CN109557610A - 一种弯曲不敏感多模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弯曲不敏感多模光纤，包括从内向外依次设置的渐变层、平台层以及凹陷包层。渐变层和平台层共同构成多模光纤芯层，渐变层的折射率剖面呈抛物线形，折射率剖面分布指数为α，渐变层中心的折射率为n₀，平台层的折射率为n₁，凹陷包层的折射率为n₂。渐变层中心的折射率差为0.0095～0.014，平台层的折射率差为‑0.002～0.003，凹陷包层的折射率差为‑0.0065～‑0.002。本发明的弯曲不敏感多模光纤的整体折射率差相较典型的弯曲不敏感多模光纤的折射率差显著下降。

Description

一种弯曲不敏感多模光纤

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种低损耗弯曲不敏感多模光纤。

背景技术

在光纤通信***中，光纤作为光波的传输介质，其特性对光信号的传输效果有非常重要的影响。传统多模光纤的损耗随着弯曲半径的减小迅速增大，造成了在不同应用环境下传输带宽和极限传输距离很大的不确定性。弯曲不敏感多模光纤在不同的弯曲半径条件下弯曲损耗基本没有变化，以其优异的弯曲性能被广泛应用于数据中心、办公中心和存储区域网等领域。此外，在一些特殊的场合，如油气井内、矿洞、高压电缆、海底检测等，也需要弯曲不敏感的多模光纤用于传感和测量数据传输。

传统的多模光纤采用芯层掺GeO₂(二氧化锗)，外包包层纯石英的设计，掺GeO₂量取决于光纤纤芯和外包包层的折射率差(数值孔径)要求。影响多模光纤衰减的最主要因素是GeO₂掺杂引起的瑞利散射，对于掺GeO₂引起的石英玻璃瑞利散射可用公式(1)表示：

其中，λ为波长，A₀为未掺杂纯二氧化硅的瑞利散射系数，Δ_i为第i层包层与芯层之间的相对折射率差，Γ_i为第i层的功率限制因子。通过研究发现，光纤的瑞利散射损耗大小与掺GeO₂引起的相对折射率差成正比，即掺GeO₂的含量越高，瑞利散射损耗越大。因此，降低GeO₂含量是降低多模光纤衰减非常有效的途径。此外，高掺GeO₂还会引起多模光纤色散的增加，直接影响多模光纤传输的带宽。

现有典型的弯曲不敏感多模光纤最高(纤芯中心)和最低(凹陷底部)折射率差约0.021，如果希望通过降低光芯层的掺GeO₂浓度降低光纤衰减，为了保持上述的折射率差，必须同时降低包层和凹陷部分的折射率。目前，降低石英折射率的主流方法即在石英中掺F(氟)。为了将掺杂引起的散射损耗降到最低，最理想的设计是纤芯不掺GeO₂，即纯硅芯设计，该设计要求单纯的包层与二氧化硅折射率差降低到-0.015，对于典型的弯曲不敏感多模光纤设计，还需进行凹陷的设计，此时下陷包层与二氧化硅的折射率差必须达到-0.021，接近石英掺F的极限，将极大地提高了制造难度和制造成本。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种解决上述问题的弯曲不敏感多模光纤。

本发明提供一种弯曲不敏感多模光纤，包括从内向外依次设置的渐变层、平台层以及凹陷包层，渐变层和平台层共同构成多模光纤芯层。渐变层的折射率剖面呈抛物线形，折射率剖面分布指数为α，渐变层中心的折射率为n₀，平台层的折射率为n₁，凹陷包层的折射率为n₂。渐变层中心的折射率差为0.0095～0.014，平台层的折射率差为-0.002～0.003，凹陷包层的折射率差为-0.0065～-0.002。

本发明提供的弯曲不敏感多模光纤的整体折射率差相较典型的弯曲不敏感多模光纤的折射率差显著下降。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的弯曲不敏感多模光纤的折射率剖面示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似应用，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，本发明中的折射率差指的是光纤中各对应部分的折射率相对二氧化硅的折射率的差值。

本发明提供一种弯曲不敏感多模光纤，其包括从内向外依次设置的渐变层、平台层以及凹陷包层。所述渐变层、平台层以及凹陷包层同轴设置。其中，所述渐变层以及所述平台层共同构成所述多模光纤的芯层。

请参阅图1，图1是所述多模光纤的折射率剖面示意图。所述渐变层的半径为R₁，其折射率剖面呈抛物线形，折射率剖面分布参数为α，且所述渐变层中心的折射率为n₀。所述平台层的半径为R₂，其宽度为R₂-R₁，其折射率为n₁。所述凹陷包层的半径为R₃，其宽度为R₃-R₂，其折射率为n₂。具体的，所述多模光纤的折射率的分布满足以下公式：

其中，r为所述多模光纤中任一点距离所述渐变层的中心轴的径向距离，Δ为渐变层中心和渐变层的边界相对折射率差：

具体的，所述渐变层中心的折射率差范围为0.0095～0.014，即渐变层中心的折射率相对二氧化硅的折射率差值的范围为0.0095～0.014。所述渐变层的半径R₁范围为22～32μm。所述渐变层的折射率剖面分布参数α为1.7～2.2。所述平台层的宽度R₂-R₁范围为0.5～5μm。所述平台层的折射率差范围为-0.002～0.003。所述凹陷包层的宽度R₃-R₂范围大于或等于20μm。所述凹陷包层的折射率差范围为-0.0065～-0.002。

所述渐变层以及所述平台层均掺杂有GeO₂(二氧化锗)与P₂O₅(五氧化二磷)或均掺杂有GeO₂与F(氟)，所述凹陷包层掺杂有F。所述掺杂物的摩尔浓度随半径变化，并按如下函数分布：

其中，M_r为所述掺杂物在距离所述渐变层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度，M₀为所述掺杂物在所述渐变层中心的摩尔浓度，M₁为所述掺杂物在所述渐变层边界以及平台层的摩尔浓度，M₂为所述掺杂物在所述凹陷包层的摩尔浓度，β为所述掺杂物的浓度分布参数。

具体的，GeO₂在所述渐变层中心的摩尔浓度范围为0～10％，在所述渐变层边界以及平台层的摩尔浓度范围为0～1％，且所述GeO₂的浓度分布参数β_G的范围为1.5～3。P₂O₅在所述渐变层中心的摩尔浓度范围为0～10％，在所述渐变层边界以及平台层的摩尔浓度范围为0～1％，且所述P₂O₅的浓度分布参数β_P的范围为1.5～3。F在所述渐变层中心的摩尔浓度范围为0～1％，在所述渐变层边界以及平台层的摩尔浓度范围为0～2.5％，且所述F的浓度分布参数β_F的范围为3～5。F在所述凹陷包层的摩尔浓度范围为1～6％。

可以理解的是，在其他实施例中，所述多模光纤还包括外包包层，所述外包包层套设于所述凹陷包层上，其半径为R_max，其宽度为R_max-R₃，其折射率为n_c。所述外包包层为纯石英玻璃，此时，所述渐变层中心的折射率差可表达为n₀-n_c，所述平台层的折射率差可表达为n₁-n_c，所述凹陷包层的折射率差可表达为n₂-n_c。具体的，所述外包包层的半径R_max为40～100μm。

实施例一

所述渐变层中心的折射率差为0.0095，且所述渐变层的半径R₁为24μm；所述平台层的折射率差为-0.002，其半径R₂为25μm；所述凹陷包层的折射率差为-0.0065，其半径R₃为48μm。本实施例中的多模光纤还包括半径R_max为62.5μm的外包包层。其中，所述渐变层以及平台层掺杂有GeO₂和F，所述渐变层中心掺杂的GeO₂的摩尔浓度为8.1％，掺杂的F的摩尔浓度为0.5％；所述渐变层边界以及所述平台层中掺杂的GeO₂的摩尔浓度为0.6％，掺杂的F的摩尔浓度为2.2％。所述凹陷包层掺杂有摩尔浓度为5.2％的F。本实施例的多模光纤的色散为-93.1ps/(nm·km)。本实施例的多模光纤可采用等离子化学气相沉积(PCVD)工艺制备预制棒。

实施例二

所述渐变层中心的折射率差为0.0105，且所述渐变层的半径R₁为23.5μm；所述平台层的折射率差为0.0005，其半径R₂为25μm；所述凹陷包层的折射率差为-0.0055，其半径R₃为46μm。本实施例中的多模光纤还包括半径R_max为62.5μm的外包包层。其中，所述渐变层以及平台层掺杂有GeO₂和P₂O₅，所述渐变层中心掺杂的GeO₂的摩尔浓度为7.9％，掺杂的P₂O₅的摩尔浓度为0.7％；所述渐变层边界以及所述平台层中掺杂的GeO₂的摩尔浓度为0.01％，掺杂的P₂O₅的摩尔浓度为0.5％。所述凹陷包层掺杂有摩尔浓度为4.45％的F。本实施例的多模光纤的色散为-93.2ps/(nm·km)。本实施例的多模光纤可采用改良的化学气相沉积(MCVD)工艺制备预制棒。

实施例三

所述渐变层中心的折射率差为0.0105，且所述渐变层的半径R₁为23.5μm；所述平台层的折射率差为0.0005，其半径R₂为25μm；所述凹陷包层的折射率差为-0.0055，其半径R₃为62.5μm。其中，所述渐变层以及平台层掺杂有GeO₂和P₂O₅，所述渐变层中心掺杂的GeO₂的摩尔浓度为1.4％，掺杂的P₂O₅的摩尔浓度为8.5％；所述渐变层边界以及所述平台层中掺杂的GeO₂的摩尔浓度为0.1％，掺杂的P₂O₅的摩尔浓度为0.2％。所述凹陷包层掺杂有摩尔浓度为4.45％的F。本实施例的多模光纤的色散为-87.9ps/(nm·km)。本实施例的多模光纤可采用改良的化学气相沉积(MCVD)工艺和掺氟套管制备预制棒。

实施例四

所述渐变层中心的折射率差为0.014，且所述渐变层的半径R₁为22.8μm；所述平台层的折射率差为0.003，其半径R₂为25μm；所述凹陷包层的折射率差为-0.002，其半径R₃为62.5μm。其中，所述渐变层以及平台层掺杂有GeO₂和F，所述渐变层中心掺杂的GeO₂的摩尔浓度为11.6％，掺杂的F的摩尔浓度为0.5％；所述渐变层边界以及所述平台层中掺杂的GeO₂的摩尔浓度为2.9％，掺杂的F的摩尔浓度为0.5％。所述凹陷包层掺杂有摩尔浓度为1.6％的F。本实施例的多模光纤的色散为-96.8ps/(nm·km)。本实施例的多模光纤可采用外部气相沉积法(OVD)工艺和掺氟套管制备预制棒。

本发明实施例提供的弯曲不敏感多模光纤，通过在凹陷包层掺杂较多的F(掺杂摩尔浓度为1～6％)，减少渐变层中GeO₂的掺杂浓度(掺杂摩尔浓度为0～11.5％)，使得所述多模光纤在其折射率剖面优化的同时，其整体的折射率差相较典型的弯曲不敏感多模光纤的折射率差显著下降，其中，凹陷包层的折射率差为-0.0065～-0.002。同时通过尽量减少F的掺杂量，从而降低GeO₂掺杂引起的散射损耗，从而降低所述弯曲不敏感多模光纤的总体损耗。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种弯曲不敏感多模光纤，包括从内向外依次设置的渐变层、平台层以及凹陷包层，所述渐变层和所述平台层共同构成多模光纤芯层，所述渐变层的折射率剖面呈抛物线形，渐变层中心的折射率为n₀，所述平台层的折射率为n₁，所述凹陷包层的折射率为n₂，其特征在于：所述渐变层中心的折射率差为0.0095～0.014，所述平台层的折射率差为-0.002～0.003，所述凹陷包层的折射率差为-0.0065～-0.002。

2.如权利要求1所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于：

所述渐变层的半径R₁的范围为22～32μm；

所述平台层的半径为R₂，所述平台层的宽度R₂-R₁的范围为0.5～5μm；

所述凹陷包层的半径为R₃，所述凹陷包层的宽度R₃-R₂大于或等于20μm。

3.如权利要求1所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于：所述渐变层以及所述平台层均掺杂有GeO₂与P₂O₅或均掺杂有GeO₂与F，所述凹陷包层掺杂有F，其中掺杂物的摩尔浓度随半径变化，并按如下函数分布：

其中，M_r为所述掺杂物在距离所述渐变层中心轴的径向距离r处的摩尔浓度，M₀为所述掺杂物在所述渐变层中心的摩尔浓度，M₁为所述掺杂物在所述渐变层边界以及平台层的摩尔浓度，M₂为所述掺杂物在所述凹陷包层的摩尔浓度，β为所述掺杂物的浓度分布参数。

4.如权利要求3所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于，GeO₂在所述渐变层中心的摩尔浓度范围为0～11.5％的，GeO₂在所述渐变层边界以及所述平台层的摩尔浓度范围为0～3.5％，且GeO₂的浓度分布参数β_G的范围为1.5～3。

5.如权利要求3所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于，P₂O₅在所述纤渐变层中心的摩尔浓度范围为0～10％，P₂O₅在所述渐变层边界以及平台层的摩尔浓度范围为0～1％，且P₂O₅的浓度分布参数β_P的范围为1.5～3。

6.如权利要求3所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于，F在所述渐变层中心的摩尔浓度范围为0～1％，F在所述渐变层边界以及平台层的摩尔浓度范围为0～2.5％，且F的浓度分布参数β_F的范围为3～5。

7.如权利要求3所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于，F在所述凹陷包层的摩尔浓度范围为1～6％。

8.如权利要求1所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于，所述多模光纤还包括套设于所述凹陷包层上的外包包层，所述外包包层为纯石英玻璃。

9.如权利要求8所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于，所述外包包层的半径的范围为40～100μm。

10.如权利要求1所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于，所述渐变层的折射率按如下函数分布：

其中，R₁为所述渐变层的半径，折射率剖面分布参数α的范围为1.7～2.2。