专利名称：渐变折射率多模光纤及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种渐变折射率多模光纤。
背景技术：
渐变折射率多模光纤是多模光纤的一种，通过在纤芯中掺入至少一种如锗(Ge)之类的掺杂物而制成，使得掺杂后的纤芯具有具有比纯石英更高的折射率。此类渐变折射率多模光纤的折射率分布(refractive index profiles)具备如下特征折射率在纤芯中心处最高，并随着与所述纤芯中心距离的增大，而向纤芯和包层的边界连续递减。
这种渐变折射率多模光纤具有这样一种构造由于光线在光纤外部区域的传播速度要快于在中心区域的传播速度，因此不同模态的传播速度差异可以减至最小，籍此降低模色散(modal dispersion)并增大传输带宽(transmission bandwidth)。
这类渐变折射率多模光纤具有大的数值孔径(numerical aperture)，广泛应用于光局域网的传输线。为满足更高速光局域网的需求，研究了控制渐变折射率多模光纤的所述折射率分布的技术。
不过就目前情况而言，几乎不可能进一步改善渐变折射率多模光纤的性能。要想提高变折射率多模光纤的传输带宽，必须使用波分多路复用(wavelength divisionmultiplexing，WDM)技术。
对于传统的纤芯含锗的渐变折射率多模光纤，其最优折射率的分布会随光纤中传导的光信号波长的不同而变化。因为光纤的折射率分布是在特定波长下优化的，在其他波长下的传输带宽很小，所以不能用于波分多路复用(WDM)，已经有文献对此进行了论述，如R.Olshansky所著的“Propagation in glass optical waveguides”，(Reviewsof Modern Physics，Vol.51，No.2，pp.341-367，1979)。
另外，在远离零色散波长的波长区域，例如，波长为0.85μm的区域，由锗带来的色散十分显著，使得传输带宽很小。
发明内容
本发明基于以上背景，提供一种渐变折射率多模光纤，该光纤的最大传输带宽独立于信号光的波长。
为解决上述问题，本发明的第一示范性实施例给出一种渐变折射率多模光纤，所述渐变折射率多模光纤包括一含氟纤芯和一位于所述纤芯外周的包层。所述渐变折射率多模光纤的折射率分布满足等式(1) 其中，n(r)为距纤芯中心的距离为r处的光纤折射率；n1为纤芯中心处的折射率；Δ为纤芯中心与包层的折射率之差；a为纤芯半径；α为折射率分布指数。
在本发明的第一实施例的渐变折射率多模光纤的一个方面，Δ可以不小于0.005且不大于0.025，a可以不小于10μm且不大于35μm。
在本发明的第一实施例的渐变折射率多模光纤的第二个方面，波长介于0.8μm与0.9μm之间时，传输带宽可以为大于3GHz.km。
在本发明的第一实施例的渐变折射率多模光纤的第三方面，波长为1.3μm(wavelength band)时，传输带宽可以大于1.5GHz·km。
为了解决上述问题，本发明的第二实施例给出一种渐变折射率多模光纤，其包括一石英玻璃制的纤芯和一位于所述纤芯外层的包层组成。所述渐变折射率多模光纤的折射率分布满足等式(1) 其中，n(r)为距纤芯中心r处的折射率；n1为纤芯中心的折射率；Δ为纤芯中心与包层折射率之差；a为纤芯半径；α为折射率分布指数。
所述纤芯包含一种第一物质，所述第一物质可使等式(1)中折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体单调递减，同时所述纤芯还包含至少一种第二物质，所述第二物质可使折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体单调递增。使用WKB方法(Wentzel-Kramers-Brillouin method，R.Olshansky and D.B.Keck，“PulseBroadening in Graded-index Optical Fibers”，Appl.Opt.，Vol.15，pp.483-491，1976)对折射率分布指数进行优化，使得工作波长区域(operating wavelength region)的传输带宽最大化，在本发明第二实施例的渐变折射率多模光纤的一个方面，上述第一物质可以是锗，上述第二物质可以是氟。
该发明还提供一种制作一种渐变折射率多模光纤的方法，所述渐变折射率多模光纤包括一由石英玻璃制的纤芯和一位于所述纤芯外周的包层。所述渐变折射率多模光纤的折射率分布满足等式(1) 其中，n(r)为距纤芯中心r处的折射率；n1为纤芯中心的折射率；Δ为纤芯中心与包层折射率之差；a为纤芯半径；α为折射率分布指数。所述方法包括以下步骤向所述纤芯中掺入一种可使等式(1)中折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体单调递减的物质和可使折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体单调递增的物质。使用WKB方法优化所述折射率分布指数α的最优值，使得工作波长区域的传输带宽最大化。
为了解决上述问题，本发明的第三实施例给出一种渐变折射率多模光纤，所述光纤包括一由石英玻璃制的纤芯和一位于所述纤芯外周的包层。所述纤芯中含有磷和氟。
在本发明的第三实施例的渐变折射率多模光纤的一个方面，其折射率分布可以满足等式(1){n1[1-2Δ(r/a)α]1/2(0≤r≤/a)
n(r)＝ (1)n1[1-2Δ]1/2(r＞a)其中，n(r)为距纤芯中心r处的折射率；n1为纤芯中心的折射率；Δ为纤芯与包层折射率的最大差值；a为纤芯半径；α为折射率分布指数。
在本发明的第三实施例的渐变折射率多模光纤的第二个方面，其纤芯相对于所述包层的折射率的最大差值Δ可以用下面的等式(2)表达Δ＝ΔP+ΔF(2)其中，ΔP为磷相对于包层的折射率之差，ΔF为氟相对于与光线包层的折射率之差。
在本发明的第三实施例的渐变折射率多模光纤的第三个方面，折射率的最大差值Δ可以为不小于0.005且不大于0.025，ΔP可以不小于0且不大于折射率的最大差值Δ，ΔF可以不小于0且不大于折射率的最大差值Δ。
在本发明的第三实施例的渐变折射率多模光纤的第四个方面，其折射率的最大差值Δ可以为不小于0.005且不大于0.025，并且所述纤芯半径a可以为不小于10μm且不大于35μm。
在本发明的第三实施例的渐变折射率多模光纤的第五个方面所述折射率最大差值Δ可以大约为0.009或更大，数值孔径可以大约为0.185或更大，并且波长介于约0.8μm与1.4μm之间时的传输带宽可以为大于2GHz.km。
在本发明的第三实施例的渐变折射率多模光纤的第六个方面，所述折射率最大差值Δ可以大约为0.019或更大，数值孔径可以大约为0.26或更大，并且波长介于0.8μm与1.4μm之间时的传输带宽大于1.5GHz·km。
本发明第三实施例的渐变折射率多模光纤，由于在所述纤芯中掺入了磷和氟，从而在较大波长范围内具有大的传输带宽。这使得本发明的渐变折射率多模光纤适合用波分多路复用(WDM)技术进行传输。
通过参考附图可以对本发明的特征、优点有更深入的理解。所述的附图包括图1是对等式(1)中的折射率分布指数α经WKB方法计算获得的最优值与波长的函数关系图，所述折射率分布指数α代表分别掺有锗(GeO2)或氟(F)的示例1和对比例1的渐变折射率多模光纤的折射率分布情况。
图2是示例2中所示渐变折射率多模光纤的传输带宽和等式(1)中折射率分布指数的最优值αopt的关系图，其中所述最优值αopt反映所述渐变折射率多模光纤的折射率分布情况。
图3是对比例2中所述渐变折射率多模光纤的传输带宽和等式(1)中的折射率分布指数α的最优值αopt的关系图，其中所述最优值αopt反映所述渐变折射率多模光纤折射率分布情况。
图4是示例3和对比例3中渐变折射率多模光纤的传输带宽与波长的关系图。
图5是当波长为0.81μm时，示例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图6是当波长为0.83μm时，示例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图7是当波长为0.85μm时，示例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图8是当波长为0.87μm时，示例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图9是当波长为0.89μm时，示例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图10是当波长为1.30μm时，示例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图11是当波长为0.81μm时，对比例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图12是当波长为0.83μm时，对比例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图13是当波长为0.85μm时，对比例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图14是当波长为0.87μm时，对比例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图15是当波长为0.89μm时，对比例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图16是当波长为1.30μm时，对比例4中渐变折射率多模光纤的DMD特性曲线图。
图17是示例5中渐变折射率多模光纤的传输带宽与等式(1)中的折射率分布指数α的最优值αopt两者之间的关系图，所述最优值αopt代表为使在工作波长区域的传输带宽最大化而采用WKB方法优化后的渐变折射率多模光纤的折射率分布情况。
图18是示例6中渐变折射率多模光纤的传输带宽与等式(1)中的折射率分布指数α的最优值αopt两者之间的关系图，所述最优值αopt代表为使在工作波长区域的传输带宽最大化而采用WKB方法优化后的渐变折射率多模光纤的折射率分布情况。
图19是示例6中渐变折射率多模光纤中纤芯相对于包层的折射率之差Δ的曲线图。
图20是示例6中渐变折射率多模光纤的纤芯中锗或氟的浓度分布图。
图21是示例7中渐变折射率多模光纤的传输带宽与波长关系图。
图22是示例8中渐变折射率多模光纤的传输带宽与波长关系图。
图23是示例9中渐变折射率多模光纤的传输带宽与等式(1)中的折射率分布指数α的最优值αopt两者之间的关系图，其中所述最优值αopt代表为使工作波长区域的传输带宽最大化而采用WKB方法优化后的所述渐变折射率多模光纤的折射率分布情况。
图24是示例10中渐变折射率多模光纤的传输带宽与波长关系图。
图25是示例11中渐变折射率多模光纤的传输带宽与波长关系图。
图26是波长与等式(1)中的折射率分布指数α的最优值αopt两者之间的关系图，其中所述最优值αopt代表纤芯中分别掺入锗、磷和氟的三种渐变折射率多模光纤的折射率分布情况。
图27是波长与等式(1)中的折射率分布指数α的最优值αopt两者之间的关系图，其中所述最优值αopt代表示例12中分别掺入磷和氟的渐变折射率多模光纤的折射率分布情况。
图28是示例13的纤芯中掺有磷和氟的渐变折射率多模光纤的传输带宽与波长的关系图。
图29是示例13中的渐变折射率多模光纤在ΔP＝0.005且ΔF＝0.005时的折射率之差的分布情况。
图30是示例14中的纤芯中掺有磷和氟的渐变折射率多模光纤的传输带宽与波长的关系图。
图31是示例14中的渐变折射率多模光纤在ΔP＝0.004且ΔF＝0.006时的折射率之差的分布情况。
图32是波长与等式(1)中的折射率分布指数α的最优值αopt两者之间的关系图，其中所述最优值αopt代表示例15中的纤芯中分别掺入磷和氟的渐变折射率多模光纤的折射率分布情况。
图33是示例16中的纤芯中分别掺入磷和氟的渐变折射率多模光纤的传输带宽与波长关系图。
图34是示例16中ΔP＝0.010且ΔF＝0.010的渐变折射率多模光纤的折射率之差的分布情况。
图35是示例17中的纤芯中分别掺入磷和氟的渐变折射率多模光纤的的传输带宽与波长关系图。
图36是示例17中ΔP＝0.006且ΔF＝0.014的渐变折射率多模光纤的折射率之差的分布情况。
图37是本发明的渐变折射率多模光纤的一个示例的示意性截面图。和图38示出一个本发明的渐变折射率多模光纤的折射率分布的示例。
具体实施例方式
(第一实施方式)下面将详细说明本发明的第一实施方式。
图37是本发明的渐变折射率多模光纤的一个示例的示意性截面图。图38示出一个本发明的渐变折射率多模光纤的折射率分布的示例。然而，这些附图不是为了示出本发明的渐变折射率多模光纤的实际尺寸，及其实际的折射率值，也不是为了示出其折射率的实际分布。本发明第一实施方式中的渐变折射率多模光纤10是一光纤维，其包括位于光纤中心的石英玻璃制含氟纤芯12和同心地环绕在所述纤芯外周的包层14。所述光纤的折射率分布满足下面的等式(1){n1[1-2Δ(r/a)α]1/2(0≤r≤/a)
n(r)＝(1)n1[1-2Δ]1/2(r＞a)其中，n(r)为距纤芯中心r处的光纤折射率；n1为纤芯中心16的折射率；Δ为纤芯中心16与包层14的折射率之差；a为纤芯半径；α为折射率分布指数。n0为所述包层14的折射率。
虽然可以调整折射率分布指数α以获得在所需波长处的最大传输带宽，但折射率分布指数的最优值αopt会因石英玻璃中掺入物而变化。
由等式(1)所表示的本发明中的渐变折射率多模光纤10的折射率分布被塑造为满足如下特征在所述纤芯中心16处的折射率分布最高，随着与所述中心的距离加大而逐渐递减。因此，光信号以低阶模态在所述渐变折射率分布光纤10中传导较短的行程，但同时速度也较慢。与之相对应，光信号以高阶模态在纤芯12和包层14之间光纤边界附近折射率较小的区域传导较长行程，但同时速度也较快。
因此，通过改变决定分布情况的α的值，可以使各种模态的光信号通过光纤到达输出端口的时间差最小化。适当地的选取α，模色散可以达到理论最小值，并获得信号光波长的最大传输带宽。
另一方面，α的最优值αopt会随着所用波长的改变而变化。进一步地，这种变化将会受到所述纤芯一种或多种掺入物及其浓度的影响。如果是一种掺入物的情形，掺入物可以分为两大类A类物质和B类物质。掺入A类物质的光纤的αopt值会随着波长的增加而减小；掺入B类物质的光纤的αopt值会随着波长的增加而增大。
所述纤芯12中氟的浓度从中心向外径向递增，导致折射率递减。所述折射率基本上随氟浓度的增加而线性递减。
所述包层14由掺入恒定浓度氟的石英玻璃制作，其中，氟的浓度与所述纤芯12中的最大氟浓度相等。
包层14中的氟含量优选地，但不是必须地，介于大约2原子％和大约10原子％之间，更优选地，但不是必须地，介于大约2原子％和大约4原子％之间。
在本发明给出的第一实施方式中，反映光纤10折射率分布的折射率分布指数α采用WKB方法(Wentzel-Kramers-Brillouin method，R.Olshansky and D.B.Keck，“PulseBroadening in Graded-index Optical Fibers”，Appl.Opt.，Vol.15，pp.483-492，1976)进行优化，并控制使之达到最优值αopt，从而满足特定波长下工作波长的传输带宽最大化。本发明的渐变折射率多模光纤10的折射率分布指数的最优值αopt在整个波段范围内变化很小，因此，对波长的依赖性很小。
在本发明第一种实施方式的渐变折射率多模光纤10中，等式(1)中的折射率分布指数α优选地，但不是必须地，即不小于1.98也不大于2.1，更优选地，但不是必须地，为即不小于2.00也不大于2.07则更好。上述折射率分布指数α的优选值αopt就落在这个范围中。
如果折射率分布指数α小于1.98，α将小于最优值αopt，且高阶模态传播速度快于低阶模态。与此相反，如果α大于2.1，则α将大于最优值αopt，且高阶模态传播速度快于低阶模态；降低传输带宽。
进一步地，在第一种实施方式中的渐变折射率多模光纤10中，等式(1)中的纤芯半径a优选地，但不是必须地，不小于10μm且不大于35μm，更优选地，但不是必须地，不小于20μm且不大于30μm。
如果所述纤芯半径a小于10μm，光纤耦合或光纤与光源的耦合将会变得困难。相反，如果纤芯半径a大于35μm，则会产生过多模态，导致模色散增大并使传输带宽减小。
在第一种实施方式中的渐变折射率多模光纤中，因为等式(1)中代表所述光纤的折射率分布的α会调整到最优值αopt，所述最优值αopt表现出对波长极小的依赖性。因此，即使在特定波长下优化获得最大传输带宽而制造的光纤，其也在几乎整个波长区间上都有大的传输带宽。
举例来说，为在某一短波处获得最大传输带宽而对α进行优化的含氟光纤，即使在长波段的传输带宽也可以比传统的掺锗光纤的相应带宽要宽的多。
进一步地，第一种实施方式中的渐变折射率多模光纤10，在波长介于0.8μm和0.9μm之间时的传输带宽大于3GHz.km。传输带宽定义为一根光纤可能的传输速度与光纤长度的乘积，它代表光纤的传输能力。
因此，第一种实施方式中的渐变折射率多模光纤10在波长介于0.8μm和0.9μm时具有很高的传输速度，能够进行WDM传输。
更进一步地，第一种实施方式中的渐变折射率多模光纤10在工作波段为1.3μm时的传输带宽大于1.5GHz.km。
因此，第一种实施方式中的渐变折射率多模光纤10能在一个宽带波长区域内的1.3μm波段实现很高的WDM传输速度，能满足高速光局域网的需要。
更进一步地，由于氟比锗产生的色散要小，因此该实施方式中的渐变折射率多模光纤10的传输带宽要大于传统的含锗纤芯12的光纤的相应带宽。
更进一步地，该实施方式中渐变折射率多模光纤10的传输播损失要小于传统的纤芯12含锗光纤的传输损失。
下面描述第一实施方式中的渐变折射率多模光纤10的制造方法。
采用等离子体化学气相沉积法(PCVD)，通过精确控制氟浓度使之从中心向外渐增以获得所需折射率分布，可以制作渐变折射率多模光纤10的预成型坯件。在高温条件下拉伸所述预成型坯件就可以获得渐变折射率多模光纤10。
下面将用实例对本发明的第一实施方式进行更为详细的描述。当然，本发明并不局限于下面描述的实例。
(示例1)制造渐变折射率多模光纤10，其包括一个由掺氟浓度在0原子％到2.8原子％的石英玻璃制成的纤芯12，和一个由掺氟浓度为2.8原子％的石英玻璃制成且同心地环绕所述纤芯12外的包层14。
等式(1)中使用WKB方法计算的折射率分布指数α的最优值αopt是在不同的波长下决定的以使其具有独立于波长的特性，其中所述折射率分布指数α代表渐变折射率多模光纤的折射率分布。结果如图1所示。
(对比例1)制造渐变折射率多模光纤10，其包括一个由掺锗浓度为13.2摩尔％的石英玻璃制成的纤芯12，和一个由石英玻璃制成且同心地环绕所述纤芯12外的包层14。等式(1)中使用WKB方法计算的折射率分布指数α的最优值αopt是在不同的波长下决定的以使其具有独立于波长的特性，其中所述折射率分布指数α代表渐变折射率多模光纤的折射率分布。结果如图1所示。
图1的结果证明，在示例1的渐变折射率多模光纤中，折射率分布指数α的最优值αopt在1.1μm波长附近最小，αopt的偏差很低，表现出几乎不依赖波长的特性。因此，即使对示例1中渐变折射率多模光纤的α进行优化以获得在特定波长下的最大传输带宽，所述光纤仍在几乎整个波长区间上都有大的传输带宽。
相反，对比例1中渐变折射率多模光纤的最优值αopt随着波长的增加而单调递减。
特别地，对比例1中渐变折射率多模光纤的最优值αopt的偏差在10GbE(IEC60793-2-10 Ed2.0)标准中规定的0.85μm短波区间中很高，导致光纤在此波长区间不足以进行波分多路复用(WDM)。另外，αopt在1.30μm长波区间的偏差要小于在短波区间的偏差，在短波区间和长波区间αopt的差值很大。因此，如果对比例1中的所述渐变折射率多模光纤针对短波区间进行了优化，则其在长波区间的传输带宽将会减小。
(示例2)制造渐变折射率多模光纤10，其包括一个由掺氟浓度在0原子％到2.8原子％的石英玻璃制成的纤芯12，和一个由掺氟浓度为2.8原子％的石英玻璃制成且同心地环绕在所述纤芯12外的包层14。
所述渐变折射率多模光纤的纤芯中心16与包层14的折射率之差Δ调整为0.01，且纤芯半径a设定为25μm。
确定传输带宽和等式(1)中使用WKB方法计算的折射率分布指数α的最优值αopt，以确立传输带宽和最优值αopt之间的关系特性，其中所述折射率分布指数α代表所述渐变折射率多模光纤的折射率分布。假设入射光线的脉冲半峰值全宽(FullWidth at Half Maximum，缩写为FWHM)为1ns，光谱均方根为0.35nm，且入射光的FWHM光束尺寸在波长介于0.81μm和0.89μm之间时为50μm；并假设入射光的FWHM是1ns，光谱均方根为1.3nm，入射光的波长为1.3μm时FWHM光束尺寸为50μm。结果如图2所示。
(对比例2)
制造渐变折射率多模光纤10，其包括一个由掺锗浓度在0摩尔％到13.2摩尔％的石英玻璃制成的纤芯12，和一个由石英玻璃制成且同心地环绕在所述纤芯12外的包层14。所述渐变折射率多模光纤的纤芯中心16与包层14的折射率之差Δ调整为0.01，纤芯半径α设定为25μm。
确定传输带宽和等式(1)中使用WKB方法计算的折射率分布指数α的最优值αopt，以确立传输带宽和最优值αopt之间的关系特性，其中所述折射率分布指数α代表所述渐变折射率多模光纤的折射率分布。假设入射光线的脉冲半峰值全宽(FullWidth at Half Maximum，缩写为FWHM)为1ns，光谱均方根为0.35nm，且入射光的FWHM光束尺寸在波长介于0.81μm和0.89μm之间时为50μm；和入射光的FWHM是1ns，光谱均方根为1.3nm，入射光的波长为1.3μm时FWHM光束尺寸为50μm。结果如图3所示。
图2的结果表明，对于示例2中的渐变折射率多模光纤，各种波长下的折射率分布指数α的最优值αopt变化不大。因此，示例2中的渐变折射率多模光纤具有一个可以在0.81μm至0.89μm整个波长区间提供宽的传输带宽的最优值αopt。
相反地，图3的结果证实，对于对比例2的渐变折射率多模光纤，其折射率分布指数α的最优值αopt随着波长的增大而减小。因此，为使用对比例2的渐变折射率多模光纤在0.81μm至0.89μm波长区间实现波分多路复用(WDM)，应调整最小传输带宽，使其比示例2中渐变折射率多模光纤的相应带宽小很多。
更进一步地，图2和图3表明，当αopt被设为某些值时，例如设为2.04，在波长为1.30μm时，示例2中的渐变折射率多模光纤的传输带宽将是对比例2中的渐变折射率多模光纤传输带宽的2倍或更宽。这是因为氟的色散小于锗的色散，此外还因为掺氟的渐变折射率多模光纤的最优值αopt的变化较小。
(示例3)制造渐变折射率多模光纤10，其包括一个由掺氟浓度在0原子％到2.8原子％的石英玻璃制成的纤芯12，和一个由掺氟浓度为2.8原子％的石英玻璃制成且同心地环绕在所述纤芯12外的包层14。所述渐变折射率多模光纤纤芯中心16与包层14的折射率之差Δ调整为0.01，纤芯半径α设定为25μm。然后，所述渐变折射率多模光纤10在0.85μm波长处优化，将等式(1)中表示渐变折射率多模光纤的折射率分布状况的折射率分布指数α调整为2.038。
检验所得渐变折射率多模光纤的传输带宽与波长的关系。结果如图4所示。
(对比例3)制造渐变折射率多模光纤10，其包括一个由掺锗浓度在0摩尔％到13.2摩尔％的石英玻璃制成的纤芯12，和一个由石英玻璃制成且同心地环绕在所述纤芯12外的包层14。
所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16与包层14的折射率之差Δ调整为0.01，纤芯半径α设定为25μm。然后，所述渐变折射率多模光纤在0.85μm波长处优化，将等式(1)中表示渐变折射率多模光纤的折射率分布状况的折射率分布指数α调整为2.040。
检验所得渐变折射率多模光纤10的传输带宽与波长的关系。结果如图4所示。
图4的结果表明，示例3中的渐变折射率多模光纤10的传输带宽随着波长的增加而增加。这是因为渐变折射率多模光纤10在长波区间的色散小。
相反地，对比例3中渐变折射率多模光纤只在波长为0.85μm时具有大的传输带宽。
(示例4)制造渐变折射率多模光纤10，其包括一个由掺氟浓度在0原子％到2.8原子％之间的石英玻璃制成的纤芯12，和一个由掺氟浓度为2.8原子％的石英玻璃制成且同心地环绕在所述纤芯12外的包层14。
所述渐变折射率多模光纤纤芯中心16与包层14的折射率之差Δ调整为0.01，纤芯半径α设定为25μm。然后，所述渐变折射率多模光纤在0.85μm波长处优化，将等式(1)中表示渐变折射率多模光纤的折射率分布状况的折射率分布指数α调整为2.038。
通过仿真得到该渐变折射率多模光纤分别在波长0.81μm、0.83μm、0.85μm、0.87μm、0.89μm和，1.30μm时的差模延迟(Differential Mode Delay，简写为DMD)特性。仿真时，采用K.Okamoto在”Comparison of calculated and measured impulseresponses of optical fibers”(Applied Optics，Vol.18，pp.2199-2206，1979.)中论述的技术，从折射率分布仿真得到不同模态在所述渐变折射率多模光纤中的传播速度。然后，使用L.Raddatz等描述的技术，计算各种模态的激励功率。为了计算，假设入射光线的脉冲半峰值全宽(Full Width at Half Maximum，缩写为FWHM)为0.078ns，光谱均方根为0.068nm，且入射光的FWHM光束尺寸在波长介于0.81μm和0.89μm之间时为3.0μm；并假设入射光的FWHM是0.05ns，光谱均方根为1.0nm，入射光的波长为1.3μm时FWHM光束尺寸为3.0μm。结果如图5-10所示。图5-10分别代表波长为0.81μm、0.83μm、0.85μm、0.87μm、0.89μm和1.30μm时的差模延迟(DMD)特性。
所述差模延迟(DMD)特性是当光信号从纤芯中心16的偏移一定距离入射时，通过仿真计算在输出端口得到的光信号的波形。
入射光信号从纤芯中心16的偏移的距离越大，则以高阶模态传播的光信号越多。因此，差模延迟(DMD)特性体现了在每种模态下传播的光信号的光密度与相对到达时间差两者的关系。零偏移波形对应于以低阶模态传播的光信号波形，大偏移波形对应于以高阶模态传播的光信号波形。
(对比例4)制造渐变折射率多模光纤10，其包括一个由掺锗浓度在0摩尔％到13.2摩尔％的石英玻璃制成的纤芯12，和一个由石英玻璃制成且同心地环绕在所述纤芯12外的包层14。
所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16与包层14的折射率之差Δ调整为0.01，纤芯半径α设定为25μm。然后，所述渐变折射率多模光纤10在0.85μm波长处优化，将等式(1)中表示渐变折射率多模光纤10的折射率分布状况的折射率分布指数α调整为2.040。
与示例4类似，通过仿真计算得到该渐变折射率多模光纤在波长0.81μm、0.83μm、0.85μm、0.87μm、0.89μm和1.30μm时的差模延迟(DMD)特性。结果如图11-16。图11-16分别代表波长0.81μm、0.83μm、0.85μm、0.87μm、0.89μm和1.30μm时的差模延迟(DMD)特性。
图5-10表明，对于示例4中的渐变折射率多模光纤，当波长介于0.81μm和0.89μm之间时所有模态的光信号的到达时间基本相同。因此，对于该波长区间的任何波长，使用粗波分多路复用(CWDM)技术都可以得到一个大的传输带宽。
相反地，图11-16表明，当波长小于0.85μm时，高阶模态增加；当波长大于0.85μm时，高阶模态减少，这样导致对比例4中渐变折射率多模光纤的脉冲宽度显著增大。
尽管当波长为1.30μm时，示例4和对比例4的渐变折射率多模光纤的脉冲宽度变化，但示例4中渐变折射率多模光纤的DMD值较小。
如上所述，本发明的第一种实施方式中的渐变折射率多模光纤因为掺入氟而具备满足等式(1)的折射率分布，所以该光纤在宽波长区间具有大的传输带宽，适用于波分多路复用。进一步地，本发明的第一种实施方式中的渐变折射率多模光纤由于掺入物氟的色散相较于传统渐变折射率多模光纤中使用的锗更小，因而具备更大的传输带宽。
(第二实施方式)下面详细给出本发明的第二实施方式。
图37是本发明的渐变折射率多模光纤的一个示例的示意性截面图。图38示出一个本发明的渐变折射率多模光纤的折射率分布的示例。然而，这些附图不是为了示出本发明的渐变折射率多模光纤的实际尺寸，及其实际的折射率值，也不是为了示出其折射率的实际分布。本发明第二实施方式的渐变折射率多模光纤10包括位于光纤中心由含氟(F)石英玻璃制成的纤芯12和同心地包绕所述纤芯12的包层14，所述渐变折射率多模光纤10的折射率分布满足等式(1)
其中，n(r)是距纤芯中心16r处的光纤折射率；n1为纤芯中心16的折射率；Δ为纤芯中心16与包层14的折射率之差；a为纤芯半径；α为折射率分布指数，所述纤芯12包含一种可使等式(1)中折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体单调递减的物质(也就是掺入物，下面称作“物质A”)，同时还包含至少另一种通常可使等式(1)中折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体单调递增的物质(即掺入物，下面称作“物质B”)，采用WKB方法优化所述折射率分布指数，以期实现在工作波长(operating wavelength)的传输带宽最大化。
尽管可以调节折射率分布指数α而在特定波长下获得最大传输带宽，但α的最优值αopt会随着石英玻璃中的掺入物而改变。
由等式(1)所表示的本发明中的渐变折射率多模光纤10的折射率分布被塑造为满足如下特征在所述纤芯中心16处的折射率分布最高，随着与所述中心的距离加大而逐渐递减。因此，光信号以低阶模态在光纤中传导较短的行程，但同时速度也较慢。与之相对应，光信号以高阶模态在纤芯12和包层14之间光纤边界附近折射率较小的区域传导较长行程，但同时速度也较快。
因此，通过改变决定分布情况的值α，可以使各种模态的光信号通过光纤到达输出端口的时间差最小化。适当地的选取α，模色散可以达到理论最小值，并获得信号光波长的最大传输带宽。
另一方面，α的最优值αopt会随着所用波长的改变而变化。进一步地，这种变化将会受到所述纤芯12一种或多种掺入物及其浓度的影响。如果是一种掺入物的情形，掺入物可以分为两大类A类物质和B类物质。掺入A类物质的光纤的αopt值会随着波长的增加而减小；掺入B类物质的光纤的αopt值会随着波长的增加而增大。
A类物质可以使用锗(Ge)、五氧化二磷(P2O5)和三氧化二硼(B2O3)等等。
其中，锗是优选的因为它不会导致严重的损失并且易于控制。
B类物质可以使用氟。
本发明第二种实施方式的渐变折射率多模光纤的最优值αopt的偏差优选地为0.025或更小，在特定波长区间最好为0.01或更小。
如果最优值αopt的偏差大于0.025，则在特定波长区间中的传输频率随着波长增加而明显变化。
进一步地，对于本发明第二实施方式的渐变折射率多模光纤，等式(1)中纤芯半径优选地为不小于10μm且不大于35μm，更优选地为不小于20μm且不大于30μm。
如果纤芯半径a半径小于10μm，光纤耦合或将光纤和光源耦合在一起将会困难。相反地，如果纤芯半径大于35μm，则将会产生过多模态，导致模色散增大并使传输带宽减小。
对于本发明第二实施方式的渐变折射率多模光纤，纤芯中心16和包层14两者折射率之差Δ可以表示为等等式Δ＝Δ1+Δ2，其中，Δ1是A物质与包层14折射率之差，Δ2是B物质与包层14折射率之差。
为获取期望折射率分布，通过选取Δ1和Δ2的最优值得到折射率之差Δ，αopt满足上面的等式。Δ1/Δ2最好介于1/1和0/1，若为1/4更好。如果Δ1/Δ2小于1/4，则αopt随着波长的增加而单调递增。相反，如果Δ1/Δ2大于1/4，则αopt随着波长的增加而单调递减。
进一步地，纤芯12掺入物质A和物质B以使Δ1和Δ2满足上述等式子。更具体地讲，能增大折射率的掺入物浓度由纤芯中心16延径向单调递减，在包层14和纤芯12的边界处减至0。另一方面，能降低折射率的掺入物浓度在纤芯中心16为0，由纤芯中心16延径向单调递增。
对于本发明第二种实施方式的渐变折射率多模光纤，等式(1)中代表光纤折射率分布的折射率分布指数α可以调节至一个最优值。αopt相对于波长的曲线大体平滑，即αopt对波长的依赖性很小，在整个波长区间内变化很小。因此，即使渐变折射率多模光纤是为获得某特定波长时的最大传输带宽而特制，它也可以在几乎整个波长区间上获得大的传输带宽。
举例来说，为在某一短波获得最大传输带宽而对α经过优化的含氟光纤即使在长波段的传输带宽也要比传统的掺锗光纤宽的多。
对于本发明第二种实施方式的渐变折射率多模光纤，其纤芯中心16与包层14的折射率之差Δ为0.009或更大，当波长介于0.8μm至1.3μm之间时，传输带宽为3GHz·km或更大。传输带宽定义为一根光纤可能的传输速度与光纤长度的乘积，它代表光纤的传输能力。
因此，第二种实施方式中的光纤在波长介于0.8μm和1.3μm之间时具有很高的传输速度，能够进行波分多路复用方式传输。
对于本发明第二种实施方式的渐变折射率多模光纤，其纤芯中心16与包层14的折射率之差Δ为0.019或更大，当波长介于0.8μm和1.4μm之间时，传输带宽为2GHz·km或更大。
因此，第二种实施方式中的光纤在波长介于0.8μm和1.4μm之间时具有很高的传输速度，能够进行波分多路复用方式传输。
下面描述本发明第二种实施方式的渐变折射率多模光纤的制作方法。
使用等离子体化学气相沉积法(PCVD)或改进气相沉积法(MCVD)，同时掺入两种物质并精确控制掺入物的量以获得所需折射率分布，可以制作出本发明第二种实施方式的渐变折射率多模光纤的预成型坯件。在高温条件下拉伸所述预成型坯件就可以获得渐变折射率多模光纤。
下面将用实例对第二种实施方式进行更为详细地描述。当然，本发明并不限于下面的例子。
(示例5)制作渐变折射率多模光纤，所述光纤包括一由掺锗石英玻璃制造的纤芯和同心地环绕在所述纤芯外的石英玻璃制包层，且其Δ为0.01，其纤芯半径a为25μm。
制作渐变折射率多模光纤，所述光纤包括一由掺氟石英玻璃制造的纤芯和同心地环绕在所述纤芯外的石英玻璃制包层，且其Δ为0.01，其纤芯半径a为25μm。
对于每一种渐变折射率多模光纤，给出了波长与等式(1)中使用WKB方法优化以期在工作波长区域的传输带宽最大化，能代表渐变折射率多模光纤折射率分布的折射率分布指数α的最优值αopt两者之间的依赖关系。结果如图17所示。
图17所示的结果证明，纤芯含锗的渐变折射率多模光纤的最优值αopt随着波长的增加而单调递减。结果同时还表明，纤芯含氟的渐变折射率多模光纤的折射率分布指数α的最优值αopt在1.1μm波长附近最小，通常随着波长的增加而单调递增。
这些结果表明，纤芯含锗的在0.85μm附近的短波段进行优化的渐变折射率多模光纤在1.30μm附近的长波区域并不具备大的传输带宽。
(示例6)制造一种渐变折射率多模光纤10，所述光纤包括一由掺入锗和氟的石英玻璃制造的纤芯12和同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃包层14。
所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差被调节至0.01，纤芯半径α＝25μm。Δ被设置为ΔGe+ΔF，其中ΔGe是锗与包层14的折射率之差，ΔF是不同ΔGe/ΔF值时氟与包层14的折射率之差。
确定传输带宽和等式(1)中使用WKB方法计算的折射率分布指数α的最优值αopt，以确立传输带宽和最优值αopt之间的关系特性，其中所述折射率分布指数α代表所述渐变折射率多模光纤10的折射率分布。假设入射光线的脉冲半峰值全宽(FullWidth at Half Maximum，缩写为FWHM)为1ns，光谱均方根为0.35nm，且入射光的FWHM光束尺寸在波长介于0.81μm和0.89μm之间时为70μm。结果如图18所示。
图18的结果表明，通过改变ΔGe/ΔF的值也就是改变掺入锗和氟的比例，αopt与波长关系曲线的形状有所改变，这样改进了渐变折射率多模光纤的波长特性。特别地，当ΔGe＝0.002，ΔF＝0.008时最优值αopt的曲线比较平缓。
图19给出了ΔGe＝0.002，ΔF＝0.008时不同纤芯半径的渐变折射率多模光纤10纤芯中心16和包层14两者折射率之差。
图19的结果证明，所述渐变折射率多模光纤10的相对折射率之差Δ在纤芯中心16最大(0.01)，在纤芯12和包层14的边界处变为0。
另外，图20给出了当ΔGe＝0.002，ΔF＝0.008时，纤芯12中锗的浓度分布CGe(r)和氟的浓度分布CF(r)。
图20的结果表明，CGe(r)从所述纤芯中心16向纤芯12与包层14的边界随着和纤芯中心16距离的加大而单调递减，至纤芯12与包层14的边界处变为0。相反，CF(r)在纤芯中心16为0，从所述纤芯中心16向纤芯12与包层14的边界随着和纤芯中心16距离的加大而单调递增。
(示例7)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入锗和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差被调节至0.01，纤芯半径a＝25μm。Δ被设置为ΔGe+ΔF，调节ΔGe与ΔF的比值。
然后，在0.85μm波长条件下优化所述渐变折射率多模光纤10，并且采用WKB方法优化等式(1)中代表渐变折射度多模光纤的折射率分布的折射率分布指数α，以期在工作波长区间获得最大的传输带宽，从而确定折射率分布指数α的最优值αopt。
对所得到的渐变折射率多模光纤10的传输带宽与波长的依赖关系进行检验。结果如图21所示。
图21的结果表明，与或掺入锗或掺入氟的光纤相比，ΔGe＝0.002，ΔF＝0.008时所述光纤可以在更宽的波长区间上获得大得多的传输带宽，波长介于0.8μm与1.3μm之间时的传输带宽大于3GHz·km。
(示例8)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入锗和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差被调节至0.01，纤芯半径a设置为25μm。Δ被设置为ΔGe+ΔF，调节ΔGe与ΔF的比值。
然后，在1.30μm波长条件下优化所述渐变折射率多模光纤10，并且采用WKB方法优化等式(1)中代表渐变折射度多模光纤的折射率分布的折射率分布指数α，以期在工作波长区间获得最大的传输带宽，从而确定折射率分布指数α的最优值αopt。
对所得到的渐变折射率多模光纤10的传输带宽与波长的依赖关系进行检验，结果如图21所示。
图22的结果表明，与或掺入锗或掺入氟的光纤相比，ΔGe＝0.002，ΔF＝0.008时，所述光纤可以在更宽的波长区间上获得大得多的传输带宽。波长介于0.8μm与1.3μm之间时，传输带宽大于3GHz·km。
(示例9)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入锗和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差被调节至0.02，纤芯半径a为32.5μm。Δ被设置为ΔGe+ΔF，调节ΔGe与ΔF的比值。
采用WKB方法优化等式(1)中的折射率分布指数α的最优值αopt，使在工作波长区域的传输带宽最大化，从而确定传输带宽和最优值αopt，以确立传输带宽和最优值αopt之间的关系特性，其中所述折射率分布指数α代表所述渐变折射率多模光纤10的折射率分布。假设入射光线的脉冲半峰值全宽(FWHM)为1ns，光谱均方根为0.5nm，且入射光的FWHM光束尺寸在波长介于0.81μm和0.89μm之间时为70μm；并假设入射光的FWHM是1ns，光谱均方根为3nm，入射光的波长为1.3μm时FWHM光束尺寸为70μm。结果如图23所示。
图23的结果表明，通过改变ΔGe/ΔF的值也就是掺入锗和氟的比例，最优值αopt与波长关系曲线的形状有所改变，这样改进了渐变折射率多模光纤10的波长特性。特别地，当ΔGe＝0.004，ΔF＝0.016时所述最优值αopt的曲线比较平缓。
(示例10)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入锗和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差被调节至0.02，纤芯半径a为32.5μm。Δ被设置为ΔGe+ΔF，调节ΔGe与ΔF的比值。
然后，在0.85μm波长处对该渐变折射率多模光纤10进行优化，且采用WKB方法优化等式(1)中代表所述渐变折射率多模光纤10的折射率分布的折射率分布指数α的最优值αopt，使在工作波长区域的传输带宽最大化，从而确定所述最优值αopt。
对所得到的渐变折射率多模光纤10的传输带宽与波长的依赖关系进行检验。结果如图24所示。图24的结果表明，与只掺入锗或只掺入氟的光纤相比，该光纤在ΔGe＝0.004，ΔF＝0.016时可以在更宽的波长区间上获得大得多的传输带宽。波长介于0.8μm与1.4μm之间时的传输带宽大于2GHz·km。
(示例11)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入锗和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差被调节至0.02，纤芯半径a为32.5μm。Δ被设置为ΔGe+ΔF，调节ΔGe与ΔF的比值。
然后，在1.30μm波长处对该渐变折射率多模光纤10进行优化，且采用WKB方法优化等式(1)中代表所述渐变折射率多模光纤10的折射率分布的折射率分布指数α的最优值αopt，使在工作波长区域的传输带宽最大化，从而确定所述最优值αopt。
对所得到的渐变折射率多模光纤10的传输带宽与波长的依赖关系进行检验。结果如图24所示。图25的结果表明，与只掺入锗或只掺入氟的光纤相比，该光纤在ΔGe＝0.004，ΔF＝0.016时可以在更宽的波长区间上获得大得多的传输带宽。波长介于0.8μm与1.4μm之间时的传输带宽大于2GHz·km。
如上所述，本发明的第二实施方式中的渐变折射率多模光纤10包含了一种物质，该种物质使得等式(1)中代表渐变折射率多模光纤10折射率分布并由WKB方法优化以期在工作波长区间获得最大的传输带宽的折射率分布指数α的最优值αopt随着波长的增大而单调递减，该光纤还包含至少一种使得该最优值随着波长的增大而单调递增的物质。因此，该渐变折射率多模光纤10在宽的波长区间具备大的传输带宽，适合于波分多路复用(WDM)。
(实施方式3)下面详细说明本发明第三实施方式的渐变折射率多模光纤10。
图37是本发明的渐变折射率多模光纤的一个示例的示意性截面图。图38示出一个本发明的渐变折射率多模光纤的折射率分布的示例。然而，这些附图不是为了示出本发明的渐变折射率多模光纤的实际尺寸，及其实际的折射率值，也不是为了示出其折射率的实际分布。本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10包括一由掺入磷和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。该渐变折射率多模光纤10的折射率分布满足等式(1) 其中，n(r)是距纤芯中心16“r”处的光纤折射率；n1为纤芯中心16的折射率；Δ为纤芯中心16与包层14的折射率之差；“a”为纤芯12的半径；α为折射率分布指数，纤芯12含磷和氟。磷可使等式(1)中折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体单调递减，氟可使等式(1)中折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体单调递增。
本发明中由等式(1)表示的光纤折射率分布被设置为具有如下特征在所述纤芯中心16处的折射率分布最高，随着与所述中心的距离加大而逐渐递减。因此，光信号以低阶模态在光纤中传导较短的行程，但同时速度也较慢。与之相对应，光信号以高阶模态在纤芯12和包层14之间光纤边界附近折射率较小的区域传导较长行程，但同时速度也较快。
因此，通过改变决定分布情况的值α，可以使各种模态的光信号通过所述渐变折射率多模光纤10到达输出端口的时间差最小化。适当地的选取α，模色散可以达到理论最小值，并获得信号光波长的最大传输带宽。
另一方面，α的最优值αopt会随着所用波长的改变而变化。进一步地，这种变化将会受到所述纤芯12一种或多种掺入物及其浓度的影响。如果是一种掺入物的情形，掺入物可以分为两大类A类物质和B类物质。掺入A类物质的光纤的αopt值会随着波长的增加而减小；而掺入B类物质的光纤的αopt值会随着波长的增加而增大。
图26给出了纤芯12中分别掺入锗、磷或氟的三种渐变折射率多模光纤10的折射率分布指数α的最优值αopt与波长的关系曲线。其中折射率分布系数α为等式(1)中代表光纤的折射率分布的折射率分布指数α。
图26中值的计算及下面提到的其他计算中，纯石英和掺锗石英的物质色散系数取自N.Shibata和T.Edahiro等人在“Refractive-Index Dispersion for GeO2-，P2O5-，andB2O3-Doped Silica Glass For Optical Fibers”Trans.IECE Japan，Vol.E65，pp.166-172，1982)中描述的系数；掺氟石英的物质色散系数取自J.W.Fleming在“Material dispersion in lightguide glass”(Electron Lett.，Vol.14，pp，326-328，1978)描述的系数。
图26表明，对于纤芯12含氟的渐变折射率多模光纤10，最优值αopt在波长0.7μm附近达到最大值后，随波长增加而大体地单调递增。相反地，对于纤芯12含锗或含磷的渐变折射率多模光纤10，其最优值αopt随着波长增加而大体地单调递减。
另外，图26表明，如果这些渐变折射率多模光纤10在某特定波长如0.85μm处进行优化，则对不是0.85μm的其他波长，折射率分布指数α将远离所述最优值αopt。其结果是不能得到大的传输带宽。
更进一步地，图26表明，当波长改变时，纤芯12含锗的渐变折射率多模光纤10的最优值αopt变化最大，显示波长对传输带宽的依赖程度最大。
相反，波长改变导致纤芯12含磷或氟的渐变折射率多模光纤10的最优值αopt的变化很小。因此对于这些光纤，波长对传输带宽的依赖程度较小。
因此，可以通过往渐变折射率多模光纤10的纤芯12中掺入磷或氟来减小波长对传输带宽的依赖程度，而在一个宽的波长区域获得大的传输带宽。
更进一步地，通过向石英玻璃中掺入磷，可降低其在高温下的粘度。对于本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10，因为纤芯中心16掺入了大量的磷，因此纤芯中心16的粘度下降。因此，使用等离子体化学气相沉积法(PCVD)或者改进的气相沉积法(MCVD)制作光纤预成型坯件的压扁过程将变得非常简单。
进一步地，制作所述光纤预成型坯件时纤芯中心16的低粘度可以降低纤芯中心16的浸渍(中心浸渍)。这将易于控制光纤的折射率分布。
这些中心浸渍产生的原因是由于压扁过程中掺入物的移动，其会对光纤性能产生不利影响。
更进一步地，由于纤芯12掺磷光纤的雷莱散射系数(Rayleigh scattering index)小，因此短波区间的损失也小。
此外，对于本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10，其纤芯12与包层14之间的最大折射率之差Δ可以表达为等式(2)
Δ＝ΔP+ΔF(2)其中，ΔP为磷与包层14的折射率之差，ΔF为氟与光线包层14的折射率之差。
对于本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10，优选但不是必须地，等式2中最大折射率之差Δ不要小于0.005且不大于0.025；折射率之差ΔP不小于0且不大于Δ；折射率之差ΔF不小于0且不大于Δ。
如果最大的折射率之差Δ小于0.005，则光纤的数值孔径变小，光纤和光源耦合困难。如果最大折射率之差Δ大于0.025，则会产生过多模态，使得传输带宽减小。
对于本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10，等式2中折射率之差Δ的最大值优选地，但不是必须地，不小于0.005且不大于0.025；等式(1)中的纤芯半径a优选地不小于10μm且不大于35μm，更优选地，但不是必须地，为不小于20μm且不大于30μm。
如果所述纤芯半径a小于10μm，光纤耦合或光纤与光源的耦合将会困难。相反，如果纤芯半径大于35μm，则将会产生过多模态，导致模色散增大并使传输带宽减小。
本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10在波长介于0.8μm和1.4μm之间时折射率差Δ最大值为0.009或更大，数值孔径为0.185或更大，传输带宽为2GHz·km或更大。
传输带宽定义为一根光纤可能的传输速度与光纤长度的乘积，其代表光纤的传输能力。
进一步地，本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10折射率差Δ的最大值为0.019或更大，数值孔径为0.26或更大，在波长介于0.8μm和1.4μm之间时传输带宽为1.5GHz·km或更大。
因此，本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10在波长介于0.8μm和1.4μm之间时传输速度快，可以进行波分多路复用传输。
下面描述本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10的制作方法。
使用等离子体化学气相沉积法(PCVD)或改进的气相沉积法(MCVD)，同时掺入两种物质并精确控制掺入物的量以获得所需折射率分布，可以制作出本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10的预成型坯件。在高温条件下拉伸预成型坯件光纤可以获得所述渐变折射率多模光纤10。
下面将用实例对第三种实施方式进行更为详细地描述。当然，本发明并不局限于下面的例子。
(示例12)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入磷和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差被调节至0.01，纤芯半径a为25μm。Δ被设置为ΔP+ΔF，调节ΔP与ΔF的比值，其中，ΔP为磷与包层14的折射率之差，ΔF为氟与光纤包层14的折射率之差。
固定Δ＝ΔP+ΔF＝0.01不变，只改变ΔP/ΔF的值，波长与折射率分布指数α的最优值αopt之间的关系如图27所示。
图27证实，如果改变ΔP/ΔF的值，即改变掺入磷和氟的比例，那么最优值αopt与波长关系图也随之改变，渐变折射率多模光纤10的波长特性得到改善。特别地，当ΔP＝0.004，ΔF＝0.006时最优值αopt的曲线平缓。
这些结果表明，可以通过往纤芯12中添加锗和氟，而改善渐变折射率多模光纤10的波长特性。另外，优化渐变折射率多模光纤10中所含锗和氟的比例，可使其在宽波长区间获得大的传输带宽。
(示例13)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入磷和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
在0.85μm波长处优化所述渐变折射率多模光纤10，且所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差被调节至0.01，纤芯半径a被设定为25μm。
固定Δ＝ΔP+ΔF＝0.01，调节ΔP与ΔF的比值。
图28给出了所得渐变折射率多模光纤10中波长与渐变折射率多模光纤10超填充启动(OFL，Over-filled Launch)传输带宽二者的关系曲线。
图28表明，在纤芯12中同时掺入磷和氟的渐变折射率多模光纤10比只掺入磷或氟的光纤在更大的波长区间具有大的传输带宽。进一步地，其表明在ΔP＝0.005且ΔF＝0.005时光纤性能最好。
图29反映了ΔP＝0.005且ΔF＝0.005时的光纤的折射率之差的分布状况。
(示例14)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入磷和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
在1.30μm波长处优化所述渐变折射率多模光纤10，且将所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差调节至0.01，将纤芯半径a设定为25μm。
固定Δ＝ΔP+ΔF＝0.01，调节ΔP与ΔF的比值。
检验所得渐变折射率多模光纤10中波长与OFL传输带宽二者的关系。结果如图30所示。
图30表明，在纤芯12中同时掺入磷和氟的渐变折射率多模光纤10比只掺入磷或氟的光纤在更大的波长区间具有大的传输带宽。更进一步地，其表明ΔP＝0.004且ΔF＝0.006的光纤的性能最好。
图31反映了ΔP＝0.005且ΔF＝0.005的光纤的折射率之差的分布状况。
(示例15)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入磷和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
将所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差调节至0.02，将纤芯半径a设定为31.25μm。将Δ固定为ΔP+ΔF，调节ΔP与ΔF的比值。固定Δ＝ΔP+ΔF＝0.02不变，只改变ΔP/ΔF的值，确定折射率分布参数α的最优值αopt。结果如图32所示。
图32证明，通过改变ΔP/ΔF的值，即改变掺入磷和氟的比例，最优值αopt与波长关系图也随之改变，渐变折射率多模光纤10的波长特性得到改善。特别地，当ΔP＝0.008且ΔF＝0.012时最优值αopt的曲线平缓。
(示例16)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入磷和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
在0.85μm波长处优化所得渐变折射率多模光纤10，并将所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差调节至0.02，将纤芯半径a设定为31.25μm。
将Δ固定为ΔP+ΔF，调节ΔP与ΔF的比值。检验所得渐变折射率多模光纤10中波长与OFL传输带宽二者的关系。结果如图30所示。
图33表明，在纤芯12中同时掺入磷和氟的渐变折射率多模光纤10，比只掺入磷或氟的光纤在更大的波长区间具有大的传输带宽。进一步地，ΔP＝0.010且ΔF＝0.010的光纤性能最好。
图34反映了ΔP＝0.010且ΔF＝0.010的光纤的折射率之差的分布状况。
(示例17)制造一种渐变折射率多模光纤10，其包括一由掺入磷和氟的石英玻璃制造的纤芯12，和一同心地环绕在所述纤芯12外的石英玻璃制包层14。
在1.30μm波长处优化所得渐变折射率多模光纤10，并将所述渐变折射率多模光纤10的纤芯中心16和包层14两者折射率之差调节至0.02，将纤芯半径a设定为31.25μm。固定Δ＝ΔP+ΔF＝0.02不变，只改变ΔP/ΔF的值。
检验所得渐变折射率多模光纤10中波长与渐变折射率多模光纤10OFL传输带宽二者的关系。结果如图35所示图35表明，在纤芯12同时掺入磷和氟的渐变折射率多模光纤10比只掺入磷或氟的光纤在更大的波长区间具有大的传输带宽。进一步地，ΔP＝0.006且ΔF＝0.014的光纤性能最好。
图36反映了ΔP＝0.006且ΔF＝0.014的光纤的折射率之差的分布状况。
本发明第三种实施方式的渐变折射率多模光纤10可以应用于基于多重光纤(multifiber)的波分多路复用系统。
尽管上面优选地描述并分析了本发明的若干实施方式，但应明白这些只是发明的示例，并不能看作对本发明的限制。此外还可以在不背离本发明的主旨或范围的情况下，进行省略、替代或者其他修改。因此，本发明不应局限于前面描述的情况，而只由权利要求限定。
权利要求
1.一种渐变折射率多模光纤，其包括一含氟纤芯；和一位于所述纤芯外周的包层，其特征在于所述渐变折射率多模光纤的折射率分布满足下面的等式(1) 其中，n(r)为距所述纤芯中心r处的折射率；n1为所述纤芯中心处的折射率；Δ为所述纤芯中心与所述包层折射率之差；a为所述纤芯的半径；α为折射率分布指数。
2.如权利要求1所述的渐变折射率多模光纤，其特征在于Δ不小于0.005且不大于0.025，并且a不小于10μm且不大于35μm。
3.如权利要求1所述的渐变折射率多模光纤，其特征在于波长介于0.8μm与0.9μm之间时的传输带宽大于3GHz·km。
4.如权利要求1所述的渐变折射率多模光纤，其特征在于波长为1.3μm时的传输带宽大于1.5GHz·km。
5.一种渐变折射率多模光纤，其包括一由石英玻璃制成的纤芯；和一位于所述纤芯外周的包层，其特征在于所述渐变折射率多模光纤的折射率分布满足下面的等式(1){n1[1-2Δ(r/a)α]1/2;(0≤r≤/a)]]>n(r)=n1[1-2Δ]1/2;(r>a)---(1)]]>其中，n(r)为距所述纤芯的中心r处的折射率；n(1)n1为所述纤芯中心的折射率；Δ为所述纤芯中心与所述包层折射率之差；a为所述纤芯的半径；α为折射率分布指数，所述纤芯中包含一种第一物质，所述第一物质可使等式(1)中所述折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体地单调递减，同时所述纤芯中还包含至少一种可使所述折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体地单调递增的第二物质，并且使用WKB方法(Wentzel-Kramers-Brillouin method)对所述折射率分布指数进行优化，以使工作波长区域的传输带宽最大化。
6.如权利要求5所述的渐变折射率多模光纤，其特征在于所述第一物质是锗；所述第二物质是氟。
7.一种制造渐变折射率多模光纤的方法，所述渐变折射率多模光纤包括一由石英玻璃制成的纤芯和一位于所述纤芯外周的包层，且所述渐变折射率多模光纤的折射率分布满足下面的等式(1) 其中，n(r)为距所述纤芯的中心r处的折射率；n1为所述纤芯中心的折射率；Δ为所述纤芯中心与所述包层折射率之差，a为纤芯半径，α为折射率分布指数，所述方法包括以下步骤向所述纤芯中掺入一种可使等式(1)中所述渐变折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体上单调递减的第一物质和至少一种可使所述渐变折射率分布指数α的最优值随着波长的增加而大体单调递增的第二物质，其中，使用WKB方法优化所述渐变折射率分布指数α的最优值，以使工作波长区域的传输带宽最大化。
8.一种渐变折射率多模光纤，其包括一由石英玻璃制成的纤芯；和一位于所述纤芯外周的包层，其特征在于所述纤芯中含有磷和氟。
9.如权利要求8所述的渐变折射率多模光纤，其特征在于所述渐变折射率多模光纤的折射率分布满足下面的等式(1) 其中，n(r)为距所述纤芯的中心r处的折射率；n1为所述纤芯中心的折射率；Δ为所述纤芯与所述包层折射率的最大差值；a为所述纤芯的半径；α为折射率分布指数。
10.如权利要求8所述的渐变折射率多模光纤，其特征在于所述纤芯与所述包层折射率的最大差值Δ用下面的等式(2)表示Δ＝ΔP+ΔF(2)其中，ΔP为磷与所述包层的折射率之差，ΔF为氟与所述包层的折射率之差。
11.如权利要求8所述的渐变折射率多模光纤，其特征在于所述折射率的最大差值Δ不小于0.005且不大于0.025，磷与所述包层的折射率之差ΔP不小于0且不大于所述折射率的最大差值Δ，氟与所述包层的折射率之差ΔF不小于0且不大于所述折射率的最大差值Δ。
12.如权利要求8所述的渐变折射率多模光纤，其特征在于所述折射率的最大差值Δ不小于0.005且不大于0.025，所述纤芯半径a不小于10μm且不大于35μm。
13.如权利要求8所述的渐变折射率多模光纤，其特征在于当所述折射率的最大差值Δ为约0.009或更大，数值孔径为约0.185或更大，波长介于约0.8μm与约1.4μm之间时的传输带宽大于约2GHz·km。
14.如权利要求8所述的渐变折射率多模光纤，其特征在于当所述折射率的最大差值Δ为约0.019或更大，数值孔径为约0.26或更大，波长介于约0.8μm与约1.4μm之间时的传输带宽大于约1.5GHz·km。
全文摘要
一种渐变折射率多模光纤，其包括一含氟纤芯和一位于所述纤芯外周的包层，其折射率分布满足下面的等式(1)其中，n(r)为距所述纤芯的中心r处的折射率；n
文档编号G02B6/028GK1576917SQ20041006967
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月15日 优先权日2003年7月18日
发明者官宁, 竹永胜宏, 姬野邦治 申请人:株式会社藤仓