CN105204111A - 一种具有较小模间色散的多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有较小模间色散的多模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层分为中心区域和外围区域，所述的芯层半径为R₁，所述的中心区域为0至r_x半径区域，所述的外围区域为r_x至R₁半径区域，其中中心区域的折射率按标准α幂指数函数分布，分布指数α为1.9～2.2，所述的外围区域的折射率分布曲线值部分或全部小于标准α幂指数函数分布值。本发明使所得光纤在850nm波长以上的光源下具有更小的模间色散；不仅能支持单一850nm光源的高性能数据传输，还能支持850nm～950nm波长范围内的波分复用技术，使多模光纤传输容量得到进一步提升，适应了数据流量高速增长的网络需求，对光通信技术的应用具有重要意义。

Description

一种具有较小模间色散的多模光纤

技术领域

本发明涉及一种具有较小模间色散的多模光纤，属于光通信技术领域。

背景技术

按照国际电工委员会(IEC)的光纤产品规范标准IEC60793-2中对多模光纤的描述，A1类光纤即多模光纤，并且根据几何结构的不同，A1类光纤又被分为A1a、A1b和A1d类。A1a类光纤即50/125μm的渐变折射率光纤，A1b类光纤即62.5/125μm的渐变折射率光纤，A1d类光纤即100/140μm的渐变折射率光纤。其中A1a类光纤是目前商用最广泛的多模光纤类型，它又按照带宽性能从小到大依次被分为A1a.1、A1a.2和A1a.3类光纤，分别对应ISO/IEC标准中的成缆光纤类型OM2、OM3和OM4。

多模光纤以其低廉的系统成本优势，成为短距离高速率传输网络的优质解决方案，已广泛应用于数据中心、办公中心、高性能计算中心和存储区域网等领域。多模光纤的应用场景往往是狭窄的机柜、配线箱等集成系统，光纤会经受很小的弯曲半径。常规多模光纤进行小角度弯曲时，靠近纤芯边缘传输的高阶模很容易泄漏出去，从而造成信号损失。在设计抗弯多模光纤折射率剖面时，可以采用在光纤包层增加低折射率区域的方法来限制高阶模的泄漏，使信号损失最小化。抗弯多模光纤优异的抗弯曲性能使得其能够被高效地应用在数据中心局域网中。

在一根多模光纤中，会有多个模式同时传输。每个模式传播路径的不同导致群模式时延的产生，即模间色散。模间色散越大，光纤带宽越低。位于光纤芯层边缘传播的模式(高阶模)较位于芯层中心传播的模式(基模)所经过的路径长，使高阶模传播速度大于基模才可能保证二者同时到达光纤的输出端。光传输介质的折射率越低，光在其中的传播速度越快。因此，为使多模光纤中多个模式尽量同时到达输出端，降低光纤模间色散，需要将多模光纤的芯层折射率剖面设计成中心至边缘连续逐渐降低的折射率分布，目前广泛使用的是幂指数律折射率分布。即满足如下幂指数函数的折射率分布：

$n^2\left(r\right)=n_1^2\&lsqb;1-2{\mathrm{\&Delta;}}_0{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;$ r<a

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；Δ₀为纤芯中心相对包层的折射率。

相对折射率差即Δ_i：

${\mathrm{\&Delta;}}_i\%=\&lsqb;\left({n_i}^2-{n_0}^2\right)/2{n_i}^2\&rsqb;\&times;100\%,$

其中，n_i为距离纤芯中心i位置的折射率；n₀为光纤芯层的最小折射率，通常为纯二氧化硅折射率。

多模光纤芯层折射率分布指数α一般在1.9～2.6之间。针对特定的波长窗口，当α为一个合适的值时，理想条件下所有模式都能同时到达光纤输出端，此时光纤模间色散最小。差分模时延(DMD)用来量化模间色散的大小，IEC60793-1-49标准规定了测量DMD的方法。光源以单模脉冲的形式垂直输入待测多模光纤端面，沿光纤径向逐次输入，记录每个脉冲到达光纤末端的延迟时间。例如，入射光源为单一850nm光源，待测光纤是具有合适α值的理想幂指数折射率分布的50/125μm型多模光纤，模拟其DMD测试图形如图1所示。根据DMD测试结果，待测光纤的有效模式带宽(EMB)能够被计算出来。

随着网络传输速率的飞速发展，和用户对带宽需求的不断上升，多模光纤的容量需要不断提升。而目前单根OM4多模光纤的带宽已经接近多模光纤上限。用850nm激光光源，单根OM4多模光纤能够支持10Gb/s的以太网流量传输550m以上，支持40Gb/s的速率传输150m以上。而在100Gb/s、400Gb/s甚至更高速的单一光源传输系统中，OM4多模光纤所能支持的传输距离会大大缩短。波分复用(WDM)技术是进一步提升多模光纤容量以适应更高速传输系统的有效手段。采用WDM，单根光纤可以容纳多股数据通道，每增加一个波长，光纤的传输能力就会增加。例如，4个25Gb/s的波长合并在一起通过一根多模光纤传输，就实现了单根多模光纤支持100Gb/s的速率传输150m以上的性能，即单根多模光纤容量增大至原来的4倍。多模光纤应用WDM技术，要求该光纤能够支持多个波长窗口下的高性能传输。

专利US2012/0195561描述了一种芯层分段式双α幂指数折射率分布的多模光纤，以获得较大数值孔径的同时，光纤带宽也得到优化。但该类光纤芯/包相对折射率Δ₀较大，Δ₀≥1.9％；且仅针对850nm波长窗口的带宽优化。专利US7646955提出一种芯层具有α幂指数折射率分布，且向低于包层折射率方向延伸的多模光纤，该光纤芯层的α幂指数抛物线中间部分高于包层折射率，边缘部分低于包层折射率，旨在降低由高阶模引起的色散增大。但该光纤的光学直径较A1a类光纤的50μm小得多，且仅针对850nm和1300nm波长窗口的带宽优化。

现有的关于优化多模光纤芯层折射率的专利大都是为提高光纤在850nm窗口的带宽性能而进行的优化。当光纤应用窗口移至其它波长时，以上技术并不适用。相同的波导对不同波长光源的传输能力是有差别的。例如，当光纤应用窗口移至大于850nm波长的窗口时，原本在850nm窗口表现出最小模间色散的多模光纤的DMD图形会出现向右的偏移，即模间色散增大。图2模拟了同一根50/125μm多模光纤分别在850nm、875nm和925nm光源下的DMD图形。所用光源的谱宽均相同。图2显示该光纤在850nm光源下的DMD图形竖直排列；在875nm光源下，其DMD位于边缘的脉冲向右偏移；在925nm光源下，其DMD位于边缘的脉冲向右偏移幅度更大。难以支持波分复用技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是旨在提供一种具有较小模间色散的多模光纤，其不仅能支持单一850nm光源的高性能数据传输，而且还能支持850nm～950nm波长范围内的波分复用技术。

本发明所采用的技术方案为：包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层分为中心区域和外围区域，所述的芯层半径为R₁，所述的中心区域为0至r_x半径区域，所述的外围区域为r_x至R₁半径区域，其中中心区域的折射率按标准α幂指数函数分布，分布指数α为1.9～2.2，所述的外围区域的折射率分布曲线值部分或全部小于标准α幂指数函数分布值。

按上述方案，所述的芯层半径R₁为23～27μm，芯层最大相对折射率差Δ₁为0.9～1.2％，所述中心区域的最大半径r_x为5.0～17.5μm。

按上述方案，所述的芯层折射率分布为两段连续渐变的折射率分布曲线，其分布曲线即折射率n(r)与半径r的函数关系如下：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{cc}{n}_1\sqrt{1-2{\mathrm{\&Delta;}}_1{\left(\frac{r}{R_1}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}& 0\&le;r\&le;r_x\\ c-k{\left(\frac{r}{R_1}\right)}^m& r_x\&le;r\&le;R_1\end{array},& {\mathrm{\&Delta;}}_1=\frac{n_1^2-n_0^2}{2n_1^2}\end{array}\right.,$

n₁为所述光纤芯层的最大折射率，n₀为纯二氧化硅折射率；c、k和m是该方程的系数。

按上述方案，所述的系数c、k和m满足以下条件：

m≤α； $n_1<c\&le;\frac{{{\mathrm{\&Delta;}}_1}^2{n}_1^2+k^2}{2{\mathrm{\&Delta;}}_{1}k};{\left(\frac{1}{2{\mathrm{\&Delta;}}_1}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}}<{\left(\frac{c}{k}\right)}^{\frac{1}{m}}\&le;1$

且系数c、k和m的取值范围为：m为1.8～2.2，c为1.5～15，k为3～30。

按上述方案，所述的包层由内至外依次包括内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层的半径为R₂，单边径向厚度R₂-R₁为2.0～6.0μm，相对折射率为Δ₂为-0.03～0.03％；所述的下陷包层的半径为R₃，单边径向厚度R₃-R₂为2.5～6.0μm，相对折射率为Δ₃为-1.0～-0.3％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述光纤在850nm波长的差分模时延(DMD)满足以下标准：DMDInnerMask(5-18μm)和DMDOuterMask(0-23μm)均小于等于0.14ps/m；DMDIntervalMask小于等于0.11ps/m。

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，甚至达到0.02dB；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，甚至达到0.1dB。

按上述方案，所述光纤在850nm波长具有3500MHz-km或3500MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。

更进一步的，光纤在850nm波长具有5000MHz-km或5000MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有600MHz-km或600MHz-km以上带宽。

按上述方案，所述光纤在850nm波长具有4700MHz-km或4700MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。

按上述方案，所述光纤在875nm波长具有3800MHz-km或3800MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。

按上述方案，所述光纤在900nm波长具有3200MHz-km或3200MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。

按上述方案，所述光纤在925nm波长具有3000MHz-km或3000MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。

按上述方案，所述光纤在950nm波长具有2700MHz-km或2700MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。

本发明的有益效果在于：1、本发明光纤芯层的折射率剖面在原有标准α幂指数折射率的基础上进行了改进，通过适当降低纤芯边缘折射率，有效提高了高阶模传播的速度，以达模间色散的减少，使所得光纤在850nm波长以上的光源下具有更小的模间色散；2、本发明光纤不仅能支持单一850nm光源的高性能数据传输，还能支持850nm～950nm波长范围内的波分复用技术；3、本发明光纤具有优异的抗弯曲性能，可适用于接入网和小型化光器件中；4、本发明使多模光纤传输容量得到进一步提升，适应了数据流量高速增长的网络需求，对光通信技术的应用具有重要意义。

附图说明

图1是模拟在850nm窗口具有标准α幂指数折射率分布的50/125μm多模光纤在理想条件下的DMD图。

图2是模拟同一光纤在不同波长窗口下的DMD图。

图3是本发明的光纤折射率剖面示意图，虚线部分为标准α幂指数折射率。

图4是本发明光纤的实施例3在850nm窗口的DMD图。

图5是本发明光纤的实施例3在900nm窗口的DMD图。

具体实施方式

下面给出几个详细的实施例，对本发明作进一步的说明。

按前述结构制备了一组多模光纤预制棒并拉丝，所得光纤的结构和主要性能参数见表1。

光纤包括有芯层和包层，所述的芯层分为中心区域和外围区域，所述的芯层半径为R₁，所述的中心区域为0至r_x半径区域，所述的外围区域为r_x至R₁半径区域，其中中心区域的折射率按标准α幂指数函数分布，分布指数α为1.9～2.2，所述的外围区域的折射率分布曲线值除两个端头外全部小于标准α幂指数函数分布值，如图3所示。所述的芯层半径R₁为23～27μm，芯层最大相对折射率差Δ₁为0.9～1.2％，所述中心区域的最大半径r_x为5.0～17.5μm。

所述的芯层折射率分布呈两段连续渐变的幂指数，其分布曲线即折射率n(r)与半径r的函数关系如下：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{cc}{n}_1\sqrt{1-2{\mathrm{\&Delta;}}_1{\left(\frac{r}{R_1}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}& 0\&le;r\&le;r_x\\ c-k{\left(\frac{r}{R_1}\right)}^m& r_x\&le;r\&le;R_1\end{array},& {\mathrm{\&Delta;}}_1=\frac{n_1^2-n_0^2}{2n_1^2}\end{array}\right.,$

n₁为所述光纤芯层的最大折射率，c、k和m是该方程的系数。

所述的系数c、k和m满足以下条件：

m≤α； $n_1<c\&le;\frac{{{\mathrm{\&Delta;}}_1}^2{n}_1^2+k^2}{2{\mathrm{\&Delta;}}_{1}k};{\left(\frac{1}{2{\mathrm{\&Delta;}}_1}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}}<{\left(\frac{c}{k}\right)}^{\frac{1}{m}}\&le;1$

且系数c、k和m的取值范围为：m为1.8～2.2，c为1.5～15，k为3～30。

所述的包层由内至外依次为内包层、下陷包层和外包层，即在芯层外围依次包覆内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层半径为R₂，相对折射率Δ₂为-0.03％～0.03％，所述的下陷包层半径为R3，相对折射率Δ₃为-1％～-0.3％，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层，外包层直径为125μm。

差分模时延(DMD)根据IEC60793-1-49方法测得，被测光纤长度均为1000m±20％，在被测光纤与光源之间连接一根探针单模光纤，以限制入射被测光纤的光模式为单模，入射光脉宽小于等于100ps，光源垂直入射被测光纤端面，沿该端面径向扫描，测量到达被测光纤输出端最快光脉冲与最慢光脉冲之间的时间差，即为差分模时延。同时，利用这些DMD数据进行模拟一系列规定输入模式的计算，可得出有效模式带宽(EMB)。

宏弯附加损耗根据IEC60793-1-47方法测得，被测光纤按一定直径(如：15mm、30mm等)绕两圈，然后将圆圈放开，测试打圈前后的光功率变化，以此作为光纤的宏弯附加损耗。测试时，采用环形通量(EncircledFlux)光注入条件。EncircledFlux光注入条件可通过以下方法获得：在被测光纤前端熔接一段2m长的普通50μm芯径多模光纤，并在该光纤中间绕一个25mm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光注入。

满注入带宽根据IEC60793-1-41方法测得，测试采用满注入条件。

图4、图5分别为本发明光纤的实施例3在850nm、900nm窗口的DMD图(对应图3所示的光纤折射率剖面)。该实施例光纤的芯层外围区域(r_x≤r≤R₁)的折射率较中心区域(0≤r≤r_x)的α幂指数折射率低，使得图4中光纤芯层边缘的脉冲向左偏移。即在850nm光源下，边缘减小的折射率分布使得被激发的高阶模比基模更快到达光纤末端。但当光源变为900nm波长时，图5显示DMD图形几乎竖直排列，即900nm光源在该光纤芯层激发出的模式几乎同时到达光纤末端。这种适当降低纤芯边缘折射率的改进，能有效调节光纤芯层受激模式的传播速度，尤其是在较长波长(大于850nm波长)光源的激发下，图2中出现的纤芯边缘脉冲向右偏移的现象得到改善，有效减小较长波长下的多模光纤模间色散。

表1：光纤的结构及主要性能参数

Claims (10)

1.一种具有较小模间色散的多模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层分为中心区域和外围区域，所述的芯层半径为R₁，所述的中心区域为0至r_x半径区域，所述的外围区域为r_x至R₁半径区域，其中中心区域的折射率按标准α幂指数函数分布，分布指数α为1.9～2.2，所述的外围区域的折射率分布曲线值部分或全部小于标准α幂指数函数分布值。

2.按权利要求1所述的具有较小模间色散的多模光纤，其特征在于所述的芯层半径R₁为23～27μm，芯层最大相对折射率差Δ₁为0.9～1.2％，所述中心区域的最大半径r_x为5.0～17.5μm。

3.按权利要求1或2所述的具有较小模间色散的多模光纤，其特征在于所述的芯层折射率分布为两段连续渐变的折射率分布曲线，其分布曲线即折射率n(r)与半径r的函数关系如下：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_1\sqrt{1-2{\mathrm{\&Delta;}}_1{\left(\frac{r}{R_1}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}& 0\&le;r\&le;r_x\\ c-k{\left(\frac{r}{R_1}\right)}^m& r_x\&le;r\&le;R_1\end{array}\right.,{\mathrm{\&Delta;}}_1=\frac{n_1^2-n_0^2}{2n_1^2},$

n₁为所述光纤芯层的最大折射率，n₀为纯二氧化硅折射率；c、k和m是该方程的系数。

4.按权利要求3所述的具有较小模间色散的多模光纤，其特征在于所述的系数c、k和m满足以下条件：

$m\&le;\mathrm{\&alpha;};n_1<c\&le;\frac{{{\mathrm{\&Delta;}}_1}^2{n}_1^2+k^2}{2{\mathrm{\&Delta;}}_{1}k};{\left(\frac{1}{2{\mathrm{\&Delta;}}_1}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}}<{\left(\frac{c}{k}\right)}^{\frac{1}{m}}\&le;1$

且系数c、k和m的取值范围为：m为1.8～2.2，c为1.5～15，k为3～30。

5.按权利要求1或2所述的具有较小模间色散的多模光纤，其特征在于所述的包层由内至外依次包括内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层的半径为R₂，单边径向厚度R₂-R₁为2.0～6.0μm，相对折射率为Δ₂为-0.03～0.03％；所述的下陷包层的半径为R₃，单边径向厚度R₃-R₂为2.5～6.0μm，相对折射率为Δ₃为-1.0～-0.3％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

6.按权利要求1或2所述的具有较小模间色散的多模光纤，其特征在于所述光纤在850nm波长的差分模时延DMD满足以下标准：DMDInnerMask(5-18μm)和DMDOuterMask(0-23μm)均小于等于0.14ps/m；DMDIntervalMask小于等于0.11ps/m。

7.按权利要求1或2所述的具有较小模间色散的多模光纤，其特征在于所述光纤的数值孔径为0.185～0.215。

8.按权利要求5所述的具有较小模间色散的多模光纤，其特征在于所述光纤在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，甚至达到0.02dB；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，甚至达到0.1dB。

9.按权利要求3所述的具有较小模间色散的多模光纤，其特征在于所述光纤在850nm波长具有3500MHz-km或3500MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。

10.按权利要求3所述的具有较小模间色散的多模光纤，其特征在于所述光纤在850nm波长具有4700MHz-km或4700MHz-km以上的有效模式带宽；在875nm波长具有3800MHz-km或3800MHz-km以上的有效模式带宽；在900nm波长具有3200MHz-km或3200MHz-km以上的有效模式带宽；在925nm波长具有3000MHz-km或3000MHz-km以上的有效模式带宽；在950nm波长具有2700MHz-km或2700MHz-km以上的有效模式带宽。