CN102073098A - 宽带多模光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带多模光纤及其制造方法，该方法包括以下步骤，首先制造出光纤预制棒芯棒样品，然后采用PCVD沉积工艺制造光纤预制棒芯棒，其中纤芯的沉积过程分成多段进行，分段沉积过程中以光纤预制棒芯棒样品的折射率剖面分布曲线与理论折射率剖面分布曲线之间的偏差，调整GeCl₄在每一段的补偿量；最后将光纤预制棒芯棒装入石英套管中融熔、拉丝得到宽带多模光纤。采用本发明提供方法获得的宽带多模光纤，完全消除了纤芯的中心凹陷以及冒尖，光纤满注入带宽在850nm和1300nm分别大于3500MHz·km和500MHz·km，850nm有效带宽大于4700MHz·km，可满足万兆高速宽带网络的应用需求，且与目前的低速网络系统兼容。

Description

宽带多模光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及多模光纤，具体涉及宽带多模光纤及其制造方法。

背景技术

10Gbit/s以太网(10GbE)标准IEEE802.3ae以激光优化50μm多模光纤作为10G光网络的首选传输介质，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，也非常大的降低了网络的运行成本。宽带多模光纤为未来支持长达300米乃至550米传输32G到100G以及更高速率的传输应用提供了一种节约成本的途径。

多模光纤是一种在通信系统中较早使用的数据通信光纤，由于其具有较大的芯径和数值孔径，有多个稳定的传导模式、大的光传输能量和较为宽松的技术要求，在光通信领域中一直被使用。对于一般的梯度折射率多模光纤，其折射率分布参数α约为2，即类二次抛物线结构，理论分析表明，对于具有上述类抛物线折射率结构的多模光纤，在理想情况下，不同模式的光通过不同的传输路径可以同时到达，可以消除模间色散的影响，使得多模光纤的带宽增加。但在实际的光纤制造过程中，由于各种因素的存在，多模光纤的纤芯折射率分布难以达到上述要求。

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，其模间色散将导致光脉冲展宽，使得光纤的色散加大，极大地限制带宽特性，影响了多模光纤在高速网络中的应用。

利用标量波动方程的WKB方法，经过数学运算，可求得一个归一化的差分模(群)时延T(DMD，Differential Mode Delay，接收端收到的第一个和最后一个脉冲之间的时间差)与光纤径向坐标(r/α)之间的函数关系：

$T=N1\·\left(\frac{\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{opt}}}{\mathrm{\α}+2}\right)\·\mathrm{\Δ}\·{\left(\frac{r}{a}\right)}^2+N1\·(\frac{3\mathrm{\α}+2-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{opt}}}{2(\mathrm{\α}+2)}\·{\mathrm{\Δ}}^2\·{\left(\frac{r}{a}\right)}^4+0\·{\mathrm{\Δ}}^3$

$\≅N1\·\left(\frac{\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{opt}}}{\mathrm{\α}+2}\right)\·\mathrm{\Δ}\·{\left(\frac{r}{a}\right)}^2$

式中：

N1为群折射率；

α为光纤径向坐标(r/α)处折射率剖面参数；

α_opt为理想折射率剖面参数。

不难看出根据DMD测量结果，测量T与(r/α)的关系曲线，即可示出对应于每一个径向坐标点处α与α_opt的偏差值，这样就可对实际生产出的光纤预制棒折射率剖面分布参数α进行优化逼近α_opt，如果在任意径向坐标点处都已经将α优化逼近α_opt，那么时延T将与(r/α)无关，不同模式的光通过不同的传输路径可以同时到达光纤的出射端。

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。

专利CN1198157提出的改进多模光纤及其制造方法，以及专利CN1630830A的具有折射率分布的多模光纤中所采用的根据DMD测试结果反馈调整反应气体混合物的成分、供给速率使折射率分布差异在特定的容差范围内的方法虽可以纠正折射率偏差，达到减小DMD时延的效果，但因仅调整SiCl₄或GeCl₄，折射率剖面难以做到完美的连续，对光纤的带宽的改善作用较小，850nm有效带宽一般在3500MHz·km之下，难以满足更高带宽要求的万兆以太网需求。同时，因沉积工艺总管内气体混合比例以及压力对原料反应效率有较大的影响，进而影响到折射率剖面的偏差大小，该两个专利都没有办法保证调整参数的可重复性，难以保障连续生产时所产出的达到要求光纤的产出比率。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种宽带多模光纤及其制造方法。

本发明提供的宽带多模光纤，包括纤芯和包覆在纤芯外圆周表面上的包层，所述纤芯的折射率剖面呈抛物线状渐变分布，相对折射率差Δ1为0.85％～1.1％；所述包层为下陷包层，相对折射率差Δ2为-0.15％～-0.25％；所述芯层在光纤850nm波长带宽的差分模时延测试曲线为连续下降的曲线。

上述宽带多模光纤，光纤满注入带宽在850nm和1300nm时分别大于3500MHz·km和500MHz·km，850nm有效带宽大于4700MHz·km。

本发明还提供了一种宽带多模光纤的制造方法，包括以下步骤：

A10、采用PCVD沉积工艺技术制造出光纤预制棒芯棒样品备用；

A20、采用PCVD沉积工艺技术制造光纤预制棒芯棒，其中纤芯的沉积过程分成多段进行，在沉积纤芯的过程中，SiCl₄的流量为5.6g/min到4.7g/min，锗蒸汽GeCl₄流量为0.1g/min到1.3g/min，C₂F₆的流量为0.5sccm到1.5sccm，并且在每一段的沉积过程中，根据光纤预制棒芯棒样品的折射率剖面分布曲线与理论折射率剖面分布曲线之间的偏差，调整GeCl₄以及C₂F₆的流量以精确修正光纤预制棒芯棒的折射率剖面分布与理论折射率分布之间的偏差；

A30、将光纤预制棒芯棒装入石英套管中，融熔、拉丝成宽带多模光纤，融缩时控制空心光纤预制棒芯棒内高纯氧气的压力波动范围在±1.5％，在融缩至孔径直径为3～6mm时，通入C₂F₆气体进行2～5次内壁腐蚀，流量为80sccm～120sccm，每次腐蚀时间为10～15分钟。

在上述宽带多模光纤的制造方法中，对步骤A30所得到的光纤进行DMD测量，并根据DMD测量响应与标准曲线之间的偏差在下一批次的制造过程中对步骤A20中GeCl₄的补偿量进行优化调整，直至所测DMD测量响应在可接受的规定值内。

在上述宽带多模光纤的制造方法中，步骤A30中，周期性地搓动光纤，搓动频率为0.2～5次/s。

在上述宽带多模光纤的制造方法，根据SiCl₄和GeCl₄的流量自动调整O₂流量，O₂流量与SiCl₄和GeCl₄的总流量之比为2.3～3.0。

在上述宽带多模光纤的制造方法，沉积的段数为30～60。

在上述宽带多模光纤的制造方法，多段沉积过程中SiCl₄和GeCl₄的流量分别呈线性变化。

本发明提供的宽带多模光纤的制造方法，以光纤预制棒芯棒样品的折射率剖面分布曲线与理论折射率剖面分布曲线之间的偏差，计算出掺杂材料GeCl₄在每一段沉积过程中对应的补偿量的大小，同时调整C₂F₆的流量以精确修正光纤预制棒折射率剖面分布与理论折射率分布的偏差，从而获得高品质的宽带多模光纤，完全消除了多模光纤的中心凹陷以及冒尖，光纤满注入带宽在850nm和1300nm分别大于3500MHz·km和500MHz·km，850nm有效带宽大于4700MHz·km，可满足万兆高速宽带网络的应用需求，且与目前的低速网络系统兼容。

附图说明

图1普通多模光纤纤芯折射率剖面图；

图2普通多模光纤在850nm波长的DMD测试结果；

图3本发明提供的宽带多模光纤纤芯折射率剖面图；

图4本发明提供的宽多模光纤在850nm波长的DMD测试结果；

图5本发明提供的宽多模光纤的制造方法第一种实施例获得的宽带多模光纤的纤芯折射率剖面图；

图6本发明提供的宽多模光纤的制造方法第一种实施例获得的宽带多模光纤在850nm波长的DMD测试结果。

图7本发明提供的宽多模光纤的制造方法第二种实施例获得的宽带多模光纤的纤芯折射率剖面图；

图8本发明提供的宽多模光纤的制造方法第二种实施例获得的宽带多模光纤在850nm波长的DMD测试结果；

图9为本发明提供的宽带多模光纤的制造方法流程图。

具体实施方式

针对现有宽带多模光纤制造工艺中存在的问题，例如宽带多模光纤的实际折射率剖面参数与理想折射率剖面参数相差较大、存在较大的模式延迟、折射率剖面中心出现冒尖或凹陷等引起DMD脉冲分离，从而影响光纤的带宽特性、降低光纤性能、导致多模光纤无法在万兆以太网中应用等工艺技术问题，本发明提供了一种多模光纤及其制造方法，可以减小模间色散与时延，提高多模光纤的传输带宽与高速网络的传输容量，具体作法是通过改进原料反应物供给的控制方式，使该制造方法具备较强的可重复性和稳定性，易于实现批量化生产。

本发明提供的宽带多模光纤，包括纤芯和包覆在纤芯外圆周表面上的包层，纤芯的折射率剖面呈抛物线状渐变分布，相对折射率差Δ1为0.85％～1.1％；包层为下陷包层，相对折射率差Δ2为-0.15％～-0.25％；芯层在光纤850nm波长带宽的差分模时延测试曲线为连续下降的曲线，因此该宽带多模光纤在长度为至少550m时，在光纤中心没有发生任何脉冲分离的DMD测量响应。

该宽带多模光纤满注入带宽在850nm和1300nm时分别大于3500MHz·km和500MHz·km，850nm有效带宽大于4700MHz·km。

下面结合具体实施例对本发明提供的宽带多模光纤的制造方法做出详细的说明。

为了说明本发明的优点，首先介绍现有宽带多模光纤的制造方法，现有50/125μm(纤芯/包层直径)光纤预制棒采用PCVD沉积工艺技术沉积，连续通入SiCl₄、GeCl₄、C₂F₆以及高纯度氧气，其中，SiCl₄流量为5.6g/min到4.7g/min，GeCl₄流量为0.1g/min到1.3g/min，C₂F₆流量保持恒定0.8sccm，然后将获得的光纤预制棒融缩、拉丝制成宽带多模光纤。即首先在空心石英玻璃基管的内壁沉积500层玻璃包层，然后沉积7720层纤芯掺杂玻璃，融缩成棒时采用单次腐蚀法，腐蚀时C₂F₆流量为100sccm，腐蚀时间为15分钟。拉丝速度65lm/s，正常拉丝。在光纤预制棒沉积工艺和熔缩工艺中始终保持高纯氧气流通，包括通入C₂F₆气体进行内壁腐蚀时。图1为该光纤预制棒折射率剖面图，折射率剖面曲线光滑，但中心有凹陷。该光纤预制棒拉丝后，DMD响应曲线见图2，从DMD曲线来看，DMD从中心到包层的时延较大，最大达到了1.2ps/m，光纤纤芯半径5～18μm之间的DMD时延也高达0.8ps/m，且中心有脉冲分离现象，该光纤满注入带宽850nm波长为1660MHz·km，有效带宽仅1346MHz·km，无法满足高速以太网应用的需求。

为此，本发明提供一种更好的多模光纤制造方法，同样是采用PCVD沉积工艺技术制造光纤预制棒芯棒，与现有技术不同的是，纤芯的沉积过程分成多段进行，并且在每一段沉积过程中调整GeCl₄以及C₂F₆的流量以精确修正光纤预制棒折射率剖面分布与理论折射率分布之间的偏差。每一段沉积时GeCl₄流量的调整补偿量采用如下方式获得，即首先采用现有PCVD工艺制造出光纤预制棒芯棒样品，然后根据光纤预制棒芯棒样品的折射率剖面分布曲线与理论折射率剖面分布曲线之间的偏差，计算出掺杂材料GeCl₄在每一段沉积过程中所对应的补偿量大小，同时根据GeCl₄的补偿量调整GeCl₄以及C₂F₆的流量以精确修正光纤预制棒芯棒的折射率剖面分布与理论折射率分布的偏差。另外，对制造出的光纤进行DMD测量，并根据DMD测量响应与标准曲线之间的偏差在下一批次的制造过程中对GeCl₄的补偿量进行优化调整，直至所测DMD测量响应在可接受的规定值内，从而获得在每一段沉积过程中GeCl₄以及C₂F₆的最佳流量。

本发明所提到的GeCl₄补偿量的计算方法为：Δ_Q＝Δ′/Δ_r·Q_r，其中Δ_Q为半径r处的补偿流量，Δ′为半径r处的折射率偏差值，Δ_r为半径r处的相对折射率差值，Q_r为半径r处GeCl₄的流量。

本发明中所提到的多段沉积，是指将总沉积层数分为多段进行，每一段沉积多层。

下面以多个具体实施例对本发明提供的宽带多模光纤的制造方法加以具体说明。

实施例一：

采用PCVD沉积工艺技术沉积50/125μm光纤预制棒，即在空心石英玻璃基管的内壁上先沉积500层玻璃包层，然后沉积7720层纤芯掺杂玻璃，其中纤芯共分45段依次沉积而成，并且在每一段沉积过程中调整GeCl₄以及C₂F₆的流量以精确修正光纤预制棒芯棒的折射率剖面分布与理论折射率分布之间的偏差。沉积纤芯时SiCl₄流量为5.6g/min到4.7g/min，GeCl₄流量为0.1g/min到1.3g/min，掺杂气体C₂F₆流量为0.8sccm，沉积过程中O₂流量和原料总流量(SiCl₄和GeCl₄的总流量)之比控制在2.65，这里提到的流量之比为摩尔含量之比，但是，所述比值不限于2.65，比值在2.3～3.0之间均可。多段沉积过程中SiCl₄和GeCl₄的流量分别呈线性变化。融缩时控制空心光纤预制棒芯棒内高纯氧气的压力波动范围在±1.5％，在融缩至孔径直径为3～6mm时，通入C₂F₆气体进行单次内壁腐蚀，腐蚀时C₂F₆流量为100sccm，腐蚀时间为15分钟。在光纤预制棒沉积工艺和熔缩工艺中始终保持高纯氧气流通，包括通入C₂F₆气体进行内壁腐蚀时。拉丝速度628m/s，正常拉丝，不进行搓扭。图3为该光纤预制棒的折射率剖面曲线，折射率剖面光滑，中心有凹陷。图4为该光纤预制棒拉丝后测试的DMD响应曲线，光纤中心有脉冲分离现象，0～23μm的DMD时延0.69ps/m，而纤芯半径5～18μm之间的DMD时延为0.19ps/m，850nm波长满注入带宽2551MHz·km，有效带宽达到了2407MHz·km，1300nm波长满注入带宽796MHz·km，刚刚能满足较高以太网应用的需求。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于：

(一)、纤芯共分32段依次沉积而成；

(二)、融缩成棒时采用3次腐蚀，腐蚀时C₂F₆流量分别为100sccm、98sccm、96sccm，每次腐蚀时间为10分钟；

(三)、拉丝速度638m/s，拉丝过程中进行搓扭，搓动频率为0.2～5次/s，搓扭轮对光纤的压力为3N，搓扭轮最大摆动角度为5°，在最大角度停留时间为0.5s，从中心位置到最大角度的时间为0.25s。

实施例二获得的光纤预制棒的折射率剖面曲线如图5所示，不难看出，折射率曲线光滑，中心没有凹陷或者冒尖。图6为该光纤预制棒拉丝后测试的DMD响应曲线，从纤芯到包层DMD时延连续下降变化，最大时延即纤芯半径0～23μm之间的时延仅0.12ps/m，850nm波长满注入带宽5840MHz·km，有效带宽4717MHz·km，1300nm波长满注入带宽714MHz·km，完全满足万兆以太网通信应用需求。

实施例三：

本实施例与实施例二的区别在于：

(一)、纤芯共分45段沉积；

(二)、拉丝速度643m/s，拉丝过程中进行搓扭，搓扭轮对光纤压力为2.8N，搓扭轮最大摆动角度为5°，在最大角度停留时间为0.5s，从中心位置到最大角度的时间为0.25s。

实施例三获得的光纤预制棒的折射率剖面曲线如图7所示，不难看出，折射率曲线光滑，中心没有凹陷或者冒尖。图8为该光纤预制棒拉丝后测试的DMD响应曲线，从纤芯到包层DMD时延连续下降变化，最大时延即纤芯半径0～23μm之间的DMD时延仅0.11ps/m，纤芯半径5～18μm之间DMD时延低至0.04ps/m，850nm波长满注入带宽3780MHz·km，有效带宽6904MHz·km，1300nm波长满注入带宽671MHz·km，完全满足万兆以太网通信应用需求。

上述方法中，每一次腐蚀之间的间隔一般0-2分钟，视光纤预制棒情况而定，多次腐蚀之间基本不留时间，有时留出1分钟左右时间是为了更好的观察光纤预制棒管内压力波动情况，并进行调节。

进一步地，为了使本发明提供的宽带多模光纤的制造方法获得更佳的效果，对采用上述实施例一、实施例二以及实施例三的方法获得的宽带多模光纤进行DMD测量，并根据DMD测量响应在下一批次的制造过程中对GeCl₄的补偿量进行优化调整，直至所测DMD测量响应在可接受的规定值内。

以上提供的宽带多模光纤的制造方法中，纤芯分别分为32或45段沉积而成，但是，本发明提供的方法不限于上述两种分段数，还可以分成30、50或60等多种，也就是说纤芯沉积的段数可为30～60中的任一值，根据每一段过程中对应的补偿量调整GeCl₄以及C₂F₆的流量以精确修正光纤预制棒折射率剖面分布与理论折射率分布的偏差，才是本发明的关键所在。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.宽带多模光纤，包括纤芯和包覆在纤芯外圆周表面上的包层，其特征在于所述纤芯的折射率剖面呈抛物线状渐变分布，相对折射率差Δ1为0.85％～1.1％；所述包层为下陷包层，相对折射率差Δ2为-0.15％～-0.25％；所述芯层在光纤850nm波长带宽的差分模时延测试曲线为连续下降的曲线。

2.如权利要求1所述的宽带多模光纤，其特征在于该宽带多模光纤满注入带宽在850nm和1300nm时分别大于3500MHz·km和500MHz·km，850nm有效带宽大于4700MHz·km。

3.如权利要求1所述的宽带多模光纤的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

A10、采用PCVD沉积工艺技术制造出光纤预制棒芯棒样品备用；

A20、采用PCVD沉积工艺技术制造光纤预制棒芯棒，其中纤芯的沉积过程分成多段进行，在沉积纤芯的过程中，SiCl₄的流量为5.6g/min到4.7g/min，锗蒸汽GeCl₄流量为0.1g/min到1.3g/min，C₂F₆的流量为0.5sccm到1.5sccm，并且在每一段的沉积过程中，根据光纤预制棒芯棒样品的折射率剖面分布曲线与理论折射率剖面分布曲线之间的偏差，调整GeCl₄以及C₂F₆的流量以精确修正光纤预制棒芯棒的折射率剖面分布与理论折射率分布之间的偏差；

A30、将光纤预制棒芯棒装入石英套管中，融熔、拉丝成宽带多模光纤，融缩时控制空心光纤预制棒芯棒内高纯氧气的压力波动范围在±1.5％，在融缩至孔径直径为3～6mm时，通入C₂F₆气体进行2～5次内壁腐蚀，流量为80sccm～120sccm，每次腐蚀时间为10～15分钟。

4.如权利要求3所述的宽带多模光纤的制造方法，其特征在于对步骤A30获得到的光纤进行DMD测量，并根据DMD测量响应与标准曲线之间的偏差在下一批次的制造过程中对步骤A20中GeCl₄的补偿量进行优化调整，直至所测DMD测量响应在可接受的规定值内。

5.如权利要求3所述的宽带多模光纤制造方法，其特征在于，步骤A30中，拉丝过程中周期性地搓动光纤，搓动频率为0.2～5次/s。

6.如权利要求3、4或5所述的宽带多模光纤的制造方法，其特征在于根据SiCl₄和GeCl₄的流量自动调整O₂流量，O₂流量与SiCl₄和GeCl₄的总流量之比为2.3～3.0。

7.如权利要求6所述的宽带多模光纤的制造方法，其特征在于纤芯沉积的段数为30～60。

8.如权利要求7所述的宽带多模光纤的制造方法，其特征在于多段沉积过程中SiCl₄和GeCl₄的流量分别呈线性变化。

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