CN111257994A - 宽带抗弯多模光纤 - Google Patents

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CN111257994A CN201811457678.7A CN201811457678A CN111257994A CN 111257994 A CN111257994 A CN 111257994A CN 201811457678 A CN201811457678 A CN 201811457678A CN 111257994 A CN111257994 A CN 111257994A
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许维维
成煜
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Abstract

本发明提供一种宽带抗弯多模光纤，包括芯层、基管、下陷包层及外包层，所述基管、下陷包层及外包层沿径向的横截面均为圆环，其特征在于：所述芯层中掺杂有GeO2，P2O5和F，所述芯层为折射率渐变区，所述芯层半径为R1，所述基管套设于所述芯层外侧，所述基管的宽度为R2‑R1，所述下陷包层设置在所述基管的外侧，所述下陷包层的宽度为R3‑R2，所述外包层套设于所述下陷包层的外侧，所述外包层的宽度为Rmax‑R3，所述芯层中的P2O5和F的摩尔浓度随所述芯层的半径变化。本发明提供的宽带抗弯多模光纤，降低了所制造的抗弯多模光纤的成本并且具有良好的抗弯性能。

Description

宽带抗弯多模光纤
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种宽带抗弯多模光纤。
背景技术
传统的抗弯多模光纤采用管内法制造，其中芯层沉积掺GeO2的石英，外面再沉积掺F的石英深下陷包层，外层再套纯石英套管。但是由于多模光纤本身的沉积芯层很大，且多模预制棒的沉积速率远低于单模预制棒的沉积速率，造成多模光纤在市场上的售价远高于单模光纤。目前，降低多模光纤的制造成本的方法不多，主要是采用提高沉积速率、增大芯棒尺寸以及廉价的原材料，但是这些方法受到工艺的局限，也带来多模光纤衰耗的略微增大为代价。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种宽带抗弯多模光纤，其降低了生产成本且具有良好的抗弯性能。
本发明提供一种宽带抗弯多模光纤，包括芯层、基管、下陷包层及外包层，所述基管、下陷包层及外包层沿径向的横截面均为圆环，所述芯层中掺杂有GeO2，P2O5和F，所述芯层为折射率渐变区，所述芯层半径为R1，所述基管套设于所述芯层外侧，所述芯层中心到所述基管边界的距离为R2，所述基管的宽度为R2-R1，所述下陷包层设置在所述基管的外侧，所述芯层中心到所述下陷包层边界的距离为R3，所述下陷包层的宽度为R3-R2，所述外包层套设于所述下陷包层的外侧，所述芯层中心到所述外包层边界的距离为Rmax，所述外包层的宽度为Rmax-R3，所述芯层中的F的摩尔浓度随所述芯层的半径变化，满足如下公式：
Figure BDA0001888060550000011
其中，MF0为所述芯层中心的F的摩尔浓度，βF的取值范围为6-10，所述MF(r)表示所述F在所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。
进一步的，所述βF的取值范围优选为7-9。
进一步的，所述芯层中的P2O5的摩尔浓度随所述芯层的半径变化，满足如下公式：
Figure BDA0001888060550000021
其中，MP0为纤芯层中心P2O5的摩尔浓度，βp取值范围为2.0-4.5，所述MP(r)表示所述P2O5在所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。
进一步的，所述βp的取值范围优选为2.5-3.5。
进一步的，所述芯层中心的折射率差Δn0为0.0127-0.0167，所述芯层半径R1为22-26μm，所述基管的宽度R2-R1为5.5-10.5μm，所述芯层中心至所述外包层边缘距离Rmax为62.5±2.5μm。
进一步的，所述芯层半径R1优选为23-24μm，所述基管的宽度，优选6.5-9.5μm。
进一步的，所述下陷包层沉积在所述基管外壁或在所述基管外侧外套一掺氟石英形成。
进一步的，所述下陷包层的宽度R3-R2为3.5-5.5μm，所述下陷包层的折射率差Δn2为-0.007～-0.004，K＝Δn2*(R3-R2)，并且满足-0.025<K<-0.022。
进一步的，所述芯层的折射率剖面呈α幂指数函数分布，α为所述渐变区折射率剖面分布参数，其中所述芯层的中心折射率为n0，所述芯层的边界折射率为n1，所述基管的折射率为nsio2，所述下陷包层的折射率为n2，所述外包层折射率为nC，所述光纤的折射率计算公式为：
Figure BDA0001888060550000031
其中，α取值范围为1.90-2.10，r为所述芯层上任意一点位置到所述芯层中心的径向距离，n1＝nSiO2，nc＝nSiO2，Δ为所述芯层中心和芯层边界的相对折射率差Δ＝(n0 2-n1 2)/(2n0 2)。
本发明提供的宽带抗弯多模光纤，因其不需要沉积凹陷部分，将高成本的下陷包层沉积层去掉，在基管外壁采用廉价方法制备一个下陷层/或外套一根廉价掺F石英，预制棒生产的光纤比同样沉积量的其它抗弯多模光纤预制棒增加20％或以上，降低了所制造的抗弯多模光纤的成本并且具有良好的抗弯性能。
附图说明
图1为本发明一实施方式中的光纤折射率剖面示意图。
图2为本发明一实施方式中的F的掺杂量随芯层半径的变化示意图。
图3为本发明另一实施方式中的F的掺杂量随芯层半径的变化示意图。
图4为图3实施方式中的P2O5的掺杂量随芯层半径的变化示意图。
如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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，图1为本发明一实施方式中的宽带抗弯多模光纤的折射率剖面示意图，所述光纤用于数据的传输，所述光纤包括由内向外依次包括芯层、基管、下陷包层及外包层。
所述芯层以二氧化硅为基质，在所述芯层中掺杂GeO2，P2O5及F，所述芯层为折射率渐变区，所述芯层横截面为圆形，其半径为R1，即所述渐变区的半径为R1。在本实施方式中，所述渐变区半径R1为22-26μm，优选为23-24μm。所述芯层的折射率剖面呈α幂指数函数分布，α为所述渐变区折射率剖面分布参数，其α值为1.90-2.10。所述芯层的中心折射率为n0，其与所述外包层的折射率差Δn0取值范围为0.0127-0.0167，所述芯层的边界折射率为n1。
所述基管套设于所述芯层外侧，所述基管沿径向的横截面为环形，内径为R1，外径为R2，所述基管的宽度为R2-R1。通过软件模拟，发现当基管的宽度大于5.5um时该抗弯多模光纤所有模式都可被限制在芯层渐变区内传输，且绝大部分能量都分布在芯层区域，基管区和下陷区没有发现传输模式；当基管的宽度小于5.5um，基管开始存在传输模式，将导致测试的光纤芯层直径大于52.5um，即标准纤芯直径的上限；当平台区大于10.5um时，本专利设计的多模光纤的弯曲性能变差，或不满足同类抗弯曲多模光纤的抗弯曲性能标准。因此，在本实施方式中，所述基管的宽度R2-R1为5.5-10.5μm，优选6.5-9.5μm。所述基管的折射率为nsio2，所述芯层的边界折射率n1与所述基管的折射率nsio2相同，在本实施方式中，所述基管为纯二氧化硅套管，其与所述芯层边界和外包层的折射率差为0。
所述下陷包层套设于所述基管外侧，所述下陷包层沿径向的横截面为环形，具体的，所述下陷包层沉积在所述基管外壁或在所述基管外侧外套一掺氟石英形成，在本实施方式中，所述下陷包层采用等离子外包的方式沉积在所述基管外壁。所述下陷包层的内径为R2，外径为R3，所述下陷包层的宽度为R3-R2，在本实施方式中，所述下陷包层的宽度R3-R2为3.5-5.5μm，折射率为n2。所述下陷包层的折射率差Δn2设定在-0.007～-0.004之间，定义K＝Δn2*(R3-R2)，并且满足-0.025<K<-0.022，引入K值用于保证抗弯多模光纤的弯曲损耗满足标准，同时保证所述基管区没有传输模式和能量。
所述外包层套设于所述下陷包层外侧，所述外包层沿径向的横截面为环形，所述外包层的内径为R3，外径为Rmax，所述外包层折射率为nC，在本实施方式中，所述Rmax设定在60-65μm之间，在本实施方式中，所述外包层为纯二氧化硅套管，所述外包层折射率nC和所述芯层的边界折射率n1以及所述基管的折射率nsio2相同。
所述光纤的折射率分布满足公式(1)要求：
Figure BDA0001888060550000051
其中，α为所述渐变区折射率剖面分布参数，r为所述芯层上任意一点A到所述芯轴的径向距离，Δ为所述芯层中心和芯层边界的相对折射率差，Δ＝(n0 2-n1 2)/(2n0 2)。
所述芯层中的F的摩尔浓度随所述芯层的半径变化，满足公式(2)：
Figure BDA0001888060550000052
其中，MF0为所述芯层中心的F的摩尔浓度，βF的取值范围为6-10，优选为7-9，所述MF(r)表示所述F在所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。
如图2所示，本发明一实施方式中，所述芯层中心掺杂有摩尔浓度为13％～14％的GeO2以及摩尔浓度为0.2％～0.8％的F。所述渐变区的边界掺杂有摩尔浓度为1.4％～8％的GeO2以及摩尔浓度为5％～7％的F。其中，F在所述芯层的摩尔浓度随所述芯层的半径变化，满足公式(2)，在所述基管和外包层的F的浓度为0，所述下陷包层中F的浓度MFd为恒量。要实现多模光纤的带宽最大化，必须使其模间色散最小，即要选择一个最佳剖面折射率分布参数，根据最佳剖面折射率分布参数差值的计算公式得出Δαopt(850-950nm)为0.05，说明所述光纤可以实现在850nm到950nm宽带范围内的有效模式带宽(EMB)可以达到最大，并满足在850nm到950nm任意选择四个波长进行波分复用。
所述芯层中的P2O5的摩尔浓度随所述芯层的半径变化，满足如下公式：
Figure BDA0001888060550000061
其中，MP0为纤芯层中心P2O5的摩尔浓度，所述MP(r)表示所述P2O5在所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度，βp取值范围为2.0-4.5，优选为2.5-3.5。
请参阅图3和图4，本发明另一实施方式中，所述芯层中心掺杂有摩尔浓度为9.6％～10.8％的GeO2以及摩尔浓度为0.4％～1.5％的F和3.2％～3.5％的P2O5。所述渐变区的边界掺杂有摩尔浓度为8％～9％的GeO2以及摩尔浓度为4.5％～5％的F和0％～1.2％的P2O5。所述芯层中的F的摩尔浓度随所述芯层的半径变化并且满足公式(2)，其中MF0为纤芯层中心F的摩尔浓度，βF取值范围为6.5～9，优选为7～8.5，在所述基管和外包层的F的浓度为0，在下陷包层中F的浓度MFd为恒量。所述芯层中的P2O5的摩尔浓度随所述芯层的半径变化并且满足公式(3)，要实现多模光纤的带宽最大化，必须使其模间色散最小，即要选择一个最佳剖面折射率分布参数，根据最佳剖面折射率分布参数差值的计算公式得出Δαopt(850-950nm)为0.005，说明所述光纤可以实现在850nm到950nm宽带范围内的有效模式带宽(EMB)可以达到最大，并满足在850nm到950nm任意选择四个波长进行波分复用。
下面将结合具体的实施例对本发明做进一步说明。
例子1
该例子采用PCVD工艺制备光纤预制棒，所述芯层的中心折射率与外包层折射率差n0-nc为0.0145，所述芯层的边界折射率与外包层折射率差n1-nc为0，所述下陷包层与外包层的折射率差n2-nc为-0.005，所述渐变区半径R1为24.3μm，所述基管的宽度R2-R1为8.1μm，所述下陷包层的宽度R3-R2为4.9μm，Rmax为62.5μm，k＝-0.0245，所述芯层掺杂GeO2和F，掺杂的F满足公式(2)的要求，所述下陷包层F的掺杂浓度为1.3％，光纤中心的色散为-97ps/(nm·km)，测试多模光纤的芯直径为49.4um，光纤的数值孔径NA为0.1995，以R7.5mm绕2圈的弯曲损耗测试值：在850nm波长的弯曲损耗为0.01dB，在1300nm波长的弯曲损耗为0.1dB；以R15mm绕2圈的弯曲损耗测试值：在850nm波长的弯曲损耗为0.04dB，在1300nm波长的弯曲损耗为0.02dB。
例子2
该例子采用MCVD工艺制备光纤预制棒，所述芯层的中心折射率与外包层折射率差n0-nc为0.0139，所述芯层的边界折射率与外包层折射率差n1-nc为0，所述下陷包层与外包层的折射率差n2-nc为-0.0056，所述渐变区半径R1为24.85μm，所述基管的宽度R2-R1为8.5μm，所述下陷包层的宽度R3-R2为4.15μm，Rmax为62.5μm，k＝-0.02296，所述芯层掺杂GeO2、F及P2O5，掺杂的F和P2O5满足公式(2)(3)的要求，所述下陷包层F的掺杂浓度为15.45％，光纤中心的色散为-96.2ps/(nm·km)，测试多模光纤的芯直径为50.3um，光纤的数值孔径NA为0.1953，以R7.5mm绕2圈的弯曲损耗测试值：在850nm波长的弯曲损耗为0.13dB，在1300nm波长的弯曲损耗为0.29dB；以R15mm绕2圈的弯曲损耗测试值：在850nm波长的弯曲损耗为0.01dB，在1300nm波长的弯曲损耗为0.05dB。
例子3
该例子采用MCVD工艺制备光纤预制棒，所述芯层的中心折射率与外包层折射率差n0-nc为0.0141，所述芯层的边界折射率与外包层折射率差n1-nc为0，所述下陷包层与外包层的折射率差n2-nc为-0.0052，所述渐变区半径R1为25.05μm，所述基管的宽度R2-R1为6.4μm，所述下陷包层的宽度R3-R2为4.5μm，Rmax为62.5μm，k＝-0.0234，所述芯层掺杂GeO2、F及P2O5，掺杂的F和P2O5满足公式(2)(3)的要求，所述下陷包层F的掺杂浓度为15.45％，光纤中心的色散为-96.2ps/(nm·km)，测试多模光纤的芯直径为50.9um，光纤的数值孔径NA为0.1967，以R7.5mm绕2圈的弯曲损耗测试值：在850nm波长的弯曲损耗为0.06dB，在1300nm波长的弯曲损耗为0.2dB；以R15mm绕2圈的弯曲损耗测试值：在850nm波长的弯曲损耗为0.006dB，在1300nm波长的弯曲损耗为0.07dB。
例子4
该例子采用MCVD工艺制备光纤预制棒，所述芯层的中心折射率与外包层折射率差n0-nc为0.0143，所述芯层的边界折射率与外包层折射率差n1-nc为0，所述下陷包层与外包层的折射率差n2-nc为-0.0062，所述渐变区半径R1为24.9μm，所述基管的宽度R2-R1为8.9μm，所述下陷包层的宽度R3-R2为3.7μm，Rmax为62.5μm，k＝-0.02232，所述芯层掺杂GeO2、F及P2O5，掺杂的F和P2O5满足公式(2)(3)的要求，所述下陷包层F的掺杂浓度为15.45％，光纤中心的色散为-96.2ps/(nm·km)，测试多模光纤的芯直径为50.6um，光纤的数值孔径NA为0.1981，以R7.5mm绕2圈的弯曲损耗测试值：在850nm波长的弯曲损耗为0.18dB，在1300nm波长的弯曲损耗为0.37dB；以R15mm绕2圈的弯曲损耗测试值：在850nm波长的弯曲损耗为0.03dB，在1300nm波长的弯曲损耗为0.1dB。
有上述例子可知，所述光纤在850nm波长，以7.5mm半径弯曲绕2圈的附加损耗不超过0.18dB，以15mm半径弯曲绕2圈的附加损耗不超过0.01dB；在1300nm波长，以7.5mm半径弯曲绕2圈的附加损耗不超过0.37dB，以15mm半径弯曲绕2圈的附加损耗不超过0.1dB，所述光纤在850nm到950nm宽带范围内的有介于5700MHz-km～2500MHz-km的有效模式带宽，具有良好的抗弯性能。
本发明提供的宽带抗弯多模光纤，因其不需要沉积凹陷部分，将高成本的下陷包层沉积层去掉，在基管外壁采用廉价方法制备一个下陷层/或外套一根廉价掺F石英，预制棒生产的光纤比同样沉积量的其它抗弯多模光纤预制棒增加20％或以上，降低了所制造的抗弯多模光纤的成本并且具有良好的抗弯性能。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种宽带抗弯多模光纤，包括芯层、基管、下陷包层及外包层，所述基管、下陷包层及外包层沿径向的横截面均为圆环，其特征在于：所述芯层中掺杂有GeO2，P2O5和F，所述芯层为折射率渐变区，所述芯层半径为R1，所述基管套设于所述芯层外侧，所述芯层中心到所述基管边界的距离为R2，所述基管的宽度为R2-R1，所述下陷包层设置在所述基管的外侧，所述芯层中心到所述下陷包层边界的距离为R3，所述下陷包层的宽度为R3-R2，所述外包层套设于所述下陷包层的外侧，所述芯层中心到所述外包层边界的距离为Rmax，所述外包层的宽度为Rmax-R3，所述芯层中的F的摩尔浓度随所述芯层的半径变化，满足如下公式：
Figure FDA0001888060540000011
其中，MF0为所述芯层中心的F的摩尔浓度，βF的取值范围为6-10，所述MF(r)表示所述F在所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。
2.如权利要求1所述的宽带抗弯多模光纤，其特征在于：所述βF的取值范围为7-9。
3.如权利要求1所述的宽带抗弯多模光纤，其特征在于：所述芯层中的P2O5的摩尔浓度随所述芯层的半径变化，满足如下公式：
Figure FDA0001888060540000012
其中，MP0为纤芯层中心P2O5的摩尔浓度，βp取值范围为2.0-4.5，所述MP(r)表示所述P2O5在所述芯层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度。
4.如权利要求3所述的宽带抗弯多模光纤，其特征在于：所述βp的取值范围为2.5-3.5。
5.如权利要求1所述的宽带抗弯多模光纤，其特征在于：所述芯层中心的折射率差Δn0为0.0127-0.0167，所述芯层半径R1为22-26μm，所述基管的宽度R2-R1为5.5-10.5μm，所述芯层中心至所述外包层边缘距离Rmax为62.5±2.5μm。
6.如权利要求5所述的宽带抗弯多模光纤，其特征在于：所述芯层半径R1为23-24μm，所述基管的宽度为6.5-9.5μm。
7.如权利要求1所述的宽带抗弯多模光纤，其特征在于：所述下陷包层沉积在所述基管外壁或在所述基管外侧外套一掺氟石英形成。
8.如权利要求1所述的宽带抗弯多模光纤，其特征在于：所述下陷包层的宽度R3-R2为3.5-5.5μm，所述下陷包层的折射率差Δn2为-0.007～-0.004，K＝Δn2*(R3-R2)，并且满足-0.025<K<-0.022。
9.如权利要求1所述的宽带抗弯多模光纤，其特征在于：所述芯层的折射率剖面呈α幂指数函数分布，α为所述渐变区折射率剖面分布参数，其中所述芯层的中心折射率为n0，所述芯层的边界折射率为n1，所述基管的折射率为nsio2，所述下陷包层的折射率为n2，所述外包层折射率为nC，所述光纤的折射率计算公式为：
Figure FDA0001888060540000021
其中，α取值范围为1.90-2.10，r为所述芯层上任意一点位置到所述芯层中心的径向距离，n1＝nSiO2，nc＝nSiO2，Δ为所述芯层中心和芯层边界的相对折射率差Δ＝(n0 2-n1 2)/(2n0 2)。
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