專利名稱：彎曲優(yōu)化多模光纖的dmd性能的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)中所描述和要求權(quán)利的發(fā)明涉及針對(duì)不尋常的彎曲損耗和模式色散特性而設(shè)計(jì)的多模光纖。
背景技術(shù)：
光纖在彎曲時(shí)會(huì)泄漏光能的趨勢自從該技術(shù)的初期就已經(jīng)被熟知。眾所周知，光沿著直線路徑傳播，但是在某種程度上可以通過提供由低折射率材料包圍的高折射率材料的路徑，甚至是彎曲路徑而被引導(dǎo)。然而，在實(shí)際中該原理是受限制的，并且光纖經(jīng)常具有曲率超過光導(dǎo)包含全部光的能力的彎曲?？刂茝澢鷷r(shí)的傳輸特性是幾乎每個(gè)實(shí)際光纖設(shè)計(jì)中的問題。最初的方法，也是普遍的方法，是防止或最小化光纖中的物理彎曲。雖然這種方法可以在長距離時(shí)通過設(shè)計(jì)強(qiáng)健的線纜或短距離時(shí)通過在微管中安裝光纖來很大程度上實(shí)現(xiàn)，但是在所有情況下光纖在每一端都必須被端接。因此即使在最好的條件下，在光纖端部也會(huì)遇到一定彎曲?？刂茝澢鷵p耗還可以通過光纖本身的物理設(shè)計(jì)來解決。因此，在光纖折射率分布的邊緣往往會(huì)有用以控制彎曲損耗的環(huán)形特征或溝槽特征或其組合。例如參見美國專利4，691，990和4，852，968，以及2009年8月17日提交的序號(hào)為12/583212的美國專利申請(qǐng)，所有這些都通過弓I用結(jié)合于此。在傳統(tǒng)的漸變折射率多模光纖中，當(dāng)光纖彎曲時(shí)，高階模式比低階模式損耗更大。在彎曲優(yōu)化多模光纖設(shè)計(jì)(BOMMF)中，溝槽位于漸變折射率芯部的外邊緣以最小化高階模式的彎曲損耗。如本領(lǐng)域眾所周知的，溝槽是指位于包層區(qū)域中的具有低凹的折射率的環(huán)形區(qū)域，且其是包層區(qū)域的一部分。與BOMMF設(shè)計(jì)相關(guān)的問題是，雖然溝槽減少了高階模式的彎曲損耗，但是其也明顯改變了高階模式的傳播性質(zhì)。取決于BOMMF設(shè)計(jì)中的芯部和溝槽之間的間隔,較高階模式比其它模式傳播得要么更快要么更慢。因此，由于溝槽對(duì)傳播模式的速度的不相等影響，較高階模式的模式色散可能是嚴(yán)重畸變的。該模式色散經(jīng)常用差分模式時(shí)延(DMD)測量值來表征。具有溝槽的BOMMF設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是在控制高階模式的DMD的同時(shí)維持良好的彎曲損耗性能。理想地，光纖同時(shí)具有良好的彎曲損耗性能和良好的DMD性能。此外，制作這樣的光纖的過程應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)健的并且易于控制。在典型的用溝槽幫助控制彎曲損耗的光纖設(shè)計(jì)中，溝槽通過肩部(shoulder)而與芯部的ct折射率分布的邊緣間隔開。典型地，肩部是具有I. 456折射率的二氧化娃,但是可以是摻雜型二氧化硅并且折射率比二氧化硅更高(正Λη)或更低(負(fù)Λη)。肩部的寬度可以是用于跟其它設(shè)計(jì)參數(shù)組合以改變光纖特性的設(shè)計(jì)變量。用于控制DMD和彎曲損耗性能的附加手段是截短(truncate)芯部的邊緣。

發(fā)明內(nèi)容
我們發(fā)現(xiàn)，在BOMMF中，用肩部將溝槽與輕微截短的芯部隔開會(huì)得到良好的DMD控制，并且，當(dāng)凸臺(tái)(ledge)被加到肩部時(shí)會(huì)得到更好的DMD控制。


圖I是示出標(biāo)準(zhǔn)多模光纖的折射率分布的圖； 圖2是示出典型的彎曲不敏感多模光纖的折射率分布的圖；圖3是圖I的光纖的差分模式時(shí)延(DMD)軌跡，示出了從O 25微米半徑位置的模式時(shí)延；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，具有截短的芯部的光纖的折射率分布；圖5是圖3的光纖的差分模式時(shí)延(DMD)軌跡，示出了從O 25微米半徑位置的模式時(shí)延；圖6示出了具有通過增加凸臺(tái)而修改的截短的芯部的光纖的折射率分布；以及圖7是圖6的光纖從O 25微米半徑位置的DMD軌跡。
具體實(shí)施例方式彎曲損耗發(fā)生在單模和多模光纖兩者中。多模光纖典型地用于短距離通信，例如在數(shù)據(jù)中心內(nèi)、企業(yè)LAN、SAN等。多模光纖的優(yōu)點(diǎn)一部分在于能夠?qū)⑦@種光纖與簡單且經(jīng)濟(jì)合算的光源耦合。在過去，這些光源主要是波長為大約850nm或1300nm的LED。在最近十年，低成本的具有垂直共振腔的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)激光二極管已經(jīng)變得在商業(yè)上普遍使用。這些激光器使得激光二極管和光纖之間能夠有效耦合，并且還能夠達(dá)到非常高的調(diào)制速率，例如，高達(dá)10. 3125Gbps。在彎曲條件下光纖的性能問題已經(jīng)普遍被認(rèn)為涉及由于光纖在彎曲位置處的光泄漏導(dǎo)致的普通的光功率損耗。在彎曲光纖時(shí)模式結(jié)構(gòu)變化的影響通常被忽略。在單模光纖中，主要考慮的是普通的功率損耗，因?yàn)樗行孤┒忌婕肮饫w基模中的光。然而，在多模光纖中，模式結(jié)構(gòu)影響彎曲損耗，較高階的模式比較低階的模式的損耗要大。在多模光纖中較高階模式和較低階模式的組合決定了帶寬，并因而決定了光纖的信號(hào)承載能力。對(duì)于高帶寬，多模光纖中不同模式的群速度應(yīng)當(dāng)盡可能相等。差分群速度可以通過使包括芯部的材料的折射率漸變來控制，其意味著規(guī)定折射率的函數(shù)形式是光纖半徑的函數(shù)。在傳統(tǒng)多模光纖中，設(shè)計(jì)目的已經(jīng)是要實(shí)現(xiàn)一種形狀，其定義為n (r) = [Ii12- (ni2-nclad2 (r/R2) α ]1/2(I)其中r是光纖的半徑，Ii1是芯部中心處的折射率，R2是芯部的半徑，nelad是包層的折射率，α是自由參數(shù)。這就是所謂的理想α形(α芯部)分布，其中α的典型數(shù)值為I.7到2. 2。在傳統(tǒng)的光纖分布中，α芯部向外徑向延伸到冪律曲線(power law curve)與nclad相交的點(diǎn)，在典型的MMF設(shè)計(jì)中，這個(gè)點(diǎn)具有為O的Λη(純二氧化硅折射率)，但這不是必須的。α芯部分布設(shè)計(jì)的固有限制是，由于芯部-包層邊界處的折射率突變，高階模式不能被適當(dāng)補(bǔ)償，并且在芯部邊緣處耦合到包層模。因此，高階模式的模式時(shí)延偏離了低階模式和中間模式。在傳統(tǒng)的MMF中，調(diào)整該分布可以減輕模式之間大部分或所有的模式時(shí)
延差異。然而，在彎曲不敏感MMF中，較高階模式和溝槽之間的相互作用使得均衡所有模式時(shí)延的挑戰(zhàn)要大得多。因此，對(duì)于用于高速數(shù)字傳輸中的彎曲不敏感MMF (BIMMF)，需要改進(jìn)的均衡高階模式的模式時(shí)延的方法。在當(dāng)前的技術(shù)狀況下，光數(shù)據(jù)系統(tǒng)的高速傳輸一般 認(rèn)為是10Gb/s或更高。彎曲損耗特性的改進(jìn)可以通過在折射率分布中增加溝槽來實(shí)現(xiàn)。溝槽是下?lián)诫s區(qū)域，典型地是摻雜氟的二氧化硅區(qū)域，比純二氧化硅的折射率低(負(fù)Λη)。圖2示出了 MMF的折射率分布，其具有延伸到Rl的α芯部11，且添加溝槽13到外包層14以減小彎曲損耗。在溝槽和α芯部之間是肩部12。作為參考，圖I示出了不帶有肩部的標(biāo)準(zhǔn)傳統(tǒng)MMF的典型折射率分布。較高階模式與肩部以及溝槽之間的相互作用使得更難以調(diào)整光纖分布和均衡所有模式時(shí)延。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，適當(dāng)定位溝槽以實(shí)現(xiàn)降低差分模式時(shí)延和改進(jìn)彎曲損耗特性的組合是重要的。明了的是，圖2的設(shè)計(jì)中的肩部12的寬度不僅影響彎曲損耗，還影響光纖的模式傳播特性。然而，由于其它考慮因素，例如可供選擇的生產(chǎn)窄肩部的制造技術(shù)的困難、精確控制肩部寬度以實(shí)現(xiàn)獲得完美DMD的加工能力、具有窄肩部設(shè)計(jì)的光纖與由不同的制造技術(shù)制作的光纖的兼容性、以及與可能接合到具有窄肩部設(shè)計(jì)的光纖的其它光纖的兼容性，期望使肩部寬度延伸超過已經(jīng)普遍使用的寬度。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果肩部大大地延伸，例如，超過4微米，那么較高階模式比較低階模式傳播得更快，因此損害了光纖的帶寬性能。圖3說明了該影響，圖3是肩部寬度為8. 5微米的光纖的DMD圖，該寬度比以前的典型設(shè)計(jì)中使用的寬度大得多。該圖具有掃描半徑從0-25 μ m的時(shí)間模式位置，并且示出了較高階模式如何比其它模傳播得快，如圖2中在半徑19-25 μ m處所示，導(dǎo)致了模式色散并且減小了帶寬。根據(jù)本發(fā)明，剛剛描述的DMD損害的解決辦法包括向圖2示出的α芯部增加截短的邊緣。圖4示出了該改良設(shè)計(jì)的折射率分布，其中特征32、33和34，也就是肩部、溝槽和外包層，與圖2中示出的那些相似。通過截掉半徑位置比Rl大的芯部區(qū)域來修改芯部，從而在芯部邊緣和內(nèi)包層之間產(chǎn)生折射率臺(tái)階35。用于定義截短的芯部的參數(shù)在圖4中給出。Rl是物理的芯部半徑，即芯部被截短之處。折射率增量△ η是相對(duì)于純二氧化硅折射率的折射率偏離。應(yīng)當(dāng)理解的是該基準(zhǔn)點(diǎn)是常規(guī)的并且方便的，但是也可以用另一基準(zhǔn)折射率值。折射率增量An1是芯部半徑為O處的折射率增量，典型地是芯部的最大折射率增量。在該例子中示出的包層的折射率增量ΛI(xiàn)idad通常是0，即包層是純二氧化硅。然而，其也可以是任何合適的正值或者負(fù)值。折射率增量Λ\是芯部區(qū)域結(jié)束并且包層區(qū)域開始處的折射率增量，因而Ans = ns-nc;lad，并且在該例子中Ans以折射率的形式定義了臺(tái)階高度。
為了描述本發(fā)明，芯部被認(rèn)為包括α芯部區(qū)域31和臺(tái)階35或基本上由α芯部區(qū)域31和臺(tái)階35構(gòu)成。這遵循將光纖芯部定義為光纖的正摻雜(例如摻雜鍺)的中心部分的常規(guī)慣例。α芯部區(qū)域從光纖的中心延伸到Rl處的芯部外邊緣，其中光纖中心的折射率為Ii1，芯部外邊緣的折射率為ns并且增量折射率從AnJ介躍到O。臺(tái)階可以定義為具有高度Ans，并且名義上寬度為O。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，Ans的絕對(duì)值可以被期望為在大約O. 001到大約O. 006的范圍內(nèi)。由于折射率的絕對(duì)值從一種折射率分布到另一種折射率分布可能變化相當(dāng)大，所以用比值來定義該臺(tái)階可能是方便的。(ns-nclad) / (nrnclad)的優(yōu)選的比值在大約O. 02到大約O. 3的范圍內(nèi)。類似于圖4的分布的光纖折射率分布在2010年2月16日提交的序號(hào)為12/658,804的美國專利申請(qǐng)中和2012年2月22日提交的序號(hào)為61/306，607的美國臨時(shí)申請(qǐng)中被描述，每個(gè)申請(qǐng)的全部內(nèi)容再次通過引用結(jié)合于此。
對(duì)于圖4的設(shè)計(jì)，折射率分布可以大體上表達(dá)為
[U12 - (D12 - nclad2) (YfRl)T其中 r < Rl
n(r)= {
Iiclad其中 r>Rl在該表達(dá)式中，Ii1是r = O處的折射率，nclad是包層的折射率，α是冪律分布參數(shù)。R2是n(R2) =nelad處的半徑位置。其是在芯部被截短之前的理論光纖芯部尺寸。以上方程中的Rl可以通過下式?jīng)Q定Rl = R2 * [ (ni2-ns2) / (ni2-nclad2)1/α其中ns是在芯部和包層之間的臺(tái)階(圖4中的35)處的最大折射率。在這些設(shè)計(jì)中，優(yōu)選但不必須的是，折射率的差值Ii1-Iielad小于O. 02。Ii1-Iielad的優(yōu)選范圍是大約O. 014到大約O. 02。在這些設(shè)計(jì)中，優(yōu)選但不必須的是，Rl的值在大約22微米到大約34微米的范圍內(nèi)。圖5示出了芯部邊緣臺(tái)階對(duì)光纖DMD的影響。圖5中的DMD比圖3中的DMD有了相當(dāng)大的改善。然而，較高階模式仍然呈現(xiàn)出模式色散，如在徑向位置21 μ m和25 μ m之間的畸變的多個(gè)脈沖所表明的那樣。圖4示出的小的DMD畸變可以通過調(diào)整漸變折射率區(qū)域的折射率分布而得到均衡。我們發(fā)現(xiàn)，在具有截短的芯部設(shè)計(jì)的光纖中，當(dāng)如圖4中所示高階模式傳播得比較低階模式慢時(shí)，可以通過在芯部邊緣臺(tái)階處增加凸臺(tái)來進(jìn)一步改進(jìn)DMD。其被示于圖6中。折射率分布的α部分仍然用31表示，并且半徑Rl與圖4中的相同。然而，形成截短的芯部邊緣的臺(tái)階(圖4中的35)向遠(yuǎn)離芯部中心的方向移動(dòng)了 R3-R1的距離以形成凸臺(tái)51。此外，凸臺(tái)區(qū)域的折射率總是小于或等于漸變芯部區(qū)域的端部的折射率。應(yīng)當(dāng)注意的是，在圖6中凸臺(tái)的折射率和漸變芯部區(qū)域的端部的折射率相等。距離R3-R1優(yōu)選在大約O. I到大約O. 3微米的范圍內(nèi)。內(nèi)包層寬度32優(yōu)選大于O. 5微米并且優(yōu)選在O. 5到12微米的范圍內(nèi)。圖7中示出了凸臺(tái)對(duì)圖6中的光纖的DMD的影響，其中在漸變芯部的端部的折射率增量(Hs-Iicdad)是O. 0017。在該例子中，凸臺(tái)寬度被選擇為O. 3微米，并且凸臺(tái)折射率與漸變芯部區(qū)域的端部的折射率相等。圖7中的DMD比圖5中的DMD有了相當(dāng)大的改善，并且在徑向位置0-25 μ m處(在半徑位置-I μ m處的曲線為基準(zhǔn)脈沖)，所有模式具有均衡的DMD。溝槽 的參數(shù)是常規(guī)的。典型地,溝槽將具有至少2微米的寬度和至少O. 002的深度(負(fù)折射率增量)。典型地，外包層折射率增量如示出的那樣為O (純二氧化硅)，但是也可以具有其它值并且可以具有其它特征，例如環(huán)形特征。以上描述的光纖設(shè)計(jì)有利地用于將垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)作為光源的系統(tǒng)中。與VCSEL光源相耦合的本發(fā)明的光纖展示出優(yōu)異的系統(tǒng)性能?？傊景l(fā)明的光纖可以被定義為具有如圖6中所不的從光纖的中心延伸的一系列同心區(qū)域。以折射率分布的形式來示出這些α芯部區(qū)域——具有如以上定義的基本上為α分布的區(qū)域，其從折射率增量為An1的光纖中心徑向延伸到距離Rl。凸臺(tái)——從Rl向外徑向延伸到半徑為R3的區(qū)域，具有折射率增量Ans，其中R3-R1優(yōu)選在O. I到3微米范圍內(nèi)，并且其中Λ ns優(yōu)選在大約O. 001到O. 006范圍內(nèi)。內(nèi)包層——從R3徑向延伸的區(qū)域，具有折射率增量Λ Iicdad，延伸距離大于O. 5微米并且優(yōu)選為O. 5到12微米。溝槽——在內(nèi)包層和外包層之間延伸的區(qū)域，典型地具有小于-O. 002的折射率增量(Iit^h-Iidad)，以及大于2微米的溝槽寬度。外包層——從溝槽區(qū)域向外徑向延伸的區(qū)域。在結(jié)束詳細(xì)說明時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意的是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說基本上不偏離本發(fā)明的原理而可以對(duì)優(yōu)選實(shí)施例做很多變化和修改，這是顯而易見的。所有的這種變化、修改和等同都意欲包含于此而包含于本發(fā)明的范圍內(nèi)，像所附的權(quán)利要求闡明的那樣。
權(quán)利要求
1.一種多模光纖,具有中心并且包括從中心向外徑向延伸的以下一系列同心區(qū)域 基本上為α分布的α芯部區(qū)域，其從光纖的中心徑向延伸到距離R1，位于中心的芯部區(qū)域在芯部中心具有折射率Il1, 凸臺(tái)區(qū)域，其從Rl延伸到R3并且具有折射率\，其中R3-R1定義了凸臺(tái)的寬度；內(nèi)包層區(qū)域，其具有折射率ndad，并且從R3向外徑向延伸，延伸距離大于O. 5微米，其中Ans定義了凸臺(tái)區(qū)域的折射率差并且Ans = ns-nclad ； 溝槽區(qū)域，其從內(nèi)包層區(qū)域向外徑向延伸；以及 外包層區(qū)域，其從溝槽區(qū)域向外徑向延伸。
2.如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其中Ans的絕對(duì)值在大約O.OOl到大約O. 006的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其中R3-R1的值在大約O.I到大約3微米的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其中(Ii1-Iidad)的值在大約O.005到大約O. 03的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其中(Ii1-Iicdad)在大約O.014到大約O. 02的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其中比值(ns-nclad)/(nrnclad)在大約O.02到大約O.3的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其中Rl在大約12微米到大約34微米的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求2所述的多模光纖，其中(η.-η_ζ)大致為O。
9.如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其中內(nèi)包層區(qū)域從R3向外徑向延伸，延伸距離在大約O. 5微米到大約12微米的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其中溝槽具有小于-O.002的折射率增量(ntrench-nclad)以及大于2微米的寬度。
11.如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其中所述同心區(qū)域被配置為使得校高模式的模式時(shí)延與較低主模式的模式時(shí)延相等。
12.如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其中α芯部區(qū)域具有 n(r) = [!^-(叫2-!^:) (r/R2)a]1/2 其中r是光纖的半徑，H1是芯部中心的折射率，rcore是芯部的半徑，nclad是包層的折射率，α是自由參數(shù)，并且α的值在I. 7到2. 2的范圍內(nèi)。
13.—種光纖子系統(tǒng)，包括耦合到垂直腔表面發(fā)射激光器的如權(quán)利要求I所述的光纖。
14.一種光學(xué)系統(tǒng),包括 a)激光發(fā)射機(jī)， b)光接收機(jī)， c)如權(quán)利要求I所述的多模光纖，其耦合在所述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間。
15.—種多模光纖,其具有中心并且包括從中心向外徑向延伸的以下一系列同心區(qū)域 基本上為α分布的α芯部區(qū)域，其從光纖的中心徑向延伸到距離R1，芯部中心的折射率為η1； 在Rl處由折射率差ns-nelad定義的折射率臺(tái)階，其中ns為Rl處的折射率，nelad為內(nèi)包層區(qū)域的折射率，其中內(nèi)包層區(qū)域從Rl向外徑向延伸，延伸距離大于O. 5微米，溝槽區(qū)域，其從內(nèi)包層區(qū)域徑向延伸；以及 外包層區(qū)域，其從溝槽區(qū)域向外徑向延伸。
16.如權(quán)利要求15所述的多模光纖，其中Ans的絕對(duì)值在大約O.OOl到大約O. 003的范圍內(nèi)。
17.如權(quán)利要求15所述的多模光纖，其中(Ii1-Iidad)的值在大約O.005到大約O. 03的范圍內(nèi)。
18.如權(quán)利要求15所述的多模光纖，其中(Ii1-Iielad)在大約O.014到大約O. 02的范圍內(nèi)。
19.如權(quán)利要求15所述的多模光纖，其中比值(Hs-Iidad)/(H1-Iidad)在大約O.02到大約O.2的范圍內(nèi)。
20.如權(quán)利要求15所述的多模光纖，其中Rl在大約12微米到大約34微米的范圍內(nèi)。
21.如權(quán)利要求16所述的多模光纖,其中(Xlad-Iiquartz)大致為O。
22.如權(quán)利要求15所述的多模光纖，其中內(nèi)包層區(qū)域從Rl向外徑向延伸，延伸距離在大約O. 5微米到大約12微米的范圍內(nèi)。
23.如權(quán)利要求15所述的多模光纖，其中溝槽具有小于-O.002的折射率增量(ntrench-nclad)以及大于2微米的寬度。
24.如權(quán)利要求15所述的多模光纖，其中所述同心區(qū)域被配置為使得較高模式的模式時(shí)延與較低主模式的模式時(shí)延相等。
25.如權(quán)利要求15所述的多模光纖，其中α芯部區(qū)域具有n(r)= Ln12-(ni2-nclad2) (r/R2)a]1/2 其中r是光纖的半徑，H1是芯部中心的折射率，R2是芯部的半徑，nclad是包層的折射率，α是自由參數(shù)，并且α的值在I. 7到2. 2的范圍內(nèi)。
26.一種光纖子系統(tǒng)，包括耦合到垂直腔表面發(fā)射激光器的如權(quán)利要求15所述的光纖。
27.—種光學(xué)系統(tǒng),包括 a)激光發(fā)射機(jī)， b)光接收機(jī)， c)如權(quán)利要求15所述的多模光纖，其耦合在所述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間。
全文摘要
一種光纖折射率分布設(shè)計(jì)，其具有α芯部分布和負(fù)折射率溝槽以控制彎曲損耗，該設(shè)計(jì)通過截短α芯部分布的邊緣和在截短的芯部增加凸臺(tái)而得以改進(jìn)。其結(jié)果是低的彎曲損耗并且保持了低的差分模式時(shí)延和高帶寬。
文檔編號(hào)G02B6/028GK102884458SQ201180013759
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2011年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者蔣新力, 金真基, G·歐倫德森, 孫懿 申請(qǐng)人:Ofs菲特爾有限責(zé)任公司