專利名稱：具有改進(jìn)的折射率分布的多模光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用在通信中的光纖，尤其涉及具有改進(jìn)的折射率分布的多模光纖。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中，沿著圓柱形的波導(dǎo)來(lái)引導(dǎo)光信號(hào)，這種圓柱形的波導(dǎo)采用細(xì)纖維的形式。光纖包括內(nèi)部纖芯區(qū)域，外部包層區(qū)域圍繞著該內(nèi)部纖芯區(qū)域，其中纖芯的光密度是用折射率Ii1來(lái)測(cè)量的，且折射率II1高于包層的折射率n2，參見圖1。通過(guò)在制造過(guò)程中引入雜質(zhì)(或摻雜劑)，可以調(diào)節(jié)光學(xué)介質(zhì)的折射率。對(duì)于玻璃光纖而言，通常使用鍺來(lái)增大纖芯的折射率，但也可以使用或添加其它雜質(zhì)。因?yàn)檫@種折射率方面的差異，在光纖的纖芯內(nèi)行進(jìn)的光脈沖每一次到達(dá)纖芯-包層界面時(shí)都經(jīng)歷全內(nèi)反射，結(jié)果，光信號(hào)就被限定在纖芯之內(nèi)或者在纖芯內(nèi)引導(dǎo)光信號(hào)。這種光纖具有均勻的纖芯折射率，被稱為階躍式-折射率光纖(Si-光纖)。為了便于高速數(shù)據(jù)通信，SI-光纖的纖芯直徑通常很小(在9微米的量級(jí)上)，這僅僅比所傳輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)大幾倍，結(jié)果，光信號(hào)被迫在沿著光纖軸的單條路徑中行進(jìn)。這種光纖被稱為多模光纖。或者，光纖的纖芯直徑與光的波長(zhǎng)相比可以是很大的，在這種情況下，光可以沿著許多分立的光路穿過(guò)纖芯，其中每一個(gè)光路被稱為一個(gè)模式。這種光纖被稱為多模光纖 (MMF)，并且具有50或62. 5微米的額定纖芯直徑。通常，在MMF中，到達(dá)光纖的輸入端上的光脈沖照亮了纖芯的相對(duì)較大的空間區(qū)域，使得光脈沖作為許多分立的光學(xué)模式之和進(jìn)行傳播。因?yàn)槎鄠€(gè)模式之間存在路徑長(zhǎng)度方面的差異，所以光脈沖能量的多個(gè)部分將會(huì)在不同的時(shí)刻到達(dá)光纖的輸出端。結(jié)果，脈沖的寬度變寬了，這被稱為模間色散。這使信號(hào)質(zhì)量變差了。為了減小模間色散，MMF纖芯和包層的折射率是漸變的，使得折射率按照下列方程隨著從纖芯軸起的徑向距離r連續(xù)地減小
Γ00051=r<R
LtXXJt5」1 |0(1 - 2Δ0) = η!, r^R其中光纖參數(shù)α的數(shù)值接近于2 (通常是1.9-2. 1)，并且定義了折射率分布的形狀，對(duì)于α = 2的情況正如圖2所示那樣。理想的拋物線(冪定律)折射率分布將使穿過(guò)漸變折射率MMF的每一個(gè)模式同時(shí)到達(dá)光纖的輸出端?？拷饫w軸行進(jìn)的低階模式遭遇很高的折射率，即光密度很高的介質(zhì)，因此將以減小的速度進(jìn)行傳播。在纖芯的外部區(qū)域中傳播的較高階的模式將遭遇較低的折射率(密度低的介質(zhì))，并且將傳播得較快。圖3示出了在具有理想的拋物線折射率分布的MMF中傳播的多個(gè)模式。每一個(gè)模式穿過(guò)正弦路徑，并且所有的模式同時(shí)到達(dá)光纖的輸出端。我們看到，每一個(gè)模式的節(jié)點(diǎn)都是同相的。MMF的折射率分布的質(zhì)量可以用ΤΙΑ-455-220-Α中所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序來(lái)表征。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于測(cè)量差模延遲(DMD)的測(cè)試方法，該差模延遲量化了模間色散。在這種方法中，單模發(fā)射光纖橫跨MMF的纖芯，并且穿過(guò)該光纖的每一個(gè)受激模式組的傳播延遲被記錄下來(lái)。圖4示出了高性能MMF的DMD的圖。該圖示出了在光纖輸出處被記錄下來(lái)的受激模式組中的每一個(gè)的光學(xué)波形(單位是皮秒/米，即ps/m)與垂直的軸上的徑向發(fā)射位置(單位是微米)之間的函數(shù)關(guān)系圖。 對(duì)于這種有代表性的MMF，我們看到，受激模式組中的每一個(gè)在大約相同的時(shí)刻到達(dá)光纖的輸出處，而不管光學(xué)發(fā)射徑向位置如何，因此，這種光纖幾乎不引入模間色散。從這種DMD 圖中可以推斷出，這種光纖的折射率分布接近于理想的拋物線分布。然而，在實(shí)踐中，控制制造過(guò)程中的低摻雜劑濃度是有困難的，所以大多數(shù)MMF無(wú)法呈現(xiàn)出理想的拋物線折射率分布。特別是，纖芯的外部區(qū)域中的摻雜劑濃度是最小的，也是最難控制的。結(jié)果，與沿著纖芯的內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行傳播的那些模式相比，較高階的模式通常呈現(xiàn)出模式延遲方面的變化。因此，期望能以一種方式來(lái)修改折射率分布，使得能減小因摻雜劑的低位流動(dòng)控制方面的變化所導(dǎo)致的不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
影響光學(xué)信道鏈路的性能的重要因素是光纖中的總色散的量。為了改善MMF的性能，提出了對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行修改，將折射率分布的數(shù)值改變?yōu)榈陀谕ǔ?huì)被視為具有傳統(tǒng)理想拋物線α數(shù)值的折射率。我們描述了對(duì)折射率分布進(jìn)行的修改，這種修改已經(jīng)顯示出改善了測(cè)量出的系統(tǒng)性能。


圖1是光纖的剖面透視圖；圖2是示出了在漸變折射率多模光纖的纖芯和包層中折射率對(duì)半徑的圖；圖3是示出了在漸變折射率多模光纖中的模式行為的圖；圖4是多模光纖中的差模延遲圖，該圖示出了與半徑偏移相比脈沖到達(dá)的相對(duì)時(shí)間；圖5是示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)(α。)以及根據(jù)本發(fā)明(α)這兩種情況在多模光纖的纖芯中折射率對(duì)半徑的圖；以及圖6是差模延遲圖，該圖示出了具有根據(jù)本發(fā)明修改過(guò)的折射率分布的多模光纖的差模延遲特征。
具體實(shí)施例方式MMF所支持的模式的個(gè)數(shù)N是由下式給出的蛣爐如其中，1^ = 2^1/^^是在自由空間中具有波長(zhǎng)λ ^的光的波數(shù)。通過(guò)改變折射率分布的目標(biāo)數(shù)值，使得它在纖芯中逐漸增大的徑向距離處減小至比理想拋物線數(shù)值要低的數(shù)值，這樣就實(shí)現(xiàn)了改善的光纖性能。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，折射率分布的數(shù)值減小至低于理想拋物線折射率分布。根據(jù)較佳的實(shí)施方式，折射率分布是連續(xù)且單調(diào)地減小的。在一些實(shí)施方式中，在特定的纖芯半徑以上，改變目標(biāo)折射率分布。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，針對(duì)大于5 μ m的纖芯半徑，改變目標(biāo)折射率分布，使得折射率分布小于遵循冪定律函數(shù)的分布(正如圖5所示那樣)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，針對(duì)大于Iym 的纖芯半徑，改變目標(biāo)折射率分布。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，使用了一種技術(shù)，通過(guò)控制摻雜劑的濃度，產(chǎn)生比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)拋物線型分布所產(chǎn)生的折射率要低的減小的折射率，從而減小折射率分布的“目標(biāo)” 數(shù)值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)理想拋物線就是目標(biāo)的情況下，某一相對(duì)少量的所得的光纖將落在該目標(biāo)附近，從而產(chǎn)生如圖4所示的期望的DMD圖。然而，因?yàn)榭刂频蜐舛葥诫s劑是有困難的，所以生產(chǎn)出的光纖中有一定數(shù)量的光纖的折射率分布將低于目標(biāo)分布，并且有一些光纖的折射率分布將高于目標(biāo)分布。在多個(gè)區(qū)域中具有比目標(biāo)拋物線分布要高的折射率分布的那些光纖(在圖6中，這些光纖被表征為隨著半徑逐漸增大而“向右移動(dòng)”)具有很差的“系統(tǒng)誤碼率(BER) ”性能。如本發(fā)明所提出的，具有修改的折射率分布的光纖將呈現(xiàn)出與圖6所示本質(zhì)上相似的DMD軌跡。在圖6中，當(dāng)半徑增大至超過(guò)8微米時(shí)，有波形峰值的橫向位移，這些波形峰值朝著該圖的左側(cè)連續(xù)且單調(diào)地移動(dòng)。在這種情況下，較高階的模式行進(jìn)得較快，因?yàn)橄蜃笠苿?dòng)就對(duì)應(yīng)于較小的數(shù)值(單位是ps/m)。在圖5中，我們畫出了兩個(gè)折射率分布，即C^ = 2以及由虛線顯示出的本發(fā)明所提出的修改的分布。此處，我們以= 2為示例，但是很明顯，這種修改同樣適用于除2以外的α值。實(shí)線表示遵循上文所描述的％(r)的方程的折射率的變化。所提出的修改的折射率分布(虛線)并不遵循該方程。遵循該公式所描述的％(r)的光纖將具有與圖4所示相似的DMD軌跡。對(duì)折射率進(jìn)行的這種修改將影響所支持的模式的個(gè)數(shù)N。如果光纖遵循冪定律，則對(duì)于
權(quán)利要求
1.一種制造多模光纖的方法，所述多模光纖的纖芯的折射率分布導(dǎo)致一種與半徑有關(guān)的漸變折射率，所述方法包括在光纖纖芯的半徑上使折射率減小，使得在逐漸增大的纖芯半徑處使光纖纖芯的折射率分布減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在光纖纖芯的半徑上，使所述光纖纖芯的折射率分布連續(xù)且單調(diào)地減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于針對(duì)大于5 μ m的纖芯半徑，使所述光纖纖芯的折射率分布減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于針對(duì)大于1 μ m的纖芯半徑，使所述光纖纖芯的折射率分布減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布。
5.一種制造多模光纖的方法，所述多模光纖的纖芯的折射率分布導(dǎo)致一種與半徑有關(guān)的漸變折射率，所述方法包括通過(guò)控制摻雜劑濃度，在光纖纖芯的半徑上使折射率減小， 使得通過(guò)使折射率分布的目標(biāo)值減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布，在逐漸增大的纖芯半徑處使光纖纖芯的折射率分布減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在光纖纖芯的半徑上，使所述光纖纖芯的折射率分布連續(xù)且單調(diào)地減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于針對(duì)大于5 μ m的纖芯半徑，使所述光纖纖芯的折射率分布減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于針對(duì)大于1 μ m的纖芯半徑，使所述光纖纖芯的折射率分布減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布。
全文摘要
一種漸變折射率多模光纖以及生產(chǎn)該漸變折射率多模光纖的方法使用了一種使多模光纖的纖芯的折射率分布減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布的技術(shù)。這可以通過(guò)在光纖纖芯的半徑上改變光纖纖芯中的摻雜劑濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)果是多模光纖具有差模延遲特征，且故意不使這種差模延遲特征最小化?？梢栽诶w芯的全部半徑上或僅僅針對(duì)一個(gè)指定半徑以上的半徑，使折射率分布減小至低于標(biāo)準(zhǔn)拋物線折射率分布。
文檔編號(hào)G02B6/028GK102227658SQ200980149101
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者G·E·圖杜瑞, R·J·皮姆皮娜拉 申請(qǐng)人:泛達(dá)公司