CN1456906A - 具有增加的带宽的多模光纤 - Google Patents

Abstract

本说明书描述了用于在拉制期间使用扭转而拉制圆形核心多模光纤的一种技术，以增加光纤带宽。

Description

具有增加的带宽的多模光纤

本发明的领域

本发明涉及具有增加的带宽的多模光纤。

本发明的背景

多模光纤技术的制造状态要求对功率损耗及信号减损各种机制进行控制。对于多模光纤，控制模式色散是是重要的目标。

如所周知，在光纤内数据位由光脉冲表示。每一光脉冲将在其传播光纤长度时对时间扩散或分散。如果这些数据脉冲重叠，则它们在接收端将不能被清晰地读取。对数据脉冲重叠较低的倾向结果是获得较高的数据传输能力，即较高的带宽。因而，光纤的带宽最终由分散限制。

分散的主要形式是色散与模式色散。色散是熟知的并出现在各种光纤系统中。模式色散，或模式间色散，主要出现在大纤心直径允许大量光通路传播的多模光纤中。不同的光通路通常有不同的长度。因为模式沿长度变化的通路传播，因而它们以不同的时间间隔到达光纤末端。如果时间差足够大，穿过较快通路的脉冲将与其前面的脉冲重叠。

多模光纤带宽通过最小化模式间色散被优化。这通常使用分级的索引预置文件实现，其中折射率从覆层的外部区域向纤核中心逐渐增加。在覆层附近的低折射率区域信号传播较快，在纤核中心附近的高折射率区域较慢。

在多模光纤中，模式慢速可称为差模延迟(DMD)。对用于当前技术水平系统的光纤的制造规范对DMD有严格要求。给定的光纤核半径内的DMD规范称为掩模宽度。例如，纤核半径18微米内DMD小于0.23ps/m的光纤被称为具有18微米半径内掩模宽度＜0.23ps/m。这也可以表示为MW18＜0.23ps/m。这些掩模宽度规范对应于具有在850-nm的2000MHz-km有效模态带宽(EMB)的光纤，且满足这些掩模带宽规范的光纤一般在1300-nm具有＞500MHz-km充足的带宽。850-nm与1300-nm多模光学系统典型的波长选择。制造满足这些规范的光纤已经证明是困难的。

已知短范围折射率的变化或扰动引起模式混合，这有使所有在光纤传播的模式平均传输距离的效果。用于增强模式混合的技术已经由业内工作人员找出涉及逆向DMD。这些技术之一在U.S.Patent ApplicationSerial No.847,034 filed May 1，2001 by DiGiovanni et al.中有述，该文献在此整体结合以资对比。在该方法中，纤核被制成非圆形，且在拉动区间使光纤扭曲。其结果是带宽显著增加。然而，总是要求进一步改进多模光纤的带宽。

本发明的概述

我们已开发了满足当前带宽需要并可满足进一步的高速以太网协议的多模光纤。从先有技术工作例如以上引述的专利文献知道，多模光纤中短范围折射率的变化或扰动结果能够增强模式混合。这些扰动即使在高质量光纤中也是作为固有的“缺陷”存在。我们已经认识到这些扰动随遇的性质，以及为了有效优化，它们应当沿横越光纤的各模式的通路长度被随机化。遵循这一认识，我们已经证明，通过向光纤被拉动时增加扭曲，能够降低以纤核作为主要圆周的多模光纤中的DMD。

将借助于附图更为详细说明本发明。

附图的简要说明

图1是可根据本发明制造的多模光纤的示意图；

图2是理想化的沿光纤长度模式传输的图示；

图3是表示在光纤玻璃材料中潜在的空间非均匀性的三种类型的图示；

图4是适用于本发明的光纤拉制设备的示意图；

图5以顶视图简化示出图4的设备导向部分；

图6-8也是以顶视图简化表示的可用于实施本发明的导向装置；以及

图9和10示出对于以根据本发明的自旋处理的光纤与未处理的光纤比较带宽的测量数据。

详细说明

参见图1，典型的多模光纤结构表示为带纤核11和覆层12。标准的聚合物保护覆盖层，一般是丙烯酸酯聚合物，表示在13。

光纤的多模特性由纤核11的相关尺寸，以及从纤核到核的外部的指标变化的阴影图象表示。有三种共用类型的多模光纤。这些类型由纤核/覆层直径定义，以微米表示为：

50/125-FDDI标准；用于数据通信；

62.5/125-FDDI标准，用于局部数据通信(北美使用中最流行的多模光纤)；

100/140-为光耦合效率与挠度灵敏度重要的特殊应用设计。

一般建议，多模光纤多模光纤的纤核/覆层直径比大于0.2，典型的大于0.4。这能够与纤核/覆层直径比一般小于0.1单模光纤比较。多模光纤中纤核本身一般大于30微米，而单模光纤的核一般小于10微米。

图2中示出为降低DMD的模式混合机制。应当理解，这是一种十分理想化的表示，并只是用于现象上的理解本发明这种方式而出现的。这一表示中的光纤核由21表示。两个模式，模式A表示为实线，模式B表示为虚线。传播方向指向页面右侧。模式A开始在图左侧所示的核外部附近传播，模式B开始在核心附近传播。易于理解，如果这些相关模式传播方式继续沿光纤长度进行，模式A行进的距离将明显大于模式B。在图的中心是由标号X标记的一出现模式混合的区域。实际上，模式混合发生在整个光纤的纵长，并归因于能量从一种模式向另一种模式的耦合。这种耦合被上述的干扰强化。由在图中X处模式混合的示意表示，模式A之后耦合到较靠近核中心的模式，模式B耦合到较靠近核外侧的模式。虽然这一特殊是高度理想化的，但它是用来说明如果模式不断地耦合或沿光纤的纵向混合，所有模式通过延伸的长度L传播的平均距离将如何相等。在实际环境中，每一混合既发生在模式组内又发生在模式组之间。对于多模光纤中模式耦合的讨论可参见R.Olshansky，Reviewsof Modern Physics，Vol.51(2)，pp.341-367(1979)，该文献在此结合以资对比。

用于拉制根据本发明光纤的光纤预制品，可通过包括MCVD，PCVD，OVD，及VAD等多种已知的技术制成。较好的技术是MCVD。在MCVD中，精确控制的化学混合物流过旋转的纯二氧化硅玻璃管内部。二氧化硅管由焰炬在外部加热。流过管的气体发生反应，在沉积焰炬附近形成高纯度二氧化硅颗粒。在颗粒形成时，它们沉积在管内壁的下游。颗粒被加热到高温使其结成为纯透明的二氧化硅。然后使管折断准备用于光纤拉制。

一般来说，本发明以新颖而方便的制造具有改进的DMD的多模光纤及最终产品即改进的光纤本身的方法实施。更具体来说，本发明的方法包括提供通常的光纤预制品，加热至少预制品的一部分到通常的拉制温度，并从被加热的预制品以对光纤加自旋的方式拉制光纤。通过向正在被拉制的光纤，即在软化的玻璃状态，施加转矩而在光纤中产生自旋，引起光纤围绕其纵轴扭转，结果是造成玻璃的扭曲变形。当软化的玻璃冷却时，变形在光纤中凝固，使得光纤呈现永久的“自旋”，即永久的扭曲变形。这种凝固自旋的存在，例如能够借助于由M.J.Marrone et at.，Optics Letters，Vol.12(1)，p.60使用的行进磁光调制器确认。

与凝固的自旋相关的是节距，即自旋沿光纤重复距离。节距能够借助于每米螺旋扭转来表示，并对于本发明的目的，节距小于每米4扭转。

在本发明的优选实施例中，扭转在左手扭转与右手扭转之间交替，即光纤相对于纵轴顺时针旋转，然后反时针旋转。旋转是完全360度的旋转，于是例如对于每米4扭转的规定将涉及每个方向2.5个旋转。这产生了手性结构，手性定义为右手扭转之后是左手扭转。如上所述，扭转反向的周期可表示为每米扭转，或说成是扭转之间的光纤长度。例如，每米5个扭转的光纤将有20cm的扭转(或手性)周期。实际上，扭转能够在拉制期间通过旋转预制品，或在拉制期间通过旋转被拉制(凝固的)光纤形成。一般，扭转数在顺时针方向将与反时针方向的数目相同。然而也可以视有利的情形使用每一方向不同的数目。虽然最好在顺时针和反时针方向交替扭转，但使用即或者在顺时针或反时针方向连续的扭转也可以实现类似的优点。

前后扭转光纤的效果，是为了进一步使由给定的模式沿纤核行进经受的干扰随机化，使得每一模式组中的每一模式理想时经受最大量的模式耦合。可能最好是使用随机扭转周期。即在光纤被拉制时改变扭转频率。这与预期以随机干扰有更有效的模式混合的已知的理论是一致的。例如参见论及这一问题的S.C.Rashleigh，J.of Lightwave Technology，Vol.LT-1(2)，pp.312-331，especially p.320，

“...不论双折射扰动的实际分布f(z)如何，只有频率为b_i的一个频谱成分能够耦合两个极化固有模式。所有气体频谱成分不能有效耦合这些模式”。

参数b_i是光纤的固有双折射，F(b_i)是f(z)的付立叶变换。由于扰动f(z)本质上是随机的，理论上推知恒定的节距自旋不能得到有效的模式耦合。另一方面，非恒定的节距自旋，特别是具有交替正负螺旋性的自旋，可能包含产生有效耦合的空间成分。使用变化的空间频率能够获得强耦合，这种空间频率除了相对高的自旋空间频率之外还包含相对低自旋空间频率。例如如果自旋在正负螺旋性之间交替，就是这样的情形。

能够根据本发明被有利随机化的空间扰动由图3的图示表示，其中圆周23表示光纤的截面。纵向扰动由箭头24表示，方位扰动由25表示，径向扰动由箭头26表示。U.S.Patent Application Serial No.847,034(DiGionanni et al.52-4-1-16)使用椭圆核心结构以提高模式混合。加到光纤的扭转使对于沿纤核的任何随机行进光路长度相等。然而，我们已认识到，圆形核心的光纤中，通过随机化其它扰动例如方位变化，扭转能够改进DMD。为了本发明的目的，圆形核心是指包括带有椭圆度小于6％核心的几何形状。

本发明还是基于二氧化硅光纤本身实施，包括圆形核心及覆层，核心比围绕核心的覆层材料有较大的有效折射率，并进而其中核心根据本发明包含手性结构。手性结构是通过下述方式修改光纤拉制设备而产生的。

图4示出带有预制品31的一光纤拉制设备，接受器32表示用来软化玻璃预制品的炉子(未示出)并启动光纤拉制。被拉制的光纤示于33处。然后初期的光纤表面通过一般在34处表示的涂敷杯，该涂敷杯有包含覆层预聚合物36的腔体35。涂敷液体的光纤从涂敷腔体经模具41出口。模具41与预聚合物流体动力的组合控制着涂层的厚度。重要的是要使光纤位于涂敷杯并特别是出口模具41的中心，以保持光纤与涂层的同心度。出口模具中的液动压力本身有助于光纤位于模具中心。然后涂敷预聚合物的光纤44暴露在UV灯45下，使预聚合物固化并完成涂敷工艺。可使用其它适当的固化辐射。然后带有已固化的涂层的光纤通过用于准直、拉伸并把光纤提取到线盘56供储存的一组卷轴。用于拉伸光纤的驱动装置可以是该提取线盘，但最好是绞盘54。卷盘51-53是用于准直并处理最终光纤的导向卷轴。由绞盘54提供的拉力和转速决定了光纤的拉制速度。拉制速度一般是1-20米/秒。从绞盘54光纤被引导到一独立的驱动提取线盘56。由微分度器(未示出)控制的步进电动机控制着提取线盘。

业内专业人员将可看到，图4示出的只是许多适合的结构之一。

光纤的涂敷材料一般是氨基甲酸酯，丙烯酸酯，或氨基甲酸酯-丙烯酸酯，添加UV光引发剂。图4中该设备是以单个的涂敷杯示出的，但通常使用有双涂敷杯的双涂敷设备。在双涂敷设光纤中，典型的初步或内涂材料是软的，低模数材料，诸如硅树脂，热熔蜡，或任何若干具有相对低模数的聚合物材料。通常用于第二或外涂层的材料是高模数的聚合物，一般是氨基甲酸酯或丙烯酸类。在商业实实施中两种材料都可以是低的或高模数丙烯酸酯。涂层厚度一般范围是直径为150-300μm，标准大约为240μm。

在传统拉制设备中，光纤基本上至少是在炉子中其起始点与绞盘之间的单个平面中移动，并没有故意义对光纤施加扭转。参见图5，该图是图4中卷盘的简化顶视图。

根据本发明，扭矩施加到被迫使进行自旋的光纤上。虽然原则上扭矩可以施加到光纤已被充分冷却可被接触的任何下游点(在提取之前)，但应避免与裸光纤的物理接触。这样，扭矩一般最好借助于第一导向辊轴施加在从固化站起的下游点。

我们已发现，可以向光纤施加间歇的扭矩，使得对光纤施以非恒定节距的的扭转。在一优选实施例中，这是通过改变图5的导向辊轴51的方向实现的，例如通过使辊轴围绕与拉制塔轴线平行方向倾斜一个角度Θ(参见图6)。如所示的倾斜辊轴511响应这种结构中自动出现的横向力，引起光纤在辊轴上往返振动。更具体来说，横向力转变为光纤上的扭矩，这引起光纤在辊轴511上横向滚动，从而把光纤移动到由图5的(非倾斜)设备中光纤定义的平面之外。可以理解，横向滚动施加到通常的拉制移动。可以认为光纤的横向运动引起随光纤的横向位移增加而增加的恢复力，引起光纤弹回(基本上，但不一定确切)到平面，只是立即开始另一横向滚动。这一非对称往返运动由图6中与辊轴511相邻的双箭头指示。此外，光纤横向滚动中的旋转角速度是倾斜角度Θ的函数。这样，加于光纤自旋的节距也是Θ的函数。例如，一个适用的拉制设备分别对于Θ＝7°和15°产生14和7cm的平均节距。此外应当看到，由于节距取决于拉制塔的结构和高度，拉制速度，拉制张力及涂层黏滞性，这些值只是作为例子。

业内专业人员将认识到，在刚才所述的例子中不仅有施加到光纤上的自旋，而且有基本上相等的并相反的(一般来说是弹性的)扭转进入到提取的光纤中。虽然这种光纤对于某些用途是可以接受的(例如对于传感器的使用只需要长度相当短的光纤)，但常常希望避免不希望有的弹力扭转。通过适当的再次缠绕可以消除弹力扭转。然而，最好基本上防止弹力扭转的产生。如以下所述，这可以通过对光纤交替施加顺时针和反时针扭矩来实现。

引起图7的导向辊轴512绕平行于光纤拉制方向(这一般与拉制塔轴线相同)的轴振动对光纤交替施加正和负自旋。此外，所得到的光纤上的正和负弹性扭转基本上消除，使得提取卷盘上的光纤基本上没有扭曲弹性张力。通过任何适当的这种，例如偏心驱动装置(未示出)，能够引起图7的导向辊轴512往返振动。交替的排布简略地示于图8中，其中通过未示出的适当常用的装置引起导向辊轴513轴线往返运动，结果是向光纤交替施加顺时针和反时针扭矩。

图9和10示出，对于扭转圆形核心光纤与非扭转圆形核心光纤，比较850-nm光纤频带的实验数据。对于图9中所示的数据，使用相同的设备和拉制工艺拉制光纤。对于图10所示的数据，光纤也是使用相同的设备和拉制工艺拉制的，但是设备不同于获得图9数据所使用的设备。另外，这一实验表明，获得的定性结果不依赖于拉制设备。

参见图9，带有圆的曲线61和带有五边形63的曲线63是根据本发明拉制期间对于光纤的扭转。对于这些光纤扭转周期为6.7cm。标称核心椭圆度小于5％。方块曲线62对于拉制期间没有扭转的基本上相同的光纤给出带宽数据。类似地，图10中，带圆形的曲线65示出对于拉制期间根据本发明带有6.7cm扭转周期的被扭转光纤的数据。曲线66和67示出对于没有被扭转的类似的光纤的数据。所有情形下标称核心圆度小于5％椭圆度。

从以上可以理解，本发明旨在改进从高质量预制品，即没有缺陷诸如过大的核偏心或椭圆度，拉制的光纤的传输性质。观察到使用扭转能够改进从这些显然相对无缺陷的预制品拉制的光纤是没有预料到的。这些预制品的核心一般要具有非常低的椭圆度，这是把预制品分类为高质量的先决条件。能够通过在围绕核心的外围不同地方，提取两个或多个直径度量，并对它们进行比较，测量核心的椭圆度。变化小于6％，或最好小于3％，被认为指示着圆形核心。较小的明显的扰动，例如方位角的变化，被认为是发现缺陷的原因，即在从有高而的明显均匀性和完整性预制品拉制的光纤中带宽增加。

如上所述，通过在拉制期间进行扭转，或在拉制期间扭转拉制的光纤，能够向光纤施加扭转或手性结构。这些交替变化每一个意思是由这样的措辞“在拉制操作期间扭转被拉制的光纤”等来定义的。

而且如前所述，一般根据本发明被加工的光纤是基于二氧化硅的光纤。基于二氧化硅一般是光纤中玻璃的至少65％是SiO₂。

上述的扭转是相对恒定的，即在光纤拉制期间相同的扭转运动施加到光纤的整个长度。可能有另外的随机机制，可能基本上有助于降低多模光纤中的DMD。用于向光纤施加扭转的扭转机制有几种特性。这里两个可注意之点是自旋频率，即每米的扭转数，作为自旋随时间的变化率的自旋速度函数。这些因素每一个可被随机化以进而改进DMD性质。自旋频率例如可在每米1-10扭转之间随机变化。可选择任意的区间，例如10米，对于一个十米的线段扭转可以是4，对另一个是7等等。可使用简单的随机数程序来控制。自旋速度函数也可以是随机变化的。自旋速度函数是扭转的轴向模式，或等价地是自旋角速度时间相关性。如前所述，自旋每米或每两米交替变化方向。于是自旋角速度周期地穿过零。典型的模式接近正弦曲线。然而，自旋模式可以被改变以提供更大的随机性。一种模式近似于在最高角速度带有静态的不规则四边形。可以采用其它非正弦曲线自旋模式。自旋模式还可以在拉制期间变化以实现附加的随机性。

对于业内专业人员将会出现各种其它的修改。所有根本上依赖于本发明的原理与此说明书的具体教导的偏离，以及其中改进技术的等同物，有理由被认为属于如上述说明的及权利要求的本发明范围。

Claims (14)

1.一种物品，包括具有基本上是圆形核心带有对核心施加的扭转的多模光纤，该扭转是每一米光纤至少一个。

2.根据权利要求1的物品，其中扭转在顺时针扭转与逆时针扭转之间交替变化。

3.根据权利要求2的物品，其中该扭转是每一米光纤至少四个。

4.根据权利要求2的物品，其中核心具有小于6％的椭圆度。

5.一种制造多模光纤的方法，包括以下步骤：

(a)制备多模光纤预制品，该预制品具有核心和覆层，预制品的核心具有小于6％的椭圆度，

(b)加热该预制品，

(c)从预制品拉制光纤，及

(d)在步骤(c)期间扭转被拉制的光纤。

6.权利要求5的方法，其中扭转在顺时针扭转与逆时针扭转之间交替变化。

7.权利要求6的方法，其中该扭转是每一米被拉制的光纤至少一个。

8.权利要求7的方法，其中该扭转是每一米被拉制的光纤至少四个。

9.权利要求5的方法，其中光纤是基于二氧化硅的。

10.权利要求5的方法，其中核心直径对覆层直径的比值至少为0.2。

11.权利要求10的方法，其中核心直径至少是30微米。

12.权利要求5的方法，其中扭转具有自旋频率f，且f在步骤(d)期间是变化的。

13.权利要求5的方法，其中扭转具有非正弦自旋模式。

14.权利要求5的方法，其中自旋模式在步骤(d)期间是变化的。

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