CN106383379A - 高带宽弯曲不敏感多模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高带宽弯曲不敏感多模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为2.0～2.3，芯层的半径R1为23～27μm，最大相对折射率差Δ1max为1.0％～1.3％，最小相对折射率差Δ1min为‑0.15％～‑0.07％；所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层及外包层，内包层单边宽度为1.0～3.0μm，Δ2为‑0.09％～‑0.05％；下陷包层单边宽度为3.0～7.0μm，Δ3为‑1.0％～‑0.4％；外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明光纤具有优异的高带宽性能和抗弯曲性能，能够支持多个波长窗口下的高性能传输，单根多模光纤传输容量显著增大；可适用于数据中心、接入网和小型化光器件中，并能适应数据流量高速增长的网络需求。

Description

高带宽弯曲不敏感多模光纤
技术领域
本发明涉及一种高带宽弯曲不敏感多模光纤，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IEC 60793-2中对多模光纤的描述，A1类光纤为多模光纤，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。
多模光纤中存在的模间色散使其所能支持的传输距离受到大大限制，为降低光纤模间色散，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，通常我们称其为“α剖面”。即满足如下幂指数函数的折射率分布：
n 2 ( r ) = n 1 2 &lsqb; 1 - 2 &Delta; 0 ( r a ) &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。
相对折射率即Δi：
&Delta; i % = &lsqb; ( n i 2 - n 0 2 ) / 2 n i 2 &rsqb; &times; 100 % ,
其中，ni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，通常也是光纤包层的折射率。
通过在SiO2中掺入一定浓度具有折射率调节功能的掺杂剂(如GeO2、F、B2O3、P2O5、TiO2、Al2O3、ZrO2、SnO2等)来实现多模光纤的芯层折射率分布。由此设计而得的多模光纤能够支持数百米的高速率传输。例如，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。然而，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。目前单根OM4多模光纤的带宽已经接近多模光纤上限。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。
多模光纤可以通过精确控制芯层折射率分布来获得高带宽性能。这里的带宽性能是指光纤的满注入带宽(OFL Bandwidth)，采用TIA中规定的FOTP-204标准测试方法测得。研究表明，多模光纤折射率剖面一定时，往往只针对特定的波长窗口表现出较高的带宽性能，当光纤应用窗口移至较大或较小波长时，带宽性能会出现明显的下降。因此，从应用角度出发，需要对多模光纤的设计进行改进，使其既能与现有OM3/OM4多模光纤兼容，又能具有较低的带宽-波长敏感性，满足一定波段范围内WDM技术的应用要求，并且还能具有优异的抗弯曲性能，以适应传输技术进步对多模光纤的新需求。
专利US7336877提出一种芯层具有分段式折射率分布的光纤，能够支持775nm～1100nm波段中一个或多个波长窗口的2GHz-km数据传输。但该光纤不符合OM4光纤标准，无法与常规多模光纤兼容，且不具有抗弯曲性能。专利US 2010254653提出一种具有α剖面的多模光纤，通过Ge/F共掺的方式来优化光纤在850nm和1300nm窗口的带宽性能。但该多模光纤无法满足WDM技术的应用要求，且不具有抗弯曲性能。
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；
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。
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种材料组成和结构设计合理，工艺控制方便，易于规模化生产的高带宽弯曲不敏感多模光纤。
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，其特征在于芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为2.0～2.3，芯层的半径R1为23～27μm，芯层中心位最大相对折射率差Δ1max为1.0％～1.3％，芯层边缘位最小相对折射率差Δ1min为-0.15％～-0.07％；所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层及外包层，所述的内包层单边宽度(R2-R1)为1.0～3.0μm，相对折射率差Δ2为-0.09％～-0.05％；所述的下陷包层单边宽度(R3-R2)为3.0～7.0μm，相对折射率差Δ3为-1.0％～-0.4％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述的芯层为锗氟Ge/F共掺的二氧化硅玻璃层，从芯层中心位到芯层边缘位方向，F掺杂量呈递增状，递增区半径为RF，RF<R1，掺F量在靠近芯层边缘存在一个平台区，其单边宽度WF为2～6μm，该区间F掺杂献量相等为ΔF，ΔF为-0.40％～-0.20％。
按上述方案，所述的内包层相对折射率差Δ2大于或等于芯层边缘位的最小相对折射率差Δ1min，即Δ2≥Δ1min。
按上述方案，所述的内包层为锗氟Ge/F共掺的二氧化硅玻璃层，其中F掺杂的贡献量ΔF2为-0.15％～-0.08％。
按上述方案，所述光纤的数值孔径为0.185～0.215。
按上述方案，所述光纤的DMD Inner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于或等于0.33ps/m；DMD Interval Mask小于或等于0.25ps/m；优选条件下光纤的DMDInner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于或等于0.14ps/m，DMD IntervalMask小于或等于0.11ps/m。
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950nm波长具有2000MHz-km或2000MHz-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950nm波长具有3300MHz-km或3300MHz-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3400MHz-km或3400MHz-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2900MHz-km或2900MHz-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2800MHz-km或2800MHz-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2500MHz-km或2500MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。
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；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。
本发明的有益效果在于：1、本发明光纤通过对芯层波导结构和氟掺杂量的优化，实现对于光传输带宽性能的优化，提高了光纤的带宽性能；2、在带宽性能提高的同时，还降低了光纤的带宽-波长敏感性；3、本发明光纤不仅能与现有OM3/OM4多模光纤兼容，还能支持850nm～950nm波长范围内的波分复用技术，光纤能够支持多个波长窗口下的高性能传输，单根多模光纤传输容量显著增大；4、合理的下陷包层参数设计，提高了光纤的弯曲不敏感性能；5、本发明制造方法简便，适于大规模生产；可适用于数据中心、接入网和小型化光器件中，并能适应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是本发明一个实施例的折射率剖面示意图。
图2是本发明一个实施例的含氟量示意图。
图3是本发明一个实施例的有效模式带宽(EMB)随波长的分布图。
具体实施方式
下面将给出具体的实施例，对本发明作进一步的说明。
按本发明所述，制备了一组预制棒并拉丝，采用多模光纤的双层涂覆，光纤的结构和主要性能参数见表1。
本发明光纤包括有芯层和包层，芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数为α，芯层的半径为R1，芯层中心位最大相对折射率差为Δ1max，芯层边缘位最小相对折射率差为Δ1min；所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层及外包层，所述的内包层单边宽度为(R2-R1)，相对折射率差为Δ2；所述的下陷包层单边宽度为(R3-R2)，相对折射率差为Δ3；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
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。
表1：光纤的主要结构参数和性能参数

Claims (9)

1.一种高带宽弯曲不敏感多模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为2.0～2.3，芯层的半径R1为23～27μm，芯层中心位最大相对折射率差Δ1max为1.0％～1.3％，芯层边缘位最小相对折射率差Δ1min为-0.15％～-0.07％；所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层及外包层，所述的内包层单边宽度为1.0～3.0μm，相对折射率差Δ2为-0.09％～-0.05％；所述的下陷包层单边宽度为3.0～7.0μm，相对折射率差Δ3为-1.0％～-0.4％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
2.按权利要求1所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，从芯层中心位到芯层边缘位方向，F掺杂量呈递增状，递增区半径为RF，RF<R1，掺F量在靠近芯层边缘存在一个平台区，其单边宽度WF为2～6μm，该区间F掺杂献量相等为ΔF，ΔF为-0.40％～-0.20％。
3.按权利要求1或2所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的内包层相对折射率差Δ2大于或等于芯层边缘位的最小相对折射率差Δ1min，即Δ2≥Δ1min。
4.按权利要求1或2所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的内包层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，其中F掺杂的贡献量ΔF2为-0.15％～-0.08％。
5.按权利要求1或2所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述光纤的数值孔径为0.185～0.215。
6.按权利要求1所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述光纤的DMD InnerMask和DMD Outer Mask均小于或等于0.33ps/m；DMD Interval Mask小于或等于0.25ps/m。
7.按权利要求1或2所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，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950nm波长具有2000MHz-km或2000MHz-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所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，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；所述光纤在875nm波长具有3400MHz-km或3400MHz-km以上的有效模式带宽；所述光纤在900nm波长具有2900MHz-km或2900MHz-km以上的有效模式带宽；所述光纤在925nm波长具有2800MHz-km或2800MHz-km以上的有效模式带宽；所述光纤在950nm波长具有2500MHz-km或2500MHz-km以上的有效模式带宽。
9.按权利要求1或2所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，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；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。
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