CN115685439A - 一种耦合型多芯光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合型多芯光纤及其制备方法；该耦合型多芯光纤包括纤芯单元和包围该纤芯单元的光纤包层；纤芯单元包括多个传输纤芯，每个传输纤芯包括芯层和包围该芯层的纤芯包层；该多个传输纤芯在光纤包层中呈均匀分布；包围传输纤芯的光纤包层包括内包层和环形的外包层；该多芯光纤的折射率剖面为阶跃型剖面结构；该多芯光纤的中心处不设置传输纤芯。该耦合型多芯光纤具有较低的的传输损耗和空间模式色散以及较优的弯曲性能。
Description
技术领域
本发明属于通信光纤技术领域，特别涉及一种耦合型多芯光纤及其制备方法。
背景技术
基于空分复用技术(SDM)的多芯光纤可以实现通信容量成倍的增长，可以突破单模光纤的通信容量极限。按芯间耦合类型可以将多芯光纤划分为弱耦合多芯光纤和强耦合多芯光纤。弱耦合多芯光纤为实现较弱的芯间耦合，芯间距较大，这牺牲了纤芯密度。同时为容纳更多的纤芯，需增加光纤的包层直径，这影响光纤的强度及弯曲性能。强耦合多芯光纤芯间距足够近，使各纤芯产生串扰，但产生的串扰可以通过多输入多输出(MIMO)技术处理进行解码，实现模分复用传输。
强耦合型多芯光纤由于各芯模场相互叠加形成超模，使光纤的有效面积增大，有利于降低非线性效应。同时由于强耦合多芯光纤的芯间距较小，在光纤设计时相同包层直径下可以容纳更多的纤芯。基于SDM系统强耦合多芯光纤设计要点包括以下方面：(1)模式间的有效折射率差应足够大以避免模式耦合；(2)各模式的模式损耗应相同或相差足够小；(3)下陷包层的存在有利于改善宏弯性能；(4)超模的模式时延(DMD)及空间模式色散(SMD)应尽可能小以降低MIMO系统的复杂性。
综上所述，降低强耦合多芯光纤的传输损耗及空间模式色散，同时改善宏弯性能是实现强耦合多芯光纤应用亟需改善的问题。
专利申请CN107179581A提出了一种耦合性多芯制备方法，但主要关注光纤的传输损耗而未关注光纤的空间模式色散及宏弯性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种耦合型多芯光纤及其制备方法，该耦合型多芯光纤具有较低的传输损耗和空间模式色散以及较优的弯曲性能。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种耦合型多芯光纤，包括纤芯单元和包围该纤芯单元的光纤包层；
纤芯单元包括多个传输纤芯，每个传输纤芯包括芯层和包围该芯层的纤芯包层；该多个传输纤芯在光纤包层中呈均匀分布；
包围传输纤芯的光纤包层包括内包层和环形的外包层；
该多芯光纤的折射率剖面为阶跃型剖面结构；
该多芯光纤的中心处不设置传输纤芯。
进一步的，所述纤芯单元还包括标记纤芯，标记纤芯靠近其中任意一个传输纤芯。
进一步的，相邻两个传输纤芯的间距为小于或等于35μm，更优选为小于等于25μm且大于等于20μm。
进一步的，传输纤芯的芯层的半径大于或等于3.0μm且小于或等于6.25μm，更优选为大于等于4.0μm且小于等于6.0μm；传输纤芯的纤芯包层的半径与芯层的半径之比为1.0～3.0。
进一步的，所述光纤包层的半径为62.5μm。
进一步的，芯层相对于纯二氧化硅的折射率差△N1为-0.0005～0.0058；纤芯包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N2为-0.0060～-0.0005。
进一步的，内包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N3小于外包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N4；优选的，所述内包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N3为-0.0080～-0.0010；所述外包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N4为-0.0055～0。
进一步的，所述芯层为掺锗二氧化硅芯层或掺碱金属二氧化硅芯层；所述纤芯包层为掺氟二氧化硅包层。
进一步的，所述标记纤芯的半径大于或等于2.5μm且小于或等于4μm；该标记纤芯为锗掺杂二氧化硅纤芯；标记纤芯相对于纯二氧化硅的折射率差为0.0030～0.0040。
该耦合型多芯光纤的制备方法，包括如下步骤：
(1)首先制备由内包层和外包层构成的套柱胚棒以及纤芯单元中的各个芯棒(传输纤芯和标记纤芯)；
(2)将纤芯单元的各个芯棒的直径延伸至目标匹配直径；
(3)利用高精度钻孔设备按设计的孔分布图依次在套柱胚棒上进行钻孔，制得套柱；
(4)将纤芯单元的各个芯棒与套柱的对应孔组装，获得强耦合多芯光纤光棒，将光棒通过后续的拉丝工艺，制得该耦合型多芯光纤。
本发明的有益效果：
本发明的光纤结构的中心处不设置纤芯，可以使各传输纤芯之间能够更有效的耦合；
本发明的光纤的折射率剖面采用阶跃型剖面结构，可以提升模式间的有效折射率差，避免高阶模式耦合；
本发明的光纤具有内包层和外包层，外包层为环形结构，可以有效改善该耦合多芯光纤的弯曲性能；
本发明的光纤通过纤芯和包层的结构设计以及折射率差设计，可以满足大容量传输需求，并且具有较低的传输损耗和空间模式色散以及较优的弯曲性能。
附图说明
图1为本发明的耦合型多芯光纤的传输纤芯的折射率剖面结构分布图。
图2为本发明实施例1的耦合型多芯光纤的径向截面结构示意图。
图3为本发明实施例1的耦合型多芯光纤的折射率剖面结构分布图。
图4为本发明实施例2的耦合型多芯光纤的径向截面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明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。
如图2和图4所示，本发明提供了一种耦合型多芯光纤，包括纤芯单元和包围该纤芯单元的光纤包层；
纤芯单元包括多个传输纤芯11，每个传输纤芯11包括芯层111和包围该芯层111的纤芯包层112；该多个传输纤芯11在光纤包层2中呈均匀分布；
包围传输纤芯的光纤包层2包括内包层21和环形的外包层22；
该多芯光纤的折射率剖面为阶跃型剖面结构；
该多芯光纤的中心处不设置传输纤芯。
其中，拉丝后的光纤中的相邻两个传输纤芯的间距Λ为小于或等于35μm，更优选为小于等于25μm且大于等于20μm。
其中，拉丝后，传输纤芯的芯层的半径R1大于或等于3.0μm且小于或等于6.25μm，更优选为大于等于4.0μm且小于等于6.0μm；传输纤芯的纤芯包层的半径R2与芯层的半径R1之比为1.0～3.0。
其中，拉丝后，所述光纤包层的半径R3(内包层的半径)优选为大于或等于23.0μm且小于62.5μm。
其中，拉丝后，所述光纤包层的半径R4(外包层的外半径)优选为62.5μm。
其中，传输纤芯的芯层为掺锗二氧化硅芯层或掺碱金属二氧化硅芯层；当芯层为掺碱金属二氧化硅时，碱金属的平均浓度大于或等于5ppm且小于或等于100ppm；碱金属优选为锂、钠、钾、铷中的至少一种。
传输纤芯的纤芯包层为掺氟二氧化硅包层；光纤包层的内包层为掺氟二氧化硅包层，光纤包层的外包层为掺氟二氧化硅包层或纯二氧化硅包层。
其中，如图1所示，芯层相对于纯二氧化硅的折射率差△N1为-0.0005～0.0058；纤芯包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N2为-0.0060～-0.0005。
其中，内包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N3小于外包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N4；优选的，内包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N3为-0.0080～-0.0010；所述外包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N4为-0.0055～0。
其中的多个传输纤芯为对称分布，其分布方式为正四边形或正六边形，也可以为其他均匀对称分布方式。
本发明的传输光纤的1550nm处传输损耗小于或等于0.22dB/Km，更优选的是小于或等于0.16dB/Km。
所述纤芯单元还包括标记纤芯12，标记纤芯12靠近其中任意一个传输纤芯11。标记纤芯用于多芯光纤的各传输纤芯的位置确认，以便于进行熔接。拉丝后，标记纤芯的半径大于或等于2.5μm且小于或等于4μm；该标记纤芯为锗掺杂二氧化硅纤芯；标记纤芯相对于纯二氧化硅的折射率差为0.0030～0.0040。
该耦合型多芯光纤的制备方法，包括如下步骤：
(1)首先制备纤芯单元中的各个芯棒，即传输纤芯和标记纤芯，并制备套柱胚棒(光纤包层)
(2)将纤芯单元的各个芯棒的直径延伸至目标匹配直径；
(3)利用高精度钻孔设备按设计的孔分布图依次在套柱胚棒上进行钻孔，制得套柱，孔的数量与纤芯单元的芯棒的数量相等；
(4)将纤芯单元的各个芯棒与套柱的对应孔组装，获得强耦合多芯光纤光棒，将光棒通过后续的拉丝工艺，制得该耦合型多芯光纤。
实施例1
如图2所示，该实施例2的耦合型多芯光纤，包括纤芯单元和包围该纤芯单元的光纤包层；
该纤芯单元包括四个传输纤芯11和一个标记纤芯12；每个传输纤芯11包括芯层111和包围该芯层111的纤芯包层112；该四个传输纤芯11在光纤包层2中围绕光纤中心呈正方形分布；标记纤芯12靠近任意一个传输纤芯11；包围纤芯单元的光纤包层2包括内包层21和环形的外包层22；该多芯光纤的折射率剖面为阶跃型剖面结构；该多芯光纤的中心处不设置传输纤芯。
其中，拉丝后的传输纤芯的芯层的半径R1为4.3μm；传输纤芯的纤芯包层的半径R2为8.6μm。外包层的外半径R4为62.5μm。相邻两个传输纤芯的间距Λ为20μm。
其中，传输纤芯的芯层为掺锗二氧化硅芯层；芯层相对于纯二氧化硅的折射率差△N1为0.0050。
传输纤芯的纤芯包层为掺氟二氧化硅包层；纤芯包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N2为-0.0010。
光纤包层的内包层为掺氟二氧化硅包层，光纤包层的外包层为纯二氧化硅包层。内包层相对于纯二氧化硅的折射率差等于纤芯包层相对于纯二氧化硅的折射率差。
该实施例1的耦合型多芯光纤的制备方法为：
(1)通过VAD工艺制备掺氟芯棒，将芯棒通过延伸及外圆磨工艺加工成目标直径靶棒，再利用OVD工艺制备纯二氧化硅的外包层，最后延伸至80～100mm套柱胚棒；
采用VAD工艺制备传输纤芯芯棒及标记纤芯芯棒，直径为90～120mm；
(2)将各纤芯芯棒延伸至目标匹配直径；
(3)采用高精度钻孔设备按设计的孔分布图依次在套柱胚棒上进行钻孔，形成含有标记纤芯孔以及传输纤芯孔的套柱；
(4)将传输纤芯芯棒以及标记纤芯芯棒与套柱进行组装，获得强耦合多芯光纤光棒；将光棒通过后续的拉丝工艺，制得该耦合型多芯光纤。
本实施例1制备的强耦合四芯光纤支持八个模式，各传输纤芯的1550nm处传输损耗为0.198dB/Km，光纤的空间模式色散为20.5ps/km^0.5，适用于制备强耦合四芯光纤器件。
实施例2
如图4所示，该实施例2的耦合型多芯光纤，包括纤芯单元和包围该纤芯单元的光纤包层；
该纤芯单元包括六个传输纤芯11和一个标记纤芯12；每个传输纤芯11包括芯层111和包围该芯层111的纤芯包层112；该六个传输纤芯11在光纤包层2中围绕光纤中心呈正六边形分布；标记纤芯12靠近任意一个传输纤芯11；包围纤芯单元的光纤包层2包括内包层21和环形的外包层22；该多芯光纤的折射率剖面为阶跃型剖面结构；该多芯光纤的中心处不设置传输纤芯。
其中，拉丝后的传输纤芯的芯层的半径R1为4.5μm；传输纤芯的纤芯包层的半径R2为9.1μm。外包层的外半径R4为62.5μm。相邻两个传输纤芯的间距Λ为25μm。
其中，传输纤芯的芯层为掺锗二氧化硅芯层；芯层相对于纯二氧化硅的折射率差△N1为0.0051。
传输纤芯的纤芯包层为掺氟二氧化硅包层；纤芯包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N2为-0.0020。
光纤包层的内包层为掺氟二氧化硅包层，光纤包层的外包层为纯二氧化硅包层。内包层相对于纯二氧化硅的折射率差等于纤芯包层相对于纯二氧化硅的折射率差。
该实施例2的耦合型多芯光纤的制备方法为：
(1)通过VAD工艺制备掺氟芯棒，将芯棒通过延伸及外圆磨工艺加工成目标直径靶棒，再利用OVD工艺制备纯二氧化硅的外包层，最后延伸至80～100mm套柱胚棒；
采用VAD工艺制备传输纤芯芯棒及标记纤芯芯棒，直径为90～120mm；
(2)将各纤芯芯棒延伸至目标匹配直径；
(3)采用高精度钻孔设备按设计的孔分布图依次在套柱胚棒上进行钻孔，形成含有标记纤芯孔以及传输纤芯孔的套柱；
(4)将传输纤芯芯棒以及标记纤芯芯棒与套柱进行组装，获得强耦合多芯光纤光棒；将光棒通过后续的拉丝工艺，制得该耦合型多芯光纤。
本实施例2制备的强耦合六芯光纤支持十二个模式，各传输纤芯的1550nm处传输损耗为0.208dB/Km，光纤的空间模式色散为25ps/km^0.5，适用于制备强耦合六芯光纤器件。
实施例3
该实施例3的耦合型多芯光纤，包括纤芯单元和包围该纤芯单元的光纤包层；
该纤芯单元包括四个传输纤芯11和一个标记纤芯12；每个传输纤芯11包括芯层111和包围该芯层111的纤芯包层112；该四个传输纤芯11在光纤包层2中围绕光纤中心呈正方形分布；标记纤芯12靠近任意一个传输纤芯11；包围纤芯单元的光纤包层2包括内包层21和环形的外包层22；该多芯光纤的折射率剖面为阶跃型剖面结构；该多芯光纤的中心处不设置传输纤芯。
其中，拉丝后的传输纤芯的芯层的半径R1为6.0μm；传输纤芯的纤芯包层的半径R2为6.0μm。外包层的外半径R4为62.5μm。相邻两个传输纤芯的间距Λ为20μm。
其中，传输纤芯的芯层为掺碱金属二氧化硅芯层；芯层相对于纯二氧化硅的折射率差△N1为0.0005。
传输纤芯的纤芯包层为掺氟二氧化硅包层；纤芯包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N2为-0.0060。
光纤包层的内包层为掺氟二氧化硅包层，光纤包层的外包层也为掺氟二氧化硅包层；内包层相对于纯二氧化硅的折射率差为-0.0060；外包层相对于纯二氧化硅的折射率差为-0.0040。
该实施例3的耦合型多芯光纤的制备方法为：
(1)通过VAD工艺制备掺氟芯棒，将芯棒通过延伸及外圆磨工艺加工成目标直径靶棒，再利用OVD工艺制备外包层，最后延伸至80～100mm套柱胚棒；
制备传输纤芯芯棒及标记纤芯芯棒，直径为90～120mm；
(2)将各纤芯芯棒延伸至目标匹配直径；
(3)采用高精度钻孔设备按设计的孔分布图依次在套柱胚棒上进行钻孔，形成含有标记纤芯孔以及传输纤芯孔的套柱；
(4)将传输纤芯芯棒以及标记纤芯芯棒与套柱进行组装，获得强耦合多芯光纤光棒；将光棒通过后续的拉丝工艺，制得该耦合型多芯光纤。
本实施例3制备的强耦合四芯光纤支持八个模式，各传输纤芯的1550nm处传输损耗为0.158dB/Km，光纤的空间模式色散为8.5ps/km^0.5，适用于大容量传输系统。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种耦合型多芯光纤，其特征在于：包括纤芯单元和包围该纤芯单元的光纤包层；
纤芯单元包括多个传输纤芯，每个传输纤芯包括芯层和包围该芯层的纤芯包层；该多个传输纤芯在光纤包层中呈均匀分布；
包围传输纤芯的光纤包层包括内包层和环形的外包层；
该多芯光纤的折射率剖面为阶跃型剖面结构；
该多芯光纤的中心处不设置传输纤芯。
2.根据权利要求1所述的一种耦合型多芯光纤，其特征在于：所述纤芯单元还包括标记纤芯，标记纤芯靠近其中任意一个传输纤芯。
3.根据权利要求1所述的一种耦合型多芯光纤，其特征在于：相邻两个传输纤芯的间距为小于或等于35μm。
4.根据权利要求1所述的一种耦合型多芯光纤，其特征在于：传输纤芯的芯层的半径大于或等于3.0μm且小于或等于6.25μm；传输纤芯的纤芯包层的半径与芯层的半径之比为1.0～3.0。
5.根据权利要求1所述的一种耦合型多芯光纤，其特征在于：所述光纤包层的半径为62.5μm。
6.根据权利要求1所述的一种耦合型多芯光纤，其特征在于：芯层相对于纯二氧化硅的折射率差△N1为-0.0005～0.0058；纤芯包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N2为-0.0060～-0.0005。
7.根据权利要求1所述的一种耦合型多芯光纤，其特征在于：所述内包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N3为-0.0080～-0.0010；所述外包层相对于纯二氧化硅的折射率差△N4为-0.0055～0。
8.根据权利要求1所述的一种耦合型多芯光纤，其特征在于：所述芯层为掺锗二氧化硅芯层或掺碱金属二氧化硅芯层；所述纤芯包层为掺氟二氧化硅包层。
9.根据权利要求2所述的一种耦合型多芯光纤，其特征在于：所述标记纤芯的半径大于或等于2.5μm且小于或等于4μm。
10.一种权利要求1至9任一项所述的耦合型多芯光纤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先制备套柱胚棒和纤芯单元；
(2)将纤芯单元的各个芯棒的直径延伸至目标匹配直径；
(3)利用高精度钻孔设备按设计的孔分布图依次在套柱胚棒上进行钻孔，制得套柱；
(4)将纤芯单元的各个芯棒与套柱的对应孔组装，获得强耦合多芯光纤光棒，将光棒通过后续的拉丝工艺，制得该耦合型多芯光纤。
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