用于空間多路復(fù)用的漸變折射率少模光纖設(shè)計的制作方法
【專利摘要】一種少模光纖，包括由包層圍繞的纖芯，具有漸變折射率分布，該漸變折射率分布被構(gòu)造為支持多個希望的信號運載模的傳播，同時抑制不希望的模。纖芯和包層被配置為使得不希望的模具有各自的有效折射率，所述有效折射率接近或者小于包層折射率使得不希望的模成為漏模。具有最低有效折射率的希望的模與具有最高有效折射率的漏模之間的折射率間隔為足夠大至基本上防止它們之間的耦合。
【專利說明】用于空間多路復(fù)用的漸變折射率少模光纖設(shè)計
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請主張于2011年2月24日遞交的美國臨時專利申請N0.61/446，222，和于2011年9月7日遞交的美國臨時專利申請N0.61/531，842的優(yōu)先權(quán)，這兩者都是本申請的受讓人所擁有的,并且通過參考的方式將他們的全部內(nèi)容合并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明通常涉及光纖領(lǐng)域，尤其涉及用于空間多路復(fù)用的改進的少模光纖設(shè)計?！颈尘凹夹g(shù)】
[0004]光纖網(wǎng)絡(luò)之上的數(shù)據(jù)通信繼續(xù)按指數(shù)速率增長。為了滿足這一需要，多路復(fù)用技術(shù)已經(jīng)被發(fā)展為允許多個分散數(shù)據(jù)流共用相同的光纖，從而顯著地增加每個光纖的通信量。
[0005]在光纖行業(yè)中當(dāng)前的研究和發(fā)展主要集中在密集波分復(fù)用(DWDM)上，這是一種多路復(fù)用技術(shù)，其中多個數(shù)據(jù)通道被分配給某一運轉(zhuǎn)帶寬內(nèi)的相應(yīng)的波長。數(shù)據(jù)通道在單模光纖的基本(LPtll)模式之上被結(jié)合用于傳輸，并且當(dāng)它們到達各自目的地時被分別返回進入分離通道之內(nèi)。
[0006]在基于DWDM的傳輸系統(tǒng)內(nèi)，給定放大器帶寬內(nèi)的總?cè)萘勘还庾V效率所限制，光譜效率用于描述在給定數(shù)據(jù)速率下，當(dāng)光纖受到非線性效應(yīng)所帶來的極端限制時，用于通信目的單個波長可以被間隔的緊密程度。利用日益復(fù)雜的算法可以增加光譜效率，例如使用高階調(diào)制方案，但是這種方法帶來帶寬收益遞減并且適度的改進不能跟上指數(shù)增長的帶寬需要。可以預(yù)料，在下一個10至15年之內(nèi)，單模光纖中的DWDM的光譜效率將會接近它的理論極限。
[0007]—種用于增加每個光纖容量的有前景的方法是空分多路復(fù)用(SDM)，其中單光纖內(nèi)的多個數(shù)據(jù)通道通過相應(yīng)的多個纖芯，或通過光纖引導(dǎo)的相應(yīng)的多個光信號模提供?；赟DM的技術(shù)具有能夠顯著地增加每個光纖傳輸容量的潛能，突破基于DWDM系統(tǒng)的非線性的限制。
[0008]由于SDM和現(xiàn)有技術(shù)之間的原理不同，因此SDM已經(jīng)被證明是技術(shù)上的挑戰(zhàn)，需要新型的光纖和相關(guān)裝置的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]一種少模光纖，包括包層圍繞的纖芯，光纖具有被配置為沿著光纖的長度引導(dǎo)空分復(fù)用的光信號的折射率分布。包層可以包括外包層區(qū)域和位于纖芯和外包層區(qū)域之間的向下?lián)诫s的溝槽或者凹陷的包層區(qū)域。替選實施例還包括包層內(nèi)的高折射率引導(dǎo)環(huán)，其被放置在纖芯和溝槽或者凹陷包層區(qū)域之間。折射率分布被構(gòu)造為支持多個引導(dǎo)的模，來運載各自的多個空分復(fù)用傳輸信號，同時抑制不希望的模。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，光纖包括纖芯和圍繞纖芯的包層。纖芯和包層具有階躍折射率分布，其被構(gòu)造為支持多個希望的信號運載模的傳播，同時抑制不希望的模。包層包括具有外半徑reladding的外包層區(qū)域，折射率neladding和折射率差A(yù)neladding=0。纖芯具有半徑、折射率以及折射率差Λη.ε=0。纖芯和包層被配置為使得不希望的模分別具有接近或者小于包層折射率的有效折射率，以使得不希望的模成為漏模。具有最低有效折射率的希望的模和具有最高有效折射率的漏模之間的折射率間隔足夠大到基本防止它們之間的耦合。
[0011]本發(fā)明的另一個方面指向具有漸變折射率纖芯的少模光纖，所述纖芯提供經(jīng)過光纖傳播的模之間的所描述的折射率間隔。
[0012]本發(fā)明的另外一個方面指向光纖，包括經(jīng)過公共包層延伸的多個單獨的纖芯。每個單獨的纖芯支持至少一個局部橫向空間模。單獨的纖芯和周圍的包層被構(gòu)造成支持多個希望的信號運載模的傳播，同時抑制不希望的模，從而支持一個或多個空分復(fù)用信號的傳播。光纖的纖芯至纖芯的間隔被配置為維持纖芯之間的可接受的低水平的模耦合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是一系列圖，說明了 LP11模的四種可能的元件(a) - (d)，包括偏振態(tài)。
[0014]圖2所示的是一對表格，表明了在特定假設(shè)條件下，用于理想的少模光纖之上的通信的最大可容許的平均差分群延遲(maximum allowable mean differential groupdelay),以 ps/km 為單位。
[0015]圖3所示的一組表格表明了對于30和60Gbaud下不同安裝數(shù)量、不同目標鏈接長度以及不同模間耦合的可容許的平均DGD的近似極限，以ps/km為單位。
[0016]圖4所示的是根據(jù)包括多芯結(jié)構(gòu)的本發(fā)明一個方面的示意性光纖的截面圖。
[0017]圖5所示的是根據(jù)本發(fā)明的進一步方`面的具有高折射率導(dǎo)向環(huán)的光纖的折射率分布。
[0018]圖6所示的是現(xiàn)有技術(shù)中已知的、階躍折射率光學(xué)纖維的計算特性的圖表。
[0019]圖7A是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的示意性光纖的分布設(shè)計。圖7B所示的一對表格表明了圖7A的示意性光纖的設(shè)計參數(shù)和計算特性。
[0020]圖8的圖表所示的是兩模光纖的測量折射率分布的絕對差值，并且以虛線示出以LP01^LP11模的計算有效折射率，以及在包層級別之下的下一個高階LP模。
[0021]圖9的圖表比較了具有1.25m、2.5m,5m以及IOm的相應(yīng)長度的試驗性兩模光纖的直光纖段中的除LP11之外下一個高次模的光譜損耗曲線。
[0022]圖10的圖表比較了在增加25.4mm直徑線圈之后的圖9的光譜損耗曲線。
[0023]圖11的圖表所示的是干涉測量的結(jié)果，表示了 LPtll和LP11模之間的最大群延時差是大約0.06ps/m或者60ps/km,跨越C波段的范圍內(nèi)。
[0024]圖12A-B描述了凹陷包層的折射率分布、階躍折射率、有效面積接近于標準單模光纖的兩模光纖，并且表格表示了光纖的設(shè)計參數(shù)和計算特性。
[0025]圖13A-B表示了模有效面積與標準單模光纖類似的少模光纖的溝槽輔助分布，并且表格表示了光纖的設(shè)計參數(shù)和計算特性。
[0026]圖14A-B表不了具有超大模有效面積的兩模光纖的溝槽輔助分布,并且表格表不了光纖用于設(shè)計參數(shù)和計算特性。[0027]圖15所示圖表說明了模擬少模光纖設(shè)計的折射率分布，其中包層管的物理橫截面積分別是 2850 μ m2、1100 μ m2 以及 500 μ m2。
[0028]圖16A-16C所示的一系列圖表，其中說明了對于圖15中描述的三個光纖設(shè)計，用于以下導(dǎo)模=Lpc^Lp1PLp1PLp12以及LP21的計算有效折射率差異。
[0029]圖17A-17C所示一系列圖表說明了圖15的三個光纖設(shè)計的每一個的耗散以及有效面積。
[0030]圖18A-18C所示一系列圖表說明了在彎曲半徑30mm處以及在彎曲半徑80mm處的圖15的三個光纖設(shè)計的計算彎曲損失。
[0031]圖19是未按比例繪制的根據(jù)本發(fā)明的一個示意性的漸變折射率少模光纖(FMF)的截面圖。
[0032]圖20是圖19所示的FMF的折射率分布。
[0033]圖21和圖22的圖表所示的是，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)分別在850nm和1550nm處，相對具有50 μ m的纖芯直徑以及1%的相對差值的傳統(tǒng)漸變折射率多模光纖(MMF)，對于Ii\m模的計算模態(tài)結(jié)構(gòu)。
[0034]圖23所示的是根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的FMF折射率分布。
[0035]圖24的圖表所示的是隨圖23所示光纖設(shè)計的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時差。
[0036]圖25是圖23所示的表格表示FMF設(shè)計的規(guī)格。
[0037]圖26描述了根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
`[0038]圖27的圖表所示的是隨圖26所示光纖設(shè)計的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時差。
[0039]圖28的表格表不了圖26所不的光纖設(shè)計的規(guī)格。
[0040]圖29描述了根據(jù)本發(fā)明進一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0041]圖30的圖表所示的是隨圖29所示光纖設(shè)計的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時差。
[0042]圖31的表格表不了圖29所不的光纖設(shè)計的規(guī)格。
[0043]圖32描述了根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0044]圖33的圖表說明了隨圖32所示光纖設(shè)計的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時差。
[0045]圖34的表格表不了圖32所不的光纖設(shè)計的規(guī)格。
[0046]圖35描述了根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0047]圖36的圖表說明了隨圖35所示光纖設(shè)計的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時差。
[0048]圖37的表格表不了圖35所不的光纖設(shè)計的規(guī)格。
[0049]圖38所示的是圖35所示光纖設(shè)計的原型的測量折射率分布。
[0050]圖39描述了根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0051]圖40的圖表說明了隨圖39所示光纖設(shè)計的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時差。
[0052]圖41的表格表示了圖39所示的光纖設(shè)計的規(guī)格。[0053]圖42描述了根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的少模光纖(FMF)的折射率分布。
[0054]圖43的圖表說明了隨圖42所示光纖設(shè)計的波長而變的LPtll和LP11模之間的群延時差。
[0055]圖44的表格表不了圖42所不的光纖設(shè)計的規(guī)格。
[0056]圖45描述了根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的四模光纖的折射率分布。
[0057]圖46的圖表說明了隨圖45所示光纖設(shè)計波長而變的LPQ1、LP11, LP11和LP21模之間的群延時差。
[0058]圖47的圖表說明了隨波長而變的、圖45所示光纖設(shè)計的四模的相應(yīng)有效折射率。
[0059]圖48的表格表不了圖45所不的光纖設(shè)計的規(guī)格。
[0060]圖49描述了根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的四模光纖的折射率分布。
[0061]圖50的圖表說明了隨圖49所示光纖設(shè)計波長而變的LPQ1、LP11, LP11和LP21模之間的群延時差。
[0062]圖51的圖表說明了隨波長而變的、圖49所示光纖設(shè)計的四模的相應(yīng)有效折射率。
[0063]圖52的表格表不了圖49所不的光纖設(shè)計的規(guī)格。
[0064]圖53描述了根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的四模光纖的折射率分布。
[0065]圖54-57的一系列表格表明了圖23-53中所不的不意性少模光纖的規(guī)格?！揪唧w實施方式】
[0066]本發(fā)明的一些方面在于改進的光纖設(shè)計和技術(shù)，它們適用于空分多路復(fù)用(SDM)。特別地，這里描述的光纖和技術(shù)適于模分多路復(fù)用(MDM),其中由光纖引導(dǎo)的多個橫向模被用來提供多個獨立的數(shù)據(jù)傳輸信道。
[0067]應(yīng)當(dāng)注意到這里描述的結(jié)構(gòu)和技術(shù)可以和其它的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)結(jié)合，包括波分多路復(fù)用(WDM)。進一步注意到，盡管本發(fā)明的一些方面在這里是相對于具有一個纖芯的示意性的光纖而描述的，但是本發(fā)明的一些方面還可以適于與多芯光纖(MCF)技術(shù)結(jié)合以產(chǎn)生具有多個纖芯的光纖，其被配置成支持相應(yīng)的多個空間多路復(fù)用光信號的通信。
[0068]MDM相配的光纖當(dāng)然需要支持所選擇的信號傳送模的傳播。另外，成功的光纖需要考慮許多問題，舉例來說，波導(dǎo)的波長依賴性；介質(zhì)的非線性；差分群延遲(DGD)以及差分模衰減(DMA);信號模與其它的信號模的耦合(例如，串?dāng)_)；信號模與有損耗的不希望的模的耦合；以及下面討論的其它問題。
[0069]傳統(tǒng)的多模光纖(MMF)不適用于MDM。傳統(tǒng)的MMF具有數(shù)百的導(dǎo)模，每個具有相應(yīng)的有效折射率。如同圖21中所示例子，如下所述，標準MMF中的導(dǎo)模的有效折射率是密集的在一起。這一密植距的結(jié)果是帶來了不能被接受的高水平的模耦合。用于傳送單獨的傳輸信號兩個或更多期望的模之間的耦合導(dǎo)致了串?dāng)_。期望的模和“漏”?；蛘摺坝袚p”模之間的耦合導(dǎo)致了明顯的信號損失。傳統(tǒng)的MMF未能解決差分群延遲(DGD)、差分模衰減(DMA)及下面論述的其他問題。
[0070]這里描述的光纖屬于被統(tǒng)稱為“少模光纖”(FMF)的種類，即，可以引導(dǎo)一個以上橫模的光纖，但比傳統(tǒng)的多模光纖(MMF)的橫模要少，傳統(tǒng)的多模光纖通常支持數(shù)百導(dǎo)模并且被廣泛地配置在數(shù)百米之上的數(shù)據(jù)通信鏈路中。一般而言，F(xiàn)MF支持少于100個的導(dǎo)模。取決于特定的應(yīng)用，F(xiàn)MF可被設(shè)計成能支持10-20個的導(dǎo)模，甚至更少。
[0071]這里描述的FMF包括引導(dǎo)至少LPtll和LP11模的光纖，以及引導(dǎo)至少UV、LP1PLP11以及LP21模的光纖。應(yīng)當(dāng)理解的是，這里描述的結(jié)構(gòu)和技術(shù)可被應(yīng)用在引導(dǎo)更多模的FMF的設(shè)計中。
[0072]應(yīng)當(dāng)注意到，這里描述的FMF以及涉及的結(jié)構(gòu)和技術(shù)適于在至少整個“C波段”，也就是，1530nm至1565nm，以及有時在S，C和L波段內(nèi)使用。舊的少模設(shè)計不適于或者易于在C波段內(nèi)使用。進一步的，這些舊的設(shè)計未能考慮差分模衰減及其他問題，以下將描述這些對于成功光纖設(shè)計的空間多路復(fù)用以及類似的應(yīng)用的發(fā)展而言是至關(guān)重要的。
[0073]相對本發(fā)明論述的目的，除非明確地指出了例外情況，或者除非依據(jù)內(nèi)容有另外需要，術(shù)語“Ii\m?！敝傅氖强偲饋碚f該模的任何或者所有單獨的結(jié)構(gòu)、退化以及偏振。舉例來說，對于給定的傳播常數(shù)，在理想的圓光纖中，存在四個退化LP11子模，特征為它們各自的角形配置和偏振。在某些范圍內(nèi)，有用的是將每個LP11子模，或者其疊加表示為分離模。然而，在本發(fā)明說明書的范圍內(nèi)，沒有必要做出這樣的區(qū)分。因此，術(shù)語“^^?！庇脕肀硎具@些四個LP11子?；蛘咂渥幽５寞B加的任何一種或者所有。遵循這一約定，引導(dǎo)LPtll和LP11模的少模光纖被稱為“雙模FMF”，即使該光纖可被用于雙模以上的MDM(即，LPtll和多個LP11子模以上)。類似地，引導(dǎo)IiVIiVLP11以及LP21模的少模光纖被稱為“四?！盕MF。
[0074]這里描述的每個光纖包括由包層圍繞的芯區(qū)，包層包括多個包層區(qū)域。取決于上下文，給定光纖區(qū)域的折射率可以使用一個或多個下列方法量化:
[0075](I)給定波長處的給定光纖區(qū)域的折射率可以利用絕對單位量化。
[0076](2)給定光纖區(qū)域的折射率可以相對于外包層的折射率用“絕對折射率差”來量化或者“絕對差值”(Λη)來量化，其通過從以絕對單位表示的給定光纖區(qū)域的折射率減去，同樣以絕對單位表示的外包層區(qū)域的折射率而得到。通過定義，外包層區(qū)域的絕對折射率差值Λη=0。
[0077](3)給定光纖區(qū)域的折射率可以相對于外包層的折射率被量化為“百分比相對折射率差”或者只是“差值” Λ，其通過如下計算:
【權(quán)利要求】
1.一種光纖，包括: 纖芯和圍繞纖芯的包層， 其中，包層包括外包層區(qū)域，該外包層區(qū)域具有外半徑r—g，折射率IIcdadding和折射率差Λη，并且 其中，纖芯具有半徑和折射率，該折射率從纖芯內(nèi)的峰值纖芯折射率差△ ηΜΜ(_)開始漸變至纖芯的外圓周處的最低纖芯折射率差A(yù)nc_(min)， 其中，纖芯和包層被配置為支持空分復(fù)用光信號的傳播，該光信號包括多個希望的模，同時抑制不希望的模， 其中，每個纖芯和周圍的包層被配置為使得不希望的模具有各自的有效折射率，所述有效折射率接近或者小于包層折射率，從而導(dǎo)致泄漏進入外包層區(qū)域的漏模，并且 其中，在具有最低有效折射率的希望的模和具有最高有效折射率的漏模之間的折射率間隔足夠大到基本防止它們之間的耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，纖芯和包層被配置為在C波段中運行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，纖芯和包層被配置為使得希望的模具有各自的有效折射率，所述有效折射率具有足夠大的折射率間隔，以便達到希望水平的模耦合、差分群延遲以及差分模衰減。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖，其中，希望的模的數(shù)量為十個或者更少。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖,其中,光纖被配置為支持UV、LPn、LP11和LP21模,并切斷下一個更高階模。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖，其中，光纖被配置為支持LPtll和LP11并且切斷下一個更高階模。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖，其中，LPtll模和LP11模之間的折射率間隔是Λβ/k0=0.002或更大。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其中，LP11模和下一個最高階模之間的折射率間隔是Δ η=.0009或更大。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其中，纖芯和包層被配置為達到200ps/km或者更少的差分群延遲。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其中，纖芯和包層被配置為達到100pS/km或者更少的差分群延遲。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其中，纖芯和包層被配置為達到20ps/km或者更少的差分群延遲。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其中，纖芯和包層被配置為達到0.ldB/km或者更少的差分模衰減。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其中，纖芯和包層被配置為達到0.2dB/km或者更少的差分模衰減。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所 述的光纖，其中，纖芯和包層被配置為達到0.01dB/km或者更少的差分模衰減。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其中，包層還包括在纖芯和外包層區(qū)域之間的、內(nèi)部的、向下?lián)诫s的溝槽區(qū)域。
【文檔編號】G02B6/02GK103827708SQ201280019895
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月24日
【發(fā)明者】拉爾斯·格魯納-尼爾森, 羅伯特·L·林格爾, 阿蘭·麥克迪, 戴維·W·佩克漢姆, 孫義 申請人:Ofs飛泰爾公司