本申請根據35U.S.C.§119要求于2014年5月16日提交的美國臨時申請序列號61/994388的優(yōu)先權權益，該申請的內容被用作依據并且通過引用以其全部內容結合在此。

技術領域

本公開涉及采用多模光纖的光學傳輸系統以及利用這種光纖的傳輸系統。

背景技術：

不承認在本文引用的任何參考構成現有技術。申請人明確地保留質疑任何引用文獻的準確性和相關性的權利。

在數據中心中采用光纖傳輸系統來將一臺光學設備(例如，路由器、服務器、交換機等)與另一組光學設備光學地連接。

當前數據中心配置有多模光纖，這些多模光纖被耦合至向多模光纖提供調制數據信號的850nm多模VCSEL光源。因為光學設備中的收發(fā)器中的光源是多模光源，所以使用這種多模光纖。而且，在歷史上，相比單模光纖，一直以來使用多模光纖進行工作更加容易。不幸地是，由于模色散的原因，多模光纖的帶寬距離乘積更小，這使得在維持高帶寬傳輸的同時擴展光纖傳輸系統的范圍是困難且昂貴的。此外，利用以10Gb/s來進行操作的典型發(fā)射器(其利用850nm VCSEL)作為源，由于這些多模光纖的二氧化硅材料所帶來的色散而引起的信號失真，當前標準OM3和OM4多模光纖僅可以在約300m到約500m的距離上傳輸光信號。隨著光學傳輸速度移至25Gb/s或更高，由于在850nm周圍進行操作的當前標準OM3和OM4多模光纖的色散的原因，此距離變得甚至更短(75m到150m)。因此，需要增大光纖傳輸系統的傳輸距離而不會導致用于替換現有多模光纖的時間、勞力和費用的其他方式。

技術實現要素：

根據一些實施例，一種多模光纖包括多模芯，該多模芯具有直徑D₄₀以及折射率分布，該芯被配置成用于在位于840nm與860nm之間的波長λ1處最佳地傳輸光并且用于在另一個波長λo處以LP01模式來傳播光，其中，λo>950nm，該多模光纖具有LP01模場直徑LP01MFD_MMλ0，并且8.5μm<LP01MFD_MMλ0<11μm。根據一個示例性實施例，λo在1320nm與1360nm之間。根據另一個示例性實施例，λo在1540nm與1560nm之間。根據一些實施例，優(yōu)選地，多模光纖具有至少0.7％的最大折射率變化量Δ₁(％)。

根據一些實施例，多模光纖具有：芯直徑D₄₀，使得15μm≤D₄₀<23μm；以及在0.7％與1.25％之間的芯折射率變化量。根據一些實施例，芯的阿爾法值為2.09≤α≤2.13。該芯由包層包圍。在一些實施例中，光纖包括包圍芯的包層以及位于包層內的凹陷折射率區(qū)域。根據一些實施例，多模光纖OF(全模式)模帶寬(BW)在波長λ₁＝850nm處為至少2.5GHz·Km并且在波長1200nm處為小于2GHz·Km。根據一些實施例，全模式帶寬在波長λ₁處為至少2.5GHz·Km，多模光纖模帶寬在波長λ₁＝850nm處為至少5GHz·Km，并且根據一些實施例，在此波長處為大于10GHz·Km。

根據一些實施例，一種光學傳輸系統包括：

多模發(fā)射器，該多模發(fā)射器生成調制光，該調制光具有840nm與860nm之間的工作波長；

光學接收器，所述光學接收器被配置成用于接收并檢測所述調制光；

多模光纖，該多模光纖限定了該多模發(fā)射器與該光學接收器之間的光學路徑，該多模光纖具有芯，該芯具有直徑D₄₀以及折射率分布，該芯被配置成用于在位于840nm與860nm之間的波長λ1處最佳地傳輸光并且用于在另一個波長λo處傳播LP01模式，其中，λo>950nm，該多模光纖具有LP01模場直徑LP01MFD_MMλ0并且8.5μm<LP01MFD_MMλ0<11μm。根據一個示例性實施例，λo在1320nm與1360nm之間。根據另一個示例性實施例，λo在1540nm與1560nm之間。

根據一些實施例，多模光纖的模帶寬在波長λ₁處為至少2.5GHz·Km。

根據一些實施例，一種光學傳輸系統包括：

發(fā)射器，該發(fā)射器生成調制光，該調制光具有使得λ₀>950nm的工作波長λ₀；

光學接收器，所述光學接收器被配置成用于接收并檢測所述調制光；

多模光纖，該多模光纖限定了該多模發(fā)射器與該光學接收器之間的光學路徑，該多模光纖具有芯，該芯具有直徑D₄₀、至少0.7％的最大相對折射率變化量Δ₁(％)、以及折射率分布，該芯被配置成用于在波長850nm處最佳地傳輸光并且用于在該波長λo處傳播LP01模式，該多模光纖具有LP01模場直徑LP01MFD_MMλ0并且8.5μm<LP01MFD_MMλ0<11μm。根據至少一些光學傳輸系統實施例，在波長λo中的光以基本上LP01模式被發(fā)射到多模光纖中。

在一些示例性實施例中，波長λo位于1260nm到1340nm的波長帶或者1540nm到1560nm的波長帶中。

附加特征以及優(yōu)點將在以下詳細描述中予以闡明、并且部分地從該描述中對本領域的技術人員而言將變得非常明顯或者通過實踐如所寫描述中描述的實施例和其權利要求書以及所附附圖很容易被認識。

應當理解的是，上述概括描述和以下詳細描述僅是示例性的，并且旨在為理解權利要求書的本質和特征提供概要或框架。

附圖被包括以便提供進一步理解，并被結合在本說明書中并構成本說明書的一部分。附圖展示了一個或多個實施例，并且與說明書一起用于解釋各種實施例的原理和操作。

附圖說明

圖1A是采用通過多模光纖40光學地連接的多模發(fā)射器和單接收器的光纖傳輸系統的一個實施例的示意圖；

圖1B是采用通過多模光纖40光學地連接的單模發(fā)射器和單模或多模接收器的光纖傳輸系統的一個實施例的示意圖；

圖2A是采用通過多模光纖光學地連接的單模發(fā)射器和多模接收器的光纖傳輸系統的一個實施例的示意圖；

圖2B是采用通過多模光纖光學地連接的單模發(fā)射器和單模接收器30S的光纖傳輸系統的一個實施例的示意圖；

圖3A和圖3B是光學傳輸系統的其他示例性實施例的示意圖；

圖4展示了若干示例性多模光纖實施例在1310nm波長處的LP01模式MFD對纖芯半徑；

圖5展示了若干示例性多模光纖實施例在1550nm波長處的LP01模式MFD對纖芯半徑；

圖6示出了若干示例性MMF的帶寬對波長；

圖7示意性地展示了一根示例性MMF 40的折射率分布；以及

圖8是采用通過多模光纖40′光學地連接的單模發(fā)射器、以及包括SMF 50的(多根)SM光纖跳線的光纖傳輸系統的一個實施例的示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的附加特征以及優(yōu)點將在以下詳細描述中予以闡述，并且將從該描述中對本領域的技術人員而言是明顯的或通過實踐如在以下描述連同權利要求書和附圖中描述的本發(fā)明被認識。

“折射率分布”是折射率或相對折射率與波導光纖半徑之間的關系。

“相對折射率”被定義為Δ＝100×[n(r)²-n_cl²)/2n(r)²，其中，除非另外指明，n(r)是在離光纖的中心線的徑向距離r處的折射率，并且n_cl是包層的外部包層區(qū)域在波長850nm處的平均折射率，該平均折射率可以例如通過在包層的外部環(huán)形區(qū)域中進行“N”次折射率測量(n_C1、n_C2、…、n_CN)并通過以下各項來計算平均折射率來計算：

在包層的外部環(huán)形區(qū)域中進行“N”次折射率測量(n_C1、n_C2、…、n_CN)并通過以下各項來計算平均折射率來計算：

i＝N

n_C＝(1/N)∑n_Ci。

i＝1

在一些示例性實施例中，外部包層區(qū)域包括基本上純的二氧化硅。除非另外指明，如在本文中所使用的，相對折射率由變化量或Δ表示并且它的值通常以“％”為單位給出。除非另外指明，在區(qū)域的折射率小于外部包層區(qū)域的平均折射率的情況下，相對折射率百分比為負并且被稱為具有凹陷折射率，并且是在相對折射率最負的點處計算的。除非另外指明，在區(qū)域的折射率大于外部包層區(qū)域的平均折射率的折射率的情況下，相對折射率百分比為正，并且該區(qū)域可以說是被提高或者具有正折射率，并且該相對折射率百分比是在相對折射率最正的點處計算的。參照芯變化量值，其在本文中被公開為最大％變化量。

“上摻雜劑(up-dopant)”在本文中被認為是相對于純的未摻雜SiO₂具有提高折射率的傾向的摻雜劑?！跋聯诫s劑(down-dopant)”在本文中被認為是相對于純的未摻雜SiO₂具有降低折射率的傾向的摻雜劑。在伴隨有不是上摻雜劑的一種或多種其他摻雜劑時，上摻雜劑可以存在于具有負相對折射率的光纖區(qū)域中。同樣地，不是上摻雜劑的一種或多種其他摻雜劑可以存在于具有正相對折射率的光纖區(qū)域中。在伴隨有不是下摻雜劑的一種或多種其他摻雜劑時，下摻雜劑可以存在于具有正相對折射率的光纖區(qū)域中。同樣地，不是下摻雜劑的一種或多種其他摻雜劑可以存在于具有負相對折射率的光纖區(qū)域中。

除非另外說明，光纖的全模式(Overfill)(或全模式(Overfilled，OFL))帶寬(BW)在本文中被定義為根據Measurement Methods and Test Procedures:Bandwidth(測量方法和測試程序：帶寬)(IEC 60793-1-41(TIA-FOTP-204))在850nm處使用全模式發(fā)射條件來測量的。除非另外指明，在以下討論中，帶寬BW被理解為指全模式帶寬。

最小計算有效模帶寬(EBW)可以從如由Measurement Methods and Test Procedures:Differential Mode Delay(測量方法和測試程序：差分模式延遲)(IEC 60793-1-49(TIA/EIA-455-220))所指定的測量差分模式延遲光譜中獲得。

光纖的NA是指如使用題為“Measurement Methods and Test Procedures:Numerical Aperture(測量方法和測試程序：數值孔徑)”的IEC-60793-1-43(TIA SP3-2839-URV2FOTP-177)中所闡述的方法來測量的數值孔徑。

模型化帶寬可以根據T.A.Lenahan(T.A.里納瀚)“Calculation of Modes in an Optical Fiber Using the Finite Element Method and EISPACK(使用有限元法和EISPACK來計算光纖中的模式)”，Bell Sys.Tech.J.(貝爾系統技術雜志)，第62卷，第2663-2695頁(1983)中所概述的程序來計算，其全部公開據此通過引用結合在此。此參考的方程47用于計算模延遲；然而，注意，術語dk_包層/dω²必須由dk²_包層/dω²來代替，其中，k_包層＝2π*n_包層/λ并且ω＝2π/λ，并且n_包層＝nc，其中，是外部包層區(qū)域的平均折射率。通常每單位長度地對模延遲進行歸一化，并且以ns/km為單位(或等效地以ps/m為單位)給出模式延遲。計算帶寬還假設折射率分布是理想的，不具有如中心線下降等擾動，并且因此，對于給定設計，代表最大帶寬。

如在本文中所使用的，術語漸變折射率、“α分布”或“阿爾法分布”是指相對折射率分布，用以“％”為單位的Δ來表示，其中，r是半徑，并且其遵循以下方程，

其中，Δ₀是被外推至r＝0的相對折射率，R₁是芯的半徑(即，Δ(r)為0的半徑)，并且α是作為實數的指數。對于階躍折射率分布，阿爾法值大于或等于10。對于漸變折射率分布，阿爾法值小于10。如在本文中所使用的，術語“拋物線的”包括基本上拋物線形狀的折射率分布，這些折射率分布可以在芯中的一個或多個點處從例如2.0的α值略微變化，以及具有微小變化和/或中心線下降的分布。舉例說明本發(fā)明的模型化折射率分布具有作為完美阿爾法分布的漸變折射率芯。真實光纖通常將與完美阿爾法分布具有微小偏差，包括如在芯的外部接口處的中心線和/或擴散尾部處的下降或尖峰等特征。然而，準確的阿爾法值和Δ₀值仍然可以通過在從0.05R₁≤r≤0.95R₁的半徑范圍內數值地將測量的相對折射率分布與阿爾法分布進行擬合來獲得。在中心線處不具有如下降或尖峰等缺陷的理想漸變折射率光纖中，Δ₀＝Δ_1MAX，其中，Δ_1MAX是芯的最大折射率。在其他情況下，從0.05R₁≤r≤0.95R₁的數值擬合中獲得的Δ₀值可能大于或小于Δ_1MAX。

本發(fā)明的附加特征以及優(yōu)點將在以下詳細描述中予以闡述，并且將從該描述中對本領域的技術人員而言是明顯的或通過實踐如在以下描述連同權利要求書和附圖中描述的本發(fā)明被認識。

“折射率分布”是折射率或相對折射率與波導光纖半徑之間的關系。

“相對折射率”被定義為Δ＝100×[n(r)²-n_cl²)/2n(r)²，其中，除非另外指明，n(r)是在離光纖的中心線的徑向距離r處的折射率，并且n_cl是包層的外部包層區(qū)域在波長850nm處的平均折射率，該平均折射率可以例如通過在包層的外部環(huán)形區(qū)域中進行“N”次折射率測量(n_C1、n_C2、…、n_CN)并通過以下各項來計算平均折射率來計算：

在包層的外部環(huán)形區(qū)域中進行“N”次折射率測量(n_C1、n_C2、…、n_CN)并通過以下各項來計算平均折射率來計算：

i＝N

n_C＝(1/N)∑n_Ci。

i＝1

在一些示例性實施例中，外部包層區(qū)域包括基本上純的二氧化硅。除非另外指明，如在本文中所使用的，相對折射率由變化量或Δ表示并且它的值通常以“％”為單位給出。除非另外指明，在區(qū)域的折射率小于外部包層區(qū)域的平均折射率的情況下，相對折射率百分比為負并且被稱為具有凹陷折射率，并且是在相對折射率最負的點處計算的。除非另外指明，在區(qū)域的折射率大于外部包層區(qū)域的平均折射率的折射率的情況下，相對折射率百分比為正，并且該區(qū)域可以說是被提高或者具有正折射率，并且該相對折射率百分比是在相對折射率最正的點處計算的。參照芯變化量值，其在本文中被公開為最大％變化量。

“上摻雜劑(up-dopant)”在本文中被認為是相對于純的未摻雜SiO₂具有提高折射率的傾向的摻雜劑?！跋聯诫s劑(down-dopant)”在本文中被認為是相對于純的未摻雜SiO₂具有降低折射率的傾向的摻雜劑。在伴隨有不是上摻雜劑的一種或多種其他摻雜劑時，上摻雜劑可以存在于具有負相對折射率的光纖區(qū)域中。同樣地，不是上摻雜劑的一種或多種其他摻雜劑可以存在于具有正相對折射率的光纖區(qū)域中。在伴隨有不是下摻雜劑的一種或多種其他摻雜劑時，下摻雜劑可以存在于具有正相對折射率的光纖區(qū)域中。同樣地，不是下摻雜劑的一種或多種其他摻雜劑可以存在于具有負相對折射率的光纖區(qū)域中。

除非另外說明，光纖的全模式(Overfill)(或全模式(Overfilled，OFL))帶寬(BW)在本文中被定義為根據Measurement Methods and Test Procedures:Bandwidth(測量方法和測試程序：帶寬)(IEC 60793-1-41(TIA-FOTP-204))在850nm處使用全模式發(fā)射條件來測量的。除非另外指明，在以下討論中，帶寬BW被理解為指全模式帶寬。

最小計算有效模帶寬(EBW)可以從如由Measurement Methods and Test Procedures:Differential Mode Delay(測量方法和測試程序：差分模式延遲)(IEC 60793-1-49(TIA/EIA-455-220))所指定的測量差分模式延遲光譜中獲得。

光纖的NA是指如使用題為“Measurement Methods and Test Procedures:Numerical Aperture(測量方法和測試程序：數值孔徑)”的IEC-60793-1-43(TIA SP3-2839-URV2FOTP-177)中所闡述的方法來測量的數值孔徑。

模型化帶寬可以根據T.A.Lenahan(T.A.里納瀚)“Calculation of Modes in an Optical Fiber Using the Finite Element Method and EISPACK(使用有限元法和EISPACK來計算光纖中的模式)”，Bell Sys.Tech.J.(貝爾系統技術雜志)，第62卷，第2663-2695頁(1983)中所概述的程序來計算，其全部公開據此通過引用結合在此。此參考的方程47用于計算模延遲；然而，注意，術語dk_包層/dω²必須由dk²_包層/dω²來代替，其中，k_包層＝2π*n_包層/λ并且ω＝2π/λ，并且n_包層＝nc，其中，是外部包層區(qū)域的平均折射率。通常每單位長度地對模延遲進行歸一化，并且以ns/km為單位(或等效地以ps/m為單位)給出模式延遲。計算帶寬還假設折射率分布是理想的，不具有如中心線下降等擾動，并且因此，對于給定設計，代表最大帶寬。

如在本文中所使用的，術語漸變折射率、“α分布”或“阿爾法分布”是指相對折射率分布，用以“％”為單位的Δ來表示，其中，r是半徑，并且其遵循以下方程，

其中，Δ₀是被外推至r＝0的相對折射率，R₁是芯的半徑(即，Δ(r)為0的半徑)，并且α是作為實數的指數。對于階躍折射率分布，阿爾法值大于或等于10。對于漸變折射率分布，阿爾法值小于10。如在本文中所使用的，術語“拋物線的”包括基本上拋物線形狀的折射率分布，這些折射率分布可以在芯中的一個或多個點處從例如2.0的α值略微變化，以及具有微小變化和/或中心線下降的分布。舉例說明本發(fā)明的模型化折射率分布具有作為完美阿爾法分布的漸變折射率芯。真實光纖通常將與完美阿爾法分布具有微小偏差，包括如在芯的外部接口處的中心線和/或擴散尾部處的下降或尖峰等特征。然而，準確的阿爾法值和Δ₀值仍然可以通過在從0.05R₁≤r≤0.95R₁的半徑范圍內數值地將測量的相對折射率分布與阿爾法分布進行擬合來獲得。在中心線處不具有如下降或尖峰等缺陷的理想漸變折射率光纖中，Δ₀＝Δ_1MAX，其中，Δ_1MAX是芯的最大折射率。在其他情況下，從0.05R₁≤r≤0.95R₁的數值擬合中獲得的Δ₀值可能大于或小于Δ_1MAX。

現在詳細參照本公開的各實施例，附圖中展示了這些實施例的示例。在任何可能的情況下，在附圖中使用相同的或相似的參考數字和符號來指代相同或相似的部分。附圖不一定是按比例的，而且本領域的技術人員將認識到附圖已經簡化了的地方以展示本公開的重要方面。

如以下所闡述的權利要求書被結合到具體實施方式中并構成具體實施方式的一部分。

將通過以下示例來進一步闡明各實施例。

本公開的至少一個實施例涉及包括多模光纖(MMF)40、40′的光學傳輸系統10、10′。多模光纖40、40′既可以在位于840nm-860nm的波長范圍(例如，845nm<λ₁<855nm的范圍，850nm)內的信號波長λ₁處進行操作以便進行多模(MM)傳輸，又可以在更長波長λ₀(例如，980nm、1060nm、1310nm、或1550nm)處進行操作以便基本上進行單模(SM)傳輸。期望的是，光學傳輸系統10具有長于950nm的工作波長λ₀(例如，980nm、1060nm、1310nm或1550nm)，以便降低由于光纖的二氧化硅材料而引起的色散。由此，因為在本文中所公開的光學傳輸系統的實施例中的多模光纖40、40′能夠既在850nm處進行操作以便進行多模傳輸，又在更長波長λ₀(即，λ₀>λ₁，其中，λ₀-λ₁>100nm)處進行操作以便進行單模傳輸，所以它們可以與通常利用的850nm VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔表面發(fā)射激光器)一起使用，并且在稍后的時間，可以有利地通過使用更長波長(例如，λ₀>950nm)光源來替換850nm VCSEL從而對光學傳輸系統進行升級，而無需替換已經鋪設的(多根)多模光纖。更長波長光源可以是例如980nm、1060nm、1310nm或1550VCSEL、或者在或者1310nm或者1550nm處進行操作的硅光子激光源、或者在950nm到1600nm的波長處進行操作的DFB(Distributed Feed-back，分布反饋)激光器。

例如，在光學傳輸系統10的一些實施例中，在波長λ₀>950nm處提供光信號的更長波長光源被光學地耦合至單模光纖(SMF)50、50′的相對短長度(例如，0.01m到20m)。例如，SMF 50、50′的相對短長度可以采用0.01m到0.2m的SMF光纖插芯類型連接器的形式，或者SMF跳線中的0.5m到2m。單模光纖(SMF)50、50′反過來可以被直接耦合至在本文中所描述的多模光纖40、40′?？梢岳缭趩蝹€模塊中提供更長波長光源和SMF 50，以便容易地被耦合至MMF 40′、40。這些實施例的升級的光學傳輸系統10利用被優(yōu)化成用于在840到860nm的波長范圍內(例如，以λ₁＝850nm)進行多模傳輸的至少一根多模光纖(MMF)40、40′以及被耦合至(多根)多模光纖40、40′的能夠在波長λ₀>950nm處進行SM傳輸的至少一根單模光纖(SMF)50′、50。多模光纖40、40′被構造成用于在波長λ₀處以LP01模式來傳播光，并且用于使LP01光學模式的模場直徑大約等于(±30％，更優(yōu)選地，±20％)SM光纖50、50′的模場直徑。SM光纖50、50′被光學地耦合至收發(fā)器20、30。從SMF的LP01模式到MMF的LP01模式的耦合損耗取決于模場直徑(MFD)。由于MFD失配而引起的耦合損耗CL可以使用來計算。不大于±30％的模場直徑失配幫助將由于MFD失配而引起的耦合損耗保持為不大于0.5dB。例如，SMF 50′、50可以位于發(fā)射器20(包含在長于950nm的波長處進行操作的光源)與MMF 40、40′之間。然而，其還可以位于接收器30與MMF 40、40′之間。在光學系統10的一些實施例中，MMF 40、40′的長度為100m到1000m。

在一些示例性實施例中，在1310nm處對單模光纖50、50′進行單模處理，并且多模光纖40、40′被構造成具有這樣的模場直徑(MFD)：該模場直徑使得在1310nm處傳播通過多模光纖的LP01模式大約等于單模光纖50、50′在此波長處的MFD(即，±30％，或者在λ₀＝1310nm處，0.7MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.3MFD_SM)。在一些實施例中，0.8MFD_SM<LP01 MFD_MMλ0<1.2MFD_SM，并且在一些實施例中，在λ₀＝1310nm處，0.9MFD_SM<LP01 MFD_MMλ0<1.1MFD_SM。

而且，例如，在一些實施例中，單模光纖50、50′在1060nm處是單模光纖，并且多模光纖40、40′被構造成具有這樣的模場直徑(MFD)：該模場直徑使得在約1060nm的λ₀處傳播通過多模光纖的LP01模式大約等于單模光纖50、50′的模場直徑(即，±30％，或者在λ₀處，0.7MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.3MFD_SM)。在一些實施例中，0.8MFD_SM<LP01 MFD_MMλ0<1.2MFD_SM，并且在一些實施例中，在λ₀＝1060nm處，0.9MFD_SM<LP01 MFD_MMλ0<1.1MFD_SM。

而且，例如，在一些實施例中，單模光纖50、50′在λ₀＝1550nm處是單模光纖，并且多模光纖40、40′被構造成具有這樣的模場直徑(MFD)：該模場直徑使得在λ₀＝1550nm處傳播通過多模光纖的LP01模式大約等于單模光纖50、50′的模場直徑(即，±30％，或者在λ₀＝1550nm處，0.7MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.2MFD_SM)。在一些實施例中，0.8MFD_SM<LP01 MFD_MMλ0<1.2MFD_SM，并且在一些實施例中，在λ₀＝1550nm處，0.9MFD_SM<LP01 MFD_MMλ0<1.1MFD_SM。

并且，例如，在一些實施例中，在波長λ₁處對光纖50、50′進行多模處理，并且該光纖在980nm、或1060nm、或1310nm、或1550nm的波長，或者另一個波長λ₀(其中，λ₀-λ₁>100nm)處以LP01模式來傳播光，并且多模光纖被構造成具有這樣的模場直徑：該模場直徑使得在此波長處傳播通過多模光纖40、40′的LP01大約等于(±30％，更優(yōu)選地，20％，并且甚至更優(yōu)選地，10％)單模光纖50、50′在該波長處的MFD，以便將MMF與SMF之間的耦合損耗最小化。由此，根據這些實施例，可以在光學傳輸系統10中將多模光纖40、40′既用于傳輸由(多個)850nm VCSEL光源所提供的信號，又用于對從單模光纖提供至該多模光纖的信號光進行單模傳輸，并且有利地，光學傳輸系統10不需要利用在單模光纖與多模光纖之間的模式轉換透鏡的耦合設備。例如，有利地，SMF和MMF可以彼此接合，或者彼此對接耦合，而不需要具有在其之間的介入透鏡元件。

根據一些實施例，可以在光學傳輸系統10中將多模光纖40、40′既用于在波長λ₁處(例如，在λ₁＝850nm處)傳輸由(多個)VCSEL光源所提供的信號，又用于進行到單模光纖50、50′的單模傳輸(LP01模式，在波長λ₀處)，其中，單模光纖50、50′位于MM光纖與接收器之間。在這些實施例中，λ₀-λ₁>100nm。在此實施例中，例如，多模光纖和單模光纖可以彼此物理接觸，或者可以與其之間的折射率匹配流體或粘合劑耦合，或者可以被小的氣隙d(例如，d<1mm)分離。(多根)光纖50、50′、40、40′被構造成使得在λ₀處，0.7MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.3MFD_SM。因此，在此實施例中，在更高階光學模式進一步傳播到光學系統10中之前，單模光纖50、50′剝離這些更高階光學模式(同時允許以LP01模式傳播光)。在這些實施例中，有利地，光學傳輸系統10不需要利用位于單模光纖50、50′與多模光纖40、40′之間的模式轉換/匹配透鏡的耦合設備。

本公開的一些實施例涉及光學傳輸系統10，該光學傳輸系統在從950nm到1600nm的范圍內的波長處進行操作且采用光學地耦合至被設計成用于進行850nm多模操作的多模光纖的對應端的單模光發(fā)射器和光學接收器。光學傳輸系統10采用光發(fā)射器與接收器20和30之間的光學路徑內的至少一根單模光纖50、50′。在這些實施例中，單模50、50′確保僅在該波長處來自LP01模式的光傳輸通過該系統，由此有利地啟用大于10GHz·km的系統帶寬。單模光纖50、50′可以具有相對短的長度L，例如，1cm到5m或者50cm到5m。

根據一些示例性實施例，單模光纖50′的物理芯直徑D_SM為從8.0μm到9.5μm，并且此光纖被耦合至多模光纖40。在此實施例中，多模光纖40具有相對小的芯直徑D₄₀(例如，14μm到30μm)，該芯直徑小于傳輸系統中使用的常規(guī)MMF的50μm或62.5μm的直徑。

根據其他實施例，單模光纖50的物理芯直徑D_SM大于常規(guī)SMF的物理芯直徑，并且具有比常規(guī)SMF的芯變化量更小的芯變化量(例如，0.1％到0.25％)。例如，單模光纖50的物理芯直徑D_SM為14μm到24μm，并且此SMF 50可以被耦合至多模光纖40′。這些實施例的多模光纖40′具有例如50μm或62.5μm的芯直徑D₄₀。

可以在限定光學路徑的部件中的任何部件中將單模光纖50、50′整合在該光學路徑內。例如，單模光纖50、50′可以被耦合至發(fā)射器20和/或接收器30。可以將單模光纖50、50′接合在多模光纖40、40′的任一端或兩端處，例如以便形成光纖鏈路的一部分。在一些示例中，升級的光學傳輸系統10支持大于10Gb/s的數據速率，例如，16Gb/s、25Gb/s或甚至更高。

如在圖1A中所示出的，根據一些實施例，光學系統利用適合用于進行850nm多模傳輸和在更長波長λ₀(例如，980nm、1060nm、1310nm或1550)處進行LP01模式傳輸的多模光纖(MMF)40。此實施例的MMF 40針對在位于845到855nm的范圍內的波長λ₁(例如，λ₁＝850nm)處的高帶寬(BW)而設計。MMF 40的基本模式(LP01)具有大約等于標準單模光纖50′(比如，)的模場直徑(LP01 MFD_MM)的模場直徑，例如，在1310nm處約8.7-9.7μm以及在1550nm處約9.8-10.8μm，并且MMF 40優(yōu)選地具有約13-30μm的物理芯直徑D₄₀，例如，15μm≤D₄₀≤23μm。當MMF 40用于在光學傳輸系統10′中在圖1A中所示出的850nm處進行傳輸時，MM發(fā)射器被直接耦合至MMF。在接收端處，MMF 40被耦合至MM接收器。

當圖1A的MMF 40用于在如圖1B中所示出的更長波長(λ₀>950nm，例如，1060nm、1310nm或1550nm)處進行單模傳輸時，SM發(fā)射器可以被耦合至標準SMF 50′，該標準SMF被耦合至MMF 40(呈中心對齊)。因為MMF 40的基本模式的MFD與標準SMF 50′的MFD大約相同，所以從SM源20S(或者從SMF 50′)處提供至MMF 40的光被耦合到基本模式LP01中。在接收端處，如果在MMF中沒有發(fā)生明顯的模式耦合損耗，則SM接收器或MM接收器中的任一者都可以被直接耦合至MMF 40。然而，如果在MMF 40中進行傳播期間發(fā)生模式耦合，則可以將標準SMF 50′作為濾波器放在MMF與接收器之間，以便剝離更高階模式。

圖2A是采用通過多模光纖(MMF)40光學地連接的單模(SM)發(fā)射器20S和多模(MM)接收器30M的光纖傳輸系統(“系統”)10的示意圖，該多模光纖具有被設計成用于在約850nm的標稱波長處最佳地進行操作的折射率分布(即，具有845nm-855nm的范圍內的“峰值波長”，在該范圍內，模色散最小)。因為在本文中所描述的MM光纖40在波長λ₀處以LP01模式來傳輸光信號，所以從SM發(fā)射器20S處發(fā)射的光將傳播通過光纖40，就好像其是單模光纖。

圖2B類似于圖2A，但是采用了SM接收器30S。SM發(fā)射器20S可以是在如LR或LRM收發(fā)器等光通信收發(fā)器中使用的SM發(fā)射器。MM接收器30M可以是在基于VCSEL的收發(fā)器中使用的MM接收器，或者其可以是特別設計的MM接收器。SM發(fā)射器20S發(fā)射調制光22，在示例中，該調制光具有至少950nm的標稱波長λ₀(例如，980nm、1060nm、1200nm、1310nm、或1550nm)。更一般地，SM發(fā)射器20S發(fā)射具有從950nm到1600nm的范圍內的波長的光，并且在本文中所公開的系統和方法可以具有此范圍內的工作波長。在圖2A和圖2B中所示出的光學傳輸系統10的兩個實施例中，SM光纖(未示出)可以被耦合至收發(fā)器20、30和多模光纖，從而使得SMF的MFD直徑大約等于MMF的MFD直徑，即，在波長λ₀處，0.7MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.3MFD_SM。優(yōu)選地，在波長λ₀處，0.8MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.2MFD_SM。在一些實施例中，在波長λ₀處，0.9MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.1MFD_SM。

光學系統10的一個實施例類似于圖1B中所示出的光學系統的一個示例，但是代替MMF 40，光學系統10包括現有或“遺留”850nm MMF 40′，比如，在波長950nm到1600nm處具有12-16μm的范圍內的LP01 MFD的現有OM2、OM3或OM4MM光纖，其中，SM收發(fā)器20S在從950nm到1600nm的范圍內的波長λ₀處(并且特別是在約1060nm(即，1060nm±10nm)處、或者在約1310nm(即，1310nm±10nm)處、或者在約1510nm(即，1510nm±10nm)處)進行操作以便以可能10Gb/s或更高數據速率(例如，25Gb/s或更高，取決于如由MMF 40′的功率預算和帶寬所限制的系統能力)在100m到1000m的距離上在數據中心之內或之間傳輸數據。在此實施例中，SMF 50被設計成用于與現有或“遺留”850nm MMF 40′(比如，現有OM2、OM3或OM4MM光纖)一起利用。在此實施例中，MMF 40′被直接耦合至SM光纖50，該SM光纖被構造成在波長λ₀處具有使得0.7MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.3MFD_SM的MFD直徑(MFD_SM)。在一些實施例中，0.8MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.2MFD_SMμm，例如，0.9MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.1MFD_SM。SMF 50具有12-16微米的范圍內的MFD(在位于950nm與1600nm之間的波長λ₀處)，在此波長處，該MFD大于標準SMF 50′的MFD(例如，大于的MFD)。在一些實施例中，被耦合至在位于950nm與1600nm的范圍內的波長λ₀處具有約12-16μm的LP01模式MFD的OM2、OM3或OM4MM光纖40′的SM光纖50的芯直徑(D_SM)為例如15到23μm。

由此，在一些實施例中，光學系統10包括MMF 40′(比如，在波長λ₀處具有12-16μm的MFD的現有OM2、OM3、或OM4MM光纖)，其中，SM收發(fā)器20S在從950nm到1600nm的范圍內的波長λ₀處(并且特別是在約980nm(±10nm)、1060nm(±10nm)、1310nm(±10nm)或者1510nm(±10nm)處)進行操作以便以可能10Gb/s或更高數據速率(例如，25Gb/s或更高，取決于如由MMF 40′的功率預算和帶寬所限制的系統能力)在100m到1000m的距離上在數據中心之內或之間傳輸數據。在這些實施例中，MMF 40′被直接耦合至常規(guī)SMF光纖50，并且SMF 50被構造成波長λ₀處具有使得0.7MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.3MFD_SM的MFD直徑(MFD_SM)。

注意，在這些實施例中，此處所討論的SM發(fā)射器30S可以是基于現有標準而設計成用于使用單模光纖(SMF)來進行工作的發(fā)射器?？梢詫@種SM發(fā)射器30S進行修改以便與MMF一起使用來確保更好的物流管理或者與現有設備的兼容性。還注意的是，MMF 40′被設計成用于在850nm處進行最佳操作，但是光學傳輸系統10在從950nm到1600nm的范圍內的標稱波長處(例如，在約980nm、1060nm、1310nm、或1550nm的標稱波長處)進行操作。

圖3A和圖3B是作為圖2A和圖2B的系統10的修改版本的并且被配置成用于減小更高階模式所產生的不利效果的示例性光學傳輸系統100的示意圖，這些更高階模式具有與基本LP01模式的群延遲非常不同的群延遲。參照圖3A，系統10包括單模接收器或多模接收器(“接收器”)30和安排在MMF 40、40′與接收器30之間的單模光纖50、50′。在這些實施例中，MMF 50被耦合至SMF 40′，或者MMF 50′被耦合至SMF 40。圖3B類似于圖3A，并且也包括SM發(fā)射器20S與MMF 40之間的第二單模光纖50、50′。圖3A的兩個特寫插圖示出了單模光纖50、50′和MMF 40、40′的截面視圖。單模光纖50、50′具有由包層54包圍的中心芯52。中心芯具有直徑D_SM。優(yōu)選地，單模光纖50、50′具有從5nm到10m的范圍內的長度。多模光纖40、40′具有由包層44包圍的直徑為D₄₀的芯42。

單模光纖50、50′的芯直徑D_SM小于MMF 40、40′的芯直徑D₄₀。單模光纖50、50′的更小芯直徑D_SM用于濾出可能在MMF 40、40′中行進的更高階模式。雖然存在一些模式損耗，但是來自SM發(fā)射器20的行進穿過系統10的光22將被限制在基本上沿著MMF 40、40′的中心向下行進的那些模式。

圖4展示了在λ₀＝1310nm處具有若干示例性芯變化量的MMF 40的LP01 MFD對芯半徑。為了圖4中所示出的模型的目的，我們將MMF 40的芯阿爾法選擇為2.1，但是在圖4中所展示的芯半徑的范圍內，計算的LP01 MFD在1.9與2.2之間的阿爾法的范圍內變化非常小。例如，我們考慮了當MMF 40的芯變化量為1.0％時的MFD。已知的是，由紐約州康寧市的康寧公司(Corning Incorporated)所生產的單模光纖在1310nm處具有的9.2μm的標稱MFD。圖4展示了為了MMF 40能夠在λ₀＝1310nm處與的使得在λ₀＝1310nm處0.8MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.2MFD_SM的9.2μm的MFD相匹配，變化量為1％的MMF 40的芯半徑應當在10微米左右(芯直徑D₄₀應當在20微米左右)。例如，對于具有Δ＝0.6％的相對芯折射率變化量的MMF 40，該光纖應當優(yōu)選地具有約15μm的芯直徑D₄₀，以便具有大約等于光纖的MFD的LP01模式MFD。圖4還指示當MMF 40的芯變化量減小時，MMF 40的芯半徑應當減小，以便在1310nm處LP01 MFD_MM能夠大約等于的MFD(即，以便使該光纖能夠滿足以下條件：在λ₀＝1310nm處，0.7MFD_SM<LP01 MFD_MM<1.3MFD_SM)。然而，如果我們選擇MMF 40的芯變化量為2.0％，則芯直徑D₄₀應當為30微米左右。由此，圖4指示當MMF 40的芯變化量增大時，MMF 40的芯半徑應當增大。圖4展示了對于MMF 40的任何給定芯變化量值，我們可以選擇合適的芯直徑D₄₀，從而使得MMF 40的MFD大約(±30％)等于光纖50′的MFD(即，在此示例中，光纖的MFD)?？梢詫υ?550nm左右進行的單模操作或對任何其他興趣波長λ₀進行類似研究。

例如，在圖5中示出了在λ₀＝1550nm的波長處，對于MMF 40的不同芯半徑，在若干芯變化量處的LP01 MFD。為了讓LP01 MFD在1550nm處與的10.3μm的標稱MFD相匹配(在大小上)，人們可以選擇芯變化量為1％的情況下的22微米的芯直徑或者芯變化量為2％的情況下的31微米的芯直徑。以上分析示出了對于給定變化量，用于在1310nm和1550nm兩者處匹配的MFD的芯直徑大約相同。人們可以選擇用于非常小誤差地匹配1310nm和1550nm兩者的MFD的平均直徑。例如，對于芯變化量1％，可以將芯直徑選擇為約21μm，并且對于變化量2％，可以將芯直徑選擇為約30.5μm。

在光學系統10的一些實施例中，對于1310nm操作，單模光纖SMF(例如，作為SM尾纖)可能不同于光纖的MFD，并且在這種情況下，在給定此光纖的MFD的情況下，對于給定芯變化量，人們可以參照圖4而找到芯半徑或直徑D₄₀，從而使得MM光纖將具有類似于此SMF的LP01 MFD的LP01 MFD。此相同的MM光纖將在1550nm處非常合理地工作。

例如，對于芯變化量1％，以上確定20微米的芯直徑將在此波長處與的LP01相匹配。相同的光纖在1550nm處具有9.9微米的LP01 MFD，該LP01 MFD基本上類似于的10.3微米值。在一個進一步實施例中，需要時，人們可以選擇使用與錐形單模光纖相匹配的一個附加模式來進行模式轉換。

如果某些應用需要更小的MMF芯直徑，那么我們可以使用匹配的單模光纖(即，具有大約與MMF的LP01模式相同的MDF的SMF)來與其一起工作。例如，對于芯變化量1％，如果我們將MMF 40的芯直徑選擇為30μm，那么在1310nm處，LP01模式的MFD為11.2μm，該MFD大于如等常規(guī)SM光纖的MFD。在這種情況下，我們可以使用具有相同或類似MFD的單模光纖50來發(fā)射LP01模式。作為示例，變化量為0.25％且芯半徑為5.3μm的階躍折射率單模光纖設計具有11.2μm的MFD，該MFD與MMF 40的LP01模式的MFD基本上相同。

雖然示例性MMF 40用于在長波長(比如，980nm、1060nm、1310nm或1550nm中任一者)或單模發(fā)射器可用的任何其他>950nm的波長(或者其中，λ₀-λ₁<100nm)處進行單模傳輸或基本上進行單模傳輸，但是因為大多數VCSEL迄今在850nm左右進行操作，所以示例性MMF 40是用于進行850nm VCSEL傳輸的多模光纖。優(yōu)選地，MMF 40的纖芯42的阿爾法值被選擇為使得MM光纖在850nm左右的帶寬性能是最優(yōu)的。圖6示出了若干MMF的帶寬對波長。它們具有1.9到2.3的范圍內的阿爾法，例如，分別為2.096、2.104、2.098和2.092。在圖6中示出了具有1％的50微米芯MMF的結果，以便進行比較?？梢允境龅氖?，在更小的芯和相同變化量1％的情況下，峰值帶寬可能由于更少的模式群和更小的材料色散效應而大大增大。另一方面，在芯變化量為2％的情況下，最大帶寬相當低。然而，芯變化量為2％的光纖的帶寬仍然足以用于一些應用。

圖7展示了一根示例性MMF 40的折射率分布。此MMF 40具有阿爾法為2左右(即，2.09<α<2.13)的漸變折射率芯，以便將模群延遲最小化，從而在850nm處實現高帶寬。多模光纖40的模帶寬在波長λ₁(例如，λ₁＝850nm)處為至少2.5GHz·Km(優(yōu)選地，至少5GHz·Km，并且根據一些實施例，10GHz·Km)。根據一些實施例，優(yōu)選地，該芯在850nm的波長處具有至少0.7％的相對折射率變化量Δ₁(％)，例如，0.7％≤Δ₁≤1.25。表1示出了MMF 40的若干實施例的示例性參數(光纖示例1-5)。在表1中所示出的MMF 40的所有實施例具有9.1μm到9.3μm的范圍內的MFD，該范圍在如在1310nm處具有9.2μm的MFD的等標準單模光纖50′的MFD的30％內。MMF的理論帶寬大于58GHz.km，這些理論帶寬由于更少的模式群在MMF 40中進行傳播而遠高于標準MMF的理論帶寬。在表1中所示出的示例性實施例中，15μm≤D₄₀≤23μm，并且多模光纖40的模帶寬在波長λ₁處為至少2.5GHz·Km并且在波長λ1≥1200nm處為小于2GHz·Km。

表1.MMF 40設計示例

如以上所討論的，根據另一個實施例，單模光纖50(光纖跳線50)可以用于使用850nm標準MMF 40′來升級現有系統，以便在1310nm或1550nm處進行單模傳輸。變化量為1％的標準MMF 40′的MFD在1310nm處為14.6μm，并且在1550nm處為15.8μm，并且變化量為2％的標準MMF 40′的MFD在1310nm處為13.8μm，并且在1550nm處為15.0μm，這些MFD遠大于標準SMF 50′的MFD。如果標準SMF 50′在1310或1550nm處被用作跳線，那么MMF 40′與SMF 50′之間的MFD失配將激起更高階光學模式，這些更高階光學模式將使系統性能降級?？梢酝ㄟ^使用如在圖8中所示出的特別設計的SMF 50跳線來解決這一問題。

在下表2中描述了MFD類似于標準MMF 40′的MFD的SMF 50的一些示例性實施例，該表提供了SMF實施例50的參數。示例6光纖具有這樣的分布設計：凹陷的內部包層包圍芯。該光纖的截止波長為1288nm?？梢栽?310nm或1550nm的波長λ₀處進行操作的傳輸系統10上使用這種SM光纖50。如果SM光纖50僅用于1550nm，那么可以增大其截止波長以便改善彎曲損耗。在示例7的SM光纖50中，通過增大芯變化量來將截止波長增大到1466nm。示例8SM光纖50具有這樣的分布設計：在包層中具有低折射率溝槽。示例7和示例8的SM光纖50被設計成用于與芯變化量為1％且芯直徑為50μm的標準MMF相匹配。示例9和示例10的SM光纖50被設計成用于與芯變化量為2％且芯直徑為62.5μm的標準MMF相匹配。示例9SM光纖50具有凹陷的內部包層，并且示例10具有向上摻雜的外部包層。

表2.SMF 50設計示例

表3示出了SMF 50的被設計成與MM光纖40′一起使用的可以在850nm的波長處進行操作并且能夠在1060nm處進行LP01傳播的若干實施例的示例性參數。由此，可以在光學傳輸系統10中結合這種MMF而使用在表3中所示出的光纖50的實施例(示例11光纖和示例12光纖)。

表3

對本領域的技術人員將變得清楚的是，可以在不偏離如由所附權利要求書所限定的本公開的精神或范圍的情況下對如在本文中所描述的本公開的優(yōu)選實施例作出各種修改。因此，本公開涵蓋了所提供的這些修改和變形，它們落在所附權利要求書和其等價物的范圍內。

除非另外明確指出，否則并不以任何方式意圖使在本文中所闡述的任何方法解釋為要求其步驟按特定順序執(zhí)行。相應地，在方法權利要求沒有實際敘述其步驟所要遵循的順序或在權利要求書或說明中沒有另行明確地指出這些步驟將局限于特定順序的情況下，絕不旨在推測任何具體的順序。

對本領域的技術人員而言將明顯的是，可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出多種不同的修改和變更。由于本領域技術人員可能發(fā)生結合本發(fā)明的精神和實質對所公開的實施例加以修改組合、產生子組合和變體，所以本發(fā)明應當解釋為包括在所附權利要求及其等效物的范圍之內的每一事項。