CN103389541A - 多模光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多模光纤,即GI型多模光纤,其中,芯部的外径是47.5μm至52.5μm或者60μm至65μm;本发明还涉及一种抗弯型多模光纤,该多模光纤通过设置沟部而对由多模光纤的弯曲导致的性能波动具有抵抗性,沟部位于芯部的外周并具有低的折射率。在该多模光纤中,残留在芯部中的光轴方向上的最大拉应力和最大压应力都是50MPa以下。
Description
技术领域
本发明涉及多模光纤。
背景技术
众所周知,在用于长距离光通信时,多模光纤在结构上比单模光纤具有更大的传输损耗。同时,由于连接损耗小,光纤间连接是容易的,所以可以使用性能要求低的设备来容易地构建网络,因而多模光纤被广泛地用于短距离信息通信,例如,LAN(局域网)。
近年来,为了实现短距离信息通信的高速传输,正积极地研究用于减小多模光纤的传输损耗并扩展通信频带(获得更宽的带宽)的技术。
发明内容
为了实现更快的短距离信息通信,发明人进行了以下研究来实现稳定地制造适于高速传输的多模光纤的技术。应该注意的是,在本说明书中,在无任何特别指明的情况下使用的术语“光纤”应该是指“多模光纤”。
为了稳定地制造适于高速传输的多模光纤,该多模光纤的径向上的折射率分布需要精确地符合预期形状。为了实现折射率分布的预期形状,首先,需要以精确的浓度在芯部的径向上添加GeO2,但仅添加GeO2未必满足要求。例如,在拉伸预制件之后获得的光纤中,光纤的折射率分布甚至由于光纤中的残余应力的影响而稍微变化。在这种情况下,光纤的制造中重要的是:如何减小残余应力对折射率波动的影响,或者如何恒定地保持相同的折射率分布。应该注意的是,从多模光纤的制造中的残余应力的观点来看,从来没有保证制造稳定性。
同时,近年来,在使用多模光纤的数据中心中,存在对更快的短距离信息通信的需求;尤其现在已知的是,在制造符合ISO/IEC11801的OM3标准或OM4标准的光纤时,控制残余应力的也是非常重要的。
做出本发明来解决上述问题。本发明旨在提供一种多模光纤,该多模光纤包括如下结构:可以在确保高速传输的同时稳定地制造该结构。
作为基准,符合OM3标准的多模光纤是指如下光纤:被称为最小有效模带宽(minEMB)的带宽是2000MHz·km以上,在850nm的情况下的过满注入带宽(国际标准IEC60793-1-41中规定的OFL带宽)是1500MHz·km以上,在1300nm的情况下的过满注入带宽是500MHz·km以上。在本说明书中,将计算出的有效模带宽的最小值表示为“minEMBc”。应该注意的是,在OM3标准中,多模光纤需要满足以下三个条件(OM3-1至OM3-3)。
(OM3-1) minEMBc(850nm)≥2000MHz·km
(OM3-2) OFL带宽(850nm)≥1500MHz·km
(OM3-3) OFL带宽(1300nm)≥500MHz·km
此外,在OM4标准中,多模光纤需要满足以下三个条件(OM4-1至OM4-3)。
(OM4-1) minEMBc(850nm)≥4700MHz·km
(OM4-2) OFL带宽(850nm)≥3500MHz·km
(OM4-3) OFL带宽(1300nm)≥500MHz·km
本发明涉及GI(渐变折射率)型多模光纤,这种多模光纤符合实现超高速通信所要求的OM3标准和/或OM4标准,并且这种多模光纤在结构方面明显地区别于用于长距离传输的单模光纤。具体地说,根据本发明的多模光纤包括抗弯型多模光纤,抗弯型多模光纤对由光纤的弯曲导致的传输特性波动具有抵抗性,这是通过为GI型多模光纤额外地设置折射率低的沟部来实现的。因此,在本说明书中,将具有由芯部和包层构成的标准结构的GI型多模光纤简称为GI型多模光纤,将芯部与包层之间设置有沟部的GI型多模光纤称为BI型多模光纤。此外,在本说明书中,在无任何前缀的情况下使用的术语“多模光纤”应该是指GI型多模光纤和BI型多模光纤二者。
具体地说,作为GI型多模光纤,根据本发明的多模光纤包括:芯部,其沿光轴方向延伸并掺有GeO2(二氧化锗);以及包层,其设置在所述芯部的外周上,并且具有比所述芯部的折射率低的折射率。此外,作为BI型多模光纤,根据本发明的多模光纤包括:芯部,其沿光轴方向延伸并掺有GeO2(二氧化锗);沟部,其设置在所述芯部的外周上,并且具有比所述芯部的折射率低的折射率;以及包层,其设置在所述沟部的外周上,并且具有比所述芯部的折射率低但比所述沟部的折射率高的折射率。
根据本发明的GI型或BI型多模光纤,在所述多模光纤的径向上的折射率分布中,与所述芯部相对应的部分的α值是1.9至2.2,并且所述芯部的直径2a是47.5μm至52.5μm或者60μm至65μm。此外,优选地,所述芯部的中心相对于所述包层的基准区域的相对折射率差Δ(所述芯部的最大相对折射率差)是0.8%至2.4%。应该注意的是,当所述包层由多个区域构成时,将位于最外侧的区域定义为所述基准区域。
此外,在GI型和BI型多模光纤二者中,残留在所述芯部中的所述光轴方向上的最大拉应力和最大压应力优选地都是50MPa以下。在这种情况下,能够稳定地制造符合ISO/IEC11801的OM3标准和OM4标准的多模光纤。此外,需要超高精度地控制折射率,以实现如下多模光纤:该多模光纤符合实现超高速通信所要求的OM3标准和/或OM4标准;并且,控制残余应力显著地影响符合OM3标准和/或OM4标准的多模光纤的产品产率。
应该注意的是,基于拉伸设备(光纤的制造设备)的构造、条件等,残留在光纤中的应力敏感地变化。因此,例如,通过在拉伸工序期间有意地改变玻璃拉力,可以容易地对残留在拉伸之后所获得的光纤的中心部分中的光轴方向上的应力(拉应力或压应力)进行调节。
在GI型和BI型多模光纤二者中,所述最大拉应力和所述最大压应力都可以是30MPa以下,更优选地,所述最大拉应力和所述最大压应力都是20MPa以下。
在相对于拉伸之前的预制件中的预计的minEMBc(预计值)而言残留30MPa的残余应力的多模光纤(拉伸之后)中,实际minEMBc(实际制造出的多模光纤的测量值)会减小一半。因此,在制造符合OM3标准和OM4标准的多模光纤时,优选的是,芯部的残余应力至少是30MPa以下。
此外,即使对于预计的minEMBc是8850MHz·km的预制件而言,当在实际制造出的多模光纤中残留20MPa的残余应力时,这种多模光纤的实际minEMBc将低于OM4标准(minEMBc(850nm)≥4700MHz·km)。在这种情况下,由于难以制造符合OM4标准的多模光纤,所以芯部的残余应力优选地是20MPa以下,以便获得符合OM4标准的多模光纤。
应该注意的是,根据本发明的多模光纤也符合ISO/IEC11801的OM3标准和/或OM4标准。
结合下文中的详细描述和附图,可以更全面地理解本发明;下文中的详细描述和附图是以示例的方式给出的,而不应被认为是限制本发明。
根据下文的详细描述,本发明的进一步实用范围将变得显而易见。然而,应该理解的是,详细描述和具体实例在表示本发明的优选实施例的同时仅以示例的方式给出,这是因为本领域的技术人员根据详细描述将容易得到落入本发明范围内的多种修改和变型。
附图说明
图1A是示出用于获得作为根据本发明的多模光纤的一个实例的GI型多模光纤的预制件的典型横截面结构的视图,图1B是示出该预制件的折射率分布的视图;
图2A是示出用于获得作为根据本发明的多模光纤的另一个实例的BI型多模光纤(包括GI型多模光纤的结构)的预制件的典型横截面结构的视图,图2B是示出该预制件的折射率分布的视图;
图3A是示出用于获得多模光纤的拉伸设备的示意性结构的视图,图3B示出所获得的GI型多模光纤的典型横截面结构,图3C示出所获得的BI型多模光纤的典型横截面结构;
图4是曲线图,示出基于多种拉力制造的GI型多模光纤(图3B)的芯部中残余应力与拉力之间的相关性;
图5是如下视图,示出:对于基于多种拉力制造的GI型多模光纤(图3B),由光弹效应导致的芯部的相对折射率差的波动(由残余应力导致的折射率分布的波动);
图6是曲线图,示出芯部中的残余应力(最大绝对值)与GI型多模光纤(图3B)的传输特性的关系;以及
图7是对图6所示的曲线图的数值进行汇总的表格。
具体实施方式
下面参考图1A至图3C以及图4至图7来详细描述根据本发明的多模光纤的实施例。在描述附图时,以相同的附图标记来表示相同或相应的部件,并省略重复的描述。
图1A是示出用于获得作为根据本发明的多模光纤的一个实例的GI型多模光纤的预制件(在下文中称为“GI型预制件”)的典型横截面结构的视图,图1B是示出该预制件的折射率分布的视图。此外,图3B是示出利用图3A所示的拉伸设备300获得的GI型多模光纤的典型横截面结构的视图。图1A所示的GI型预制件100主要由石英玻璃构成,并包括:第一区域110,其沿着光轴AX延伸;以及第二区域120,其设置在第一区域110的外周上。图3B所示的GI型多模光纤500A包括:芯部510A,其具有直径2a并沿着光轴方向延伸(AX表示光轴);以及包层520A,其设置在芯部510A的外周上,其中,芯部510A与第一区域110相对应,包层520A(图1A的实例中的单层,其用作定义相对折射率差的基准区域)与第二区域120相对应。在图1A所示的GI型预制件100中,与芯部510A相对应的第一区域110掺有用于调节折射率分布的形状的GeO2,并具有最大折射率n1。与包层520A相对应的第二区域120是由纯石英构成的玻璃区域或者为掺有用于调节折射率的杂质的玻璃区域,并具有折射率n2,折射率n2低于第一区域110的折射率。由于拉伸GI型预制件100使得包层520A的外径达到预定值,从而可以获得图3B所示的GI型多模光纤500A。
另外,GI型预制件100具有图1B所示的折射率分布150。图1B所示的折射率分布150表示在与图1A中的光轴AX正交的线L1(与GI型预制件100的径向一致)上的各个部分的折射率,更具体地说,区域151表示沿着线L1的第一区域110的相应部分(将在拉伸之后变成芯部510A的区域)的折射率,区域152表示沿着线L1的第二区域的相应部分(将在拉伸之后变成包层520A的区域)的折射率。
具体地说,图1B的折射率分布150中的区域151具有穹形形状,从而折射率在第一区域110的与光轴AX相重合的中心变得最大。因此,为了调节折射率而添加的GeO2的浓度也从第一区域110的中心开始向第二区域120急剧地降低。用于定义这种穹形形状的α值是1.9至2.2。第一区域110的中心相对于第二区域(图1A的实例中的单层,其用作定义相对折射率差的基准区域)120的相对折射率差Δ(与芯部510A相对于包层520A的最大相对折射率差相对应)是0.8%至2.4%。应该注意到,所获得的GI型多模光纤500A中的芯部510A的直径2a是47.5μm至52.5μm,或60μm至65μm(参考图3B)。
作为基准,当将GI型预制件100制造成使得第一区域110相对于第二区域120的最大相对折射率差Δ为1.17%且α值为2.10并在完全保持图1B所示的折射率分布150的状态下使用GI型预制件100来获得理想的GI型多模光纤500A(即,芯部510A中的残余应力为0)时,这种理想的GI型多模光纤500A的传输特性如下:
minEMBc(850nm)=8850MHz·km
OFL带宽(850nm)=7235MHz·km
OFL带宽(1300nm)=707MHz·km
接下来,图2A是示出用于获得作为根据本发明的多模光纤的另一个实例的BI型多模光纤的预制件(在下文中称为“BI型预制件”)的典型横截面结构的视图,图2B是示出该预制件的折射率分布的视图。此外,图3C是示出利用图3A所示的拉伸设备获得的BI型多模光纤的典型横截面结构的视图。图2A所示的BI型预制件200主要由石英玻璃构成,并包括:第一区域210,其沿着光轴AX延伸;第二区域220,其折射率低并设置在第一区域210的外周上;以及第三区域230,其设置在第二区域220的外周上。图3C所示的BI型多模光纤500B包括:芯部510B,其沿着光轴方向延伸(AX表示光轴);沟部520B,其设置在芯部510B的外周上;以及包层530B,其设置在沟部520B的外周上,其中,芯部510B与第一区域210相对应,沟部520B与第二区域220相对应,包层530B(也为图2A的实例中的单层,其用作定义相对折射率差的基准区域)与第三区域230相对应。应该注意的是,在图2A所示的BI型预制件200中,与芯部510B相对应的第一区域210掺有用于调节折射率分布的形状的GeO2,并具有最大折射率n1。与沟部520B相对应的第二区域220是如下区域:其中掺有例如氟等折射率降低剂,以便为所获得的BI型多模光纤500B提供抗弯性,并且第二区域220具有折射率n3(<n2<n1)。与包层530B相对应的第三区域230是由纯石英构成的玻璃区域或者为掺有用于调节折射率的杂质的玻璃区域,并具有折射率n2(<n1,且>n3),折射率n2小于第一区域210的折射率但大于第二区域220的折射率。应该注意的是,由于拉伸BI型预制件200使得包层530B的外径变成预定值,从而可以获得图3C所示的BI型多模光纤500B。
同时,BI型预制件200具有图2B所示的折射率分布250。应该注意的是,图2B所示的折射率分布250表示在与图2A中的光轴AX正交的线L2(与BI型预制件200的径向一致)上的各个部分的折射率,更具体地说,区域251表示沿着线L2的第一区域210(将在拉伸之后变成芯部510B的区域)的相应部分的折射率,区域252表示沿着线L2的第二区域220(将在拉伸之后变成沟部520B的区域)的相应部分的折射率,区域253表示沿着线L2的第三区域230(将在拉伸之后变成包层530B的区域)的相应部分的折射率。
具体地说,图2B的折射率分布250中的区域251具有穹形形状,从而折射率在第一区域210的与光轴AX相重合的中心变得最大。因此,为了调节折射率而添加的GeO2的浓度也从第一区域210的中心开始向第二区域220和第三区域230急剧地降低。用于定义这种穹形形状的α值是1.9至2.2。第一区域210的中心相对于第三区域(图2A的实例中的单层,其用作定义相对折射率差的基准区域)230的相对折射率差Δ(其与芯部510B相对于包层530B的最大相对折射率差相对应)是0.8%至2.4%。应该注意到,所获得的BI型多模光纤500B中的芯部510B的直径2a是47.5μm至52.5μm或者60μm至65μm(参考图3C)。
在具有上述结构的GI型预制件100和BI型预制件200中,可以用图3A所示的拉伸设备300拉伸GI型预制件100和BI型预制件200的一端,由此获得期望的GI型多模光纤500A和BI型多模光纤500B。应该注意的是,图3A所示的拉伸设备300至少包括:加热器301,其加热所设置的GI型预制件100或BI型预制件200的一端;以及卷筒302,其在施加预定拉力的同时卷绕预制件100(200)的被加热的一端。在卷筒302沿着图3A中的箭头R所示的方向旋转的同时,通过调节转速来调节包层和芯部的外径。此外,利用加热器301来调节加热温度,从而对施加到预制件100(200)的被加热的一端上的拉力进行调节。
图4是曲线图,示出基于不同的拉力制造的GI型多模光纤(图3B)的芯部中残余应力与拉力之间的相关性。应该注意的是,在图4中,纵轴表示芯部510A和包层520A中在光轴方向上的残余应力(MPa),横轴表示GI型多模光纤500A的光纤直径,其中,坐标轴与光轴AX的交点是原点。
应该注意的是,在图4中,正残余应力的范围(图中以箭头RSa示出的区域)示出作为残余应力残留在芯部510A中的拉应力的区域。同时,负残余应力的范围(图中以箭头RSb示出的区域)示出作为残余应力残留在芯部510A中的压应力的区域。此外,在图4中,曲线G410表示如下GI型多模光纤500A的残余应力:该GI型多模光纤500A通过使用图3A所示的拉伸设备300以50g的拉力拉伸GI型预制件100来获得;曲线G420表示如下GI型多模光纤500A的残余应力:该GI型多模光纤500A通过使用图3A所示的拉伸设备300以100g的拉力拉伸GI型预制件100来获得;曲线G430表示如下GI型多模光纤500A的残余应力:该GI型多模光纤500A通过使用图3A所示的拉伸设备300以150g的拉力拉伸GI型预制件100来获得;曲线G440表示如下GI型多模光纤500A的残余应力:该GI型多模光纤500A通过使用图3A所示的拉伸设备300以200g的拉力拉伸GI型预制件100来获得。应该注意的是,所述拉力表示光纤的玻璃部分在制造过程中的线速度下的拉力。
如上所述,所获得的GI型多模光纤500A的芯部510A中产生的应力(在光轴方向上的残余应力)会由于拉力,且还由于其它拉伸条件、拉伸机器的熔炉结构以及其它因素而波动。这样的事实同样清楚地显示在图4所示的结果中。换句话说,可以通过调节参数来控制芯部510A中产生的应力的事实是通过调节所制造的GI型多模光纤的残余应力而证实的。应该注意的是,可以容易地想到,上述结论也会类似地适用于BI型多模光纤500B。
图5是如下视图,示出:对于基于不同的拉力制造的GI型多模光纤(图1A和图1B),由光弹效应导致的芯部的相对折射率差的波动(由残余应力导致的折射率分布的波动)。应该注意的是,在图5中,纵轴表示相对折射率差Δ的波动(10-3%),横轴表示GI型多模光纤500A的光纤直径(μm),其中,坐标轴与光轴AX的交点是原点。这里,相对折射率差Δ的波动是将GI型多模光纤500A的芯部510A中产生的残余应力转换成由光弹效应导致的折射率分布的波动的结果,上述GI型多模光纤500A是通过基于不同的拉力(50g至200g)拉伸图1所示的预制件而获得的。
此外,在图5中,曲线G510表示如下GI型多模光纤500A的相对折射率差波动:该GI型多模光纤500A通过使用图3A所示的拉伸设备300以50g的拉力拉伸GI型预制件100来获得;曲线G520表示如下GI型多模光纤500A的相对折射率差波动:该GI型多模光纤500A通过使用图3A所示的拉伸设备300以100g的拉力拉伸GI型预制件100来获得;曲线G530表示如下GI型多模光纤500A的相对折射率差波动:该GI型多模光纤500A通过使用图3A所示的拉伸设备300以150g的拉力拉伸GI型预制件100来获得;曲线G540表示如下GI型多模光纤500A的相对折射率差波动:该GI型多模光纤500A使用图3A所示的拉伸设备300以200g的拉力拉伸GI型预制件100来获得。
从图5可以看出,由于拉伸工序而导致芯部510A中产生残余应力,使得所获得的GI型多模光纤500A的折射率分布存在波动。例如,以200g的拉力拉伸预制件而获得的GI型多模光纤500A存在最大为0.02%的相对折射率差波动。
应该注意的是,从图4可以看出,基于不同的拉力(50g至200g)制造的GI型多模光纤500A的芯部510A中的残余应力的绝对值所达到的最大值如下:即,在拉力为50g的情况下(曲线G410)为+7.4MPa(拉应力),在拉力为100g的情况下(曲线G420)为-18.9MPa(压应力),在拉力为150g的情况下(曲线G430)为-44.0MPa(压应力),在拉力为200g的情况下(曲线G440)为-69.8MPa(压应力)。
除了上述结果之外,GI型多模光纤500A的传输特性与在芯部510A中绝对值变得最大的情况下的残余应力的相关性是如图6所示的相关性。
图6是曲线图,示出芯部中的残余应力(最大绝对值)与GI型多模光纤(图1A和图1B)的传输特性的关系。此外,图7是对图6所示的曲线图的数值进行汇总的表格。应该注意的是,在图6中,曲线G610表示minEMBc(850nm)与芯部中的残余应力的关系,曲线G620表示OFL带宽(850nm)与芯部中的残余应力的关系,曲线G630表示OFL带宽(1300nm)与芯部中的残余应力的关系。
从图6和图7可以看出,当残余应力为0时(当GI型预制件100的折射率分布与所获得的GI型多模光纤500A的折射率分布相一致时),相应的传输特性变得最大。同时,当芯部510A中产生残余应力时,无论上述残余应力是压应力还是拉应力,均出现由光弹效应导致的折射率分布的波动,并且通过拉伸而获得的GI型多模光纤500A的传输特性会劣化。因此,可以确定的是,基于拉伸工序的芯部510A中产生的残余应力导致GI型多模光纤500A的产品产率显著劣化,其中,即使折射率分布稍微改变,传输特性也会显著地变化。应该注意的是,可以容易地想到,上述结论也会类似地适用于BI型多模光纤500B。
这里,再次参考ISO/IEC11801的OM3标准,在OM3标准中,多模光纤需要满足前文所述的三个条件(OM3-1至OM3-3)。此外,在OM4标准中,多模光纤需要满足前文所述的三个条件(OM4-1至OM4-3)。
即使可以由(拉伸之前)预制件的折射率分布而预料到minEMBc(850nm)非常高,为8850,当(拉伸之后)所获得的多模光纤的芯部中产生大约20MPa的残余应力时,仍然存在如下可能性:多模光纤低于OM4标准的条件(minEMBc≥4700MHz·km)。此外,预制件本身存在工序偏差,并且大量的预制件的预期特性低于OM3标准和/或OM4标准的条件。另外,在芯部510A中的残余应力为69.8MPa的GI型多模光纤(参考图6和图7)的情况下,OFL带宽(1300nm)低于OM3标准和OM4标准。因此,可以理解的是,对于GI型和BI型二者而言,难以制造符合OM3标准的多模光纤,除非通过将芯部中的残余应力抑制在最大值50MPa以下来制造光纤。
如上所述,GI型多模光纤和BI型多模光纤中最重要的传输特性都是波长为850nm的情况下的OFL带宽(850nm)、波长为1300nm的情况下的OFL带宽(1300nm)、以及波长为850nm的情况下的minEMBc(850nm)。由于即使折射率分布稍微变化,这些特性也会敏感地变化,所以需要在制造光纤的同时严格地控制所获得的多模光纤的折射率分布,以确保高速传输。
一般而言,在主要由石英玻璃构成的(GI型和BI型两种)多模光纤中,向芯部中大量地添加了用于控制折射率的添加成分(GeO2),芯部直径也是大的。因此,芯部的玻璃粘度系数与包层及沟部的玻璃粘度系数显著地不同,并且基于拉伸工序的条件,芯部的中心部分可能残留大的残余应力。
因此,在本发明中,通过拉伸预制件来制造GI型和BI型多模光纤,通过控制拉伸设备构造或拉伸条件使得芯部中产生的残余应力(在光轴方向上的压应力或拉应力)变为50MPa以下。因此,能够使拉伸工序期间在芯部中产生的残余应力所导致的多模光纤的折射率分布的变化最小化,并能够有效地防止由拉伸工序导致的多模光纤的传输特性劣化。
根据以上描述的本发明,显而易见的是,可以以多种方式对本发明的实施例进行变型。不应认为这种变型脱离了本发明的精神和范围,而是期望对于本领域的技术人员而言显而易见的这种变型都被包括在所附权利要求书的范围内。
Claims (6)
1.一种多模光纤,包括:
芯部,其沿光轴方向延伸并掺有GeO2;以及
包层,其设置在所述芯部的外周上,并且具有比所述芯部的折射率低的折射率,
其中,在所述多模光纤的径向上的折射率分布中,与所述芯部相对应的部分的α值是1.9至2.2,所述芯部相对于所述包层的基准区域的最大相对折射率差Δ是0.8%至2.4%,所述芯部的直径2a是47.5μm至52.5μm或者60μm至65μm,并且
残留在所述芯部中的所述光轴方向上的最大拉应力和最大压应力都是50MPa以下。
2.根据权利要求1所述的多模光纤,其中,
所述最大拉应力和所述最大压应力都是30MPa以下。
3.根据权利要求2所述的多模光纤,其中,
所述最大拉应力和所述最大压应力都是20MPa以下。
4.根据权利要求1所述的多模光纤,还包括:
沟部,其设置在所述芯部与所述包层之间,所述沟部的折射率低于所述包层的折射率。
5.根据权利要求1所述的多模光纤,其符合ISO/IEC11801的OM4标准。
6.根据权利要求1所述的多模光纤,其符合ISO/IEC11801的OM3标准。
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