CN108375815B - 一种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，所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，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，芯层中心最大相对折射率差Δ1max为0.9％～1.2％，所述的芯层为锗磷氟Ge、P、F三元共掺的二氧化硅玻璃层，芯层中心的P的贡献量ΔP0为0.01％～0.30％，芯层与内包层交界的P的贡献量ΔP1为0.01％～0.30％，芯层中心P含量与芯层边缘保持一致，芯层中心到芯层边缘方向，F掺杂量呈递增状，芯层中心的F的贡献量ΔF0为0.0％～‑0.1％，芯层边缘F的贡献量ΔF1为‑0.40％～‑0.20％。本发明材料组成和芯包层结构设计合理，降低了色度色散，提高了带宽性能，并降低了光纤衰耗。

Description

一种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。在设计抗弯多模光纤折射率剖面时，可以采用在光纤包层增加低折射率区域的方法来限制高阶模的泄漏，使信号损失最小化。抗弯多模光纤优异的抗弯曲性能使得其能够被高效地应用在数据中心局域网中。
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：
Figure BDA0001631742970000011
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：
Δi％＝[(ni 2-n0 2)/2ni 2]×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。
在传统的掺锗多模光纤中，锗掺杂被用于在多模光纤的芯层处形成接近抛物线的折射率剖面，并通过优化该剖面的α值实现高带宽。然而，由于掺锗芯层的色度色散较高，最优α值对光纤中传播的光的工作波长的敏感。因此，传统的多模光纤带宽对芯层α的波动十分敏感，稍微偏离最优α值就会导致带宽的降低，使得传统多模光纤的高带宽工作波长范围很窄。另外，由于锗是半径较大的金属原子，当其掺杂量较高时，光纤的衰耗较高。波分复用技术要求光纤能够支持多个波长窗口下的高性能传输，因此多模光纤需要在较宽的范围内对工作波长不敏感，以保证有较大的高带宽工作窗口。相对于单掺锗的芯层，通过优化掺杂组分的类别、浓度和方式，多组分掺杂的芯层可以具有相对传统多模光纤单掺锗芯层更小的色度色散，从而在较宽的范围内具有较高的带宽。
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；
磷(P)的贡献量：掺磷(P)石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值磷(ΔP)，以此来表示掺磷(P)量。
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足提供一种材料组成和芯包层结构设计合理、工艺控制方便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，所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，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，芯层中心最大相对折射率差Δ1max为0.9％～1.2％，所述的芯层为锗磷氟Ge、P、F三元共掺的二氧化硅玻璃层，P和Ge作为正掺杂剂，芯层中心的P的贡献量ΔP0为0.01％～0.30％，芯层与内包层交界的P的贡献量ΔP1为0.01％～0.30％，芯层中心和边缘的P的贡献量之差
Figure BDA0001631742970000031
ΔP10小于或等于5％，芯层中心P含量与芯层边缘保持一致，即浓度差尽可能小；芯层F作为负掺杂剂，芯层中心到芯层边缘方向，F掺杂量呈递增状，芯层中心的F的贡献量ΔF0为0.0％～-0.1％，芯层边缘F的贡献量ΔF1为-0.40％～-0.20％。
按上述方案，所述的内包层为磷氟P、F共掺的二氧化硅玻璃层，其中F掺杂的贡献量ΔF2为-0.18％～-0.08％，内包层外边缘的P贡献量ΔP2为0％～0.40％，芯层和内包层交界处与内包层外边缘的P的贡献量之差为ΔP21＝ΔP2-ΔP1，ΔP21为-0.3％～-0.01％或0.01％～0.20％。
按上述方案，内包层的P浓度变化从内至外分为平台区和渐变区，平台区的浓度基本保持不变，而后逐渐增加或逐渐降低，平台区的宽度T1为0.1-2μm，渐变区的宽度T2为2-4μm；所述的内包层宽度(R2-R1)为1.0～5.0μm，内包层的相对折射率差Δ2＝ΔP2+ΔF2，平台区和渐变区的ΔF2保证Δ2介于-0.09％～0.09％。
按上述方案，所述的下陷包层宽度(R3-R2)为3.0～7.0μm，相对折射率差Δ3为-0.9％～-0.3％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述光纤的DMD Inner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于等于0.33ps/m；DMD Interval Mask小于等于0.25ps/m；优选条件下光纤的DMD的InnerMask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于等于0.14ps/m，DMD Interval Mask小于等于0.11ps/m。
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)；在875nm波长具有3400MHz-km或3400MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)；在900nm波长具有2900MHz-km或2900MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)；在925nm波长具有2800MHz-km或2800MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)；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、本发明通过对芯层氟掺杂量的优化，实现对于光传输带宽性能的优化，在带宽性能提高的同时，带宽-波长敏感性降低；2、光纤芯层采用Ge/P/F共掺，通过增大磷的浓度，降低锗的浓度，有利于改进芯层材料的材料色散特性，降低色度色散，进一步提高带宽性能，并降低光纤衰耗；3、由于P不易于流量计精确控制形成精确的折射率剖面，且易挥发易扩散，因此芯层磷的浓度相对固定，浓度差很小，中心跟边缘的浓度基本保持不变，芯层的渐变型折射率通过Ge/F来精确控制；4、采用内包层掺P方式，分为平台区和渐变区，平台区避免了因芯层和内包层的界面处两侧存在P浓度差导致的P扩散从而使得芯层剖面发生畸变，即在包层靠近芯层的部分保持与芯层相同的磷浓度差，可以避免磷在芯层和包层之间的扩散；渐变区主要由梯度掺杂和P的扩散形成；渐变区域符合菲克定律，可以逐渐增加或减少。渐变区域逐渐增加的磷还可以作为调节粘度匹配的辅助剂，改进内包层和下陷包层的材料粘度匹配；5、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；6、合理的下陷包层参数设计，提高了光纤弯曲不敏感曲性能；7、本发明光纤具有优异的抗弯曲性能，可适用于接入网和小型化光器件中。本发明使多模光纤传输容量得到进一步提升，适应了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；8、本发明制造方法简便，适于大规模生产。
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掺杂量剖面示意图。
图3是本发明另一个实施例的掺杂量剖面示意图。
图4是本发明所述高带宽弯曲不敏感多模光纤和对比例的有效模式带宽(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。
包括有芯层和包层，所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，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，芯层中心最大相对折射率差Δ1max为0.9％～1.2％，所述的芯层为锗磷氟Ge、P、F三元共掺的二氧化硅玻璃层，P和Ge作为正掺杂剂，芯层中心的P的贡献量为ΔP0，芯层与内包层交界的P的贡献量为ΔP1，芯层中心和边缘的P的贡献量之差
Figure BDA0001631742970000051
芯层中心P含量与芯层边缘保持一致，即浓度差尽可能小；芯层F作为负掺杂剂，芯层中心到芯层边缘方向，F掺杂量呈递增状，芯层中心的F的贡献量为ΔF0，芯层边缘F的贡献量为ΔF1。所述的内包层为磷氟P、F共掺的二氧化硅玻璃层，其中F掺杂的贡献量ΔF2为-0.18％～-0.08％，内包层外边缘的P贡献量ΔP2为0％～0.40％，芯层和内包层交界处即内包层内边缘与内包层外边缘的P的贡献量之差为ΔP21＝ΔP2-ΔP1。所述的内包层半径为R2，内包层的相对折射率差为Δ2，所述的下陷包层半径为R3，相对折射率差为Δ3；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层，外包层半径为62.5μm。
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。
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
Figure BDA0001631742970000061

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，所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，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，芯层中心最大相对折射率差Δ1max为0.9％～1.2％，所述的芯层为锗磷氟Ge、P、F三元共掺的二氧化硅玻璃层，P和Ge作为正掺杂剂，芯层中心的P的贡献量ΔP0为0.01％～0.30％，芯层与内包层交界的P的贡献量ΔP1为0.01％～0.30％，芯层中心和边缘的P的贡献量之差
Figure FDA0002232658030000011
ΔP10小于或等于5％，芯层中心P含量与芯层边缘保持一致，芯层F作为负掺杂剂，芯层中心到芯层边缘方向，F掺杂量呈递增状，芯层中心的F的贡献量ΔF0为0.0％～-0.1％，芯层边缘F的贡献量ΔF1为-0.40％～-0.20％；所述的内包层为磷氟P、F共掺的二氧化硅玻璃层，其中F掺杂的贡献量ΔF2为-0.18％～-0.08％，内包层外边缘的P贡献量ΔP2为0％～0.40％，芯层和内包层交界处与内包层外边缘的P的贡献量之差为ΔP21＝ΔP2-ΔP1，ΔP21为-0.3％～-0.01％或0.01％～0.20％。
2.按权利要求1所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，其特征在于内包层的P浓度变化从内至外分为平台区和渐变区，平台区的浓度基本保持不变，而后逐渐增加或逐渐降低，平台区的宽度T1为0.1-2μm，渐变区的宽度T2为2-4μm；所述的内包层宽度(R2-R1)为1.0～5.0μm，内包层的相对折射率差Δ2＝ΔP2+ΔF2，平台区和渐变区的ΔF2保证Δ2介于-0.09％～0.09％。
3.按权利要求1或2所述的高带宽弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的下陷包层宽度(R3-R2)为3.0～7.0μm，相对折射率差Δ3为-0.9％～-0.3％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
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DMDInner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于等于0.33ps/m；DMD IntervalMask小于等于0.25ps/m。
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。
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。
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(EMB)；在875nm波长具有3400MHz-km或3400MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)；在900nm波长具有2900MHz-km或2900MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)；在925nm波长具有2800MHz-km或2800MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)；在950nm波长具有2500MHz-km或2500MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。
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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