CN104698535A

CN104698535A - 一种弯曲不敏感多模光纤

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Publication number: CN104698535A
Application number: CN201510145309.4A
Authority: CN
Inventors: 王润涵; 王瑞春; 雷高清; 龙胜亚; 李德武; 黄荣
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2015-06-10

Abstract

本发明涉及一种弯曲不敏感多模光纤，包括有芯层和包层，芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为1.9～2.2，其特征在于芯层的半径R1为23~27μm，芯层中心位最大相对折射率差Δ1_max为0.9%~1.2%，芯层边缘位最小相对折射率差Δ1_min为-0.06%~-0.03%，所述的包层由内到外依次为第一内包层、第二内包层、下陷包层以及外包层，所述的第一内包层宽度（R2-R1）为0.5~2μm，相对折射率差Δ2为-0.07%~-0.03%，所述的第二内包层宽度（R3-R2）为1.8~2.2μm，相对折射率差Δ3为-0.03%~0.03%，所述的下陷包层宽度（R4-R3）为2.5~6.0μm，相对折射率差Δ4为-1.0%~-0.3%，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明结构设计和材料组成合理，工艺控制方便，易于规模化生产，并具有抗弯曲、高带宽的优点。

Description

一种弯曲不敏感多模光纤

技术领域

本发明涉及一种具有高带宽和优异抗弯曲性能的多模光纤，属于光通信技术领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展，中国已经进入了光纤宽带和多业务融合的信息高速发展时代。融合后的电信网、广电网和互联网都可以承载多种信息化业务，都可以为用户提供打电话、上网和看电视等多种服务。这必将对运营商和企业数据中心机房的网络基础设施的高带宽和灵活性提出了更高的要求，以便能够支持高性能连接，存储区域网络(SAN)、网络附加存储(NAS)和高性能计算(比如云计算)等应用。因此，未来几年，数据中心将逐步成为40G乃至100G以太网的天下。尤其是近年来云计算和物联网等概念的提出，以及VCSEL激光器在多模光纤通信网络的应用，在数据中心和中心机房中多模光纤提出更多苛刻的要求，其中光纤带宽的要求以及光纤的抗弯曲特性是最重要的两项参数。

降低光纤弯曲附加衰减的一个有效方法是采用下陷包层的设计，当光纤受到小的弯曲时，从芯子泄露出去的光会较大比例的限制在内包层并返回到芯子，从而有效降低了光纤的宏弯附加损耗。

而要保证多模光纤有很好的带宽性能和DMD性能，光纤的芯层折射率剖面的精确控制非常重要。但在实际的光纤生产过程中，是通过先制备预制棒，再通过拉丝得到光纤。在拉制成纤过程中，玻璃原料不可避免的受到外力作用，导致所拉制的光纤由于残存的应力和组分扩散，相比原始的预制棒，光纤的芯层折射率剖面分布难免发生畸变。尤其在具有下陷包层结构的光纤折射率剖面里，具有较低折射率的部分多由大量掺F而形成，这就容易造成下陷包层与其前后纯硅包层部分的材料形成较高粘度差，使拉丝应力的作用发生变化。正因如此，为实现多模光纤芯层的尽可能理想的alpha剖面分布，在实际抗弯多模光纤的制造工艺控制过程中，可在两个关键阶段寻求解决途径。一个是在芯棒制备的过程中，解决如何使芯棒沉积设备按照设定的参数精确沉积芯棒剖面，另一个是在将预制棒拉制成光纤时，解决如何最大程度的防止拉制过程中的折射率剖面再次畸变的问题。

目前，由于多模光纤芯层的渐变折射率分布的特点，仅管内沉积法的PCVD和MCVD工艺能够较好的实现芯层渐变折射率剖面的精确生产。在沉积，其折射率大小变化的精确控制是通过对原料反应气的配比控制来实现。不同反应气体的流量由设备上的流量计来控制。一般来说，在流量计的量程范围内，存在一定的控制精度问题。常规的抗弯多模光纤的芯区，由边缘处至中心处，相对折射率由芯层边缘位的基本接近于纯硅玻璃的折射率向芯层中心位逐渐上升，即需要控制升高折射率的组分四氯化锗气体流量的流量计由0％开始逐渐上升。一般来说，实际生产之中，机械的流量计在开度小于一定数值时，其开度与实际流量对应的精确性较差，且不稳定，只有当开度增至较大区域时，实际流量才能较好的与流量计设置开度吻合。这一不可避免的客观实际所带来的问题便是在芯区外边缘位的实际剖面与理论设计的剖面之间难免产生误差。此时，如果在芯区设计较大的掺氟量,那么为达到同样的折射率，对应的必须增大四氯化锗气体流量，那么便可增大流量计的起始开度，从而避开了流量计不精准的低开度区域。专利US 2011/0194827 A1公开了一种抗弯多模光纤，该光纤芯层外边缘处增加了一个台阶，在芯层沉积初始阶段的折射率设计的要高于纯硅层的折射率，目的是获得更好的DMD性能和更高的带宽。从一定程度上说，该途径增大了多模光纤芯层外边缘处的锗掺入量。但是专利未对芯层其它掺杂试剂进行设计或分析，对于该种设计可能带来的由于光纤材料组分变化所造成的粘度失配问题未作深入研究。

而在芯层使用深的掺F容易产生的问题是芯区粘度低。对于抗弯多模光纤而言，由内至外的芯层、中间包层、下陷包层组分差异大，材料粘度差异也大，尤其是芯区外边缘与中间包层的界面处和中间包层与下陷包层的界面处。这种情况下，在拉丝的过程中很容易发生畸变，会造成带宽和DMD性能的恶化。研究表明，合理设计内包层的粘度，适当引入功能梯度材料的设计，可在芯层和下陷包层两者之间形成缓冲层，承担部分拉丝张力，减少芯包层界面效应对光纤芯层的影响。

发明内容

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

芯棒：含有芯层和部分包层的预制件；

半径：该层外边界与中心点之间的距离；

折射率剖面：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)玻璃折射率与其半径之间的关系；

相对折射率差：

Δ % = [({n_{i}}^{2} - {n_{0}}^{2}) / 2 {n_{i}}^{2}] \times 100 % \approx \frac{n_{i} - n_{0}}{n_{0}} \times 100 %,

n_i和n₀分别为各对应部分和纯二氧化硅玻璃折射率，除非另做说明，n_i为各对应部分的最大折射率；

氟(F)的贡献量：掺氟(F)石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值(ΔF)，以此来表示掺氟(F)量；

锗(Ge)的贡献量：掺锗(Ge)石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值(ΔGe)，以此来表示掺锗(Ge)量；

套管：符合一定几何和掺杂要求的石英玻璃管；

RIT工艺：将芯棒插入套管中组成光纤预制棒；

幂指数律折射率剖面：满足下面幂指数函数的折射率剖面，其中，n₁为光纤轴心的折射率；r为离开光纤轴心的距离；a为光纤芯半径；α为分布指数；Δ为芯/包相对折射率差；

n^{2} (r) = n_{1}^{2} [1 - 2 Δ {(\frac{r}{a})}^{α}], r < a

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种结构设计合理，工艺控制方便，易于规模化生产的具有抗弯曲、高带宽优点的多模光纤。

本发明多模光纤的技术方案为：包括有芯层和包层，芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为1.9～2.2，其特征在于芯层的半径R1为23～27μm，芯层中心位最大相对折射率差Δ1_max为0.9％～1.2％，芯层边缘位最小相对折射率差Δ1_min为-0.06％～-0.03％，所述的包层由内到外依次为第一内包层、第二内包层、下陷包层以及外包层，所述的第一内包层宽度(R2-R1)为0.5～2μm，相对折射率差Δ2为-0.07％～-0.03％，所述的第二内包层宽度(R3-R2)为1.8～2.2μm，相对折射率差Δ3为-0.03％～0.03％，所述的下陷包层宽度(R4-R3)为2.5～6.0μm，相对折射率差Δ4为-1.0％～-0.3％，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的芯层为锗氟Ge/F共掺的二氧化硅玻璃层，其中芯层中心位氟掺杂的贡献量ΔF1_inner为-0.10％～-0％，芯层边缘位F掺杂的贡献量ΔF1_outer为-0.50％～-0.10％。

按上述方案，第一内包层相对折射率差Δ2小于或等于芯层边缘位的折射率Δ1_min，即Δ2≤Δ1_min。

按上述方案，由芯层中心位到芯层边缘位，氟掺杂贡献量的绝对值呈递增状。

按上述方案，第一内包层为Ge/F共掺的二氧化硅玻璃层，其中F掺杂的贡献量ΔF2为-0.20％～-0.03％。

按上述方案，第二内包层为Ge/F共掺的二氧化硅玻璃层，其中F掺杂的贡献量ΔF3为-0.05％～0％。

按上述方案，芯层边缘位F掺杂的贡献量ΔF1_outer，第一内包层F掺杂的贡献量ΔF2，以及第二内包层F掺杂的贡献量ΔF3三者的关系为ΔF1_outer<ΔF2<ΔF3。

按上述方案，本发明光纤的DMD Inner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于或等于0.33ps/m；DMD Interval Mask小于或等于0.25ps/m；优选条件下光纤的DMD的Inner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于或等于0.14ps/m，DMD Interval Mask小于或等于0.11ps/m。

按上述方案，光纤在850nm波长具有1500MHz-km或1500MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。

更进一步的，光纤在850nm波长具有3500MHz-km或3500MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。

更佳的状况，光纤在850nm波长具有5000MHz-km或5000MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有600MHz-km或600MHz-km以上带宽。

按上述方案，光纤在850nm波长具有2000MHz-km或2000MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。

更进一步的，光纤在850nm波长具有4700MHz-km或4700MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。

按上述方案，光纤的数值孔径为0.185～0.215。

按上述方案，光纤在850nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于或等于0.2dB；在1300nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于或等于0.5dB。

本发明所述多模光纤的制造过程为：

将纯石英玻璃衬管安装在等离子体增强化学气相沉积(PCVD)车床上，通入反应气体进行掺杂沉积；在反应气体四氯化硅(SiCl₄)和氧气(O₂)中，通入含氟气体，以进行氟(F)掺杂，通入四氯化锗(GeCl₄)以进行锗(Ge)掺杂；所述的含氟气体为C₂F₆、CF₄、SiF₄、SF₆、C₄F₈的任意一种或多种；通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁；根据所述光纤波导结构的掺杂的要求，适时改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积下陷包层、内包层和芯层；沉积完成后，用电加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒，以纯石英玻璃为套管采用RIT工艺制得预制棒，或采用OVD或VAD或APVD外包沉积工艺制备外包层制得预制棒；将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤，在光纤表面涂覆内外两层紫外固化的聚丙稀酸树脂涂层即成。

本发明的有益效果在于：1、设计了一种具有功能梯度材料组成和合理结构的多模光纤，结合制棒设备的控制特点，解决了光纤芯棒实际生产过程中设备对折射率精度控制的难题；2、设计了台阶式双内包层折射率剖面结构，并优化其掺杂组分比例，解决了抗弯多模光纤因芯层及下陷包层粘度差异大造成的光纤芯层折射率剖面成纤后的畸变，以及DMD、带宽性能恶化等问题，使得光纤的DMD得到有效的改善，带宽性能得到大幅提高；3、光纤芯层采用Ge/F共掺，有利于改进芯层材料的材料色散特性，提高带宽性能；4、合理的下陷包层参数设计，提高了光纤抗弯曲性能；5、本发明制造方法简便，适于大规模生产；6、本发明的光纤具有抗弯曲、高带宽等优点，可广泛用于接入网及小型化光器件中。

附图说明

图1是本发明所述抗弯多模光纤的折射率剖面示意图。

图2是图1所示折射率剖面的抗弯多模光纤的DMD曲线。

图3是作为对比的非本发明的抗弯多模光纤的折射率剖面示意图。

图4是图3所示折射率剖面的抗弯多模光纤的DMD曲线。

图5是采用中间包层梯度掺杂设计的抗弯多模光纤的含氟量示意图。图中51为芯层，52为第一中间包层，53为第二中间包层，54为下陷包层。

图6是对应图5采用中间包层梯度掺杂设计的抗弯多模光纤的残余应力分布图。

图7是为对比的未采用中间包层梯度掺杂设计的抗弯多模光纤的含氟量示意图。图中71为芯层，72为中间包层，73为下陷包层。

图8是对应图7未采用中间包层梯度掺杂设计的抗弯多模光纤的残余应力分布图。

具体实施方式

下面将给出具体的实施例，对本发明作进一步的说明。

按本发明所述方法，制备了一组预制棒并拉丝，采用多模光纤的双层涂覆，光纤的结构和主要性能参数见表1。

光纤包括有芯层和包层，芯层折射率剖面呈抛物线形，α为1.9～2.2，芯层的半径为R1，芯层中心位最大相对折射率差Δ1_max为0.9％～1.2％，芯层边缘位最小相对折射率差Δ1_min为-0.06％～-0.03％，所述的包层由内到外依次为第一内包层、第二内包层、下陷包层以及外包层，所述的第一内包层半径为R2，相对折射率差Δ2为-0.07％～-0.03％，所述的第二内包层半径为R3，相对折射率差Δ3为-0.03％～0.03％，所述的下陷包层半径为R3，相对折射率差Δ4为-1％～-0.3％，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

宏弯附加损耗是根据FOTP－62(IEC－60793－1－47)方法测得的，被测光纤按一定直径(比如：10mm，15mm，20mm，30mm等等)绕一圈，然后将圆圈放开，测试打圈前后光功率的变化，以此作为光纤的宏弯附加损耗。测试时，采用环形通量(Encircled Flux)光注入条件。环形通量(Encircled Flux)光注入条件可以通过以下方法获得：在被测光纤前端熔接一段2米长的普通50微米芯径多模光纤，并在该光纤中间绕一个25毫米直径的圈，当满注入光注入该光纤时，被测光纤即为环形通量(Encircled Flux)光注入。

满注入带宽是根据FOTP－204方法测得的，测试采用满注入条件。

表1：光纤的结构主要性能参数

下面将给出具体的对比实施例，对本发明作进一步的说明。

按本发明所述方法，制备一根预制棒并拉丝，采用多模光纤的双层涂覆，光纤的结构和主要性能参数见表2。所制光纤的折射率剖面如图1所示。图1中所示光纤包括有芯层和包层，芯层的半径为R1，芯层中心位最大相对折射率差Δ1_max，芯层边缘位最小相对折射率差Δ1_min，所述的包层由内到外依次为第一内包层、第二内包层、下陷包层以及外包层，所述的第一内包层半径为R2，相对折射率差为Δ2，所述的第二内包层半径为R3，相对折射率差为Δ3，所述的下陷包层半径为R4，相对折射率差为Δ4。

作为对比，制备了一根非依据本发明设计的多模预制棒并拉丝，采用多模光纤的双层涂覆，光纤的结构和主要性能参数见表3。所制光纤的芯层外边缘处未做下沉设计，且不具有第一内包层结构，其光纤折射率剖面如图3所示。图3中所示光纤包括有芯层和包层，芯层的半径为R1，芯层中心位最大相对折射率差Δ1_max，芯层边缘位最小相对折射率差Δ1_min，所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层以及外包层，所述的内包层半径为R2，相对折射率差为Δ2，所述的下陷包层半径为R3，相对折射率差为Δ3。

图2所示为依据本发明的抗弯多模光纤的DMD测试图形(对应图1所示的光纤折射率剖面)。图4所示为不依据本发明的抗弯多模光纤的的DMD测试图形(对应图3所示的光纤折射率剖面)。图2所示结果明显优于图4所示结果。图4中DMD图形的恶化，应是所测光纤样品的芯区折射率曲线的分布发生了一定程度畸变所造成。由于芯层外边缘的下沉设计和中间包层粘度匹配的合理优化，图2所示的测试结果保持了较理想的形状，未见明显的恶化。

图5所示为依据本发明的采用了中间包层掺杂梯度设计的抗弯多模光纤的含氟量示意图(对应图1所示的光纤折射率剖面)。图中51为芯层，52为第一中间包层，53为第二中间包层，54为下陷包层。图6为其对应的光纤的残余应力分布图。图7所示为不依据本发明而未采用中间包层掺杂梯度设计的抗弯多模光纤的含氟量示意图(对应图3所示的光纤折射率剖面)。图中71为芯层，72为中间包层，73为下陷包层。图8为其对应的光纤的残余应力分布图。对比可见，在光纤中间包层附近(介于芯层和下陷包层之间)，图8中所示的残余应力分布中出现了明显的应力尖峰，而在图7中，由于中间包层的粘度得到了合理设计，则未出现应力尖峰图形，说明依据本发明的中间包层设计能够消除应力陡变的现象，从而消除其对折射率剖面畸变和杂质扩散的影响，对提高带宽和DMD性能具有益处。

表2：光纤的结构主要性能参数(本发明)

表3：光纤的结构主要性能参数(对比件)

*不是根据本发明。

Claims

1.一种弯曲不敏感多模光纤，包括有芯层和包层，芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为1.9～2.2，其特征在于芯层的半径R1为23~27μm，芯层中心位最大相对折射率差Δ1_max为0.9%~1.2%，芯层边缘位最小相对折射率差Δ1_min为-0.06% ~-0.03%，所述的包层由内到外依次为第一内包层、第二内包层、下陷包层以及外包层，所述的第一内包层宽度（R2-R1）为0.5~2μm，相对折射率差Δ2为-0.07% ~-0.03%，所述的第二内包层宽度（R3-R2）为1.8~2.2μm，相对折射率差Δ3为-0.03%~0.03%，所述的下陷包层宽度（R4-R3）为2.5~6.0μm，相对折射率差Δ4为-1.0% ~-0.3%，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

2.按权利要求1所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的芯层为锗氟Ge/F共掺的二氧化硅玻璃层，其中芯层中心位氟掺杂的贡献量ΔF1_inner为-0.10% ~ -0%，芯层边缘位氟掺杂的贡献量ΔF1_outer为-0.50% ~ -0.10%。

3.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的第一内包层相对折射率差Δ2小于或等于芯层边缘位的折射率Δ1_min，即Δ2≤Δ1_min。

4.按权利要求2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于由芯层中心位到芯层边缘位，F掺杂贡献量的绝对值呈递增状。

5.按权利要求2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于第一内包层为Ge/F共掺的二氧化硅玻璃层，其中F掺杂的贡献量ΔF2为-0.20% ~ -0.03%；第二内包层为Ge/F共掺的二氧化硅玻璃层，其中F掺杂的贡献量ΔF3为-0.05% ~ 0%。

6.按权利要求5所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于芯层边缘位F掺杂的贡献量ΔF1_outer，第一内包层F掺杂的贡献量ΔF2，以及第二内包层F掺杂的贡献量ΔF3三者的关系为ΔF1_outer<ΔF2<ΔF3。

7.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述光纤的DMD Inner Mask（5-18μm）和DMD Outer Mask（0-23μm）均小于或等于0.33 ps/m；DMD Interval Mask 小于或等于0.25 ps/m。

8.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于光纤在850nm波长具有1500 MHz-km或1500 MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500 MHz-km或500 MHz-km以上带宽。

9.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述光纤在850nm波长具有2000 MHz-km或2000 MHz-km以上的有效模式带宽。

10.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述光纤的数值孔径为0.185~0.215；所述光纤在850nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于或等于0.2dB；在1300nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于或等于0.5dB。