CN1403837A

CN1403837A - 单模光纤及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN1403837A
Application number: CN02139154A
Authority: CN
Inventors: 汪洪海; 涂峰
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Shantou High Tech Zone Aoxing Optical Communication Equipment Co ltd
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2003-03-19
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: CN1180281C

Abstract

本发明涉及一种数据传输单模光纤及其制备方法和用途，该单模光纤的折射率在芯层部分呈二次曲线的梯度分布，该单模光纤可用于850nm、1310nm或1550nm三窗口通信，在850nm波长为多模传输，在1310nm和1550nm为单模传输。由于该发明光纤波导的芯层折射率分布已被优化在850nm波长，因此光纤在850nm的带宽能从普通G652单模光纤的160MHz·km提高到600MHz·km，在1Gbit/s的传输速率下，可达到1km的传输距离。在10Gbit/s的传输速率时，传输距离可达到100m，另外，由于该光纤在1310nm和1550nm是单模传输的，可应用于更大的传输速率，而无需重新埋设光纤，极大的节省了网络升级的费用。

Description

单模光纤及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种数据传输单模光纤及其制备方法和用途，该光纤在1310nm或/和1550nm波长是一种单模光纤，在850nm波长是一种多模光纤。该光纤可使用于850nm、1310nm和1550nm三个窗口。并且在850nm窗口可用于使用激光光源的高速网络系统，如1Gbit/s、2.5Gbit/s以及10Gbit/s传输速率的网络系统。

背景技术

当前在通信系统中所使用的光纤主要包括多模光纤和单模光纤。根据ITU-T或IEC等国际标准，多模光纤产品主要使用在850nm波长和1300nm波长，而单模光纤产品主要使用在1310nm和1550nm波长及其附近波段，分别被称为第一窗口、第二窗口和第三窗口。这些波段的使用和石英光纤本身的特性有关，也和光通信的发展历史有关。从传统的使用方式而言，由于多模光纤具有芯径大，数值孔径大，聚光能力较强的特点，波导中存在多个或几百个传导模式，一般使用于低速网络系统，如10Mbit/s和100Mbit/s的传输速率，使用LED发光二极管作为光源。而单模光纤由于芯径较小，波导中只能激发出一个稳定的基模，一般被使用于高速的网络系统中，1Gbit/s，10Gbit/s以至于40Gbit/s的传输速率。由于单模光纤和多模光纤的不同特性，他们一般也被使用于不同的网络系统中，如单模光纤更多的被使用于骨干网和城域网，而多模光纤被较多地使用于局域网和大楼布线方面。

数据传输需求的快速增长是推动光通信技术发展的原动力。当前，光通信技术正向着更高传输速率和更大传输容量的方向推进。一个明显的变化在于局域网和接入网的传输速率越来越大，如以太网的标准从10Mbit/s，100Mbit/s，到1Gbit/s和10Gbit/s。而传输线也已从金属线和光纤混合使用完全转向光纤。在10Gbit/s以太网系统IEEE802.3ae中，已经全部使用光纤，包括多模光纤和单模光纤。而且，由于LED发光二极管光源本身的性能限制，其最大调制速率在650MHz左右，无法被用于650Mbit/s及以上速率传输，因此在传输速率大于650Mbit/s的状况下，通信网络必须使用激光光源。可以说，光通信网络的一个发展趋势是使用激光作为光源。而另一个发展的趋势在于加速的传输速率，一个可能的前景在于，光纤到户或光纤到计算机使用1Gbit/s的接入速率，而大楼布线或局域网使用10Gbit/s的传输速率。

但是，对于当前多模光纤或单模光纤产品所遭遇的一个困难在于，由于历史的原因，单模光纤和多模光纤各有自己的定位，难以适应通信技术发展的要求。比如在局域网技术发展到10Gbit/s的今天，标准的多模光纤产品无法承担如此高速的传输。对芯径和包层直径分别为50微米和125微米的多模光纤而言，如果不进行优化，在850nm波长其传输距离仅能达到60多米，即使在850nm波长进行了优化，其传输距离也仅能达到300米的传输距离，同时需要对入射脉冲的光功率分布加以限制。而这种光纤性能的优化将导致成品率下降，增加产品的成本。而使用单模光纤工作在1310nm波长，其传输距离虽然可长达几十公里，但必须使用较为昂贵的发射接收系统，使用850nm波长的一个优点在于，网络成本较低。在850nm窗口，可以使用价格较低的垂直腔面发射激光器VCSEL。石英光纤在850nm波长的衰减较大，需要较大的入纤功率，同时LED发光二极管光源的光斑半径较大，需要较大的光纤芯径才可能达到较好的光功率耦合。当前，为了在850nm窗口达到1Gbit/s及以上的传输速率，必须使用VCSEL等激光光源，激光光源具有出射光斑小，发射角小，功率集中的特点，同时VCSEL激光器所发射光斑为圆形，容易耦合入单模光纤。从发展的眼光来看，在较长的一段时间内，第一、第二、第三窗口均用于数据通信的现象会同时存在。但是向更高速率和更长传输距离发展的趋势又必然导致第一窗口向第二、第三窗口转移。在骨干网基本铺设完成的情况下，网络建设的重点必将转移到接入网和局域网。在当前的状况下，使用多模光纤和便宜的VCSEL光源进行局域网建设是合理的，但如果网络需要进一步提速升级在1310nm波长时，就需要重新埋设单模光纤，显然是不合算的；或者埋设单模、多模光纤混合缆，同样增加了投入。因此向市场提供一种满意的，具有应用发展前景的新光纤产品，已成当务之急。

发明内容

本发明的目的为了克服现有多模光纤不能适应网络高速率、远距离传输和单模光纤能满足高速率、远距离传输却需要昂贵的发射接收系统的缺点，而提供的一种单模光纤，这种单模光纤产品既能满足高速率、远距离传输，而且可以降低光纤的生产成本，又能降低网络的运营和升级费用。

本发明的一个目的是提供一种单模光纤及其制备方法。

本发明的另一目的是提供单模光纤的用途，该单模光纤可用于850nm、1310nm或1550nm三窗口通信，该光纤在1310nm或/和1550nm波长是一种单模光纤，在850nm波长是一种多模光纤。该光纤在850nm窗口可使用廉价的VCSEL激光光源，在1Gbit/s的传输速率时可达到1km以上的传输距离，在10Gbit/s的传输速率时传输距离可达到100m以上，满足高速传输所需。而在1310nm、1550nm波段是单模传输。这种结构的光纤产品既可以满足在850nm的高速传输，又可以满足网络向1310nm、1550nm单模波段的升级所需，可以极大的节省网络升级的费用。

本发明光纤的芯层折射率呈二次抛物线梯度分布，如图4所示，其芯层直径的范围在7～16微米，相对折射率大小在0.2～1％之间，折射率指数α范围在1.95～2.1之间。

光纤芯层折射率分布指数被优化在850nm波长。由于该发明光纤波导的芯层折射率分布已被优化在850nm波长，因此光纤在850nm的带宽能从普通G652单模光纤的100MHz·km左右提高到600MHz·km以上。在1Gbit/s的传输速率下，可达到1km以上的传输距离。另外，本发明的优化单模光纤在850nm波长，10Gbit/s的传输速率时，传输距离可达到100m以上，而对于普通的G652单模光纤，在10Gbit/s的传输速率时，传输距离仅为几米。另外，由于优化光纤在1310nm和1550nm是单模传输的，因此，对于可能应用的更大传输速率，如40Gbit/s，可以升级至1310nm或1550nm波长，而无需重新埋设光纤，极大的节省了网络升级的费用。

本发明单模光纤的制备方法，采用等离子体化学气相沉积法PCVD，沉积过程首先沉积包层，包层一般为纯硅层，沉积速率为2.5g/min，包层沉积完成后，沉积芯层，芯层的沉积通过改变沉积速率，沉积速率在2.5～1.5g/min之间，同时在芯层的沉积过程改变锗、氟或其他材料的搀杂比例，使得芯层折射率变化呈近二次抛物线梯度分布。具体而言，在芯层沉积时沉积速率，即单位时间所沉积的石英数量是变化的，同时通过变化GeCl₄气体的流入量以改变Ge在石英玻璃中的莫尔浓度，SiCl₄的流量变化范围在1250～1000ml/min，GeCl₄的流量变化范围在10～175ml/min，达到改变折射率的目的。图2是一具体的光纤制造过程所使用的SiCl₄和GeCl₄流量曲线。在融缩过程中，通过仔细控制融缩孔径和使用C₂F₆等腐蚀性气体，以防止出现中心凹陷和中心区域由于搀杂材料挥发而导致的折射率分布偏离现象。拉丝时，控制拉丝温度及拉丝张力，使所制备光纤符合设计要求。

本发明是一种在850nm波长优化的单模光纤，该单模光纤可用于850nm、1310nm或1550nm三窗口通信，在850nm波长为多模传输，在1310nm和1550nm为单模传输。同时由于搀杂材料的减少而使得在850nm的本征衰减减少，获得更长的无中继传输距离。

光纤的光学性能主要通过光纤的衰减和色散特性表征。减少光纤的衰减和色散是光纤技术进步的两大主线。更小的色散和衰减可以使得光信号以更高的比特率传输，并达到更大的传输距离。

石英光纤的基本结构包括芯层和包层，一般而言，芯层是搀杂的石英玻璃，而包层是纯石英玻璃，并环绕着芯层组成。对于一些结构特殊的光纤，如ITU-T所规定的G655光纤，具有多个包层结构，且在包层也搀杂了其他材料，如锗，硼，氟，磷等。通过使用不同的搀杂材料和搀杂浓度，使得光纤的折射率分布达到理论设计的要求，以保证某些波长的光以单模或多模传输。根据光纤光学的原理，假设光纤由芯层和包层组成，其中包层折射率为n₂，光纤的中心折射率为n₁，n₁＞n₂。则光纤的折射率分布可以用下式表示：

其中，

Δ = \frac{n_{1}^{2} - n_{2}^{2}}{2 n_{1}^{2}}

，称为光纤的相对折射率，a是光纤的芯层半径。

随着折射率分布指数g的不同，光纤芯层的折射率分布也不同，对于三角折射率分布，g＝1；对于梯度折射率分布，g≌2；对于阶跃折射率分布，g＝∞。描述光纤性质的另一个重要的参数是V值，即光纤的归一化频率，其定义为：

V = 2 π \frac{a}{λ} NA - - - (2)

其中NA为光纤的数值孔径，λ是传输的光波长。

在某一光波长传输时，在光纤中可以稳定传输的模数N可以近似表示为：

N \approx \frac{V^{2}}{2} (\frac{g}{g + 2}) - - - (3)

其中，V是光纤的归一化频率，g是光纤芯层折射率分布指数。

由上式(1)、2)、(3)可以看出，在光纤中能够稳定传输的模式数和波长以及光纤的折射率剖面结构有关，对某一波长单模传输的光纤结构，对另一波长的传输可能是多模的。比如对于ITU-T所定义的G652单模光纤，在1310nm波长时是单模传输的，但对于850nm的波长传输却是多模的。

正如上文所述，对于单模光纤，如果设计在某一波长时光纤的色度色散为零，从理论上，在这个波长传输时，其传输速率是没有上限的，虽然由于其他原因不可能实现。但对于多模传输波长而言，由于多个模式的存在，必然产生模间色散，模间色散即由于不同模式的模传播常数β不同而导致的脉冲展延。模间色散的产生主要和光纤的光学结构有关，一般来说，阶跃结构的折射率分布光纤所导致的模间色散较大，而当g在2附近时，不同的模式经过相同的光程，从理论上可以消除模式间色散，使不同模式的光同时到达，这时的指数g被认为是某一波长的最优化g_opt值。一般最优化g_opt值可以表示为：g_opt＝2-2n₁P/N₁-Δ(4-2n₁P/N₁)·(3-2n₁P/N₁)/(5-4n₁P/N₁)其中：N₁＝n₁-λ·dn/dλ

P＝(λ/Δ)·dΔ/dλ

因此g_opt是和脉冲波长和光纤波导的光学结构密切联系的一个参数。我们可以在波导结构设计时，通过优化光纤波导的光学结构而使得在某一波长传导时消除其模间色散，这时对该波长而言，只剩下色度色散，而色度色散的大小是和光源的光谱宽度密切相关的，使用窄谱宽的光源，如激光光源，可以很好的改善色度色散的影响。因此，在这个优化波长传输，同时使用窄谱宽的激光光源时，即使在多模传输时，也可以达到很高的网络传输速率。

当前发明所涉及的850nm优化单模光纤就是按照上述原理设计的。本发明的单模光纤，在1310nm和1550nm波长传输时是单模传输，而在850nm波长传输时是多模传输。光纤的芯层折射率剖面已经从阶跃结构被优化成二次抛物线结构，同时折射率指数gopt被优化在850nm波长，在850nm波长传输时，其模间色散被消除，或很小，因此，使用本发明的优化单模光纤，当使用850nm激光光源时，如廉价的垂直腔面发射激光器VCSEL，可以在高速网络传输中达到较大的传输距离。

本发明的850nm优化单模光纤被推荐使用于1Gbit/s及以上速率传输的局域网，数据网或接入网。在这些网络结构中，传统上较多使用LED发光二极管光源和多模光纤，这对于低传输速率的网络环境是适宜的，但在高速网络中(大于1Gbit/s)，由于LED发光二极管光源的最大调制频率仅为650MHz左右，必须使用激光光源，激光光源具有出射光斑小，出射发射角小的特性，具有这些特性的光脉冲可以容易的被耦合入单模光纤，如850nm的VCSEL激光输出，因此使用本发明的850nm优化单模光纤具有显著的优点。

明显的，本发明的850nm优化单模光纤并不仅限于使用PCVD方法制备，也可使用其他制备方法，另外，本发明的原理并不仅于对G652单模光纤进行850nm波长的优化，也可使用于其他单模光纤其他波长的优化，如14xx nm单模光纤的980nm波长优化等。

附图说明

图1为单模光纤的一般结构。石英光纤10的基本结构，一般包括低折射率的包层11和相对具有较高折射率的芯层12。

图2为芯层沉积时SiCl₄和GeCl₄的气流量变化曲线

图3a为相对折射率为1％，芯层直径为7.4微米的850nm波长优化单模光纤的折射率剖面分布图

图3b为相对折射率为0.33％，芯层直径为12.4微米的850nm波长优化单模光纤的折射率剖面分布图

图3c为相对折射率为0.2％，芯层直径为16微米的850nm波长优化单模光纤的折射率剖面分布图。

图4为普通G652单模光纤的折射率剖面

图5为具有图4折射率剖面单模光纤850nm波长的带宽测试结果

图6为850nm优化单模光纤的折射率剖面

图7为850nm优化单模光纤的850nm波长带宽测试结果

具体实施方式

实施例1

相对折射率为1％，芯层直径为7.0微米，α为1.96的850nm波长优化单模光纤的制备。

制备使用PCVD方法，首先在石英衬管内壁沉积石英包层，使用2.5g/min的沉积速率，然后沉积Ge搀杂的石英层，沉积速率从2.5g/min逐渐下降到1.5g/min，其中SiCl₄的流量从52％逐渐下降到41％，GeCl₄的流量从2％逐渐上升到50％，沉积层数为600层，完成后正常融缩，拉丝即可。

实施例2

相对折射率为0.33％，芯层直径为12.4微米，α为2.04的850nm波长优化单模光纤的制备。

制备使用PCVD方法，首先在石英衬管内壁沉积石英包层，使用2.5g/min的沉积速率，然后沉积Ge搀杂的石英层，沉积速率从2.5g/min逐渐下降到1.5g/min，其中SiCl₄的流量从52％逐渐下降到41％，GeCl₄的流量从2％逐渐上升到41％，沉积层数为680层，完成后正常融缩，拉丝即可。

实施例3

相对折射率为0.2％，芯层直径为16微米，α为2.08的850nm波长优化单模光纤的制备。

制备使用PCVD方法，首先在石英衬管内壁沉积石英包层，使用2.5g/min的沉积速率，然后沉积Ge搀杂的石英层，沉积速率从2.5g/min逐渐下降到1.5g/min，其中SiCl₄的流量从52％逐渐下降到41％，GeCl₄的流量从2％逐渐上升到33％，沉积层数为780层。完成后正常融缩，拉丝即可。

Claims

1、一种单模光纤，其特征在于该单模光纤的折射率在芯层部分呈二次抛物线梯度分布。

2、根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于折射率分布指数被优化在850nm波长。

3、根据权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于芯层直径的范围在7～16微米，相对折射率在0.2～1％之间，折射率指数α范围在1.95～2.1之间。

4、根据权利要求3所述的单模光纤的制备方法，采用等离子体化学气相沉积法PCVD沉积，熔缩成实心棒后拉丝成光纤，其特征在于包层沉积速率为2.5g/min，芯层的沉积通过改变沉积速率，其沉积速率在2.5～1.5g/min之间，同时在芯层的沉积过程改变锗、氟或其他材料的搀杂比例，使得芯层折射率变化呈近二次抛物线梯度分布。

5、根据权利要求4所述的单模光纤的制备方法，其特征在于在芯层沉积时沉积速率即单位时间所沉积的石英数量是变化的，通过变化SiCl₄和GeCl₄气体的流入量以改变Ge在石英玻璃中的莫尔浓度，SiCl₄的流量变化范围在1250～1000ml/min，GeCl₄的流量变化范围在10～175ml/min。

6、根据权利要求1所述的单模光纤的用途，其特征在于该单模光纤可用于850nm、1310nm或1550nm三窗口通信，在850nm波长为多模传输，在1310nm和1550nm为单模传输。