CN104714273A - 低衰减少模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低衰减少模光纤，芯层为三层，芯层外由内向外有三层包层；第一芯层的相对折射率差Δ1为0.34%~0.45%，R1为4.5μm~7.5μm，第二芯层的相对折射率差Δ2为0.20%~0.29%，R2为8μm~10μm，第三芯层的相对折射率差Δ3为0.15%~0.24%，R3为10μm~13μm，第一包层相对折射率差Δ4为-0.02%~0.02%，R4为14μm~18μm，第二包层为下陷包层，其相对折射率差Δ5为-0.8%~-0.4%，R5为19μm~31μm，第三包层纯石英玻璃层。本发明在1550nm支持四个稳定的传输模式，既具有较小的DGD又工艺简单便于制作，同时，还具有较低的衰减和较好的抗弯曲性能。

Description

低衰减少模光纤

技术领域

本发明涉及一种用于光纤通信系统的低衰减少模光纤，该光纤的纤芯具有阶梯型剖面结构，其在1550nm通讯波段支持的四个模式有较低的差分模群时延(DGD)、较低的衰减和较好的抗弯曲性能，属于光纤通信技术领域。

背景技术

单模光纤由于其传输速率快，携带信息容量大，传输距离远等优点，被广泛地应用于光纤通信网络之中。而近年来，随着通信及大数据业务对容量的需求与日俱增，网络带宽快速扩张，光传输网络的容量正逐步接近单根光纤的香农极限：100Tb/s。空分复用和模分复用技术可以打破传统的香农极限，实现更高带宽的传输，是解决传输容量问题的最好方法。支持此复用技术的光纤即多芯光纤和少模光纤。实验表明，使用少模光纤结合MIMO技术能够在一个以上的空间传播模式下传输信号。并且MIMO技术能够补偿模式间的相互耦合，在接收端将各个空间模式分离开来。美国专利US8948559、US8848285、US8837892、US8705922以及中国专利CN104067152、CN103946729等提出了抛物线型或阶跃型剖面的少模光纤，但它们各自存在优缺点。具有阶跃型剖面的少模光纤制造工艺简单，易于实现大批量生产，但其通常具有较大的DGD，甚至高达几千ps/km【S.Matsuo,Y.Sasaki,I.Ishida,K.Takenaga,et al.,“Recent Progress on Multi-Core Fiber and Few-Mode Fiber”OFC 2013,OM3I.3(2013)】。抛物线型剖面的少模光纤有更多的可调节参数从而使得模间串扰和DGD均达到很低的水平，但其制备工艺复杂，alpha参数难以精确均匀地控制，可重复性不高。且折射率剖面沿预制棒轴向上的微小波动就能造成光纤不同段长处DGD的明显变化。为了克服上述问题，需要发明一种少模光纤，其具有较小的DGD而且能够通过简单的工艺进行重复性制备。

另一方面，随着光放大技术的进一步发展，光纤通信系统正向着更高传输功率和更长传输距离的方向发展。作为光纤通信系统中的重要传输媒质，光纤的相关性能也必须有进一步的提升，以满足光纤通信系统实际发展的需要。衰减和模场直径是单模光纤的两个重要的性能指标。光纤的衰减越小，光信号在这种媒质中的传输距离越长，光通信系统的无中继距离也越长，从而能显著减少中继站数量，在提高通信系统可靠性的同时使得建设和维护成本大幅降低；光纤的模场直径越大，有效面积就越大，则其非线性效应就越弱。大有效面积可以有效地抑制自相位调制、四波混频、交叉相位调制等非线性效应，保证高功率光信号的传输质量。降低衰减和增大有效面积可以有效地提高光纤通信系统中的光信噪比，进一步提高系统的传输距离和传输质量。对单模光纤而言，光纤的衰减系数可以用公式(1)表示：

α＝R/λ⁴+α_IR+α_IM+α_OH+α_UV+B              (1)

其中R为瑞利散射系数,α_IR,α_IM,α_OH,α_UV分别代表红外吸收，缺陷衰减，OH吸收，以及紫外吸收。在光纤材料中，由于某种远小于波长的不均匀性引起光的散射构成光纤的散射损耗。其中瑞利散射为三种散射机理之一，为线性散射(不产生频率的变化)。瑞利散射的特点是与波长的四次方成反比，由其引起的损耗与掺杂材料的种类与浓度有关。对于少模光纤，可认为光纤中的每一个模式的衰减系数都遵循上述公式(1)。

在光纤预制棒的制造过程中一般可以采用以下几种方法来降低光纤衰减。比如，采用更高纯度的原材料，提高生产环境和设备密封性能，降低外界杂质引入的几率。或者，采用更大外径的预制棒制造工艺，通过大尺寸预制棒的稀释效应降低光纤的整体衰减。另外，在光纤制造过程中，裸光纤表面涂层的涂覆工艺也是影响光纤衰减性能的一个重要因素。但是，无论从理论上还是实际光纤制备中的成本和工艺控制上来讲，降低光纤的掺杂并优化光纤的剖面是最简单且有效的降低光纤衰减的方法。一般来说，掺杂材料的浓度越低，则瑞利散射所引起的损耗越小。通过优化芯层直径和掺氟浓度等参数，不仅可以增大单模光纤的有效面积，而且可以有效的降低光纤中瑞利散射等造成损耗，是一种有效可靠的降低光纤衰减的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于在克服上述现有技术存在的不足提供一种低衰减少模光纤，其既具有较小的DGD(差分模群时延)又工艺简单便于制作，同时，还具有较低的衰减和较好的抗弯曲性能。

为方便介绍发明内容，定义如下术语：

预制棒：是由芯层和包层组成的径向折射率分布符合光纤设计要求可直接拉制成所设计光纤的玻璃棒或组合体；

芯棒：含有芯层和部分包层的实心玻璃预制件；

半径：该层外边界与中心点之间的距离；

折射率剖面：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)玻璃折射率与其半径之间的关系；

相对折射率差： $\mathrm{\Δ}\%=[({n_i}^2-{n_0}^2)/2{n_i}^2]\×100\%\≈\frac{n_i-n_0}{n_0}\×100\%$

n_i和n₀分别为各对应光纤各部分的折射率和纯二氧化硅玻璃的折射率；

氟(F)的贡献量：掺氟(F)石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值(ΔF)，以此来表示掺氟(F)量；

锗(Ge)的贡献量：掺锗(Ge)石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值(ΔGe)，以此来表示掺锗(Ge)量；

OVD工艺：用外部气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；

VAD工艺：用轴向气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；

APVD外包工艺：用高频等离子体焰将天然或合成石英粉熔制于芯棒表面制备所需厚度的SiO₂玻璃；

裸光纤：指光纤中不含涂覆层的玻璃丝。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层为三层，芯层外由内向外有三层包层；所述的三层芯层剖面结构中，第一芯层的相对折射率差Δ1为0.34％～0.45％，半径R1为4.5μm～7.5μm，第二芯层的相对折射率差Δ2为0.20％～0.29％，半径R2为8μm～10μm，第三芯层的相对折射率差Δ3为0.15％～0.24％，半径R3为10μm～13μm，所述的包层剖面结构中，第一包层为紧密围绕芯层的内包层，其相对折射率差Δ4为-0.02％～0.02％，半径R4为14μm～18μm，第二包层为下陷包层，紧密围绕内包层，其相对折射率差Δ5为-0.8％～-0.4％，半径R5为19μm～31μm，第三包层为紧密围绕下陷包层的外包层，为纯石英玻璃层。

按上述方案，所述的芯层呈阶梯型，且相对折射率差由内向外递减。

按上述方案，所述的每个芯层均由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃，或掺有氟(F)及其他掺杂剂的石英玻璃组成，芯层氟(F)的贡献量ΔF为-0.06％±0.02％。

按上述方案，所述的内包层由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃，或纯石英玻璃组成；所述的下陷包层由掺氟(F)的石英玻璃组成。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长处支持四个稳定的传输模式，分别是LP01、LP11、LP21和LP02。

按上述方案，所述的LP01模式在1550nm波长处光纤的有效面积大于或等于135μm²；在1550nm波长处的色散值小于或等于22ps/km/nm。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的DGD的绝对值的最大值小于或等于3.5ps/m，优选条件下小于或等于1ps/m。

按上述方案，所述光纤的四个模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.21dB/km，优选条件下小于或等于0.20dB/km。

按上述方案，所述光纤中LP02和LP21模式的截止波长大于1600nm，LP12或LP31模式的截止波长小于1500nm。

本发明的有益效果在于：1.相对于阶跃型折射率剖面的少模光纤，该光纤具有较低的DGD值，甚至可以和渐变折射率剖面少模光纤的DGD值相当。该光纤较阶跃型折射率剖面的少模光纤具有更低DGD的原因在于，其折射率分布随着芯层半径的增大而成梯度减小。相对于阶跃型少模光纤中高阶模式和低阶模式在光纤中传播的速度一样但走过的路径不同从而到达终点的时间不同，本发明少模光纤中的高价模式虽比低阶模式走的路径更长，但其所经过的外层芯层的折射率更小，因此在这部分路径中的传播速度较更快，从而高阶模式可以和低阶模式几乎同时达到终点。只要设计好各芯层的半径和折射率值，DGD值甚至可以和渐变折射率剖面少模光纤相当。2.在具有较低DGD值的同时，具有较简单的制备工艺，其制备工艺和阶跃型少模光纤基本一致，易于通过掺杂和层数的控制来实现两层或三层芯层，不会增加工艺难度或成本。3.本发明光纤的四个模式具有较低的衰减，从而可以在干线传输中，减少建设相关基站及其他系统设备的成本。衰减性能有赖于以下三个方面的因素：第一，阶梯减小的折射率分布，使得部分模场分布在折射率更低、掺杂更低的第二芯层或第三芯层中，如图1所示。这部分光的衰减相对于阶跃型少模光纤要低的多，有助于降低衰减；第二，芯层中同时掺杂氟和锗，使得芯层材料的粘度得到降低，可以匹配芯层与包层的粘度，从而在拉丝后光纤内部的残余应力进一步减小，有利于改善光纤的衰减性能；第三，由于芯层掺F量较少，从而达到同等Δ的掺Ge量也减少，杂质的减少使得衰减有效降低。

附图说明

图1为本发明的阶梯型剖面的少模光纤在1550nm处四个模式的归一化场分布图。

图2为本发明一个实施例的径向截面示意图。图中00对应光纤的第一芯层，10对应光纤的第二芯层，20对应光纤的第三芯层，30对应光纤的内包层，40对应光纤的下陷包层，50对应光纤的外包层。

图3为本发明的低衰减少模光纤的折射率剖面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例的裸光纤包括有三层芯层和三层包层，如图2所示。第一芯层00、第二芯层10和第三芯层20均由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃，或掺有氟及其他掺杂剂的石英玻璃组成，由PCVD工艺制备；围绕在芯层外有三个包层。内包层30紧密围绕芯层，由PCVD工艺制备的氟(F)和锗(Ge)共掺的石英玻璃组成，或由纯石英玻璃组成。下陷包层40紧密围绕内包层，由掺氟(F)的石英玻璃组成，其相对折射率差Δ5小于其它包层。外包层50为紧密围绕下陷包层的外包层。该包层为纯石英玻璃层，即相对折射率差为0％。图3给出了本实施例光纤的折射率剖面结构图。

本实施例光纤的涂覆层采用双层涂覆工艺，拉丝速度均为1000-2000m/min，光纤的丝径为125±0.7μm。

按照上述少模光纤的技术方案，在其所规定的范围内对光纤的参数进行设计，并通过已知的PCVD工艺、MCVD工艺、OVD工艺或VAD工艺等芯棒制造工艺根据光纤的设计要求制造芯棒，通过套管工艺、OVD工艺或VAD工艺等外包工艺来完成整个预制棒的制造。

所拉制光纤的折射率剖面使用NR-9200设备(EXFO)进行测试，光纤的折射率剖面以及掺杂材料的主要参数如表1所示。

所拉制光纤的主要性能参数如表2所示。

数据表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，其在1550nm波长处支持四个稳定的传输模式，分别是LP01，LP11，LP21和LP02。其中，LP01模式在1550nm波长处的有效面积大于135μm²；在1550nm处的色散值小于22ps/km/nm。该少模光纤在1550nm处的DGD的绝对值的最大值小于或等于3.5ps/m，优选条件下小于或等于1ps/m。四个模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.21dB/km，优选条件下小于或等于0.20dB/km。LP02和LP21模式的截止波长大于1600nm，LP12或LP31模式的截止波长小于1500nm。

表1：本实施例少模光纤的结构和材料组成

表2：本实施例少模光纤的主要性能参数

Claims (9)

1.一种低衰减少模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层为三层，芯层外由内向外有三层包层；所述的三层芯层剖面结构中，第一芯层的相对折射率差Δ1为0.34％～0.45％，半径R1为4.5μm～7.5μm，第二芯层的相对折射率差Δ2为0.20％～0.29％，半径R2为8μm～10μm，第三芯层的相对折射率差Δ3为0.15％～0.24％，半径R3为10μm～13μm，所述的包层剖面结构中，第一包层为紧密围绕芯层的内包层，其相对折射率差Δ4为-0.02％～0.02％，半径R4为14μm～18μm，第二包层为下陷包层，紧密围绕内包层，其相对折射率差Δ5为-0.8％～-0.4％，半径R5为19μm～31μm，第三包层为紧密围绕下陷包层的外包层，为纯石英玻璃层。

2.按权利要求1所述的低衰减少模光纤，其特征在于所述的芯层呈阶梯型，且相对折射率差由内向外递减。

3.按权利要求1或2所述的低衰减少模光纤，其特征在于所述的每个芯层均由掺氟和锗的石英玻璃，或掺有氟及其他掺杂剂的石英玻璃组成，芯层氟的贡献量ΔF为-0.06％±0.02％。

4.按权利要求3所述的低衰减少模光纤，其特征在于所述的内包层由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃，或纯石英玻璃组成；所述的下陷包层由掺氟(F)的石英玻璃组成。

5.按权利要求1或2所述的低衰减少模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处支持四个稳定的传输模式，分别是LP01、LP11、LP21和LP02。

6.按权利要求5所述的低衰减少模光纤，其特征在于所述的LP01模式在1550nm波长处光纤的有效面积大于或等于135μm²；在1550nm波长处的色散值小于或等于22ps/km/nm。

7.按权利要求5所述的低衰减少模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的DGD的绝对值的最大值小于或等于3.5ps/m。

8.按权利要求5所述的低衰减少模光纤，其特征在于所述光纤的四个模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.21dB/km。

9.按权利要求5所述的低衰减少模光纤，其特征在于所述光纤中LP02和LP21模式的截止波长大于1600nm，LP12或LP31模式的截止波长小于1500nm。