TW201348767A - 漸變折射率抗彎曲多模光纖 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種漸變折射率抗彎曲多模光纖，包括有芯層和包層，其特徵是芯層半徑為22.5~27.5μm，芯層折射率為梯度漸變型折射率分佈，芯層分佈冪指數為1.99~2.06，芯層相對折射率差最大值為0.9%~1.3%，緊鄰芯層的為內包層，內包層半徑為25.5~34.5μm，內包層相對折射率差為-0.02%~0.02%，從內包層依次向外是中間包層和外包層，中間包層為純石英玻璃層，中間包層半徑為30.5~49.5μm，中間包層相對折射率差為-0.01%~0.01%；外包層半徑為62.5±1μm，外包層相對折射率差為-0.20%~-0.30%。本發明不僅提高光纖的抗彎性能，具有較高頻寬，而且優化了光纖的差異模態延遲性能，確保此種光纖在10G或100G的多模光纖傳輸系統中擁有良好的信號穩定性。

Description

漸變折射率抗彎曲多模光纖

本發明涉及一種在10GBASE-SR和100GBASE-SR10傳輸系統應用的漸變折射率多模光纖，該光纖不但有著良好的抗彎曲性能，而且具有高頻寬以及優異的差異模態延遲性能，屬於光通信技術領域。

光纖通信始於多模光纖的發明和應用。近十多年來，儘管單模光纖成為光纖市場中需求的最主要品種，但多模光纖始終沒有被取代而是一直保持著穩定增長的市場需求，其原因就在於多模光纖的許多特性正好可以滿足光信號、能量傳輸、局域網資料傳輸和光元件的使用，而且多模光纖通信系統的造價遠低於單模光纖通信系統，這也是多模光纖長盛不衰的原因之一。

在50μm多模光纖中，依據TIA/EIA-492AAA標準，分為OM1、OM2、OM3、OM4四種類型。高頻寬多模光纖(如OM3/OM4)因系統成本相對較低，在中短距離光纖網路系統中得到了廣泛應用。但在室內及狹窄的環境下佈線，光纖經受較高的彎曲應力，這將導致較高的彎曲損耗。因此需要設計開發具有抗彎曲性能的多模光纖，以滿足室內光纖網路鋪設和元件小型化的要求。

在已知的相關研究以及專利中，只給出了多模光纖彎曲性能優化的解決方案，如專利文獻中國發明專利號ZL201010029031.1與中國發明 專利號ZL201110029993.1，但沒有解決高頻寬多模光纖(如OM3/OM4)的DMD(Differential Mode Delay；差異模態延遲)性能優化。在10G或100G的傳輸系統中，DMD是決定信號傳輸的最關鍵參數，根據目前發展10G或100G傳輸系統的技術要求，優異的DMD性能越來越重要，它決定了信號傳輸能力的穩定性，直接表徵了多模光纖的品級。

據標準TIA/EIA-492AAA規定，在10G網路中：OM3光纖傳輸距離不低於300m，OM4光纖傳輸距離不低於550m；而在100G網路中，OM3光纖傳輸距離不低於100m，OM4光纖傳輸距離不低於150m。同樣在標準TIA/EIA-492AAA中：針對半徑為25μm的多模光纖，在850nm波段處，從纖芯開始，5至18μm距離段測得的DMD數值定義為INNER MASK；0至25μm距離段測得的DMD數值定義為OUTER MASK；而在0~25μm距離段又細分為7~13μm，9~15μm，11~17μm，13~19μm，在此4個距離段上測得的DMD數值均定義為INTERVAL MASK。標準TIA/EIA-492AAAC與TIA/EIA-492AAAD分別對OM3光纖與OM4光纖的DMD性能指標給出了規定：表1為850nm波段OM3光纖INNER MASK與OUTER MASK；表2為850nm波段OM3光纖的INTERVAL MASK。即OM3光纖的INNER MASK與OUTER MASK的DMD數值必須滿足表1的六組中的任一組，同時根據表2，7~13μm、9~15μm,、11~17μm，13~19μm的INTERVAL MASK均需小於等於0.25ps/m。

差分模時延係數(ps/m)：DMD=[(TSLOW-TEAST)-△TREF]/L其中：△TREF表示系統光源光脈衝強度25%的時間寬度； TSLOW表示在所設定的入射光相對待測光纖纖芯的位置中，所有輸出光脈衝中最拖尾的光脈衝邊緣的時間；TFAST表示在所設定的入射光相對待測光纖纖芯的位置中，所有輸出光脈衝中最領先的光脈衝邊緣的時間；L表示待測光纖的長度。

表3為850nm波段OM4光纖的INNER MASK與OUTER MASK；表4為850nm波段OM4光纖的INTERVAL MASK。即OM4光纖的INNER MASK與OUTER MASK的DMD數值必須滿足表3的三組中的任一組，同時根據表4，7~13μm、9~15μm、11~17μm、13~19μm的INTERVAL MASK均需小於等於0.11ps/m。

本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術存在的不足而提供一種在850nm視窗優化，拉絲後保持完好折射率剖面結構，具有高頻寬和優異的差異模態延遲性能的漸變折射率抗彎曲多模光纖。

本發明為解決上述提出的問題所採用的技術方案為：一種漸變折射率抗彎曲多模光纖包括有芯層和包層，其特徵是芯層半徑R1為22.5~27.5μm，芯層折射率為梯度漸變型折射率分佈，芯層分佈冪指數α為1.99~2.06，芯層相對折射率差最大值△1%max為0.9%~1.3%，緊鄰芯層的為內包層，內包層半徑R2為25.5~34.5μm，內包層相對折射率差△2%為-0.02%~0.02%，從內包層依次向外是中間包層和外包層，中間包層為純石英玻璃層，中間包層半徑R3為30.5~49.5μm，中間包層相對折射率差為△3%為-0.01%~0.01%；外包層半徑R4為62.5±1μm，外 包層相對折射率差△4%為-020%~-0.30%。

按上述方案，所述的芯層和內包層為氟(F)-鍺(Ge)共摻石英玻璃層，內包層相對折射率差△2%小於芯層折射率差△1%。

按上述方案，所述的外包層為摻氟(F)石英玻璃層。

按上述方案，所述的芯層分佈冪指數α為2.00~2.05，可在850nm視窗獲得更大頻寬。

按上述方案，所述的芯層分佈冪指數α為2.01~2.03，可在850nm視窗獲得最佳頻寬。

按上述方案，所述的內包層單邊厚度為5~7μm，可獲得更好DMD。

按上述方案，本發明所製備的抗彎曲多模光纖滿足TIA/EIA-492AAA標準規定的OM3/OM4的DMD特性要求。

按上述方案，所述光纖的數值孔徑為0.185~0.215。

按上述方案，所述的氟(F)鍺(Ge)共摻石英玻璃層的材料成分為SiO2-GeO2-F-Cl；所述的摻氟(F)石英玻璃層的材料成分為SiO2-F-Cl；所述的含氟氣體為C2F6、CF4、SiF4和SF6的任意一種或多種。

根據標準TIA/EIA-455-204所述要求，本發明光纖的滿溢頻寬在1300nm波長為500MHz-km以上；在850nm波長為1500MHz-km以上，最高可達11000MHz-km.。

本發明光纖在850nm波長處，以7.5毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.2dB；以15毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.1dB。在1300nm波長處，以7.5毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗 小於0.5dB；以15毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.3dB。

DMD(Differential Mode Delay；差異模態延遲)是根據FOTP-220(IEC-60793-1-49-2006)方法測得，測試使用的光源為850nm，高功率，窄譜寬的脈衝鐳射，該脈衝鐳射通過一根標準單模光纖注入至待測光纖纖芯中。測試時通過位移單模光纖，改變脈衝鐳射注入待測光纖纖芯時的位置，使得待測光纖中脈衝鐳射的傳輸模式發生變化，通過探測器收集並記錄單模光纖不同位置時由待測光纖中輸出的雷射脈衝信號。由此分析計算所得到的不同輸出脈衝信號間的延遲時間差值即差異模態延遲。

本發明多模光纖製造方法的技術方案為：將純石英玻璃襯管固定在等離子體增強化學氣相沉積(PCVD)車床上進行摻雜沉積，在反應氣體四氯化矽(SiCl4)和氧氣(O2)中，通入含氟的氣體，引進氟(F)摻雜，通入四氯化鍺(GeCl4)以引入鍺(Ge)摻雜，通過微波使襯管內的反應氣體離子化變成等離子體，並最終以玻璃的形式沉積在襯管內壁；根據所述光纖波導結構的摻雜要求，通過改變混合氣體中摻雜氣體的流量，依次沉積內包層和芯層；沉積完成後，用熔縮車床將沉積管熔縮成實心芯棒，然後以摻氟石英玻璃為套管採用RIT工藝製得光纖預製棒；最後將預製棒在低張力高拉絲速度的條件下拉絲成纖。

本發明的有益效果在於：1、提供一種在850nm傳輸視窗優化的抗彎多模光纖，使光纖在850nm視窗具有高傳輸頻寬；2、通過漸變折射率的剖面和F-GE共摻包層結構設計，在光纖製造過程中能夠顯著承受預製棒到拉絲成纖過程中的附加應力，從而減少光纖芯層折射率剖面的畸 變，這樣，多模光纖在具有較高頻寬的同時，也具有較低的差異模態延遲(DMD)，優化了光纖的DMD性能；3、能使多模光纖在850nm視窗的傳輸速率達到10G Gbit/s甚至100Gbit/s，並確保光纖在10G或100G的多模光纖傳輸系統中擁有良好的信號穩定性；4、具有良好的彎曲不敏感性能，適用於目前的多模光纖在網路傳輸和元件應用需求。

R1‧‧‧芯層半徑

R2‧‧‧內包層半徑

R3‧‧‧中間包層半徑

R4‧‧‧外包層半徑

△1max‧‧‧芯層相對折射率差最大值

△2‧‧‧內包層相對折射率差

△3‧‧‧中間包層相對折射率差

△4‧‧‧外包層相對折射率差

圖1為本發明一個實施例的徑向截面結構圖。

圖2為本發明一個實施例的折射率剖面圖。

圖3為本發明一個實施例的DMD波形圖。

圖4為現有的同類型抗彎曲光纖折射率剖面圖，表示內包層半徑等於中間包層半徑。

圖5為現有的同類型抗彎曲光纖的DMD波形圖。

參照圖1至圖5，本發明漸變折射率抗彎曲多模光纖包括有芯層和包層。芯層為居於光纖橫截面的中心部分，是光纖的主要導光的區域。包層包括內包層、中間包層與外包層，內包層為光纖橫截面中緊鄰芯層的環形區域，中間包層為光纖橫截面中緊鄰內包層的環形區域，外包層為光纖橫截面中緊鄰中間包層的環形區域。芯層半徑R1為22.5~27.5μm，芯層折射率為梯度漸變型折射率分佈，芯層分佈冪指數α為1.99~2.06，芯層相對折射率差最大值△1%max為0.9%~1.3%，緊鄰芯層的為內包層，內包層半徑R2為25.5~34.5μm，內包層相對折射率差△2%為-0.02%~0.02%，從內 包層依次向外是中間包層和外包層，中間包層為純石英玻璃層，中間包層半徑R3為30.5~49.5μm，中間包層相對折射率差為△3%為-0.01%~0.01%；外包層半徑R4為62.5±1μm，外包層相對折射率差△4%為-0.20%~-0.30%。

冪指數律折射率分佈剖面為滿足下式冪指數函數的折射率分佈形態，其中，n1為光纖軸心的折射率；r為離開光纖軸心的距離；a為光纖芯半徑；α為分佈冪指數；△為芯/包相對折射率差；

相對折射率差定義如下式：

且數值孔徑定義如下式：NA=n0×(2△)1/2

上兩式中ni和n0分別為各對應部分和純二氧化矽玻璃在850nm波長的折射率。

所述的芯層和內包層為氟(F)-鍺(Ge)共摻石英玻璃層，內包層相對折射率差△2%小於芯層折射率差△1%。

所述的外包層為摻氟(F)石英玻璃層。

所述的芯層分佈冪指數α為2.00~2.05，可在850nm視窗獲得更大頻寬。

所述的芯層分佈冪指數α為2.01~2.03，可在850nm視窗獲得最佳頻寬。

所述的內包層單邊厚度為5~7μm，可獲得更好DMD(Differential Mode Delay；差異模態延遲)。

本發明所製備的抗彎曲多模光纖滿足TIA/EIA-492AAA標準規定的OM3/OM4的DMD特性要求。

所述光纖的數值孔徑為0.185~0.215。

所述的氟(F)鍺(Ge)共摻石英玻璃層的材料成分為SiO2-GeO2-F-Cl；所述的摻氟(F)石英玻璃層的材料成分為SiO2-F-Cl；所述的含氟氣體為C2F6、CF4、SiF4和SF6的任意一種或多種。

根據標準TIA/EIA-455-204所述要求，本發明光纖的滿溢頻寬在1300nm波長為500MHz-km以上；在850nm波長為1500MHz-km以上，最高可達11000MHz-km.。

本發明光纖在850nm波長處，以7.5毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.2dB；以15毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.1dB。在1300nm波長處，以7.5毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.5dB；以15毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.3dB。

DMD是根據FOTP-220(IEC-60793-1-49-2006)方法測得，測試使用的光源為850nm，高功率，窄譜寬的脈衝鐳射，該脈衝鐳射通過一根標準單模光纖注入至待測光纖纖芯中。測試時通過位移單模光纖，改變脈衝鐳射注入待測光纖纖芯時的位置，使得待測光纖中脈衝鐳射的傳輸模式發生變化，通過探測器收集並記錄單模光纖不同位置時由待測光纖中輸出的雷射脈衝信號。由此分析計算所得到的不同輸出脈衝信號間的延遲時間差值即差異模態延遲。

本發明多模光纖製造方法的技術方案為：將純石英玻璃襯管固定在等離子體增強化學氣相沉積(PCVD)車床上進行摻雜沉積，該石英襯管為管狀的基底管，其內壁承載PCVD化學反應的玻璃態氧化沉積物，在反應氣體四氯化矽(SiCl4)和氧氣(O2)中，通入含氟的氣體，引進氟(F)摻雜，通入四氯化鍺(GeCl4)以引入鍺(Ge)摻雜，通過微波使襯管內的反應氣體離子化變成等離子體，並最終以玻璃的形式沉積在襯管內壁；根據所述光纖波導結構的摻雜要求，通過改變混合氣體中摻雜氣體的流量，依次沉積內包層和芯層；沉積完成後，用熔縮車床將沉積管熔縮成實心芯棒，然後以摻氟石英玻璃為套管採用RIT工藝製得光纖預製棒，套管為符合一定幾何指標和摻雜要求的石英玻璃管；最後將預製棒在低張力高拉絲速度的條件下拉絲成纖。

本發明的有益效果在於：1、提供一種在850nm傳輸視窗優化的抗彎多模光纖，使光纖在850nm視窗具有高傳輸頻寬；2、通過漸變折射率的剖面和F-GE共摻包層結構設計，在光纖製造過程中能夠顯著承受預製棒到拉絲成纖過程中的附加應力，從而減少光纖芯層折射率剖面的畸變，這樣，多模光纖在具有較高頻寬的同時，也具有較低的差異模態延遲(DMD)，優化了光纖的DMD性能；3、能使多模光纖在850nm視窗的傳輸速率達到10G Gbit/s甚至100Gbit/s，並確保光纖在10G或100G的多模光纖傳輸系統中擁有良好的信號穩定性；4、具有良好的彎曲不敏感性能，適用於目前的多模光纖在網路傳輸和元件應用需求。

下面給出詳細的實施例對本發明進行進一步的說明，使得本發明的使用範圍更加顯而易見的。芯層和各個包層的參數見表5，表5中R1 為芯層半徑，R2為內包層半徑，R3為中間包層半徑，R4為外包層半徑。

本發明所設計的氟(F)和鍺(Ge)共摻的內包層在光纖製造過程中能夠顯著承受預製棒到拉絲成纖過程中的附加應力，從而減少光纖芯層折射剖面的畸變，這樣，採用本發明設計方案製造的多模光纖在具有較高頻寬的同時，也具有較低的差異模態延遲(DMD)；同時本發明設計的帶有下陷環的外包層結構，使得光纖具有較低的附加巨集彎損耗。

表6給出的DMD資料有力說明採用本發明能有效降低抗彎多模光纖DMD，從而保證光纖滿足TIA/EIA-492AAA標準規定的對DMD特性要求。

△1max‧‧‧芯層相對折射率差最大值

△2‧‧‧內包層相對折射率差

△3‧‧‧中間包層相對折射率差

△4‧‧‧外包層相對折射率差

R1‧‧‧芯層半徑

R2‧‧‧內包層半徑

R3‧‧‧中間包層半徑

R4‧‧‧外包層半徑

Claims (9)

1. 一種漸變折射率抗彎曲多模光纖，包括有一芯層和一包層，該包層具有一內包層、一中間包層與一外包層，其特徵是芯層半徑為22.5~27.5μm，芯層折射率為梯度漸變型折射率分佈，芯層分佈冪指數為1.99~2.06，芯層相對折射率差最大值為0.9%~1.3%，緊鄰芯層的為內包層，內包層半徑為25.5~34.5μm，內包層相對折射率差為-0.02%~0.02%，從內包層依次向外是中間包層和外包層，中間包層為純石英玻璃層，中間包層半徑為30.5~49.5μm，中間包層相對折射率差為為-0.01%~0.01%，外包層半徑為62.5±1μm，外包層相對折射率差為-0.20%~-0.30%。
2. 如請求項1所述的漸變折射率抗彎曲多模光纖，其中該芯層和內包層為F-Ge共摻石英玻璃層，該內包層相對折射率差小於芯層折射率差。
3. 如請求項1或2所述的漸變折射率抗彎曲多模光纖，其中該外包層為摻F石英玻璃層。
4. 如請求項1或2所述的漸變折射率抗彎曲多模光纖，其中該芯層分佈冪指數為2.00~2.05。
5. 如請求項4所述的漸變折射率抗彎曲多模光纖，其中該芯層分佈冪指數為2.01~2.03。
6. 如請求項1或2所述的漸變折射率抗彎曲多模光纖，其中該內包層單邊厚度為5~7μm。
7. 如請求項1或2所述的漸變折射率抗彎曲多模光纖，其中該光纖的數值孔徑為0.185~0.215。
8. 如請求項1或2所述的漸變折射率抗彎曲多模光纖，其中該光纖的滿溢頻 寬在1300nm波長為500MHz-km以上；在850nm波長為1500MHz-km以上。
9. 如請求項1或2所述的漸變折射率抗彎曲多模光纖，其中該光纖在850nm波長處，以7.5毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.2dB；以15毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.1dB。在1300nm波長處，以7.5毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.5dB；以15毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小於0.3dB。