CN104360435A - 一种弯曲不敏感多模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种弯曲不敏感多模光纤，包括有芯层、内包层和外包层，其特征在于芯层半径R1为23～26微米，芯层折射率剖面呈抛物线，分布指数α为1.9～2.2，最大相对折射率差Δ1为0.9～1.2%，内包层从内到外依次为第一内包层、第二内包层和下陷包层，其中第一内包层单边宽度1~3μm，相对折射率差Δ2为-0.02～0.02%，第二内包层为纯二氧化硅层，单边宽度为2~6μm，下陷包层为掺F二氧化硅玻璃层，下陷包层的宽度为4.5~8μm，相对折射率差为-0.38%～-0.45%；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明使用了粘度匹配的双内包层结构，从粘度设计上减少拉丝张力对光纤芯层部分的影响，降低光纤的弯曲敏感性；同时合理优化和设计光纤内包层宽度与下陷包层的体积，使两者互相匹配并达到最优值，同时获得较好的抗弯曲性能以及DMD性能。

Description

一种弯曲不敏感多模光纤
技术领域
本发明涉及一种用于接入网或小型化光器件中的弯曲不敏感多模光纤，该光纤具有优异的抗弯曲性能，属于光通信技术领域。 
背景技术
随着科学技术的不断发展，中国已经进入了光纤宽带和多业务融合的信息高速发展时代。融合后的电信网、广电网和互联网都可以承载多种信息化业务，都可以为用户提供打电话、上网和看电视等多种服务。这必将对运营商和企业数据中心机房的网络基础设施的高带宽和灵活性提出了更高的要求，以便能够支持高性能连接，存储区域网络(SAN )、网络附加存储(NAS )和高性能计算（比如云计算）等应用。因此，未来几年，数据中心将逐步成为40G乃至100G以太网的天下。尤其是近年来云计算和物联网等概念的提出，以及VCSEL激光器在多模光纤通信网络的应用，在数据中心和中心机房中对多模光纤提出更多苛刻的要求，其中光纤带宽的要求以及光纤的抗弯曲特性是最重要的两项参数。 
2010年6月17日，IEEE 802.3ba标准，即40/100G以太网标准获批，该标准支持40Gb/s和100Gb/s速率下150米多模光纤传输和40公里单模光纤传输。该标准的正式发布，必将加速40G和100G以太网的建设步伐。 
OM3和OM4光纤为50μm芯径渐变折射率多模光纤，数值孔径为0.200±0.015。OM3和OM4光纤的最小有效模式带宽EMB（Effective Mode Bandwidth）分别为2000MHz.km和4700MHz.km。OM3/OM4多模光纤在10Gb/s，40Gb/s和100Gb/s系统中的传输距离如下表所示。可以看出，在中短距离的高速网络中，多模光纤能够很好的胜任。 
相对于常规的OM3/OM4多模光纤，弯曲不敏感OM3/OM4光纤因为其不仅具有高带宽的特性，更有更加优异的抗弯曲性能，在数据中心以及中心机房等特殊布置条件更能发挥其自身优势，所以逐步成为各个光纤光缆制造企业的研发重点，并有取代常规OM3和OM4光纤的趋势。 
而在弯曲不敏感多模光纤的剖面设计和工艺设计中主要的难点是如何通过相关设计保证光纤的宏弯性能，DMD性能以及带宽性能同时到达相关标准的要求，并取得最优值。 
优化光纤的宏弯性能的最主要的方法就是优化弯曲不敏感多模光纤的下陷包层的结构，即光纤下陷包层的深度和宽度以及下陷包层距离芯层的距离。为了得到更好的抗弯曲性能，理论上更大的下陷包层宽度和深度都能增加光纤的抗弯曲性能，但是其同样也会使多模光纤的的高阶模难以泄露到外层纯石英中去，影响光纤的DMD和带宽性能。特别是光纤的下陷包层同芯层的距离过近时，且下陷包层的深度和宽度过大时，第18和19高阶模族群不能通过下陷包层，泄露到光纤纯石英部分，就后反向耦合回光纤芯层部分，从而影响光纤20-23nm位置的DMD性能，造成较大延时。 
而下陷包层距离光纤芯层部分过远时，首先光纤的抗弯曲性能急剧恶化，并形成“包层效应”，影响芯层边缘部分的模式传输和能量分布，从而恶化光纤的DMD以及带宽。 
通过相关实验研究，对于弯曲不敏感多模光纤，芯层和广义的内包层（即光纤芯层同下陷包层中间的的部分）的粘度设计也是影响光纤DMD和带宽的重要因素。 
目前各个多模光纤激光器的生产厂家的VCSEL光源都存在不同大小的波长色散，为保证激光器的不同波长激光在光纤芯层内能够同步传输，考虑到芯层内部掺杂对不同波长激光传输速率的敏感性，我们可以设计合理的掺杂浓度，保证VCSEL光源激光在光纤内部同步传输；尤其是当VCSEL光源从芯层中心位置进行注入时，芯层中心位置采用适当的Ge/F共掺形式，相对于在芯层中只进行纯掺Ge的形式，可以有效的优化DMD（Differential Mode Delay,差分模式时延）以及带宽性能。 
传统的弯曲不敏感多模光纤芯层部分采用Ge或者Ge/F共掺形式进行制备，由于掺杂量较大，芯层部分粘度非常小，当光纤拉丝时容易在拉丝张力的作用下，芯层受到拉应力，从而造成光纤芯层剖面的畸变，影响高阶模在芯层部分的传输，从而恶化DMD性能。 
为了优化弯曲不敏感多模光纤的各项性能，光纤制造企业和专家在相关工艺上做了较多的工作。如美国专利US8406592中，其采用较小的inner cladding设计方案，中间包层的宽度小于4μm，但为Ge/F共掺型的单一匹配包层结构，且其芯层中心位置的F掺杂浓度小于-0.04%。 
US8520993中描述了一种弯曲不敏感多模光纤，其使用的下陷外包层宽度为2-4.5μm，下陷深度为-0.42% - -1.03%，或下陷宽度3-4.5μm，下陷深度为-0.48% - -0.69%；并且其并未说明内包层材料具体组成。 
美国专利US8644664描述了一种使用窄内包层结构的抗弯曲多模光纤结构，其内包层宽度为0.5-2μm，并且其芯层中芯部分为纯Ge掺杂结构，未使用Ge/F共掺的工艺。 
发明内容
为方便介绍本发明内容，定义部分术语： 
芯  棒：含有芯层和部分包层的预制件；
半径：该层外边界与中心点之间的距离；
折射率剖面：光纤或光纤预制棒（包括芯棒）玻璃折射率与其半径之间的关系；
相对折射率差：
，   ni和n0分别为各对应部分和纯二氧化硅玻璃折射率，除非另做说明，ni为各对应部分的最大折射率；
氟（F）的贡献量：掺氟（F）石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值（ΔF），以此来表示掺氟（F）量；
锗（Ge）的贡献量：掺锗（Ge）石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值（ΔGe），以此来表示掺锗（Ge）量；
套   管：符合一定几何和掺杂要求的石英玻璃管；
RIT工艺：将芯棒插入套管中组成光纤预制棒；
幂指数律折射率剖面：满足下面幂指数函数的折射率剖面，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为分布指数；Δ为芯/包相对折射率差；
DMD: Differential Mode Delay, 差分模式时延；
DMD Inner mask: 按照IEC 60793-1-49:2006标准，多模光纤中5-18μm处的最大DMD
DMD Outer mask: 按照IEC 60793-1-49:2006标准，多模光纤中0-23μm处的最大DMD
DMD Interval Mask：按照IEC 60793-1-49:2006标准，多模光纤中7-13μm，9-15μm，11-17μm，13-19um中最大DMD。
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种材料组成和结构设计合理，能够改善和减小光纤内应力分布，使用寿命长的抗弯曲、高带宽的多模光纤。 
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、内包层和外包层，其特征在于所述的芯层半径R1为23～26微米，芯层折射率剖面呈抛物线，分布指数α为1.9～2.2，最大相对折射率差Δ1为0.9～1.2%，所述的内包层从内到外依次为第一内包层、第二内包层和下陷包层，其中第一内包层单边宽度1~3μm，相对折射率差Δ2为-0.02～0.02%，第二内包层为纯二氧化硅层，单边宽度为2~6μm，下陷包层为掺F二氧化硅玻璃层，下陷包层的宽度为4.5~8μm，相对折射率差为-0.38%～-0.45%；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述的芯层为Ge/F共掺二氧化硅玻璃层，其中芯层中心位置F掺杂的贡献量小于或等于-0.04%；由芯层中心位置到第一内包层边缘位置，F掺杂的贡献量逐渐增加，在第一内包层边缘部分的F掺杂的贡献量大于或等于-0.5%。 
按上述方案，所述的第一内包层为Ge/F共掺二氧化硅玻璃层，或掺F的二氧化硅玻璃层，其中F的贡献量为-0.02%~-0.1%。 
按上述方案，所述的下陷包层的相对折射率差为-0.39%～-0.42%。 
按上述方案，光纤的DMD Inner Mask（5-18um）和DMD Outer Mask（0-23um）均小于或等于0.33 ps/m，DMD Interval Mask 小于或等于0.25 ps/m；优选条件下光纤的DMD Inner Mask（5-18um）和DMD Outer Mask（0-23um）均小于或等于0.14 ps/m或更低，DMD Interval Mask 小于等于0.11 ps/m或更低。 
按上述方案，光纤在850nm波长具有1500 MHz-km以上，甚至8000MHz-km以上的带宽；光纤的数值孔径为0.185~0.215；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0.12dB，甚至达到0.03dB；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0.35dB，甚至达到0.1dB。 
本发明是基于以下的机理：如果没有对光纤芯层和下陷包层间的内包层部分进行合理的粘度设计，光纤芯层部分掺杂大量Ge掺杂造成的热应力与拉丝张力将共同作用在内包层部分；而多模光纤高阶模泄露过程中不可避免的受到内包层部分的应力变化影响，从而影响光纤的时延。所以从光纤粘度设计的机理上考虑，如果对光纤广义内包层部分设计中，采取2种不同粘度材料进行组合的方式，将有利于光纤的DMD以及带宽性能。即：在靠近光纤芯层部分，设计适当宽度的Ge/F共掺第一内包层，相对于光纤芯层20-25um部分，适当提高此层的粘度，形成缓冲，承担部分拉丝张力，减少芯包层界面效应对光纤芯层的影响；然后再第一内包层和下陷包层中间，设计适当宽度的纯二氧化硅第二内包层，此层结构可以承担大部分拉丝张力，从而进一步减少光纤拉丝时的拉丝张力对光纤芯层部分的影响。 
如图1所示，采用单粘度匹配内包层设计的光纤，首先，因为光纤芯层部分粘度最低，且外侧无高粘度结构承担拉丝张力，所以芯层内部平均承受大量拉应力，非常容易造成光纤芯层部分剖面畸形；第二，芯层内包层和光纤芯层部分由于粘度差异变化剧烈，在芯包界面容易造成缺陷或者剖面畸形，影响光纤DMD和带宽性能；第三，单粘度包层在拉丝张力作用下，随光纤径向位置的变化，应力逐渐增加，影响光纤剖面。而采用匹配粘度双内包层结构的弯曲不敏感多模光纤，通过不同粘度结构的第一内包层和第二内包层，有效的分担了光纤拉丝张力，减少了拉丝张力对光纤芯层部分的影响，平滑了芯包界面位置的剧烈粘度变化，减少了光纤拉丝张力对光纤剖面结构的影响，尤其是对芯层20-23um位置的高阶模时延的影响，从而优化了光纤的DMD和带宽性能。此外，使用粘度匹配双内包层结构，通过改变光纤弯曲时内部的应力结构，还可以优化光纤的宏观弯曲性能。 
本发明的有益效果在于：1、在芯层部分使用梯度掺杂工艺，以降低激光光源色散对光纤传输性能的影响，其中芯层中心部分F的贡献量为-0.04%以下；2.、使用了粘度匹配的双内包层结构，从粘度设计上减少拉丝张力对光纤芯层部分的影响，并有利于弯曲状态下的应力释放，降低光纤的弯曲敏感性；3、合理优化和设计光纤内包层宽度与下陷包层的体积，使两者互相匹配并达到最优值，同时获得较好的抗弯曲性能以及DMD性能。 
附图说明
图1是单粘度内包层与匹配粘度双内包层光纤应力剖面示意图。 
图2是本发明光纤的Ge/F掺杂贡献量示意图。 
图3是本发明光纤的折射率剖面示意图。 
具体实施方式
下面将给出详细的实施例，对本发明作进一步的说明。 
实施例： 
按本发明技术方案制备一组预制棒并拉丝，采用多模光纤的双层涂覆和600米/分钟的拉丝速度，光纤的波导结构和材料组成见表1，光纤的主要性能参数见表2。
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：10mm，15mm，20mm，30mm等等）绕一圈，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。 
为了准确评价光纤的机械性能，按IEC 60793-1-33，采用两点弯曲的方法测光纤的抗疲劳参数nd值。 
表1
表2

Claims (8)

1.一种弯曲不敏感多模光纤，包括有芯层、内包层和外包层，其特征在于所述的芯层半径R1为23～26微米，芯层折射率剖面呈抛物线，分布指数α为1.9～2.2，最大相对折射率差Δ1为0.9～1.2%，所述的内包层从内到外依次为第一内包层、第二内包层和下陷包层，其中第一内包层单边宽度1~3μm，相对折射率差Δ2为-0.02～0.02%，第二内包层为纯二氧化硅层，单边宽度为2~6μm，下陷包层为掺F二氧化硅玻璃层，下陷包层的宽度为4.5~8μm，相对折射率差为-0.38%～-0.45%；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
2.按权利要求1所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的芯层为Ge/F共掺二氧化硅玻璃层，其中芯层中心位置F掺杂的贡献量小于或等于-0.04%；由芯层中心位置到第一内包层边缘位置，F掺杂的贡献量逐渐增加，在第一内包层边缘部分的F掺杂的贡献量大于或等于-0.5%。
3.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的第一内包层为Ge/F共掺二氧化硅玻璃层，或掺F的二氧化硅玻璃层，其中F的贡献量为-0.02%~-0.1%。
4.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于，所述的下陷包层的相对折射率差为-0.39%～-0.42%。
5.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于光纤的DMD Inner Mask（5-18um）和DMD Outer Mask（0-23um）均小于或等于0.33 ps/m，DMD Interval Mask 小于或等于0.25 ps/m。
6.按权利要求5所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于光纤的DMD Inner Mask（5-18um）和DMD Outer Mask（0-23um）均小于或等于0.14 ps/m，DMD Interval Mask 小于等于0.11 ps/m。
7.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于光纤在850nm波长具有1500 MHz-km以上的带宽；光纤的数值孔径为0.185~0.215。
8.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于在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0.12dB；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0.35dB。
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