CN102778722B - 渐变折射率抗弯曲多模光纤 - Google Patents

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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22.5～27.5μm，芯层折射率为梯度渐变型折射率分布，分布幂指数α为1.99～2.06，芯层相对折射率差最大值Δ1%max为0.9%～1.3%，紧邻芯层的为内包层，内包层半径为25.5～34.5μm，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30.5～49.5μm，相对折射率差为Δ3%为－0.01%～0.01%；外包层半径为62.5±1μm，相对折射率差Δ4%为－0.20%～－0.30%。本发明不仅提高光纤的抗弯性能，具有较高带宽，而且优化了光纤的差分模式时延性能，确保此种光纤在10G或100G的多模光纤传输系统中拥有良好的信号稳定性。

Description

渐变折射率抗弯曲多模光纤
技术领域
本发明涉及一种在10GBASE-SR和100GBASE-SR10传输系统应用的渐变折射率多模光纤，该光纤不但有着良好的抗弯曲性能，而且具有高带宽以及优异的差分模式时延性能，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,而且多模光纤通信系统的造价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。
在50μm多模光纤中，依据TIA/EIA-492AAA标准,分为OM1、OM2、OM3、OM4四种类型。高带宽多模光纤（如OM3/OM4）因系统成本相对较低，在中短距离光纤网络系统中得到了广泛应用。但在室内及狭窄的环境下布线，光纤经受较高的弯曲应力，这将导致较高的弯曲损耗。因此需要设计开发具有抗弯曲性能的多模光纤，以满足室内光纤网络铺设和器件小型化的要求。
在已知的相关研究以及专利中，只给出了多模光纤弯曲性能优化的解决方案，如专利文献ZL201010029031.1，专利 ZL201110029993.1，但没有解决高带宽多模光纤（如OM3/OM4）的DMD（差分模式时延）性能优化。在10G或100G的传输系统中，DMD是决定信号传输的最关键参数，根据目前发展10G或100G传输系统的技术要求，优异的DMD性能越来越重要，它决定了信号传输能力的稳定性，直接表征了多模光纤的品级。
据标准TIA/EIA-492AAA规定，在10G网络中：OM3光纤传输距离不低于300m，OM4光纤传输距离不低于550m；而在100G网络中，OM3光纤传输距离不低于100m，OM4光纤传输距离不低于150m。 同样在标准TIA/EIA-492AAA中：针对半径为25μm的多模光纤，在850nm波段处，从纤芯开始，5至18μm距离段测得的DMD数值定义为INNER MASK；0至25μm距离段测得的DMD数值定义为OUTER MASK；而在0-25μm距离段又细分为7-13μm，9-15μm，11-17μm，13-19μm，在此4个距离段上测得的DMD数值均定义为INTERVAL MASK。 标准TIA/EIA-492AAAC与TIA/EIA-492AAAD分别对OM3光纤与OM4光纤的DMD性能指标给出了规定：
表1：850nm波段OM3光纤 INNER MASK与OUTER MASK
表2：850nm波段OM3光纤 INTERVAL MASK
即OM3光纤的INNER MASK与OUTER MASK的DMD数值必须满足表1的六组中的任一组，同时根据表2，7-13, 9-15, 11-17,13-19μm的INTERVAL MASK均需小于等于0.25ps/m。
表3：850nm波段OM4光纤 INNER MASK与OUTER MASK
表4：850nm波段OM4光纤 INTERVAL MASK
即OM4光纤的INNER MASK与OUTER MASK的DMD数值必须满足表3的三组中的任一组，同时根据表4，7-13, 9-15, 11-17,13-19μm的INTERVAL MASK均需小于等于0.11ps/m。
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
ni和n0分别为各对应部分和纯二氧化硅玻璃在850nm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
DMD：差分模式时延
差分模时延系数（ps/m）：DMD=[(TSLOW-TFAST)-ΔTREF]/L
其中：ΔTREF表示系统光源光脉冲强度25%的时间宽度；
TSLOW表示在所设定的入射光相对待测光纤纤芯的位置中，所有输出光脉冲中最拖尾的光脉冲边缘的时间；
TFAST表示在所设定的入射光相对待测光纤纤芯的位置中，所有输出光脉冲中最领先的光脉冲边缘的时间；
L表示待测光纤的长度。
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850nm窗口优化，拉丝后保持完好折射率剖面结构, 具有高带宽和优异的差分模式时延性能的渐变折射率抗弯曲多模光纤。
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22.5～27.5μm，芯层折射率为梯度渐变型折射率分布，分布幂指数α为1.99～2.06，芯层相对折射率差最大值
Δ1%max为0.9%～1.3%，紧邻芯层的为内包层，内包层半径R2为25.5～34.5μm
，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30.5～49.5μm，相对折射率差为Δ3%为－0.01%～0.01%；外包层半径R4为62.5±1μm，相对折射率差Δ4%为－0.20%～－0.30%。
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，所述的外包层为掺F石英玻璃层。
按上述方案，所述的芯层分布幂指数α为2.00～2.05，可在850nm窗口获得更大带宽。
按上述方案，所述的芯层分布幂指数α为2.01～2.03，可在850nm窗口获得最佳带宽。
按上述方案，所述的内包层单边厚度为5~ 7μm, 可获得更好DMD。
按上述方案，本发明所制备的抗弯多模光纤满足TIA/EIA-492AAA标准规定的OM3/OM4 DMD特性要求.。
按上述方案，所述光纤的数值孔径为0.185～0.215。
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。
根据标准TIA/EIA-455-204所述要求，本发明光纤的满注入带宽在1300nm波长为500MHz-km以上；在850nm波长为1500MHz-km以上，最高可达11000MHz-km.。
本发明光纤在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0.1dB。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0.5dB；以15毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.3dB。
DMD（差分模式时延）是根据 FOTP-220 (IEC-60793-1-49-2006)方法测得，测试使用的光源为850nm，高功率，窄谱宽的脉冲激光，该脉冲激光通过一根标准单模光纤注入至待测光纤纤芯中。测试时通过位移单模光纤，改变脉冲激光注入待测光纤纤芯时的位置，使得待测光纤中脉冲激光的传输模式发生变化，通过探测器收集并记录单模光纤不同位置时由待测光纤中输出的激光脉冲信号。由此分析计算所得到的不同输出脉冲信号间的时延差值即差分模式时延。
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；最后将预制棒在低张力高拉丝速度的条件下拉丝成纤。
本发明的有益效果在于：1、提供一种在850nm传输窗口优化的抗弯多模光纤，使光纤在850nm窗口具有高传输带宽；2、通过渐变折射率的剖面和F-GE共掺包层结构设计，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，从而减少光纤芯层折射率剖面的畸变，这样，多模光纤在具有较高带宽的同时，也具有较低的差分模式时延（DMD），优化了光纤的DMD性能；3、能使多模光纤在850nm窗口的传输速率达到10G Gbit/s甚至100Gbit/s，并确保光纤在10G或100G的多模光纤传输系统中拥有良好的信号稳定性；4、具有良好的弯曲不敏感性能，适用于目前的多模光纤在网络传输和器件应用需求。
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。
图3为本发明一个实施例的DMD波形图。
图4为现有的同类型抗弯曲光纤折射率剖面图（R2=R3）。
图5为现有的同类型抗弯曲光纤的DMD波形图。
表6为本发明一个实施例与现有同类型光纤的DMD数据对比。
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。包括有芯层和包层，芯层和个包层的参数见表5，表5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。
表5：本发明设计光纤的基本参数
本发明所设计的F和Ge共掺的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，从而减少光纤芯层折射剖面的畸变，这样，采用本发明设计方案制造的多模光纤在具有较高带宽的同时，也具有较低的差分模式时延（DMD）； 同时本发明设计的带有下陷环的外包层结构，使得光纤具有较低的附加宏弯损耗。
表6为本发明一个实施例与现有同类型光纤的DMD数据对比
表6给出的DMD数据有力说明采用本发明能有效降低抗弯多模光纤DMD,从而保证光纤满足TIA/EIA-492AAA标准规定的对DMD特性要求。

Claims (8)

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22.5～27.5μm，芯层折射率为梯度渐变型折射率分布，分布幂指数α为1.99～2.06，芯层相对折射率差最大值Δ1%max为0.9%～1.3%，紧邻芯层的为内包层，内包层半径为25.5～34.5μm，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30.5～49.5μm，相对折射率差为Δ3%为－0.01%～0.01%；外包层半径为62.5±1μm，相对折射率差Δ4%为－0.20%～-0.30%；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%。
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为掺F石英玻璃层。
3.按权利要求1或2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2.00～2.05。
4.按权利要求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2.01～2.03。
5.按权利要求1或2所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的内包层单边厚度为5~ 7μm。
6.按权利要求1或2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0.185～0.215。
7.按权利要求1或2所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于光纤的满注入带宽在1300nm波长为500MHz-km以上；在850nm波长为1500MHz-km以上。
8.按权利要求1或2所述的渐变折射率抗弯曲多模光纤，其特征在于光纤在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0.1dB；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0.5dB；以15毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.3dB。
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