CN102692675A - 一种渐变折射率抗弯曲多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渐变折射率抗弯曲多模光纤，包括有芯层和包层，其特征是芯层半径为20～50μm，芯层折射率为梯度渐变型折射率分布，分布幂指数α为1.89－1.97，芯层相对折射率差最大值Δ1%max为0.9%～2.72%，紧邻芯层的为内包层，内包层半径为22～57μm，相对折射率差Δ2%为－0.02%～0.02%，从内包层依次向外是中间包层和外包层，中间包层为纯石英玻璃层，中间包层半径为32～60μm；相对折射率差为Δ3%为－0.01%～0.01%。本发明不仅降低光纤的弯曲损耗，而且保证光纤在1300nm窗口具有高传输带宽，且通过增大芯径直径和数值孔径，可以显著提高光纤对LED、VCSEL或LD的收光和聚光能力，提高发光器件即光源和传光器件即光纤之间的耦合容错能力。

Description

一种渐变折射率抗弯曲多模光纤

技术领域

本发明涉及一种数据信号传输、光纤传感和光器件中应用在1300nm传输窗口优化的渐变折射率多模光纤，该光纤不但具有良好的抗弯曲性能，而且具有易与光源耦合以及光功率分布均匀、在1300nm窗口具有带宽高等特点，属于光通信技术领域。

背景技术

光纤通信始于多模光纤的发明和应用。近十多年来，尽管单模光纤成为光纤市场中需求的最主要品种，但多模光纤始终没有被取代而是一直保持着稳定增长的市场需求，其原因就在于多模光纤的许多特性正好可以满足光信号、能量传输、局域网数据传输和光器件的使用。目前多模光纤通信系统的造价远远低于单模光纤通信系统，这也是多模光纤长盛不衰的原因之一。常规多模光纤的种类划分，根据IEC以及ITU等国际标准组织的推荐标准可以划分为50μm和62.5μm两大类，在50μm这一大类中又可以按照带宽，ISO 11801标准又把它细分为OM1、OM2、OM3、OM4几种类型。50um多模光纤系统的传输速率从10Mbit/s到10Gbit/s甚至100Gbit/s，链路长度最大可达2km，已远远满足其应用需求。然而，上述多模光纤在10G Gbit/s甚至100Gbit/s系统中的应用，都是在850nm窗口传输，这受益于VCSEL850nm激光器发明和成本降低。如果在1300nm光器件成本下降，在此窗口传输10Gbit/s甚至100Gbit/s多模系统是完全可能的，并且还可以充分利用光纤在此窗口低损耗特点，大大提高传输距离，降低系统成本。在过去的几年里，长波长VCSEL制造商已经进行了大量可靠性测试，采用晶园键合法制造的1300nm波段VCSEL的测试结果已经发布：实现5000小时高温加速老化实验零故障率，在25℃下平均失效时间为3千万小时，70℃下达两百万小时。

多模光纤，特别是高传输性能的多模光纤如OM3、OM4光纤，在中短距离光纤网络系统应用广泛。在大楼、小型化器件里，环境狭窄，光纤承受很大的弯曲应力。光纤长期承受大的弯曲应力，会减短光纤的使用寿命，恶化传输性能指标，为此，需要光纤具有抗弯特性，以满足特殊应用的需要。降低光纤附加弯曲损耗有效的办法是优化光纤的剖面结构，主要是设计不同结构的包层，以减少光纤弯曲时光功率的损失。

此外，要使多模光纤有很好的带宽，光纤纤芯折射率剖面必须为完美的抛物线型。包括专利CN183049C在内的许多文献只是关注如何制备具有精确折射率剖面的预制棒，然而，预制棒在拉丝过程中，残存的应力以及组分的扩散使光纤的折射率与预制棒相比有了很大的畸变，从而降低光纤的带宽。因此，光纤折射率剖面畸变的问题也有待进一步改进。

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

石英衬管：管状的基底管，其内壁承载PCVD化学反应的玻璃态氧化沉积物；

套管：符合一定几何指标和掺杂要求的石英玻璃管；

芯层：居于光纤横截面的中心部分，是光纤的主要导光的区域；

内包层：光纤横截面中紧邻芯层的环形区域；

中间包层：光纤横截面中紧邻内包层的环形区域；

外包层：光纤横截面中紧邻中间包层的环形区域；

相对折射率差:

数值孔径：

NA＝n₀×（2△）^1/2

n_i和n₀分别为各对应部分和纯二氧化硅玻璃在1300nm波长的折射率；

幂指数律折射率分布剖面： 满足下面幂指数函数的折射率分布形态，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为分布幂指数；∆为芯/包相对折射率差；

r<a 。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种在1300nm窗口优化，具有高带宽性能，拉丝后保持完好折射率剖面结构的抗弯曲多模光纤。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有芯层和包层，其特征是芯层半径R1为20～50μm，芯层折射率为梯度渐变型折射率分布，分布幂指数α为1.89－1.97，芯层相对折射率差最大值Δ1%max为0.9%～2.72%，紧邻芯层的为内包层，内包层半径R2为22~57μm，相对折射率差Δ2%为－0.02%～0.02%，从内包层依次向外是中间包层和外包层，中间包层为纯石英玻璃层，中间包层半径R3为32～60μm；相对折射率差为Δ3%为－0.01%～0.01%。

按上述方案，所述的外包层半径R4为62.5±1μm，相对折射率差Δ4%为－0.15%～－0.35%，外包层为掺F石英玻璃层；或者外包层为两层，第一外包层靠内为掺F石英玻璃层，第一外包层半径为42～60μm，相对折射率差Δ4₁%为－0.15%～－0.35%；第二外包层为纯石英玻璃层。

按上述方案，所述的芯层和内包层为F-Ge共掺石英玻璃层，内包层相对折射率差Δ2%小于芯层折射率差Δ1%。

按上述方案，所述的芯层分布幂指数α为1.90～1.95，可在1300nm窗口获得较高带宽。

按上述方案，所述的芯层分布幂指数α为1.91～1.93，可在1300nm窗口获得更大带宽。

按上述方案，所述的芯层半径为25～45μm。

按上述方案，所述光纤的数值孔径为0.196～0.34。

按上述方案，所述的氟（F）锗（Ge）共掺石英玻璃层的材料组分为SiO₂-GeO₂-F-Cl；所述的掺氟（F）石英玻璃层的材料组分为SiO₂-F-Cl；所述的含氟气体为C₂F₆、CF₄、SiF₄和SF₆的任意一种或多种。

按上述方案，所述的光纤最外层为光纤涂覆层，所述的光纤涂覆层为丙烯酸树脂涂层、硅橡胶涂层、聚酰亚胺涂层的一种或两种。

按上述方案，光纤涂覆层为紫外固化硅橡胶涂层和耐高温丙烯酸树脂涂层，光纤涂覆层单边厚度为60±5μm，光纤工作温度为－40℃～+150℃。

按上述方案，光纤涂覆层为热固化硅橡胶涂层，光纤涂覆层单边厚度为20±4μm，光纤工作温度为－50℃～+150℃。

按上述方案，光纤涂覆层为热固化聚酰亚胺涂层，光纤涂覆层单边厚度为15±3μm，光纤工作温度为－50℃～+400℃；

根据IEC60793－2－10所述的测试要求，本发明光纤的满注入带宽在850nm波长为200MHz-km以上；在1300nm波长为600MHz-km以上，最高可达13000MHz-km.。

本发明光纤在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0.2dB；以15毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.2dB；以30毫米弯曲半径绕100圈导致的弯曲附加损耗小于0.2dB。

本发明多模光纤制造方法的技术方案为：

将纯石英玻璃衬管固定在等离子体增强化学气相沉积（PCVD）车床上进行掺杂沉积，在反应气体四氯化硅（SiCl₄）和氧气（O₂）中，通入含氟的气体，引进氟（F）掺杂，通入四氯化锗（GeCl₄）以引入锗（Ge）掺杂，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要求，通过改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积内包层和芯层；沉积完成后，用熔缩车床将沉积管熔缩成实心芯棒，然后以掺氟石英玻璃为套管采用RIT工艺制得光纤预制棒，或采用OVD或VAD外包沉积工艺在芯棒外沉积外包层制得光纤预制棒；将光纤预制棒置于拉丝塔低张力拉成光纤，在光纤表面涂覆内外两层紫外固化的聚丙稀酸树脂或单层热固化硅橡胶或聚酰亚胺。

本发明的有益效果在于：1、提供一种在1300nm传输窗口优化的抗弯多模光纤，使光纤在1300nm窗口具有高传输带宽，且通过增大芯径直径和数值孔径，显著提高光纤对LED、VCSEL或LD的收光和聚光能力，提高发光器件即光源和传光器件即光纤之间的耦合容错能力；光纤的低折射率外包层，显著降低了光纤宏弯附加衰减，提高了光纤的抗弯性能；2、特定的包层设计，减少拉丝过程光纤芯层折射率畸变，从而保证光纤具有优良的带宽特性；3、能使多模光纤在1300nm窗口的传输速率达到10G Gbit/s甚至100Gbit/s；4、本发明涂覆层使光纤具有较好的耐高温性能，光纤在较高温度环境下可正常使用，并可长期在不同的高温环境下稳定工作。

附图说明

图1为本发明一个实施例的径向截面结构图。

图2为本发明一个实施例的折射率剖面图。

具体实施方式

下面给出详细的实施例对本发明进行进一步的说明，使得本发明的使用范围更加显而易见的。表中R1为芯层半径，R2为内包层半径，R3为中间包层半径，R4为外包层半径。

通过对比测试，采用本发明方案设计制造的抗弯曲多模光纤比相同类型的常规多模光纤,其弯曲损耗在各种测试条件下都有大幅降低。

同时，本发明所设计的F和Ge共掺的第一内包层在光纤制造过程中能够显著承受预制棒到拉丝成纤过程中的附加应力，从而减少所制得光纤芯层抛物线型的畸变；这样，采用本发明设计方案制造的多模光纤具有很高的带宽，满注入带宽在850nm波长为200MHz-km以上；在1300nm波长为600MHz-km以上，甚至高达13000MHz-km。

对实施例中宏弯附加损耗和满注入带宽的测试说明如下：

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：15mm，20mm，30mm等等）绕n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。

Claims (10)

1.一种渐变折射率抗弯曲多模光纤，包括有芯层和包层，其特征是芯层半径为20～50μm，芯层折射率为梯度渐变型折射率分布，分布幂指数α为1.89－1.97，芯层相对折射率差最大值Δ1%max为0.9%～2.72%，紧邻芯层的为内包层，内包层半径为22～57μm，相对折射率差Δ2%为－0.02%～0.02%，从内包层依次向外是中间包层和外包层，中间包层为纯石英玻璃层，中间包层半径为32～60μm；相对折射率差为Δ3%为－0.01%～0.01%。

2.按权利要求1所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的外包层半径为62.5±1μm，相对折射率差Δ4%为－0.15%～－0.35%，外包层为掺F石英玻璃层。

3.按权利要求1所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于外包层为两层，第一外包层靠内为掺F石英玻璃层，第一外包层半径为42～60μm，相对折射率差Δ4₁%为－0.15%～－0.35%；第二外包层为纯石英玻璃层。

4.按权利要求2或3所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的芯层和内包层为F-Ge共掺石英玻璃层，内包层相对折射率差Δ2%小于芯层折射率差Δ1%。

5.按权利要求2或3所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的芯层分布幂指数α为1.91～1.95。

6.按权利要求2或3所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的芯层半径为25～45μm。

7.按权利要求6所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于所述光纤的数值孔径为0.196～0.34。

8.按权利要求2或3所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的光纤最外层为光纤涂覆层，所述的光纤涂覆层为丙烯酸树脂涂层、硅橡胶涂层、聚酰亚胺涂层的一种或两种。

9.按权利要求2或3所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于满注入带宽在850nm波长为200MHz-km以上；在1300nm波长为600MHz-km以上。

10.按权利要求2或3所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于在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0.2dB；以15毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.2dB；以30毫米弯曲半径绕100圈导致的弯曲附加损耗小于0.2dB。

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