彎曲優化多模光纖的dmd性能的改進的製作方法

2023-05-30 16:09:41

專利名稱：彎曲優化多模光纖的dmd性能的改進的製作方法
技術領域：
本申請中所描述和要求權利的發明涉及針對不尋常的彎曲損耗和模式色散特性而設計的多模光纖。
背景技術：
光纖在彎曲時會洩漏光能的趨勢自從該技術的初期就已經被熟知。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。然而，在實際中該原理是受限制的，並且光纖經常具有曲率超過光導包含全部光的能力的彎曲。控制彎曲時的傳輸特性是幾乎每個實際光纖設計中的問題。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通過設計強健的線纜或短距離時通過在微管中安裝光纖來很大程度上實現，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，在光纖端部也會遇到一定彎曲。控制彎曲損耗還可以通過光纖本身的物理設計來解決。因此，在光纖折射率分布的邊緣往往會有用以控制彎曲損耗的環形特徵或溝槽特徵或其組合。例如參見美國專利4，691，990和4，852，968，以及2009年8月17日提交的序號為12/583212的美國專利申請，所有這些都通過弓I用結合於此。在傳統的漸變折射率多模光纖中，當光纖彎曲時，高階模式比低階模式損耗更大。在彎曲優化多模光纖設計(BOMMF)中，溝槽位於漸變折射率芯部的外邊緣以最小化高階模式的彎曲損耗。如本領域眾所周知的，溝槽是指位於包層區域中的具有低凹的折射率的環形區域，且其是包層區域的一部分。與BOMMF設計相關的問題是，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。取決於BOMMF設計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麼更快要麼更慢。因此，由於溝槽對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重畸變的。該模式色散經常用差分模式時延(DMD)測量值來表徵。具有溝槽的BOMMF設計的挑戰是在控制高階模式的DMD的同時維持良好的彎曲損耗性能。理想地，光纖同時具有良好的彎曲損耗性能和良好的DMD性能。此外，製作這樣的光纖的過程應當是穩健的並且易於控制。在典型的用溝槽幫助控制彎曲損耗的光纖設計中，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矽並且折射率比二氧化矽更高(正Λη)或更低(負Λη)。肩部的寬度可以是用於跟其它設計參數組合以改變光纖特性的設計變量。用於控制DMD和彎曲損耗性能的附加手段是截短(truncate)芯部的邊緣。

發明內容
我們發現，在BOMMF中，用肩部將溝槽與輕微截短的芯部隔開會得到良好的DMD控制，並且，當凸臺(ledge)被加到肩部時會得到更好的DMD控制。


圖I是示出標準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延(DMD)軌跡，示出了從O 25微米半徑位置的模式時延；圖4示出了根據本發明的一個方面，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延(DMD)軌跡，示出了從O 25微米半徑位置的模式時延；圖6示出了具有通過增加凸臺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。
具體實施例方式彎曲損耗發生在單模和多模光纖兩者中。多模光纖典型地用於短距離通信，例如在數據中心內、企業LAN、SAN等。多模光纖的優點一部分在於能夠將這種光纖與簡單且經濟合算的光源耦合。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射雷射器(VCSEL)雷射二極體已經變得在商業上普遍使用。這些雷射器使得雷射二極體和光纖之間能夠有效耦合，並且還能夠達到非常高的調製速率，例如，高達10. 3125Gbps。在彎曲條件下光纖的性能問題已經普遍被認為涉及由於光纖在彎曲位置處的光洩漏導致的普通的光功率損耗。在彎曲光纖時模式結構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，因為所有洩漏都涉及光纖基模中的光。然而，在多模光纖中，模式結構影響彎曲損耗，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，並因而決定了光纖的信號承載能力。對於高帶寬，多模光纖中不同模式的群速度應當儘可能相等。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，其意味著規定折射率的函數形式是光纖半徑的函數。在傳統多模光纖中，設計目的已經是要實現一種形狀，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。這就是所謂的理想α形(α芯部)分布，其中α的典型數值為I.7到2. 2。在傳統的光纖分布中，α芯部向外徑向延伸到冪律曲線(power law curve)與nclad相交的點，在典型的MMF設計中，這個點具有為O的Λη(純二氧化矽折射率)，但這不是必須的。α芯部分布設計的固有限制是，由於芯部-包層邊界處的折射率突變，高階模式不能被適當補償，並且在芯部邊緣處耦合到包層模。因此，高階模式的模式時延偏離了低階模式和中間模式。在傳統的MMF中，調整該分布可以減輕模式之間大部分或所有的模式時
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延的挑戰要大得多。因此，對於用於高速數字傳輸中的彎曲不敏感MMF (BIMMF)，需要改進的均衡高階模式的模式時延的方法。在當前的技術狀況下，光數據系統的高速傳輸一般 認為是10Gb/s或更高。彎曲損耗特性的改進可以通過在折射率分布中增加溝槽來實現。溝槽是下摻雜區域，典型地是摻雜氟的二氧化矽區域，比純二氧化矽的折射率低(負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準傳統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整光纖分布和均衡所有模式時延。應當認識到，適當定位溝槽以實現降低差分模式時延和改進彎曲損耗特性的組合是重要的。明了的是，圖2的設計中的肩部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，由於其它考慮因素，例如可供選擇的生產窄肩部的製造技術的困難、精確控制肩部寬度以實現獲得完美DMD的加工能力、具有窄肩部設計的光纖與由不同的製造技術製作的光纖的兼容性、以及與可能接合到具有窄肩部設計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普遍使用的寬度。我們已經發現如果肩部大大地延伸，例如，超過4微米，那麼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計中使用的寬度大得多。該圖具有掃描半徑從0-25 μ m的時間模式位置，並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，導致了模式色散並且減小了帶寬。根據本發明，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示出了該改良設計的折射率分布，其中特徵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大的芯部區域來修改芯部，從而在芯部邊緣和內包層之間產生折射率臺階35。用於定義截短的芯部的參數在圖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是相對於純二氧化矽折射率的折射率偏離。應當理解的是該基準點是常規的並且方便的，但是也可以用另一基準折射率值。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ΛIidad通常是0，即包層是純二氧化矽。然而，其也可以是任何合適的正值或者負值。折射率增量Λ\是芯部區域結束並且包層區域開始處的折射率增量，因而Ans = ns-nc;lad，並且在該例子中Ans以折射率的形式定義了臺階高度。
為了描述本發明，芯部被認為包括α芯部區域31和臺階35或基本上由α芯部區域31和臺階35構成。這遵循將光纖芯部定義為光纖的正摻雜(例如摻雜鍺)的中心部分的常規慣例。α芯部區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並且增量折射率從AnJ介躍到O。臺階可以定義為具有高度Ans，並且名義上寬度為O。根據本發明的實施例，Ans的絕對值可以被期望為在大約O. 001到大約O. 006的範圍內。由於折射率的絕對值從一種折射率分布到另一種折射率分布可能變化相當大，所以用比值來定義該臺階可能是方便的。(ns-nclad) / (nrnclad)的優選的比值在大約O. 02到大約O. 3的範圍內。類似於圖4的分布的光纖折射率分布在2010年2月16日提交的序號為12/658,804的美國專利申請中和2012年2月22日提交的序號為61/306，607的美國臨時申請中被描述，每個申請的全部內容再次通過引用結合於此。
對於圖4的設計，折射率分布可以大體上表達為
[U12 - (D12 - nclad2) (YfRl)T其中 r < Rl
n(r)= {
Iiclad其中 r>Rl在該表達式中，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。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可以通過下式決定Rl = R2 * [ (ni2-ns2) / (ni2-nclad2)1/α其中ns是在芯部和包層之間的臺階(圖4中的35)處的最大折射率。在這些設計中，優選但不必須的是，折射率的差值Ii1-Iielad小於O. 02。Ii1-Iielad的優選範圍是大約O. 014到大約O. 02。在這些設計中，優選但不必須的是，Rl的值在大約22微米到大約34微米的範圍內。圖5示出了芯部邊緣臺階對光纖DMD的影響。圖5中的DMD比圖3中的DMD有了相當大的改善。然而，較高階模式仍然呈現出模式色散，如在徑向位置21 μ m和25 μ m之間的畸變的多個脈衝所表明的那樣。圖4示出的小的DMD畸變可以通過調整漸變折射率區域的折射率分布而得到均衡。我們發現，在具有截短的芯部設計的光纖中，當如圖4中所示高階模式傳播得比較低階模式慢時，可以通過在芯部邊緣臺階處增加凸臺來進一步改進DMD。其被示於圖6中。折射率分布的α部分仍然用31表示，並且半徑Rl與圖4中的相同。然而，形成截短的芯部邊緣的臺階(圖4中的35)向遠離芯部中心的方向移動了 R3-R1的距離以形成凸臺51。此外，凸臺區域的折射率總是小於或等於漸變芯部區域的端部的折射率。應當注意的是，在圖6中凸臺的折射率和漸變芯部區域的端部的折射率相等。距離R3-R1優選在大約O. I到大約O. 3微米的範圍內。內包層寬度32優選大於O. 5微米並且優選在O. 5到12微米的範圍內。圖7中示出了凸臺對圖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，凸臺寬度被選擇為O. 3微米，並且凸臺折射率與漸變芯部區域的端部的折射率相等。圖7中的DMD比圖5中的DMD有了相當大的改善，並且在徑向位置0-25 μ m處(在半徑位置-I μ m處的曲線為基準脈衝)，所有模式具有均衡的DMD。溝槽 的參數是常規的。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 (純二氧化矽)，但是也可以具有其它值並且可以具有其它特徵，例如環形特徵。以上描述的光纖設計有利地用於將垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)作為光源的系統中。與VCSEL光源相耦合的本發明的光纖展示出優異的系統性能。總之，本發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域。以折射率分布的形式來示出這些α芯部區域——具有如以上定義的基本上為α分布的區域，其從折射率增量為An1的光纖中心徑向延伸到距離Rl。凸臺——從Rl向外徑向延伸到半徑為R3的區域，具有折射率增量Ans，其中R3-R1優選在O. I到3微米範圍內，並且其中Λ ns優選在大約O. 001到O. 006範圍內。內包層——從R3徑向延伸的區域，具有折射率增量Λ Iicdad，延伸距離大於O. 5微米並且優選為O. 5到12微米。溝槽——在內包層和外包層之間延伸的區域，典型地具有小於-O. 002的折射率增量(Iit^h-Iidad)，以及大於2微米的溝槽寬度。外包層——從溝槽區域向外徑向延伸的區域。在結束詳細說明時，應當注意的是對於本領域技術人員來說基本上不偏離本發明的原理而可以對優選實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於此而包含於本發明的範圍內，像所附的權利要求闡明的那樣。
權利要求
1.一種多模光纖,具有中心並且包括從中心向外徑向延伸的以下一系列同心區域 基本上為α分布的α芯部區域，其從光纖的中心徑向延伸到距離R1，位於中心的芯部區域在芯部中心具有折射率Il1, 凸臺區域，其從Rl延伸到R3並且具有折射率\，其中R3-R1定義了凸臺的寬度；內包層區域，其具有折射率ndad，並且從R3向外徑向延伸，延伸距離大於O. 5微米，其中Ans定義了凸臺區域的折射率差並且Ans = ns-nclad ； 溝槽區域，其從內包層區域向外徑向延伸；以及 外包層區域，其從溝槽區域向外徑向延伸。
2.如權利要求I所述的多模光纖，其中Ans的絕對值在大約O.OOl到大約O. 006的範圍內。
3.如權利要求I所述的多模光纖，其中R3-R1的值在大約O.I到大約3微米的範圍內。
4.如權利要求I所述的多模光纖，其中(Ii1-Iidad)的值在大約O.005到大約O. 03的範圍內。
5.如權利要求I所述的多模光纖，其中(Ii1-Iicdad)在大約O.014到大約O. 02的範圍內。
6.如權利要求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的範圍內。
7.如權利要求I所述的多模光纖，其中Rl在大約12微米到大約34微米的範圍內。
8.如權利要求2所述的多模光纖，其中(η.-η_ζ)大致為O。
9.如權利要求I所述的多模光纖，其中內包層區域從R3向外徑向延伸，延伸距離在大約O. 5微米到大約12微米的範圍內。
10.如權利要求I所述的多模光纖，其中溝槽具有小於-O.002的折射率增量(ntrench-nclad)以及大於2微米的寬度。
11.如權利要求I所述的多模光纖，其中所述同心區域被配置為使得校高模式的模式時延與較低主模式的模式時延相等。
12.如權利要求I所述的多模光纖，其中α芯部區域具有 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，並且α的值在I. 7到2. 2的範圍內。
13.—種光纖子系統，包括耦合到垂直腔表面發射雷射器的如權利要求I所述的光纖。
14.一種光學系統,包括 a)雷射發射機， b)光接收機， c)如權利要求I所述的多模光纖，其耦合在所述發射機和接收機之間。
15.—種多模光纖,其具有中心並且包括從中心向外徑向延伸的以下一系列同心區域 基本上為α分布的α芯部區域，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定義的折射率臺階，其中ns為Rl處的折射率，nelad為內包層區域的折射率，其中內包層區域從Rl向外徑向延伸，延伸距離大於O. 5微米，溝槽區域，其從內包層區域徑向延伸；以及 外包層區域，其從溝槽區域向外徑向延伸。
16.如權利要求15所述的多模光纖，其中Ans的絕對值在大約O.OOl到大約O. 003的範圍內。
17.如權利要求15所述的多模光纖，其中(Ii1-Iidad)的值在大約O.005到大約O. 03的範圍內。
18.如權利要求15所述的多模光纖，其中(Ii1-Iielad)在大約O.014到大約O. 02的範圍內。
19.如權利要求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的範圍內。
20.如權利要求15所述的多模光纖，其中Rl在大約12微米到大約34微米的範圍內。
21.如權利要求16所述的多模光纖,其中(Xlad-Iiquartz)大致為O。
22.如權利要求15所述的多模光纖，其中內包層區域從Rl向外徑向延伸，延伸距離在大約O. 5微米到大約12微米的範圍內。
23.如權利要求15所述的多模光纖，其中溝槽具有小於-O.002的折射率增量(ntrench-nclad)以及大於2微米的寬度。
24.如權利要求15所述的多模光纖，其中所述同心區域被配置為使得較高模式的模式時延與較低主模式的模式時延相等。
25.如權利要求15所述的多模光纖，其中α芯部區域具有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，並且α的值在I. 7到2. 2的範圍內。
26.一種光纖子系統，包括耦合到垂直腔表面發射雷射器的如權利要求15所述的光纖。
27.—種光學系統,包括 a)雷射發射機， b)光接收機， c)如權利要求15所述的多模光纖，其耦合在所述發射機和接收機之間。
全文摘要
一種光纖折射率分布設計，其具有α芯部分布和負折射率溝槽以控制彎曲損耗，該設計通過截短α芯部分布的邊緣和在截短的芯部增加凸臺而得以改進。其結果是低的彎曲損耗並且保持了低的差分模式時延和高帶寬。
文檔編號G02B6/028GK102884458SQ201180013759
公開日2013年1月16日 申請日期2011年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者蔣新力, 金真基, G·歐倫德森, 孫懿 申請人:Ofs菲特爾有限責任公司