CN105683790B - 空分复用所用的少模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤，包括光纤芯和包围所述光纤芯的光包层，其中：所述光纤芯具有α≥1的单一α渐变折射率分布，并且所述光纤芯具有半径R1和最大折射率n0，所述光包层具有折射率nCl。所述光包层包括内半径为R2且外半径为R3的具有凹型折射率ntrench的区域，其中：R2≥R1，并且R3>R2。根据本发明的实施例，选择所述渐变折射率分布的α值以及所述光纤芯的半径R1，以使得R1≥13.5μm，并且满足质量标准C。因而，本发明提供使得能够在达到最低的差分模式组延迟的情况下、引导与现有技术的FMF相比数量有所增加的LP模的少模光纤。因而，***距离与现有技术相比有所增加。

Description

空分复用所用的少模光纤
技术领域
本发明涉及光纤传输领域，并且更具体地涉及空分复用所用的改进的少模(few-mode)光纤设计。
背景技术
传统上，光纤包括传输光信号的光纤芯以及将光信号限制在光纤芯内的光包层。为此，纤芯的折射率nc大于包层的折射率nCl。通常，光纤的特征由使折射率(n)与光纤的半径(r)相关联的折射率分布来描述：在x轴上示出相对于光纤中心的距离r，并且在y轴上示出半径r处的折射率n(r)与光包层的折射率nCl之间的差Dn。
如今，主要存在多模光纤和单模光纤这两类光纤。在多模光纤中，对于给定波长，多个光模式沿着光纤同时传播，而在单模光纤中，高阶模(以下称为HOM)是进行了截除或高度衰减的。
单模光纤通常用于诸如接入网或城域网等的长距离应用。为了获得能够传输单模光信号的光纤，需要直径相对较小的纤芯(通常为5μm～11μm)。为了满足高速或高比特率的应用(例如，10Gbps)的要求，标准单模光纤需要使用被调谐成通常以1550nm的波长进行工作的调制单模激光发射器。然而，单模光纤遭受非线性问题，而这成为光纤传输容量的主要限制。
多模光纤通常用于诸如局域网(LAN)和多住户单元(MDU)等(更通常已知为建筑物内网络)的要求高带宽的短距离应用。多模光纤的纤芯的直径通常为50μm或62.5μm。电信中最普遍的多模光纤是渐变折射率分布光纤。通过使模间色散(即，沿着光纤的光模式的传播延迟时间或组速度之间的差，还被称为差分模式组延迟即DMGD)最小化，这种折射率分布针对给定波长保证高的模式带宽。
由于经由光纤网络的数据业务持续呈指数增长，因此针对特别是跨越长距离的不断增长的每光纤业务的需求不断增加。为此，开发了使得多个单独数据流能够共用同一光纤的复用技术。在这些技术中，有前景的一个方法是空分复用(SDM)，其中在空分复用中，利用单个光纤所引导的多个光信号模式各自来提供该光纤内的多个数据通道。
这种技术要求开发被称为少模光纤的新型光纤，其中这些新型光纤支持一个以上的空间模式，但比多模光纤所支持的空间模式少。PCT专利文献WO2011/094400中特别讨论的这种少模光纤支持约2～50个模式。这些少模光纤可被配置成不存在多模光纤中所发生的模式色散问题。
使用少模光纤(FMF)的空分复用传输由于有可能使单模传输的容量增大要使用的模式的数量倍，因而近来受到极大关注。
少模光纤的设计的一个方法包括使差分模式组延迟(DMGD，即空间复用所使用的导模(guided mode)的各个到达时间的差)最小化，由此可以与作为连接长距离的限制因素其中之一的模耦合现象无关地使用复杂的2N×2N(N是空间模式的总数，即包括LP(线偏振)模简并)的MIMO技术来同时检测所有的模式。然而，该优化在LP模的数量增加的情况下，变得越来越难。
然而，要注意，可以通过使有效折射率差接近的LP模成组、并且检测LP模的组而不是单个LP模，来使用不太复杂的MIMO技术。
在US 2013/0071114专利文献中公开了第一个已知解决方案，其中该解决方案描述了适合用在模分复用光传输***中的少模光纤。这种光纤具有单一阿尔法(α)渐变折射率纤芯，其中：该纤芯的半径为R1(在所公开的实施例中，R1的值高达11.4μm)，其中在波长1550nm的情况下，阿尔法值大于或等于约2.3且小于约2.7；以及该纤芯的最大相对折射率Δ1MAX为相对于包层的约0.3％～约0.6％。该光纤还具有大于约90μm2且小于约160μm2的有效面积。包层的最大相对折射率Δ4MAX满足Δ1MAX>Δ4MAX，并且在波长1550nm的情况下，LP01模和LP11模之间的差分组延迟小于约0.5ns/km。
然而，根据该第一个已知解决方案，纤芯和包层在大于1500nm的波长的情况下仅支持LP01模和LP11模，而这与针对每光纤传输容量的不断增加的需求相比模式数量过少。
在US 2013/007115中公开了第二个已知解决方案，其中该解决方案公开了针对少模光纤的另一具体设计。然而，如US 2013/0071114中所公开的第一个已知解决方案那样，该第二个已知解决方案还包括仅支持两个导模的FMF。
其它已知设计已得到支持多达4个或甚至6个模式的FMF。
因而，PCT专利文献WO 2012/161809公开了包括具有渐变折射率分布的被包层包围的纤芯的少模光纤，其中该渐变折射率分布被构造成在抑制不期望的模式的情况下，支持多个期望的信号承载模式的传播。纤芯和包层被配置成：不期望的模式各自的有效折射率接近或小于包层折射率，使得不期望的模式是泄漏模(leaky mode)。有效折射率最低的期望模式和有效折射率最高的泄漏模之间的折射率间距足够大，以基本防止这两者之间的耦合。在示例中示出支持多达4个模式的FMF。
US 2012/0328255专利文献公开了如下的少模光纤，其中该少模光纤包括玻璃纤芯以及包围该玻璃纤芯并与该玻璃纤芯直接接触的玻璃包层。玻璃纤芯可以包括：约8μm～约13μm的半径R1；波长1550nm处的阿尔法值为约1.9～约2.1的渐变折射率分布；以及最大相对折射率Δ1MAX为相对于玻璃包层的约0.6％～约0.95％。1550nm处的L01模的有效面积可以为80μm2～105μm2，使得纤芯支持具有X个LP模的光信号在波长1550nm处的传播和传输，其中X是大于1且小于10的整数。玻璃包层可以包括的最大相对折射率Δ4MAX满足Δ1MAX>Δ4MAX。在示例中示出支持多达6个模式的FMF。
尽管这些设计很有前景，但这些设计不能按期望的程度减小差分模式组延迟，因此给传输***距离带来了限制。另外，这两个文献中所公开的分布不够优化以确保低弯曲损耗和高泄漏损耗，然而低弯曲损耗和高泄漏损耗对于FMF而言是重要问题。实际上，与FMF有关的已知文献均未解决设计呈现低弯曲损耗和高泄漏损耗的少模光纤这一问题。
因此，存在针对差分模式组延迟小、弯曲损耗低且泄漏损耗高的引导4个LP模以上的少模光纤的设计的需求。
发明内容
在本发明的一个特定实施例中，提出一种光纤，包括光纤芯和包围所述光纤芯的光包层，所述光纤芯具有α≥1的单一α渐变折射率分布，其中α是定义所述光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数，并且所述光纤芯具有半径R1和最大折射率n0，所述光包层在外边缘处具有折射率nCl。所述光包层包括包围所述光纤芯的、被称为槽(trench)的、具有凹型折射率ntrench的区域，所述槽具有内半径R2和外半径R3，其中R2≥R1，并且R3>R2。
所述光纤如下：所述光纤芯的半径R1满足通过以下等式所定义的光通信的质量标准C：
其中：DMGD是所述光纤中的两个导模之间的差分模式组延迟；Max|DMGD|是导模的任何组合之间的DMGD的最大绝对值，以及Dn1＝n0-nCl是λ＝λC处的纤芯-包层折射率差，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长。此外，选择所述渐变折射率分布的α值和所述光纤芯的半径R1，以使得R1≥13.5μm并且C≤18。
如这里所使用的，并且除非另外规定，否则术语“单一α渐变折射率分布”是指具有如下定义的折射率分布n(r)的光纤芯：
其中：
r是表示光纤的半径的变量；
R1是光纤芯半径；
Δ是归一化折射率差，其中
n1是光纤芯的最小折射率；
n0是光纤芯的最大折射率；
α是定义光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数。
阿尔法参数α＝2与反抛物线相对应。阿尔法参数α＝1与三角形形状相对应，而阿尔法参数α＝∞与阶跃函数相对应。
折射率的渐变可以被定制为减少低损耗纤芯引导模式之间的组速度不匹配。
因而，通过使渐变折射率纤芯的α值和纤芯直径相适应，以满足上述等式所定义的质量标准，本发明提供一种少模光纤，其中该少模光纤使得能够在达到最低差分模式组延迟的情况下，引导与现有技术的FMF相比数量有所增加的LP模。这种低DMGD使得能够与模耦合现象无关地使用2N×2N(N是空间模式的总数，即包括LP模简并)的MIMO(“多输入多输出”)技术来同时检测所有模式。因而，***距离相对于现有技术有所增加。
然而，要注意，还可以使用不太复杂的MIMO技术来检测呈现接近的有效折射率差的模式的组而不是单独检测所有模式。
与诸如US 2012/0328255专利文献、US 2013/0071114专利文献和US 2013/0071115专利文献所公开的技术等的现有技术的技术相比，具有纤芯半径R1≥13.5μm使得能够引导数量更多的模式。
此外，凹槽辅助型光纤通过改进纤芯内的光模式的限制，使得宏弯曲损耗减少。因而，在满足标准R1≥13.5μm且C<18的少模光纤的包层中添加槽，这使得能够显著改善DMGD和弯曲损耗之间的权衡，其中这种槽是用以降低弯曲敏感度的众所周知的方式。
优选地，所述光纤芯的半径R1如下：R1≤20μm。
根据一个有利特征，所述槽具有满足以下关系的参数：
其中，Dn3＝ntrench-nCl是λ＝λC处的槽-包层折射率差，λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长。
优选地，Dn3≤-3.10-3。
具有这些特征的槽提供了呈现弯曲损耗和泄漏损耗之间的良好权衡的少模光纤。根据本发明的少模光纤在确保低DMGD的情况下，支持与现有技术的FMF相比数量有所增加的LP模，并且针对所有导模呈现低弯曲损耗(在1550nm处弯曲半径为10mm的情况下，<100dB/turn)，使得这些导模可以稳健地传播，并且针对所有的泄漏模呈现高泄漏损耗(在1550nm处，>0.1dB/m)，使得这些泄漏模可在数十米之后被截除和/或大幅衰减。
根据本发明的实施例，所述光纤引导至少4个LP模，并且优选引导4～16个LP模。
根据本发明的另一实施例，所述光纤引导至少6个LP模，并且优选引导6～16个LP模。
这些大量导模使得能够增加包括这种少模光纤的光学***的容量，并且解决了长途光传输***中针对更高带宽的需求。
因而，与现有技术的FMF相比，根据本发明实施例的少模光纤引导可以高效地用在空分复用传输中的数量有所增加的LP模。
根据第一实施例，所述光纤的最小折射率n1＝nCl，以及所述光包层还包括直接包围所述光纤芯的内包层，所述内包层具有内半径R1和外半径R2，并且R2≥R1，其中所述内包层具有如下的恒定折射率n2：n2≠nCl且n2>ntrench。
这种渐变折射率槽辅助分布使得能够满足本发明的实施例所述的纤芯标准和槽标准。此外，这种少模光纤容易制造且成本低。内包层与纤芯的折射率差可以为负或正。
根据第二实施例，所述光纤的最小折射率n1≠nCl，以及所述光包层还包括直接包围所述光纤芯的内包层，所述内包层具有内半径R1和外半径R2，并且R2≥R1，其中所述内包层具有如下的恒定折射率n2：n2＝n1且n2>ntrench。
这种可选的渐变折射率槽辅助分布使得能够满足本发明的实施例所述的纤芯标准和槽标准。此外，这种少模光纤容易制造且成本低。内包层与纤芯的折射率差可以为负或正。
根据第三实施例，所述光纤的最小折射率等于nCl，所述光包层还包括直接包围所述光纤芯的内包层，所述内包层具有内半径R1和外半径R2，并且R2≥R1，其中所述内包层是所述光纤芯的所述单一α渐变折射率分布的延伸，所述内包层的最小折射率n1＝ntrench。
尽管制造这种少模光纤在某种程度上更加困难，但与第一实施例和第二实施例相比，这种渐变折射率槽辅助分布使得能够更好地优化渐变折射率分布的α参数。
根据本发明的一个方面，所述光纤支持四个LP导模；在λ＝λC(例如，λC＝1550nm)处，Max|DMGD|<20ps/km，并且优选Max|DMGD|<10ps/km，以及对于λ∈[λC-δλ；λC+δλ]，Max|DMGD|<30ps/km，并且优选Max|DMGD|<20ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及2δλ是所述工作波段的宽度，(例如，对于λ∈[1530nm；1570nm])优选δλ＝20nm。
注意，这里以及整个文献中所述的FMF适合用在(在最低限度上)整个“C波段”内，而且在一些情况下还适合用于S波段、C波段、U波段和L波段。
根据本发明的另一方面，所述光纤支持六个LP导模；在λ＝λC(例如，λC＝1550nm)处，Max|DMGD|<25ps/km，并且优选Max|DMGD|<15ps/km，以及对于λ∈[λC-δλ；λC+δλ]，Max|DMGD|<50ps/km，并且优选Max|DMGD|<30ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及2δλ是所述工作波段的宽度，(例如，对于λ∈[1530nm；1570nm])优选δλ＝20nm。
因而，差分模式组延迟在所有的扩展C波段上非常低，同时满足了使LP模的数量增加至多达六个的挑战。
根据本发明的另一方面，所述光纤支持九个LP导模；在λ＝λC(例如，λC＝1550nm)处，Max|DMGD|<100ps/km，并且优选Max|DMGD|<60ps/km，以及对于λ∈[λC-δλ；λC+δλ]，Max|DMGD|<200ps/km，并且优选Max|DMGD|<120ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及2δλ是所述工作波段的宽度，(例如，对于λ∈[1530nm；1570nm])优选δλ＝20nm。
因而，差分模式组延迟在所有的扩展C波段上(并且更一般地在任何标准化波长波段：C波段、L波段、U波段、S波段、…)相当低，同时满足了使LP模的数量增加至多达九个的挑战。
根据本发明的又一方面，所述光纤支持十二个LP导模；在λ＝λC(例如，λC＝1550nm)处，Max|DMGD|<150ps/km，并且优选Max|DMGD|<120ps/km，以及对于λ∈[λC-δλ；λC+δλ]，Max|DMGD|<300ps/km，并且优选Max|DMGD|<250ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及2δλ是所述工作波段的宽度，(例如，对于λ∈[1530nm；1570nm])优选δλ＝20nm。
因而，差分模式组延迟在所有的扩展C波段上(并且更一般地在任何标准化波长波段：C波段、L波段、U波段、S波段、…)仍保持低，同时满足了使LP模的数量增加至多达十二个的挑战，这在光纤容量方面是非常值得关注的增加。
根据本发明的又一方面，所述光纤支持十六个LP导模；在λ＝λC(例如，λC＝1550nm)处，Max|DMGD|<300ps/km，并且优选Max|DMGD|<250ps/km，以及对于λ∈[λC-δλ；λC+δλ]，Max|DMGD|<600ps/km，并且优选Max|DMGD|<500ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及2δλ是所述工作波段的宽度，(例如，对于λ∈[1530nm；1570nm])优选δλ＝20nm。
因而，差分模式组延迟在所有的扩展C波段上(并且更一般地在任何标准化波长波段：C波段、L波段、U波段、S波段、…)足够低以确保良好的***距离，同时LP模的数量已极大地增加至多达十六个。
根据有利特征，所述光纤所引导的LP模的有效面积Aeff<400μm2，优选Aeff<350μm2，并且在1550nm处在弯曲半径为10mm的情况下，弯曲损耗<100dB/turn，优选<50dB/turn；以及，在λ＝λC处，LP泄漏模的泄漏损耗>0.1dB/m，优选>0.5dB/m。
这种少模光纤呈现弯曲损耗和泄漏损耗之间的非常良好的权衡。这种相对较大的有效面积限制了模内非线性。
本发明的另一方面涉及一种光链路，其包括如这里在以上任意实施例中所述的至少一个光纤。
这种光链路可以包括任意数量的串连光纤，只要这些光纤其中之一至少符合本发明所述的特征即可。这种光链路还可以包括全部符合本发明的特征的多个光纤。
本发明的另一方面涉及一种光学***，其包括如这里在以上任意实施例中所述的至少一个光纤。
附图说明
根据以下以指示性且非穷尽性的示例的方式给出的说明以及根据附图，本发明的实施例的其它特征和优点将变得明显，其中：
-图1示意性示出根据这里所述的一个或多个实施例的光纤的截面；
-图2A以图形提供根据本发明的第一实施例的光纤的折射率分布；
-图2B以图形提供根据本发明的第二实施例的光纤的折射率分布；
-图2C以图形提供根据本发明的第三实施例的光纤的折射率分布；
-图3示出针对根据本发明的渐变折射率槽辅助结构、差分模式组延迟随着支持6～16个LP导模的少模光纤的R1如何减少；
-图4示出针对根据本发明的渐变折射率槽辅助结构、在本发明中针对支持6～16个LP导模的少模光纤所述的作为R1的函数的C标准；
-图5以图形示出本发明的一些实施例所用的作为波长的函数的Max|DMGD|；
-图6示出本发明的一些实施例所用的作为α的函数的Max|DMGD|；
-图7示出根据本发明的实施例的光链路；
-图8A和8B示出根据本发明的光学***的实施例。
具体实施方式
本发明的一般原理是提出相对于现有技术的FMF呈现减小的差分模式组延迟并且支持更多的LP模的精心设计的槽辅助渐变折射率少模光纤。更精确地，这种设计的目的在于提供相对于现有技术的FMF的、减小的差分模式组延迟、减少的弯曲损耗和增加的泄漏损耗之间的改进的权衡。
在光纤中行进的光实际形成通常被称为LP(线偏振)模的混合型模。LP0p模具有两个偏振自由度并且是二重简并，并且m≥1的LPmp模是四重简并。在指定光纤中传播的LP模的数量的情况下，这些简并不计算在内。因而，具有两个LP模的少模光纤支持所有的LP01模和LP11模的传播，或者引导6个LP模的少模光纤支持所有的LP01模、LP11模、LP02模、LP21模、LP12模和LP31模的传播。
现在将详细参考在附图中例示了示例的少模光纤的实施例。只要有可能，在所有附图中将使用相同的附图标记以指代相同或相似的部分。
在图1中以截面图示意性示出根据本发明的少模光纤的一个实施例。光纤10通常具有被玻璃包层包围的玻璃纤芯20。玻璃纤芯20的半径R1通常约为13.5μm～20μm。包层通常具有内半径R1和外半径R4。在这里所示和说明的实施例中，纤芯20和包层通常包括二氧化硅、具体是二氧化硅玻璃。光纤10的截面相对于纤芯20的中心通常可以呈圆对称。在这里所述的一些实施例中，半径R4(即，光纤10的玻璃部分的半径)约为62.5μm。然而，应当理解，可以调整包层的尺寸，以使得半径R4可以大于62.5μm或者小于62.5μm。光纤10还包括内半径为R4且外半径为R5的涂层60。这种涂层可以包括多个层，并且显然这种涂层可以是双层涂层，但在图1上没有示出这些不同的层。必须注意，R4和R5是涂层的下限和上限，而与这两者之间的层数无关。在这里所述的一些实施例中，半径R5约为122.5μm(但该半径R5可以大于122.5μm或者小于122.5μm)。在替代实施例中，其它尺寸可以如下：R4＝40μm或R4＝50μm，并且R5＝62.5μm。
图2A示出根据本发明的第一实施例的光纤10的折射率分布n(r)。该折射率分布n(r)描述折射率值n和相对于光纤中心的距离r之间的关系。x轴表示径向位置，其中x＝0表示纤芯区域的中心，并且y轴表示折射率(除非另外说明，否则表示为折射率差Dn)。
在该第一实施例中，光纤10具有如下定义的折射率分布n(r)的光纤芯20：
其中：
r是表示光纤的半径的变量；
R1是光纤芯半径；
Δ是归一化折射率差，其中
n1是光纤芯的最小折射率；
n0是光纤芯的最大折射率；
α是定义光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数。
光纤芯20的阿尔法折射率分布使得能够减少光纤10的模间色散。
光纤芯20被光包层直接包围，其中该光包层至少包括内半径为R2且外半径为R3的还被称为槽的凹型折射率环40、以及内半径为R3的外包层50。在一些实施例中，这种外包层50包括纯二氧化硅玻璃(SiO2)，因而外包层50的折射率nCl是该纯二氧化硅玻璃的折射率。该槽40相对于外包层的折射率具有负的折射率差Dn3＝ntrench-nCl，并且该槽40的位置和大小被设计成提高了光纤的抗弯曲损耗性。
优选地，槽40被设计成满足以下标准：
其中，Dn3＝ntrench-nCl是λ＝λC处的槽-包层折射率差，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长。
这种标准使得能够达到光纤中的弯曲损耗和泄漏损耗之间的良好权衡。
包层还可以可选地包括内半径为R1且外半径为R2的内包层30。因而，槽40可以经由内包层30与纤芯20分隔开。可选地，槽40可以包围并直接接触纤芯部分20。
在该第一实施例中，内包层30具有恒定的折射率n2，使得n2>ntrench，并且该折射率n2相对于光纤外包层可以呈现负或正(图2A中以虚线示出)的折射率差Dn2＝n2-nCl。
包层中的不同部分30、40、50可以包括纯二氧化硅玻璃(SiO2)、诸如包层的部分为“高掺杂(up-doped)”的情况等的具有使折射率增加的一个或多个掺杂物(例如，GeO2或任何其它已知的掺杂物)的二氧化硅玻璃、或者诸如包层的部分(例如，针对槽40)为“低掺杂(down-doped)”的情况等的具有使折射率减小的掺杂物(诸如氟等)的二氧化硅玻璃。
尽管图1并未示出，但对于r>R3的情况，外包层50还可以包括折射率更低或更高的其它部分或层。
在图2A所例示的第一实施例中，纤芯的最小折射率n1等于外包层的折射率nCl。
低掺杂型槽40可以提供更低的弯曲损耗。
图2B示出根据本发明的第二实施例的光纤的折射率分布n(r)。这种分布与第一实施例的分布的不同之处在于：纤芯的最小折射率n1不等于外包层的折射率nCl，但相对于光纤外包层可以呈现负或正(图2B中以虚线示出)的折射率差。在包层包括内包层30的情况下，纤芯的最小折射率n1等于内包层的恒定折射率n2，从而可以相对于光纤外包层呈现负或正(图2B中以虚线示出)的折射率差Dn2＝n2-nCl。
如第一实施例那样，对于r>R3的情况，外包层50还可以包括折射率更低或更高的其它部分或层。
如第一实施例那样，槽40优选被设计成满足以下标准：
其中，Dn3＝ntrench-nCl是λ＝λC处的槽-包层折射率差，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长。
图2C示出根据本发明的第三实施例的光纤的折射率分布n(r)。
在该第三实施例中，内包层30是渐变折射率纤芯20的扩展，使得光纤芯20和内包层30这两者都具有如下定义的折射率分布n(r)：
其中：
r是表示光纤的半径的变量；
R2是内包层30的外半径；
Δ是归一化折射率差，其中
n1是内包层的最小折射率(即，半径R2处的折射率)；
n0是光纤芯的最大折射率；
α是定义光纤和内包层这两者的折射率分布形状的无量纲参数。
因而，在该第三实施例中，术语“单一α渐变折射率分布”与前两个实施例相比具有略微不同的含义，这是因为该渐变折射率分布超出光纤芯，直到内包层的外边缘为止。
光包层还至少包括内半径为R2且外半径为R3的凹型折射率环40、以及内半径为R3的外包层50。在一些实施例中，这种外包层50包括纯二氧化硅玻璃(SiO2)，因而外包层50的折射率nCl是该纯二氧化硅玻璃的折射率。槽40相对于外包层的折射率具有负的折射率差Dn3＝ntrench-nCl，并且该槽40的位置和大小被设计成提高了光纤的抗弯曲损耗性。
如第一实施例和第二实施例那样，对于r>R3的情况，外包层50还可以包括折射率更低或更高的其它部分或层。
如第一实施例和第二实施例那样，槽40优选被设计成满足以下标准：
其中，Dn3＝ntrench-nCl是λ＝λC处的槽-包层折射率差，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长。
图3示出根据图2A～2C的实施例其中之一的、光纤中所引导的任意两个LP模之间的差分模式组延迟的最大值Max|DMGD|随着引导6个模式、9个模式、12个模式和16个模式的FMF的纤芯半径R1如何减小。x轴示出在12～16μm的范围内的光纤的纤芯半径R1。y轴示出用对数标度的以ps/km为单位表示的Max|DMGD|。曲线31与引导6个LP模的FMF相对应；曲线32与引导9个LP模的FMF相对应；曲线33与引导12个LP模的FMF相对应，而曲线34与引导16个LP模的FMF相对应。
图4共同示出根据图2A～2C的实施例其中之一的、标准同样随着引导6个模式、9个模式、12个模式和16个模式的FMF的纤芯半径R1如何减小，其中：DMGD是所述光纤中的两个导模之间的差分模式组延迟，并且Dn1＝n0-nCl是λ＝λC处的纤芯-包层折射率差，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长。x轴示出在12～16μm的范围内的光纤的纤芯半径R1。y轴示出0～30的范围内的C标准。曲线41与引导6个LP模的FMF相对应；曲线42与引导9个LP模的FMF相对应；曲线43与引导12个LP模的FMF相对应，而曲线44与引导16个LP模的FMF相对应。
如通过这两个图可以观察到，通过将纤芯半径设置成R1≥13.5μm，可以获得良好的权衡。这样使得无论光纤中的LP导模的数量如何、都能够达到Max|DMGD|的低值。通过将纤芯半径的下限设置为13.5μm，可以在FMF中引导大量的LP模，因而达到良好的每光纤容量，另外由于Max|DMGD|值较低，因而能够连接长距离。
一旦将纤芯半径设置为最小值13.5μm，则可以根据图4推断出，将C标准的适当上限设置为值18：C<18。利用图4上的水平直线45示出本发明的FMF可容许的上限。
如通过图3和4可以观察到，对于支持6个LP导模的FMF，归一化频率(其中，λ是工作波长)优选为7.8～9.8。在λ、这里为1550nm(并且更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)处，Max|DMGD|优选<25ps/km，并且更优选<15ps/km。在1530～1570nm内(并且更一般地，对于任何工作波长波段[λC-δλ；λC+δλ]，其中2δλ是所述工作波段的宽度，优选δλ＝20nm，例如C波段、或者L波段、S波段或U波段等)，Max|DMGD|还优选<50ps/km，并且更优选<30ps/km。
对于支持9个LP导模的FMF，V优选为9.8～11.8。在λ、这里为1550nm处(并且更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)，Max|DMGD|优选<100ps/km，并且更优选<60ps/km。在1530～1570nm内(并且更一般地，对于任何工作波长波段[λC-δλ；λC+δλ]，其中2δλ是所述工作波段的宽度，优选δλ＝20nm，例如C波段、或者L波段、S波段或U波段等)，Max|DMGD|还优选<200ps/km，并且更优选<120ps/km。
对于支持12个LP导模的FMF，V优选为11.8～13.8。在λ、这里为1550nm处(并且更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)，Max|DMGD|优选<150ps/km，并且更优选<120ps/km。在1530～1570nm内(并且更一般地，对于任何工作波长波段[λC-δλ；λC+δλ]，其中2δλ是所述工作波段的宽度，优选δλ＝20nm，例如C波段、或者L波段、S波段或U波段等)，Max|DMGD|还优选<300ps/km，并且更优选<250ps/km。
对于支持16个LP导模的FMF，V优选为13.8～15.9。在λ、这里为1550nm处(并且更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)，Max|DMGD|优选<300ps/km，并且更优选<250ps/km。在1530～1570nm内(并且更一般地，对于任何工作波长波段[λC-δλ；λC+δλ]，其中2δλ是所述工作波段的宽度，优选δλ＝20nm，例如C波段、或者L波段、S波段或U波段等)，Max|DMGD|还优选<600ps/km，并且更优选<500ps/km。
此外，对于支持4个LP导模的FMF，归一化频率V优选为5.7～7.8。在λ、这里为1550nm处(并且更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)，Max|DMGD|优选<20ps/km，并且更优选<10ps/km。在1530～1570nm内(并且更一般地，对于任何工作波长波段[λC-δλ；λC+δλ]，其中2δλ是所述工作波段的宽度，优选δλ＝20nm，例如C波段、或者L波段、S波段或U波段等)，Max|DMGD|还优选<30ps/km，并且更优选<20ps/km。
根据本发明实施例的FMF的所有LP导模在1550nm处，在弯曲半径为10mm的情况下，有效面积Aeff<400μm2，优选<350μm2，并且弯曲损耗<100dB/turn，优选<50dB/turn，并且所有的LP泄漏模在1550nm处(并且更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)泄漏损耗>0.1dB/m，优选>0.5dB/m，使得所有的LP泄漏模在传播了数十米之后被截除(>19.34dB(泄漏损耗))。如这里所使用的，光纤的有效面积是光纤中光进行传播的面积，并且除非另外规定，否则是在波长1550nm的情况下以所指定的模式(例如，LP01)所确定的。
尽管图3和4没有示出，但对于支持4个LP导模的FMF，V优选为5.7～7.8。在λ、这里为1550nm处(并且更一般地，在λ＝λC处，其中λC是光纤期望的任何工作波段的中心波长)，Max|DMGD|优选<20ps/km，并且更优选<10ps/km。在1530～1570nm内(并且更一般地，对于任何工作波长波段[λC-δλ；λC+δλ]，其中2δλ是所述工作波段的宽度，优选δλ＝20nm，例如C波段、或者L波段、S波段或U波段等)，Max|DMGD|还优选<30ps/km，并且更优选<20ps/km。
表1给出根据图2B的实施例的FMF的示例的折射率分布的参数以及与Max|DMGD|、特定纤芯标准C和槽标准T有关的结果。
表1：
在表1中，纤芯标准是如下的C参数：将槽标准T定义为根据优选实施例，55≤T≤150。如可以注意到，对于引导4个LP模的FMF的示例0，尽管C标准满足C＝15.3<18，但由于T＝37.8，因此不满足T标准。然而，在LP模的数量“少”(即，4个)的这种情况下，更容易满足弯曲损耗和泄漏损耗之间的权衡。
表2给出表1中支持模LP01、LP11、LP21和LP02这4个LP导模的示例的LP模的特性。
表2：
在表2以及以下公开的表3～6中，Dneff代表有效折射率差，CD代表以ps/nm-km为单位表示的色度色散(色度色散是材料色散、波导色散和模间色散的总和)，并且以dB/turn为单位表示的弯曲损耗是在10mm的弯曲半径处所给出的。以μm2为单位表示的Aeff指定了LP导模的有效面积。差分模式组延迟DMGD是针对第一导模LP01所测量的，并且以ps/km为单位表示。LP12和LP31是泄漏模。
表3给出表1中支持6个LP导模的示例(也就是说，示例1、2和3)在波长λ＝1550nm处的LP模的特性。
表3：
LP03、LP22和LP41是泄漏模。
表4给出表1中支持9个LP导模的示例(也就是说，示例4和5)在波长λ-1550nm处的LP模的特性。如该表可以观察到，LP13、LP32和LP51是泄漏模。
表4：
表5给出表1中支持12个LP导模的示例(示例6和7)的LP模的特性。LP04、LP23、LP42和LP61是泄漏模。
表5：
表6给出表1中支持16个LP导模的示例(示例8、9和10)的LP模的特性。LP14、LP33、LP52和LP71是泄漏模。
表6：
图5示出支持6～16个LP导模的少模光纤的作为波长的函数的Max|DMGD|的演变。更精确地，图5示出表1所列出的示例2、5、6和9的作为波长的函数的Max|DMGD|。如图2B所示，这些示例与根据本发明的第二实施例的少模光纤相对应。
x轴示出1530～1570nm的范围内的光纤所引导的光的波长。y轴示出以ps/km为单位表示且在0～200的范围内的、任意两个LP导模之间的Max|DMGD|。曲线51与示例2的引导6个LP模的FMF相对应；曲线52与示例5的引导9个LP模的FMF相对应；曲线53与示例6的引导12个LP模的FMF相对应，而曲线54与示例9的引导16个LP模的FMF相对应。
如图可以看出，Max|DMGD|在1530～1570nm的整个扩展C波段内保持较低。该扩展C波段内的Max|DMGD|斜率的绝对值<3ps/km/nm，优选<2ps/km/nm，并且更优选<1ps/km/nm。
图6示出针对支持6～16个LP导模的FMF的作为渐变折射率分布的α参数的函数的Max|DMGD|的演变。更精确地，图6示出表1所列出的示例2、4、7和8的作为α的函数的Max|DMGD|。如图2B所示，这些示例与根据本发明的第二实施例的少模光纤相对应。
x轴示出作为定义渐变折射率光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数的α的值，其中该α在1.91～1.99的范围内。y轴示出以ps/km为单位表示且在0～200的范围内的、任意两个LP导模之间的Max|DMGD|。曲线61与示例2的引导6个LP模的FMF相对应；曲线62与示例4的引导9个LP模的FMF相对应；曲线63与示例7的引导12个LP模的FMF相对应，而曲线64与示例8的引导16个LP模的FMF相对应。
如图6所示，存在α的最佳值，其中对于这些最佳值，Max|DMGD|具有最小值。比这些“最佳α”更低的α以及比这些“最佳α”更高的α通常展现出符号相反的DMGD。
通过精心选择尽可能接近最佳的α值，可以设计使Max|DMGD|值最小化的少模光纤。根据本发明的少模光纤10具有低的损耗和小的差分组延迟，并且适合用在光传输***中，特别是利用空分复用且是针对长途传输所配置的光传输***中。
图7示出根据本发明实施例的光链路70。这种光链路包括拼接到一起的p段光纤，其中p≥2。图7仅示出光纤701和光纤70p，其中利用虚线来表示光链路中的所有其它可能的光纤。光链路70内的光纤中的至少一个光纤如下：该光纤包括上述的一个实施例的特征。换句话说，这些光纤中的至少一个光纤包括具有单一α渐变折射率分布且半径R1≥13.5μm的纤芯以及具有凹槽的包层，并且该光纤如下：该光纤满足标准C≤18。然而，光链路70还可以如下：该光链路70所包括的多个光纤或所有光纤符合本发明的实施例。光纤链路70的长度为L km，其中该L km可以是几十或几百千米。在示例中，存在至少两段光纤701和702。在另一示例中，存在至少五段光纤701～705。在又一示例中，存在至少十段光纤701～7010。
图8A和8B示出根据本发明的光学***的实施例。
根据图8A中的第一个实施例，这种光学***包括利用包括至少一段光纤的光纤链路70光学连接的收发器81和接收器85。收发器81包括光源(诸如激光器等)，并且生成图8A的光学***中所使用的附图标记为1、2、…、n的n个LP模。模复用器82复用n个LP模，并且光学地连接至光链路70，其中该光链路70将复用的n个LP模向着光学地连接至光链路70的末端的模解复用器83引导。
模解复用器83对复用的n个LP模进行解复用，并且将各LP模馈送到放大器84中。在放大器84的输出处，LP模进入接收器85。
这种光学***可以包括M个光链路(或M段光纤)。在示例中，M＝1；在另一示例中，M＝2；在另一示例中，M＝5；在又一示例中，M＝10。在光学***包括M个光链路或M段的情况下，该光学***针对该光学***所引导的各LP模还包括M个模复用器82、M个模解复用器83和M个放大器84。
图8B中的实施例与图8A中的第一个实施例的不同之处在于：放大器84放大光纤70所引导的所有LP模；如此，放大器84光学地连接在光链路70的输出和模解复用器83的输入之间。在该第二个实施例中，在光学***包括M个光链路或M段的情况下，该光学***还包括M个放大器84；然而，在收发器81和光链路70之间仅光学地连接一个模复用器82，并且在放大器84和接收器85之间仅光学地连接一个模解复用器83。
图8A和8B的实施例仅是作为示例所给出的，并且根据本发明的光纤当然还可用在任何其它种类的光学***中。

Claims (37)

1.一种光纤，包括光纤芯和包围所述光纤芯的光包层，所述光纤芯具有α≥1的单一α渐变折射率分布，其中α是用于定义所述光纤芯的折射率分布形状的无量纲参数，并且所述光纤芯具有半径R1和最大折射率n0，所述光包层在外边缘具有折射率nCl，
所述光包层包括被称为槽的包围所述光纤芯的具有凹型折射率ntrench的区域，所述槽具有内半径R2和外半径R3，其中R2≥R1，并且R3>R2，
所述光纤的特征在于，所述光纤芯的半径R1满足通过以下等式所定义的光通信的质量标准C：
其中，DMGD是所述光纤中的两个导模之间的差分模式组延迟，Max|DMGD|是导模的任意组合之间的DMGD的最大绝对值，以及Dn1＝n0-nCl是λ＝λC处的纤芯-包层折射率差，λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及
选择所述渐变折射率分布的α值和所述光纤芯的半径R1，以使得R1≥13.5μm并且C≤18。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述光纤芯的半径R1如下：R1≤20μm。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述槽具有满足以下关系的参数：
其中，Dn3＝ntrench-nCl是λ＝λC处的槽-包层折射率差。
4.根据权利要求3所述的光纤，其中，Dn3≤-3.10-3。
5.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤引导至少4个LP模。
6.根据权利要求5所述的光纤，所述光纤引导4～16个LP模。
7.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤引导至少6个LP模。
8.根据权利要求7所述的光纤，其中，所述光纤引导6～16个LP模。
9.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤的最小折射率n1＝nCl，以及所述光包层还包括直接包围所述光纤芯的内包层，所述内包层具有内半径R1和外半径R2，并且R2≥R1，其中所述内包层具有如下的恒定折射率n2：n2≠nCl且n2>ntrench。
10.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤的最小折射率n1≠nCl，以及所述光包层还包括直接包围所述光纤芯的内包层，所述内包层具有内半径R1和外半径R2，并且R2≥R1，其中所述内包层具有如下的恒定折射率n2：n2＝n1且n2>ntrench。
11.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤的最小折射率等于nCl，以及所述光包层还包括直接包围所述光纤芯的内包层，所述内包层具有内半径R1和外半径R2，并且R2≥R1，其中所述内包层是所述光纤芯的所述单一α渐变折射率分布的延伸，以及所述内包层的最小折射率n1＝ntrench。
12.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤支持四个LP导模；在λ＝λC处，Max|DMGD|<20ps/km，以及对于λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，Max|DMGD|<30ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及2δλ是所述工作波段的宽度。
13.根据权利要求12所述的光纤，其中，在λ＝λC处，Max|DMGD|<10ps/km。
14.根据权利要求12所述的光纤，其中，对于λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，Max|DMGD|<20ps/km。
15.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤支持六个LP导模；在λ＝λC处，Max|DMGD|<25ps/km，以及对于λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，Max|DMGD|<50ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及2δλ是所述工作波段的宽度。
16.根据权利要求15所述的光纤，其中，在λ＝λC处，Max|DMGD|<15ps/km。
17.根据权利要求15所述的光纤，其中，对于λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，Max|DMGD|<30ps/km。
18.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤支持九个LP导模；在λ＝λC处，Max|DMGD|<100ps/km，以及对于λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，Max|DMGD|<200ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及2δλ是所述工作波段的宽度。
19.根据权利要求18所述的光纤，其中，在λ＝λC处，Max|DMGD|<60ps/km。
20.根据权利要求18所述的光纤，其中，对于λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，Max|DMGD|<120ps/km。
21.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤支持十二个LP导模；在λ＝λC处，Max|DMGD|<150ps/km，以及对于λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，Max|DMGD|<300ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及2δλ是所述工作波段的宽度。
22.根据权利要求21所述的光纤，其中，在λ＝λC处，Max|DMGD|<120ps/km。
23.根据权利要求21所述的光纤，其中，对于λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，Max|DMGD|<250ps/km。
24.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤支持十六个LP导模；在λ＝λC处，Max|DMGD|<300ps/km，以及对于λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，Max|DMGD|<600ps/km，其中λC是所述光纤期望的工作波段的中心传输波长，以及2δλ是所述工作波段的宽度。
25.根据权利要求24所述的光纤，其中，在λ＝λC处，Max|DMGD|<250ps/km。
26.根据权利要求24所述的光纤，其中，对于λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，Max|DMGD|<500ps/km。
27.根据权利要求12所述的光纤，其中，λC＝1550nm，并且δλ＝20nm。
28.根据权利要求15所述的光纤，其中，λC＝1550nm，并且δλ＝20nm。
29.根据权利要求18所述的光纤，其中，λC＝1550nm，并且δλ＝20nm。
30.根据权利要求21所述的光纤，其中，λC＝1550nm，并且δλ＝20nm。
31.根据权利要求24所述的光纤，其中，λC＝1550nm，并且δλ＝20nm。
32.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，所述光纤所引导的LP模的有效面积Aeff<400μm2，并且在1550nm处在弯曲半径为10mm的情况下，弯曲损耗<100dB/turn，以及在λ＝λC处，LP泄漏模的泄漏损耗>0.1dB/m。
33.根据权利要求32所述的光纤，其中，所述光纤所引导的LP模的有效面积Aeff<350μm2。
34.根据权利要求32所述的光纤，其中，在1550nm处在弯曲半径为10mm的情况下，弯曲损耗<50dB/turn。
35.根据权利要求32所述的光纤，其中，在λ＝λC处，LP泄漏模的泄漏损耗>0.5dB/m。
36.一种光链路，其包括至少一个根据权利要求1至35中任一项所述的光纤。
37.一种光学***，其包括至少一个根据权利要求1至35中任一项所述的光纤。
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