CN107193080B - 高带宽弯曲不敏感多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高带宽弯曲不敏感多模光纤，包括芯层和围绕芯层的包层，所述的芯层折射率剖面呈抛物线形，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、第二下陷包层和外包层，内包层单边径向宽度(R2‑R1)为1～3μm，相对折射率差Δ2为‑0.2％～0.05％；第一下陷包层单边径向宽度(R3‑R2)为3～8μm，相对折射率差Δ3为‑0.9％～‑0.3％；第二下陷包层单边径向宽度(R4‑R3)为6～30μm，且R4小于或等于58μm，相对折射率差Δ4为‑0.15～‑0.01％；外包层半径R5为60～65μm，相对折射率差Δ5为‑0.15～0.15％。本发明材料组成和结构设计合理，工艺控制方便，能改善和减小光纤内应力分布，增强光纤的抗弯曲性能并增大光纤的带宽。

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

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，光纤需要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。因此，这对多模光纤提出了更多苛刻的要求，其中光纤的带宽和抗弯曲特性是最重要的两项参数。

相对于常规的多模光纤，高带宽弯曲不敏感光纤不仅具有高带宽的特性，更有优异的抗弯曲性能，因为能在数据中心以及中心机房等特殊布置条件发挥出自身的优势。而在弯曲不敏感多模光纤的剖面设计和工艺设计中，主要的难点是如何通过相关设计保证光纤的宏弯性能，DMD(Differential Mode Delay,差分模式时延)性能以及带宽性能，同时达到相关标准的要求，并取得最优值。

为了获得具有良好稳定性的高带宽多模光纤，光纤折射率剖面，尤其是芯层折射率剖面必须与预期形状精确匹配。通常在光纤预制棒的芯层设计掺入一定浓度的锗、氟、氯、磷等一种或几种来实现所期望的光纤芯层的折射率分布。但光纤预制棒在经过高温熔融，再拉制冷却成光纤后，光纤内部残余应力会导致剖面的折射率分布发生畸变。因而在光纤生产过程中设法减少残余应力对折射率分布的影响很重要。在玻璃网络结构中，掺杂剂如锗、氟、氯、磷等离子以网络形成体、中间体或修饰体的形式存在，破坏了原有网络结构的整体性，在高温下能降低玻璃的粘度。掺杂离子浓度直接影响光纤的高温粘度。多模光纤芯层中心掺杂剂的量大于芯层边缘的掺杂量，导致光纤材料组分的高温粘度失配，加剧了光纤芯层残余应力的形成。

通过相关实验研究，对于弯曲不敏感多模光纤，不仅芯层和内包层的粘度设计影响光纤DMD和带宽，光纤剖面整体的粘度设计都会影响光纤DMD和带宽。

文献CN104360435中描述了一种弯曲不敏感多模光纤，其使用了粘度匹配的双内包层结构，从粘度设计上减少拉丝张力对光纤芯层部分的影响，降低光纤的弯曲敏感性，但未说明包层材料的粘度对光纤性能的影响。

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；

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：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：

其中，n_i为距离纤芯中心i位置的折射率；n₀为纯二氧化硅的绝对折射率。

渐变型多模光纤的芯层折射率剖面满足如下幂指数函数分布：

其中，n₁为光纤轴心的折射率；r为距离光纤轴心的距离；a为光纤芯半径；α为分布指数；Δ₀为纤芯中心相对纯二氧化硅的折射率。

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高带宽弯曲不敏感多模光纤，该光纤材料组成和结构设计合理，工艺控制方便，能改善和减小光纤内应力分布，增强光纤的抗弯曲性能并增大光纤的带宽。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括芯层和围绕芯层的包层，所述的芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为1.9～2.2，芯层的半径R1为23～27μm，最大相对折射率差Δ1为0.9％～1.2％，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、第二下陷包层和外包层，所述的内包层半径为R2，单边径向宽度(R2-R1)为1～3μm，相对折射率差Δ2为-0.2％～0.05％；所述的第一下陷包层半径为R3，单边径向宽度(R3-R2)为3～8μm，相对折射率差Δ3为-0.9％～-0.3％；所述的第二下陷包层半径为R4，单边径向宽度(R4-R3)为6～30μm，且R4小于或等于58μm，相对折射率差Δ4为-0.15～-0.01％；所述的外包层半径R5为60～65μm，相对折射率差Δ5为-0.15～0.15％。

按上述方案，所述的第二下陷包层为掺氟二氧化硅玻璃层，单边径向宽度(R4-R3)为8～28μm。

按上述方案，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层，或掺有铝、钙、镁、钛、锆、铁、钴、镍、锰、铜、锂、钠、钾、硼等掺杂剂中的一种或几种的二氧化硅玻璃层，其中掺杂二氧化硅玻璃层的铝的含量1～40ppm，金属元素总含量≤60ppm。

按上述方案，所述的第二下陷包层的材料粘度较第一下陷包层大，较外包层小。

按上述方案，所述的第二下陷包层的相对折射率差Δ4小于外包层的相对折射率差Δ5。

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波长具有3500MHz-km或3500MHz-km以上有效模式带宽(EMB)，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上有效模式带宽(EMB)。

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)，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上有效模式带宽(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。

本发明光纤制造方法的技术方案为：用含氟石英玻璃管作为沉积衬管，使用管内沉积法进行掺杂沉积，所述含氟石英玻璃管的相对折射率差为光纤包层中第二下陷包层的相对折射率差，根据光纤波导结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的流量，在沉积衬管内壁依次沉积下陷包层、内包层和芯层；

沉积完成后，用电加热炉将沉积后的衬管熔缩成实心芯棒，所述的实心芯棒包括有芯层、紧密包绕芯层的内包层、紧密包绕内包层的第一下陷包层和紧密包绕第一下陷包层的第二下陷包层；

以纯石英玻璃管或金属掺杂石英玻璃管为套管采用RIT工艺制得预制棒，或采用OVD或VAD或APVD外包沉积工艺沉积外包层制得预制棒；

将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤，在光纤表面涂覆固化的聚丙稀酸树脂层即成。

本发明的有益效果在于：1、通过合理的材料粘度设计与匹配，外包层粘度最大，在拉丝时外包层会承载较大比例的拉丝张力，降低拉丝张力对剖面结构尤其是芯层剖面结构的影响，使得纤芯、内包层和下陷包层部分的应力降低，应力变化平缓，剖面畸变减少，从而增大带宽；2、采用双下陷包层结构，第二下陷包层粘度大于第一下陷包层，小于外包层，使第二下陷包层承受部分拉丝张力，由于第二下陷包层宽度较宽，大的宽度使得拉丝张力进一步分配，应力变化平缓，减弱了拉丝张力对剖面结构的影响，尤其是对光纤芯层部分的影响，减少剖面畸变，增大带宽，同时也使光纤具备较强的抗弯曲性能；3、外包层粘度大，拉应力增大，具有更好的光纤强度；此外，通过在外包层掺杂可以适当调整外包层的材料粘度，使粘度匹配更趋合理；4、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，不需要增加工艺步骤，生产控制简单方便，工效高，适于规模化生产。

附图说明

图1是本发明的实施例一中的一个光纤折射率剖面示意图。

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。

本发明包括芯层和围绕芯层的包层，所述的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，芯层中心位的最大相对折射率差为Δ1；所述的包层由内到外依次为内包层、第一下陷包层、第二下陷包层和外包层，所述的内包层的半径为R2，单边径向宽度为(R2-R1)，相对折射率差为Δ2；所述的第一下陷包层的半径为R3，单边径向宽度为(R3-R2)，相对折射率差为Δ3；所述的第二下陷层的半径为R4，单边径向宽度为(R4-R3)，相对折射率差为Δ4；所述的外包层的半径为R5，相对折射率差为Δ5。光纤的结构和主要性能参数见表1。

表1：光纤的芯层结构参数及主要性能参数

宏弯附加损耗根据IEC60793-1-47方法测得，被测光纤按一定直径绕两圈，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(Encircled Flux)光注入条件。Encircled Flux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)。

Claims (7)

1.一种高带宽弯曲不敏感多模光纤，包括芯层和围绕芯层的包层，所述的芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为1.9～2.2，芯层的半径R1为23～27μm，最大相对折射率差

Δ1为0.9％～1.2％，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、第二下陷包层和外包层，所述的内包层半径为R2，单边径向宽度(R2-R1)为1～3μm，相对折射率差Δ2为-0.2％～0.05％；所述的第一下陷包层半径为R3，单边径向宽度(R3-R2)为3～8μm，相对折射率差Δ3为-0.9％～-0.3％；所述的第二下陷包层半径为R4，单边径向宽度(R4-R3)为11～30μm，且R4小于或等于58μm，相对折射率差Δ4为-0.15～-0.01％；所述的外包层半径R5为60～65μm，相对折射率差Δ5为-0.15～0.15％；所述的第二下陷包层的材料粘度较第一下陷包层大，较外包层小；所述的第二下陷包层的相对折射率差Δ4小于外包层的相对折射率差Δ5；所述的相对折射率差即Δ_i：

其中，n_i为距离纤芯中心i位置的折射率；n₀为纯二氧化硅的绝对折射率。

2.按权利要求1所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的第二下陷包层为掺氟二氧化硅玻璃层，单边径向宽度(R4-R3)为11～28μm。

3.按权利要求1或2所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层，或掺有铝、钙、镁、钛、锆、铁、钴、镍、锰、铜、锂、钠、钾、硼等掺杂剂中的一种或几种的二氧化硅玻璃层，其中掺杂二氧化硅玻璃层的铝的含量1～40ppm，金属元素总含量≤60ppm。

4.按权利要求1或2所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述光纤的数值孔径为0.185～0.215。

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在850nm波长具有3500MHz-km以上有效模式带宽，在1300nm波长具有500MHz-km以上有效模式带宽。

6.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以上的有效模式带宽，在1300nm波长具有500MHz-km以上有效模式带宽。

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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