CN100371747C - 具有波导结构的弯曲不敏感光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有波导结构的弯曲不敏感单模光纤，适用于1310nm波长和1550nm波长双窗口。该光纤包含纤芯和包层，其特征在于纤芯设有三个不同折射率分布的纤芯分层，包层也设有三个不同折射率分布的分层，其中，包层3为纯二氧化硅玻璃。该光纤相对于常规G.652光纤而言，这种光纤的截止波长≤1290nm，光缆截止波长≤1260nm，在以30mm直径弯曲一圈情况下，从1310nm到1625nm波长范围的弯曲损耗小于0.04dB，在1310nm波长光纤模场直径为6-8.5um。该光纤的应用特性是在光纤的弯曲性能和与常规G.652光纤、G.655光纤间的接续损耗方面实现了平衡，便于室内布线和卷曲。

Description

具有波导结构的弯曲不敏感光纤

技术领域

本发明涉及一种为接入网、FTTH用的光纤，尤其是具有优异弯曲性能、适宜于收藏在接线盒或密闭容器内的具有波导结构的弯曲不敏感单模光纤。

背景技术

目前，随着FTTH开始深入到住宅用户，光纤接入网建设量明显增加。接入网建设要求组网工作更容易，时间更短。这就要求适宜于接入网的单模光纤具有在小弯曲半径下附加损耗小、强度高和适宜的模场直径等特性，便于布线施工和卷曲，同时能控制与已铺设光纤的接续损耗。

常规G.652单模光纤由于模场直径(MFD)过大，一般MAC值(即模场直径除以截止波长)在6-8范围，导致宏弯损耗过大，不适宜于小直径(例如弯曲直径30毫米)的卷曲，给接入网的施工工作带来不便。

适用于长距离、高容量和高传输速率的G.655单模光纤在光纤折射率剖面结构设计上重点解决的是光纤有效面积和色散特性间在C波段(或加上L波段，或加上S波段，或加上S波段和L波段)的平衡，一般来说，该种光纤设计思想有两种：一种是光纤具有大的有效面积的同时，常常在色散特性上不够优化；第二种是该种光纤具有小色散和色散平坦的同时，有效面积不够大。对于第二种设计思想的G.655单模光纤产品，例如，中国专利CN1487318A、CN1424599A、CN1484051A、CN1514262A、CN1415983A和CN1479121A所涉及的，在1550nm波长处的宏弯损耗小，模场直径也适宜，但由于截止波长≥1330nm，而无法用于1310nm波长的单模传输。

作为与G.655单模光纤相配套的色散补偿光纤产品，例如，中国专利CN1313954A所涉及的，虽然也能满足接入网用的单模光纤在小弯曲半径下附加损耗小和适宜的模场直径两个特性，但由于色散绝对值过大，无法作为光传输光纤用于1310nm波长和1550nm波长双窗口。

因此，从接入网单模光纤特性出发，优化预制棒波导结构设计是必要的。在单模光纤预制棒波导结构设计中，关键考虑的是弯曲性能和模场直径的均衡，兼顾色散特性和光纤损耗。

截止波长(λ_c)是单模光纤的重要特性指标，与光纤的结构参数的关系如下：

$\mathrm{\λc}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{vc}}{n}_{1}a\sqrt{2\mathrm{\Δ}}---\left(1\right)$

其中，v_c是归一化的截止频率，对于阶跃单模光纤，其值为2.405；n₁是纤芯折射率，a是纤芯半径，Δ为相对折射率差，其定义为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{n_1^2-n_2^2}{{2n}_1^2}---\left(2\right)$

模场直径(2ω₀)定义是在认为近似的高斯分布的模场中，光强下降到1/e²两点之间的宽度，亦被确认为单模光纤的光斑尺寸，计算公式为：

$\frac{2{\mathrm{\ω}}_0}{a}=0.85+0.434{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^{\frac{3}{2}}+0.0149{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^6---\left(3\right)$

单模光纤弯曲损耗的特性可以用临界弯曲半径(R_c)来表征，计算公式为：

$R_c\≈20\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\Δ}}^{3/2}}{(2.748-0.996\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c})}^{-3}---\left(4\right)$

从公式(1)-(4)可见，为了保证单模光纤适用于1310nm波长和1550nm波长双窗口光传输，在光纤预制棒波导结构设计中，通过提高芯层相对折射率和降低芯层半径可以获得好的光纤弯曲性能；同时，为了控制光纤与现已铺设光纤的接续损耗，芯层半径值需要设定在合适的范围，并且芯层相对折射率也不能过高。

本发明所描述的光纤设有三个不同折射率分布的纤芯分层，通过调整各分层的几何尺寸和折射率来获得合适的模场直径和优异的弯曲性能；通过设计三个不同折射率分布的包层分层来进一步优化两者的平衡，同时兼顾色散和损耗特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种为接入网、FTTH用的，便于收藏在接线盒或密闭容器内和布线的、具有波导结构的弯曲不敏感单模光纤。该光纤适用于1310nm波长和1550nm波长双窗口，具有优异的弯曲特性，合适的模场直径和色散、损耗特性，便于楼宇间和楼宇内的布线施工和卷曲。

本发明为解决上述提出的问题提供一种具有波导结构的弯曲不敏感光纤，其波导结构包括纤芯和包层，纤芯设有三个不同折射率分布的纤芯分层；包层也设有三个不同折射率分布的包层分层，三个不同折射率分布的纤芯分层和三个不同折射率分布的包层分层的相对折射率差都相对于包层3(Clad3)其波导结构参数为：

芯层1(Core1)相对折射率差：0.4％≤Δ1≤0.8％，芯层1(Core1)半径0.5微米≤r1≤1.2微米；

芯层2(Core2)相对折射率差：0.45％≤Δ2≤0.85％，芯层2(Core2)半径1.5微米≤r2≤3.5微米；

芯层3(Core3)相对折射率差：-0.1％≤Δ3≤0.6％，芯层3(Core3)半径2.5微米≤r3≤5.5微米；

包层1(Clad1)相对折射率差：-0.5％≤Δ1≤-0.2％，包层1(Clad1)半径3.5微米≤r1≤7.5微米；

包层2(Clad2)相对折射率差：0.05％≤Δ2≤0.45％，包层2(Clad2)半径4.5微米≤r2≤9.5微米；

包层3(Clad3)为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。

在上述的光纤芯层中，通过掺氧化硅、氧化锗和少量的氟来获得合适的折射率，同时实现预制棒各层之间的黏度匹配和减少应力。在预制棒芯棒沉积和烧缩过程中，通入适量的氦气来减少沉积过程中形成的微气泡，提高光纤强度。

通过对单模光纤预制棒波导结构的精密控制，可以得到设计光纤所需的模场直径、优异的弯曲特性、波长损耗和色散特性。根据上述方案，本发明光纤截止波长≤1290nm，光缆截止波长≤1260nm，在1310nm波长光纤模场直径为6-8.5um，能满足1310nm波长和1550nm波长双窗口单模光传输的要求，以30mm直径弯曲一圈情况下，从1310nm到1625nm波长范围，弯曲引起的附加损耗小于0.04dB，在1310nm至1550nm波长范围光波的色散绝对值≤17ps/nm*km，零色散波长在1310nm至1400nm波长范围。

本发明涉及的具有波导结构的弯曲不敏感单模光纤芯棒制造是采用MCVD工艺(改进的化学气相沉积)制作而成的。

本发明设计的弯曲不敏感单模光纤，在中国专利CN1632628A中也涉及到，但和本发明相比，两者设计的光纤波导结构和参数完全不同，采用的单模光纤芯棒制造工艺分别为PCVD工艺(微波等离子化学气相沉积)和MCVD工艺，针对的应用领域也不同，两者制造的光纤性能也不同，前者强调弯曲特性，模场直径偏小，而本发明涉及的光纤产品注重的是弯曲特性和模场直径间的均衡，兼顾色散和波长损耗特性。

附图说明：

图1为本发明的光纤波导结构示意图。

Core1为芯层1；Core2为芯层2；Core3为芯层3；Clad1为包层1；Clad2为包层2；Clad3为包层3。

具体实施方式

采用MCVD工艺制造本发明的光纤芯棒，采用套管技术制成最终的光纤预制棒，经过拉丝获得本发明的光纤产品。制备出的光纤其波导结构如图1所示。光纤芯棒的制造过程如下：将预备好的反应衬底管安装在MCVD沉积设备上，按照设计的折射率剖面结构设定工艺气体流量和配方，经过抛光后依序沉积包层2、包层1、芯层3、芯层2、芯层1，然后进行熔缩，在成棒过程中，通入氧气和氟利昂进行腐蚀，从出气端进行烧实。这种波导结构的光纤预制棒通过套管法形成光纤波导结构，然后经过拉丝、复绕、测试、包装，最后得到本发明的具有波导结构的弯曲不敏感光纤。

实施例：

在图1中，设有如下包含三个不同折射率分布的纤芯分层和三个不同折射率分布的包层分层的波导结构参数相对于包层3(Clad3)为：

芯层1(Core1)相对折射率差约为0.47％，芯层1(Core1)半径约为0.6微米；

芯层2(Core2)相对折射率差约为0.53％，芯层2(Core2)半径约为2.6微米；

芯层3(Core3)相对折射率差约为0.3％，，芯层3(Core3)半径约为4.3微米；

包层1(Clad1)相对折射率差约为-0.3％，，包层1(Clad1)半径约为5.7微米；

包层2(Clad2)相对折射率差约为0.07％，包层2(Clad2)半径约为7.2微米；

包层3(Clad3)为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。

所得光纤的特性如下：

光纤的截止波长≤1290nm，

在1310nm波长光纤模场直径7.8um，

以30mm直径弯曲一圈情况下，在1625nm波长弯曲引起的附加损耗小于0.01dB，

在1550nm波长光纤的色散绝对值≤14ps/nm*km，

零色散波长在1310nm至1400nm波长范围。

所得的光纤在弯曲特性和模场直径间获得均衡，作为传输光纤，适用于接入网。

Claims (4)

1.一种具有波导结构的弯曲不敏感光纤，其波导结构包括纤芯和包层，其特征在于纤芯设有三个不同折射率分布的纤芯分层，包层也设有三个不同折射率分布的包层分层，三个不同折射率分布的纤芯分层和三个不同折射率分布的包层分层的相对折射率差都相对于包层3，其波导结构参数为：

芯层1相对折射率差：0.4％≤Δ1≤0.8％，芯层1半径0.5微米≤r1≤1.2微米；

芯层2相对折射率差：0.45％≤Δ2≤0.85％，芯层2半径1.5微米≤r2≤3.5微米；

芯层3相对折射率差：-0.1％≤Δ3≤0.6％，芯层3半径2.5微米≤r3≤5.5微米；

包层1相对折射率差：-0.5％≤Δ1≤-0.2％，包层1半径3.5微米≤r1≤7.5微米；

包层2相对折射率差：0.05％≤Δ2≤0.45％，包层2半径4.5微米≤r2≤9.5微米；

包层3为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。

2.按照权利要求1所述的具有波导结构的弯曲不敏感光纤，其特征在于所述光纤以30mm直径弯曲一圈情况下，从1310nm到1625nm波长范围，弯曲引起的附加损耗小于0.04dB。

3.按照权利要求1所述的具有波导结构的弯曲不敏感光纤，其特征在于所述光纤的截止波长≤1290nm，光缆截止波长≤1260nm，在1310nm波长光纤模场直径为6-8.5um，能满足1310nm波长和1550nm波长双窗口单模光传输的要求。

4.按照权利要求1所述的具有波导结构的弯曲不敏感光纤，其特征在于在1310nm至1550nm波长范围光纤的色散绝对值≤17ps/nm*km，零色散波长在1310nm至1400nm波长范围。

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