CN115327697B - 一种随机耦合多芯光纤及其制造方法、多芯光缆 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤通信技术领域，公开了一种随机耦合多芯光纤及其制造方法、多芯光缆。随机耦合多芯光纤包括共同外包层和多个纤芯，芯间距为10～25μm，纤芯从内到外依次包括芯层和内包层，芯层的半径为3～6μm，内包层的半径为6～12.5μm，芯层、内包层相对共同外包层的相对折射率差分别为0.1％～0.45％、‑0.1％～0.1％，光波导在多个纤芯所围成的范围内随机耦合。本发明采用PCVD制备多个同质芯棒，套棒、拉丝后得到随机耦合多芯光纤。多芯光缆包括第一数量的松套管，每个松套管内装有第二数量的随机耦合多芯光纤。本发明提供的光纤衰减低、空间模式色散、宏弯及熔接损耗小，可增大光缆信道密度或减小光缆尺寸。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种随机耦合多芯光纤及其制造方法、多芯光缆。
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，因此，采用新的调制/复用方式增加有限带宽情况下单光纤/波长的传输速率，被看作是提升数据中心互连速率的有效解决方案。
而实际光纤系统中，受限于系统信噪比，以及光纤非线性等因素，高阶调制及偏振复用技术扩容能力仍然有限，对满足下一代数据中心互连通信，如800GE，1TE，甚至是1.6TE，仍然具有较大的挑战。而基于多芯光纤或者多模光纤的空分复用(SDM)技术，因光纤的模式、空间维度上具有较大的扩展潜力，且可以高阶调制格式和偏振复用技术兼容，因此可以大幅提升单光纤/波长的通信容量。因此，采用多空间信道的SDM技术，在不增加光纤链路数量的基础上，理论上单位功耗可以实现更高的传输容量。
目前的多芯光纤应用多是基于各芯之间独立传输信号，即弱耦合多芯光纤，但是这种弱耦合多芯光纤有如下缺点：1、为了避免各芯之间串扰，多芯光纤的各芯异质纤芯会导致工艺复杂、成本高；2、如果采取同质纤芯，芯间距如果间隔不是足够远，会增加串扰，如果增加芯间距，会降低纤芯密度；3、光纤入户应用场景，为了优化光纤弯曲性能，需要确保外侧纤芯与包层边缘的距离，避免外侧纤芯信号泄露，不利于光纤包层直径的降低；4、多芯光纤对熔接要求极其高，芯间距的稍许偏差就会导致熔接损耗的剧烈增大。
发明内容
针对上述多芯光纤存在的不足，本发明的目的在于提供一种随机耦合多芯光纤及其制造方法、多芯光缆，使光波导可以在随机耦合多芯光纤的多个纤芯所围成的范围内随机耦合，优化光纤性能，使基于随机耦合多芯光纤得到的多芯光缆的信道密度得到提高或者在保持信道数量一致情况下减小光缆尺寸。
第一方面，本发明提供一种随机耦合多芯光纤，包括：共同外包层和布设在所述共同外包层中的多个纤芯，多个所述纤芯沿周向等距均布，所述纤芯的数量大于2，相邻的两个所述纤芯的芯间距P为10～25μm；每个所述纤芯从内到外依次包括芯层和内包层，所述芯层的半径r1的取值范围为3～6μm，所述内包层的半径r2的取值范围为6～12.5μm，且所述芯层的半径r1小于所述内包层的半径r2；所述芯层相对所述共同外包层的相对折射率差Δco的取值范围为0.1％～0.45％，所述内包层相对所述共同外包层的相对折射率差Δcl的取值范围为-0.1％～0.1％，且所述芯层相对所述共同外包层的相对折射率差Δco大于所述内包层相对所述共同外包层的相对折射率差Δcl；光波导在多个所述纤芯所围成的范围内随机耦合。
优选的，所述芯层和所述内包层均为锗、氟、氯共掺的二氧化硅玻璃。
优选的，所述共同外包层的直径D为125±1μm。
优选的，所述随机耦合多芯光纤在波长1550nm处，各纤芯的衰耗均小于0.20dB/km。
优选的，所述随机耦合多芯光纤的空间模式色散小于10ps/km1/2。
优选的，所述随机耦合多芯光纤在波长1550nm处，R30mm弯曲半径100圈各纤芯的宏弯损耗小于或等于0.01dB。
优选的，所述随机耦合多芯光纤在波长1550nm处，各纤芯的熔接损耗小于或等于0.1dB。
第二方面，本发明提供上述的随机耦合多芯光纤的制造方法，包括：采用PCVD工艺制备多个同质芯棒；将多个所述同质芯棒与多芯套管进行套棒，得到随机耦合多芯光纤预制棒；对所述随机耦合多芯光纤预制棒进行拉丝，得到随机耦合多芯光纤。
第三方面，本发明提供一种多芯光缆，包括：第一数量n1的松套管，每个所述松套管内装有第二数量n2的上述的随机耦合多芯光纤。
优选的，所述随机耦合多芯光纤中的纤芯数量为n3时，所述多芯光缆包含的信道数量为n1×n2×n3。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的随机耦合多芯光纤为强耦合多芯光纤，通过对芯间距与剖面的合理设计，使得光波导在多个纤芯所围成的范围内随机耦合，即光信号能量在多芯围成的范围内都能够传输，因此相对于弱耦合多芯光纤，本发明能够极大地降低纤芯几何误差对熔接损耗的影响。本发明提供的随机耦合多芯光纤的多个纤芯为同质纤芯，且芯间距为10～25μm，远小于现有的弱耦合多芯光纤，因此本发明能够在有效增加纤芯密度的同时不增加光纤包层直径；同时由于纤芯距离包层边缘的距离远，因此可以避免光纤弯曲时纤芯能量泄露，使得光纤宏弯性能优异。本发明提供的随机耦合光纤多芯光纤能够在克服弱耦合多芯光纤缺点同时，一样能够大幅度扩充光纤通信信息容量，并且通过光纤剖面、纤芯掺杂及光纤结构的设计，使得光纤的衰耗、弯曲损耗，空间模式色散也很低，满足长距离通信应用场景。本发明在光纤制备上采用PCVD技术制备多个同质芯棒，然后套管、拉丝，能制备复杂剖面的光纤结构并严格的控制光纤的各项结构参数，不仅便于制造和生产，而且也降低了生产成本。本发明制备的随机耦合多芯光纤可以替代传统单芯光纤制备多芯光缆，在光缆尺寸不变情况下可以提高信道密度，或者在保持信道数量一致情况下可以减小光缆尺寸，有利于实现具有高距离容量积、低实现成本、低复杂度的空分复用通信系统，助力下一代数据中心光纤互连通信系统的升级。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种随机耦合多芯光纤的端面结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种随机耦合多芯光纤的纤芯折射率剖面示意图；
图3为本发明实施例2提供的一种随机耦合多芯光纤的端面结构示意图。
具体实施方式
为方便介绍本发明内容，首先定义部分术语：
半径：该层外边界与中心点之间距离。
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关系。
相对折射率差：Δ％＝[(ni 2-n0 2)/2ni 2]×100％≈(ni-n0)/n0×100％，ni和n0分别为各对应光纤各部分的折射率和外包层纯二氧化硅玻璃的折射率。
宏弯附加损耗测试方法参考IEC60793-1-47中规定的方法。
本发明提供一种随机耦合多芯光纤，包括：共同外包层和布设在所述共同外包层中的多个纤芯，多个所述纤芯沿周向等距均布，所述纤芯的数量大于2，相邻的两个所述纤芯的芯间距P为10～25μm；每个所述纤芯从内到外依次包括芯层和内包层，所述芯层的半径r1的取值范围为3～6μm，所述内包层的半径r2的取值范围为6～12.5μm，且所述芯层的半径r1小于所述内包层的半径r2；所述芯层相对所述共同外包层的相对折射率差Δco的取值范围为0.1％～0.45％，所述内包层相对所述共同外包层的相对折射率差Δcl的取值范围为-0.1％～0.1％，且所述芯层相对所述共同外包层的相对折射率差Δco大于所述内包层相对所述共同外包层的相对折射率差Δcl；光波导在多个所述纤芯所围成的范围内随机耦合。
其中，所述共同外包层的直径D为125±1μm。
所述芯层和所述内包层均为锗、氟、氯共掺的二氧化硅玻璃。得益于所述芯层和所述内包层的锗、氟、氯共掺体系，能够有效降低光纤衰减，所述随机耦合多芯光纤在波长1550nm处，各纤芯的衰耗均小于0.20dB/km。
所述随机耦合多芯光纤的空间模式色散小于10ps/km1/2。
所述随机耦合多芯光纤在波长1550nm处，R30mm弯曲半径100圈各纤芯的宏弯损耗小于或等于0.01dB。
所述随机耦合多芯光纤在波长1550nm处，各纤芯的熔接损耗小于或等于0.1dB。
对应的，本发明提供一种随机耦合多芯光纤的制备方法，包括：采用PCVD工艺制备多个同质芯棒；将多个所述同质芯棒与多芯套管进行套棒，得到随机耦合多芯光纤预制棒；对所述随机耦合多芯光纤预制棒进行拉丝，得到随机耦合多芯光纤。
本发明在上述基础上，还提供一种多芯光缆，包括：第一数量n1的松套管，每个所述松套管内装有第二数量n2的随机耦合多芯光纤。其中，所述随机耦合多芯光纤中的纤芯数量为n3时，所述多芯光缆包含的信道数量为n1×n2×n3。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供一种随机耦合多芯光纤，参见图1，图2，纤芯的数量为4，即共同外包层的内部包含四个同质纤芯，对应的折射率剖面结构的主要参数如表1所示，对应的主要性能参数如表2所示。
表1四芯光纤的折射率剖面结构的主要参数
| r1(um) | r2(um) | P(um) | D(um) | Δco(％) | Δcl(％) |
| 3.3 | 6.25 | 22 | 125 | 0.41 | 0.05 |
表2四芯光纤的主要性能参数
可见本发明可以保证光纤在1550nm波段上支持4个纤芯随机耦合传播，四个纤芯的衰耗、宏弯及空间模式色散(SMD)性能都很好，各纤芯熔接损耗也很小，适用于长距离通讯传输。
对应的随机耦合多芯光纤的制备方法包括：采用一个OD80的四芯套管，套管包含有四个OD11mm的孔，四个孔的圆心与套管中心距离均为9.96mm。采用PCVD工艺制备四支OD10mm的芯棒，四支芯棒剖面一致，芯层和内包层均为锗、氟、氯共掺的二氧化硅玻璃，芯层半径2.1mm，折射率0.41％，内包层半径4.0mm，折射率0.05％，上述四支芯棒与套管套棒、拉丝，得到玻璃部分直径为125um的强耦合四芯光纤。
实施例2：
实施例2提供一种随机耦合多芯光纤，参见图3，纤芯的数量为6，即共同外包层的内部包含六个同质纤芯，对应的折射率剖面结构主要参数如表3所示。
表3六芯光纤的折射率剖面结构的主要参数
| r1(um) | r2(um) | P(um) | D(um) | Δco(％) | Δcl(％) |
| 3.6 | 7.0 | 19.5 | 125 | 0.39 | -0.05 |
对应的随机耦合多芯光纤的制备方法包括：采用一个OD80的六芯套管，套管包含有六个OD10mm的孔，六个孔圆心呈边长为12.5mm的正六边形排布，且与套管中心等距离。采用PCVD工艺制备六支OD9mm的芯棒，六支芯棒剖面一致，芯层和内包层均为锗、氟、氯共掺的二氧化硅玻璃，芯层半径2.3mm，折射率0.39％，内包层半径4.5mm，折射率-0.05％，上述六支芯棒与套管套棒拉丝，得到玻璃部分直径为125um的强耦合六芯光纤。
采用上述光纤制备多芯光缆，光缆的缆型为GYTA-12，内含6个松套管，每个松套管内装12根强耦合六芯光纤，松套管直径2.4mm，最终光缆外径11mm。该光缆包含的信道数量为432个。如果制备同样规格的单芯光缆，信道数量只有72个，可见本发明提供的强耦合六芯光纤的传输容量是传统单芯光纤的6倍，极大地提高光缆的信道密度，即相同直径的光缆有更大的传输容量。
本发明还对该光缆的主要参数进行了测试，432个信道主要参数均值如表4所示。
表4多芯光缆的主要参数
综上，本发明提供的随机耦合多芯光纤的纤芯为同质纤芯，且芯间距远比弱耦合多芯光纤小，能够有效的增加纤芯密度的同时不增加光纤包层直径；纤芯距离包层边缘的距离远，可以避免光纤弯曲时纤芯能量泄露，光纤宏弯性能优异；最重要的是光信号能量在多芯围成的范围内都能够传输，极大地降低了纤芯几何误差对熔接损耗的影响。因此本发明提供的随机耦合光纤多芯光纤在克服了弱耦合多芯光纤缺点同时，一样能够大幅度扩充光纤通信信息容量，并且通过光纤剖面、纤芯掺杂及光纤结构的设计，该光纤的衰耗、弯曲损耗，空间模式色散也很低，满足长距离通信应用场景。本发明在光纤制造上不仅便于制造和生产，而且也降低了生产成本。本发明提供的多芯光缆在光缆尺寸不变情况下可以提高信道密度，或者在保持信道数量一致情况下可以减小光缆尺寸，有利于实现具有高距离容量积、低实现成本、低复杂度的空分复用通信系统。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种随机耦合多芯光纤，其特征在于，包括：共同外包层和布设在所述共同外包层中的多个纤芯，多个所述纤芯沿周向等距均布，所述纤芯的数量大于2，相邻的两个所述纤芯的芯间距P为10～25μm；每个所述纤芯从内到外依次包括芯层和内包层，所述芯层的半径r1的取值范围为3～6μm，所述内包层的半径r2的取值范围为6～12.5μm，且所述芯层的半径r1小于所述内包层的半径r2；所述芯层相对所述共同外包层的相对折射率差Δco的取值范围为0.1％～0.45％，所述内包层相对所述共同外包层的相对折射率差Δcl的取值范围为-0.1％～0.1％，且所述芯层相对所述共同外包层的相对折射率差Δco大于所述内包层相对所述共同外包层的相对折射率差Δcl；光波导在多个所述纤芯所围成的范围内随机耦合；所述随机耦合多芯光纤为强耦合多芯光纤。
2.根据权利要求1所述的随机耦合多芯光纤，其特征在于，所述芯层和所述内包层均为锗、氟、氯共掺的二氧化硅玻璃。
3.根据权利要求1所述的随机耦合多芯光纤，其特征在于，所述共同外包层的直径D为125±1μm。
4.根据权利要求1所述的随机耦合多芯光纤，其特征在于，所述随机耦合多芯光纤在波长1550nm处，各纤芯的衰耗均小于0.20dB/km。
5.根据权利要求1所述的随机耦合多芯光纤，其特征在于，所述随机耦合多芯光纤的空间模式色散小于10ps/km1/2。
6.根据权利要求1所述的随机耦合多芯光纤，其特征在于，所述随机耦合多芯光纤在波长1550nm处，R30mm弯曲半径100圈各纤芯的宏弯损耗小于或等于0.01dB。
7.根据权利要求1所述的随机耦合多芯光纤，其特征在于，所述随机耦合多芯光纤在波长1550nm处，各纤芯的熔接损耗小于或等于0.1dB。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的随机耦合多芯光纤的制造方法，其特征在于，包括：采用PCVD工艺制备多个同质芯棒；将多个所述同质芯棒与多芯套管进行套棒，得到随机耦合多芯光纤预制棒；对所述随机耦合多芯光纤预制棒进行拉丝，得到随机耦合多芯光纤。
9.一种多芯光缆，其特征在于，包括：第一数量n1的松套管，每个所述松套管内装有第二数量n2的如权利要求1-7中任一项所述的随机耦合多芯光纤。
10.根据权利要求9所述的多芯光缆，其特征在于，所述随机耦合多芯光纤中的纤芯数量为n3时，所述多芯光缆包含的信道数量为n1×n2×n3。
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