CN107407774A

CN107407774A - 多模光纤

Info

Publication number: CN107407774A
Application number: CN201680015260.3A
Authority: CN
Inventors: D·C·布克班德; M-J·李; G·彭; P·坦登
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2017-11-28
Also published as: EP3268781A1; WO2016144923A1; US20160266308A1; US9594212B2

Abstract

一种多模光纤包括纤芯部分(102)，所述纤芯部分由有意掺杂有单掺杂剂的SiO₂形成，其中，所述单掺杂剂为磷或磷化合物。玻璃包层部分(103)包围并且直接接触所述纤芯部分(102)。所述玻璃包层部分包括外包层部分(108)和布置在所述纤芯部分(102)与所述外包层部分(108)之间的低折射率壕沟(106)。所述光纤针对波长工作窗口内的每个波长还可以具有大于或等于2000MHz‑km的带宽，所述波长工作窗口以从约850nm至约1310nm的工作波长范围内的波长为中心，所述波长工作窗口具有大于100nm的宽度。所述光纤还可以在850nm处具有小于或等于0.5dB/(绕15mm直径芯棒2圈)的限制发射弯曲损耗。

Description

多模光纤

本申请根据35U.S.C.§119要求于2015年3月12日提交的美国临时申请序列号62/131,883的优先权权益，所述美国临时申请的内容被用作依据并且通过引用以其全部内容结合在此。

背景技术

技术领域

本发明总体涉及光纤，并且更具体地，涉及具有掺杂有磷或磷化合物的纤芯部分的高带宽多模光纤。

技术背景

近年来，光纤作为用于进行数据信号通信的传统材料的可行替代已经被接受。光纤现在广泛地用在各种电子系统中，以促进数据信号在各个部件之间的高速通信。由于数字电子部件的速度和带宽持续增大，因此对能够在维持电子部件的速度和带宽两者的同时通信地耦合这些电子部件的光纤的需求也在增大。

此外，与光纤相关联的弯曲损耗也可能限制光纤在某些应用中的功用，如光纤到户应用(即，光纤家庭网络)。例如，在某些应用中，可能期望在具有可忽略的弯曲损耗的光纤中形成20mm或更小的紧密弯曲直径的能力。

因此，存在允许高带宽并且具有低弯曲损耗的替代光纤设计的需求。

发明内容

根据一个实施例，一种光纤可以包括纤芯部分，所述纤芯部分具有阿尔法分布并且由有意掺杂有单掺杂剂的SiO₂形成，其中，所述单掺杂剂为磷或磷化合物。玻璃包层部分可以包围并且直接接触所述纤芯部分。所述玻璃包层部分可以由SiO₂形成并且包括外包层部分和布置在所述纤芯部分与所述外包层部分之间的低折射率壕沟。所述纤芯部分相对于所述外包层部分可以具有最大相对折射率Δ_1最大％。所述低折射率壕沟相对于所述外包层部分可以具有最小相对折射率Δ_3最小％。Δ_1最大％可以大于Δ_3最小％。。所述光纤针对波长工作窗口内的每个波长还可以被多模化成具有大于或等于2000MHz-km的带宽，所述波长工作窗口以从约850nm至约1310nm的工作波长范围内的波长为中心，所述波长工作窗口具有大于100nm的宽度。所述光纤还可以在850nm处具有小于或等于0.5dB/(绕15mm直径芯棒2圈)的限制发射弯曲损耗。

在另一个实施例中，光纤可以包括纤芯部分，所述纤芯部分由有意掺杂有单掺杂剂的SiO₂形成，从而使得所述纤芯部分具有α分布，其中，所述α分布具有大于或等于1.95且小于或等于2.15的α值，其中，所述单掺杂剂是浓度为从约19wt.％至约33wt.％的P₂O₅。玻璃包层部分可以包围并且直接接触所述纤芯部分。所述玻璃包层部分可以由SiO₂形成并且包括外包层部分、布置在所述纤芯部分与所述外包层部分之间的低折射率壕沟、以及布置在所述低折射率壕沟与所述纤芯部分之间的内包层部分。所述纤芯部分相对于所述外包层部分可以具有最大相对折射率Δ_1最大％。所述内包层部分相对于所述外包层部分可以具有相对折射率Δ₂％。所述低折射率壕沟相对于所述外包层部分可以具有最小相对折射率Δ_3最小％。所述外包层部分可以具有相对折射率Δ₄％。Δ_1最大％＞Δ₂％＞Δ_3最小％，且Δ₄％≥Δ₂％。所述光纤可以在高达约1310nm的波长处被多模化(multimoded)。所述光纤可以针对波长工作窗口内的每个波长具有大于或等于2000MHz-km的带宽，所述波长工作窗口以从约850nm至约1310nm的工作波长范围内的至少一个波长为中心，所述波长工作窗口具有大于100nm的宽度。所述光纤可以在850nm处具有小于或等于0.5dB/(绕15mm直径芯棒2圈)的限制发射弯曲损耗。

本文中所描述的多模光纤的附加特征和优点将在以下具体实施方式中阐述，并且将部分地从所述描述中对本领域的技术人员变得显而易见，或可通过实践本文中所描述的实施例(包括下面的具体实施方式、权利要求书以及附图)而被认识。

应当理解的是，前面的总体描述和以下的具体实施方式都描述了各个实施例，并且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特征的概要或框架。附图被包括以提供对各个实施例的进一步理解并且被结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图展示了本文中所描述的各个实施例，并且与描述一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。

附图说明

图1示意性地描绘了根据本文中所示出和描述的一个或多个实施例的多模光纤的径向横截面；

图2以图形方式描绘了图1的多模光纤的作为多模光纤的玻璃部分的半径R的函数的相对折射率分布；

图3A以图形方式描绘了作为多模光纤的波长(x坐标)的函数的RMS延迟(y坐标)，所述多模光纤具有针对850nm的工作波长而优化的磷掺杂纤芯部分；

图3B以图形方式描绘了作为图3A的多模光纤的波长(x坐标)的函数的带宽(y坐标)；

图4A以图形方式描绘了作为多模光纤的波长(x坐标)的函数的RMS延迟(y坐标)，所述多模光纤具有针对980nm的工作波长而优化的磷掺杂纤芯部分；

图4B以图形方式描绘了作为图4A的多模光纤的波长(x坐标)的函数的带宽(y坐标)；

图5A以图形方式描绘了作为多模光纤的波长(x坐标)的函数的RMS延迟(y坐标)，所述多模光纤具有针对1060nm的工作波长而优化的磷掺杂纤芯部分；

图5B以图形方式描绘了作为图5A的多模光纤的波长(x坐标)的函数的带宽(y坐标)；

图6A以图形方式描绘了作为多模光纤的波长(x坐标)的函数的RMS延迟(y坐标)，所述多模光纤具有针对1310nm的工作波长而优化的磷掺杂纤芯部分；

图6B以图形方式描绘了作为图6A的多模光纤的波长(x坐标)的函数的带宽(y坐标)；

图7A以图形方式描绘了作为多模光纤的波长(x坐标)的函数的RMS延迟(y坐标)，所述多模光纤具有针对850nm的工作波长而优化的氧化锗掺杂纤芯部分；并且

图7B以图形方式描绘了作为图7A的多模光纤的波长(x坐标)的函数的带宽(y坐标)。

具体实施方式

现将详细参照多模光纤的实施例，其示例在附图中展示。只要可能，将贯穿附图使用相同参考号来指代相同或相似的部分。图1中示意性地描绘了多模光纤的一个实施例的横截面，并且其贯穿本文一般由参考号100指代。在实施例中，多模光纤通常包括纤芯部分，所述纤芯部分具有阿尔法分布并且由有意掺杂有单掺杂剂的SiO₂形成，其中，所述单掺杂剂为磷或磷化合物。玻璃包层部分可以包围并且直接接触所述纤芯部分。所述玻璃包层部分可以由SiO₂形成并且包括外包层部分和布置在所述纤芯部分与所述外包层部分之间的低折射率壕沟。所述纤芯部分相对于所述外包层部分可以具有最大相对折射率Δ_1最大％。所述低折射率壕沟相对于所述外包层部分可以具有最小相对折射率Δ_3最小％。Δ_1最大％可以大于Δ_3最小％。。所述光纤还可以针对波长工作窗口内的每个波长被多模化成具有大于或等于2000MHz-km的带宽，所述波长工作窗口以从约850nm至约1310nm的工作波长范围内的波长为中心，所述波长工作窗口具有大于100nm的宽度。所述光纤还可以在850nm处具有小于或等于0.5dB/(2×15mm直径芯棒)的限制发射弯曲损耗。在此将具体参照附图进一步详细描述多模光纤的各个实施例和所述多模光纤的性质。

以下术语将与本文中所描述的光纤结合使用。

如本文中所使用的，术语“折射率分布”或“相对折射率分布”为折射率或相对折射率与光纤的半径R之间的关系。

如本文中所使用的，术语“相对折射率”被定义为：

其中，除非另外指明，否则n(r)为在光纤的半径r处的折射率，并且r＝0对应于光纤的中心线。除非另外指明，否则相对折射率是在1550nm处定义的。在本文中所描述的实施例中，参考折射率n_REF是外包层的折射率。除非另外指明，否则如本文中所使用的，相对折射率由Δ表示，并且其值以单位“％”给出。在区域的折射率小于参考折射率n_REF的情况下，相对折射率百分比为负并且被称为具有凹陷区域或凹陷折射率，并且最小相对折射率是在相对折射率最负的点处计算的，除非另外指明。在区域的折射率大于参考折射率n_REF的情况下，相对折射率百分比为正，并且所述区域可称为凸起或者具有正折射率。

如本文中所使用的，术语“上掺杂剂(up-dopant)”是指相对于纯的未掺杂SiO₂而提高玻璃的折射率的掺杂剂。如本文中所使用的，术语“下掺杂剂”(down-dopant)是相对于纯的未掺杂SiO₂而具有降低玻璃的折射率的倾向的掺杂剂。上掺杂剂在伴随有不是上掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂时，可存在于具有负相对折射率的光纤区域中。同样地，不是上掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可存在于具有正相对折射率的光纤区域中。下掺杂剂在伴随有不是下掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂时，可存在于具有正相对折射率的光纤区域中。同样地，不是下掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可存在于具有负相对折射率的光纤区域中。

如本文中所使用的，术语“α分布”或者“阿尔法分布”是指相对折射率分布，用单位为“％”的Δ表示，其中，r为半径，并且符合以下等式，

其中，Δ_1最大为最大相对折射率，r₁是纤芯的半径，r在r_i<r<r_f的范围内，Δ为如以上所定义的，r_i是α分布的起点，r_f是α分布的终点，并且α是指数，它是实数。对于渐变折射率分布，阿尔法值小于10。如本文中所使用的，术语“抛物线的”包括基本上呈抛物线形状的折射率分布，所述折射率分布可以在纤芯中的一个或多个点处从2.0的α值略微变化；以及具有微小变化和/或中心线下降的分布。

根据FOTP-62(JEC-60793-1-47)，通过绕15mm和/或30mm直径芯棒缠绕2圈光纤并且使用环形通量(EF)发射条件(也称作“限制发射条件”)测量弯曲所导致的衰减增大来确定宏弯曲性能。通过将满溢脉冲发射到2m长的50微米纤芯光纤的输入端中来测量环形通量，所述纤芯光纤在中点附近在25mm直径芯棒上部署有1个包裹物。50微米纤芯光纤的输出端接合到被测光纤，并且所测量的弯曲损耗为规定弯曲条件下的衰减与在没有弯曲的情况下的衰减的差。

根据FOTP-204，使用满溢发射来测量满溢带宽。

除非本文中另有说明，否则光纤的性质的测量在850nm、980nm、1060nm或1310nm中的至少一个的工作波长处进行，除非另外指明。

术语“微米”和“μm”在本文中可互换使用。

具有掺杂有锗(如GeO₂)的纤芯部分的传统多模光纤广泛用于短距离通信系统。为了使模间色散最小化，这些传统多模光纤被设计成具有渐变折射率α分布，所述渐变折射率α分布具有约2的α值，以便在特定工作波长处使所述多模光纤的带宽最大化。然而，已经发现，掺杂有锗的传统多模光纤中的α值由于光纤的锗掺杂纤芯部分内的材料的色散而强烈地取决于在光纤中传播的光的工作波长。因此，传统多模光纤的带宽对纤芯部分的远离最佳α值的α分布的变化非常敏感。这导致多模光纤的高带宽工作窗口极其窄。也就是说，当光纤的纤芯部分掺杂有锗时，工作波长的稍微变化可能极大地减小多模光纤的带宽。然而，在一些应用(如利用波分复用的应用)中，期望利用具有对工作波长的变化不太敏感的更大带宽工作窗口的多模光纤。例如，在波分复用技术中，期望设计具有扩大的波长工作窗口的多模光纤。本文中所描述的多模光纤具有更大波长工作窗口，这在更广泛的波长范围内提供了更高带宽操作。本文中所描述的多模光纤还具有低弯曲损耗，这有助于提高系统余度并且减小部件的占用面积。

图1示意性地描绘了光纤的一个实施例的横截面。本文中所描述的光纤为多模光纤，意指所述光纤在高达并且包括1310nm或者甚至更大的波长处支持电磁辐射的多模式传播。多模光纤通常包括纤芯部分和包层部分，所述包层部分至少包括低折射率壕沟和外包层部分。在一些实施例中，如图1中所描绘的，所述多模光纤的所述包层部分可以进一步包括内包层部分，所述内包层部分被定位在所述纤芯部分与所述低折射率壕沟之间。然而，应当理解的是，所述内包层部分是可选的，并且在一些实施例中，可以在没有内包层部分的情况下形成所述多模光纤。此处将更详细地描述多模光纤的结构和组成以及多模光纤的性质。

参照图1和图2，描绘了多模光纤100的一个实施例的横截面(图1)和多模光纤100的相应相对折射率分布(图2)。多模光纤100通常包括纤芯部分102和包层部分103。在本文中所描述的实施例中，纤芯部分102被定位在包层部分103内。纤芯部分102和包层部分103是同心的，从而使得多模光纤100的横截面通常关于纤芯部分102的中心圆对称。包层部分103包括低折射率壕沟106和外包层部分108。低折射率壕沟106和外包层部分108被安排成使得低折射率壕沟106布置在纤芯部分102与外包层部分108之间。在本文中所描述的实施例中，外包层部分108与低折射率壕沟106直接接触。

在一些实施例中，包层部分103可以进一步包括内包层部分104，所述内包层部分被定位在纤芯部分102与低折射率壕沟106之间。在这些实施例中，内包层部分104与纤芯部分102和低折射率壕沟106两者直接接触。虽然图1将包层部分103描绘为包括内包层部分104、低折射率壕沟106和外包层部分108，但应当理解的是，在其他实施例中，可以在没有内包层部分104的情况下(如当低折射率壕沟106包围并且直接接触多模光纤100的纤芯部分102时)形成包层部分103。

仍参照图1和图2，纤芯部分102具有半径r₁。内包层部分104(当存在时)可以包围纤芯部分102并且从半径r₁延伸到半径r₂，从而使得内包层部分104具有径向厚度T₂＝r₂-r₁。低折射率壕沟106包围纤芯部分102和内包层部分104并且从半径r₂延伸到半径r₃，从而使得所述低折射率壕沟具有径向厚度T₃＝r₃-r₂。外包层部分108可以包围低折射率壕沟106并且从半径r₃延伸到半径r₄，从而使得所述外包层具有径向厚度T₄＝r₄-r₃。因此，光纤100的玻璃部分(例如，纤芯部分102、内包层部分104、低折射率壕沟106和外包层部分108)可以具有直径2r₄。在本文中所描述的一些实施例中，光纤的玻璃部分的直径大于50μm。在一些其他实施例中，光纤的玻璃部分的直径大于60μm。在这些实施例中，光纤的玻璃部分的直径小于150μm。例如，在一些实施例中，光纤的玻璃部分的直径可以大于100μm且小于130微米。在具体实施例中，光纤的玻璃部分的直径为125μm。

在本文中所描述的实施例中，纤芯部分102、内包层部分104(当存在时)、低折射率壕沟106以及外包层部分108通常包括二氧化硅，特别是二氧化硅玻璃。

纤芯部分102具有折射率n₁并且形成为具有渐变折射率分布(即，阿尔法分布)。例如，在本文中所描述的多模光纤100的实施例中，如在图2中以图形方式所描绘的，纤芯部分102具有阿尔法分布。这样，纤芯部分102在纤芯部分102的中心附近相对于外包层部分108具有最大相对折射率Δ_1最大％。尽管在图2中没有描绘，但在一些实施例中，纤芯部分102的折射率可以具有中心线下降的特点，从而使得纤芯部分102的最大折射率和整根多模光纤100的最大折射率位于如在图2中所描绘的与纤芯部分102的中心线相距小距离处，而不是位于纤芯部分102的中心线处。在图2中描绘的多模光纤100的实施例中，纤芯部分102的相对折射率随着离纤芯部分102的中心的半径的增大而减小。在本文中所描述的实施例中，纤芯部分102具有阿尔法值(即，α)，所述阿尔法值大于或等于1.95且小于或等于2.15。在一些实施例中，阿尔法值大于或等于1.98且小于或等于2.05。在一些其他实施例中，阿尔法值大于或等于2.0且小于或等于2.1。

内包层相对于外包层部分108具有折射率n₂和相应相对折射率百分比Δ₂％。低折射率壕沟106相对于外包层部分108可以具有折射率n₃和相应最小相对折射率百分比Δ_3最小％。在本文中所描述的实施例中，如在图2中总体描绘的，n₁>n₂>n₃，并且Δ_1最大％>Δ₂％>Δ_3最小％。低折射率壕沟106相对于纤芯部分102的低相对折射率提高了多模光纤100的抗弯曲性。

多模光纤100的外包层部分108相对于纯二氧化硅玻璃可以包括折射率n₄和相对折射率Δ₄％。因为外包层部分的折射率用作多模光纤的其他玻璃部分的相对折射率的参考，所以外包层部分108的相对折射率相对于自身确定，并且如此相对于自身为0(即，Δ₄％＝0)。在本文中所描述的实施例中，外包层部分108的相对折射率Δ₄％大于低折射率壕沟106的最小相对折射率Δ_3最小％(例如，Δ₄％>Δ_3最小％)。在一些实施例中，外包层部分108的相对折射率Δ₄％可以大于内包层部分104的相对折射率Δ₂％(如当外包层部分108包括上掺杂有增大外包层部分108相对于内包层部分104的折射率的一种或多种上掺杂剂的二氧化硅玻璃时)。在这些实施例中，增大外包层部分相对于内包层部分的折射率有助于减少纤芯部分102之外的区域中的任何分布误差的影响，从而提高多模光纤100的带宽。在另一个实施例中，外包层部分108的相对折射率Δ₄％可以等于内包层部分104的相对折射率Δ₂％。在此实施例中，只要Δ₄％＝Δ₂％，外包层部分108的组成就可以与内包层部分104的组成相同或不同于内包层部分104的组成。基于上文所述，应当理解的是，外包层部分108的相对折射率Δ₄％大于或等于内包层部分104的相对折射率Δ₂％。

在本文中所描述的多模光纤的实施例中，可以从成品预成形件中拉制光纤，并且之后，用例如常规一次和二次聚氨酯丙烯酸酯涂层对所述光纤进行涂覆。

纤芯部分102的半径r₁为从约12.5μm到约50μm。在一些实施例中，纤芯部分102的半径r₁为从约20μm到约40μm。

在本文中所描述的多模光纤的实施例中，纤芯部分102包括有意上掺杂有单掺杂剂，特别是磷或磷化合物(如P₂O₅等)的二氧化硅(SiO₂)玻璃。已经确定，使纤芯部分102上掺杂有在纤芯部分102中作为单掺杂剂的磷或磷化合物降低了光纤的带宽对波长变化的敏感度。具体地，已经发现，掺杂有磷的二氧化硅基玻璃具有更小的色散系数，这反过来又降低了玻璃的α值对波长变化的敏感度，从而在更广泛的工作波长范围内提供更高带宽。

在实施例中，多模光纤的纤芯部分102上掺杂有磷或磷化合物(如P₂O₅)，从而使得纤芯部分102的最大相对折射率Δ_1最大％大于或等于0.5％且小于或等于2.0％。在一些实施例中，纤芯部分102上掺杂有P₂O₅，从而使得纤芯部分102的最大相对折射率Δ_1最大％大于或等于0.75％且小于或等于1.25％。为了获得纤芯部分102的最大相对折射率Δ_1最大％的这些值，纤芯部分102可以包含从约19wt.％到约33wt.％的P₂O₅。在一些实施例中，纤芯部分102可以包含从约22wt.％到约30wt.％的P₂O₅。在一些其他实施例中，纤芯部分102可以包含从约23wt.％到约29wt.％的P₂O₅。在仍其他实施例中，纤芯部分102可以包含从约25wt.％到约29wt.％的P₂O₅。例如，在一个实施例中，纤芯部分102可以包括约26.0wt.％的P₂O₅，从而使得纤芯部分102的最大相对折射率Δ_1最大％在850nm的工作波长处为约1％。应当理解的是，纤芯部分中的磷的比浓度可以根据期望中心工作波长而变化。

如以上所讨论的，内包层部分104具有由r₂-r₁限定的径向厚度T₂。在本文中所描述的实施例中，内包层部分104的径向厚度T₂可以大于或等于约0.5μm且小于或等于约4μm。在一些实施例中，内包层部分104的径向厚度T₂可以大于或等于约0.5μm且小于或等于约3μm。在一些实施例中，内包层部分104的径向厚度T₂可以大于或等于约1.0μm且小于或等于约2μm。在一些实施例中(未示出)，径向厚度T₂为零(如当不存在内包层部分并且纤芯部分与低折射率壕沟直接接触时)。在这些实施例中，纤芯部分的α分布延伸至低折射率壕沟。

在一些实施例中，内包层部分104包括纯二氧化硅(SiO₂)玻璃，并且外包层部分108包括具有增大二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种上掺杂剂(如例如，锗、钛、铝、氯、磷等)的二氧化硅玻璃。如本文中所使用的，短语“纯二氧化硅玻璃”意指二氧化硅玻璃包括具有少于其他元素的重量1000ppm的SiO₂。在一些其他实施例中，内包层部分104包括具有降低二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种下掺杂剂(如例如，氟、硼等)的二氧化硅玻璃。在本文中所描述的实施例中，多模光纤100的内包层部分104被形成为使得内包层部分104相对于外包层部分108的相对折射率Δ₂％大于或等于约-0.2％且小于或等于约0.1％。在一些其他实施例中，内包层部分104相对于外包层部分108的相对折射率Δ₂％大于或等于约-0.2％且小于或等于约0％。例如，在外包层部分108由上掺杂二氧化硅玻璃形成的实施例中，内包层部分104还可以由下掺杂二氧化硅玻璃形成，从而使得相对折射率Δ₂％约为0或小于0。在一些其他实施例中，内包层部分104可以由下掺杂有从约0.1wt.％高达约0.7wt.％的氟的二氧化硅玻璃形成，从而使得相对折射率Δ₂％小于或等于约0％。在一些实施例中，内包层部分中的氟的浓度可以大于约0.1wt.％且小于约1.8wt.％。在一些其他实施例中，内包层部分中的氟的浓度可以大于约0.1wt.％且小于约1.5wt.％。在仍其他实施例中，内包层部分中的氟的浓度可以大于约0.5wt.％且小于约1.8wt.％。在又其他实施例中，内包层部分中的氟的浓度可以大于约0.7wt.％且小于约1.8wt.％。在内包层部分104相对于外包层部分108是下掺杂的实施例中，内包层部分104相对于外包层部分108的减小的折射率如上所述有助于减少纤芯部分102之外的区域中的任何分布误差的影响，从而提高多模光纤100的带宽。

低折射率壕沟106的径向厚度T₃(例如，r₃-r₂)大于或等于约2μm且小于或等于约20μm。在一些实施例中，低折射率壕沟106的径向厚度T₃大于或等于约4μm且小于或等于约10μm。在一些其他实施例中，低折射率壕沟106的径向厚度T₃大于或等于约4μm且小于或等于约7μm。低折射率壕沟106的径向厚度可以与低折射率壕沟106的最小相对折射率Δ_3最小％相关联。

具体地，低折射率壕沟106可以具有壕沟体积V₃，其被定义为：

可以改写为：

V₃＝Δ_3最小％(r₃ ²-r₂ ²)。

在本文中所描述的实施例中，壕沟体积V₃可以大于或等于约80％-μm²(如大于或等于约100％-μm²)。在一些实施例中，壕沟体积V₃可以大于或等于约110％-μm²或甚至大于或等于约120％-μm²。在一些实施例中，壕沟体积V₃可以大于或等于约80％-μm²且小于或等于约220％-μm²。在一些实施例中，壕沟体积V₃可以大于或等于约100％-μm²且小于或等于约200％-μm²。在仍其他实施例中，壕沟体积分布V₃可以大于或等于约110％-μm²且小于或等于约180％-μm²。

在本文中所描述的多模光纤的实施例中，低折射率壕沟106具有小于或等于约-0.1％且大于或等于约-1.0％的最小相对折射率Δ_3最小％。在一些实施例中，将下掺杂剂添加到低折射率壕沟106的二氧化硅玻璃中，从而使得低折射率壕沟106具有小于或等于约-0.3％且大于或等于约-0.7％的最小相对折射率Δ_3最小％。在一些实施例中，将下掺杂剂添加到低折射率壕沟106的二氧化硅玻璃中，从而使得低折射率壕沟106具有小于或等于约-0.4％且大于或等于约-0.6％的最小相对折射率Δ_3最小％。在一些实施例中，低折射率壕沟是氟下掺杂二氧化硅，所述氟下掺杂二氧化硅包括从约0.1wt.％至约2.5wt.％的氟，从而使得相对折射率Δ_3最小％小于或等于约0％。在一些实施例中，低折射率壕沟包括浓度大于或等于约0.1wt.％至小于或等于约1.8wt.％的氟。在一些其他实施例中，低折射率壕沟包括浓度大于或等于约0.1wt.％至小于或等于约1.5wt.％的氟。在仍其他实施例中，低折射率壕沟包括浓度大于或等于约0.5wt.％至小于或等于约1.8wt.％的氟。在仍其他实施例中，低折射率壕沟包括浓度大于或等于约0.7wt.％至小于或等于约1.8wt.％的氟。

在一些实施例中，通过形成具有贯穿低折射率壕沟106的非周期性布置或周期性布置或两者的孔隙的低折射率壕沟106来实现低折射率壕沟106的最小相对折射率Δ_3最小％。如本文中所使用的，短语“非周期性布置”或“非周期性分布”意指对于多模光纤100的横截面(如垂直于纵轴的横截面)，非周期性布置孔隙随机或非周期性地跨光纤的低折射率壕沟106分布。沿着光纤长度的不同点处截取的相似横截面将具有不同的横截面孔隙图案。也就是说，各种横截面将具有不同的孔隙图案，其中，当所述横截面相互比较时，孔隙的分布和孔隙的尺寸不匹配。这样，孔隙并非周期性地布置在光纤结构内。这些孔隙沿着多模光纤的长度(即，平行于纵线)伸展(拉长)，但不会在整根光纤的整个长度上延伸。虽然不希望受到理论限制，但是据信，孔隙沿着光纤长度延伸小于几米，并且在许多情况下小于1米。本文中所公开的多模光纤可以通过利用预成形件固结条件的方法来制备，所述条件有效地导致在固结的玻璃坯中捕获大量的气体，从而导致在固结的玻璃光纤预成形件中形成孔隙。使用所得的预成形件来形成其中具有孔隙的光纤，而不是采取措施来移除这些孔隙。在一些实施例中，这些孔隙可以包含一种或多种气体(如氩气、氪气、CO₂、SO₂、O₂或其混合物)。在一些其他实施例中，孔隙基本不含气体。不管是否存在气体，低折射率壕沟106的折射率(和相应最小相对折射率Δ_3最小％)由于孔隙的存在而减小。

可替代地或另外地，可以通过由下掺杂的二氧化硅玻璃形成低折射率壕沟106以降低低折射率壕沟106相对于纯二氧化硅玻璃的折射率n₃来实现低折射率壕沟106的最小相对折射率Δ_3最小％。在一些实施例中，如上所述，低折射率壕沟106可以包括下掺杂有氟的二氧化硅玻璃。在一些其他实施例中，低折射率壕沟106可以包括下掺杂有氟和至少一种其他下掺杂剂的二氧化硅玻璃。在仍其他实施例中，如本文中所描述的，低折射率壕沟106可以包括下掺杂有氟并且包含非周期性分布孔隙的二氧化硅玻璃。

低折射率壕沟106还可以包括下掺杂有氟和至少另一种下掺杂剂的二氧化硅玻璃。例如，在一些实施例中，低折射率壕沟106可以下掺杂有氟和硼的组合。例如，低折射率壕沟106可以包括从约0.5wt.％至约2.4wt.％的F和从约0.5wt.％至约10wt.％的B₂O₃。

仍参照图1和图2，外包层部分108的径向厚度T₄(例如，r₄-r₃)大于或等于约10μm且小于或等于约40μm。在一些实施例中，外包层部分的径向厚度T₄大于或等于约15μm且小于或等于约35μm。在一些其他实施例中，外包层部分108的径向厚度T₄大于或等于约20μm且小于或等于约35μm。在本文中所描述的实施例中，外包层部分108通常可以包括径向厚度T₄，从而使得多模光纤的外直径(即，2r₄)为如本文中所描述的。

外包层部分108的相对折射率Δ₄％通常小于纤芯部分102的最大相对折射率Δ_1最大％并且大于低折射率壕沟106的最小相对折射率Δ_3最小％(即，Δ_1最大％>Δ₄％>Δ_3最小％)。在多模光纤100包括内包层部分的实施例中，如以上所指出的，外包层部分108的相对折射率Δ₄％大于或约等于内包层部分104的相对折射率Δ₂％(即，Δ₄％≥Δ₂％)。在外包层部分108相对于内包层部分104是上掺杂的实施例中，外包层部分108相对于内包层部分104的增大的折射率有助于减少纤芯部分102之外的区域中的任何分布误差的影响，从而提高多模光纤100的带宽。

在一些实施例中，外包层部分108可以包括纯二氧化硅玻璃。在一些其他实施例中，只要Δ_1最大％>Δ₄％>Δ_3最小％且Δ₄％≥Δ₂％，外包层部分108就可以包括上掺杂有一种或多种上掺杂剂的二氧化硅玻璃或下掺杂有一种或多种下掺杂剂的二氧化硅玻璃。例如，在一个实施例中，外包层部分108通常可以具有与内包层部分104相同的组成。可替代地，与内包层部分104相比，外包层部分108可以具有不同的组成。用于增大外包层部分108相对于纯二氧化硅玻璃的折射率的合适上掺杂剂可以包括例如但不限于Cl、GeO₂、TiO₂和/或其各种组合。用于减小外包层部分108相对于纯二氧化硅玻璃的折射率的合适下掺杂剂可以包括例如但不限于F、B₂O₃和/或其各种组合。

如以上所指出的，本文中所描述的多模光纤具有增大的波长工作窗口，这在更广泛的波长范围内提供了多模光纤的更高带宽操作。这种波长工作窗口的增大归因于多模光纤的纤芯部分有意上掺杂有单掺杂剂，特别是磷或磷化合物(如P₂O₅)，所述单掺杂剂降低了多模光纤的带宽对波长变化的敏感度。具体地，与例如仅掺杂有氧化锗的二氧化硅玻璃相比，磷掺杂二氧化硅玻璃具有相对小的色散系数。所述相对小的色散系统降低了玻璃的α值对波长变化的敏感度。换句话说，将磷添加到光纤的纤芯部分降低了纤芯部分的带宽对波长变化的敏感度，使得多模光纤能够在相对更广泛的波长范围内以相对高的带宽工作(即，光纤具有扩大的波长工作窗口)。

在本文中所描述的实施例中，多模光纤针对波长工作窗口内的每个波长具有大于或等于2000MHz-km(2GHz-km)的带宽，所述波长工作窗口具有大于100nm的宽度。波长工作窗口可以以从约850nm至约1310nm的工作波长范围内的至少一个波长为中心。例如，在一个实施例中，波长工作窗口的宽度可以为200nm，并且所述波长工作窗口可以以850nm的工作波长为中心(即，波长工作窗口从750nm延伸到950nm)。在此示例中，多模光纤针对在光纤内传播的光的从约750nm至约950nm的波长将具有大于2GHz-km的带宽(见例如示例1、图3B)。在实施例中，波长工作窗口可以以850nm、980nm、1060nm和1310nm中的至少一个为中心。在一些实施例中，多模光纤在波长工作窗口内具有大于3000MHz-km(3GHz-km)或甚至大于4000MHz-km(4GHz-km)的带宽。在一些其他实施例中，多模光纤在波长工作窗口内具有大于4700MHz-km(4.7GHz-km)的带宽。在一些实施例中，波长工作窗口可以具有大于约150nm或甚至大于约200nm的宽度。

在一些实施例中，本文中所描述的多模光纤在850nm的工作波长处具有大于2000MHz-km(2.0GHz-km)、或大于4000MHz-km(4GHz-km)、或大于4700MHz-km(4.7GHz-km)、或大于6000MHz-km(6GHz-km)、或大于8000MHz-km(8GHz-km)、或大于10000MHz-km(10GHz-km)的带宽。在一些其他实施例中，本文中所描述的多模光纤在980nm的工作波长处具有大于2000MHz-km(2.0GHz-km)、或大于4000MHz-km(4GHz-km)、或大于4700MHz-km(4.7GHz-km)、或大于6000MHz-km(6GHz-km)、或大于8000MHz-km(8GHz-km)、或大于10000MHz-km(10GHz-km)的带宽。在其他实施例中，本文中所描述的多模光纤在1060nm的工作波长处具有大于2000MHz-km(2.0GHz-km)、或大于4000MHz-km(4GHz-km)、或大于4700MHz-km(4.7GHz-km)、或大于6000MHz-km(6GHz-km)、或大于8000MHz-km(8GHz-km)、或大于10000MHz-km(10GHz-km)的带宽。在仍其他实施例中，本文中所描述的多模光纤在1300nm的工作波长处具有大于2000MHz-km(2.0GHz-km)、或大于3000MHz-km(3GHz-km)、或大于4000MHz-km(4GHz-km)、或甚至大于4700MHz-km(4.7GHz-km)的带宽。

本文中所描述的多模光纤100的各个实施例由于在包层部分103内并入了低折射率壕沟106而具有提高的弯曲性能。在实施例中，本文中所描述的多模光纤的使用限制模式发射(仅纤芯)的宏弯曲损耗在850nm、980nm、1060nm、和/或1310nm的工作波长处小于或等于0.5dB/(绕15mm直径芯棒2圈)和0.3dB/(绕30mm直径芯棒2圈)。也就是说，根据本文中所描述的宏弯曲测试进行测试时，宏弯曲损耗在这些波长中的一个、一些或所有波长处小于或等于0.5dB/(绕15mm直径芯棒2圈)和0.3dB(绕30mm直径芯棒2圈)。在一些实施例中，宏弯曲损耗在850nm、980nm、1060nm、和/或1310nm的工作波长处小于或等于0.2dB/(绕15mm直径芯棒2圈)和0.1dB/(绕30mm直径芯棒2圈)。也就是说，根据本文中所描述的宏弯曲测试进行测试时，宏弯曲损耗在这些波长中的一个、一些或所有波长处小于或等于0.2dB/(绕15mm直径芯棒2圈)和0.1dB(绕30mm直径芯棒2圈)。

示例

将通过以下示例进一步阐述本文中所描述的实施例。

针对波长工作窗口内的不同中心波长(即，850nm、980nm、1060nm和1310nm)，对具有磷掺杂纤芯的四个多模光纤设计进行模型化。如图1中示意性地描绘的，每个多模光纤被模型化成具有纤芯部分、低折射率壕沟部分、将所述低折射率壕沟部分与所述纤芯部分分离的内包层部分以及外包层部分。多模光纤被模型化成仿佛纤芯部分掺杂有26wt.％的P₂O₅。以下表1列出了具有125μm直径的模型化多模光纤中的每根多模光纤的纤芯部分和低折射率壕沟的尺寸特性和相对折射率。表1中还列出了在各个波长处的模型化宏弯曲损耗值和弯曲直径。

然后，计算模型化光纤中的每根光纤的RMS(均方根)延迟和带宽。可以根据以下关系使用RMS延迟近似带宽：

带宽(MHz-km)＝187/RMS延迟(ns/km)。

图3A至6B中以图形方式将模型化多模光纤中的每根多模光纤的RMS延迟和带宽描绘为波长的函数。如图3A、图4A、图5A和图6A中的每个图所示出的，RMS延迟在波长工作窗口的中心波长(针对其设计多模光纤)处最小并且在与所述中心波长相邻的波长处逐渐增大。进一步地，如图3B、图4B、图5B和图6B中所示出的，多模光纤的峰值带宽通常出现在波长工作窗口的中心波长(针对其设计多模光纤)处。在模型化多模光纤中的所有模型化多模光纤中，带宽在以中心波长为中心的150nm波长工作窗口内大于2GHz-km。

表1：多模光纤设计示例

比较示例

出于比较的目的，针对波长工作窗口内的850nm的中心波长，对具有氧化锗掺杂纤芯的多模光纤设计进行模型化。氧化锗掺杂多模光纤被模型化成具有纤芯部分和直接接触所述纤芯部分的外包层部分。多模光纤被模型化成仿佛纤芯部分掺杂有18wt.％GeO₂(这相当于纤芯部分相对于纯二氧化硅玻璃具有1％的相对折射率)、纤芯半径为25μm，纤芯α为2.125并且未掺杂二氧化硅包层具有62.5微米的外半径。

然后，如图7A中所示出的，将氧化锗掺杂多模光纤的RMS延迟计算为波长的函数。如图7A中所示出的，脉冲宽度在850nm处最小。然而，如图7B中以图形方式所描绘的，在与850nm相邻的波长处，脉冲宽度快速增大，这反过来又在以850nm为中心的峰值带宽之外的波长处快速降低带宽。对于居中成在其他工作波长(如980nm、1060nm、1310nm和1550nm)处具有峰值带宽的GeO₂掺杂二氧化硅纤芯光纤，存在类似的窄带宽窗口行为。

基于上文所述，现在应当理解的是，本文中所描述的多模光纤在相对广泛的工作波长范围内具有相对高的带宽。还应当理解的是，所述多模光纤具有相对低的弯曲损耗。所述多模光纤特别适用于在广泛的工作波长范围内需要更高带宽的应用(如利用波分复用的应用)。所述多模光纤还特别适用于光纤家庭网络应用。

对于本领域的技术人员将明显的是，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以对本文中所描述的实施例做出各种修改和变更。因此，本说明书旨在涵盖本文中所描述的各个实施例的修改和变更，只要这些修改和变更落在所附权利要求书及其等价物的范围内。

Claims

1.一种光纤，包括：

纤芯部分，所述纤芯部分具有阿尔法分布并且由有意掺杂有单掺杂剂的SiO₂形成，其中，所述单掺杂剂为磷或磷化合物；

玻璃包层部分，所述玻璃包层部分包围并且直接接触所述纤芯部分，所述玻璃包层部分由SiO₂形成并且包括外包层部分以及布置在所述纤芯部分与所述外包层部分之间的低折射率壕沟，其中，所述纤芯部分相对于所述外包层部分具有最大相对折射率Δ_1最大％，所述低折射率壕沟相对于所述外包层部分具有最小相对折射率Δ_3最小％，并且Δ_1最大％大于Δ_3最小％，其中：

所述光纤被多模化；

所述光纤针对波长工作窗口内的每个波长具有大于或等于2000MHz-km的带宽，所述波长工作窗口以从约850nm至约1310nm的工作波长范围内的波长为中心，所述波长工作窗口具有大于100nm的宽度；并且

所述光纤在850nm处具有小于或等于0.5dB/(绕15mm直径芯棒2圈)的限制发射弯曲损耗。

2.如权利要求1所述的光纤，其中，针对所述波长工作窗口内的每个波长，所述带宽大于或等于约4700MHz-km。

3.如权利要求1或2所述的光纤，其中，所述波长工作窗口的所述宽度大于或等于约200nm。

4.如权利要求1至3中任一项所述的光纤，其中，所述波长工作窗口以850nm、980nm、1060nm和1310nm之一为中心。

5.如权利要求1至4中任一项所述的光纤，其中，Δ_1最大％大于或等于0.5％且小于或等于2.0％。

6.如权利要求1至5中任一项所述的光纤，其中，所述单掺杂剂为P₂O₅，所述P₂O₅以从约19wt.％至约33wt.％的浓度存在于所述纤芯部分中。

7.如权利要求1至6中任一项所述的光纤，其中，所述低折射率壕沟通过内包层部分与所述纤芯部分隔开，所述内包层部分相对于所述外包层部分具有相对折射率Δ₂％。

8.如权利要求7所述的光纤，其中，所述内包层部分具有大于或等于约0.5μm且小于或等于约4μm的径向厚度。

9.如权利要求7或8所述的光纤，其中，所述内包层部分具有相对折射率Δ₂％，所述外包层部分具有相对折射率Δ₄％，并且Δ₂％≤Δ₄％。

10.如权利要求7至9中任一项所述的光纤，其中，所述内包层部分相对于所述外包层部分是下掺杂的。

11.如权利要求7至10中任一项所述的光纤，其中，所述外包层部分相对于所述内包层部分是上掺杂的。

12.如权利要求1至11中任一项所述的光纤，其中，所述低折射率壕沟具有大于或等于约2μm且小于或等于约20μm的径向厚度。

13.如权利要求1至12中任一项所述的光纤，其中，所述低折射率壕沟具有大于或等于80％-μm²的壕沟体积。

14.如权利要求1至13中任一项所述的光纤，其中，Δ_3最小％小于或等于﹣0.1％且大于或等于﹣1.0％。

15.一种光纤，包括:

纤芯部分，所述纤芯部分由有意掺杂有单掺杂剂的SiO₂形成，使得所述纤芯部分具有α分布，其中，所述α分布具有大于或等于1.95且小于或等于2.15的α值，其中，所述单掺杂剂是浓度为从约19wt.％至约33wt.％的P₂O₅；

玻璃包层部分，所述玻璃包层部分包围并且直接接触所述纤芯部分，所述玻璃包层部分由SiO₂形成并且包括外包层部分、布置在所述纤芯部分与所述外包层部分之间的低折射率壕沟和布置在所述低折射率壕沟与所述纤芯部分之间的内包层部分，其中，所述纤芯部分相对于所述外包层部分具有最大相对折射率Δ_1最大％，所述内包层部分相对于所述外包层部分具有相对折射率Δ₂％，所述低折射率壕沟相对于所述外包层部分具有最小相对折射率Δ_3最小％，所述外包层部分具有相对折射率Δ₄％，Δ_1最大％＞Δ₂％＞Δ_3最小％，并且Δ₄％≥Δ₂％，其中：

所述光纤在高达约1310nm的波长处被多模化；

所述光纤针对波长工作窗口内的每个波长具有大于或等于2000MHz-km的带宽，所述波长工作窗口以从约850nm至约1310nm的工作波长范围内的至少一个波长为中心，所述波长工作窗口具有大于100nm的宽度；并且

16.如权利要求15所述的光纤，其中，所述α值大于或等于1.98且小于或等于2.05。

17.如权利要求15或16所述的光纤，其中，针对所述波长工作窗口内的每个波长，所述带宽大于或等于约4700MHz-km。

18.如权利要求15至17中任一项所述的光纤，其中，所述波长工作窗口的所述宽度大于或等于约200nm。

19.如权利要求15至18中任一项所述的光纤，其中，所述波长工作窗口以850nm、980nm、1060nm和1310nm之一为中心。