CN113325510B - 一种多芯光纤及其易分支光缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多芯光纤及其易分支光缆，包括有共同外包层和布设在共同外包层中的多个纤芯，其特征在于所述的纤芯为八个，包括有一个中心纤芯和七个外纤芯，所述的中心纤芯布设在共同外包层的中心，其余七个纤芯环绕中心纤芯等距均布在中心纤芯的外周，所述的七个外纤芯与中心纤芯的等间距d1为35‑43μm，七个外纤芯的芯间距为31~37μm，所述的八个纤芯为同质单模光纤，各纤芯从内向外依次包括芯层、内包层和下陷包层，共同外包层为各纤芯的外包层。本发明结构设置合理，不仅衰减低，芯间串扰小，各信道的宏弯损耗等综合性能处于良好水平，而且能够满足C波段和O波段的传输，在保持较高的空分复用维数密度的同时，可与现有的器件兼容。

Description

一种多芯光纤及其易分支光缆
技术领域
本发明涉及一种用于光纤通信系统的空分复用多芯光纤及其易分支光缆，具体涉及一种用于O波段和C波段的八芯光纤及由该光纤制备的易分支光缆。
背景技术
光通信以其容量大、速度快、距离长等特点，在信息产业发挥着极其重要的支撑作用。近年来，随着掺铒光纤放大器、波分复用以及高频谱效率编码技术的不断发展，光通信系统的传输容量呈持续增长趋势，然而，随着单模光纤的传输容量已经逐渐逼近香农极限，光通信传输技术的发展趋于缓慢(如图4所示)。为应对目前的传输容量危机以及最大限度的提升系统谱效率，空分复用光纤研究正在如火如荼的展开。
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，alpha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。
近几年来，基于多芯光纤(MCF)的空分复用系统逐渐兴起。作为能够传输大容量信息的光传输路径而受到期待。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。
多芯光纤已有多种结构，但是这些光纤结构没有研究和涉及多芯光纤在极限弯曲时的使用场景和性能参数。而在通信和连接应用上，弯曲是一个最常见的应用场景，通常弯曲很容易引起光纤内的芯间串扰以及会导致较大的衰减从而影响光纤的正常使用。尤其是在高密度连接和特定光纤传输场合应用的多芯光纤，例如光纤到户(FTTH)中使用的光纤对弯曲状态下的光纤串音指标非常敏感。一旦在弯曲条件下，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。
专利文献CN201180041565.9中所提出的多芯光纤具有较大模场直径和有效面积，其考虑到了多芯光纤弯曲的状态，但是关注的是曲率半径较大或满足特点范围时的弯曲损耗，但是很多情况下，弯曲半径相当小，例如用于一些狭小空间曲率半径甚至可以达到7.5mm/5mm等。其光纤满足G.654光纤类，因其较高的截止波长而不适用于FTTX的无源光网络PON。
专利文献CN103415795A中提出的是一种中间芯异质结构，降低芯间串扰，并能抑制截止波长长波化的多芯光纤，其波段不适用于FTTX的无源光网络PON中(上下行工作波长分别为1310nm和1490nm)，无法保证在1310nm处的单模状态传输。
专利文献CN111474626A中提出的是一种周向均布的8芯光纤，此光纤虽然通过剖面优化降低了芯间串扰，但是并未完全利用光纤的空间，中间是无芯结构，导致周围8芯结构较为紧凑，芯间距无法进一步做大。
在大量的专利文献和非专利文献中我们发现，为了不使模场直径过小并抑制串扰，需要增大芯间距。但是，如果在有限的公共包层直径之中增大芯间距而配置纤芯，则纤芯数量会变少。另一方面，如果增大芯间距并试图增加纤芯数量，则包层直径会变大。同样，各类文献中显示，在多芯光纤中，在位于最外侧的纤芯中心与包层边缘之间的最短距离小的情况下，纤芯中传输的光极易泄漏，从而导致极大的附加传输损耗。
目前现有的光纤适配器、连接器等均是依照125微米的光纤直径来设计和制造的，如果将数目大于等于八的纤芯全部置于包层为标准光纤直径即125微米的公共包层中，会引发严重的串扰、附加损耗或宏弯的劣化。中国专利CN106575013A为解决这个问题，提出了一种直径为125微米的多芯光纤，但是其应用范围局限与1310nm附近的O波段，C波段的光纤参数非常恶劣，且其弯曲损耗等并未得到完全的解决。
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：
Figure BDA0003128087200000031
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：
Figure BDA0003128087200000032
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：
Figure BDA0003128087200000033
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：
Figure BDA0003128087200000034
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 BDA0003128087200000035
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。
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，提供一种多芯光纤及其易分支光缆，该多芯光纤结构设置合理，不仅衰减低，芯间串扰小，各信道的宏弯损耗等综合性能处于良好水平，而且能够满足C波段和O波段的传输，在保持较高的空分复用维数密度的同时，可与现有的器件兼容。
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布设在共同外包层中的多个纤芯，其特征在于所述的纤芯为八个，包括有一个中心纤芯和七个外纤芯，所述的中心纤芯布设在共同外包层的中心，其余七个纤芯环绕中心纤芯等距均布在中心纤芯的外周，所述的七个外纤芯与中心纤芯的等间距d1为35～43μm，七个外纤芯的芯间距为31～37μm，所述的八个纤芯为同质单模光纤，各纤芯从内向外依次包括芯层、内包层和下陷包层，共同外包层为各纤芯的外包层，该光纤满足光信号在O波段和C波段的多芯并行传输。
按上述方案，所述芯层半径R1为3.2～4.2μm，芯层相对共同外包层相对折射率差Δ1为0.36％～0.46％，所述内包层的半径R2为5～9μm，内包层相对共同外包层的相对折射率差Δ2为-0.1％～0.1％，所述下陷包层的半径R3为7～12μm，下陷包层相对共同外包层的相对折射率差Δ3为-0.4％～-1.0％，所述的共同外包层直径为125μm，共同外包层为纯二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述的下陷包层的相对折射率差Δ3为-0.6％～-1.0％，优选的，Δ3为-0.8％～-1.0％。
按上述方案，所述的芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，所述的内包层和下陷包层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层或氟掺杂的二氧化硅玻璃层，其中氟的相对折射率差贡献量为-0.02％～-1.0％。
按上述方案，所述的芯层锗氟贡献量之比
Figure BDA0003128087200000041
内包层锗氟贡献量之比
Figure BDA0003128087200000042
下陷包层锗氟贡献量之比
Figure BDA0003128087200000043
按上述方案，所述光纤在波长1310nm和1550nm处，任一纤芯与其相邻旁芯之间的芯间串扰<-37dB/10km，与相邻旁芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-57dB/10km。优选的，任一纤芯与其相邻旁芯之间的芯间串扰<-42dB/10km，与相邻旁芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-62dB/10km。
按上述方案，所述光纤在波长1310nm处各信道的衰耗均小于或等于0.45dB/km，在波长1550nm处各信道的衰耗均小于或等于3dB/km。优选的，所述光纤在波长1310nm处各信道的衰耗均小于或等于0.4dB/km，在波长1550nm处各信道的衰耗均小于或等于2.25dB/km。
按上述方案，所述光纤在60mm直径弯曲100圈条件下，各个信道在波长1310nm处的宏弯损耗小于或等于0.05dB，在波长1550nm处的宏弯损耗小于或等于0.05dB。
按上述方案，所述光纤各信道的光缆截止波长小于等于1260nm；所述光纤的筛选张力为100～200kpsi。
按上述方案，所述光纤各信道在1310nm处的模场直径为5～9μm，在1550nm处的模场直径为7～10μm。
按上述方案，将所述的多芯光纤制作成多芯光纤易分支光缆，所述光缆包括有外护套和松套管，松套管内套装有多芯光纤，松套管外包覆外护套，所述的松套管为1～4根，所述的每根松套管中套装的多芯光纤为1～48根。
按上述方案，所述的外护套内壁两侧镶嵌有加强件，所述的加强件为金属或非金属加强件；可在外护套上开设窗口进行松套管分歧，松套管抽取距离为10～100m。
本发明的有益效果在于：1、采用标准125微米的光纤直径，与当前器件保持兼容性并保持与普通单芯光纤所占空间体积相同，并同时满足C波段和O波段的空分复用传输。2、采用中间一个芯、周围7个芯的八芯结构，相邻各纤芯区彼此之间的纤芯距相同，各外纤芯区与中心纤芯区的间隔距相同，各纤芯区的布设合理，光纤内应力分布相对均匀；同时光纤结构紧凑，提高了通信密度，特别适用于数据中心等密集布线或长距离光纤通信环境下使用。3、采用锗氟共掺的设计，基于多芯光纤的结构严格控制锗氟配比，合理的设计了纤芯结构的同时优化光纤内部的粘度匹配，减少光纤制备过程中的缺陷，降低光纤的衰减系数。4、设计了深掺氟的光纤下陷结构，并通过对光纤各层剖面的合理设计，使光纤的芯间串扰和宏弯损耗较低，并极大的降低了芯层距包层边缘较近所产生的附加衰耗。5、本发明的光纤各个信道的宏弯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，进行八个信道的信号传输，每个模式均具有较低的衰减系数，可以支持数据中心密集布线的空分复用传输。6、光缆的纤芯密度高，直径小，节省敷设空间，便于气吹敷设，易于分歧，可实现机房的快速分歧安装，并优化数据中心光缆布局。
附图说明
图1为本发明多芯光纤一个实施例的径向结构示意图。
图2为本发明一个实施例中纤芯的折射率剖面示意图。
图3为本发明一个实施例的光缆截面剖视结构图。
图4为目前光纤通信系统传输容量增长曲线图示。
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。
本发明多芯光纤的实施例如图1、2所示，包括有共同外包层9和布设在共同外包层中的多个纤芯，所述的纤芯为八个，包括有一个中心纤芯1和七个外纤芯2～8，所述的中心纤芯布设在共同外包层的中心，其余七个纤芯环绕中心纤芯等距均布在中心纤芯的外周，所述的七个外纤芯与中心纤芯的等间距为d1，七个外纤芯的芯间距为d，所述的八个纤芯为同质单模光纤，各纤芯从内向外依次包括芯层、内包层和下陷包层，共同外包层为各纤芯的外包层，八个纤芯为同质单模光纤，共用同一外包层，所述芯层半径为R1，芯层相对共同外包层折射率差为Δ1，所述内包层的半径为R2，内包层相对于共同外包层的相对折射率差为Δ2，下陷包层包覆在内包层外，所述下陷包层半径为R3，下陷包层相对于共同外包层的相对折射率差为Δ3，所述共同外包层直径为125±1.0微米。
本发明5个光纤实施例的结构设置和主要性能参数见表1和表2。
本发明多芯易分支光缆的一个实施例如图3所示，包括有外护套13和松套管11，所述的外护套为低烟无卤阻燃外护套，外护套单边厚度约1.5mm，所述的外护套内壁两侧对称镶嵌有加强件12，所述的加强件为非金属加强件，直径为1.0mm；外护套内绞合有9根松套管，松套管外径约1.2mm，在松套管内套装有多芯光纤10，所述的多芯光纤为八芯多芯光纤，每根松套管中含有2根八芯多芯光纤，松套管外包覆外护套，外护套外径约9mm，光缆为全干式结构，可在数据中心中水平布放。
表1：实施例八芯光纤的结构和材料组成
序号 1 2 3 4 5
包层直径(μm) 125.1 124.7 124.1 125.9 125.5
周围7芯的芯间距d(μm) 34 32 37 31 35
半径R1(μm) 3.9 3.2 3.5 4.1 3.8
相对折射率差Δ1(％) 0.44 0.39 0.36 0.45 0.38
芯层锗氟配比Δ<sub>F</sub>/Δ<sub>Ge</sub> 0.17 0.08 0.23 0.15 0.20
半径R2(μm) 8.5 6 6.7 5.4 7.8
相对折射率差Δ2(％) 0.06 -0.08 0.04 0 -0.07
内包层锗氟配比Δ<sub>F</sub>/Δ<sub>Ge</sub> 0.76 1.53 0.54 1 1.34
半径R3(μm) 11.3 8.3 9.1 7.5 10.2
相对折射率差Δ3(％) -0.8 -0.44 -0.74 -0.93 -0.71
下陷层锗氟配比Δ<sub>Ge</sub>/Δ<sub>F</sub> 0.03 0 0.02 0.01 0
表2：实施例八芯光纤的主要性能参数
Figure BDA0003128087200000061
Figure BDA0003128087200000071

Claims (9)

1.一种多芯光纤，包括有共同外包层和布设在共同外包层中的多个纤芯，其特征在于所述的纤芯为八个，包括有一个中心纤芯和七个外纤芯，所述的中心纤芯布设在共同外包层的中心，其余七个纤芯环绕中心纤芯等距均布在中心纤芯的外周，所述的七个外纤芯与中心纤芯的等间距d1为35-43μm，七个外纤芯的芯间距为31～37μm，所述的八个纤芯为同质单模光纤，各纤芯从内向外依次包括芯层、内包层和下陷包层，共同外包层为各纤芯的外包层，该光纤满足光信号在O波段和C波段的多芯并行传输；所述芯层半径R1为3.2～4.2μm，芯层相对共同外包层相对折射率差Δ1为0.36％～0.46％，所述内包层的半径R2为5～9μm，内包层相对共同外包层的相对折射率差Δ2为-0.1％～0.1％，所述下陷包层的半径R3为7～12μm，下陷包层相对共同外包层的相对折射率差Δ3为-0.4％～-1.0％，所述的共同外包层直径为125μm，共同外包层为纯二氧化硅玻璃层。
2.按权利要求1所述的多芯光纤，其特征在于所述的下陷包层的相对折射率差Δ3为-0.6％～-1.0％。
3.按权利要求1或2所述的多芯光纤，其特征在于所述的芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，所述的内包层和下陷包层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层或氟掺杂的二氧化硅玻璃层，其中氟的相对折射率差贡献量为-0.02％～-1.0％。
4.按权利要求3所述的多芯光纤，其特征在于所述的芯层锗氟贡献量之比
Figure FDA0003479360530000011
内包层锗氟贡献量之比
Figure FDA0003479360530000012
下陷包层锗氟贡献量之比
Figure FDA0003479360530000013
5.按权利要求1或2所述的多芯光纤，其特征在于所述光纤在波长1310nm和1550nm处，任一纤芯与其相邻旁芯之间的芯间串扰<-37dB/10km，与相邻旁芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-57dB/10km。
6.按权利要求1或2所述的多芯光纤，其特征在于所述光纤在波长1310nm处各信道的衰耗均小于或等于0.45dB/km，在波长1550nm处各信道的衰耗均小于或等于3dB/km。
7.按权利要求1或2所述的多芯光纤，其特征在于所述光纤在60mm直径弯曲100圈条件下，各个信道在波长1310nm处的宏弯损耗小于或等于0.05dB，在波长1550nm处的宏弯损耗小于或等于0.05dB。
8.按权利要求1或2所述的多芯光纤，其特征在于所述光纤各信道的光缆截止波长小于等于1260nm；所述光纤的筛选张力为100～200kpsi；所述光纤各信道在1310nm处的模场直径为5～9μm，在1550nm处的模场直径为7～10μm。
9.一种按权利要求1～8中任一多芯光纤所制成的易分支光缆，其特征在于所述光缆包括有外护套和松套管，松套管内套装有八芯多芯光纤，松套管外包覆外护套，所述的松套管为1～4根，所述的每根松套管中套装的多芯光纤为1～48根。
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