CN105759344A - 一种抗弯曲多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗弯曲多模光纤，包括有芯层和包层，芯层折射率剖面呈α幂指数函数分布，其特征在于所述的包层由内到外依次为内包层、第一下陷包层、第二下陷包层以及外包层，所述的芯层分布指数α为1.9～2.2，半径R₁为23～27μm，芯层最大相对折射率差Δ₁为0.9～1.2％，所述的内包层的半径为R₂，单边径向厚度R₂?R₁为0～6.0μm，相对折射率差Δ₂为?0.3～0.03％，所述的第一下陷包层的半径为R₃，单边径向厚度R₃?R₂为2.5～6.0μm，相对折射率差为Δ₃为?0.6～?0.2％，所述的第二下陷包层的半径为R₄，单边径向厚度R₄?R₃为6.0～10.0μm，相对折射率差为Δ₄为?0.3～?0.2％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明具有优异的抗弯曲和高带宽性能。

Description

一种抗弯曲多模光纤

技术领域

本发明涉及一种抗弯曲多模光纤，具有优异的抗弯曲和高带宽性能，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。尤其是近年来云计算和物联网等概念的提出，给现有网络带来了海啸般的数据冲击。这必将加快如数据中心、企业机房、存储区域网络(SAN)、网络附加存储(NAS)和高性能计算中心等应用的建设和普及，并对其中的网络基础设施的高带宽和灵活性提出更高的要求，以便能够支持更高性能的连接。抗弯多模光纤是广泛应用于数据中心和企业机房中的网络传输媒介，高性能传输网络的建设对抗弯多模光纤提出了更多苛刻的要求，其中以光纤的带宽性能和抗弯曲特性为最重要的两项参数。

多模光纤在数据中心、企业机房、SAN、NAS等应用场景中往往是铺设在狭窄的机柜、配线箱等集成系统中，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。降低光纤弯曲附加损耗的一个有效方法是在光纤包层增加低折射率区域来限制高阶模的泄漏，使信号损失最小化。典型的波导设计有双包层和壕沟式两种包层结构，如图1和图2所示。采用这两种下陷式包层的波导设计，当光纤受到小的弯曲时，从芯子泄漏出去的光会较大比例地限制在内包层并返回到芯子，从而有效降低了光纤的宏弯附加损耗。如专利CN102778722涉及一种渐变折射率抗弯曲多模光纤，包括有芯层、内包层和外包层，外包层半径为62.5±1μm，其相对折射率差为-0.3％～-0.2％；专利US8554036涉及一种渐变折射率抗弯曲多模光纤，包括有芯层、内包层、下陷包层和外包层，其下陷包层宽度为7.5～15μm，相对折射率差为-1.5％～-0.5％。

然而，抗弯多模光纤的这两种下陷式包层结构在降低宏弯附加损耗方面的表现各有长短。如图3和图4所示，以7.5mm弯曲半径，光纤绕两圈的宏弯表现为例，宽而浅的双包层结构使得多模光纤在长波长(如1300nm)下的宏弯附加损耗较小，而对短波长(如850nm)下的宏弯性能改善有限；反之，窄而深的壕沟式结构使得多模光纤很容易在850nm窗口获得优异的宏弯性能，而在1300nm窗口的宏弯性能表现相对较差。目前，市面上绝大多数抗弯多模光纤的包层设计为壕沟式结构，为了弥补其在长波长(如1300nm)下的宏弯短板，往往需要加深下陷结构的深度。但下陷结构过深会恶化光纤的带宽和DMD性能。因此，需要设计一种抗弯多模光纤不仅能在850nm和1300nm窗口同时表现出优异的抗弯曲性能，又具有很好的带宽性能。

要保证抗弯多模光纤具有很好的带宽和DMD性能，其芯层渐变型折射率剖面的精确控制非常重要，并且其下陷包层的深度不宜过深。将现有制备光纤预制棒的方法按照化学反应发生的场所大致分为管内法和管外法两类：则PCVD和MCVD等属于管内法，化学反应发生在载体衬管的内壁；OVD和VAD等则属于管外法，化学反应发生在靶棒的外壁。管内法是往复分层式沉积法，所制备的预制棒由数千层沉积层组成，通过控制每一层反应的原料气体配比可实现折射率剖面的精确控制，是制备高带宽多模光纤较理想的工艺。通常PCVD和MCVD等管内法所采用的衬管都是纯石英玻璃管，构成光纤包层的一部分，相对折射率差约为0％。

发明内容

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

预制棒：有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：由PCVD或MCVD工艺一次沉积，含有芯层和部分包层的预制件；

衬管：发生PCVD或MCVD反应的载体石英玻璃管，符合一定的几何和掺杂要求；

套管：符合一定几何和掺杂要求的石英玻璃管；

RIT工艺：Rodintube，将芯棒插入套管中组成光纤预制棒；

折射率剖面：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)折射率与其半径之间的关系；

相对折射率差即Δ_i：

Δ_i％＝[(n_i ²-n₀ ²)/2n_i ²]×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；

幂指数折射率分布：满足下面幂指数函数的折射率分布，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为纤芯中心相对包层的折射率差。

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

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种结构设计合理，具有高带宽优点的抗弯曲多模光纤。

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，芯层折射率剖面呈α幂指数函数分布，其特征在于所述的包层由内到外依次为内包层、第一下陷包层、第二下陷包层以及外包层，所述的芯层分布指数α为1.9～2.2，半径R₁为23～27μm，芯层最大相对折射率差Δ₁为0.9～1.2％，所述的内包层的半径为R₂，单边径向厚度R₂-R₁为0～6.0μm，相对折射率差Δ₂为-0.3～0.03％，所述的第一下陷包层的半径为R₃，单边径向厚度R₃-R₂为2.5～6.0μm，相对折射率差为Δ₃为-0.6～-0.2％，所述的第二下陷包层的半径为R₄，单边径向厚度R₄-R₃为6.0～10.0μm，相对折射率差为Δ₄为-0.3～-0.2％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述第一下陷包层和第二下陷包层的折射率剖面总面积积分为：

$S_{3,4}={\&Integral;}_{R_2}^{R_4}{\mathrm{\&Delta;}}_i\&CenterDot;dr\&ap;(R_3-R_2)\&times;{\mathrm{\&Delta;}}_3+(R_4-R_3)\&times;{\mathrm{\&Delta;}}_4,$

面积积分S_3,4为-60×10^-3～-25×10^-3μm。

按上述方案，所述的第一下陷包层的单边径向厚度R₃-R₂为4.0～5.5μm，相对折射率差为Δ₃为-0.5～-0.3％，所述的第二下陷包层的单边径向厚度R₄-R₃为7.0～9.0μm，相对折射率差为Δ₄为-0.28～-0.22％。

按上述方案，所述光纤的数值孔径为0.185～0.215。

按上述方案，所述的多模光纤由管内法制备而成，所述的第二下陷包层由掺氟衬管构成。

按上述方案，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，光纤在850nm波长具有1500MHz-km或1500MHz-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。

更佳的状况，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，本发明光纤的差分模时延(DMD)满足以下标准：DMDInnerMask(5-18μm)和DMDOuterMask(0-23μm)均小于等于0.33ps/m；DMDIntervalMask小于等于0.25ps/m；优选条件下光纤的DMD的InnerMask(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，光纤在850nm波长具有2000MHz-km或2000MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。

更进一步的，光纤在850nm波长具有4700MHz-km或4700MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。

本发明的有益效果在于：1、本发明光纤的下陷包层波导结构由两部分构成，靠近芯子的第一下陷包层较窄而深，紧邻第一下陷包层的第二下陷包层较宽而浅，二者共同的作用效果使得光纤在850nm和1300nm两个窗口下的抗弯曲性能都很优异；2、本发明光纤在保证其下陷包层折射率剖面的总面积积分满足一定大小的前提下，第二下陷包层承担了一部分限制泄漏模的功能，使得靠近光纤芯子的第一下陷包层的深度可以有所减小，从而降低其对光纤带宽性能带来的不良影响，保证了所得光纤的高带宽性能；3、本发明采用掺氟石英玻璃管作为衬管，不占用管内沉积层，未减小预制棒尺寸，不额外增加工艺步骤，生产控制简单方便，工效高，适于规模化生产。

附图说明

图1是现有抗弯多模光纤典型的双包层波导结构的折射率剖面示意图。

图2是现有抗弯多模光纤典型的壕沟式波导结构的折射率剖面示意图。

图3是两种波导结构的抗弯多模光纤在7.5mm弯曲半径，绕两圈条件下1300nm窗口的宏弯统计结果。

图4是两种波导结构的抗弯多模光纤在7.5mm弯曲半径，绕两圈条件下850nm窗口的宏弯统计结果。。

图5是本发明第一个实施例的折射率剖面示意图。

图6是本发明第二个实施例的折射率剖面示意图。

图7是本发明第三个实施例的折射率剖面示意图。

图8是本发明第四个实施例的折射率剖面示意图。

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。

通过PCVD或MCVD工艺在掺氟石英玻璃衬管内壁进行掺杂沉积，向管内通入反应气体四氯化硅(SiCl₄)和氧气(O₂)，再通入含氟气体(C₂F₆)和四氯化锗(GeCl₄)以进行折射率的调节，全程通过质量流量控制器(MFC)来精确控制气体流量；通过微波使衬管内的反应气体成为等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁，依次沉积第一下陷包层、内包层和芯层；沉积完成后，用电加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒；该芯棒由内向外依次包含芯层、内包层、第一下陷包层和第二下陷包层。再将芯棒与纯二氧化硅玻璃外套管采用RIT工艺组合成预制棒；将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤。

所得光纤的芯层折射率剖面呈α幂指数函数分布，分布指数α为2.0～2.1，半径R₁为23～27μm，芯层最大相对折射率差Δ₁为0.9～1.2％；所述的内包层的半径为R₂，单边径向厚度R₂-R₁为0～6.0μm，相对折射率差Δ₂为-0.3～0.03％；所述的第一下陷包层的半径为R₃，单边径向厚度R₃-R₂为2.5～6.0μm，相对折射率差为Δ₃为-0.6～-0.2％；所述的第二下陷包层的半径为R₄，单边径向厚度R₄-R₃为6.0～10.0μm，相对折射率差为Δ₄为-0.3～-0.2％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层，外包层直径为125μm。所述第一下陷包层和第二下陷包层的折射率剖面总面积积分S_3,4为-60×10^-3～-25×10^-3μm。

$S_{3,4}={\&Integral;}_{R_2}^{R_4}{\mathrm{\&Delta;}}_i\&CenterDot;dr\&ap;(R_3-R_2)\&times;{\mathrm{\&Delta;}}_3+(R_4-R_3)\&times;{\mathrm{\&Delta;}}_4,$

按上述方法制备了一组抗弯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。

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。

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)。

表1：光纤的结构及主要性能参数

Claims (9)

1.一种抗弯曲多模光纤，包括有芯层和包层，芯层折射率剖面呈α幂指数函数分布，其特征在于所述的包层由内到外依次为内包层、第一下陷包层、第二下陷包层以及外包层，所述的芯层分布指数α为1.9～2.2，半径R₁为23～27μm，芯层最大相对折射率差Δ₁为0.9～1.2％，所述的内包层的半径为R₂，单边径向厚度R₂-R₁为0～6.0μm，相对折射率差Δ₂为-0.3～0.03％，所述的第一下陷包层的半径为R₃，单边径向厚度R₃-R₂为2.5～6.0μm，相对折射率差为Δ₃为-0.6～-0.2％，所述的第二下陷包层的半径为R₄，单边径向厚度R₄-R₃为6.0～10.0μm，相对折射率差为Δ₄为-0.3～-0.2％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

2.按权利要求1所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于所述第一下陷包层和第二下陷包层的折射率剖面总面积积分为：

$S_{3,4}={\&Integral;}_{R_2}^{R_4}{\mathrm{\&Delta;}}_i\&CenterDot;dr\&ap;(R_3-R_2)\&times;{\mathrm{\&Delta;}}_3+(R_4-R_3)\&times;{\mathrm{\&Delta;}}_4,$

面积积分S_3,4为-60×10^-3～-25×10^-3μm。

3.按权利要求1或2所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的第一下陷包层的单边径向厚度R₃-R₂为4.0～5.5μm，相对折射率差为Δ₃为-0.5～-0.3％，所述的第二下陷包层的单边径向厚度R₄-R₃为7.0～9.0μm，相对折射率差为Δ₄为-0.28～-0.22％。

4.按权利要求1或2所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于所述光纤的数值孔径为0.185～0.215。

5.按权利要求1或2所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的多模光纤由管内法制备而成，所述的第二下陷包层由掺氟衬管构成。

6.按权利要求1或2所述的抗弯曲多模光纤，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，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。

7.按权利要求1或2所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于光纤在850nm波长具有1500MHz-km或1500MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。

8.按权利要求1或2所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于光纤的差分模时延满足以下标准：DMDInnerMask(5-18μm)和DMDOuterMask(0-23μm)均小于或等于0.33ps/m；DMDIntervalMask小于或等于0.25ps/m。

9.按权利要求1或2所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于光纤在850nm波长具有2000MHz-km或2000MHz-km以上的有效模式带宽。