CN107608023A - 一种阶跃型超低衰减少模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阶跃型超低衰减少模光纤，包括有芯层和包层，芯层半径r1为5～8μm，相对折射率差Δn1为0～0.20％，芯层外从内向外依次包覆内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，内包层半径r2为8.5～14μm，相对折射率差Δn2为‑0.45～‑0.23％，下陷内包层半径r3为14.5～30μm，相对折射率差Δn3为‑0.65～‑0.40％，辅助外包层半径r4为35～50μm，相对折射率差Δn4为‑0.45～‑0.23％，外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明的少模光纤在1550nm通讯波段支持两个稳定传输模式均具有超低的衰减，通过对光纤各纤芯层剖面的合理设计，使光纤具有较低的差分模群时延和优异的抗弯曲性能，且具较大有效面积。

Description

一种阶跃型超低衰减少模光纤

技术领域

本发明涉及一种阶跃型超低衰减少模光纤，适用于光纤通信的模分复用传输系统，其在1550nm通讯波段支持两个稳定传输模式。

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。在波动光学中，根据阶跃型光纤的模式理论，芯层和包层的半径尺寸以及折射率分布大小直接影响光纤中的线偏振模传输模式数目，此特性可以用归一化频率V来量化：其中a₁是芯层半径，n₁是芯层折射率，n₂是包层折射率。当光纤波导设计满足归一化频率V＜2.405的条件时，仅支持线偏振模LP01(也即HE11模)，就是我们经常提到的常规单模光纤；一旦V＞2.405光纤中传输模式会出现不止一个的高阶传输模HOM。因为我们通过对剖面结构进行设计(即改变a1,△1，△2等的值)从而适当控制归一化频率的值在一定范围，可以设计出支持指定数目个模式传输的少模光纤。如，当2.405＜V＜3.8，支持2个LP模式(LP01，LP11)；3.8＜V＜5.1，则支持4个LP模式(LP01，LP11,LP21，LP02)。

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。

对于石英光纤，在600nm-1600nm的衰减主要来自于瑞利散射，由瑞利散射所引起的衰减α_R可由下式计算：

式中，λ为波长(μm)，R为瑞利散射系数(dB/km/μm⁴)；P为光强；当瑞利散射系数确认时，B为相对应的常数。因而只要确定了瑞利散射系数R就可得到因瑞利散射所引起的衰减α_R(dB/km)。瑞利散射一方面是由于密度波动引起的，另一方面是由于浓度波动引起的。因而瑞利散射系数R可表示为：

R＝R_d+R_c

上式中，R_d和R_c分别表示由于密度波动和浓度波动所引起的瑞利散射系数变化。其中R_c为浓度波动因子，其主要受到光纤玻璃部分掺杂浓度的影响，理论上采用越少的Ge和F或者其他掺杂，R_c越小，这也是采用纯硅芯设计，实现超低衰减性能的原因。

但是需要注意到，瑞利散射系数中还包括另外一个参数R_d。R_d与玻璃的假想温度T_F相关，且伴随玻璃的结构变化和温度变化而变化。玻璃的假想温度T_F是表征玻璃结构一个物理参数，定义为从某温度T‘将玻璃迅速冷却到室温玻璃的结构不再调整而达到某平衡状态对应的温度。当T’>T_f(玻璃的软化温度)，由于玻璃的粘度较小，玻璃结构易于调整，因而每一瞬间玻璃均处于平衡状态，故T_F＝T’；当T’<T_g(玻璃的转变温度)，由于玻璃的粘度较大，玻璃结构难于调整，玻璃的结构调整滞后于温度变化，故T_F>T’；当T_g<T’<T_f(玻璃的软化温度)，玻璃趋向于平衡所需要的时间较短一些，具体与玻璃的组分和冷却速度有关，故T_F>T’或T_F<T’。

虚拟温度除了与光纤制备过程的热历史有关系外，光纤玻璃材料的组分对虚拟温度有着明显和直接的影响。具体而言，材料组分对光纤玻璃材料的粘度，热膨胀系数，冷却过程的弛豫时间的影响，直接决定着光纤的虚拟温度。需要注意的是，因为超低衰减光纤玻璃部分一般分为几个部分，如典型的芯层，内包层和外包层，或更复杂的结构。所以对多个部分之间材料的组分差异需要进行合理的匹配：第一保证光纤的光学波导，第二保证玻璃在拉丝应力作用下被拉丝成光纤后，各层之间没有明显的缺陷，造成光纤衰减异常。

如上所述，从光纤制备工艺来讲，降低光纤衰减系数有三种方法：第一种是尽量减少芯层部分的掺杂，降低光纤瑞利散射的浓度因子。第二种是降低拉丝速度，增加光纤退火过程，保证光纤预制棒在拉丝成光纤的过程中，缓慢降低温度，从而降低光纤的虚拟温度，降低衰减。但是这种方法显著提高光纤制造成本，且缓慢退火过程对光纤衰减的贡献也很大程度上受到光纤玻璃材料组分和预制棒制备热历史制约，所以使用这种方法降低衰减的效果有限。第三种是合理设计光纤内部的材料组分匹配，即在少掺杂的基础上，需对光纤芯层，内包层以及其他位置的玻璃材料进行合理的配比不仅保证在拉丝过程中，光纤各个位置有合理的光学剖面匹配，也要保证光纤各个位置有合理的粘度，热膨胀，应力匹配。目前在制造超低衰减光纤时，更多的是将注意力放在第一种和三种方法上。

目前业内使用第三种方法制造超低衰减光纤时，一种主要的方法是使用纯硅芯设计。纯硅芯设计是指芯层中没有进行锗或者氟的掺杂。如上所述，没有锗氟掺杂可以有效的降低光纤的浓度因子，有利于降低光纤瑞利系数。但是使用纯硅芯设计也给光纤的光学波导设计以及材料剖面设计带来很多挑战。在使用纯硅芯设计时，为了保证光纤的全反射，必须使用相对较低折射率的F掺杂内包层进行匹配，以保证芯层和内包层之间保持足够的折射率差异。但这种情况下，纯硅芯的芯层如果没有进行合理的材料设计，其粘度将相对较高，而同时大量F掺杂的内包层部分粘度较低，造成光纤结构粘度匹配失衡，从而使纯硅芯结构的光纤虚拟温度迅速增加，造成光纤的R_d增加。这样就不仅抵消掉R_c降低带来的好处，更可能造成光纤衰减反向异常。

从以上说明我们可以理解，为什么从理论上，不能单纯利用降低芯层掺杂获得超低衰减系数。为了解决这种问题，文献US20100195966A1中采用在芯层中添加碱金属的方法，在保持光纤芯层纯硅芯的情况下，通过改变光纤芯层部分的粘度以及芯层结构弛豫的时间，来解决粘度失配造成的R_d增加，从而整体降低光纤的瑞利散射系数。但是该种方法虽然可以有效的降低光纤衰减，但相对工艺制备复杂，需要分多批次对芯棒进行处理，且对碱金属掺杂浓度控制要求极高，不利于光纤大规模制备。

文献CN201310394404提出一种超低衰减光纤的设计，其使用了纯二氧化硅的外包层设计，但因为其使用的是典型的阶跃剖面结构，没有使用下陷内包层设计优化光纤的弯曲，且其芯层没有使用Ge进行掺杂，所以可能造成预制棒制备时出现粘度失配，可以发现其衰减和弯曲水平，相对较差。

文献CN201510359450.4提出了一种非纯硅芯的超低衰减光纤剖面和材料设计。其利用芯层少量的锗氟共掺匹配内包层的氟掺杂玻璃，优化了材料的组分设计，一定程度上降低了光纤的瑞利散射系数；利用相对较低的下陷内包层和辅助内包层材料，实现了光纤的单模传输；利用了芯层同光纤各个部分之间的粘度和热应力，膨胀系数的差异，实现了较低的密度波动，减少了界面之间的缺陷。需要注意的是，该设计的外包层材料中含有一定量的金属离子，从而整体提高了外包层的粘度，降低了外包层材料的折射率，这一定程度上有助于实现材料粘度和应力的匹配设计，但也增加了光纤整体材料的密度波动系数。我们注意到该设计的衰减水平均大于0.162dB/km，如不能解决芯层的锗氟共掺杂引起的浓度因子增加以及继续降低芯层的粘度；并解决外包层较高粘度同辅助内包层粘度的失配，该方案很难继续降低光纤的衰减。

发明内容

以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：

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；

ppm：百万分之一的重量比；

从光纤纤芯中轴线开始算起，根据折射率的变化，定义为最靠近轴线的那层为光纤的芯层，光纤的最外层定义为光纤外包层。

相对折射率Δn_i：

光纤各层相对折射率Δn_i由以下方程式定义，

其中n_i为光纤某特定位置的绝对折射率，而n_c为纯二氧化硅的绝对折射率。

光纤芯层Ge掺杂的相对折射率贡献量ΔGe由以下方程式定义，

其中n_Ge为假设纤芯的Ge掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅中，引起二氧化硅玻璃折射率升高而得到的绝对折射率，而n_c为最外包层折射率，即没有进行Ge或F掺杂的纯二氧化硅的绝对折射率。

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。

本发明所要解决的技术问题在于在针对上述现有技术存在的不足提供一种适用于模分复用技术的阶跃型超低衰减少模光纤，在1550nm处能稳定传输2个线偏振模式，既具有较小的DGD，还具有超低的衰减和较大的有效面积，且制作工艺简便。

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，其特征在于所述的芯层半径r1为5～8μm，相对折射率差Δn1为0～0.20％，芯层外从内向外依次包覆内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2为8.5～14μm，相对折射率差Δn2为-0.45～-0.23％，所述的下陷内包层半径r3为14.5～30μm，相对折射率差Δn3为-0.65～-0.40％，所述的辅助外包层半径r4为35～50μm，相对折射率差Δn4为-0.45～-0.23％，所述的外包层半径r5为62～63μm，外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的芯层为锗氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，或锗与碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，其中锗的掺杂贡献量为0.04％～0.08％，碱金属的掺杂量按重量计为5～3000ppm。

按上述方案，所述芯层中掺入碱金属的元素为锂、钠、钾、铷、钫中的一种或几种。

按上述方案，所述的下陷内包层为氟掺杂二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的内包层相对折射率差Δn2大于辅助外包层相对折射率差Δn4，辅助外包层相对折射率差Δn4大于下陷包层相对折射率差Δn3，即Δn2>Δn4>Δn3。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长处支持两个稳定的传输模式，分别是LP01和LP11。

按上述方案，所述光纤的两个模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.160dB/km，优选条件下小于或等于0.158dB/km。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的DGD(差分模群时延)的绝对值的最大值小于或等于4ps/m，优选条件下小于或等于3ps/m。

按上述方案，所述的LP01传输模式在1550nm波长处光纤的有效面积为120～170μm²；在1550nm波长处的色散值小于或等于22ps/(nm*km)；所述的LP11传输模式在1550nm波长处光纤的有效面积为150～210μm²；在1550nm波长处的色散值小于或等于24ps/(nm*km)。

按上述方案，所述光纤外涂覆树脂涂料层，包括有内涂覆层和外涂覆层，所述的内涂覆层外径为150～220μm，内涂覆层的杨氏模量为0.2～0.5MPa，外涂覆层外径等于或大于230μm。

按上述方案，所述光纤在1700nm波长处的微弯损耗小于或等于4dB/km，优选条件下，小于或等于2dB/km。

本发明的有益效果在于：1、本发明制备的少模光纤的两个模式均具有超低的衰减，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多个方面的因素：第一、特有的粘度匹配设计：芯层为非纯硅芯，具有锗和氟共掺的特点，通过控制掺杂浓度从而优化芯层粘度匹配；优化光纤各个部分粘度和光纤应力，实现少模光纤的超低衰减性能；第二、芯层进行碱金属掺杂工艺设计，有效降低芯层虚拟温度；第三、合理设计芯层和内包层材料，降低芯层和内包层玻璃材料在光纤制备过程中结构弛豫时间失配，减少界面缺陷；第四、在芯层和外包层中间位置，通过下陷外包层设计，抑制基模截止问题，改善光纤波导传输条件；第五、使用纯二氧化硅外包层结构承担光纤拉丝张力，减少因应力引起的界面位置缺陷；2、通过对光纤各纤芯层剖面的合理设计，以及下陷包层的设置，不仅使光纤具有较低的差分模群时延(DGD)，而且具备优异的抗弯曲性能；3、所制备的光纤具有等于或大于120μm²的有效面积，此相对于单模光纤较大的有效面积有助于降低光纤非线性效应。4、本发明的光纤可以适用于弱耦合模分复用系统，在增加传输容量的同时，不会大幅度增加系统输出端的复杂度。

附图说明

图1为本发明一个实施例的折射率剖面示意图。

图2为本发明制备的少模光纤的模式分布图。

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。

本发明的少模光纤包括有芯层和包层，所述的芯层半径为r1，相对折射率差为Δn1，芯层外从内向外依次包覆内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径为r2，相对折射率差为Δn2，所述的下陷内包层半径为r3，相对折射率差为Δn3，所述的辅助外包层半径为r4，相对折射率差为Δn4，所述的外包层半径r5为62.5μm，外包层为纯二氧化硅玻璃层。

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波长处支持两个稳定的传输模式，分别是LP01和LP11。两个模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.160dB/km，优选条件下小于或等于0.158dB/km。该少模光纤在1550nm处的DGD的绝对值的最大值小于或等于4ps/m，优选条件下小于或等于3ps/m。其中，LP01模式在1550nm波长处的有效面积大于120μm²；在1550nm处的色散值小于22ps/(nm*km)。

表1、本发明实施例的少模光纤剖面参数

表2、本发明实施例少模光纤的主要性能参数

Claims (10)

1.一种阶跃型超低衰减少模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层半径r1为5～8μm，相对折射率差Δn1为0～0.20％，芯层外从内向外依次包覆内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2为8.5～14μm，相对折射率差Δn2为-0.45～-0.23％，所述的下陷内包层半径r3为14.5～30μm，相对折射率差Δn3为-0.65～-0.40％，所述的辅助外包层半径r4为35～50μm，相对折射率差Δn4为-0.45～-0.23％，所述的外包层半径r5为62～63μm，外包层为纯二氧化硅玻璃层。

2.按权利要求1所述的阶跃型超低衰减少模光纤，其特征在于所述的芯层为锗氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，或锗与碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，其中锗的掺杂贡献量为0.04％～0.08％，碱金属的掺杂量按重量计为5～3000ppm。

3.按权利要求3所述的阶跃型超低衰减少模光纤，其特征在于所述芯层中掺入碱金属的元素为锂、钠、钾、铷、钫中的一种或几种。

4.按权利要求1或2所述的阶跃型超低衰减少模光纤，其特征在于所述的下陷内包层为氟掺杂二氧化硅玻璃层。

5.按权利要求1或2所述的阶跃型超低衰减少模光纤，其特征在于所述的内包层相对折射率差Δn2大于辅助外包层相对折射率差Δn4，辅助外包层相对折射率差Δn4大于下陷包层相对折射率差Δn3，即Δn2>Δn4>Δn3。

6.按权利要求1或2所述的阶跃型超低衰减少模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处支持两个稳定的传输模式，分别是LP01和LP11。

7.按权利要求6所述的阶跃型超低衰减少模光纤，其特征在于所述光纤的两个传输模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.160dB/km。

8.按权利要求1或2所述的阶跃型超低衰减少模光纤，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4ps/m。

9.按权利要求6所述的阶跃型超低衰减少模光纤，其特征在于所述的LP01传输模式在1550nm波长处光纤的有效面积为120～170μm²，在1550nm波长处的色散值小于或等于22ps/(nm*km)；所述的LP11传输模式在1550nm波长处光纤的有效面积为150～210μm²，在1550nm波长处的色散值小于或等于24ps/(nm*km)。

10.按权利要求1或2所述的阶跃型超低衰减少模光纤，其特征在于所述光纤在1700nm波长处的微弯损耗小于或等于4dB/km。