CN106371167A - 一种高带宽多模光纤 - Google Patents

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0.9％～1.2％，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‑0.05～0.05％；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‑0.7～‑0.3％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明通过光纤芯层的特殊材料组分设计和波导结构的优化设计，使光纤的带宽性能进一步的提升。

Description

一种高带宽多模光纤

技术领域

本发明涉及一种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系统成本优势，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。

为了获得具有良好稳定性的高带宽多模光纤，光纤折射率剖面，尤其是芯层折射率剖面必须与预期形状精确匹配。通常在光纤预制棒的芯层设计掺入一定浓度的锗来实现所期望的光纤芯层的折射率分布。但光纤预制棒经过高温熔融再拉制冷却成光纤后，在光纤内部残余应力的影响下折射率分布会发生畸变。因而在光纤生产过程中设法减少残余应力对折射率分布的影响很重要。在玻璃网络结构中，掺杂剂如锗、氟、氯等离子以网络形成体、中间体或修饰体的形式存在，破坏了原有网络结构的整体性，在高温下能降低玻璃的粘度。掺杂离子浓度直接影响光纤的高温粘度。多模光纤芯层中心掺杂锗的量大于芯层边缘的掺锗量，导致光纤材料组分的高温粘度失配，加剧了光纤芯层残余应力的形成。

中国专利CN102654602介绍了一种通过管内法或者管外法掺杂碱金属的单模光纤，通过芯层与包层掺杂组分和掺杂浓度差的控制来降低光纤衰减。专利CN 103030269提出用OVD和VAD相结合的工艺来制备掺氯的多模光纤，但并没有涉及掺氟以及具体的掺杂剂浓度值。

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芯层材料匹配合理，结构设计优化，易于工艺控制的高带宽多模光纤。

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：

$\begin{array}{cc}{n}^2\left(r\right)=n_1^2\&lsqb;1-2{\mathrm{\&Delta;}}_0{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;& r<a\end{array}$

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为纤芯中心相对包层的折射率。

相对折射率即Δ_i：

Δ_i％＝[(n_i ²-n₀ ²)/2n_i ²]×100％，

其中，n_i为距离纤芯中心i位置的折射率；n₀为光纤芯层的最小折射率，通常也是光纤包层的折射率。

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0.9％～1.2％，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-0.05～0.05％；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-0.7～-0.3％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的芯层为锗氟氯Ge/F/Cl共掺的二氧化硅玻璃层，其中，芯层中锗掺杂量按质量计沿半径方向递减，氟掺杂量按质量计沿半径方向递增或均等，氯掺杂量按质量计沿半径方向递增或均等。

按上述方案，所述的氟掺杂量递增时的芯层边缘位掺杂量或均等时的掺杂量C_F2为3000～20000ppm，更优的为5000～12300ppm。

按上述方案，所述的氟掺杂量递增时的芯层边缘位氟掺杂量C_F2与芯层中心位氟掺杂量C_F1之比C_F2/C_F1为5～40。

按上述方案，所述的氯掺杂量递增时的芯层边缘位掺杂量或均等时的掺杂量C_Cl2为200～8000ppm，更优的为1000～6000ppm。

按上述方案，所述的氯掺杂量递增时的芯层边缘位氯掺杂量C_Cl2与芯层中心位氯掺杂量C_Cl1之比C_Cl2/C_Cl1为1.5～15。

按上述方案，所述芯层中C_F2+C_Cl2大于6000ppm，更优的为8000～15000ppm。

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。

本发明光纤制造方法的技术方案为：采用纯石英玻璃管作为基底衬管，使用PCVD或MCVD工艺制备芯层；在反应气体四氯化硅(SiCl₄)和氧气(O₂)中，通入四氯化锗(GeCl₄)进行锗掺杂，通入含氟气体进行氟(F)掺杂，通入含氯的气体进行氯(Cl)掺杂，通过微波或氢氧焰等加热源促使衬管内的混合气体发生化学反应，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁；该过程中，控制衬管内混合气体压力在10～18mBar；根据所述光纤波导结构的掺杂要求，逐层改变混合气体中各组分气体的流量及反应条件参数，从芯层的边缘至中心逐层沉积；沉积完成后，用电加热炉将沉积后的衬管熔缩成实心芯棒；采用OVD或VAD等管外沉积工艺依次沉积出含氟下陷包层及纯石英玻璃外包层，制得预制棒；或者以掺氟玻璃管为套管，与实心芯棒组合后进行二次熔缩，所得实心棒再与纯石英玻璃外套管组合成RIT(rod intube)预制棒；将预制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。

本发明光纤制造方法的另一个技术方案为：采用纯石英玻璃管作为基底衬管，使用PCVD或MCVD工艺制备芯层、内包层和下陷包层；在反应气体四氯化硅(SiCl₄)和氧气(O₂)中，通入含氟气体进行氟(F)掺杂，首先在衬管内壁沉积掺氟下陷包层；再沉积内包层；再向反应气体中通入四氯化锗(GeCl₄)，进行锗掺杂，通入含氟气体进行氟(F)掺杂，通入含氯的气体进行氯(Cl)掺杂，从芯层的边缘至中心逐层沉积出芯层；该过程中，控制衬管内混合气体压力在10～18mBar；根据所述光纤波导结构的掺杂要求，逐层改变混合气体中各组分气体的流量及反应条件参数；沉积完成后，用电加热炉将沉积后的衬管熔缩成实心芯棒；以纯石英玻璃为套管制得RIT预制棒；将预制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。

本发明的有益效果在于：1、通过光纤芯层的特殊材料组分设计，采用锗、氟、氯共掺的方式，提高芯层边缘氟和氯的总掺杂浓度，使其高于芯层中心部分的氟、氯掺杂浓度，使得芯层材料高温粘度尽量匹配，可以降低芯层边缘部分与中心部分之间在玻璃粘度方面的差异，从而使预制棒拉丝过程中的光纤芯层残余应力得到降低，使光纤芯层渐变型的折射率分布得到精确控制，芯层折射率剖面与预期形状精确匹配，从而实现光纤带宽性能的提升。2、通过管内沉积法如PCVD和MCVD制备工艺就能较好的实现芯层折射率分布和掺杂剂组分和浓度的精确控制。3、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。

附图说明

图1是本发明一个实施例的折射率剖面示意图。

图2是本发明光纤芯层的一种掺杂组分分布示意图。

图3是本发明光纤芯层的另一种掺杂组分分布示意图。

图4是本发明光纤芯层的第三种掺杂组分分布示意图。

图5是比较例光纤芯层的一种掺杂组分分布示意图。

具体实施方式

本发明包括芯层和围绕芯层的包层，所述的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、下陷包层和外包层，所述的内包层的半径为R2，单边径向宽度为(R2-R1)，相对折射率差为Δ2；所述的下陷包层的半径为R3，单边径向宽度为(R3-R2)，相对折射率差为Δ3；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。所述的芯层为锗氟氯Ge/F/Cl共掺的二氧化硅玻璃层，其中，芯层中锗掺杂量按质量计沿半径方向递减，氟掺杂量按质量计沿半径方向递增或均等，氯掺杂量按质量计沿半径方向递增或均等。

下面给出3个实施例和1个比较例，对本发明作进一步的说明。实施例和比较例光纤的芯层结构参数、芯层掺杂浓度及主要性能参数如表1所示。

实施例1，光纤材料采用PCVD工艺制得，开始沉积芯层时，开启控制四氯化锗气体流量的流量计，通过软件控制四氯化锗流量按照特定分布曲线逐渐增大。同时开启两台分别控制含氟气体及含氯气体流量的流量计，从芯层的边缘至中心逐层沉积的过程中，保持含氯气体流量开度不变，而逐渐减小含氟气体流量开度，并保持含氟气体流量开度线性变化。

实施例2，光纤材料采用PCVD工艺制得，开始沉积芯层时，开启控制四氯化锗气体流量的流量计，通过软件控制四氯化锗流量按照特定分布曲线逐渐增大。同时开启两台分别控制含氟气体及含氯气体流量的流量计，从芯层的边缘至中心逐层沉积的过程中，保持含氟气体流量开度不变，而逐渐减小含氯气体流量开度，通过软件控制含氟气体流量按照掺杂设计的需要而改变。

实施例3，光纤材料采用PCVD工艺制得，开始沉积芯层时，开启控制四氯化锗气体流量的流量计，通过软件控制四氯化锗流量按照特定分布曲线逐渐增大。同时开启两台分别控制含氟气体及含氯气体流量的流量计，从芯层的边缘至中心逐层沉积的过程中，逐渐减小含氟气体流量开度，逐渐减小含氯气体流量开度，通过软件控制气体流量按照掺杂设计的需要而改变。

比较例1，光纤材料采用MCVD工艺制得，开始沉积芯层时，开启控制四氯化锗气体流量的流量计，通过软件控制四氯化锗流量按照特定分布曲线逐渐增大。同时开启两台分别控制含氟气体及含氯气体流量的流量计，从芯层的边缘至中心逐层沉积的过程中，保持含氯气体流量开度不变，保持含氟气体流量开度不变。

表1：光纤的芯层结构参数、芯层掺杂浓度及主要性能参数

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0.9％～1.2％，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-0.05～0.05％；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-0.7～-0.3％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

2.按权利要求1所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述的芯层为锗氟氯Ge/F/Cl共掺的二氧化硅玻璃层，其中，芯层中锗掺杂量按质量计沿半径方向递减，氟掺杂量按质量计沿半径方向递增或均等，氯掺杂量按质量计沿半径方向递增或均等。

3.按权利要求2所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述的氟掺杂量递增时的芯层边缘位掺杂量或均等时的掺杂量C_F2为3000～20000ppm。

4.按权利要求3所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述的氟掺杂量递增时的芯层边缘位氟掺杂量C_F2与芯层中心位氟掺杂量C_F1之比C_F2/C_F1为5～40。

5.按权利要求3所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述的氯掺杂量递增时的芯层边缘位掺杂量或均等时的掺杂量C_Cl2为200～8000ppm。

6.按权利要求5所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述的氯掺杂量递增时的芯层边缘位氯掺杂量C_Cl2与芯层中心位氯掺杂量C_Cl1之比C_Cl2/C_Cl1为1.5～15。

7.按权利要求5所述的高带宽多模光纤，其特征在于所述芯层中C_F2+C_Cl2大于6000ppm。

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。

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。