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CN101883998B - 单模光纤中的弯曲不敏感性 - Google Patents

单模光纤中的弯曲不敏感性 Download PDF

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CN101883998B CN2008800202985A CN200880020298A CN101883998B CN 101883998 B CN101883998 B CN 101883998B CN 2008800202985 A CN2008800202985 A CN 2008800202985A CN 200880020298 A CN200880020298 A CN 200880020298A CN 101883998 B CN101883998 B CN 101883998B
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Abstract

一种对弯曲损耗相对不敏感的光纤包括被配置为支持并引导基横模的光传播的芯区和包层区，所述包层区包括(i)外包层区，其具有小于芯区的折射率，(ii)环形包层基座区，其具有比外包层区高且与芯区相当的折射率，及(iii)设置在所述芯区与所述基座区之间的环形包层内沟槽区，所述内沟槽区具有小于外包层区的折射率。在一个实施例中，所述光纤还包括(iv)设置在所述基座区与所述外包层区之间的环形包层外沟槽区，所述外沟槽区具有小于所述外包层区的折射率。另外，为了抑制HOM，所述基座区被配置为将芯区的至少一个其它横模谐振地耦合到所述基座区的至少一个横模。此类光纤有利地用作接入光纤，但也可具有其它应用，如传感器光纤。

Description

单模光纤中的弯曲不敏感性
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年2月28日提交的题为“Bend Insensitivity inSingle Mode Optical Fibers”的美国专利申请No.12/072,869的优先权，该专利申请是于2007年6月15日提交的题为“Bend-Insensitivityin Single Mode Optical Fibers”的美国专利申请No.11/818,780的部分继续申请。美国专利申请No.12/072,869还要求于2008年2月22日提交的题为“Solid Ring-Assisted Fibers with Low Bend Loss”的美国临时专利申请No.60/030,713的优先权。
本申请还要求于2007年6月15日提交的题为“Bend-Insensitivityin Single Mode Optical Fibers”的美国专利申请No.11/818,780的优先权。
本申请还要求于2008年2月22日提交的题为“Solid Ring-AssistedFibers with Low Bend Loss”的美国临时专利申请No.60/030,713的优先权。
美国专利申请No.12/072,869、No.11/818,780和美国临时专利申请No.60/030,713通过引用被包含于此，如同其整体被明确地阐述一样。
技术领域
本发明涉及单模光纤，并且更具体地，涉及降低此类光纤中的弯曲敏感性。本发明还涉及不仅弯曲相对不敏感、而且与标准单模光纤有效地模式匹配和/或具有有效截止高阶横模的光纤设计。
背景技术
与例如在陆地线、海底和地铁系统中使用的标准单模光纤相比，通常位于更接近用户的位置的接入光纤(access fiber)包括光纤到家(FTTH)、跨接线缆、和FTTx光纤(例如光纤到路边、室内布线)。接入光纤不仅必须以低损耗、可靠的方式与向被接入的位置(例如家庭、企业、或其它设施)载送光学信号的标准单模光纤(SMF)接合，而且必须对许多接入光纤应用中所固有的弯曲效应相对不敏感。
更具体地说，SMF(标准阶跃折射率，standard step index)常常具有约8～11的芯直径。作为例证，这种类型的SMF符合国际电信联盟-电信区推荐G.652。这种类型的典型光纤称为SMF 28，可从纽约科宁的Corning公司购买到。对于此范围内的直径和约0.005～0.007的芯-包层折射率差异(index contrast)，此类SMF通常具有在约1300nm的波长下为约55～70μm2和在约1550nm的波长下为约70～90μm2的有效基横模场面积(Aeff)。为了将此类SMF有效地耦合(接合)到接入光纤，接入光纤的Aeff应当实际上尽可能地接近SMF的Aeff。
然而，另外，例如在墙壁的拐角附近以及在布线管或管道中，某些接入光纤可能必须弯曲。在许多应用中，所要求的接入光纤的弯曲半径可以约为4～15mm，并且在某些情况下下限可能反映甚至更为紧密(tight)的弯曲(例如2～3mm半径)。然而，当光纤如此严重地弯曲时，光学损耗可能增加至不可接受的水平。特别地，标准SMF的基横模所经历的光学损耗在光纤处于直的状态(或仅仅略微弯曲)时可能在系统规格内，而在该光纤弯曲过度时常常高得多且在规格之外。另外，如果光学信号包含任何高阶横模(HOM)，则此类HOM所经历的弯曲损耗甚至比基横模所遭遇的弯曲损耗更高。
然而，本质上，具有与标准SMF的Aeff匹配的Aeff并且/或者具有HOM有效截止的接入光纤的设计常常与在典型接入环境中实现低弯曲损耗的设计相冲突。
因此，本领域中仍需要一种在弯曲至约4～15mm的半径时具有相对低的弯曲损耗并同时具有与标准SMF的Aeff匹配的Aeff并且/或者具有HOM有效截止的接入光纤设计。
发明内容
依照本发明的一个实施例，一种对弯曲损耗相对不敏感的光纤包括被配置为支持并引导基横模的光传播的芯区和包层区，所述包层区包括(i)外包层区，其具有小于芯区的折射率，(ii)环形包层基座(pedestal)区，其具有比外包层区高且与芯区相当的折射率，以及(iii)设置在所述芯区与所述基座区之间的环形包层内沟槽区，所述内沟槽区具有小于外包层区的折射率。在可选实施例中，所述包层区还包括(iv)设置在所述基座区与所述外包层区之间的环形包层外沟槽区，所述外沟槽区具有小于所述外包层区的折射率。在这些实施例中的任何一个中，为了抑制HOM，所述基座区被配置为将芯区的至少一个其它横模与所述基座区的至少一个横模谐振地耦合。
依照本发明设计的光纤具有相对低的弯曲敏感度并有利地被用作接入光纤，但可以具有其它应用，诸如在传感器或在交通工具中使用的光纤。
附图说明
通过结合附图进行的以下更详细说明，可以容易地理解本发明及其各种特征和优点，在附图中：
图1A是依照本发明的一个实施例的光纤的示意性横截面图；
图1B是图1A的光纤的折射率分布(profile)的示意性图表；
图1C是依照本发明的另一实施例的图1A的光纤的另一修改类型(其中外沟槽较浅)的折射率分布的示意性图表；
图1D是依照本发明的另一实施例的图1A的光纤的一种修改类型(其中已省略外沟槽)的折射率分布的示意性图表；
图1E是依照本发明的又一实施例的光纤的示意性横截面图，其中基座区(或环)具有折射率降低气孔和/或折射率升高内含物：
图1F是依照本发明的又一实施例的光纤的示意性横截面图，其中沟槽包括气孔；
图1G是依照本发明的另一实施例的光纤的示意性横截面图，所述光纤包括多个基座区(或环)和外环附近的环形散射(或吸收)区以提高模辨别力(mode discrimination)；
图2是用来描述Aeff如何随着芯区的折射率差异(Δn)而变的阶跃折射率光纤(SIF)的折射率分布的示意性图表；
图3是用来描述Aeff如何随着芯区的宽度(例如直径，D)而变的SIF的折射率分布的示意性图表；
图4示出具有用来抑制高阶模(HOM)的环形包层区的SIF的折射率分布的示意性图表；图4A说明直的光纤的情况；图4B说明弯曲光纤的情况；
图5是依照图1A和1B的设计制造的光纤的折射率分布的图表；
图6是依照图1A和1B的设计制造的另一光纤的折射率分布的图表；
图7是描述本发明的接入光纤的一般化应用的示意性方框图；
图8是依照本发明的一个实施例对于理想双沟槽光纤的选定模，限制(confinement)(隧道)损耗相对于波长的图表，其显示出宽波长范围上的HOM抑制；以及
图9是在1300nm下的弯曲损耗相对于MFD的图表，其将两个现有技术光纤设计类的数值性能与依照本发明的一个实施例的双沟槽环形设计进行比较。
前述附图中的各个附图被示意性地示出，其中它们不是按比例绘制和/或为了例示的简单和明了，未包括所述实际光纤或产品的所有细节。特别地，图1～6的折射率分布是可在光纤中观察到的折射率的实际变化的平均值。
虽然前述(及以下)讨论中的术语半径的使用暗示各种区域(例如芯、支架(shelf)、基座或环、沟槽、气孔、内含物)的横截面是圆形和/或环形的，但实际上，这些区域可以是非圆形的；例如它们可以是椭圆形、多边形、或其它更复杂的形状。然而，如本领域中常见的那样，我们为简单和明了起见使用术语半径。
在下文中，术语“模”将意指横模，而术语折射率将意指折光率。
具体实施方式
用于典型实际应用的光学接入光纤的设计包括三个相互关联的要求的考虑：(i)对于预定范围(例如4～15mm)内的弯曲半径的相对低的弯曲损耗(即低弯曲敏感度)；(ii)HOM的抑制(即对于要抑制的HOM的相对低截止波长)；以及(iii)与标准SMF的模面积匹配(例如到诸如可从上述Corning购买到的SMF 28等标准光纤的良好连接和/或接合)。
光纤设计-弯曲不敏感性考虑
现在参照图1A和1B，依照本发明的一个方面的光纤10具有相对低的弯曲损耗，并同样地适合于各种接入或传感器光纤应用。光纤10包括被包层区14围绕的芯区12，芯和包层区被配置为沿着基本上位于芯区12的中心处的纵轴16轴向地支持并引导信号光(辐射)的传播。
虽然信号光实际上可以在其沿着光纤10传播时与轴16交叉，但在本领域中应理解的是一般传播方向被适当地描述为沿着轴16。
此外，虽然芯区12被示意性地描述为具有圆形横截面(常常是优选形状)，但如上文所讨论的，其还可以具有诸如椭圆形或多边形的其它横截面形状。通常，用Aeff来表征模尺寸，但对于典型SMF的圆形芯横截面，还可以使用模场直径(MFD)。
另外，虽然芯区12被描绘成具有双层分布(即具有两个基本上恒定或均匀的折射率区的分布)，但还可以具有阶跃折射率、多阶、或渐变折射率分布。
这种类型的光纤通常由玻璃(例如石英)制成，其中，如本领域中众所周知的那样，由在光纤的制造期间结合在其中的掺杂剂(例如P、Al、Ge、F)的量和类型来控制芯区和包层区的折射率。如下文所讨论的，这些折射率以及芯/包层区的厚度/直径决定光纤的重要工作参数。
依照本发明的一个实施例，包层区14包括环形外包层区14.4、环形折射率提高基座区14.1、设置在芯区12.1与基座区14.1之间的环形折射率降低的内沟槽区14.2、以及设置在基座区14.1与外包层区14.4之间的环形折射率降低的外沟槽区14.3。基座区14.1的折射率(nped)高于外包层区14.4的折射率(nout)。此外，内沟槽区和外沟槽区两者的折射率(ntri、ntro)低于外包层区14.4的折射率；也就是说，nped＞nout，ntri＜nout，且ntro＜nout。如下文所讨论的，一般是光纤10、且特别是基座区14.1被配置为抑制预选HOM。
通常，内沟槽区和外沟槽区提供对各种光纤模的限制。可以用表达式(ntr-nout)ttr来量化对任何接近截止的模的限制的量或水平，其中ntr和ttr是沟槽区的折射率和厚度。优选地，由每个沟槽区提供的此类限制的水平满足以下条件：
0.5＜[(ntri-nout)ttri]/[(ntro-nout)ttro]＜2.0，         (1a)
其中ttri和ttro分别是内沟槽区和外沟槽区的厚度。
在一个实施例中，芯区12包括径向地被环形外芯区(或支架区)12.2围绕的内芯区12.1。内芯区12.1的折射率大于外芯区12.1的折射率；也就是说ncore＞nshlf。支架区12.2是可选的，但在某些情况下可能是优选的。在省略了支架区的设计中，芯区12将简单地只包括内芯区12.1，内沟槽区14.2的厚度增加被省略的支架区的宽度。如下文所讨论的，在任一种情况下，芯区12被配置为产生与标准SMT的Aeff匹配的基模Aeff。
当然，弯曲损耗应尽可能低。特别地，对于在约4～15mm的范围内的任何弯曲半径，其在重要工作波长(例如1300nm、1550nm、以及1650nm)的弯曲损耗应小于标准SMF的弯曲损耗。为此，至少一个沟槽区14.2、14.3(且优选地两者)应提供比标准SMF的总差异高得多的总差异(total contrast)。作为示例，SMF 28具有约0.005的总差异。依照本发明的一个实施例，由下式给出光纤10的总差异
|ntri-ncore|＞0.007，和/或                    (1)
|ntro-ncore|＞0.007                           (2)
作为示例，对于除图1C的浅沟槽实施例之外的本发明的所有实施例来说，公式(1)的至少内沟槽-芯差异约为0.008～0.020，优选地，内沟槽-芯差异和外沟槽-芯差异两者均满足此条件。
另外，外包层区14.4与外沟槽区14.3之间的界面14.5的半径对于4～15mm的弯曲半径来说应在约17～23μm(在下述浅沟槽设计中17～30μm)范围内，并且芯和基座区的折射率相当；也就是说
|ncore-nped|＜0.003                            (2a)
如图1B所示，光纤10的外沟槽区14.3被描述成相对较窄(径向厚度ttro)且相对较深(折射率ntro＜＜nout)。关于“深”，我们意指ntro低于nout超过约0.0020。外沟槽区的窄度不是关键的。
相反，在本发明的可选实施例中，如图1C的折射率分布所示，光纤10c的外沟槽区14.3c较浅。关于“浅”，我们意指ntro低于nout少于约0.0020。较浅的沟槽区14.3c被期望来改善可制造性，这是因为可以使用向下掺杂基底管(例如F掺杂石英(玻璃)基底管)而不是汽相沉积玻璃来形成外沟槽。基底管的使用将减少制造光纤10c所需的汽相沉积玻璃的量，从而降低制造成本。
另外，图1C还将浅沟槽区14.3c描绘为比内沟槽区14.2c宽，但如图1B的设计的情况一样，外沟槽区14.3c的宽度不是关键的。
乍看起来此浅沟槽设计违反由公式(1a)定义的设计原理；也就是说，由每个沟槽提供的限制的水平应大致相同。在大部分的设计空间中，将高度限制(深)内沟槽与限制少得多的(较浅)外沟槽组合提供相对差的HOM抑制，这部分是因为基座区14.1的环形模变得损耗过多且与芯模过于隔离，如下所讨论的，这正好妨碍底座区的目的(HOM抑制)。然而，发现这样的设计空间，其中尽管具有两个限制水平大不相同的沟槽，但仍获得良好的性能；也就是说，其中：
[(ntri-nout)ttri]/[(ntro-nout)ttro]＞2.0，                (2b)
作为示例，公式(2b)的左侧例如在约5～9的范围内。在此设计空间中，基座模不是很好地局限于基座区；也就是说，它们扩展至外沟槽区且由于遂穿至外包层中而具有大的损耗。对基座模的不良限制趋向于劣化这些光纤的HOM抑制性能，但是这个缺点被这些设计的提高的弯曲损耗性能平衡。当弯曲时，光纤的基座模变得损耗极大，使得光纤容易不受下面参照图4B讨论的灾难性损耗效应的影响。
在本发明的另一实施例中，如图1D的光纤10d所示，完全可以将外沟槽省略，因此假想地示出外沟槽14.3d。在这种情况下，基座区(或环)14.1d位于紧邻着外包层14.4d的位置。在此类设计中，我们认识到即使光纤松散(loose)弯曲也可能产生来自基座模的隧道损耗。实际上，如果在光纤轻轻弯曲(通常具有约40mm的弯曲半径)时显示出大的损耗的话，关于截止的标准测量和实践考虑被有效抑制的高阶模。为了在松散弯曲的条件下提供有效的HOM抑制，不需要提供第二沟槽，通过该第二沟槽基座模可以形成隧道(tunnel)。作为替代，可以将基座区设计为使得基座模在与截止测量(40mm半径)相关的松散弯曲中显示充分的弯曲损耗。换句话说，可以认识到没有外沟槽的同样制造的光纤在实际上具有浅外沟槽的松散弯曲操作中导致等效的折射率。
在这些实施例中的任何一个中，可以通过在汽相沉积期间将折射率增加掺杂剂(例如石英中的P、Al、Ge)引入到基座区中来以先前众所周知的方式形成基座区(或环)。如图1A～1B的光纤10所示，在光纤的每个半径横截面中，环14.1将具有沿圆周基本上均匀的折射率。然而，如图1E的光纤10e所示，可以借助于诸如折射率降低气孔30.1、30.2和/或折射率升高内含物40.1、40.2、40.3等纵向延伸、径向定位的众所周知的特征使得环14.1e的折射率沿圆周方向不均匀。对于芯、环和沟槽，这些各种可以具有包括圆形(30.1、40.1)、椭圆形(30.2、40.2 40.3)和多边形(未示出)的各种横截面形状。在此类设计中，HOM抑制的原理仍是基座模在它们的有效折射率接近于相同时有效地耦合到不希望的芯引导模。可以使用用于具有任意横截面的光纤的标准方法来计算基座模的有效折射率并使其折射率匹配，因此该设计在概念上与具有基本上均匀或恒定的折射率的环面的特定情况相同。然而，对具有理想形状的特征的使用可以提供优点；例如，它们可以在比对于均匀折射率环面来说可能的波长范围更宽的波长范围上提供折射率匹配。
作为选择，所述基座区可以是虚拟环；也就是说，环14e不需要具有通过在汽相沉积期间的标准掺杂形成的经明确限定的圆周(环形)边界。作为替代，可以完全通过适当地设置以下特征，即气孔、内含物或这两者的阵列来形成基座区。
以类似方式，如图10F的光纤10f所示，内沟槽14.2f和/或外沟槽14.3f可以包括经适当分开的气孔阵列，其减小传播信号模所见到的有效折射率。
最后，在图1G中描绘的光纤10g还可以包括多个环14.1g和14.6g。出于图解的目的，只示出了两个这种环。此外，包括散射或吸收中心的损耗区14.7g(例如与外环14.6g相邻)可能是有利的。将损耗区14.7g定位于环14.1g或14.6g附近提供对隧道损耗的替换损耗机制。其可以提高模辨别力或去除限制，这可以使得制造更容易。例如，如果基座模具有期望的散射或吸收损耗水平，则不需要隧道损耗，并且可能除去外沟槽区。可以通过在玻璃中有意地包括引起光学损耗的材料或者简单地通过使用已知具有适当的高损耗的可用“较低质量”玻璃来引入吸收。
光纤设计-模匹配考虑
由于接入光纤应用常常伴随有将接入光纤接合或耦合到标准单模传输光纤，所以重要的是接入光纤的Aeff与标准SMF(例如可从上述Corning获得的标准SMF 28光纤)的Aeff匹配。在当前的实践中，此要求意味着接入光纤还应是有效单模的，且应具有在约1550nm的信号波长下约70～90μm2的Aeff以及在约1300nm的信号波长下约55～70μm2的Aeff。通常，对于具有圆形横截面的接入光纤芯区，接入光纤应大致具有约8～11μm的芯直径。
为了简单起见，以下说明将集中于图1A～1B的光纤10的设计。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是类似考虑适用于图1C～1G的可选实施例。主要由两个参数来控制光纤10的Aeff：芯区12.1与内沟槽区14.2之间的折射率差异Δn，即，Δn＝(ncore-ntri)；和芯区12的径向宽度或芯面积，即，在圆形横截面的情况下为芯区的直径D，但在非圆形横截面的情况下为芯面积。更具体地说，如图2所示，对于给定的D，当折射率差异从Δn2减小至Δn1时，对基模场的限制减小，这意味着其Aeff增大。然而，减小的模限制意味着光纤充当不良波导且光学损耗增加，特别是当光纤经受突然弯曲时(例如4～15mm的弯曲半径)更是如此。另一方面，如图3所示，对于给定的Δn，当芯区12的直径从D1增大至D2时，Aeff增大(大致为直径的平方)，但所支持的HOM的数目也增加。通常，在HOM中存在很大的能量可能是不期望的；例如，如果光纤经受弯曲，则光学损耗增加。
在其中省略了外芯区(或支架)12.2的图1的实施例中，总差异(即ncore-ntri，或ncore-ntro，或两者)仍应满足不等式(1)和/或(2)，芯宽度(例如直径D)应近似在以下范围内
8μm≤D≤11μm，                            (3)
且外包层区14.4的折射率应近似满足
0.003≤(ncore-nout)≤0.006                  (4)
请注意，如果此差异过高，则趋向于在芯区中引HOM，然而，使用在以下部分中描述的设计来抑制该HOM。
图1中还示出用于满足降低弯曲损耗以及使Aeff与标准SMF的Aeff匹配的冲突要求的替换光纤设计。更具体地说，如图1所示，芯区12包括围绕内芯区12.1的薄的、较低折射率的环形支架区12.2。支架区12.2允许Aeff增加至与标准SMF的Aeff匹配。支架区12.2具有比内芯区12.1的直径D小得多的厚度tshlf。作为示例，D＞＞tshlf且当D＝8-11μm，近似地
1.0μm≤tshlf≤4.0μm                    (5)
另外，支架区12.2的折射率nshlf小于内芯区12.1的折射率；即ncore＜nshlf。通常，近似地，(ncore-nshlf)＜0.007，其类似于标准SMF的折射率差异(0.005)。优选地，nshlf近似地满足以下不等式
0.003≤(ncore-nshlf)≤0.007，以及                (6)
|nshlf-nout|≤0.002                              (6a)
且D在约8～10μm的范围内。
芯区12的前述设计细节不仅有利于模匹配，而且有利于HOM抑制，将在以下部分中对其进行讨论。
光纤设计-HOM考虑
为了抑制HOM，光纤10的包层区14包括具有比包层区的其余部分高的折射率nped的基座区14.1；亦即至少由较低折射率(ntri)内沟槽区14.2且在某些实施例中还由较低折射率(ntro)外沟槽区14.3来径向地限定基座区14.1。另外，其具有比外包层区14.4的折射率(nout)高的折射率。在随后的讨论中，出于说明的目的采用双沟槽设计，可以理解类似原理适用于单(内)沟槽设计。
基座区14.1被配置为使得其(环)模中的至少一个与芯区12的至少一个HOM谐振地耦合。如图4A的简化折射率分布所示，优选地，芯区12的HOM 18(示例性地被描绘成一阶模)与基座区14.1的模20谐振，而芯区的基模22不与基座区的任何模谐振。模20通常是具有最高或几乎最高的有效折射率的基座区14.1的环形模之一，且模20未被众所周知的对称原理禁止耦合到芯区的HOM。
术语谐振或谐振地耦合意指芯区中的模的有效折射率(neff)基本上等于基座区中的模的有效折射率。因此，芯区12的一阶模18的neff 18.1基本上等于基座区14.1的模20的neff 20.1，这使得HOM 18中的能量能够从芯区转移或耦合(箭头24)到基座区的模20中并从那里辐射到外包层区14.4。(箭头26指示经由泄漏的包层模的此类辐射，其是通常存在的。或者，此能量可能由于吸收、散射等而损失。)在沿着光纤传播适当的距离之后，谐振转移和辐射的此过程有效地抑制芯区中的HOM 18。相反，芯区的基模22的neff 22.1不对应于基座区中的任何模的neff。因此，基模22在芯区中有效地传播，且不发生其能量(被否定的箭头28)到基座区中的谐振转移。
芯区模和基座区模具有基本上相等的折射率的条件意指例如芯区HOM折射率18.1和基座区模折射率20.1并未不同到这些模之间的光的耦合显著失败的程度。在本发明的优选实施例中，折射率18.1与20.1之间的差比芯基模折射率22.1与基座模折射率20.1之间的差小得多。
要抑制的芯区模与谐振基座区模之间的适当耦合还应考虑对减少谐振基座区模向回耦合到要抑制的芯区模中的需要。
光纤10还应被配置为允许不期望的芯模通过基座模的有效泄漏。关于这一点，参见结合公式(2a)和(2b)的以上讨论。
另外，芯区与基座区之间的耦合不应过大而导致期望的(基)芯模被破坏。另一方面，芯区与基座区之间的耦合不应过小，以致于不期望的芯模无法充分地耦合到要抑制的基座模。接下来，基座模的泄漏率不应过大而导致芯与基座区之间的耦合失败(即不充分)。最后，基座模的泄漏率不应过小，以致于不期望的芯模仅仅经历要有效抑制的过小损耗。
符合这些设计原理确保在芯区12中，例如，基模22有效地传播，而HOM 18被有效地抑制。HOM需要被抑制(或截止)的程度取决于特定应用。许多应用不要求全部或完全抑制，这意味着相对低强度的HOM的持续存在是可以容忍的。在任何情况下，通过例如减小总插入损耗、降低信号模中的噪声以及降低微弯曲损耗，抑制HOM改善了系统的性能。
当我们的双沟槽环形光纤被适当地设计为实现不期望的HOM芯模与特定环形模之间的折射率匹配(或谐振)，芯模和环形模折射率曲线的斜率近乎相同，尤其是在它们交叉的区域中更是如此。因此，在相对宽的波长范围内实现芯与环形模之间的折射率匹配耦合。参照图8来说明HOM抑制的宽带性质，其中相对于波长描绘了限制(或隧道)损失，且由大于20dB/m(线83)的模损耗来定义截止。(20dB/m的阈值仅仅是示例性的；为了估计所测量的截止，此阈值应取决于在测量中使用的光纤的长度。)图8指示HOM(曲线81)在覆盖约1320nm(线84)以上的所有波长的宽带范围上是截止的。虚曲线82示出纯环形模损耗-环形模在没有芯的情况下将经历的计算损耗。谐振模抑制的特征是耦合到有损耗的环形模的模分享其损耗。芯HOM损耗81在各模折射率匹配的波长范围内的纯环形模损耗的2～3倍以内。
弯曲对图4A的光纤的影响在图4B中示出。如分布4B所示，弯曲前的折射率分布4A是倾斜的，导致基座区14.1的模20的neff 20.1b的增大。如果弯曲半径足够小，如箭头30所示，包层模20可以变为与芯区12的基模22谐振。此类谐振将增加基芯模22的光学损耗，这是不利的。因此，基座区14.1需要被配置为在不促使基芯模22与任何包层模(特别是包层模20)谐振的情况下适应预期的弯曲半径。
谐振耦合(折射率匹配)的前述原理还可以应用于通过将多个不期望的芯模谐振地耦合到基座区的单模或通过将其谐振地耦合到一个或多个基座区的不同模而对多个不期望的芯模进行抑制，其中每个芯模与单独的基座模谐振。
光纤设计原理
光纤10的设计中的重要参数包括内芯区12.1的折射率(ncore)和半径(rcore＝D/2)、环形芯(支架)区12.2(如果存在)的折射率(nshlf)和厚度(tshlf)、基座区14.1的折射率(nped)、半径(rped)和厚度(tped)、外沟槽区14.3的折射率(ntro)和厚度(ttro)、以及内沟槽区14.2的折射率(ntri)和厚度(ttri)。
对满足典型的低弯曲损耗和高Aeff要求需要进行权衡。低弯曲损耗意味着高折射率差异，而高差异意味着低Aeff。一种折衷是具有低差异芯区(相对于支架区)。如前所述，此条件解译为满足不等式(6)的(ncore-nshlf)。作为示例，(ncore-nshlf)～0.005。另外，内沟槽区14.2不应过多地影响Aeff，这意味着支架区12.2(如果存在)不应太薄；即，其应满足不等式(5)。
另一方面，从弯曲损耗的观点出发，内沟槽区14.2的厚度和折射率非常重要。增大内沟槽区的宽度(或厚度)降低弯曲损耗，但是也趋向于增加不期望的HOM的存在。
HOM的存在还可能例如通过多路径干扰而显著地损害性能。因此，本光纤设计的与HOM抑制有关的方面也是实现同时满足其它通信系统要求的低弯曲损耗光纤的重要因素。通常，如上所述，通过满足要抑制的高阶(例如第一阶)芯模与基座环形模之间的谐振条件来抑制HOM；即，这两个模的有效折射率应近似彼此相等。关于这一点，应特别注意内芯区12.1与基座区14.1之间的折射率差(ncore-nped)，以及基座区的厚度与内芯区的半径的比tped/rcore。对于ncore～nped，大约1～4μm范围内的tped可以满足此折射率匹配条件。折射率匹配一般在ncore＜nped的情况下要求较小的厚度tped，而在ncore＜nped的情况下，则要求较大的tped。
弯曲损耗还与弯曲半径有关；即，通常，弯曲越紧(弯曲半径越小)，光学损耗越高。然而，如上文所讨论的，存在基芯模与基基座模谐振的临界弯曲半径(rcrit)。基座(环形)模的环形模折射率偏移由下式给出的量
Δnped＝cnpedrped/rbend            (8)
其中c是由下式近似地给出的常数
0.8≤c≤1.0.                       (9)
临界半径(rcrit)近似为Δnped等于基芯模22.1(图4A)与较高阶芯模18.1(图4A)之间的模间隔Δnms的半径rbend：
rbend＞rcrit～cnpedrped/Δnms.        (10)
在rbend＝rcrit的情况下，基芯模所经历的光学损耗极高；即，基芯模是被有效地抑制，这是非常不希望的环境。为了缓解此问题，可以减小基座区14.1的半径(rped)，以得到较小的临界弯曲半径，直至工作所需的弯曲半径大于临界半径为止。在实践中，rped的减小可能伴随有内沟槽深度的增大，以便较大地限制内沟槽的厚度减小。
本发明的附加设计原理涉及基模截止的潜在问题。更具体地说，根据本发明的光纤在芯区附近具有深内沟槽区并因此而在长波长下易于发生大隧道损耗的潜在问题。如下描述基模截止效应：在长波长下，基模比在短波长下更远地渗透到内沟槽区中，促使基模的有效折射率降低到外包层折射率以下。基模具有在较长波长下增加的隧道损耗。此潜在问题的补救办法可以被认为是对外包层折射率的限制，这在很大程度上影响隧道损耗，并且相反可能被调整为增加高阶模的损耗。依照本发明的此方面，外包层折射率应足够低，使得基模隧道损耗对于意图用于传输的所有信号波长来说可忽略，并且所述信号波长一般包括1550nm且对于许多系统来说包括诸如1625nm的甚至更长的波长。为了实现此期望结果，外包层折射率应低于特定应用所需的最长信号波长下的基模的有效折射率(nout＝nlong，例如在1625nm下)。我们的模拟和测量已指示基模隧道损耗在这种水平的外包层折射率附近立即变得不可接受，因此稍微严格一些的水平(至少0.001以下)(nout＜nlong-0.001)是慎重的，以便允许有用于制造可变性的空间。
实验结果
依照其中芯区12包括内芯区12.1和径向地围绕内芯区的环形芯区12.2两者的本发明的说明性实施例，这些示例描述弯曲不敏感的预制件，以及从该预制件拉拔的石英光纤。使用众所周知的MCVD来由石英玻璃制造光纤并在内芯区12.1中用Ge、在环形芯区12.2中用F、在内沟槽区14.2中用F、在基座区14.1中用Ge、以及在外沟槽区14.3中用F进行掺杂。我们的包层区14.4是未掺杂的。示例I和II的拉拔光纤具有图5和6所示的折射率差异分布。目标分布由虚线轨迹5.1和5.2示出，而实际分布由实线轨迹6.1和6.2示出。径向位置轴(横坐标)给出各种光纤组件，即内芯区、支架区、沟槽区、以及基座区的实际厚度/半径。
各种材料、尺寸和工作条件仅仅是以示例的方式提供的，并且除非另外明确指明，否则其并不意图限制本发明的范围。
示例I
在本示例中，光纤预制件具有18.8mm的直径，且拉拔光纤具有119μm或者125μm的外径(OD)。如在下表1中对于具有125μm OD的光纤所列出的那样，各径向组成具有厚度/半径和相对于外包层区的折射率差异(Δn)。
表1
  光纤区   厚度(μm)   半径(μm)   Δn
  内芯   4.9   0.005
  支架   2.9   -0.004
  内沟槽   4.3   -0.008
  基座   3.2   13.7   0.004
  外沟槽   6.8   -0.008
  外包层   22   0.000
如下表2所指示的那样，在两种光纤的截止波长、弯曲损耗(在5mm的弯曲半径下和1650nm的波长下)、以及MFD(在1550nm的波长下)方面来表征这两种光纤：
表2
  光纤OD(μm)   截止(nm)   弯曲损耗(dB/m)   MFD(μm)
  119   1445   ＜0.5   8.8
  125   1505   ＜0.8   9.2
尽管有相对高的截止(1505nm的截止波长；1553nm的信号波长)，但125-μm-OD的光纤未显示出对预先CATV试验的损害。
如下满足在这种情况下由不等式(10)给出的条件rbend＞rcrit。根据常数c＝0.8-1.0的值，rcrit被计算为在4.6～5.8mm的范围内。使用c＝0.8的较好估计，我们得到rcrit＝4.6mm。如预期的一样，当使rbend小于约5mm时，存在此光纤的性能的快速劣化。(系数值c＝0.8较好，这是因为其包括本领域中已知的应力修正。)
我们注意到示例I的光纤不满足不等式(6)所定义的条件。然而，示例II满足，部分由于其改善的性能。
示例II
在本示例中，光纤预制件具有19mm的直径，且拉拔光纤具有125μm的外径(OD)。如下表3所列，各径向组成具有厚度/半径和相对于外包层区的折射率差异(Δn)。
表3
  光纤区   厚度(μm)   半径(μm)   Δn
  内芯   4.2   0.004
  支架   1.6   -0.001
  内沟槽   5.7   -0.005
  基座   2.3   12.7   0.003
  外沟槽   7.1   -0.005
  外包层   21   0.000
如下在光纤的截止波长、1dB/m的弯曲损耗(在6.25mm的弯曲半径和1550nm的波长下)、以及8.6μm和9.2μm的MFD(分别在波长1310nm和1550nm下)方面来表征所述光纤：
此光纤具有通过ITU-2m测量确定的明显比示例I的任一个光纤低的1304nm的截止。某些客户目前需要较大的MFD和/或＜1260nm的截止，这可以通过牺牲弯曲损耗来获得。下面的示例III实现此类光纤设计。
在1320nm下，光纤与在1310nm下＞8.6μm的ITU G.652MFD要求相比较，是有利的。
此光纤还显示出C带中的可忽略的MPI(多路径干扰)。
与掺杂剂扩散接合：＜0.5dB/在1550nm下接合。
连接：0.05dB＜额外损耗＜0.1dB。额外损耗看起来是由于所采用的连接技术/设计所引入的损耗而引起的。
示例III、IV、V
这组示例示出本发明的多个不同实施例：示例III-具有双沟槽环形设计(与图1B类似)的光纤，其中内沟槽区和外沟槽区均相对较深并具有基本上相同的折射率深度；示例IV-具有双沟槽环形设计(与图1B类似)的高性能光纤，其中内沟槽区和外沟槽区均相对较深，但内沟槽区比外沟槽区深；以及示例V-具有双沟槽环形设计(与图1C类似)的光纤，其中外沟槽区比内沟槽区浅得多。示例III-V更具体地说由下表4所示的折射率分布参数来定义：
表4
已制造并测量了基于示例III和IV的参数的光纤，得到下表5所示的光学性质：
表5
  Ex.   MFD在1310nm下   在1550nm下的弯曲损耗(4.8mm的线缆弯曲半径)  标准线缆截止(22m的光纤长度)  跨接线缆截止(2m的光纤长度)
  III   8.9μm   0.025dB/圈   1222nm   1253nm
  IV   8.6μm   0.010dB/圈   1210nm   1440nm
我们的双沟槽环形光纤代表宽的新设计策略-我们已将多种此类光纤设计为适应不同的应用要求，每个都针对常规设计策略展示出大大改善的性能。所测得的两种光纤(示例III和IV)的性质在表5中示出并举例说明截止与弯曲损耗之间的权衡。对具有4.7mm的外径的标准垂直布线线缆来执行线缆测量(因此4.8mm的线缆弯曲半径等效于7.1mm光纤弯曲半径)。光纤IV具有较低的弯曲损耗并满足G.652标准的MFD要求(8.6μm)和线缆截止要求(1260nm)。弯曲损耗非常低(＜0.07dB/圈)，甚至低至5mm的心轴直径(对于线缆，等效于10mm的裸光纤直径)也是如此。对于更紧的弯曲，长期的机械可靠性可能成为问题，因此某些超低弯曲敏感性的现有技术设计(例如K.Himeno等人的J.Lightwave Technol.，Vol.23，p.3494(2005))可能提供很少的优点。然而，如果在长度为2m的短光纤上测量线缆截止(而不是标准的22m上测量)，HOM损耗在光纤IV中并不足以保持1260nm以下的截止。
这突出了对重新考虑用于低弯曲损耗光纤的测量方法和标准的需要；即，如果在短长度跳线中使用满足G.652截止要求的光纤，则其可能遭遇严重的多路径干扰(MPI)。这个问题并不是双沟槽环形光纤特有的，而在许多具有单沟槽(但没有环)或具有辅助孔的设计中也发生。
光纤III具有稍高的弯曲损耗，但具有好得多的2m线缆截止，这表示即使对于短跳线来说在～1300nm的传输波长下也不应存在MPT问题。其还应具有较大MFD。当使用关于Fujikura FSM-30S的标准接合程序来将此光纤接合到标准SMF时，我们测量了1550nm下的低于0.1dB的典型接合损耗。两种光纤的衰减在1550nm下小于0.20dB/km。
为了将我们的双沟槽环形光纤的模拟性能与其它设计策略相比较，如图9所示，我们扫描通过常规凹陷内包层实心光纤(线91以上的几乎所有数据点)、没有环的实心单沟槽光纤(线91和92之间的几乎所有数据点，以及线91上的少数数据点)、以及依照本发明的一个实施例的双沟槽环形光纤(线92和93之间的几乎所有数据点，以及线92以上和线93以下的少数数据点)的设计空间中的许多光纤。我们所比较的所有设计具有在相同波长(1365nm)下与20dB/m(定义为截止；图8，线83)交叉的HOM损耗，因此，可以由弯曲损耗(在1550nm波长下，采用15mm光纤弯曲直径)对比MFD(在1300nm波长下)的图中的单个点来总结每种设计的性能。虚线91、92、93描绘三种光纤类型中的每一种的较低弯曲损耗边界。垂直箭头94、95突出在一方面的凹陷内包层设计与另一方面的(i)单沟槽无环设计(箭头94)和(ii)本发明的双沟槽环形设计(箭头95)之间获得的弯曲损耗边界的改善。细节取决于弯曲直径和HOM损耗约束。在此特定比较中，数据显示我们的双沟槽环形设计与常规(凹陷内包层)低弯曲损耗策略相比在弯曲损耗方面展示出10倍的改善，并且相对于没有环的现有单沟槽设计展示出显著改善。使用众所周知的一维和二维有限差模解算器来进行模拟。
总而言之，不同的示例说明了如何可以用冲突要求(低弯曲损耗、短截止等)的不同优先次序来应用本发明的双沟槽环形设计的一般光纤设计策略。因此，示例III说明了具有非常好的MFD和非常好的HOM抑制、同时实现比标准设计方法低得多的弯曲损耗的设计。对2m长度测量的低截止显示该光纤应与具有严格MPI要求的短长度应用兼容。另一方面，示例IV具有比示例III低大约2～3倍的弯曲损耗，在MFD和2m截止方面作出了某些牺牲。此光纤可能对于具有严格弯曲要求、但长度短的段中的MPI不是重要问题的应用来说是理想的。如上所述，示例V说明了图1C的浅外沟槽策略。模拟指示此设计应提供1550nm下的弯曲损耗约0.1dB/圈，Dbend＝13mm，MFD～9.0μm，以及与示例III和IV相当的截止。
应理解的是上述配置仅仅说明可以被设计为表示本发明的原理的应用的许多可能的具体实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以依照这些原理来设计出许多和变化的其它配置。
特别地，虽然我们在上文描述了各种光纤尺度如何影响环形模限制损耗，并因此减少从环形区域耦合回到芯区的光能量的量，但对于本领域的技术人员来说显而易见的是存在实现相同结果的其它方式；例如通过使用吸收、散射、光纤弯曲、模耦合、或增益来实现相同结果。此外，可以单独地或相互组合地使用这些技术。
另外，在图7中示出了本发明的接入光纤的示例性的高度概括的应用。这里，输入光纤(例如标准SMF 70)从源72(例如传输系统)向设施74(例如具有企业或家庭的建筑物)载送光学信号。作为示例，SMF70被接合到接入光纤76，接入光纤76向位于设施内或与设施相关的应用设备或装置78载送信号。SMF 70和接入光纤76示例性地在接线盒77处被相互接合，接线盒77通常位于设施74的内壁或外壁74.1上。然而，接线盒可以位于设施内部或外部的其它位置。在任一种情况下，接入光纤76通常不具有到应用装置78的直线路径。但是，其常常不得不在一个或多个障碍物79周围穿梭，这意味着其频繁地具有至少一个曲线段或分段76.1。如前所述，此类曲线分段可以具有紧密弯曲，其中光纤弯曲半径约为4～15mm。我们的接入光纤的模匹配特征允许其被有效地接合到SMF并且在不遭遇过度弯曲损耗的情况下绕障碍物弯曲。作为选择，SMF 70可以是输出光纤或是输入和输出光纤。因此，通常，SMF 70可以称为输入/输出光纤。
当然，本领域的技术人员应很容易认识到曲线段或分段76.1还可以位于设施74外面。
最后，虽然我们已强调了我们的光纤在接入应用中的使用，但对于本领域的技术人员来说显而易见的是这些光纤的降低的弯曲敏感度使得它们在例如传感器或交通工具(例如汽车、飞机、火车、船)中的使用方面具有吸引力。

Claims (20)

1.一种光纤，包括：
芯区，其具有纵轴，所述芯区包括：
内芯区，和
围绕所述内芯区的环形外芯区，所述外芯区的折射率小于所述内芯区的折射率，并且所述外芯区的厚度比所述内芯区的直径小得多，以及
围绕所述芯区的包层区，所述芯区和所述包层区被配置为沿所述轴的方向支持并引导基横模的信号光在所述芯区中的传播，所述包层区包括：
外包层区；
基座区，具有比所述外包层区的折射率高且与所述芯区的折射率相当的折射率，并且其被配置为将所述芯区的不同于所述基横模的至少一个其它横模谐振地耦合到所述基座区的至少一个横模，和
设置在所述芯区与基座区之间的环形内沟槽区，所述内沟槽区具有小于所述基座区的折射率的折射率。
2.权利要求1的光纤，还包括设置在所述基座区与所述外包层区之间的环形外沟槽区，所述外沟槽区具有小于所述外包层区的折射率的折射率。
3.权利要求1的光纤，其中，所述外包层具有在所述光纤的最长信号波长下低于所述基横模的有效折射率的折射率。
4.权利要求1的光纤，其中，所述内芯区与所述内沟槽区之间的折射率的差大于0.007。
5.权利要求1的光纤，其中，所述基座区的径向厚度为1～4μm。
6.权利要求1的光纤，其中，所述内芯区与所述外包层区之间的折射率的差在0.003～0.006的范围内。
7.权利要求1的光纤，其中，所述芯区的宽度和所述芯区的折射率被配置为引导具有在约1300nm的所述光纤的工作波长下为55～70μm2而在约1550nm的所述光纤的工作波长下为70～90μm2的模场面积的所述基横模。
8.权利要求1的光纤，其中，所述芯区的所述其它横模的有效折射率和所述基座区的所述横模的有效折射率基本上彼此相等。
9.权利要求1的光纤，其中，所述基座区被配置为将所述芯区的高阶横模谐振地耦合到所述基座区的横模。
10.权利要求1的光纤，其中，所述芯区和所述基座区被配置为减少从所述基座区到所述芯区的光能流动。
11.权利要求10的光纤，其中，所述基座区被配置为在所述基座区中提供所述至少一个横模的损耗。
12.权利要求1的光纤，其中，所述光纤被配置为在一定波长范围上工作，并且其中，所述芯区的所述至少一个其它横模和所述基座区的所述至少一个横模的有效折射率在所述范围内的许多波长下基本上是相等的。
13.权利要求1的光纤，其中所述外包层区和所述外芯区的折射率在彼此的0.002以内。
14.权利要求1的光纤，其中所述内芯区的所述直径在8～10μm的范围内。
15.权利要求2的光纤，其中所述内沟槽区、外沟槽区和所述基座区中的至少一个包括改变所述至少一个区的折射率的径向定位的特征。
16.权利要求2的光纤，其中所述外沟槽区相对深，其折射率低于所述外包层区折射率超过0.0020。
17.权利要求2的光纤，其中所述外沟槽区相对浅，其折射率在所述外包层区折射率的0.0020内。
18.一种接入系统，包括：
用于向/从被接入设施载送信号光的单模光学输入/输出光纤，
与所述设施相关的应用设备，
用于将所述输入/输出光纤耦合到所述应用设备的根据权利要求1所述的光纤，所述光纤被配置为具有基本上等于所述输入/输出光纤的模场面积的模场面积。
19.权利要求18的系统，其中，所述光纤包括具有弯曲半径的至少一个曲线光纤段，所述弯曲半径大于由cnpedrped/Δnmode给出的临界半径，其中，c是在0.8～1.0范围内的常数，nped是所述基座区的折射率，rped是所述基座区的半径，而Δnmode是所述芯区的基横模和一阶横模之间的有效折射率差。
20.权利要求19的系统，其中，所述弯曲半径在4-15mm的范围内。
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