CN111897045B - 一种抗弯曲多芯光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗弯曲多芯光纤，包括有共同外包层和间隔布设在共同外包层中的纤芯，所述的纤芯至少为4个，其特征在于各个纤芯的间距为28～33μm，所述纤芯从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，所述芯层半径R1为3.4～4.2μm，相对折射率差Δ1为0.31～0.40％，所述内包层的半径R2为5～9μm，内包层相对相对折射率差Δ2为‑0.05～0.05％，所述下陷包层半径R3为11～16μm，下陷包层相对折射率差Δ3小于‑0.5％，下陷包层外包覆共同外包层，所述的共同外包层为纯二氧化硅层，该多芯光纤截止波长低，小弯曲半径下的宏弯性能好、寿命长，不仅可以用于成缆，而且可将该多芯光纤的使用范围拓展到器件领域。

Description

一种抗弯曲多芯光纤
技术领域
本发明涉及一种抗弯曲多芯光纤，属于光通信传输技术领域。
背景技术
近年来，随着云计算、大数据、移动互联网的兴起，具有高效服务器间协同以及数据处理能力的数据中心，成为了明显的信息总量和信息密度增长热点，从而对数据中心互连通信速率的提升提出迫切要求。由于数据中心互连通信呈现出设备数量众多、布线复杂、接口密度大等特点，仅仅依靠提高器件调制带宽，增加光纤链路或者具有不同稳定波长输出光源的数量，势必会增加系统运行或维护的成本、功耗、复杂度等。
近几年来，国际学术界提出采用空分复用SDM的方式可以解决上述技术难题。空分复用有两种方式，一是模式复用，即采用少模光纤，利用一根光纤传输2个以上的模式实现复用，增大系统容量。二是空间上的多芯复用，即单根光纤中具有多个单模芯子的光纤，实现多路复用的新传输技术。目前已有提出几种按单根光纤中的芯子数量分成4芯，7芯，10芯， 12芯和19芯光纤的多芯光纤等。多芯光纤中每个芯都是独立的光波导，在理论上这些多芯光纤中的N个芯子相应地可以将系统的总传输容量扩大N倍。
在2011年的OFC会议上，美国OFS公司报道了在7芯光纤中实现了56Tb/s的信号传输。同一年，日本NICT联合日本住友在7芯光纤中实现了109Tb/s的信号传输，这是首次实现单根光纤超过100Tb/s的传输实验。在2012年国际会议上，日本NICT首次报道了在19芯光纤上实现了超过305Tb/s的传输。同年ECOC会议上，日本报道了在12芯多芯光纤中实现了1Pb/s以上的信号传输实验，为未来通信网络扩容提供了技术储备。在2013年OFC会议上，首次有报道将7芯光纤用于数据中心的建设上，作为高速计算机的高度、高密度的并行互联。已有的这些多芯光纤在数据中心、通信线路与高速通信局域连接等领域都已经产生了应用。
多芯光纤已有多种剖面设计，但是大多关注光纤在通讯方面的应用，通常给出了光缆截止波长，而对光纤截止波长没有明确描述。如CN106575013B、CN105026965A、CN110161622A、CN106575013A等将多芯光纤的光缆截止波长设计为小于或等于1260nm，CN105324692B、CN103080797B等将多芯光纤的光缆截止波长设计为小于或等于1550nm。但是在器件领域，多芯光纤的使用长度通常为厘米级别，更加关注的是光纤截止波长，由于光缆截止波长通常比光纤截止波长大50-150nm，因此上述设计多芯光纤在器件中短波段使用时会产生高阶模，甚至无法正常使用。
同时，在器件内由于空间限制，光纤的弯曲半径可能会低至5mm。如果光纤设计时没有考虑光纤的在小弯曲半径下的弯曲损耗性能，这些光纤用于器件时，光纤串音增大将导致传输误码率的增大，严重时将导致通信失效，如CN105026965A、CN103080797B给出的光纤弯曲半径为30mm，专利文献CN103814312B给出的光纤弯曲半径为15mm，显然不适合在器件中使用。
同样的光纤在不同弯曲半径下受到的断裂应力差别很大，从而使用寿命有着很大差异，如果光纤制备时没有考虑到光纤小弯曲半径下的寿命，光纤在小弯曲半径下长期使用时会导致光纤断裂，严重影响器件寿命。目前多芯光纤设计时大多关注光纤的串扰，极少关注光纤寿命，少数涉及光纤寿命的也是在大弯曲半径下的光纤寿命，例如CN103814312B所述光纤在15mm的弯曲半径20年间的断裂概率为1.0×10-7以下，但未提及光纤在5mm弯曲半径下的寿命。
发明内容
为方便介绍发明内容，定义如下术语：
相对折射率差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：
Figure BDA0002687468850000021
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。
光纤各模式的有效面积：
Figure BDA0002687468850000022
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。
一般，我们以远场可变孔径法来测试光纤的模场直径MFD，确定模场直径的等效公式为：
Figure BDA0002687468850000023
其中，λ为测试波长，D为孔径光阑所在平面到光纤端面的距离，x为孔径光阑的半径， a(x)为互补孔径功率传输函数。
光纤的断裂应力的计算公式：
A＝E×B×(1+2.25B)
其中E为杨氏模量，单位为GPa，B为断裂应变，计算公式为：
B＝d1/(d2+d3)
其中d1为光纤玻璃部分直径，d2为光纤弯曲直径，d3为光纤直径，d1，d2，d3的单位均为微米(μm)。
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种抗弯曲多芯光纤，通过优化光纤剖面，控制光纤的截止波长小于1260nm，并使光纤的串扰、各信道小弯曲半径的宏弯损耗等综合性能处于良好的水平。
本发明为解决上述提出的问题所采取的技术方案为：包括有共同外包层和间隔布设在共同外包层中的纤芯，所述的纤芯至少为3个，其特征在于各个纤芯的间距为28～33μm，所述纤芯从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，所述芯层半径R1为3.4～4.2μm，芯层相对折射率差Δ1为0.31％～0.40％，所述内包层的半径R2为5～9μm，内包层相对相对折射率差Δ2 为-0.05％～0.05％，所述下陷包层半径R3为11～16μm，下陷包层相对折射率差Δ3小于-0.5％，下陷包层外包覆共同外包层，所述的共同外包层为纯二氧化硅层。
按上述方案，所述的每个纤芯与相邻各纤芯的间距相等，所述的纤芯为4～12个。
按上述方案，所述的每个纤芯与共同外包层中心的间距相等，即每个纤芯均布在同一圆周上。
按上述方案，所述下陷包层的相对折射率差Δ3为-0.7％～-0.9％。
按上述方案，所述多芯光纤各信道的光纤截止波长小于或等于1260nm。
按上述方案，所述多芯光纤各个信道在波长1310nm处的宏弯损耗为5mm弯曲半径下小于或等于0.1dB，在波长1550nm处的宏弯损耗为5mm弯曲半径下小于或等于0.2dB。优选的，所述多芯光纤各个信道在波长1310nm处的宏弯损耗为5mm弯曲半径下小于或等于0.06dB，在波长1550nm处的宏弯损耗为5mm弯曲半径下小于或等于0.1dB。
按上述方案，所述的共同外包层外涂覆有树脂涂层，所述的树脂涂层包括内涂覆层和外涂覆层，所述的内涂覆层杨氏模量小于或等于1MPa，优选0.3～0.5MPa，固化度90～95％，所述的外涂覆层涂覆在内涂覆层外，外涂覆层杨氏模量大于或等于1000MPa，优选1200～ 2000MPa，固化度95～99％。
按上述方案，所述的多芯光纤在5mm弯曲半径下使用理论寿命可达20年，可用于成缆及器件。
按上述方案，所述多芯光纤各信道在波长1310nm处的衰耗均小于或等于0.5dB/km，在波长1550nm处的衰耗均小于或等于3dB/km。
按上述方案，所述多芯光纤的的纤芯在波长1310nm处有效面积为40～75μm2，共同外包层直径为80～300μm。
按上述方案，所述的多芯光纤在波长1310nm和1550nm处，所述的任一纤芯与其相邻纤芯之间的芯间串扰<-35dB/10km，与相邻纤芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-55dB/10km。优选的，任一纤芯与其相邻纤芯之间的芯间串扰<-40dB/10km，与相邻纤芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-60dB/10km。
本发明的有益效果在于：1、多芯光纤各信道的光纤截止波长小于1260nm，空分复用维数密度高，截止波长低，能够确保光纤在O-E-S-C-L全波段使用。2、通过对光纤各层剖面的合理设计，并设计了深掺氟的光纤下陷包层结构，使光纤在小弯曲半径下具有优异的宏弯性能，也降低了芯间串扰和芯层距包层近而产生的能量泄漏(额外衰减)。3、优化内外涂覆层涂料的模量与固化度，外涂覆层涂料比较坚硬，可以有效抵抗外力对光纤的影响，内涂覆层涂料柔软，可以缓冲来自外面的影响，保护光纤，光纤在5mm弯曲半径下可保证20年的理论使用寿命，可将该多芯光纤的使用范围拓展到器件领域。4、本发明的光纤各个信道的衰减综合性能参数良好。每个模式均具有较低的衰减系数。
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为本发明实施例中一个纤芯的折射率剖面示意图。
图3为本发明实施例中一个纤芯的径向结构示意图。
图4是表示光纤的弯曲半径与光纤寿命之间的关系的图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
一种八芯呈环状排布的多芯光纤，如附图1所示，所述的每个纤芯与各相邻纤芯的间距相等，间距d为29～33μm，且每个纤芯2与共同外包层1中心的间距相等；多芯光纤的共同外包层直径为125±0.7μm。八个芯为同质单模光纤，各纤芯层从内向外依次为芯层3、内包层 4和下陷包层5，所述芯层半径为R1，芯层相对折射率差(与纯二氧化硅的相对折射率差) 为Δ1，所述内包层的半径为R2，内包层相对折射率差为Δ2，所述下陷包层半径为R3，相对折射率差为Δ3。纤芯的折射率剖面示意图见附图2，纤芯的具体剖面结构示意图见附图3。玻璃部分外面是内涂覆层、外涂覆层，所述的内涂覆层外径R4为170～210μm，杨氏模量小于或等于1MPa，优选0.3～0.5MPa，固化度90～95％，所述的外涂覆层外径R5为235～250μm，杨氏模量大于或等于1000MPa，优选1200～2000MPa，固化度95～99％。
表1是序号1实施例光纤弯曲直径为1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm条件下的光纤寿命，按照国家标准：光纤寿命试验方法GBT 15972.33-2008，通过光纤的断裂应力的计算公式，计算出光纤在上述不同弯曲半径下受到的断裂应力，将光纤的断裂应力与光纤断裂时间分别取对数作图，得到如图4。
在图4中，可以看到光纤在不同弯曲半径下受到的断裂应力的对数值与断裂时间的对数值呈现出线性关系，通过该线性关系，结合光纤在弯曲半径1.5mm～2.2mm条件下的光纤寿命，外推出光纤在5mm弯曲半径的理论寿命可达20年以上。序号2-5光纤重复上述试验，得到的5mm弯曲半径的理论寿命均在20年以上。
按照附图1结构，制备的5种光纤的参数设置和主要性能见表2和表3。
表1：不同弯曲半径的光纤寿命
Figure BDA0002687468850000051
*10mm弯曲直径寿命为通过图4的拟合计算值
表2：实施例多芯光纤的结构和材料组成
Figure BDA0002687468850000052
Figure BDA0002687468850000061
表3：实施例多芯光纤的主要性能参数
Figure BDA0002687468850000062
Figure BDA0002687468850000071
*5mm弯曲半径寿命为拟合值。

Claims (7)

1.一种抗弯曲多芯光纤，包括纤芯和共同外包层，纤芯间隔布设在共同外包层中，所述的纤芯至少为4个，其特征在于各个纤芯的间距为28～33μm，所述纤芯从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，所述芯层半径R1为3.4～4.2μm，芯层相对折射率差Δ1为0.31％～0.40％，所述内包层的半径R2为5～9μm，内包层相对折射率差Δ2为-0.05％～0.05％，所述下陷包层半径R3为14.3～16μm，下陷包层相对折射率差Δ3小于-0.5％，下陷包层外包覆共同外包层，所述的共同外包层为纯二氧化硅层；所述多芯光纤各信道的光纤截止波长小于或等于1260nm；所述多芯光纤各个信道在波长1310nm处的宏弯损耗为5mm弯曲半径下小于或等于0.1dB，在波长1550nm处的宏弯损耗为5mm弯曲半径下小于或等于0.2dB；所述的共同外包层外涂覆有树脂涂层，所述的树脂涂层包括内涂覆层和外涂覆层，所述的内涂覆层杨氏模量小于或等于1MPa，固化度90～95％，所述的外涂覆层涂覆在内涂覆层外，外涂覆层杨氏模量大于或等于1000MPa，固化度95～99％。
2.按权利要求1所述的抗弯曲多芯光纤，其特征在于所述的每个纤芯与相邻各纤芯的间距相等，所述的纤芯为4～12个。
3.按权利要求1或2所述的抗弯曲多芯光纤，其特征在于所述的每个纤芯与共同外包层中心的间距相等，即每个纤芯均布在同一圆周上。
4.按权利要求1或2所述的抗弯曲多芯光纤，其特征在于所述下陷包层的相对折射率差Δ3为-0.7％～-0.9％。
5.按权利要求1所述的抗弯曲多芯光纤，其特征在于所述多芯光纤的纤芯在波长1310nm处有效面积为40～75μm2，所述的共同外包层直径为80～300μm。
6.按权利要求1或2所述的抗弯曲多芯光纤，其特征在于所述多芯光纤各信道在波长1310nm处的衰耗均小于或等于0.5dB/km，在波长1550nm处的衰耗均小于或等于3dB/km。
7.按权利要求1或2所述的抗弯曲多芯光纤，其特征在于所述的多芯光纤在波长1310nm和1550nm处，所述的任一纤芯与其相邻纤芯之间的芯间串扰<-35dB/10km，与相邻纤芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-55dB/10km。
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