CN106443876A - 一种低串扰少模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低串扰少模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层相对折射率差Δ1为0.5～1％，半径R1为5～11μm，所述的包层从内向外包括内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层相对折射率差Δ2为‑0.04～0.04％，半径R2为10～17μm，所述的下陷包层紧密围绕内包层，下陷包层相对折射率差Δ3为‑0.8～‑0.4％，半径R3为17～30μm，所述的外包层紧密围绕下陷包层，外包层为纯石英玻璃层。本发明通过特定的芯包层结构使得光纤各个传输模式之间具有较大的有效折射率差值，从而使得各个模式间的串扰降低，实现在不采用复杂的DSP系统的情况下，每个有效模式能够单独传播信号；本发明能够在实现高容量传输的同时，简化系统结构，实现少模复用传输。

Description

一种低串扰少模光纤
技术领域
本发明涉及一种用于光通信技术领域的光纤，具体涉及一种低串扰少模光纤。
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、US8848285、US8837892、US8705922以及中国专利CN104067152、CN103946729等提出了抛物线型或阶跃型剖面的少模光纤，但它们各自存在优缺点。具有阶跃型剖面的少模光纤制造工艺简单，易于实现大批量生产，但其通常具有较大的DGD，甚至高达几千ps/km。抛物线型剖面的少模光纤有更多的可调节参数从而使得模间串扰和DGD均达到很低的水平，但其制备工艺复杂，alpha参数难以精确均匀地控制，可重复性不高。且折射率剖面沿预制棒轴向上的微小波动就能造成光纤不同段长处DGD的明显变化。
另一方面，随着光放大技术的进一步发展，光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。作为光通信系统中的重要传输媒质，光纤的相关性能也必须有进一步的提升，以满足光通信系统实际发展的需要。衰减和模场直径是单模光纤的两个重要的性能指标。光纤的衰减越小，光信号在这种媒质中的传输距离越长，光通信系统的无中继距离也越长，从而能显著减少中继站数量，在提高通信系统可靠性的同时使得建设和维护成本大幅降低；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。降低衰减和增大有效面积可以有效地提高光纤通信系统中的光信噪比，进一步提高系统的传输距离和传输质量。
在光纤预制棒的制造过程中一般可以采用以下几种方法来降低光纤衰减。比如，采用更高纯度的原材料，提高生产环境和设备密封性能，降低外界杂质引入的几率。或者，采用更大外径的预制棒制造工艺，通过大尺寸预制棒的稀释效应降低光纤的整体衰减。另外，在光纤制造过程中，裸光纤表面涂层的涂覆工艺也是影响光纤衰减性能的一个重要因素。但是，无论从理论上还是实际光纤制备中的成本和工艺控制上来讲，降低光纤的掺杂并优化光纤的剖面是最简单且有效的降低光纤衰减的方法。一般来说，掺杂材料的浓度越低，则瑞利散射所引起的损耗越小。通过优化芯层直径和掺氟浓度等参数，不仅可以增大单模光纤的有效面积，而且可以有效的降低光纤中瑞利散射等造成损耗，是一种有效可靠的降低光纤衰减的方法。
随着少模光纤研究的深入，对少模光纤的设计及应用逐渐扩展到更多的方面。例如在少模光纤中传输的单模相对于模式混合不敏感，因此少模光纤能被用作大有效面积光纤等。近年来对少模光纤中的模式耦合的研究引起关注，弱耦合少模光纤能够被优化适用于单模和模分复用系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种模式间低串扰的少模光纤，在信号传输尤其是短距离信号传输中，能够在实现高容量传输的同时，简化系统结构，实现少模复用传输。
为方便介绍本发明内容，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；
相对折射率差：
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；
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；
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。
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，其特征在于所述的芯层相对折射率差Δ1为0.5～1％，半径R1为5～11μm，所述的包层从内向外包括内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层相对折射率差Δ2为-0.04～0.04％，半径R2为10～17μm，所述的下陷包层紧密围绕内包层，下陷包层相对折射率差Δ3为-0.8～-0.4％，半径R3为17～30μm，所述的外包层紧密围绕下陷包层，外包层为纯石英玻璃层。
按上述方案，所述的芯层相对折射率差从中心向外递减，所述的递减呈阶跃型或渐变型。
按上述方案，所述的芯层由锗(Ge)和氟(F)共掺的石英玻璃组成，锗(Ge)的贡献量ΔGe为0.5～1.1％，氟(F)的贡献量ΔF为-0.1％～0％。
按上述方案，所述的内包层由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃组成，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。
按上述方案，所述光纤的有效面积在1550nm波长处为110～160μm2。
按上述方案，所述光纤在1550nm波长处支持3个或3个以上稳定的传输模式。
按上述方案，所述光纤3个或3个以上传输模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.25dB/km。
按上述方案，所述光纤的模式包括LP01、LP11、LP21和LP02，LP31和LP12。
本发明的有益效果在于：1、通过特定的芯层结构设计，使得光纤各个传输模式的有效折射率之间具有较大的有效折射率差值，从而使得各个模式间的串扰降低，使得每个传输模式能够单独传播信号，信道之间互不干扰，通常，少模光纤在模式串扰较高的情况下，需要采用MIMO及复杂的DSP系统来实现信号的复用-解复用，而模式之间实现低串扰后，能够在实现高容量传输的同时，简化系统结构，实现少模复用传输；2、通过特定的掺杂设计，芯层中同时掺杂氟和锗，使得芯层材料的粘度得到降低，可以匹配芯层与包层的粘度，从而在拉丝后光纤内部的残余应力进一步减小，有利于改善光纤的衰减性能，在达到低串扰效果的同时，保证了光纤的低损耗，同时通过芯层及包层的结构设计，实现了光纤在弯曲条件下，较低的附加损耗，该设计保证了光纤在实际应用环境下良好的传输性能。3、光纤具有较简单的制备工艺，其制备工艺和阶跃型单模光纤基本一致，易于通过掺杂和层数的控制来实现芯层及包层的制备，不会增加工艺难度或成本。
附图说明
图1为本发明一个实施例的光纤径向截面结构示意图。
图2为本发明一个实施例的光纤折射率剖面示意图。
图3为本发明另一个实施例的光纤折射率剖面图。
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。
本发明的实施例如图1、2所示，包括有一层芯层和三层包层，芯层1由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃组成，相对折射率差为Δ1，芯棒由PCVD工艺制备。围绕在芯层外有三个包层。内包层2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，相对折射率差为Δ2。下陷包层3紧密围绕内包层，由掺氟(F)的石英玻璃组成，其相对折射率差Δ3小于其它包层，由PCVD工艺或OVD工艺制备。外包层4为紧密围绕下陷包层的外包层，外包层为纯石英玻璃层，即相对折射率差为0％，由OVD工艺制备，外包层的直径R4为125±0.7μm。光纤的涂覆层采用双层涂覆工艺，拉丝速度为600-2000m/min，
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，光纤的折射率剖面以及掺杂材料的主要参数如表1所示。
所拉制光纤的主要性能参数如表2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波长处支持四至六个稳定的传输模式，分别是LP01，LP11，LP21和LP02，LP31和LP12。所有传输模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.23dB/km，优选条件下小于或等于0.20dB/km。
表1：实施例少模光纤的结构和材料组成
表2：实施例少模光纤的主要性能参数

Claims (9)

1.一种低串扰少模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层相对折射率差Δ1为0.5～1％，半径R1为5～11μm，所述的包层从内向外包括内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层相对折射率差Δ2为-0.04～0.04％，半径R2为10～17μm，所述的下陷包层紧密围绕内包层，下陷包层相对折射率差Δ3为-0.8～-0.4％，半径R3为17～30μm，所述的外包层紧密围绕下陷包层，外包层为纯石英玻璃层。
2.按权利要求1所述的低串扰少模光纤，其特征在于所述的芯层相对折射率差从中心向外递减，所述的递减呈阶跃型或渐变型。
3.按权利要求1或2所述的低串扰少模光纤，其特征在于所述的芯层由锗和氟共掺的石英玻璃组成，锗的贡献量ΔGe为0.5～1.1％，氟的贡献量ΔF为-0.1％～0％。
4.按权利要求1或2所述的低串扰少模光纤，其特征在于所述的内包层由掺氟和锗的石英玻璃组成，或纯石英玻璃组成。
5.按权利要求1或2所述的低串扰少模光纤，其特征在于所述的下陷包层由掺氟的石英玻璃组成。
6.按权利要求1或2所述的低串扰少模光纤，其特征在于所述光纤的有效面积在1550nm波长处为110～160μm2。
7.按权利要求1或2所述的低串扰少模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处支持3个或3个以上稳定的传输模式。
8.按权利要求7所述的低串扰少模光纤，其特征在于所述光纤3个或3个以上传输模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.25dB/km。
9.按权利要求7所述的低串扰少模光纤，其特征在于所述光纤的模式包括LP01、LP11、LP21和LP02，LP31和LP12。
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