CN104865636A - 一种芯区优化的多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种芯区优化的多模光纤，包括纤芯和包层，纤芯被包层所围绕，设在光纤纤芯半径的范围内，纤芯中某点的折射率剖面用关于该点到光纤纤芯中心的距离的函数表示，其中的修正函数包括一个或多个关于距离的幂函数；还可以设置折射率凹陷层，包层分为内包层和外包层，从中心到外周依次为纤芯、内包层、折射率凹陷层和外包层。本发明纤芯的折射率剖面在原有的折射率剖面分布上进行了修正，可以显著提高光纤的带宽，对光通信技术应用具有重要意义。

Description

一种芯区优化的多模光纤

技术领域

本发明涉及光通信技术领域中的一种多模光纤，尤其涉及一种传输系统中要求宽带宽的多模光纤。

背景技术

多模光纤(MMF)在大数据量的短距离通信中如数据中心和中心机房有着广泛的应用。目前，多模光纤纤芯的折射率剖面一般采用纤芯的“α”型的折射率分布来减小模式间的延时差，提高带宽。这种分布通常可以用径向距离的函数表示：

$n\left(r\right)=n_{co}\sqrt{1-2\mathrm{\Δ}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\α}}}$

其中参数α一般在1.9～2.2之间，r₀为光纤纤芯区域到光纤中心径向距离的最大值，r为光纤中某点到光纤中心的径向距离，n_co为纤芯折射率最大值，一般在光纤的中心，Δ为相对折射率。

$\mathrm{\Δ}=\frac{(n_{co}^2-n_{cl}^2)}{2n_{co}^2}$

其中n_cl为纤芯最小折射率，通常出现在纤芯和包层交界点处。

针对上述剖面的优化一般局限在参数α上，如文献J.W.Fleming,“Dispersion in GeO₂-SiO₂glasses,”Applied Optics,Vol.23,No.24,15 Dec 1984中，根据GeO₂-SiO₂混合体的色散表达式推导出α的优化值在850nm处约为2.04。但至少这一修正没有考虑包层对外围光模式的影响。

专利US 2010/0154478及相关系列专利，从制造的角度提出纤芯剖面的靠近中心部分遵循“α”分布，但远离纤芯的部分有微小的折射率偏离，但其提出的改进劣化了差模延时(DMD)和有效模式带宽(EMB)。

专利US 8391661B2及相关系列专利，提出了一种α随径向距离变化的折射率剖面，典型的是将折射率分为两段，但其针对的是较大Δ(如1.9％)MMF，对常规Δ(如0.10％)MMF的改进十分有限。

此外，抗弯多模光纤的概念需要光纤具有优良的弯曲不敏感性，目前广泛地借用抗弯单模光纤中采用的靠近纤芯的折射率凹陷(Trench)来实现。包层中凹陷的两个负面影响是：1)降低泄漏模的损耗，从而影响纤芯大小和数值孔径的测量；2)对导模形成微扰，影响带宽。较浅的凹陷折射率深度可以减少泄漏模的数量，离纤芯较近可以削弱泄漏模在在纤芯和凹陷之间的存在，这都可以改善凹陷对纤芯大小和数值孔径测量的影响。专利CN 102736169A及相关专利中对凹陷的位置和折射率深度进行了深入的研究。而凹陷较浅时会降低光纤的弯曲性能，因此需要将凹陷设计的离纤芯比较近。目前技术人员对抗弯多模的凹陷有了大量研究，而对影响光纤带宽的源头——纤芯的折射率剖面，没有做更细致的研究。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供了一种对多模光纤常规“α”折射率分布的修正方法以增加其带宽。

本发明的技术方案提供一种芯区优化的多模光纤，包括纤芯和包层，纤芯被包层所围绕，设光纤纤芯半径为r₀，在光纤纤芯半径r₀的范围内，纤芯中某点的折射率剖面n(r)用关于该点到光纤纤芯中心的距离r的函数表示如下，

$n\left(r\right)=n_{co}\sqrt{1-2\mathrm{\Δ}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\α}}}+f\left(\frac{r}{r_0}\right)$ $\mathrm{\Δ}=\frac{(n_{co}^2-n_{cl}^2)}{2n_{co}^2}$

其中，α为预设的参数，Δ为相对折射率，n_co为所述纤芯最大折射率，n_cl为所述纤芯最小折射率；f(.)为关于距离r的修正函数，所述修正函数f(.)包括一个或多个关于距离r的幂函数。

而且，所述修正函数f(.)包括两个关于距离r的幂函数，相应折射率剖面n(r)表示如下，

$n\left(r\right)=n_{co}\sqrt{1-2\mathrm{\Δ}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\α}}}+k_1.{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{m_1}+k_2.{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{m_2}$

其中，[k₁,m₁]和[k₂,m₂]分别为两个幂函数的系数，0≤m₁/α<3，3≤m₂/α<6，-2<k₁/(2Δ)^m1/α<10，-100<k₂/(2Δ)^m2/α<50。

而且，系数k₁、k₂满足以下条件，

[160(α-τ)+0.4]Δ²＜k₁＜[220(α-τ)+0.4]Δ²

-60Δk₁-40Δ³＜k₂＜-40Δk₁+120Δ³

其中，参数α>1.9，τ为预设的比较系数，1.9<α≤2.2，2.03≤τ≤2.05。

而且，所述修正函数f(.)包括一个关于距离r的幂函数，相应折射率剖面n(r)表示如下，

$n\left(r\right)=n_{co}\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+k_1.{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{m_1}$

其中，[k₁,m₁]为幂函数的系数，0≤m₁/α≤3，-2<k₁/(2Δ)^m1/α<10。

而且，在850nm波长处的有效模式带宽不小于2000MHz·km。

而且，在850nm波长处的有效模式带宽不小于4700MHz·km。

而且，相对折射率Δ≤1.1％。

而且，光纤纤芯半径r₀满足20μm≤r₀≤30μm。

而且，设置折射率凹陷层，包层分为内包层和外包层，从中心到外周依次为纤芯、内包层、折射率凹陷层和外包层，

设折射率凹陷层的内半径为r₁，外半径为r₂，折射率凹陷层相对于外包层的折射率为Δ₂

${\mathrm{\&Delta;}}_2=\frac{(n_2^2-n_{cl}^2)}{2n_{co}^2}$

内包层内半径为r₀，设内包层的外半径为r₁，内包层相对于外包层的折射率为Δ₁

${\mathrm{\&Delta;}}_1=\frac{(n_1^2-n_{cl}^2)}{2n_{co}^2}$

其中， $r_0\&le;r_1\&le;r_0\sqrt{\frac{n_{co}^2-n_2^2}{n_{co}^2-n_{cl}^2}},r_2>r_0\sqrt{\frac{n_{co}^2-n_2^2}{n_{co}^2-n_{cl}^2}}.$

而且，所述内包层外半径r₁满足0μm≤r₁-r₀≤5μm。

本发明公开的多模光纤包含折射率渐变的纤芯和包层，其中纤芯的折射率剖面在原有的α折射率剖面分布上进行了修正，可以显著提高光纤的带宽，包层可以是纯石英，也可以是掺杂石英，为了改善弯曲特性也可以引入折射率凹陷环。基础网络建设在生活的方方面面都起着重要的作用，在国家经济、土木工程基础设施建设、社会安全和军事力量方面也至关重要，光纤性能的提高可以影响整个光通信产业，对光通信技术应用具有重要意义，本发明提供的技术方案具有重大经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例的未修正折射率剖面时的延时曲线及其包层带凹陷时的延时曲线示意图。

图2是本发明实施例的三种示例的修正折射率剖面后的有延时曲线图。

图3是本发明实施例的一种示例的折射率剖面和常规折射率剖面的比较示意图。

图4是本发明实施例的包层带凹陷的MMF折射率剖面分解示意图。

图5是本发明实施例的包层带凹陷的MMF折射率剖面导模和泄漏模示意图。

图6是本发明实施例的包层带凹陷的MMF的延时和损耗示意图，阴影部分为泄漏模。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

本发明公开的多模光纤包含折射率渐变的纤芯和包层，其中纤芯的折射率剖面在原有的α折射率剖面分布上进行了修正，可以显著提高光纤的带宽，包层可以是纯石英，也可以是掺杂石英，为了改善弯曲特性也可以引入折射率凹陷环。

本发明实施例提供的被包层所围绕的纤芯，r₀为光纤纤芯区域到光纤中心径向距离的最大值，即光纤纤芯半径，所述的纤芯在半径为r₀的范围内，其中某点的折射率剖面分布n(r)用关于该点到所述的光纤纤芯中心的径向距离r的函数表示。

其中所述折射率剖面的分布n(r)由两部分组成：

$n\left(r\right)=n_{co}\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+f\left(\frac{r}{r_0}\right)$

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{(n_{co}^2-n_{cl}^2)}{2n_{co}^2}$

其中，f(.)为关于r的修正函数，所述修正函数f(.)至少可以展开为两项关于r的多项式组成。其中n_co为所述纤芯最大折射率，n_cl为所述纤芯最小折射率。

所述的修正函数f(.)为关于纤芯中的某点带光纤中心的距离的一个或多个幂函数的集合，

当包含一个幂函数时，纤芯折射率剖面可以用如下方程表示：

$n\left(r\right)=n_{\mathrm{co}}\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+k_1.{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{m_1},$

其中，参数α>1.9，一般参数α在1.9～2.2之间，即参数1.9<α≤2.2。[k₁,m₁]为幂函数的系数，0≤m₁/α≤3，-2<k₁/(2Δ)^m1/α<10。

当包含两个幂函数时，纤芯折射率剖面可以用如下方程表示：

$n\left(r\right)=n_{co}\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+k_1.{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{m_1}+k_2.{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{m_2},$

其中，参数α>1.9，一般参数α在1.9～2.2之间，即参数1.9<α≤2.2。[k₁,m₁]和[k₂,m₂]分别为两个幂函数的系数，0≤m₁/α<3，3≤m₂/α<6，-2<k₁/(2Δ)^m1/α<10，-100<k₂/(2Δ)^m2/α<50。例如取m₁/α＝2，m₂/α＝3。

包含一个幂函数的修正函数f(.)可以认为是包含两个幂函数的f(.)的特例，更多幂函数的情况依次类推。

根据OM3的要求，MMF在850波长处nm的有效模式带宽不小于2000MHz·km，更优选地(OM4的要求)，MMF在850波长处nm的有效模式带宽不小于4700MHz·km。

所述的MMF在纤芯直径为50μm，Δ＝0.94％时，850nm波长处的0～23μm的最大DMD小于0.2nm/km，满注入带宽不小于1500MHz·km。更优选地，所述的MMF在纤芯直径为50um，Δ＝0.94％时，850nm波长处的0～23μm的最大DMD小于0.1nm/km，满注入带宽不小于3500MHz·km。

纤芯相对折射率Δ≤1.5％，优选的Δ≤1.1％，例如0.8％≤Δ≤1.0％。

光纤纤芯在0≤r≤r₀内，10μm≤r₀≤30μm，较佳的20μm≤r₀≤30μm，例如22μm≤r₀≤28μm。

图1给出了α在2.03、2.04、2.05下的常规α分布下(即k₁,k₂＝0)的DMD关于径向距离(单位为μm)的函数，其他点的延时以r/r₀＝0处的DMD(单位为nm/km)为基准。其中T表示带有凹陷层(Trench)，包层带凹陷时的延时曲线标号以T结尾。现有的仅以α值来优化光纤的带宽特性是有限的，因为α值的变化更多的是改变纤芯“中间”区域的折射率单调地相对于两端的折射率(这里两端指的是纤芯的中心和边缘，“中间”区域在这两者之间)。

本发明提出的修正即是在α值的变化的基础上对纤芯外围的折射率有一个修正，采用了关于(r/r₀)的高阶函数，(r/r₀)的幂是正值，这样可以对纤芯折射率的剖面进行更加细致的修改以达到更优化的带宽。当然如果这个修正值是针对纤芯的中心，即(r/r₀)的幂是负值，其效果是一致的，但此时需要相应地调整纤芯Δ。

依据IEC 60793-1-49-2006和IEC 60793-1-41-2010，表1给出了不同的参数下的在波长为850nm处的带宽信息，对于所有的示例r₀＝25，Δ＝0.94％，m₁/α＝2，m₂/α＝3。带宽数据后的数字表示最小带宽在第几个DMD权重下计算得到的，EMBc为直接的3dB带宽，EMBc_fit表示以1.5dB处带宽推算的3dB带宽，OFL为满注入带宽，DMD_outer为0～23μm范围内的最大延时。

从表1中可以看出，在给出的m₁和m₂的前提下，在不同α值下通过引入关于(r/r₀)的高阶项可以使DMD变得异常平坦，如图2给出了DMD_outer、EMBc和EMBc_fit分别是最优值时的延时函数，即DMD_outer最小、EMBc最大和EMBc_fit最大。理论上通过增加修正函数的参数精度和更高阶项可以是0～23μm区间内的延时曲线无限接近于水平。值得注意的是经过修正过的折射率剖面，不管α值怎么变化，其仍是在α＝2.04的基础上的微小变动。图3显示的是在表中EMBc_fit最大时(α＝2.07的优化值)的折射率剖面分布，常规的α＝2.04的折射率剖面也给出了以作比较。而且由于修正函数本身的连续性，因此其dn(r)/dr及更高阶的导数也是天然连续的。在上述给定的前提条件下，对不同的α值下k₁和k₂的优化规律是：

[160(α-τ)+0.4]Δ²＜k₁＜[220(α-τ)+0.4]Δ²

-60Δk₁-40Δ³＜k₂＜-40Δk₁+120Δ³

其中α>1.9。

具体实施时，本领域技术人员可自行设定比较参数τ的取值，根据表1分析，建议比较参数τ的取值在2.03和2.05之间，即2.03≤τ≤2.05。

表1

表1(续)

表1(续)

目前在使用中对MMF的抗弯效果要求越来严格。通常采用在包层中引入折射率凹陷来变相的提高纤芯的NA，这中种方法在早期的弯曲不敏感光纤中即得到了使用，如专利JP2006-47719A及其系列。对MMF，包层中引入的折射率变动会影响纤芯的模式，特别是分布在纤芯外围的高阶模的特性，进而劣化DMD及带宽。凹陷离纤芯越近，对带宽影响越大，太远抗弯效果会降低，因为光纤弯曲时靠近光纤表面的折射率变化更明显，这时需要更深的折射率凹陷才能弥补，而较远的折射率凹陷也会给光纤的芯径、NA等的测量带来麻烦。因此合理设计是降低凹陷给带宽带来影响所必须的。如果纤芯本身的带宽已经很高了即使有凹陷的干扰，劣化了的带宽仍在可接受的数值之上。

通常纤芯外围的模式相对基模有较大的负延时(如图1，2)，因为此时光纤的材料接近为包层材料，模式的有效折射率占延时的主导因素，而模式的有效折射率和材料的折射率呈正比例关系。折射率凹陷可以看作是在增大了的纤芯半径和Δ下对光纤纤芯折射率剖面(如图4中的虚线所示)边缘的一个修正。带凹陷的MMF中的泄漏模在而合适的凹陷可以降低纤芯外围模式和基模之间的延时差，如图1中带有凹陷的DMD和不带凹陷时DMD的比较。带凹陷的MMF中的泄漏模在增大了的纤芯半径和Δ下对光纤(如图4中的虚线所示)中增加的导模(如图5所示的泄漏模在以凹陷为包层时即为导模，Δn为剖面折射率和外包层折射率差，Δn_eff为模式有效折射率和外包层折射率差)，因此DMD和带宽相对于无凹陷(可认为是较小的Δ)仍较差，即通常所说的泄漏模的影响。但凹陷离纤芯较近时，其较大的泄漏损耗(如图6中阴影部分即为泄漏模，其损耗均在～1dB/km以上)也削弱了对带宽的影响。

引入凹陷层后，多模光纤从中心到外周依次包括纤芯、内包层、折射率凹陷层、外包层。

设所述的凹陷层的内半径为r₁，外半径为r₂，凹陷层相对于外包层的折射率为Δ₂

${\mathrm{\&Delta;}}_2=\frac{(n_2^2-n_{cl}^2)}{2n_{co}^2}$

据上一段论述，本发明确定凹陷的内半径r₁上限、外半径r₂下限和凹陷层相对于外包层的折射率深度Δ₂的关系为：

$r_0\&le;r_1\&le;r_0\sqrt{\frac{n_{co}^2-n_2^2}{n_{co}^2-n_{cl}^2}},r_2>r_0\sqrt{\frac{n_{co}^2-n_2^2}{n_{co}^2-n_{cl}^2}}$

其中，n₂＝(1+Δ₂)n_cl，为凹陷折射率。

所述凹陷和纤芯有内包层隔开，所述内包层内半径为r₀，外半径为r₁，内包层相对于外包层的折射率为Δ₁

${\mathrm{\&Delta;}}_1=\frac{(n_1^2-n_{cl}^2)}{2n_{co}^2}$

所述的凹陷可以改善光纤的宏弯损耗，在波长为850nm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。

根据OM4的要求，MMF在850nm波长处的有效模式带宽不小于1500MHz·km，更优选地，MMF在850nm波长处的有效模式带宽不小于3500MHz·km。

所述内包层外半径r₁，0μm≤r₁-a≤5μm。所述内包层相对外包层的折射率为Δ₁，-0.02％≤Δ₁≤0.02％，优选地Δ₁＝0。所述内包层紧贴所述纤芯。

表2给出了一些相对凹陷水平下r₁的上限(也即r₂的下限)，其中假设Δ＝0.94％，r₀＝25μm。

表2

Δ2[％]	r1上限[μm]	Δ2[％]	r1上限[μm]
				-0.3	28.7	-0.46	30.5
-0.32	28.9	-0.48	30.7
				-0.34	29.2	-0.5	30.9
-0.36	29.4	-0.52	31.1
				-0.38	29.6	-0.54	31.3
-0.4	29.8	-0.56	31.5
				-0.42	30.0	-0.58	31.8
-0.44	30.3	-0.6	32.0

以α＝2.07，r₀＝25，Δ＝0.94％，m₁/α＝2，m₂/α＝3，k₁/(2Δ)²＝1.5，k₂/(2Δ)³＝-35为例，表3给出了包层有不同的凹陷情况下的光纤性能。其中，宏弯附加损耗是根据IEC-60793-1-47-2009和IEC 61280-4-1-2009标准方法得到的。

表3

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种芯区优化的多模光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：纤芯被包层所围绕，设光纤纤芯半径为r₀，在光纤纤芯半径r₀的范围内，纤芯中某点的折射率剖面n(r)用关于该点到光纤纤芯中心的距离r的函数表示如下，

$n\left(r\right)=n_{co}\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+f\left(\frac{r}{r_0}\right)$

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{(n_{co}^2-n_{cl}^2)}{2n_{co}^2}$

其中，α为预设的参数，Δ为相对折射率，n_co为所述纤芯最大折射率，n_cl为所述纤芯最小折射率；f(.)为关于距离r的修正函数，所述修正函数f(.)包括一个或多个关于距离r的幂函数。

2.根据权利要求1所述芯区优化的多模光纤，其特征在于：所述修正函数f(.)包括两个关于距离r的幂函数，相应折射率剖面n(r)表示如下，

$n\left(r\right)=n_{co}\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+k_1\&CenterDot;{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{m_1}+k_2\&CenterDot;{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{m_2}$

其中，[k₁,m₁]和[k₂,m₂]分别为两个幂函数的系数，0≤m₁/α<3，3≤m₂/α<6，-2<k₁/(2Δ)^m1/α<10，-100<k₂/(2Δ)^m2/α<50。

3.根据权利要求2所述芯区优化的多模光纤，其特征在于：系数k₁、k₂满足以下条件，

[160(α-τ)+0.4]Δ²＜k₁＜[220(α-τ)+0.4]Δ²

-60Δk₁-40Δ³＜k₂＜-40Δk₁+120Δ³

其中，参数α>1.9，τ为预设的比较系数，1.9<α≤2.2，2.03≤τ≤2.05。

4.根据权利要求1所述芯区优化的多模光纤，其特征在于：所述修正函数f(.)包括一个关于距离r的幂函数，相应折射率剖面n(r)表示如下，

$n\left(r\right)=n_{co}\sqrt{1-2\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}+k_1\&CenterDot;{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{m_1}$

其中，[k₁,m₁]为幂函数的系数，0≤m₁/α≤3，-2<k₁/(2Δ)^m1/α<10。

5.根据权利要求1或2或3或4所述芯区优化的多模光纤，其特征在于：在850nm波长处的有效模式带宽不小于2000MHz·km。

6.根据权利要求5所述芯区优化的多模光纤，其特征在于：在850nm波长处的有效模式带宽不小于4700MHz·km。

7.根据权利要求1或2或3或4所述芯区优化的多模光纤，其特征在于：相对折射率Δ≤1.1％。

8.根据权利要求1或2或3或4所述芯区优化的多模光纤，其特征在于：光纤纤芯半径r₀满足20μm≤r₀≤30μm。

9.根据权利要求1或2或3或4所述芯区优化的多模光纤，其特征在于：设置折射率凹陷层，包层分为内包层和外包层，从中心到外周依次为纤芯、内包层、折射率凹陷层和外包层，

设折射率凹陷层的内半径为r₁，外半径为r₂，折射率凹陷层相对于外包层的折射率为Δ₂

${\mathrm{\&Delta;}}_2=\frac{(n_2^2-n_{cl}^2)}{2n_{co}^2}$

内包层内半径为r₀，设内包层的外半径为r₁，内包层相对于外包层的折射率为Δ₁

${\mathrm{\&Delta;}}_1=\frac{(n_1^2-n_{cl}^2)}{2n_{co}^2}$

其中， $r_0\&le;r_1\&le;r_0\sqrt{\frac{n_{co}^2-n_2^2}{n_{co}^2-n_{cl}^2}},r_2>r_0\sqrt{\frac{n_{co}^2-n_2^2}{n_{co}^2-n_{cl}^2}}.$

10.根据权利要求9所述芯区优化的多模光纤，其特征在于：所述内包层外半径r₁满足0μm≤r₁-r₀≤5μm。