(shù)，即OVD和MCVD，鄰近光纖中心的不規(guī)則結(jié)構(gòu)特別成問題，就是說，不規(guī)則結(jié)構(gòu)在鄰近中心發(fā)生的頻度和幅度比在光纖其他區(qū)域更大。MCVD工藝常見的側(cè)面效應(yīng)，在光纖中心造成折射率凹陷，或凹坑，導(dǎo)致欠補(bǔ)償?shù)牡碗A模(即小主模數(shù)的那些模)。換言之，當(dāng)存在中心凹陷時(shí)，電磁場被約束在光纖中心軸附近的模，比大多數(shù)模有完全不同的群速度。對某些應(yīng)用，如用在半導(dǎo)體激光器注入，欠補(bǔ)償?shù)牡碗A模會嚴(yán)重影響光纖的性能。
已經(jīng)作了許多努力研發(fā)光纖折射率分布圖，以均衡多模光纖中的高階模，和補(bǔ)償中心凹陷。見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(納入本文內(nèi))(此后稱之為“Okamoto”)。在Okamoto中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，開發(fā)一種優(yōu)化分布圖，按照報(bào)道，它是一光滑的W型分布圖(如

圖1，引自該文)。此分布圖基本上包含在包層以下(如纖芯/包層邊界區(qū)域之外)的α型的推廣，有一負(fù)的包層跳變，然后是分布圖形狀的進(jìn)一步數(shù)值改進(jìn)。亦見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(納入本文內(nèi))，文章討論了使用數(shù)值分析得出的類似的分布圖。雖然這些分布圖有利于導(dǎo)致高帶寬，但卻難以制作，且相信會導(dǎo)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(納入本文內(nèi))，文章指出，一種拋物線形折射率分布圖與包層跳變組合，比沒有包層跳變的拋物線形分布圖，導(dǎo)致更高的帶寬。在拋物線形折射率分布圖中，纖芯的折射率分布圖呈拋物線分布，且被有恒定折射率的包層包圍。
正如可以理解的，研發(fā)光通信系統(tǒng)的有關(guān)人士，不斷探索新的組份和設(shè)計(jì)，包括新光纖的設(shè)計(jì)。隨著光通信系統(tǒng)越來越進(jìn)步，對多模光纖和增強(qiáng)光纖的性能，越來越有興趣。本發(fā)明提供一種多模光纖，它的折射率分布圖相對容易制作，又改進(jìn)了高階模在該光纖中傳播的性能，同時(shí)對存在的中心凹陷加以補(bǔ)償，從而也改進(jìn)低階模的性能。另外的優(yōu)點(diǎn)在考慮下面給出的說明后，可以明顯看出。
申請人發(fā)現(xiàn)，具有增強(qiáng)性能的多模光纖可以通過修改普通的α-分布圖而得到，修改方法為(i)修改鄰近纖芯-包層邊界的分布圖，以改善與α-分布圖相關(guān)的高階模的性能，和(ii)鄰近光纖中心，添加一折射率脊，以補(bǔ)償存在的中心凹陷，從而改進(jìn)低階模的性能。通過在纖芯～包層邊界，用一波紋修改折射率分布圖，還可以在性能上得到增進(jìn)。
為更好地了解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖，舉出一個(gè)示例性實(shí)施例，附圖有圖1A畫出一種普通的優(yōu)化α-分布圖(虛線)和一種修改的分布圖(實(shí)線)，其中，修改的分布圖是由下面步驟形成的(i)對纖芯與包層之間邊界的折射率，添加一跳變，和(ii)對帶有跳變的折射率分布圖添加一線性修正；圖1B畫出優(yōu)化的α-分布圖與圖1A的修改分布圖之間的分布圖之差；圖2展示圖1A中兩種分布圖的預(yù)計(jì)的模延時(shí)；圖3A畫出一種普通的優(yōu)化α-分布圖(虛線)，和按圖1A形成并在分布圖中引進(jìn)一小波紋的一種修改的分布圖；圖3B畫出優(yōu)化的分布圖與圖3A的修改分布圖之間的分布圖之差，展示引進(jìn)分布圖的波紋；
圖4展示圖3A-3B中兩種分布圖的預(yù)計(jì)的模延時(shí)，表明用波紋修改分布圖得到額外的性能增進(jìn)；圖5A畫出一種普通的優(yōu)化α-分布圖(虛線)，以及包層附近用線性修正并把小波紋引進(jìn)分布圖所形成的修改分布圖，但沒有包層跳變；圖5B畫出優(yōu)化的分布圖與圖5A的修改分布圖之間的分布圖之差，展示引進(jìn)分布圖的波紋；圖6展示圖5A-5B中兩種分布圖的預(yù)計(jì)的模延時(shí)，表明用波紋得到的性能增進(jìn)；圖7A畫出帶中心凹陷的普通α-分布圖，而圖7B畫出添加折射率脊修改后的α-分布圖；圖8A和圖8B分別畫出圖7A和7B兩種分布圖的模延時(shí)，顯示了中心凹陷的存在引起的低階模的不良性能，如何能被鄰近中心添加的折射率脊大大修正；和圖9示意畫出由本發(fā)明的光纖組成的光通信系統(tǒng)。
應(yīng)該指出，這些圖實(shí)質(zhì)上只為演示本發(fā)明的概念，而非對本發(fā)明的限制。
本發(fā)明提供一種多模光纖，它的折射率分布圖相對容易制作，改進(jìn)了高階模在該光纖中傳播的性能，同時(shí)對存在的中心凹陷加以補(bǔ)償，從而也改進(jìn)低階模的性能。要獲得改進(jìn)的光纖，至少用下面三種方法之一對普通α-分布圖加以修改(i)在折射率分布圖中纖芯和包層區(qū)域的邊界上，形成與一線性修正組合的一個(gè)階躍；(ii)鄰近纖芯-包層邊界，添加與一線性修正組合的波紋，可以有也可以沒有折射率階躍；或(iii)在有中心凹陷缺陷的α-分布圖的折射率分布圖中，形成一個(gè)環(huán)狀脊。應(yīng)當(dāng)指出，這些修改可以單獨(dú)施行，也可以組合一起施行。例如，環(huán)狀脊(iii)可以與折射率分布圖中的階躍(i)結(jié)合施行，和/或與波紋(ii)結(jié)合施行。階躍(i)可以不帶波紋，而波紋(ii)可以不帶階躍。
更細(xì)致地參看各圖，圖1A畫出一普通的優(yōu)化α-分布圖(虛線)和一修改的分布圖(實(shí)線)。注意，修改的分布圖是用上述三個(gè)選項(xiàng)的第一個(gè)形成的，即，在纖芯和包層之間邊界的折射率上，添加一個(gè)階躍，并對此有階躍的折射率分布圖進(jìn)行線性修正。圖1B畫出優(yōu)化的α-分布圖與圖1A修改的分布圖之間的分布圖之差。約21微米以下半徑的折射率漸變，是人為的特殊規(guī)定的α-分布圖，用來產(chǎn)生修改的分布圖。業(yè)內(nèi)人士熟知，這類折射率漸變，相當(dāng)于不明顯改變α的Δ的小變化，對光纖的傳播性質(zhì)沒有多大影響。圖3A畫出普通優(yōu)化α-分布圖(虛線)和用上述第一和第二兩個(gè)選項(xiàng)形成的修改的分布圖(實(shí)線)。換言之，圖3A中，實(shí)線表示一光纖，在其中的纖芯和包層邊界的折射率上添加了一個(gè)階躍，添加了線性修正，還在分布圖中引進(jìn)了一小波紋。圖3B畫出優(yōu)化的分布圖與圖3A的修改分布圖之間的分布圖之差，特別顯示出引進(jìn)分布圖的波紋。
為了改進(jìn)高階模性能而修改分布圖的各種途徑，是眾所周知的。例如，如Okamoto公開的，其中之一是用計(jì)算機(jī)代碼，尋找使預(yù)計(jì)帶寬的測量優(yōu)化的分布圖。但是，Okamoto公開的W-型分布圖難以制作，且會引起大量不想有的漏模。本發(fā)明與之相比，對α-分布圖進(jìn)行微擾，以獲得W-分布圖的許多好處，同時(shí)還易于制作并避免附加的漏模。
按照本發(fā)明，分布圖形狀的等級可以在數(shù)學(xué)上描述。在數(shù)學(xué)上，分布圖的等級可以寫成
這里Δ(1-(r/rcore)α)是普通的α-分布圖，J＞0是纖芯-包層邊界折射率的階躍，fripple(r)在后面說明，flinear(r，r0)定義如下
方程式(1)可以用來獲得多種分布圖，它們的高階模性能是近似優(yōu)化的；換言之，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在一定量的自由度。對某種給定應(yīng)用，要達(dá)到較佳設(shè)計(jì)的一種方法，包括如下步驟選定要修改的α-分布圖的參量rcore和α，以及光纖將要工作的波長λ；選定折射率階躍J的數(shù)值，它最好在0至0.5％的范圍；然后應(yīng)用計(jì)算機(jī)代碼以獲得方程式(2)中參量r0和m的數(shù)值?？梢詰?yīng)用的計(jì)算機(jī)代碼，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(此后稱之為“Lenahan”)，這里納入本文，以供參考。因子fripple可以是0，也可以取某數(shù)值，以便將來優(yōu)化光纖性能時(shí)使用。
作為例子，對一摻鍺石英構(gòu)成纖芯，周圍由純石英構(gòu)成包層的光纖，應(yīng)用上述方法以獲得較佳設(shè)計(jì)。首先，選定參量rcore和Δ，這里rcore＝25μm，Δ＝1％，波長選定為λ＝1.3μm。其次，折射率階躍的數(shù)值選為J＝0.12％。在本例中，應(yīng)用如Lenahan所述的計(jì)算機(jī)代碼，獲得優(yōu)化的參量數(shù)值為r0＝0.85rcore和m＝0.0011。fripple的值設(shè)為0。這一過程的結(jié)果反映在圖1A和1B的修改的分布圖上。添加附加項(xiàng)fripple(r)，還可以獲得帶寬上的增進(jìn)，對其優(yōu)化數(shù)值，可以再一次用計(jì)算機(jī)代碼確定(m和r0的數(shù)值作為優(yōu)化的一部分重新確定)。添加項(xiàng)fripple(r)后，這一過程的結(jié)果畫在圖3A-3B上。數(shù)值J選為0時(shí)，這一過程的結(jié)果畫在圖5A-5B上。在圖5A-5B中，鄰近纖芯-包層邊界，除了作線性修正外，還添加波紋，但沒有折射率階躍。圖5A畫出一種普通的優(yōu)化α-分布圖(虛線)，和鄰近包層用線性修正并把小波紋引進(jìn)分布圖所形成的修改分布圖(實(shí)線)，但沒有包層跳變；圖5B畫出優(yōu)化的分布圖與圖5A的修改分布圖之間的分布圖之差，展示引進(jìn)分布圖的修正。
本發(fā)明修改折射率分布圖的好處，示于圖2、4、和6。這些曲線分別表示圖1A-1B、3A-3B、和5A-5B各種光纖的預(yù)計(jì)模延時(shí)。圖上報(bào)告了作為光纖主模數(shù)函數(shù)的每公里的模延時(shí)(即各種模的群速度的倒數(shù))，一種光纖具有修改的分布圖(以+表示)，一種光纖則具有普通的α-分布圖(以o表示)。理想地說，人們希望找到一種光纖，它所有的模都有相等的延時(shí)。從圖2、4、和6的每一個(gè)都可以看到，具有修改的分布圖的光纖(+)，其延時(shí)比具有普通α-分布圖的光纖(o)更均一。
有許多理由表明，修改分布圖以達(dá)到在模延時(shí)中減小分散，是有好處的。例如，一種好處是，過充滿的(overfilled)帶寬(已包含在曲線上)可能更高。還有，若某系統(tǒng)中含有用一個(gè)或多個(gè)光纖間連接器來注入的激光器，如果使用本發(fā)明的光纖，則注入條件和連接器的容許偏差，可以比用普通分布圖的光纖的系統(tǒng)更寬容。例如，在某些應(yīng)用中，使用普通光纖可能宣布沒有把光耦合進(jìn)高階模，而用本發(fā)明的光纖，則可能存在這種耦合。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例畫在圖7B，圖上畫出一種修改的分布圖，它緊靠普通α-分布圖的中心凹陷有一折射率脊。這一分布圖大大改進(jìn)了低階模的性能。注意，緊靠普通α-分布圖(畫在圖7A，以資比較)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纖芯直徑的小的百分比內(nèi)(如約百分之五)，那么光纖各個(gè)模的群速度，只由該中心鄰域的折射率的積分決定，而與鄰近中心的形狀的細(xì)節(jié)無關(guān)。因此，鄰近中心的形狀變得不重要，而中心凹陷的存在對光纖性能的沖擊也變小了。該脊必須局限于其內(nèi)的半徑，依賴于光纖傳送的波長λ和光纖的設(shè)計(jì)(如構(gòu)成纖芯和包層的材料，纖芯和包層的直徑，以及其他參數(shù))。例如，圖7B的分布圖反映的光纖，其纖芯由摻鍺石英構(gòu)成，周圍的包層由純石英構(gòu)成，傳送的波長約850nm。注意，該脊最好離開中心一定距離，約為纖芯半徑百分之四以內(nèi)。
用圖7B的修改的折射率分布圖獲得的好處，還可能依賴于脊的分布圖的高度和寬度。最好是，脊的高度和寬度的選取，要使中心鄰域折射率的總積分等于純α-分布圖的總積分，在此意義上抵消中心凹陷。一般說，當(dāng)該脊必須局限于其內(nèi)的半徑減小時(shí)，獲得的好處更大；就是說，較可取的做法是，把脊限制在盡可能鄰近中心。但是，用更寬的脊也有好處，例如，典型的多模光纖設(shè)計(jì)，脊限制在纖芯半徑的10-20％左右。制作過程中，控制中心鄰域的總積分，比控制光纖中心的精確形狀更容易。因此，用本文修改的分布圖，可以制作一種增強(qiáng)性能的光纖，它要求較低的精度或較小的制作過程控制。圖8畫出圖7A-7B兩種分布圖的模延時(shí)?？梢钥闯?，有脊的光纖比只有中心凹陷的光纖，大大減小了低階模的延時(shí)的分散。所以，在只激發(fā)低階模的注入條件下，有脊的光纖的帶寬，大大高于沒有脊的光纖的帶寬。為了說明，在假定激發(fā)最初四個(gè)主模群的注入條件下，指出了預(yù)計(jì)的帶寬。
業(yè)內(nèi)熟練人士容易看出，存在中心峰時(shí)，可以用一溝槽補(bǔ)償，這與上述用一脊補(bǔ)償中心凹陷的方式相同。
參考圖9，顯然，本發(fā)明的光纖可以組成光通信系統(tǒng)的一部分，光通信系統(tǒng)包括諸如發(fā)射機(jī)100、接收機(jī)104、和連接發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的光路102等部件，還可能沿光路放置一個(gè)或多個(gè)放大器106。本發(fā)明的光纖可以用于整個(gè)光路或光路選出的區(qū)域，如110部分，也可以與普通光纖或裝置耦合。
應(yīng)當(dāng)指出，這里描述的實(shí)施例僅僅是示例性的，業(yè)內(nèi)精明人士在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下，可以作各種變化和修改。所有這類變化和修改將包括在后附的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種包含多模光纖的產(chǎn)品，該光纖包括用有預(yù)定折射率的材料制作的纖芯；圍繞纖芯的、其折射率不同于纖芯折射率的包層，包層與纖芯接合的界面，定義為邊界區(qū)域，其中的纖芯具有修改的折射率分布圖，此修改的折射率分布圖包括一個(gè)α-分布圖，該α-分布圖由至少是下面之一修改(a)在鄰近邊界區(qū)域的折射率中，與線性修正組合的一個(gè)階躍；(b)在鄰近邊界區(qū)域的折射率中，與線性修正組合的一種波紋；和(c)在鄰近光纖中心區(qū)域的一個(gè)折射率脊。
2.按照權(quán)利要求1的產(chǎn)品，其中修改的折射率分布圖包括在鄰近邊界區(qū)域的折射率中，與線性修正組合的一個(gè)階躍，和鄰近邊界區(qū)域的一種波紋。
3.按照權(quán)利要求1的產(chǎn)品，其中修改的折射率分布圖包括鄰近邊界區(qū)域與線性修正組合的一種波紋，沒有折射率階躍。
4.按照權(quán)利要求1的產(chǎn)品，其中修改的折射率分布圖由下述方程式定義
這里Δ(1-(r/rcore)α)是普通的α-分布圖，J＞0是鄰近邊界區(qū)域的折射率中的階躍，fripple(r)是定義波紋的參量，而flinear(r，r0)定義如下
5.一種包含多模光纖的產(chǎn)品，該光纖包括用有預(yù)定折射率的材料制作的纖芯；圍繞纖芯的、其折射率不同于纖芯折射率的包層，包層與纖芯接合的界面，定義為邊界區(qū)域，其中的纖芯具有修改的折射率分布圖，此修改的折射率分布圖具有α-分布圖的形狀，被鄰近邊界區(qū)域的折射率的一個(gè)階躍所修改，和被在該區(qū)域的線性修正所修改，其中r＞r0，這里r0≥0.7rcore，r是光纖半徑，rcore是光纖纖芯半徑。
6.按照權(quán)利要求5的產(chǎn)品，其中修改的折射率分布圖還包括鄰近纖芯區(qū)域的一種波紋。
7.一種包含多模光纖的產(chǎn)品，該光纖包括有確定的纖芯半徑并用有預(yù)定折射率的材料制作的纖芯；圍繞纖芯的、其折射率不同于纖芯折射率的包層，其中在纖芯折射率中、在纖芯半徑的百分之二十的范圍內(nèi)，布置一脊或一溝槽，分別補(bǔ)償存在的中心凹陷或中心峰。
8.按照權(quán)利要求7的產(chǎn)品，其中的脊或溝槽，布置在纖芯半徑的百分之五的范圍內(nèi)。
9.一種包括發(fā)射機(jī)和檢測器的系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)與檢測器用按照權(quán)利要求1的一根或多根多模光纖連接。
10.一種包括發(fā)射機(jī)和檢測器的系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)與檢測器用按照權(quán)利要求5的一根或多根多模光纖連接。
全文摘要
一種具有改進(jìn)折射率分布圖的多模光纖。至少用下面的一種方法對普通的折射率分布圖進(jìn)行修改(i)在纖芯和包層區(qū)域邊界的折射率分布圖中,形成與線性修正組合的一個(gè)階躍;(ii)鄰近纖芯—包層邊界的與線性修正組合的一種波紋,附有或不附有折射率階躍;和(iii)在帶有中心凹陷缺陷的α－分布圖的折射率分布圖中,形成一環(huán)狀脊。本發(fā)明還涉及用本發(fā)明光纖組成的通信系統(tǒng)。
文檔編號G02B6/02GK1276536SQ0011797
公開日2000年12月13日 申請日期2000年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月7日
發(fā)明者史蒂文·尤金·戈龍威克, 威廉·艾爾弗雷德·里德, 阿伯特·約翰·里特格 申請人:朗迅科技公司