CN106707407A - 宽带半阶跃型多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽带半阶跃型多模光纤，其包括纤芯层和包层。所述纤芯层中掺杂有GeO₂和/或P₂O₅和/或F，所述纤芯层包括同心设置的渐变区以及平台区，所述渐变区由所述纤芯层的中心向外延伸距离R1形成，所述平台区从距离所述纤芯层的中心R1处向外延伸距离R2‑R1至所述纤芯层的边界形成，所述宽带半阶跃型多模光纤的折射率的分布满足以下公式：其中，r为距离所述纤芯层的纤芯轴的径向距离，R2为所述纤芯层的半径，Rmax为所述包层的半径，n₀为所述纤芯层中心的折射率，n_R1为所述渐变区的边界的折射率，n_c为所述包层的折射率，Δ0为纤芯层中心和渐变区的边界相对折射率差：

Description

宽带半阶跃型多模光纤

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种宽带(宽波长范围)半阶跃型多模光纤。

背景技术

在光纤通信系统中，光纤作为光波的传输介质，其特性对光信号的传输有非常重要的影响。多模光纤芯径粗，数值孔径大，不仅能够从光源耦合更多的光功率，而且与其配套的器件价格便宜，操作简单方便。目前，多模光纤以其低廉的系统成本优势，已在中短距离光纤网络系统中得到广泛应用。

高带宽多模光纤(如OM3、OM4)，在850nm多模激光光源作用下，单根OM3多模光纤能够支持10Gbps的速率传输距离长达300米，单根OM4多模光纤能够支持10Gbps的速率传输距离长达550米。根据IEEE 802.3ba标准，基于原有已成熟的多模光纤10Gbs的数据传输流技术，使用8芯多模光纤进行传输40Gbps速率的信号，使用20芯多模光纤进行传输100Gbps速率的信号。然而，随着200Gbps/400Gbps以及更高速率需要的提出，传统的多模光纤在芯数成为阻碍未来发展的瓶颈。宽带(宽波长范围)多模光纤(WBMMF)技术借鉴了单模光纤的波分复用(WDM)技术，扩展了网络传输时的可用波长范围，能够在一芯多模光纤上支持多个波长，把需要的光纤芯数大大降低，为多模光纤的传输容量的提升确定了新方向。

TIA-492AAAE标准规定的宽带多模光纤(OM5)设计旨在支持850-950nm范围内的至少四个低成本波长，从而能够优化支持新兴的短波分复用(SDWM)应用，将并行光纤数量减少至少四倍。然而，多模光纤的最佳剖面折射率分布参数α_opt与波长和材料组分有关，其中α_opt随传输波长变化非常明显。对于传统多模光纤，α_opt对波长变化的敏感性非常高，当α_opt一定时，其带宽性能通常在特定的工作波长下达到最优，当工作波长变大或变小，其带宽性能都会明显下降。因此，目前该传统多模光纤难以满足OM5技术的应用要求。

多模光纤以其低廉的系统成本优势，已在中短距离光纤网络系统中得到广泛应用。但是传统多模光纤的损耗随着弯曲半径的减小迅速增大，造成了在不同应用环境下网络带宽和极限传输距离很大的不确定性。近年来随着数据中心建设的大规模开展和网络带宽大幅度提高，多模光纤在数据中心中的应用迅速增长。在数据中心，光纤会经常被用于空间狭窄的桥架和机柜中，需要经受很小的弯曲半径。而弯曲不敏感多模光纤在不同的弯曲半径条件下弯曲损耗基本没有变化，以其优异的弯曲性能被广泛应用于数据中心、办公中心和存储区域网等领域。目前典型弯曲不敏感多模光纤采用在芯层外加凹陷结构的设计，由于凹陷层非常靠近芯层，在芯棒制造过程中必须和芯层在同一工艺连续完成，凹陷的加入严重影响了芯棒制作设备的产能，造成芯棒的制造成本的大幅度提高。

为了满足市场对光纤带宽容量和抗弯曲性能的不断提升的需求，同时有效控制光纤的制作成本，非常有必要在高带宽且满足多模光纤标准的前提下降低最优α_opt与波长之间的敏感性，优化带宽的多波长特性，设计出能够满足多波长范围的低制作成本的弯曲不敏感多模光纤。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种解决上述问题的宽带半阶跃型宽带半阶跃型多模光纤。

一种宽带半阶跃型多模光纤，其包括纤芯层和包层，其特征在于：所述纤芯层中掺杂有GeO₂以及P₂O₅和/或F，所述纤芯层包括同心设置的渐变区以及平台区，所述渐变区由所述纤芯层的中心向外延伸距离R1形成，所述平台区从距离所述纤芯层的中心R1处向外延伸距离R2-R1至所述纤芯层的边界形成，所述宽带半阶跃型多模光纤的折射率的分布满足以下公式：

其中，r为距离所述纤芯层的纤芯轴的径向距离，R2为所述纤芯层的半径，Rmax为所述包层的半径，n₀为所述纤芯层中心的折射率，n_R1为所述渐变区的边界的折射率，n_c为所述包层的折射率，Δ0为纤芯层中心和渐变区的边界相对折射率差：Δ0＝(n₀ ²-n_R ² ₁)/(2n₀ ²)。

在一种实施方式中，所述纤芯层的半径R2为23～32um，所述平台区的宽度(R2-R1)为0.5～5um，包层的半径Rmax为40～100um。

在一种实施方式中，所述纤芯层中心掺杂有摩尔浓度为5％～11％的GeO₂以及摩尔浓度为1％～9％的P₂O₅，所述渐变区的边界和平台区掺杂有摩尔浓度为3.5％～5.5％的GeO₂以及摩尔浓度为0％～0.5％的P₂O₅，且P₂O₅在纤芯层的摩尔浓度随所述纤芯层的半径按如下函数变化：

其中，M_P0为纤芯层中心P₂O₅的摩尔浓度，M_Pb为纤芯层边界P₂O₅的摩尔浓度，β_p取值范围为1～5，M_P(r)为所述P₂O₅在距离所述纤芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。

在一种实施方式中，所述宽带半阶跃型多模光纤在850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.00～0.024，在850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0～0.088。

在一种实施方式中，所述纤芯层中心掺杂有摩尔浓度为11％～13％的GeO₂以及摩尔浓度为0％～0.5％的F，所述渐变区的边界和平台区掺杂有摩尔浓度为5.5％～11％的GeO₂以及摩尔浓度为1％～6％的F，且F在纤芯层的摩尔浓度随所述纤芯层的半径按如下函数变化：

其中，M_F0为纤芯层中心F的摩尔浓度，M_Fb为芯层边界P₂O₅的摩尔浓度，β_F取值范围为1.5～7，M_F(r)为所述F在距离所述纤芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。

在一种实施方式中，所述宽带半阶跃型多模光纤在在850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.016～0.026，在850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.052～0.096。

在一种实施方式中，所述纤芯层中心掺杂有摩尔浓度为5％～12％的GeO₂、摩尔浓度为1％～3.5％的P₂O₅以及摩尔浓度为0％的F，所述渐变区的边界和平台区掺杂有摩尔浓度为6％～11％的GeO₂、摩尔浓度为0％的P₂O₅以及摩尔浓度为1％～3.5％的F，且P₂O₅和F在纤芯层的摩尔浓度随所述纤芯层的半径按如下函数变化：

其中，M_P0为纤芯层中心P₂O₅的摩尔浓度，M_Pb为纤芯层边界P₂O₅的摩尔浓度，M_F0为纤芯层中心F的摩尔浓度，M_Fb为纤芯层边界F的摩尔浓度，β_p取值范围为1～5，β_F取值范围为1.5～7，M_P(r)为P₂O₅在距离所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度，M_F(r)为F在距离所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。

在一种实施方式中，所述宽带半阶跃型多模光纤在850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.0082～0.022，在850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.02～0.08。

在一种实施方式中，纤芯层中心折射率差(Δ1)为0.9％～1.2％。

在一种实施方式中，渐变区的边界折射率差(Δ2)与纤芯层中心折射率差(Δ1)的关系为0.2Δ1≤Δ2≤0.6Δ1。

在一种实施方式中，如权利要求1或2所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：所述宽带半阶跃型多模光纤的数值孔径NA为0.185～0.215。

本发明提供的宽带半阶跃型多模光纤，其折射率的最优α_opt分布在波长850-950nm的范围内并且在波长850-1300nm的范围内呈现较小的变化值，实现高宽带波长展宽效果，且实现在宽带宽(宽波长)性能上的优化。所述宽带半阶跃型多模光纤的纤芯层具有折射率很高的边缘区域，使得所述宽带半阶跃型多模光纤在小弯曲半径下具有较小的弯曲损耗。

附图说明

图1为本发明一实施方式的宽带半阶跃型多模光纤的折射率剖面示意图。

图2为不同浓度P₂O₅的掺杂宽带半阶跃型多模光纤α_opt与波长之间的关系。

图3为不同浓度F的掺杂宽带半阶跃型多模光纤α_opt与波长之间的关系。

图4为不同浓度组合掺杂下的宽带半阶跃型多模光纤的最优α_opt和波长的关系。

图5为纤芯层中各组分掺杂浓度和半径的关系。

以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明实施方式中使用的术语是仅仅出于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施方式和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。另外，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

所述宽带半阶跃型多模光纤包括同轴设置的纤芯层以及包层，所述包层包覆于所述纤芯层外。所述纤芯层用于传输及/或放大光信号，所述纤芯层的半径为R2。所述纤芯层以SiO₂为基质，GeO₂为主要掺杂，并掺杂有P₂O₅和/或F。所述包层用于将光信号限制在所述纤芯层内，其折射率一般小于所述纤芯层的折射率，所述包层的材料为纯石英或掺杂的石英，所述包层的半径为Rmax。

所述纤芯层包括同心设置渐变区以及平台区。所述渐变区由所述纤芯层的中心向外延伸距离R1形成。所述平台区从距离所述纤芯层的中心R1处向外延伸距离R2-R1至所述纤芯层的边界形成。在所述渐变区，所述纤芯的折射率逐渐变化，换句话说，随着所述纤芯径向尺寸的变化，所述纤芯的折射率呈现非线性变化；在所述平台区，所述纤芯的折射率呈现阶跃变化，换句话说，在所述平台区，所述纤芯的折射率不随着纤芯径向尺寸的变化而变化，其维持一恒定的折射率；由此定义，本发明的多模光纤为半阶跃型宽带半阶跃型多模光纤。

所述宽带半阶跃型多模光纤的折射率的分布满足以下公式：

其中，r为距离所述纤芯层的中心的径向距离，n₀为r＝0处的纤芯层的中心的折射率，n_R1为r＝R1处的纤芯层的折射率，n_c为所述包层的折射率，Δ0为纤芯层中心和渐变区的边界相对折射率差：

纤芯层的半径R2为23～32um，平台区的宽度(R2-R1)为0.5～5um，包层的半径Rmax为40～100um。

图1是所述宽带半阶跃型多模光纤折射率剖面示意图。由图1可知，所述渐变区的折射率剖面呈抛物线，分布参数为α。所述平台区的折射率剖面呈阶跃分布，其具有恒定折射率n_R1。传统宽带半阶跃型多模光纤的渐变区的边界和包层的折射率差通常不到纤芯层中心和包层折射率差的15％，图1所述的宽带半阶跃型多模光纤设计采用高的渐变区边界折射率差Δ2，提高高阶模的有效折射率从而降低光纤在小弯曲半径下的损耗。为了明显地降低弯曲损耗，要求Δ2≥0.2Δ1。很容易理解，Δ2越高弯曲损耗越小。但增高Δ2将改变高阶模的传输性能、降低高阶模的群速度从而导致光纤的带宽性能的恶化。在设计中加入平台的结构可以部分补偿阶跃结构对高阶模影响。为了保证光纤达到OM3和OM4指标，要求Δ2≤0.6Δ1。所述纤芯层中心折射率差Δ1为0.9％～1.2％。

要实现多模光纤的带宽最大化，必须使其模间色散最小，即要选的择一个最佳剖面折射率分布参数α_opt，表达式如下：

α_opt＝2+Y-Δ(4+Y)(3+Y)/(5+2Y) (3)

Y＝(2n₀λ/N₀)(dΔ/dλ)/Δ (4)

N₀＝n₀-λ(dn₀/dλ) (5)

其中，n_a为边界r＝a处的折射率，Δ为相对折射率差。

如果能够获得芯层中心和边界的折射率和波长关系，并结合方程(2)-(5)可以计算所述多模光纤在不同波长的优化α_opt，由此得到各个波长之间(例如850nm和950nm之间，850nm和1300nm之间)优化α_opt的差值Δα_opt。

除SiO₂和GeO₂两种主要的组分，通信用多模光纤芯层通常含有少量的P₂O₅和/或F。本发明通过显著提高和优化不同半径位置P₂O₅和/或F的摩尔浓度来实现在非常宽波长范围(800nm-1500nm)内减小各个波长之间α_opt的差值Δα_opt。

根据所述纤芯层各组合物的浓度及分布所述纤芯层的折射率和波长的关系可由Sellmeier方程计算：

其中，A_i为振子强度，L_i为振子波长。对于含有SiO₂、GeO₂、P₂O₅和F的材料，A_i可描述为：

A_i＝M_Si*A_i,Si+M_p*A_i,P+M_Ge*A_i,Ge+M_F*A_i,F (7)

L_i可描述为：

L_i＝M_Si*L_i,Si+M_p*L_i,P+M_Ge*L_i,Ge+M_F*L_i,F (8)

M_si、M_p、M_Ge、M_F分别表示SiO₂、GeO₂、P₂O₅和F的摩尔浓度。

通过实验测试得到不同组分对应的公式(7)(8)中的A_i和L_i的数据如表一所示：

表一不同掺杂组分对应的A_i和L_i

	A1	A2	A3	L1	L2	L3
							SiO2	0.69839	0.40641	0.86265	0.07069	0.11493	9.7862
P2O5	0.66851	0.91926	0.89037	0.02199	0.1277	6.6496
							GeO2	0.80687	0.71816	0.85417	0.06894	0.15397	11.842
F	0.2438	0.41862	0.67147	0.02785	0.10796	9.7085

改变F或P₂O₅的浓度将显著改变芯层的折射率及其分布，为了使得折射率的分布满足根据公式(1)和(3)得到的最优的α_opt分布，必须对芯层的GeO₂的摩尔浓度及其分布进行调整以补偿P₂O₅或F浓度变化导致的折射率的改变。在光纤剖面优化过程中，需要根据光纤的工作波长(例如850nm和950nm)的带宽和DMD的测试值，对光纤预制棒制造过程中不同光纤半径对应预制棒半径的原料GeCl₄的用量进行多次微小的调整。

依据所述纤芯层的中心折射率n₀、包层的折射率n_c所得到多模光纤的数值孔径NA为：

NA＝(n₀ ²-n_c ²)^1/2 (9)

在以下实施例中，所述宽带半阶跃型多模光纤在850nm波长处对应的数值孔径NA＝0.185～0.215。优选的，数值孔径NA＝0.2，纤芯层半径R2为25μm。包层半径Rmax为62.5μm，包层采用纯氧化硅，对应折射率n_c为1.4572。值得注意的是光纤预制棒折射率测量波长通常是632.8nm。通过计算可以得到对应的850nm的折射率n_c为1.453。为了和实际的生产制造更为接近，如无特殊的说明，我们用于计算的折射率或者折射率差值都是对应与波长632.8nm而言的。宽带半阶跃型多模光纤中心对应的折射率差Δn₁＝n₀-n_c的范围为0.0135～0.0175，平台区对应的折射率差Δn₂＝n_b-n_c的范围为0.003～0.008。下列3个实施例采用Δn₁＝0.0158，Δn₂＝0.0058，以及平台区的宽度(R2-R1)为2μm进行计算。

本发明实施例一提供一种宽带半阶跃型多模光纤，所述纤芯层中心掺杂有摩尔浓度为5％～11％的GeO₂以及摩尔浓度为1％～9％的P₂O₅。所述渐变区的边界和平台区掺杂有摩尔浓度为3.5％～5.5％的GeO₂以及摩尔浓度为0％～0.5％的P₂O₅。其中，P₂O₅在纤芯层的摩尔浓度随所述纤芯层的半径变化，按如下函数分布：

式中，M_P0为纤芯层中心P₂O₅的摩尔浓度，M_Pb为纤芯层边界P₂O₅的摩尔浓度；β_p取值范围为1～5，更优的β_p取值范围为1.5～3；所述M_P(r)为所述P₂O₅在距离所述纤芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。请参阅图5中的曲线“P₂O₅”，为典型P₂O₅在所述纤芯层的摩尔浓度随所述纤芯层的半径变化。

上述GeO₂与P₂O₅共掺的宽带半阶跃型多模光纤，其芯层的掺杂物浓度设计及Δα_opt见表二，图2为α_opt与波长之间的关系。

表二实施例一宽带半阶跃型多模光纤纤芯层的掺杂物浓度设计及

Δα_opt

在现有的GeO₂与P₂O₅共掺的宽带半阶跃型多模光纤制造工艺中，掺P₂O₅的主要目的是降低氧化反应温度、烧结温度及生成石英玻璃的粘度。典型的P₂O₅摩尔浓度范围为0.5～1％，其径向的浓度分布基本不变的。由此浓度分布计算出850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt约为0.028，850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt约为0.11。

本实施方式中，通过增加P₂O₅在纤芯层中心的摩尔浓度，降低P₂O₅在芯层边界的摩尔浓度范围，所述宽带半阶跃型多模光纤在850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.00～0.024，在850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0～0.088。

本发明实施例二提供一种宽带半阶跃型多模光纤，所述纤芯层中心掺杂有摩尔浓度为11％～13％的GeO₂以及摩尔浓度为0％～0.5％的F。所述渐变区的边界和平台区掺杂有摩尔浓度为5.5％～11％的GeO₂以及摩尔浓度为1％～6％的F。其中，F在纤芯层的摩尔浓度随所述纤芯层的半径变化，按如下函数分布：

式中，M_F0为纤芯层中心F的摩尔浓度，M_Fb为芯层边界P₂O₅的摩尔浓度；β_F取值范围为1.5～7，更优的β_F取值范围为3～5；所述M_F(r)为所述F在距离所述纤芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。请参阅图5中的曲线“F”，为典型F在所述芯层的摩尔浓度随所述芯层的半径变化。

上述GeO₂与F共掺的宽带半阶跃型多模光纤，其芯层的掺杂物浓度设计及Δα_opt见表三，图3为α_opt与波长之间的关系图。

表三实施例二宽带半阶跃型多模光纤芯层的掺杂物浓度设计及Δα_opt

在现有的GeO₂与F共掺的宽带半阶跃型多模光纤制造工艺中，掺F的主要目的是降低石英玻璃的粘度和羟基含量。典型的F摩尔浓度范围为0.0～1％，其径向的浓度分布基本不变的。由此浓度分布计算出850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt约为0.028，850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt约为0.11。

本实施方式中，通过降低F在芯层中心的摩尔浓度，增加F在芯层边界的摩尔浓度范围，所述宽带半阶跃型多模光纤在850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt范围为0.016～0.026，在850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt范围为0.052～0.096。

所本发明实施例三提供一种宽带半阶跃型多模光纤，所述纤芯层中心掺杂有摩尔浓度为5％～12％的GeO₂，摩尔浓度为1％～3.5％的P₂O₅以及摩尔浓度为0％的F。所述渐变区的边界和平台区掺杂有摩尔浓度为6％～11％的GeO₂，摩尔浓度为0％的P₂O₅以及摩尔浓度为1％～3.5％的F。其中，P₂O₅和F在纤芯层的摩尔浓度随所述纤芯层的半径变化，按如下函数分布：

式中，M_P0为纤芯层中心P₂O₅的摩尔浓度，M_Pb为纤芯层边界P₂O₅的摩尔浓度；M_F0为纤芯层中心F的摩尔浓度，M_Fb为纤芯层边界F的摩尔浓度；β_p取值范围为1～5，更优的β_p取值范围为1.5～3，β_F取值范围为1.5～7，更优的β_F取值范围为3～5；所述M_P(r)为所述P₂O₅在距离所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度，所述M_F(r)为所述掺F在距离所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。图4中曲线标记16所对应的各组分的掺杂浓度随半径的变化如图5所示。

上述GeO₂、P2O5和F共掺的宽带半阶跃型多模光纤，其纤芯层的掺杂物浓度设计及Δα_opt见表四，图4为α_opt与波长之间的关系图。

表四纤芯层中不同组分的掺杂浓度及Δα_opt

当纤芯层中GeO₂是唯一的掺杂时，850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt约为0.028，850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt约为0.104。

本实施方式中，通过降低芯层中心的F的浓度，增加芯层中心P₂O₅的浓度；同时增加芯层边界的F的浓度，降低芯层边界的P₂O₅的浓度，所述宽带半阶跃型多模光纤在850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.0082～0.022，在850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.02～0.08。从图2、3和4可以看出，在上述3种掺杂方式中，在很大的掺杂浓度范围内，随着纤芯层中心P₂O₅浓度和纤芯层边界F浓度的增大,在800～1500nm波长范围内，任意两个波长的最佳剖面α_opt差值越小，同时宽带的优化效果在波长上呈现一个展宽的趋势，即波长越宽的范围内可以小于给定的α_opt差值。

光纤预制棒的制造工艺中，考虑到P₂O₅和F的掺杂浓度提高对光纤性能带来的不利因素以及制造成本的问题，在实际应用中，需要根据应用波长范围和该范围α_opt差值的上限，确定所需要的掺杂浓度。

具有上述掺杂浓度的纤芯层可以使用改进的化学气相沉积法(MCVD)、等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)设备以及外部气相沉积法(OVD)进行制备，并且对应的宽带半阶跃型多模光纤在850nm-950nm的范围和850-1300nm的范围内实现多波长的高宽带的信息传输。

上述不同的掺杂浓度实现宽带半阶跃型多模光纤的折射率的最优α_opt分布在波长850-950nm的范围和850nm-1300nm的范围内呈现较小的变化值，实现高宽带波长展宽效果。所述宽带半阶跃型多模光纤的纤芯层具有维持恒定折射率的平台区，使得所述宽带半阶跃型多模光纤在具有尽量低的P₂O₅和/或F的掺杂摩尔浓度时，也可实现高宽带波长展宽效果，且具有高折射率的边缘区域使得所述宽带半阶跃型多模光纤的弯曲性能具有显著改善。

所述宽带半阶跃型多模光纤由光纤预制棒拉丝制造而成。本实施方式中，所述光纤预制棒基于MCVD、PCVD或OVD制备而成。具体地，通过连续地沉积多层获得所述纤芯层部分，首先沉积具有高折射率差的边缘区域，之后开始沉积折射率渐变的中心区域。其中，所述渐变区中每一个沉积层的折射率逐渐增加，对应不同浓度的SiO₂、GeO₂以及P₂O₅和/或F组合，直至最后一层的沉积层对应于所述光纤预制棒的中心r＝0的部分，整个沉积棒通过缩棒形成预制棒纤芯层部分。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种宽带半阶跃型多模光纤，其包括纤芯层和包层，其特征在于：所述纤芯层中掺杂有GeO₂以及P₂O₅和/或F，所述纤芯层包括同心设置的渐变区以及平台区，所述渐变区由所述纤芯层的中心向外延伸距离R1形成，所述平台区从距离所述纤芯层的中心R1处向外延伸距离R2-R1至所述纤芯层的边界形成，所述宽带半阶跃型多模光纤的折射率的分布满足以下公式：

$n^2\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_0^2(1-2\mathrm{\&Delta;}0{\left(\frac{r}{R1}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}),& r\&le;R1\\ n_{R1}^2,& R1<r\&le;R2\\ n_c^2,& R2<r\&le;R_{\max }\end{array}\right.,$

其中，r为距离所述纤芯层的纤芯轴的径向距离，R2为所述纤芯层的半径，Rmax为所述包层的半径，n₀为所述纤芯层中心的折射率，n_R1为所述渐变区的边界的折射率，n_c为所述包层的折射率，Δ0为纤芯层中心和渐变区的边界相对折射率差：

2.如权利要求1所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：所述纤芯层的半径R2为23～32um，所述平台区的宽度(R2-R1)为0.5～5um，包层的半径Rmax为40～100um。

3.如权利要求1或2所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：所述纤芯层中心掺杂有摩尔浓度为5％～11％的GeO₂以及摩尔浓度为1％～9％的P₂O₅，所述渐变区的边界和平台区掺杂有摩尔浓度为3.5％～5.5％的GeO₂以及摩尔浓度为0％～0.5％的P₂O₅，且P₂O₅在纤芯层的摩尔浓度随所述纤芯层的半径按如下函数变化：

$M_P\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{M}_{P0}-(M_{P0}-M_{Pb}){\left(\frac{r}{R1}\right)}^{{\mathrm{\&beta;}}_P},& r\&le;R1\\ M_{Pb},& R1<r\&le;R2\\ 0,& R2<r\&le;R_{max}\end{array}\right.$

其中，M_P0为纤芯层中心P₂O₅的摩尔浓度，M_Pb为纤芯层边界P₂O₅的摩尔浓度，β_p取值范围为1～5，M_P(r)为所述P₂O₅在距离所述纤芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。

4.如权利要求3所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：所述宽带半阶跃型多模光纤在850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.00～0.024，在850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0～0.088。

5.如权利要求1或2所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：所述纤芯层中心掺杂有摩尔浓度为11％～13％的GeO₂以及摩尔浓度为0％～0.5％的F，所述渐变区的边界和平台区掺杂有摩尔浓度为5.5％～11％的GeO₂以及摩尔浓度为1％～6％的F，且F在纤芯层的摩尔浓度随所述纤芯层的半径按如下函数变化：

$M_F\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{M}_{F0}-(M_{F0}-M_{Fb}){\left(\frac{r}{R1}\right)}^{{\mathrm{\&beta;}}_P},& r\&le;R1\\ M_{Fb},& R1<r\&le;R2\\ 0,& R2<r\&le;R_{\max }\end{array}\right.$

其中，M_F0为纤芯层中心F的摩尔浓度，M_Fb为芯层边界P₂O₅的摩尔浓度，β_F取值范围为1.5～7，M_F(r)为所述F在距离所述纤芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。

6.如权利要求5所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：所述宽带半阶跃型多模光纤在在850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.016～0.026，在850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.052～0.096。

7.如权利要求1或2所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：所述纤芯层中心掺杂有摩尔浓度为5％～12％的GeO₂、摩尔浓度为1％～3.5％的P₂O₅以及摩尔浓度为0％的F，所述渐变区的边界和平台区掺杂有摩尔浓度为6％～11％的GeO₂、摩尔浓度为0％的P₂O₅以及摩尔浓度为1％～3.5％的F，且P₂O₅和F在纤芯层的摩尔浓度随所述纤芯层的半径按如下函数变化：

$M_P\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{M}_{P0}-(M_{P0}-M_{Pb}){\left(\frac{r}{R1}\right)}^{{\mathrm{\&beta;}}_P},& r\&le;R1\\ M_{Pb},& R1<r\&le;R2\\ 0,& R2<r\&le;R_{max}\end{array}\right.$

$M_F\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{M}_{F0}-(M_{F0}-M_{Fb}){\left(\frac{r}{R1}\right)}^{{\mathrm{\&beta;}}_P}& r\&le;R1\\ M_{Fb},& R1<r\&le;R2\\ 0,& R2<r\&le;R_{\max }\end{array}\right.$

其中，M_P0为纤芯层中心P₂O₅的摩尔浓度，M_Pb为纤芯层边界P₂O₅的摩尔浓度，M_F0为纤芯层中心F的摩尔浓度，M_Fb为纤芯层边界F的摩尔浓度，β_p取值范围为1～5，β_F取值范围为1.5～7，M_P(r)为P₂O₅在距离所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度，M_F(r)为F在距离所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。

8.如权利要求7所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：所述宽带半阶跃型多模光纤在850nm～950nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.0082～0.022，在850nm～1300nm波长的最佳剖面折射率分布参数差值Δα_opt为0.02～0.08。

9.如权利要求1或2所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：纤芯层中心折射率差(Δ1)为0.9％～1.2％。

10.如权利要求1所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：渐变区的边界折射率差(Δ2)与纤芯层中心折射率差(Δ1)的关系为0.2Δ1≤Δ2≤0.6Δ1。

11.如权利要求1或2所述的宽带半阶跃型多模光纤，其特征在于：所述宽带半阶跃型多模光纤的数值孔径NA为0.185～0.215。