CN108363138A - 一种渐变型超低衰减四模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种渐变型超低衰减四模光纤，包括有芯层和包层，芯层半径R1为9.8～20微米，芯层为抛物线型折射率分布，α为1.95～2.10，最大的芯层相对折射率差Δ1为‑0.05％～0.2％；芯层外从内向外依次包覆内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，内包层半径R2为13～23微米，Δ2为‑0.4％～‑0.15％；下陷内包层半径R3为16～26微米，Δ3为‑0.8％～‑0.3％；辅助外包层半径R4为37～50微米，Δ4为‑0.6％～‑0.25％；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。所述光纤在C波段上支持四个LP模式的传播：LP01、LP11、LP21和LP02。本发明不仅能支持四个模式的长距离信号传输，而且每个模式均具有较低的衰减系数，光纤的弯曲损耗、色散等综合性能在应力波段都处于一个很好的水平。

Description

一种渐变型超低衰减四模光纤
技术领域
本发明涉及一种用于光纤通信系统的少模光纤，具体涉及一种渐变型超低衰减四模光纤。
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，芯层折射率分布指数α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，光纤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。作为光纤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，以满足光纤通信系统实际发展的需要。衰减和模场直径是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。
目前，世界上的少模光纤技术主要针对光纤的群时延进行优化，如中国发明专利CN201280019895.2公开了用于空间多路复用的渐变折射率少模光纤设计，然而，上述技术方案是基于锗掺杂芯区来调整光纤芯区的折射率分布，由于锗掺杂石英散射系数较高，因此容易造成光纤的损耗较高，而对于超长距离大容量光纤通信的应用场景中，通常锗掺杂渐变折射率少模光纤在1550nm处的衰减系数都在0.19dB/km以上，过高的损耗会导致通信系统中误码的增加以及中继成本的增大。
中国专利CN104714273A和中国专利CN104698534A提出了一种阶跃型低损耗少模光纤，该专利采用折射率剖面阶梯式过渡的芯层，可以使光纤衰减得到一定程度的降低，并兼具较小的DGD，且在1550nm处满足四个LP模式的传输。但该专利的光纤芯层中仍有不少的锗元素掺杂，导致其衰减系数分布在0.18～0.2dB/km，并未达到一个极低的水平。
对于石英光纤在600nm-1600nm的衰减主要来自于瑞利散射，由瑞利散射所引起的衰减αR可由下式计算：
式中，λ为波长(μm)，R为瑞利散射系数(dB/km/μm4)，P为光强。当瑞利散射系数确认时，B为相应的常数。因而只要确定了瑞利散射系数R就可以得到因瑞利散射所引起的衰减αR(dB/km)。瑞利散射一方面是由于密度波动引起的，另一方面是由浓度波动引起的。因而瑞利散射系数R可以表示为
R＝Rd+Rc
上式中，Rd和Rc分别表示由于密度波动和浓度波动所引起的瑞利散射系数变化。其中Rc为浓度波动因子，其主要收到光纤玻璃部分掺杂浓度的影响，理论上采用越少的Ge和F或者其他掺杂，Rc越小，这也是目前国外某些企业在单模光纤中采用纯硅芯设计，实现低衰减性能的原因。
而参数Rd由玻璃的虚拟温度有关，在光纤使用纯硅芯设计时，为保证光纤的全反射，必须使用相对较低折射率的F掺杂内包层进行匹配。这样纯硅芯的芯层部分粘度相对较高，而同时大量F掺杂的内包层粘度较低，从而造成光纤结构粘度匹配失衡，从而使光纤的虚拟温度迅速增加，造成光纤的Rd增加。这样不仅抵消了掺杂降低带来的好处，更可能造成光纤衰减反向异常。
发明内容
为方便介绍发明内容，定义如下术语：
相对折射率Δni为光纤各层(除外包层外)与纯二氧化硅的相对折射率差。
从光纤纤芯中轴线算起，根据折射率的变化，定义为最靠近中轴线的那层为纤芯层，光纤的最外层即纯二氧化硅层为光纤外包层。
光纤各层相对折射率差Δni由以下方程式定义：
其中，ni为光纤各层(除包层外)的折射率，nc为外包层折射率，即纯二氧化硅的折射率。
光纤芯层Ge掺杂的相对折射率差贡献量ΔGe由以下方程式定义：
其中，nGe为纤芯的Ge掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅中，引起的二氧化硅玻璃折射率的变化量，其中nc为外包层折射率，即纯二氧化硅的折射率。
光纤芯层F掺杂的相对折射率差贡献量ΔF由以下方程式定义：
其中，nF为纤芯的F掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅中，引起的二氧化硅玻璃折射率的变化量，其中nc为外包层折射率，即纯二氧化硅的折射率。
光纤各模式的有效面积：
其中，E是与传播有关的电场，r为轴心到电场分布点之间的距离。
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的不足提供一种超低衰减的渐变型四模光纤，该光纤不仅衰减低，而且光纤的DGD、各模式的色散和弯曲损耗等综合性能好。
本发明为解决上述提出的问题所采取的技术方案为：包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层半径R1为9.8～20微米，芯层为抛物线型折射率分布，分布指数α为1.95～2.10，最大的芯层相对折射率差Δ1为-0.05％～0.2％；芯层外从内向外依次包覆内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径R2为13～23微米，相对折射率差Δ2为-0.4％～-0.15％；所述的下陷内包层半径R3为16～26微米，相对折射率差Δ3为-0.8％～-0.3％；所述的辅助外包层半径R4为37～50微米，相对折射率差Δ4为-0.6％～-0.25％；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层；所述光纤在C波段上支持四个LP模式的传播：LP01、LP11、LP21和LP02。
按上述方案，所述光纤参数满足如下公式：其中，r1为芯层半径；n1为芯层的折射率值；n4为辅助外包层的折射率值。
按上述方案，所述的芯层为锗氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，或为锗与碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，其中锗的相对折射率贡献量是0.02％～0.15％，碱金属含量为5～5000ppm。
按上述方案，所述芯层中碱金属为锂、钠、钾、铷、铯、钫碱金属离子中的一种或多种。
按上述方案，所述光纤中的基模LP01模的有效面积为100～170μm2，高阶模LP11模的有效面积为100～200μm2，LP21模的有效面积为100～200μm2，LP02模的有效面积为100～200μm2。
按上述方案，所述光纤LP11模和LP01模之间的差分群时延DGD为-0.5～0.5ps/m，LP21模和LP01模之间的差分群时延DGD为-0.6～0.6ps/m，LP02模和LP01模之间的差分群时延DGD为-0.6～0.6ps/m。
按上述方案，所述光纤各个模式在波长1550nm处的色散等于或小于24ps/(nm·km)。
按上述方案，所述光纤在波长1550nm处各模式的衰耗均小于或等于0.170dB/km，优选条件下等于或小于0.165dB/km。
按上述方案，所述光纤各个模式在波长1700nm处的微弯损耗小于或等于5dB/km。
按上述方案，所述光纤各模式在波长1550nm处，R15mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯损耗等于或小于0.25dB，R10mm弯曲半径弯曲1圈的宏弯损耗等于或小于0.75dB。
按上述方案，所述光纤各个模式在1550nm处的模场直径为11～16微米。
本发明的有益效果在于：1、采用锗氟及碱金属共掺、或锗与碱金属共掺的芯层设计，合理的设计了光纤内部的粘度匹配，减少光纤制备过程中的缺陷，降低了光纤的衰减系数。2、设计了合理的光纤氟掺杂下陷结构，并通过对光纤各层剖面的合理设计，构成渐变型两模光纤，并使光纤各模式均有较大的有效面积。3、本发明四模光纤的DGD、各模式的色散和弯曲损耗等综合性能参数在应用波段良好。可使用空分复用技术，进行超低损耗的少模复用传输。4、最外层的包层结构采用纯二氧化硅的设计，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明一个实施例的径向结构示意图。
图2为本发明一个实施例的光纤的折射率剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
包括有芯层和包层，所述芯层半径为R1，芯层为抛物线型折射率分布，分布指数α为1.95～2.10，最大的芯层相对折射率差为Δ1；芯层外从内向外依次包覆内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述光纤的内包层半径为R2，相对折射率差为Δ2；所述光纤的下陷内包层半径为R3，相对折射率差为Δ3；所述的辅助外包层半径为R4，相对折射率差为Δ4；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层，半径R5为62.5微米。5个实施例光纤的结构和主要性能参数见表1和表2。
表1：实施例少模光纤的结构和材料组成
序号 1 2 3 4 5
半径R1(μm) 11 12 13 14 15
相对折射率差Δ1(％) 0.1 0.08 0.05 -0.03 0.01
F的贡献量ΔF(％) -0.03 -0.06 -0.07 -0.08 -0.1
半径R2(μm) 14 15 16 17 18
相对折射率差Δ2(％) -0.3 -0.28 -0.32 -0.27 -0.23
半径R3(μm) 18 19 20 21 22
相对折射率差Δ3(％) -0.8 -0.6 -0.7 -0.8 -0.7
半径R4(μm) 32 35 35 40 45
相对折射率差Δ4(％) -0.28 -0.27 -0.23 -0.31 -0.23
表2：实施例少模光纤的主要性能参数

Claims (10)

1.一种渐变型超低衰减四模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层半径R1为9.8～20微米，芯层为抛物线型折射率分布，分布指数α为1.95～2.10，最大的芯层相对折射率差Δ1为-0.05％～0.2％；芯层外从内向外依次包覆内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径R2为13～23微米，相对折射率差Δ2为-0.4％～-0.15％；所述的下陷内包层半径R3为16～26微米，相对折射率差Δ3为-0.8％～-0.3％；所述的辅助外包层半径R4为37～50微米，相对折射率差Δ4为-0.6％～-0.25％；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层；所述光纤在C波段上支持四个LP模式的传播：LP01、LP11、LP21和LP02。
2.按权利要求1所述的渐变型超低衰减四模光纤，其特征在于所述光纤参数满足如下公式：其中，r1为芯层半径；n1为芯层的折射率值；n4为辅助外包层的折射率值。
3.按权利要求1或2所述的渐变型超低衰减四模光纤，其特征在于所述的芯层为锗氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，或为锗与碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，其中锗的相对折射率贡献量是0.02％～0.15％，碱金属含量为5～5000ppm。
4.按权利要求3所述的渐变型超低衰减四模光纤，其特征在于所述芯层中碱金属为锂、钠、钾、铷、铯、钫碱金属离子中的一种或多种。
5.按权利要求1或2所述的渐变型超低衰减四模光纤，其特征在于所述光纤中的基模LP01模的有效面积为100～170μm2，高阶模LP11模的有效面积为100～200μm2，LP21模的有效面积为100～200μm2，LP02模的有效面积为100～200μm2。
6.按权利要求1或2所述的渐变型超低衰减四模光纤，其特征在于所述光纤LP11模和LP01模之间的差分群时延DGD为-0.5～0.5ps/m，LP21模和LP01模之间的差分群时延DGD为-0.6～0.6ps/m，LP02模和LP01模之间的差分群时延DGD为-0.6～0.6ps/m。
7.按权利要求1或2所述的渐变型超低衰减四模光纤，其特征在于所述光纤各个模式在波长1550nm处的色散等于或小于24ps/(nm·km)；所述光纤各个模式在1550nm处的模场直径为11～16微米。
8.按权利要求1或2所述的渐变型超低衰减四模光纤，其特征在于所述光纤在波长1550nm处各模式的衰耗均小于或等于0.170dB/km。
9.按权利要求1或2所述的渐变型超低衰减四模光纤，其特征在于所述光纤各个模式在波长1700nm处的微弯损耗小于或等于5dB/km。
10.按权利要求1或2所述的渐变型超低衰减四模光纤，其特征在于所述光纤各模式在波长1550nm处，R15mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯损耗等于或小于0.25dB，R10mm弯曲半径弯曲1圈的宏弯损耗等于或小于0.75dB。
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