CN117008244A - 一种色散管理型弯曲不敏感光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种色散管理型弯曲不敏感光纤，涉及光通信系统，包括纤芯和包层；所述包层包括内包层、低折射率层和外包层；其中，低折射率层置于内包层和外包层之间；内包层包裹纤芯，低折射率层从外到内为第一渐变折射率层、下凹包层和第二渐变折射率层；包层中材料的折射率之间满足n1>n2>n3，其中，n1，n2，n3分别表示纤芯、内包层、下凹包层的折射率，内包层与外包层折射率相同。本发明光纤具有与普通单模光纤相匹配的色散特性、极低的弯曲损耗、其模场分布与普通单模光纤相匹配，由该光纤和普通单模光纤组成的光纤通信系统能够实现宽波长范围的单模传输。该光纤光学特性与普通单模光纤全面匹配，特别是弯曲损耗和色散特性均优于国际标准(G.657)光纤的新一代低弯曲损耗光纤。
Description
技术领域
本发明涉及光通信系统，尤其涉及一种色散管理型弯曲不敏感光纤。
背景技术
光纤到户是当前光纤通信技术的重点发展方向，在FTTH建设中，由于光缆被安放在拥挤的管道中或者经过多次弯曲后被固定在接线盒或插座等具有狭小空间的线路终端设备中，所以FTTH用的光缆应该是结构简单、敷设方便的光缆。在复杂的入户应用环境中，经常需要将光纤需要进行小角度的弯曲，此时普通光纤的弯曲性能已经不能满足要求。为此，国际电信联盟特别制定了适用于光纤到户的G.657光纤标准。这种能够满足光纤到户运用的光纤一般称为弯曲不敏感光纤或低弯曲损耗光纤。
色散是决定光纤的工作带宽和通信容量的重要传输性能指标，色散大小直接决定光纤的通信容量和传输距离，由于在光纤到户系统中，尚处于100Mb/s及以下速率，因而，在以往的G.657.B3光纤标准中，对于光纤色散尚大小提出未要求。随着人们对通信带宽需求的不断增加，今后在局域网以及小区网络中，也将开展容量更大的时分以及波分复用等技术，因此，对光纤的通信容量也提出了更高的要求。对于这些新需求，光纤的色散管理变得更为紧迫。事实上，最新版的G.657B3光纤标准已经对光纤色散特性提出了要求，其零色散波长应处于1250～1350nm，其零色散斜率应小于0.110ps/(nm2·km)。普通单模光纤(G.652单模光纤)以及低端的G.657A光纤，其零色散波长为1300～1324nm之间和色散斜率为小于0.092ps/(nm2·km)。因此，G.657.B3对色散要求仍低于G.652和G.657A光纤。其原因是：为实现低弯曲损耗传输，一般要求光纤的数值孔径较大，从而导致光纤的零色散波长与其材料色散的零色散波长相近，在1280nm左右。因此，低弯曲损耗与色散之间存在矛盾，需要通过创新光纤结构设计来解决。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种色散管理型弯曲不敏感光纤，可实现在小弯曲半径下的低弯曲损耗传输，其与普通单模光纤之间具有低的连接损耗，且色散特性与普通单模光纤相匹配。
一种色散管理型弯曲不敏感光纤，包括纤芯和包层；所述包层包括内包层、低折射率层和外包层；其中，低折射率层置于内包层和外包层之间；内包层包裹纤芯，低折射率层从外到内为第一渐变折射率层、下凹包层和第二渐变折射率层；
包层中材料的折射率之间满足n1>n2>n3，其中，n1，n2，n3分别表示纤芯、内包层、下凹包层的折射率，内包层与外包层折射率相同。
上述方案中，第一渐变折射率层的折射率为线性变化，其沿光纤径向r的折射率分布满足：其中，n2，n3为内包层、下凹包层的折射率，C为渐变折射率层宽度，r2为内包层半径。
上述方案中，第二渐变折射率层的折射率为线性变化，其沿光纤径向r的折射率分布满足：其中，n2，n3为内包层、下凹包层的折射率，C为渐变折射率层宽度，r4为下凹包层半径。
上述方案中，纤芯半径A满足4μm≤A≤7μm，内包层宽度B满足2μm≤B≤10μm，渐变折射率层宽度C满足2μm≤C≤8μm，下凹包层与渐变折射率层总宽度D满足15μm≤B≤40μm。
上述方案中，纤芯与内包层折射率差Δ1＝n1-n2满足0.003≤Δ1≤0.007，内包层与下凹包层折射率差Δ2＝n2-n3满足0.003≤Δ2≤0.007。
上述方案中，1550nm波长时，光纤在弯曲半径为5mm下的弯曲损耗小于0.1dB/m。
上述方案中，零色散波长在1300～1324nm之间且零色散斜率小于0.092ps/(nm2·km)。
上述方案中，波长为1.31μm时，光纤基模的模场直径F满足：8.6μm≤F≤9.5μm。
上述方案中，所述光纤与仅由所述光纤的纤芯和外包层组成的单模光纤模式匹配，两者的连接损耗低于0.1dB。
本发明的有益效果：
1.利用本发明光纤的纤芯与下凹包层之间具有高折射率差的特点，实现超低弯曲损耗传输；同时由于纤芯半径足够大，使光纤具有大的模场直径。渐变折射率层使光纤在不同波长时的模式分布发生较大的变化，从而有效改变色散，使光纤零色散波长和零色散斜率均达到普通单模光纤标准。由于纤芯与内包层的折射率差与普通单模光纤相似，而光主要被限制在内纤芯中传输，因此，这种弯曲不敏感光纤中的基模与普通单模光纤的基模场分布相似，从而可以实现与普通单模光纤的低损耗连接。本发明光纤结构简单，可以采用现有的成熟的光纤制作工艺实现。
2.本发明研制的与普通单模光纤(G.652光纤)匹配的色散特性的新型低弯曲损耗光纤可以使弯曲不敏感光纤的适应性更强，其系统中也可以采用干线通信系统中成熟的时分、波分复用技术和已商品化的光器件，从而能够在提高系统通信容量的同时，有效降低其通信成本。
3.本发明光纤具有与普通单模光纤相匹配的色散特性、极低的弯曲损耗、其模场分布与普通单模光纤相匹配，由该光纤和普通单模光纤组成的光纤通信系统能够实现宽波长范围的单模传输。该光纤光学特性与普通单模光纤全面匹配，特别是弯曲损耗和色散特性均优于国际标准(G.657)光纤的新一代低弯曲损耗光纤。
附图说明
图1为本发明光纤的横截面结构示意图；
图2为本发明光纤的折射率分布图；
图3为光纤通信系统示意图；
图4为本发明光纤的弯曲损耗随波长的变化曲线；
图5为本发明光纤的弯曲损耗随波长的变化曲线；
图6为本发明实施例一的色散曲线。
附图标记：
1-纤芯、2-内包层、3-第一渐变折射率层、4-下凹包层、5-第二渐变折射率层、6-外包层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一种色散管理型弯曲不敏感光纤，包括纤芯1和包层；所述包层包括内包层2、低折射率层和外包层6；其中，低折射率层置于内包层和外包层6之间；内包层2包裹纤芯1，低折射率层从外到内为第一渐变折射率层3、下凹包层4和第二渐变折射率层5；
包层中材料的折射率之间满足n1>n2>n3，其中，n1，n2，n3分别表示纤芯1、内包层2、下凹包层的折射率，内包层2与外包层折射率相同。
光纤到户应用中，少模光纤两端连接的都是常规的单模光纤，如图3所示。通过合理的光纤结构与参数设计，可以实现两种光纤在模场分布上的高度匹配，从而使少模光纤的高阶模因为正交性，而无法与单模光纤发生有效耦合，保证了光纤的单模传输。由于少模光纤的纤芯与包层折射率差大于单模光纤，可以有效降低光纤的弯曲损耗。
常规单模光纤的色散由材料色散和波导色散组成，光纤的波导色散主要取决于波导结构及参数。在阶跃型少模光纤中，通过增大纤芯与包层折射率差减少光纤的弯曲损耗，通过增大纤芯直径实现光纤的模场分布与普通单模光纤匹配。因此，其光传输被束缚于纤芯区，而其波导色散减少，这样光纤的零色散点将移向短波长区，从而难以达到G.652光纤标准要求。由于实现低弯曲损耗要求纤芯与包层之间具有高的折射率差，为解决色散问题，需要在保证纤芯与包层具有高折射率差的前提下，通过调整纤芯结构与参数改变其光场分布，从而调整其波导色散。
光纤结构如图1所示，折射率分布如图2所示。可以这样理解本发明提出的这种色散管理型弯曲不敏感光纤。本发明提出的色散管理型弯曲不敏感光纤采用下凹包层结构，在保持光纤基模的模场分布与标准单模光纤相似的同时，增大了纤芯与下凹包层的折射率差，从而有效地克服普通单模光纤无法获得高折射率差的缺点。虽然这种光纤会有高阶模存在，但可采用通过在光纤两端连接标准单模光纤的方法，实现等效的单模传输。
为了将零色散波长从1280nm左右移向1300～1324nm，在下凹包层的两边引入渐变折射率结构。通过这种渐变式折射率变化，使光纤在不同波长时的模式分布发生较大的变化，从而有效改变波导色散，对模式色散起到了均衡作用,从而消除模式色散。
当本发明光纤的渐变折射率层宽度为0时，光纤即是一普通下陷层辅助型光纤。显然此时光纤的抗弯曲能力较强。但由于每层之间折射率差较大，无法改善其色散特性，导致其零色散波长小于1300nm，零色散斜率大于0.092ps/(nm2·km)，色散特性不满足G.652光纤标准。
综上所述，渐变折射率层应具有一定的宽度，否则其色散特性无法满足要求。同时，渐变折射率层宽度不应太大，否则，它的弯曲损耗会较大。
为了与普通单模光纤实现低损耗的连接，要求少模梯度折射率光纤的基模的模场直径与单模光纤相差较小。由于两种光纤的模场面积不同而导致的光纤的连接损耗可由下面公式近似得到：
其中和/>分别为单模光纤和少模阶跃光纤的模场直径。显然，少模阶跃光纤的模场直径与单模光纤相近时其连接损耗会较小。因此，根据普通单模光纤的模场直径特点(如G652光纤在1310nm波长时的模场直径F要求为8.6～9.5μm)，要求在1310nm波长时，梯度折射率光纤的模场直径F的取值范围也在8.6～9.5μm之间。
本发明光纤在1550nm波长时的弯曲损耗随弯曲半径变化情况如图4所示，弯曲半径为5mm、7.5mm和10mm时的弯曲损耗分别为0.011dB/m、2.65×10-4dB/m和5.57×10-5dB/m，均低于G.657.B3光纤标准两个数量级以上。本发明光纤在弯曲半径为5mm时的弯曲损耗随弯曲波长变化情况如图5所示，1625nm时的弯曲损耗低于G.657.B3光纤标准两个数量级以上。此弯曲光纤有极好的抗弯曲损耗特性。
实施例一：
光纤的纤芯半径A＝4.4μm，纤芯与内包层折射率差Δ1＝n1-n2＝0.0048，内包层宽度B＝5.6μm，渐变折射率层宽度C＝5μm,下凹包层与渐变折射率层总宽度D＝20μm，内包层与下凹包层折射率差Δ2＝n2-n3＝0.005。光纤的弯曲半径为5mm时，其弯曲损耗为0.011dB/m，小于0.1dB/m。光纤的零色散波长为1300nm，零色散斜率为0.086(nm2·km)，色散特性达到普通单模光纤即G.652光纤标准。在1310nm波长时，其模场直径为9.35μm，其与普通单模光纤的连接损耗小于0.1dB。
实施例二：
光纤的纤芯半径A＝4μm，纤芯与内包层折射率差Δ1＝n1-n2＝0.0048，内包层宽度B＝5.6μm，渐变折射率层宽度C＝5μm,下凹包层与渐变折射率层总宽度D＝20μm，内包层与下凹包层折射率差Δ2＝n2-n3＝0.005。光纤的弯曲半径为5mm时，其弯曲损耗为1.74×10- 4dB/m，小于0.1dB/m。光纤的零色散波长为1315nm，零色散斜率为0.085(nm2·km)，色散特性达到普通单模光纤即G.652光纤标准。在1310nm波长时，其模场直径为8.98μm，其与普通单模光纤的连接损耗小于0.1dB。
实施例三：
光纤的纤芯半径A＝4.2μm，纤芯与内包层折射率差Δ1＝n1-n2＝0.0045，内包层宽度B＝5μm，渐变折射率层宽度C＝4μm,下凹包层与渐变折射率层总宽度D＝18μm，内包层与下凹包层折射率差Δ2＝n2-n3＝0.0045。光纤的弯曲半径为5mm时，其弯曲损耗为1.42×10- 3dB/m，小于0.1dB/m。光纤的零色散波长1306nm，零色散斜率为0.086(nm2·km)，色散特性达到普通单模光纤即G.652光纤标准。在1310nm波长时，其模场直径为9.31μm，其与普通单模光纤的连接损耗小于0.1dB。
以上光纤均可采用与普通单模光纤相似的制作工艺实现。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
Claims (9)
1.一种色散管理型弯曲不敏感光纤，其特征在于，包括纤芯和包层；所述包层包括内包层、低折射率层和外包层；其中，低折射率层置于内包层和外包层之间；内包层包裹纤芯，低折射率层从外到内为第一渐变折射率层、下凹包层和第二渐变折射率层；
包层中材料的折射率之间满足n1>n2>n3，其中，n1，n2，n3分别表示纤芯、内包层、下凹包层的折射率，内包层与外包层折射率相同。
2.根据权利要求1所述的色散管理型弯曲不敏感光纤，其特征在于，第一渐变折射率层的折射率为线性变化，其沿光纤径向r的折射率分布满足：其中，n2，n3为内包层、下凹包层的折射率，C为渐变折射率层宽度，r2为内包层半径。
3.根据权利要求1所述的色散管理型弯曲不敏感光纤，其特征在于，第二渐变折射率层的折射率为线性变化，其沿光纤径向r的折射率分布满足：其中，n2，n3为内包层、下凹包层的折射率，C为渐变折射率层宽度，r4为下凹包层半径。
4.根据权利要求1所述的色散管理型弯曲不敏感光纤，其特征在于，纤芯半径A满足4μm≤A≤7μm，内包层宽度B满足2μm≤B≤10μm，渐变折射率层宽度C满足2μm≤C≤8μm，下凹包层与渐变折射率层总宽度D满足15μm≤B≤40μm。
5.根据权利要求1所述的色散管理型弯曲不敏感光纤，其特征在于，纤芯与内包层折射率差Δ1＝n1-n2满足0.003≤Δ1≤0.007，内包层与下凹包层折射率差Δ2＝n2-n3满足0.003≤Δ2≤0.007。
6.根据权利要求1所述的色散管理型弯曲不敏感光纤，其特征在于，1550nm波长时，光纤在弯曲半径为5mm下的弯曲损耗小于0.1dB/m。
7.根据权利要求1所述的色散管理型弯曲不敏感光纤，其特征在于，零色散波长在1300～1324nm之间且零色散斜率小于0.092ps/(nm2·km)。
8.根据权利要求1所述的色散管理型弯曲不敏感光纤，其特征在于，波长为1.31μm时，光纤基模的模场直径F满足：8.6μm≤F≤9.5μm。
9.根据权利要求1所述的色散管理型弯曲不敏感光纤，其特征在于，所述光纤与仅由所述光纤的纤芯和外包层组成的单模光纤模式匹配，两者的连接损耗低于0.1dB。
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