CN107479129A - 一种高带宽多模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高带宽多模光纤，包括芯层和围绕芯层的包层，其特征在于芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为1.9～2.2，芯层的半径R1为23～27μm，芯层中心位最大相对折射率差Δ1为0.5～1.0％，所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，内包层的半径为R2，单边径向宽度(R2‑R1)为1～3μm，相对折射率差Δ2为‑0.5～‑0.1％；下陷包层的半径为R3，单边径向宽度(R3‑R2)为4～8μm，相对折射率差Δ3为‑1.0～‑0.45％；外包层相对折射率差Δ4为‑0.5～‑0.1％。本发明通过降低光纤芯层掺锗量和合理设计波导结构，降低了光纤带宽对波长的敏感性，提高了带宽性能，并使光纤具备良好的抗弯曲性能。

Description

一种高带宽多模光纤
技术领域
本发明涉及一种在较宽波长范围都具有高带宽性能的多模光纤，属于光通信技术领域。
背景技术
多模光纤以其较低廉的***成本优势，和易于接续的特点，在短距离传输网络中广泛使用，如LAN局域网中。随着用户对网络容量需求的不断增长，高性能传输网络对多模光纤的带宽提出更高的要求。
随着科学技术的不断发展，人们已经进入了光纤宽带和多业务融合的信息高速发展时代。融合后的电信网、广电网和互联网都可以承载多种信息化业务，都可以为用户提供电话通信、上网和看电视等多种服务。尤其是近年来云计算和物联网等概念的提出，都给现有网络带来了海啸般的数据冲击。这必将加快如数据中心、企业机房、存储区域网络(SAN)、网络附加存储(NAS)和高性能计算中心等应用的建设和普及，并对其中的网络基础设施的高带宽和灵活性提出更高的要求，以便能够支持更高性能的连接。弯曲不敏感多模光纤是广泛应用于数据中心和企业机房中的网络传输媒介，高性能传输网络的建设对弯曲不敏感多模光纤提出了更多苛刻的要求，其中以光纤的带宽性能和抗弯曲特性为最重要的两项参数。
多模光纤在数据中心、企业机房、SAN、NAS等应用场景中往往是铺设在狭窄的机柜、配线箱等集成***中，光纤会经受很小的弯曲半径。常规多模光纤进行小角度弯曲时，靠近纤芯边缘传输的高阶模很容易泄漏出去，从而造成信号损失。降低光纤弯曲附加损耗的一个有效方法是在光纤包层增加低折射率区域来限制高阶模的泄漏，使信号损失最小化。如专利US8428410B2，在多模光纤折射率剖面的芯层外部引入单边3～5μm宽度的下陷包层结构，从而获得了显著降低的宏弯损耗。
为了获得具有良好稳定性的高带宽多模光纤，光纤芯层必须具有精细的alpha型抛物线折射率剖面。同时，光纤芯层掺杂元素的种类和含量会影响光纤的材料色散，从而影响光纤带宽对波长的敏感性。通常，多模光纤芯层通过掺杂一定量的锗元素来实现alpha型抛物线折射率剖面。掺杂有锗元素的SiO2具有较高的材料色散，因此现有掺锗量较高的多模光纤具备高带宽性能所对应的波长范围都很窄，光源波长的小幅改变会带来带宽性能的急剧下降。然而，在波分复用***中应用的多模光纤需要在较宽的波长范围内维持高带宽性能，常规掺锗量较高的多模光纤在波分复用***中的传输距离往往受限。此外，降低掺锗量也有利于光纤衰减的降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足提供一种结构设计优化，带宽-波长敏感性较小的高带宽多模光纤。
为方便介绍本发明内容，定义部分术语：
渐变型多模光纤的芯层折射率剖面满足如下幂指数函数分布：
其中，n1为光纤轴心的折射率；r为离开光纤轴心的距离；a为光纤芯半径；α为分布指数；Δ0为纤芯中心相对纯二氧化硅玻璃的相对折射率差。
相对折射率差即Δi：
其中，ni为距离纤芯中心i位置的折射率；n0为纯二氧化硅玻璃的折射率。
上掺杂剂：指相对于纯二氧化硅，能够提高玻璃折射率的掺杂物质，如锗、氯、磷、铝、钛等。
下掺杂剂：指相对于纯二氧化硅，能够降低玻璃折射率的掺杂物质，如氟、硼等。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括芯层和围绕芯层的包层，其特征在于所述的芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为1.9～2.2，芯层的半径R1为23～27μm，芯层中心位最大相对折射率差Δ1为0.5～1.0％，所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层的半径为R2，单边径向宽度(R2-R1)为1～3μm，相对折射率差Δ2为-0.5～-0.1％；所述的下陷包层的半径为R3，单边径向宽度(R3-R2)为4～8μm，相对折射率差Δ3为-1.0～-0.45％；所述的外包层相对折射率差Δ4为-0.5～-0.1％。
按上述方案，所述的外包层相对折射率差与内包层相对折射率差的差值Δ4-Δ2为-0.05～0.05％。
按上述方案，所述的芯层为掺有上掺杂剂的二氧化硅玻璃层，所述的包层为掺有下掺杂剂的二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述的芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，所述的包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，且芯层相对折射率差Δ1≤0.8％，内包层相对折射率差Δ2≤-0.2％。
按上述方案，所述的芯层为掺锗的二氧化硅玻璃层，所述的包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，且芯层相对折射率差Δ1≤0.8％，内包层相对折射率差Δ2≤-0.3％。
按上述方案，所述光纤的数值孔径为0.185～0.215。
按上述方案，所述光纤在850nm波长具有3500MHz-km或3500MHz-km以上带宽，在950nm波长具有1850MHz-km或1850MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。
按上述方案，所述光纤在850nm波长具有4700MHz-km或4700MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)，在953nm波长具有2470MHz-km或2470MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。
按上述方案，所述光纤在850nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.2dB；在1300nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.5dB。
本发明的有益效果在于：1、通过降低光纤芯层掺锗量，降低了光纤带宽对波长的敏感性；2、合理设计波导结构，波导结构得到进一步的优化，使带宽性能进一步提高；3、内包层、下陷包层和外包层均掺有下掺杂剂，不仅是光纤径向应力均匀过渡，分布合理，易于工艺控制，而且使光纤具备良好的抗弯曲性能。
附图说明
图1是本发明光纤的横截面结构示意图。
图2是本发明光纤的折射率剖面示意图。
图3是本发明光纤的带宽随波长变化的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。采用外径为40～50mm，单边壁厚为3～10mm的含氟石英玻璃衬管作为基底管，使用等离子体增强化学气相沉积(PCVD)工艺进行掺杂沉积；依次沉积下陷包层、内包层和芯层。在反应气体四氯化硅(SiCl4)和氧气(O2)中，通入含氟的气体，进行氟(F)掺杂，通入四氯化锗(GeCl4)，进行锗(Ge)掺杂，混合气体压力控制在10～18mBar，通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁；沉积完成后，用电加热炉将沉积后的衬管熔缩成实心棒；将该实心棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤，在光纤表面涂覆内外两层紫外固化的聚丙稀酸树脂即成。
所述的光纤包括芯层10和围绕芯层的包层11，芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数为α，芯层的半径为R1，芯层中心位最大相对折射率差为Δ1，所述的包层由内到外依次为内包层20、下陷包层30和外包层40，所述的内包层20的半径为R2，单边径向宽度(R2-R1)为1～3μm，相对折射率差为Δ2；所述的下陷包层30的半径为R3，单边径向宽度(R3-R2)为4～8μm，相对折射率差为Δ3；所述的外包层40的半径R4为124～126μm，相对折射率差为Δ4。
按上述方法制备了一组弯曲不敏感多模光纤预制棒并拉丝，所得光纤的结构参数和主要性能参数见表1。
表1：光纤的芯层结构参数、芯层掺杂浓度及主要性能参数
宏弯附加损耗根据IEC 60793-1-47方法测得，被测光纤按一定直径绕两圈，然后将圆圈放开，测试打圈前后的光功率变化，以此作为光纤的宏弯附加损耗。测试时，采用环形通量(Encircled Flux)光注入条件。Encircled Flux光注入条件可通过以下方法获得：在被测光纤前端熔接一段2m长的普通50μm芯径多模光纤，并在该光纤中间绕一个25mm直径的圈，当满注入光注入该光纤时，被测光纤即为环形通量光注入。
满注入带宽根据IEC 60793-1-41方法测得，测试采用满注入条件。
差分模时延(DMD)根据IEC 60793-1-49方法测得，被测光纤长度均为1000m±20％，在被测光纤与光源之间连接一根探针单模光纤，以限制入射被测光纤的光模式为单模，入射光脉宽小于等于100ps，光源垂直入射被测光纤端面，沿该端面径向扫描，测量到达被测光纤输出端最快光脉冲与最慢光脉冲之间的时间差，即为差分模时延。同时，利用这些DMD数据进行模拟一系列规定输入模式的计算，可得出有效模式带宽(EMB)。

Claims (9)

1.一种高带宽多模光纤，包括芯层和围绕芯层的包层，其特征在于所述的芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为1.9～2.2，芯层的半径R1为23～27μm，芯层中心位最大相对折射率差Δ1为0.5～1.0％，所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，所述的内包层的半径为R2，单边径向宽度(R2-R1)为1～3μm，相对折射率差Δ2为-0.5～-0.1％；所述的下陷包层的半径为R3，单边径向宽度(R3-R2)为4～8μm，相对折射率差Δ3为-1.0～-0.45％；所述的外包层相对折射率差Δ4为-0.5～-0.1％。
2.按权利要求1所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述的外包层相对折射率差与内包层相对折射率差的差值Δ4-Δ2为-0.05～0.05％。
3.按权利要求1或2所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述的芯层为掺有上掺杂剂的二氧化硅玻璃层，所述的包层为掺有下掺杂剂的二氧化硅玻璃层。
4.按权利要求1或2所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述的芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，所述的包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，且芯层相对折射率差Δ1≤0.8％，内包层相对折射率差Δ2≤-0.2％。
5.按权利要求1或2所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述的芯层为掺锗的二氧化硅玻璃层，所述的包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，且芯层相对折射率差Δ1≤0.8％，内包层相对折射率差Δ2≤-0.3％。
6.按权利要求1或2所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述光纤的数值孔径为0.185～0.215。
7.按权利要求1或2所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述光纤在850nm波长具有3500MHz-km或3500MHz-km以上带宽，在950nm波长具有1850MHz-km或1850MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。
8.按权利要求1或2所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述光纤在850nm波长具有4700MHz-km或4700MHz-km以上的有效模式带宽，在953nm波长具有2470MHz-km或2470MHz-km以上的有效模式带宽。
9.按权利要求1或2所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述光纤在850nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.2dB；在1300nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.5dB。
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