CN105204110B - 一种具有较低差分模群时延的少模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有较低差分模群时延的少模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层的相对折射率差Δ1为0.24％～0.36％，R1为9～12μm，包覆在芯层外的包层由内至外依次包括内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层相对折射率差Δ2为‑0.02～0.02％，R2为13.6～18μm；所述的下陷包层分为两层，第一下陷包层R3为16～30μm，R3‑R2≥2μm，其相对折射率差以α型折射率分布从R2处的Δ2逐渐变小至R3处的Δ3，Δ3为‑0.8～‑0.4％，第二下陷包层相对折射率差为Δ3，半径R4为18.6～30μm，且R4≥R3，0.5≤(R3‑R2)/(R4‑R2)≤1，所述的外包层为纯石英玻璃层。本发明具有更小的DGD和较大的MFD，同时还保留了较好的抗弯曲性能。

Description

一种具有较低差分模群时延的少模光纤
技术领域
本发明涉及一种用于光纤通信系统的少模光纤，该光纤在1550nm通讯波段支持的四个模式，具有较低的差分模群时延(DGD)和较大的模场直径(MFD)，属于光纤通信技术领域。
背景技术
单模光纤由于其传输速率快，携带信息容量大，传输距离远等优点，被广泛地应用于光纤通信网络之中。而近年来，随着通信及大数据业务对容量的需求与日俱增，网络带宽快速扩张，光传输网络的容量正逐步接近单根光纤的香农极限：100Tb/s。空分复用和模分复用技术可以打破传统的香农极限，实现更高带宽的传输，是解决传输容量问题的最好方法。支持此复用技术的光纤即多芯光纤和少模光纤。实验表明，使用少模光纤结合MIMO技术能够在一个以上的空间传播模式下传输信号。并且MIMO技术能够补偿模式间的相互耦合，在接收端将各个空间模式分离开来。美国专利US8948559、US8837892以及中国专利CN104067152等提出了带下陷层(trench)结构的阶跃型剖面少模光纤，该下陷层为规则的长方形或方形。具有阶跃型剖面的少模光纤制造工艺简单，可以沿用现有的普通单模光纤制备技术，因而易于实现大批量生产；下陷层的存在使得光纤有较好的弯曲不敏感性能，保证光纤的衰减在实际应用坏境中的弯曲状态下不会有较大的变化，下陷层也能够更好地束缚高阶模，使其具有较好的衰减系数。因此，带下陷层(trench)的阶跃型剖面是目前普遍采用的剖面结构。但其通常具有较大的DGD，甚至高达几千ps/km【S.Matsuo,Y.Sasaki,I.Ishida,K.Takenaga,et al.,“Recent Progress on Multi-Core Fiber and Few-ModeFiber”OFC 2013,OM3I.3(2013)】。
另一方面，随着光放大技术的进一步发展，光纤通信系统正向着更高传输功率和更长传输距离的方向发展，而高传输功率会增加传输系统中的非线性效应，影响系统传输质量。因此，光纤的相关性能也必须有进一步的提升，以满足光纤通信系统实际发展的需要。光纤的模场直径越大，有效面积就越大，则其非线性效应就越弱。大有效面积可以有效地抑制自相位调制、四波混频、交叉相位调制等非线性效应，保证高功率光信号的传输质量。
在光纤剖面设计的过程中一般可以采用以下几种方法来增加有效面积或模场直径，比如增大纤芯直径或降低芯层折射率差。但是这两种方法在增加有效面积的同时，也会对光纤的其它光学性能参数产生较大的影响，比如增大纤芯会使色散变大，且有可能产生了其它高阶模式，使其不满足使用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种具有较低的差分模群时延的少模光纤，其具有更小的DGD(差分模群时延)和较大的MFD(模场直径)，同时还保留了较好的抗弯曲性能。
为方便介绍发明内容，定义如下术语：
预制棒：是由芯层和包层组成的径向折射率分布符合光纤设计要求可直接拉制成所设计光纤的玻璃棒或组合体；
芯棒：含有芯层和部分包层的实心玻璃预制件；
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；
ni和n0分别为各对应光纤各部分的折射率和纯二氧化硅玻璃的折射率；
α型折射率分布：折射率从某轴线处的最高值nx沿径向随半径r的增大而减小至某分界面处的最低值ny。可用以下公式表示：
n(r)＝nx·[1-2Δ(r/a)α]1/2(0≤r≤a)，其中a为半径，α为折射率分布参数，它决定了折射率分布曲线的形状。当α＝2时为抛物线折射率分布，α＝1时为三角折射率分布。
OVD工艺：用外部气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；
VAD工艺：用轴向气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；
APVD外包工艺：用高频等离子体焰将天然或合成石英粉熔制于芯棒表面制备所需厚度的SiO2玻璃；
裸光纤：指光纤中不含涂覆层的玻璃丝。
普通trench：规则矩形(长方形或方形)的下陷包层(trench)。
剖面相同trench不同的光纤：指除下陷包层(trench)的结构不同外，其它剖面结构(纤芯、内包层、外包层)均相同的光纤。
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，其特征在于所述芯层的相对折射率差Δ1为0.24％～0.36％，半径R1为9μm～12μm，包覆在芯层外的包层由内至外依次包括内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层折射率为n2，相对折射率差Δ2为-0.02％～0.02％，半径R2为13.6μm～18μm；所述的下陷包层分为两层，第一下陷包层紧密围绕内包层，其半径R3为16～30μm，R3-R2≥2μm，其折射率以α型折射率分布从R2处的n2逐渐变小至R3处的n3，相对折射率差以α型折射率分布从R2处的Δ2逐渐变小至R3处的Δ3，Δ3为-0.8％～-0.4％，第二下陷包层紧密围绕第一下陷包层，其折射率为n3，相对折射率差为Δ3，半径R4为18.6μm～30μm，且R4≥R3，0.5≤(R3-R2)/(R4-R2)≤1，所述的外包层为纯石英玻璃层。
按上述方案，所述的第一下陷包层的折射率分布用下式来表示：n(r)＝n2·{1-2Δ[(r-R2)/(R3-R2)]α}1/2，其中n2为内包层的折射率，0.5≤α≤2.5。
对于任意一个含普通下陷层trench的阶跃型剖面：芯层的相对折射率差为Δ1，半径为R1；内包层的折射率为n2，相对折射率差为Δ2，半径为R2；下陷层trench的折射率为n3，相对折射率差为Δ3，半径为R4；外包层的相对折射率差为Δ4，本发明有特殊下陷层trench的少模光纤即是在含普通trench的少模光纤折射率剖面的基础上确定R3的值，R3-R2≥2μm,R3≤R4，使其折射率(相对折射率差)以α型折射率分布从R2处的n2(Δ2)逐渐变小至R3处的n3(Δ3)。R3和R4越接近，α值越大，对减小DGD和增大MFD越有利，但trench体积会减小，宏弯损耗会增大。因此在选择R3和α时，要综合考虑DGD、MFD和宏弯性能。本发明中选取0.5≤(R3-R2)/(R4-R2)≤1，R3-R2≥2μm,0.5≤α≤2.5。若含普通trench的阶跃型剖面的下陷层体积为V1，本发明含特殊trench的阶跃型剖面的下陷层体积为V2，那么V2≤5/6V1。
按上述方案，所述光纤在1550nm波长处支持四个稳定的传输模式，分别为LP01、LP11、LP21和LP02。
按上述方案，所述光纤的高阶模式在1550nm波长处的有效面积大于剖面相同含普通trench(规则矩形下陷包层)的少模光纤；其中LP11模式在1550nm波长处的有效面积大于或等于140μm2；LP21模式在1550nm波长处的有效面积大于或等于155μm2；LP02模式在1550nm波长处的有效面积大于或等于195μm2。
按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的max|DGD|小于等于5.5ps/m。所述光纤在1550nm波长处的max|DGD|小于剖面相同含普通trench的少模光纤，max|DGD|的减小量大于或等于0.3ps/m,在最优条件下即R4-R3＝0且α>1.0时，max|DGD|的减小量大于或等于0.5ps/m。
按上述方案，所述的芯层均由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃，或掺有氟(F)及其他掺杂剂的石英玻璃组成。
按上述方案，所述的内包层由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃，或纯石英玻璃组成。
按上述方案，所述的下陷包层，由掺氟(F)的石英玻璃组成。
本发明的有益效果在于：1.相对于剖面相同带有普通trench的阶跃型折射率剖面的少模光纤，该光纤的高阶模具有更大的MFD。其原因在于，将规则的方形下陷包层变成该发明所述的体积减小的特殊下陷包层使得光纤中的高阶模式的模场分布向外移动，如图1所示。2.相对于剖面相同带有普通trench的阶跃型折射率剖面的少模光纤，该光纤具有较低的DGD值。其原因在于处于包层中的模式的传播速度较芯层中的快，该发明所述的体积减小的特殊trench使得光纤中高阶模的模场分布向外移动，也即向包层移动，如图1所示。因此高阶模的传播速度变快，而基模的模场分布在纤芯内，基本不受下陷层的影响，因此模式间的DGD显著减小。3.相对于剖面相同带有普通trench的阶跃型折射率剖面的少模光纤，该光纤在1550nm处具有较低的色散值。其原因在于特殊的trench使得1550nm处的波导色散有所减小，在材料色散不变的情况下，1550nm处的总色散减小。4.沿用了简单的制备工艺，其制备工艺和阶跃型少模光纤基本一致，易于通过掺杂和层数的控制来实现，不会增加工艺难度或成本。
如果能够进一步减小带trench结构的阶跃型剖面少模光纤模式间的差分模群延时，加上其能够通过传统简单的制造工艺进行制备并具有良好的弯曲不敏感特性，将会大大提高此类光纤的应用前景。实验表明，改变下陷层(trench)的结构就能够优化模式间的差分群延时。改变下陷层(trench)结构，也能够调整有效面积的大小，并且能够优化色散值，不影响其它光学性能参数。
附图说明
图1为本发明的少模光纤与剖面相同带有普通trench的少模光纤在1550nm处两个高阶模式的模场分布对比图。
图2为本发明一个实施例的径向截面示意图。图中00对应光纤的芯层，10对应光纤的内包层，20对应光纤的第一下陷层，30对应光纤的第二下陷层，40对应光纤的外包层。
图3为本发明另一个实施例的径向截面示意图。图中00对应光纤的芯层，10对应光纤的内包层，20对应光纤的第一下陷层，光纤的第二下陷层厚度为零，40对应光纤的外包层。
图4为本发明的一种特殊trench及相同剖面带有普通trench的少模光纤的折射率剖面对比图。
图5为本发明的第二种特殊trench及相同剖面带有普通trench的少模光纤的折射率剖面对比图。
图6为本发明的第三种特殊trench及相同剖面带有普通trench的少模光纤的折射率剖面对比图。
图7为本发明的第四种特殊trench及相同剖面带有普通trench的少模光纤的折射率剖面对比图。
图8为本发明的第五种特殊trench及相同剖面带有普通trench的少模光纤的折射率剖面对比图。
图9为本发明的第六种特殊trench及相同剖面带有普通trench的少模光纤的折射率剖面对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
光纤芯层00由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃或掺有氟及其他掺杂剂的石英玻璃组成，由PCVD工艺制备；围绕在芯层外有三个包层：内包层、下陷包层和外包层。内包层10紧密围绕芯层，由PCVD工艺制备的氟(F)和锗(Ge)共掺的石英玻璃组成，或由纯石英玻璃组成，其折射率为n2，相对折射率差为Δ2，半径为R2。下陷包层包括两层，第一下陷包层20紧密围绕内包层，由掺氟(F)的石英玻璃组成，半径为R3，R3-R2≥2μm，其折射率(相对折射率差)以α型折射率分布从R2处的n2(Δ2)逐渐变小至R3处的n3(Δ3)，0.5≤α≤2.5,Δ3小于其它包层。第二下陷包层30紧密围绕第一下陷包层，由掺氟(F)的石英玻璃组成，其相对折射率差为Δ3，半径为R4，R4≥R3，0.5≤(R3-R2)/(R4-R2)≤1。当R3＝R4时，第二下陷包层的厚度为0。外包层40为紧密围绕下陷包层的外包层。该包层为纯石英玻璃层，即相对折射率差为0％。其相对折射率差Δ4为0％。
图4-9给出了该实施例光纤和剖面相同带普通trench的少模光纤的折射率剖面结构对比图。表1、2、3分别对三种不同剖面的少模光纤在普通trench和特殊trench情况下的结构组成和光学性能进行了对比。
本实施例光纤的涂覆层采用双层涂覆工艺，拉丝速度均为1000-2000m/min，光纤的丝径为125±0.7μm。
按照上述少模光纤的技术方案，在其所规定的范围内对光纤的参数进行设计，并通过已知的PCVD工艺、MCVD工艺、OVD工艺或VAD工艺等芯棒制造工艺根据光纤的设计要求制造芯棒，通过套管工艺、OVD工艺或VAD工艺等外包工艺来完成整个预制棒的制造。
所拉制光纤的折射率剖面使用NR-9200设备(EXFO)进行测试，该光纤的折射率剖面主要参数以及和其剖面相同带有普通trench的少模光纤的折射率剖面主要参数如表1、2、3的结构和材料组成部分所示。
所拉制光纤的主要光学性能参数以及和其剖面相同带有普通trench的少模光纤的性能参数比较如表1、2、3的主要光学性能部分所示。
数据表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，其在1550nm波长处支持四个稳定的传输模式，分别是LP01，LP11，LP21和LP02。其中，LP11、LP21和LP02模式在1550nm波长处光纤的有效面积大于剖面相同带有普通trench的光纤。LP11模式在1550nm波长处的有效面积大于或等于140μm2；LP21模式在1550nm波长处的有效面积大于或等于155μm2；LP02模式在1550nm波长处的有效面积大于或等于195μm2。按照本发明的技术方案所制造的光纤，其在1550nm波长处的max|DGD|小于或等于5.5ps/m。其在1550nm波长处的max|DGD|小于相同剖面带有普通trench的光纤，max|DGD|的减小量大于或等于0.3ps/m，在最优条件下即R4-R3＝0且α>1.0时，max|DGD|的减小量大于或等于0.5ps/m。四个模式在1550nm处的色散值比剖面相同带有普通trench的光纤小。R3和R4越接近，α越大，max|DGD|越小，MFD越大。
表1：剖面相同带普通trench或本发明特殊trench的少模光纤对比1
表2：剖面相同带普通trench或本发明特殊trench的少模光纤对比2
表3：剖面相同带普通trench或本发明特殊trench的少模光纤对比3

Claims (8)

1.一种具有较低差分模群时延的少模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层的相对折射率差Δ1为0.24％～0.36％，半径R1为9μm～12μm，包覆在芯层外的包层由内至外依次包括内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层折射率为n2，相对折射率差Δ2为-0.02％～0.02％，半径R2为13.6μm～18μm；所述的下陷包层分为两层，第一下陷包层紧密围绕内包层，其半径R3为16～30μm，R3-R2≥2μm，其折射率以α型折射率分布从R2处的n2逐渐变小至R3处的n3，相对折射率差以α型折射率分布从R2处的Δ2逐渐变小至R3处的Δ3，Δ3为-0.8％～-0.4％，第二下陷包层紧密围绕第一下陷包层，其折射率为n3，相对折射率差为Δ3，半径R4为18.6μm～30μm，且R4≥R3，0.5≤(R3-R2)/(R4-R2)≤1，所述的外包层为纯石英玻璃层。
2.按权利要求1所述的具有较低差分模群时延的少模光纤，其特征在于所述的第一下陷包层的折射率分布用下式来表示：n(r)＝n2·{1-2Δ[(r-R2)/(R3-R2)]α}1/2，其中n2为内包层的折射率，
3.按权利要求1或2所述的具有较低差分模群时延的少模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处支持四个稳定的传输模式，分别为LP01、LP11、LP21和LP02。
4.按权利要求1或2所述的具有较低差分模群时延的少模光纤，其特征在于所述光纤的高阶模式在1550nm波长处的有效面积大于剖面相同且下陷包层仅含规则矩形的少模光纤。
5.按权利要求3所述的具有较低差分模群时延的少模光纤，其特征在于所述的LP11模式在1550nm波长处的有效面积大于或等于140μm2；LP21模式在1550nm波长处的有效面积大于或等于155μm2；LP02模式在1550nm波长处的有效面积大于或等于195μm2。
6.按权利要求1或2所述的具有较低差分模群时延的少模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的max|DGD|小于或等于5.5ps/m。
7.按权利要求6所述的具有较低差分模群时延的少模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的max|DGD|小于剖面相同且下陷包层仅含规则矩形的少模光纤，max|DGD|的减小量大于或等于0.3ps/m。
8.按权利要求1或2所述的具有较低差分模群时延的少模光纤，其特征在于所述的芯层均由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃，或掺有氟(F)及其他掺杂剂的石英玻璃组成；所述的内包层由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃，或纯石英玻璃组成；所述的下陷包层，由掺氟(F)的石英玻璃组成。
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