CN118131390A - 新型的单模、多模两用通信光纤及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的单模、多模两用通信光纤，包括从内到外并且同心布置的掺锗单模纤芯、掺锗多模纤芯和纯二氧化硅包层，掺锗多模纤芯包括阶跃型折射率剖面分布或梯度型折射率剖面分布，掺锗多模纤芯/纯二氧化硅包层的折射率差为，，掺锗单模纤芯/掺锗二氧化硅包层的折射率差为，，其中为纯二氧化硅包层折射率，为掺锗多模纤芯折射率，为掺锗单模纤芯折射率。通过预制棒制作步骤和光纤拉丝制得。通过上述方式，本发明新型的单模、多模两用通信光纤及其制备工艺，既可用作单模光纤又可用作多模光纤，扩大了应用场景，使用寿命长，本专利两用光纤在用作单模光纤时，光纤弯折时不会产生漏光现象。
Description
技术领域
本发明涉及光纤领域，特别是涉及一种新型的单模、多模两用通信光纤及其制备工艺。
背景技术
通信光纤有两大类，单模光纤和多模光纤。
多模光纤的色散包括模间色散和模内色散两部份，在光纤数字信号传输中， 输入光脉冲在多模光纤中分成从基模到最高阶模的各阶模式，每阶模式分别承载一部份脉冲功率，在输出端重新组合成输出光脉冲，但各模式因在光纤中的传输时间不同，故而到达输出端的时间不同，造成输出脉冲展宽，此即模间色散。阶跃型折射率剖面的多模光纤模间色散很大，严重制约了光纤的传输速率，故采用梯度型折射率剖面的多模光纤，使各阶模式在光纤中有基本相同的传输时间，从而可显著减小模间色散，以增大传输速率。模内色散是指:单一模式的脉冲是包含不同波长分量所组成的，不同波长分量因在光纤中传输时间不同，造成输出脉冲展宽，故模内色散又可称为波长色散。波长色散包括材料色散和波导色散两部份，波导色散在单模光纤中起着重要作用，但在多模光纤中可忽略不计，因此多模光纤的模内色散，或称波长色散主要就是指材料色散。材料色散是由材料的色散特性造成的脉冲展宽：由于光纤材料（二氧化硅）的折射率在红外波段是波长的函数，即，而光波在介质中的传播速度为/>，c为光速，这样光波的传播速度因随波长而变化，从而产生材料色散。在1300nm波长上材料色散为零，加上处于光纤的低损耗窗口，故而多模光纤的工作波长为850nm和1300nm。在波长为850nm处的波长色散系数可从多模光纤的零色散波长λ0和零色散斜率S0计算得到。采用VCSEL激光器作为光源的激光优化的光纤为50/125μm的梯度型折射率剖面的多模光纤，工作波长为850nm。
单模光纤的波长色散包括材料色散和波导色散之和，两者符号相反是相互扺消的，零色散在1310nm ，所以单模光纤的脉冲展宽很小，能传输高速率的脉冲信号。单模光纤中传输的是基模HE11模式。单模光纤的工作波长为1310nm和1550nm两个波长。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种新型的单模、多模两用通信光纤及其制备工艺，既可用作单模光纤又可用作多模光纤，扩大了应用场景，使用寿命长，本专利两用光纤在用作单模光纤时，光纤弯折时不会产生漏光现象。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种新型的单模、多模两用通信光纤，包括从内到外并且同心布置的掺锗单模纤芯、掺锗多模纤芯和纯二氧化硅包层，所述掺锗多模纤芯包括阶跃型折射率剖面分布或梯度型折射率剖面分布，所述掺锗多模纤芯/纯二氧化硅包层的折射率差为，，/>，所述掺锗单模纤芯/掺锗二氧化硅包层的折射率差为，/>，其中/>为纯二氧化硅包层折射率，/>为掺锗多模纤芯折射率，/>为掺锗单模纤芯折射率。
在本发明一个较佳实施例中，所述掺锗单模纤芯的芯径小于掺锗多模纤芯的芯径。
在本发明一个较佳实施例中，所述掺锗单模纤芯的芯径为8.3μm，掺锗多模纤芯的芯径为50μm，纯二氧化硅包层的直径为125μm。
在本发明一个较佳实施例中，所述掺锗多模纤芯和纯二氧化硅包层形成导光结构从而阻挡掺锗单模纤芯折射的光强。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种新型的单模、多模两用通信光纤的制备工艺，包括以下步骤：
a．预制棒制作：将石英基管放在玻璃车床上旋转，用超纯氧气作为载气与SiCl4，GeCl4的饱和蒸气一同进入石英基管，温度为1400-1600℃的氢氧焰加热石英基管的外壁，通过热传导在管内的气相材料在高温下发生氧化反应，生成的氧化物在高温区气流下游的管内壁上形成多孔玻璃粉尘的沉积层，当下一波氢氧焰的高温区经过此处时，玻璃粉尘被烧结成沉积在内壁上的均匀透明的玻璃层，氢氧火炬从左到右缓慢移动一次形成一层相应的沉积层，然后快速退回到原处，进行第二次沉积，如此往复直到完成所规定的沉积；石英基管将作为外包层部分，沉积层从包层向纤芯逐层沉积，当沉积完成后，中心还留有小孔，进入预制棒的烧缩阶段，停止原料气流进入，火焰温度升高到1800℃左右，将石英管烧缩形成实心的光纤预制棒；
b．光纤拉丝：将光纤预制棒插入拉丝炉内进行2200℃高温拉丝， 拉制成光纤，光纤拉丝成形后，直接在拉丝塔上进行涂覆塑料树脂对光纤予以保护。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤a中管内的气相材料在高温下发生氧化反应的反应式为：SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑；GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤a中沉积过程中反应产生的氯气和没有反应完的气相材料则从石英基管的出口排出，进行废气中和处理。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤a中折射率剖面通过用质量流量控制器调节各原料组成的载气的流量来控制，
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤b中为了减小光纤的微弯损耗，通常分两层涂覆，涂复直径为242±5µm，涂层分为内、外两层。内涂直径为180 -190µm，内涂层需釆用低杨氏模量的涂料以提高光纤的抗微弯性能，内涂层的扬氏模量为0.5-2MPa；外涂层采用较高杨氏模量的涂料以增加光纤的机械和环境保护性能，外层涂料的杨氏模量应大于600MPa，采用紫外固化丙烯酸树脂作为涂层材料。
本发明的有益效果是：本发明新型的单模、多模两用通信光纤，在单、多模两用光纤中，在用作单模跳线时，即便光纤因微弯损伤光强折射出包层时，仍落在其多模纤芯中，被多模纤芯/包层界面的导光结构所阻挡，故不会逸出光纤而造成光纤漏光现象。
本发明新型的单模、多模两用通信光纤，可以直接更换新型的单模、多模两用通信光纤适用的设备，而无需更换光线重新布线，使用寿命长，适用于单、多模设备的互相更新替换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明新型的单模、多模两用通信光纤的剖视图；
图2是图1的剖视图；
图3是阶跃型折射率剖面的多模纤芯与单模纤芯的组合图；
图4是梯度型折射率剖面多模纤芯与单模纤芯的组合图；
图5是二氧化硅的折射率随掺杂量的变化函数曲线图；
图6为MCVD工艺示意图；
附图中各部件的标记如下：1、掺锗单模纤芯，2、掺锗多模纤芯，3、纯二氧化硅包层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请参阅图1至图6，一种新型的单模、多模两用通信光纤，包括从内到外并且同心布置的掺锗单模纤芯1、掺锗多模纤芯2和纯二氧化硅包层3。掺锗多模纤芯2包括阶跃型折射率剖面分布或梯度型折射率剖面分布，掺锗多模纤芯/纯二氧化硅包层的折射率差为，/>，掺锗单模纤芯/掺锗二氧化硅包层的折射率差为，/>，其中/>为纯二氧化硅包层折射率，/>为掺锗多模纤芯折射率，为掺锗单模纤芯折射率。
掺锗单模纤芯1的芯径小于掺锗多模纤芯2的芯径。掺锗单模纤芯1的芯径为8.3μm，掺锗多模纤芯2的芯径为50μm，纯二氧化硅包层3的直径为125μm。
新型的单模、多模两用通信光纤作为多模光纤工作时，可分为阶跃折射率剖面分布及梯度型折射率剖面分布两种结构，梯度型折射率分布曲线为抛物线型。如图3和图4，从折射率剖面可见，多模光纤中心有个小凸起折射率，这对多模光纤中心的光场有个微扰，但不会影响多模光纤的传输。
新型的单模、多模两用通信光纤作为单模光纤工作时，光纤中心纤芯为8.3μm，纤芯/包层折射率差为0.3%，工作波长为1310nm时，模场直径为8.6-9.2μm; 截止波长为1260nm；零色散波长为1300-1324nm。
掺锗多模纤芯2和纯二氧化硅包层3形成导光结构从而阻挡掺锗单模纤芯1折射的光强。
新型的单模、多模两用通信光纤的筛选应力为100kpsi。
新型的单模、多模两用通信光纤应用场景之一：单、多模两用光纤可用作单模跳线以及多模跳线。
通常在单模光纤跳线中，因制作光纤紧包层工艺中，在收线张力过紧或排线不均匀的情况下，光纤会受到微弯应力而损伤光纤，因单模光纤本身有部分光强分布在包层中，由微弯造成的光纤损伤会使部分光强逸出光纤，便光纤产生漏光现象。在单、多模两用光纤中，在用作单模跳线时，即便光纤因微弯损伤光强折射出包层时，仍落在其多模纤芯中，被多模纤芯/包层界面的导光结构所阻挡，故不会逸出光纤而造成光纤漏光现象。
新型的单模、多模两用通信光纤应用场景之二：数据中心等设备的更新迭代维护
数据中心有数据传输设备和光纤布线，数据传输设备有交换机和服务器等。目前市场中存在单模或多模型设备，而布线光纤也存在单模和多模光纤。社会的进步导致数据需求不断增加，固此机房设备不断更新迭代，当数据设备需升级时，如果需要变换单模和多模的基础设备，对应的布线光纤也需要变換，但如使用单、多模两用光纤时，则无需更换布线光纤。光纤的使用寿命长，通常可达20年以上的便用寿命，远小于设备的更換频率，这样更便于数据设备的升级迭代维护。
新型的单模、多模两用通信光纤应用场景之三：
不仅仅在数据中心领域，在综合布线领域（智能楼宇等）、以及各类光纤布线系统中，单、多模两用光纤都适用于单、多模设备的互相更新替换。
一种新型的单模、多模两用通信光纤的制备工艺，包括以下步骤：
a．预制棒制作，光纤预制棒可采用通用的MCVD工艺或PCVD工艺，这里以MCVD工艺描述如下(详见图6)：
将石英基管放在玻璃车床上旋转，用超纯氧气作为载气与SiCl4，GeCl4的饱和蒸气一同进入石英基管，温度为1400-1600℃的氢氧焰加热石英基管的外壁，通过热传导在管内的气相材料在高温下发生氧化反应，管内的气相材料在高温下发生氧化反应的反应式为：SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑；GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑，生成的SiO2、GeO2等氧化物在高温区气流下游的管内壁上形成多孔玻璃粉尘的沉积层，当下一波氢氧焰的高温区经过此处时，玻璃粉尘被烧结成沉积在内壁上的均匀透明的玻璃层，氢氧火炬从左到右缓慢移动一次形成一层相应的沉积层，然后快速退回到原处，进行第二次沉积，如此往复直到完成所规定的沉积。
沉积过程中反应产生的氯气和没有反应完的气相材料则从石英基管的出口排出，进行废气中和处理。石英基管将作为外包层部分，沉积层从包层向纤芯逐层沉积，在二氧化硅的基体中，通过少量掺杂可改变其折射率，掺杂GeO2有助于折射率的增加。折射率剖面通过用质量流量控制器(MFC)调节各原料组成的载气的流量来控制。当沉积完成后，中心还留有小孔，进入预制棒的烧缩阶段，停止原料气流进入，火焰温度升高到1800℃左右，将石英管烧缩形成实心的光纤预制棒。
在二氧化硅的基体中，通过少量掺杂可改变其折射率。图5表示掺杂二氧化硅的折射率随掺杂量的变化函数。由图可见，掺杂GeO2及P2O5有助于折射率的增加，而掺氟则使折射率下降。例如作为包层的纯二氧化硅的折射率为1.458，掺杂三个百分摩尔的GeO2作为纤芯折射率则增加到1.463，此即G.652匹配型单模光纤的折射率剖面组成。
b．光纤拉丝：将光纤预制棒插入拉丝炉内进行2200℃高温拉丝，拉制成光纤，拉制张力设定为30-45g。这些加工参数形成的光纤较不容易受到拉制诱发的应力影响，该应力对于光纤的光学传输性质(包括波导传播性能)是不利的。光纤拉丝成形后，直接在拉丝塔上进行涂覆塑料树脂对光纤予以保护，为了减小光纤的微弯损耗，通常分两层涂覆，涂复直径为242±5µm，涂层分为内、外两层。内涂直径为180 -190µm，内涂层需釆用低杨氏模量的涂料以提高光纤的抗微弯性能，内涂层的扬氏模量为0.5-2MPa。外涂层采用较高杨氏模量的涂料以增加光纤的机械和环境保护性能。外层涂料的杨氏模量应大于600MPa。一般采用紫外固化丙烯酸树脂作为涂层材料。
区别于现有技术，本发明新型的单模、多模两用通信光纤及其制备工艺，既可用作单模光纤又可用作多模光纤，扩大了应用场景，使用寿命长，避免出现光纤损伤使部分光强逸出光纤的情况。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种新型的单模、多模两用通信光纤，其特征在于，包括从内到外并且同心布置的掺锗单模纤芯、掺锗多模纤芯和纯二氧化硅包层，所述掺锗多模纤芯包括阶跃型折射率剖面分布或梯度型折射率剖面分布，所述掺锗多模纤芯/纯二氧化硅包层的折射率差为，/>，所述掺锗单模纤芯/掺锗二氧化硅包层的折射率差为，/>，其中/>为纯二氧化硅包层折射率，/>为掺锗多模纤芯折射率，为掺锗单模纤芯折射率。
2.根据权利要求1所述的新型的单模、多模两用通信光纤，其特征在于，所述掺锗单模纤芯的芯径小于掺锗多模纤芯的芯径。
3.根据权利要求2所述的新型的单模、多模两用通信光纤，其特征在于，所述掺锗单模纤芯的芯径为8.3μm，掺锗多模纤芯的芯径为50μm，纯二氧化硅包层的直径为125μm。
4.根据权利要求1-4任一所述的新型的单模、多模两用通信光纤，其特征在于，所述掺锗多模纤芯和纯二氧化硅包层形成导光结构阻挡了掺锗单模纤芯折射的光强,在用作单模光纤时，光纤弯折时不会产生漏光现象。
5.一种如权利要求1所述新型的单模、多模两用通信光纤的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a．预制棒制作：将石英基管放在玻璃车床上旋转，用超纯氧气作为载气与SiCl4，GeCl4的饱和蒸气一同进入石英基管，温度为1400-1600℃的氢氧焰加热石英基管的外壁，通过热传导在管内的气相材料在高温下发生氧化反应，生成的氧化物在高温区气流下游的管内壁上形成多孔玻璃粉尘的沉积层，当下一波氢氧焰的高温区经过此处时，玻璃粉尘被烧结成沉积在内壁上的均匀透明的玻璃层，氢氧火炬从左到右缓慢移动一次形成一层相应的沉积层，然后快速退回到原处，进行第二次沉积，如此往复直到完成所规定的沉积；石英基管将作为外包层部分，沉积层从包层向纤芯逐层沉积，当沉积完成后，中心还留有小孔，进入预制棒的烧缩阶段，停止原料气流进入，火焰温度升高到1800℃左右，将石英管烧缩形成实心的光纤预制棒；
b．光纤拉丝：将光纤预制棒插入拉丝炉内进行2200℃高温拉丝， 拉制成光纤，光纤拉丝成形后，直接在拉丝塔上进行涂覆塑料树脂对光纤予以保护。
6.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤a中管内的气相材料在高温下发生氧化反应的反应式为：SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑；GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑。
7.根据权利要求6所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤a中沉积过程中反应产生的氯气和没有反应完的气相材料则从石英基管的出口排出，进行废气中和处理。
8.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤a中折射率剖面通过用质量流量控制器调节各原料组成的载气的流量来控制。
9.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤b中为了减小光纤的微弯损耗，通常分两层涂覆，涂复直径为242±5µm，涂层分为内、外两层，内涂直径为180 -190µm，内涂层需釆用低杨氏模量的涂料以提高光纤的抗微弯性能，内涂层的扬氏模量为0.5-2MPa；外涂层采用较高杨氏模量的涂料以增加光纤的机械和环境保护性能，外层涂料的杨氏模量应大于600MPa，采用紫外固化丙烯酸树脂作为涂层材料。
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