CN101458360B - 一种带宽优化的多模光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带宽优化的多模光纤及其制造方法。该多模光纤由渐变折射率分布的纤芯、石英玻璃包层、涂层三部分组成。采用优化掺杂气体流量曲线的方法，控制光纤芯子的折射率剖面分布参数，将光纤最佳带宽优化在850nm通信窗口。该光纤的差分模时延最大变化小于0.22ps/m，满注入带宽在850nm和1300nm分别大于3500MHz.km和500MHz.km，有效模带宽在850nm和1300nm分别大于4700MHz.km和500MHz.km。本发明制造的多模光纤减小了模间色散与时延，提高传输带宽，不仅能够满足低速网络应用要求，而且可以满足万兆高速宽带网络的应用需求。

Description

一种带宽优化的多模光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种多模光纤及其制造方法，尤其涉及光纤通信领域万兆以太网用多模光纤及其制造方法。

背景技术

随着互联网业务的高速发展，信息社会对带宽的需求与日剧增。为了充分利用骨干网带宽，人们采用密集波分复用(DWDM)技术，但是接入网的低带宽连接使得网络中的瓶颈问题逐渐突出。因此，10Gbit/s以太网技术应运而生，它解决了低带宽接入、高带宽传输的瓶颈问题，兼容现有局域网技术，减少网络复杂性。同时，850nm波长的新型廉价激光器VCSEL(垂直腔面发射激光器)、以及光收发模块的开发和应用，大大降低网络的运行成本。采用多模光纤与廉价激光器组成的以太网宽带网络，其组网成本比单模光纤组网成本大大降低，因此，10Gbit/s以太网得到了飞速发展，最近出现40Gbit/s的传输试验。同时，FTTH的广泛应用促进了多模光纤市场的迅速增长，也加速了新型多模光纤的技术进步。

但是，在850nm和1300nm通信窗口，传统多模光纤传输1Gbps的光信号只能传输220米和550米，远远不能够满足10Gbit/s的高速网络的传输需求。更深层次的问题是，现有的多模光纤制造工艺技术无法制造出接近理想的折射率剖面分布的光纤预制棒。其主要原因在于：一方面，由于受到温度及压力等因素的影响，芯棒沉积的实际材料结构往往与设计的波导结构存在一定偏差，导致折射率剖面偏离理想剖面；另一方面，管内法制造芯棒还要经历熔缩工艺过程，即：将沉积完的空心石英玻璃管在高温下熔缩成实心的石英玻璃棒，在高温熔缩过程中材料的扩散与GeO₂的挥发，导致芯棒的中心折射率出现凹陷或者冒尖，导致芯棒的折射率剖面偏离理想剖面。因此，不同模式的光在光纤中通过不同的传输路径后不能够同时到达，形成模间色散与脉冲信号的延时，光纤的传输带宽大大急剧降低，不能够满足高速光网络的应用需求。

为了解决实际制造剖面与理想剖面的偏差，国内外光纤制造商都提出了不同的技术方案。美国专利US 4033667提出了一种改进多模光纤带宽的方法，该专利采用改进的化学气相沉积(MCVD)工艺制造光纤芯棒，采用POCl₃流量线性变化的方法调整折射率剖面，但是该方法不能够纠正折射率偏差，光纤带宽没有能够得到明显改善。美国专利US7315677B提出了一种多模光纤，该光纤的制造方法采用双折射率剖面参数的技术方案，即靠近中心部分的纤芯采用一种折射率剖面参数α1，以满足高速激光光源传输带宽的需求；靠近包层部分的纤芯采用另外一种折射率剖面参数α2，以满足普通发光二极管(LED)低速光源传输带宽的需求。该专利存在明显的缺点：在纤芯中存在两种折射率剖面分布必然导致不同位置的脉冲分裂成两组，其结果形成较大的时延；该专利报道其光纤在850nm波长200nm范围内可以实现0.02ps/m的时延，但是却没有有效模带宽数，难以支撑该专利的可信度。中国专利CN1341223A的提出一种激光优化的多模光纤，该光纤在850nm大于220MHz.km的第一激光带宽，在1300nm大于500MHz.km的第二激光带宽；在850nm至少为160MHz.km的第一满注入带宽，在1300nm至少为500MHz.km的第二满注入带宽。可以看出，该带宽性能远远不能够满足高速以太网的需求，只能够满足低速网络的应用。同时，该专利中呈现的预制棒折射率剖面中心明显不光滑，呈现毛刺现象，严重影响其脉冲时延，其差分模时延高达1ps/m，这也是该专利光纤带宽较小的最好证明。

综上所述，上述专利都没有很好地解决折射率剖面参数发生畸变的根本工艺技术问题，因此，本专利从源头上解决剖面畸变的根本问题，最大限度逼近理想剖面，减小模间色散与时延，极大地提高多模光纤的传输带宽，满足万兆高速宽带网络的应用要求。

发明内容

本发明解决的问题：针对现有多模光纤制造工艺中存在的问题，解决多模光纤实际折射率剖面参数与理想折射率剖面参数相差较大，折射率剖面中心出现冒尖或凹陷等工艺技术问题，减小多模光纤的模间色散与时延，提高多模光纤的传输带宽与高速网络的传输容量。

本发明第一个目的在于提供一种带宽优化的多模光纤的制造方法。

本发明第二个目的在于提供一种根据本发明提供的一种带宽优化的多模光纤的制造方法制造的多模光纤。

本发明提供的一种带宽优化的多模光纤的制造方法，包括如下步骤：

(1)采用PCVD沉积工艺技术，在空心石英玻璃基管的内壁先沉积包层，然后沉积芯层玻璃，在沉积芯层玻璃时，上掺杂剂四氯化锗掺杂流量按照Q₁(r)＝A₁+B₁×r+C₁×r^α1曲线控制方式进行掺杂，其中r为光纤芯子半径，α₁为流量指数，A₁、B₁、C₁为常数，Q₁(r)为随着光纤芯子半径变化的四氯化锗掺杂百分数；下掺杂剂氟利昂掺杂流量按照Q₂(r)＝A₂+B₂×r+C₂×r^α2曲线控制方式进行掺杂，其中α₂为流量指数，A₂、B₂、C₂为常数，Q₂(r)为随着光纤芯子半径变化的氟利昂掺杂百分数；

(2)沉积完成后，将沉积完毕的空心玻璃管安置在熔缩车床上，并向管内通入高纯氧气，经过氢氧焰的高温作用，然后向管内通入氟利昂，缓慢熔缩成实心的石英玻璃芯棒；

(3)将熔缩好的石英玻璃芯棒装入预定尺寸的石英套管中，形成光纤预制棒；

(4)将该预制棒安置在拉丝塔上，在2200℃左右的温度下，在拉丝过程中启动光纤搓扭装置，将预制棒拉丝成包层直径为125μm、外涂层为245μm的多模光纤。

如上所述方法，其中，所述流量指数α₁的范围为1≤α₁≤2.5，常数A₁、B₁、C₁的取值范围为—15～20之间。

如上所述方法，其中，所述流量指数α₂范围为1≤α₂≤2.1，常数A₂、B₂、C₂的取值范围为—6～10之间。

如上所述方法，其中，在所述步骤(2)中，控制空心玻璃管的熔缩中心孔直径在1.5mm～3.0mm之间时，然后通入氟利昂进行腐蚀，消除折射率剖面中心的冒尖与凹陷，腐蚀气体氟利昂的浓度为50％～100％。

如上所述方法，其中，在所述步骤(4)中，在该光纤拉丝过程中，将光纤进行搓扭，光纤的搓扭频率为25～90圈/米。

本发明提供的一种根据本发明上述方法制造的多模光纤，包括芯层、包层和涂层三部分，该光纤的纤芯为50μm，包层为125μm，其纤芯折射率分布被精确优化在850nm波长，该光纤的差分模时延曲线为连续上升或下降的曲线，且850nm通信波长的DMD最大变化小于0.22ps/m，满注入带宽在850nm和1300nm分别大于3500MHz.km和500MHz.km，有效模带宽在850nm和1300nm分别大于4700MHz.km和500MHz.km。

本发明获得的有益效果为：

(1)本发明提供的一种带宽优化的多模光纤，该光纤在850nm通信窗口具有较低的差分模时延和较高的传输带宽，能够满足万兆高速通信网络的需求；

(2)本发明提供的多模光纤制造方法采用精细化掺杂流量曲线的控制方式，有效地纠正了实际沉积工艺折射率波动的问题，解决了折射率剖面参数偏离最佳值的工艺问题，将带宽精确优化在850nm；

(3)本发明提供的多模光纤制造方法将熔缩中心孔直径控制在1.5mm～3.0mm之间，并通入腐蚀气体，消除了折射率剖面中心的冒尖与凹陷，改善光纤均匀性，提升多模光纤的传输带宽；

(4)本发明在光纤拉丝过程中引入搓扭，增强多模光纤的模式耦合，同时减小由于偏振模色散造成的脉冲分裂，极大地改善光纤的带宽。

(5)本发明提供的多模光纤能够广泛应用在10Gb/s以太网等高速通信网络，具有较好的经济效益和应用前景。

附图说明

图1是本发明的一种流量控制曲线图；

图2是本发明的多模光纤预制棒芯子折射率剖面结构图；

图3是本发明的多模光纤的结构示意图，其中1为纤芯，2为包层，3为涂层；

图4为本发明的一种多模光纤在850nm波长的DMD测试结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

本发明涉及以下术语：

沉积：光纤原材料在一定的环境下发生化学反应生成掺杂的石英玻璃的工艺过程；

熔缩：将沉积后的空心玻璃管在一定的热源下逐渐烧成实心玻璃棒的工艺过程；

套管：满足一定截面积和尺寸均匀性的高纯石英玻璃管；

基管：用于沉积的高纯石英玻璃管；

折射率剖面(RIP)：光纤或光纤预制棒(包括光纤芯棒)的折射率与其半径之间的关系曲线；

绝对折射率差(δn)：光纤预制棒中各个部分的折射率与纯石英玻璃折射率的差；相对折射率差(Δ％)： $\mathrm{\Δ}\%=\frac{n_i^2-n_0^2}{2n_i^2}\×100\%,$ 其中ni为第i层光纤材料的折射率，n0为纯石英玻璃的折射率。

折射率剖面分布参数(α)：n(r)＝n₁[1-2Δ(r/a)^α]^0.5，其中n(r)为半径为r处的折射率，a为光纤(或芯棒)半径，n₁为光纤(或芯棒)芯区中的最大折射率，α即为折射率剖面分布参数；

上掺杂剂(up-dopant)：指能够增加石英玻璃复合材料折射率的掺杂材料；

下掺杂剂(down-dopant)：指能够降低石英玻璃复合材料折射率的掺杂材料；

PCVD：等离子化学气相沉积；

MCVD：改进的化学气相沉积；

DMD：差分模时延；

OFL带宽：(满注入带宽)：在入射光脉冲激励纤芯中的几乎全部模式情况下测试的传输带宽；

RML：限制模注入带宽；当入射光脉冲只激励纤芯中部分模式时测得的传输带宽。

本发明的技术方案是这样实现的：该多模光纤由渐变折射率分布的纤芯、石英玻璃包层、涂层三部分组成。采用优化掺杂气体流量曲线的方法，控制光纤芯子的折射率剖面分布参数α，将光纤最佳带宽优化在850nm通信窗口。同时，在预制棒熔缩工艺过程中，控制腐蚀气体流量、腐蚀时间与腐蚀速度等参数，避免了熔缩过程中出现折射率剖面中心凹陷或者冒尖的问题；在光纤拉丝过程中，对光纤进行搓扭，增强模式耦合，减小偏振模色散导致的脉冲分裂，光纤的带宽得到极大的提高。

在第一个实施例中，采用PCVD光纤预制棒制造工艺，在空心石英基管内壁首先沉积纯石英的玻璃包层，然后沉积锗氟共掺的石英玻璃芯层。芯层不同半径位置的四氯化锗流量按照Q₁(r)＝A₁+B₁×r+C₁×r^α1曲线进行控制，其中A₁＝11.99138，B₁＝0.13372，C₁＝—12.11914，α₁＝2.0；芯层不同半径位置的C₂F₆流量按照Q₂(r)＝A₂+B₂×r+C₂×r^α2曲线进行控制，其中A₂＝0.00287，B₂＝—0.04458，C₂＝4.03971，α₂＝1.8。芯层四氯化锗与C₂F₆的流量随归一化芯径的变化曲线见图1所示。沉积完成后，将沉积完毕的空心石英管安置在熔缩车床上，并向管内通入高纯氧气，在氢氧焰2200℃的高温作用下，空心石英管缓慢收缩。当石英管的中心孔直径缩小到1.8mm时，通入浓度为100％的C₂F₆气体，腐蚀时间为20分钟。腐蚀完毕后，将其熔缩为实心的石英玻璃芯棒。该石英玻璃芯棒的芯子折射率剖面如图2所示，其折射率剖面参数为2.01。将石英玻璃芯棒装入一定尺寸的石英玻璃套管中，然后安置在拉丝塔上，在2200℃左右的温度下，将预制棒拉丝成图3所示的多模光纤。图3中1为光纤的芯子，其直径为50μm；2为光纤的包层，包层直径为125μm；3为光纤的涂层，涂层直径为245μm。在拉丝过程中启动光纤搓扭装置，光纤的搓动频率为35圈/米。图4显示了该多模光纤在850nm的DMD测试结果，可以看出其差分模时延为连续上升或连续下降的曲线，时延0.12ps/m。该光纤的满注入带宽在850nm和1300nm分别为3762MHz.km和820MHz.km，有效模带宽在850nm和1300nm分别为5160MHz.km和831MHz.km。

在第二个实施例中，采用PCVD光纤预制棒制造工艺，在空心石英基管内壁首先沉积纯石英的玻璃包层，然后沉积锗氟共掺的石英玻璃芯层。芯层不同半径位置的四氯化锗流量按照Q₁(r)＝A₁+B₁×r+C₁×r^α1曲线进行控制，其中A₁＝11.99138，B₁＝0.13372，C₁＝—12.11914，α₁＝2.0；芯层不同半径位置的C₂F₆流量按照Q₂(r)＝A₂+B₂×r+C₂×r^α2曲线进行控制，其中A₂＝0.00287，B₂＝—0.04458，C₂＝4.03971，α₂＝1。沉积完成后，将沉积完毕的空心石英管安置在熔缩车床上，并向管内通入高纯氧气，在氢氧焰2200℃的高温作用下，空心石英管缓慢收缩。当石英管的中心孔直径缩小到2.8mm时，通入浓度为60％的C₂F₆气体，腐蚀时间为45分钟。腐蚀完毕后，将其熔缩为实心的石英玻璃芯棒，该芯棒折射率剖面参数为1.99。将石英玻璃芯棒装入一定尺寸的石英玻璃套管中，然后安置在拉丝塔上，在2200℃左右的温度下，将预制棒拉丝成纤芯直径为50μm，包层直径为125μm，涂层直径为245μm的光纤。在拉丝过程中启动光纤搓扭装置，光纤的搓动频率为60圈/米。该光纤在850nm的DMD时延为0.21ps/m，满注入带宽在850nm和1300nm分别为3650MHz.km和768MHz.km，有效模带宽在850nm和1300nm分别为4816MHz.km和611MHz.km。

在第三个实施例中，采用PCVD光纤预制棒制造工艺，在空心石英基管内壁首先沉积纯石英的玻璃包层，然后沉积锗氟共掺的石英玻璃芯层。芯层不同半径位置的四氯化锗流量按照Q₁(r)＝A₁+B₁×r+C₁×r^α1曲线进行控制，其中A₁＝10.22，B₁＝0.267，C₁＝—10.18，α₁＝2.0；芯层不同半径位置的C₂F₆流量按照Q₂(r)＝A₂+B₂×r+C₂×r^α2曲线进行控制，其中A₂＝0.00379，B₂＝—0.0276，C₂＝2.16，α₂＝2.0。沉积完成后，将沉积完毕的空心石英管安置在熔缩车床上，并向管内通入高纯氧气，在氢氧焰2200℃的高温作用下，空心石英管缓慢收缩。当石英管的中心孔直径缩小到2.2mm时，通入浓度为70％的C₂F₆气体，腐蚀时间为35分钟。腐蚀完毕后，将其熔缩为实心的石英玻璃芯棒，该芯棒折射率剖面参数为2.0。将石英玻璃芯棒装入一定尺寸的石英玻璃套管中，然后安置在拉丝塔上，在2200℃左右的温度下，将预制棒拉丝成纤芯直径为50μm，包层直径为125μm，涂层直径为245μm的光纤。在拉丝过程中启动光纤搓扭装置，光纤的搓动频率为50圈/米。该光纤在850nm的DMD时延为0.20ps/m，满注入带宽在850nm和1300nm分别为3680MHz.km和783MHz.km，有效模带宽在850nm和1300nm分别为4852MHz.km和625MHz.km。

在第四个实施例中，采用PCVD光纤预制棒制造工艺，在空心石英基管内壁首先沉积纯石英的玻璃包层，然后沉积锗氟共掺的石英玻璃芯层。芯层不同半径位置的四氯化锗流量按照Q₁(r)＝A₁+B₁×r+C₁×r^α1曲线进行控制，其中A₁＝17.62，B₁＝0.562，C₁＝—18.26，α₁＝2.0；芯层不同半径位置的C₂F₆流量按照Q₂(r)＝A₂+B₂×r+C₂×r^α2曲线进行控制，其中A₂＝0.00213，B₂＝—0.0463，C₂＝6.16，α₂＝2.0。沉积完成后，将沉积完毕的空心石英管安置在熔缩车床上，并向管内通入高纯氧气，在氢氧焰2200℃的高温作用下，空心石英管缓慢收缩。当石英管的中心孔直径缩小到2.0mm时，通入浓度为50％的C₂F₆气体，腐蚀时间为40分钟。腐蚀完毕后，将其熔缩为实心的石英玻璃芯棒，该芯棒折射率剖面参数为2.02。将石英玻璃芯棒装入一定尺寸的石英玻璃套管中，然后安置在拉丝塔上，在2200℃左右的温度下，将预制棒拉丝成纤芯直径为50μm，包层直径为125μm，涂层直径为245μm的光纤。在拉丝过程中启动光纤搓扭装置，光纤的搓动频率为46圈/米。该光纤在850nm的DMD时延为0.16ps/m，满注入带宽在850nm和1300nm分别为3786MHz.km和798MHz.km，有效模带宽在850nm和1300nm分别为4986MHz.km和765MHz.km。

在本发明中，所述流量指数α₁的范围为1≤α₁≤2.5，常数A₁、B₁、C₁的取值范围为—15～20之间；所述流量指数α₂范围为1≤α₂≤2.1，常数A₂、B₂、C₂的取值范围为—6～10之间；当控制空心玻璃管的熔缩中心孔直径在1.5mm～3.0mm之间时，然后通入氟利昂进行腐蚀，腐蚀气体氟利昂的浓度为50％～100％；在该光纤拉丝过程中，将光纤进行搓扭，光纤的搓扭频率为25～90圈/米。

上述附图及实施实例仅仅为说明性描述，并不对本发明的保护范围形成限制，本发明保护范围由权利要求书所限定。

Claims (5)

1.一种带宽优化的多模光纤的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)采用PCVD沉积工艺技术，在空心石英玻璃基管的内壁先沉积包层，然后沉积芯层玻璃，在沉积芯层玻璃时，上掺杂剂四氯化锗掺杂流量按照Q₁(r)＝A₁+B₁×r+C₁×r^α1曲线控制方式进行掺杂，其中r为光纤芯子半径，α₁为流量指数，A₁、B₁、C₁为常数，常数A1的取值范围为10.22～11.99之间、B₁的取值范围为0.133～0.562之间、C₁的取值范围为-18.26～-10.18之间，Q₁(r)为随着光纤芯子半径变化的四氯化锗掺杂百分数；下掺杂剂C₂F₆掺杂流量按照Q₂(r)＝A₂+B₂×r+C₂×r^α2曲线控制方式进行掺杂，其中α₂为流量指数，A₂、B₂、C₂为常数，常数A₂的取值范围为0.00213～0.00379之间、B₂的取值范围为-0.0463～-0.0276之间、C₂的取值范围为2.16～6.16之间，Q₂(r)为随着光纤芯子半径变化的C₂F₆掺杂百分数；

(2)沉积完成后，将沉积完毕的空心玻璃管安置在熔缩车床上，并向管内通入高纯氧气，经过氢氧焰的高温作用，然后向管内通入C₂F₆，缓慢熔缩成实心的石英玻璃芯棒；

(3)将熔缩好的石英玻璃芯棒装入预定尺寸的石英套管中，形成光纤预制棒；

(4)将该预制棒安置在拉丝塔上，在2200℃左右的温度下，在拉丝过程中启动光纤搓扭装置，将预制棒拉丝成包层直径为125μm、外涂层为245μm的多模光纤。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述流量指数α₁的范围为1≤α₁≤2.5。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述流量指数α₂范围为1≤α₂≤2.1。

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，控制空心玻璃管的熔缩中心孔直径在1.5mm～3.0mm之间时，然后通入C₂F₆进行腐蚀，消除折射率剖面中心的冒尖与凹陷，腐蚀气体C₂F₆的浓度为50％～100％。

5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，在该光纤拉丝过程中，将光纤进行搓扭，光纤的搓扭频率为35～60圈/米。

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