一种大模场直径弯曲不敏感单模光纤

文档序号:1797772 发布日期:2021-11-05 浏览:1次 >En<

阅读说明:本技术 一种大模场直径弯曲不敏感单模光纤 (Large-mode-field-diameter bending insensitive single-mode fiber ) 是由 雷汉林 王瑞春 顾立新 朱继红 刘善沛 黄利伟 曹蓓蓓 吴俊� 于 2021-10-11 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种大模场直径弯曲不敏感单模光纤,由内而外依次包括:折射率分布呈抛物线型分布的芯层,折射率依次降低的阶跃型第一下陷包层与第二下陷包层、以及纯二氧化硅外包层;所述第一下陷包层与第二下陷包层的厚度之比在0.6至1.8之间。采用了芯层折射率分布呈抛物线型分布并限定了芯层直径和芯层折射率,以保证弯曲不敏感光纤在单模条件下的大模场直径的实现;对于下陷包层采用双包层的剖面结构,通过内包层掺F来降低内包层的折射率,以达到芯包层折射率差异要求保证光纤波导设计要求,并通过双下陷包层的深度与宽度进行优化配比实现更好的宏弯性能;同时能保持稳定优异的弯曲损耗,避免出现弯曲损耗振荡带来的回音壁模式效应。(The invention discloses a large-mode-field-diameter bending insensitive single-mode optical fiber, which sequentially comprises the following components from inside to outside: the core layer with parabolic distribution of refractive index, the stepped first depressed cladding and the second depressed cladding with successively lowered refractive index, and the pure silica outer cladding; the ratio of the thicknesses of the first depressed cladding layer and the second depressed cladding layer is between 0.6 and 1.8. The refractive index distribution of the core layer is in parabolic distribution, and the diameter and the refractive index of the core layer are limited, so that the realization of the large mode field diameter of the bending insensitive optical fiber under the single mode condition is ensured; the depressed cladding adopts a double-cladding section structure, the refractive index of the inner cladding is reduced by doping F in the inner cladding so as to meet the requirement of core cladding refractive index difference to ensure the design requirement of the optical fiber waveguide, and the optimized matching is carried out on the depth and the width of the double depressed cladding so as to realize better macrobending performance; meanwhile, the bending loss can be kept stable and excellent, and the whispering gallery mode effect caused by bending loss oscillation is avoided.)

一种大模场直径弯曲不敏感单模光纤

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域,更具体地,涉及一种大模场直径弯曲不敏感单模光纤。

背景技术

随着光纤到户(FTTH)的大面积普及,在高密度的配线网络的需求下,如何在小空间和弯角处实现光纤的良好操作,并保证光纤在弯曲条件下的传输性能;通过减小光纤的模场直径,可以使得光场能够更紧的束缚在纤芯中,从而得到更低的弯曲损耗。但小模场直径光纤存在严重的非线性效应,影响了功率的进一步提高。再考虑到G.652光纤的典型模场直径与G.657光纤的差异带来的熔接损耗等问题限制了实际工程中的应用。为更好的满足FTTx网络敷设和器件小型化的要求,需要开发具有大模场直径的G.657.A2弯曲不敏感光纤优化G.652光纤与G.657.A2光纤因为模场直径差异带来的熔接损耗偏大的问题,因此需要开发具有大模场直径和弯曲性能的G.657.A2弯曲不敏感单模光纤以保证在小空间中较小弯曲半径光纤网络畅通。

目前已经有一些方法采用芯层抛物线形折射率分布,来提高单模光纤的模场直径,例如专利CN105334570描述了一种采用芯层折射率按分布指数α在1.5~9.0抛物线形分布,专利CN110488411同样也描述了一种采用芯层折射率按分布指数α在2.2~2.5抛物线形分布大模场单模光纤。然而这种抛物线形的芯层折射率设计,极大的影响了光纤的弯曲性能。为了平衡大模场直径的单模光纤的弯曲性能,一方面对模场直径要求进行一定程度的妥协,一般对于G.657.A2光纤在1310nm波长处的模场直径很难达到8.8um以上;另一方采用深掺氟的低折射率下陷包层来降低弯曲损耗。专利CN105334570、专利CN110488411皆是如此。

然而受限于单模光纤的尺寸标准、掺氟工艺和制棒工艺的限制,陷包层的深度和宽度受限。因此目前没有能满足G.657.A2标准的大模场直径的弯曲不敏感光纤。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其目的在于通过芯层折射率剖面和双下陷包层的尺寸优化,实现模场直径在8.8μm以上的弯曲不敏感光纤,满足G.657.A2标准要求,由此解决现有技术采用抛物线型的纤芯剖面弯曲损耗较大,不能满足G.657.A2标准要求的技术问题。

为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其由内而外依次包括:折射率分布呈抛物线型分布的芯层,折射率依次降低的阶跃型第一下陷包层与第二下陷包层、以及纯二氧化硅外包层;所述第一下陷包层与第二下陷包层的厚度之比在0.6至1.8之间。

优选地,所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其所述第一下陷包层的相对折射率差Δn2在-0.15%~-0.05%之间,第一下陷包层直径d2在18~25μm之间。

优选地,所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其所述第二下陷包层的相对折射率差Δn3在-0.35%~-0.25%之间,第二下陷包层直径d3在30~40μm之间。

优选地,所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其所述芯层折射率按α次抛物线形分布,分布指数α为1.5~3.5;最大相对折射率差Δn1在0.30%~0.38%之间;芯层直径d1在6.5~7.5μm之间。

优选地,所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其光纤的芯层折射率抛物线分布关系保持如下:

其中为芯层某点到芯层中心的距离,为该点相对于纯二氧化硅的折射率,为芯层中心的折射率,α为分布幂指数,Δ为芯层相对于纯二氧化硅包层的折射率差。

优选地,所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其所述光纤芯层为掺Ge的二氧化硅玻璃层,锗在芯层的相对折射率贡献量Δn1为0.30%~0.38%,锗掺杂浓度随半径增大而递减获得抛物线分布的折射率。

优选地,所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其满足G.657.A2标准。

优选地,所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其在1310nm处的模场直径为8.8~9.4μm,光缆截止波长小于或等于1260nm,零色散波长1300~1324nm。

优选地,所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其在波长1310nm处的衰耗等于或小于0.324dB/km;光纤在波长1383nm处的衰耗等于或小于0.284dB/km;在波长1550nm处的衰耗等于或小于0.184dB/km;在波长1625nm处的衰耗等于或小于0.204dB/km;

其在R15mm-10圈的1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.03dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.08dB;在R10mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.06 dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.1dB;在R7.5mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.2dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.5dB。

其在1700nm波长处微弯损耗小于等于2dB/km。

优选地,所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其R15mm-10圈的1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.01dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.04dB;在R10mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.03 dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.06dB;在R7.5mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.1dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.2dB。

总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:

1.采用了芯层折射率分布呈抛物线型分布并限定了芯层直径和芯层折射率,以保证弯曲不敏感光纤在单模条件下的大模场直径的实现;

2.对于下陷包层采用双包层的剖面结构,通过内包层掺F来降低内包层的折射率,以达到芯包层折射率差异要求保证光纤波导设计要求,并通过双下陷包层的深度与宽度进行优化配比实现更好的宏弯性能;同时能保持稳定优异的弯曲损耗,避免出现弯曲损耗振荡带来的回音壁模式效应。

3.光纤在符合G.657.A2弯曲不敏感光纤标准同时保持在7.5mm、10mm、15mm弯曲半径下良好的宏弯损耗和较低的衰减水平,实现了大的模场直径,满足接入网复杂的布局环境的要求,兼容G.652光纤。

附图说明

图1是本发明提供的光纤径向剖面结构示意图;

图2是本发明提供的光纤折射率剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明:

从光纤纤芯轴线开始算起,根据对应的折射率变化趋势,定义为最中心靠近轴线的那层为光纤芯层,紧靠光纤芯层的部分定义为第一下陷内包层,紧靠第一下陷内包层的部分定义为第二下陷内包层,光纤的最外层即纯二氧化硅层定义为光纤外包层。

OVD工艺:用外部气相沉积和烧结工艺制备所需厚度及所需折射率剖面的石英玻璃。

PCVD工艺:用等离子化学气相沉积工艺制备所需厚度及所需折射率剖面的石英玻璃。

VAD工艺:用轴向气相沉积和烧结工艺制备所需厚度及所需折射率剖面的石英玻璃。

熔缩工艺:用掺杂石英玻璃棒和掺杂石英衬管进行高温熔缩得到所需厚度及所需折射率剖面的石英玻璃。

预制棒:是由芯层与包层分布符合光纤设计要求可拉制光纤的材料预制件。

光纤各层相对折射率Δni由以下方程式定义,Δni=,其中ni为光纤各位置玻璃的折射率,而nc为外包层折射率,即纯二氧化硅的折射率。

光缆截止波长λcc的测试方法参考IEC 60793-1-44中规定的方法。

宏弯附加损耗测试方法参考IEC60793-1-47中规定的方法。

微弯损耗测试方法参考IEC-62221中的方法B。

本发明提供的大模场直径弯曲不敏感单模光纤,由内而外依次包括:折射率分布呈抛物线型分布的芯层,折射率依次降低的阶跃型第一下陷包层与第二下陷包层、以及纯二氧化硅外包层;所述第一下陷包层与第二下陷包层的厚度之比在0.6至1.8之间。

所述芯层,其折射率按α次抛物线形分布,分布指数α为1.5~3.5;最大相对折射率差Δn1在0.30%~0.38%之间;芯层直径d1在6.5~7.5μm之间;

光纤的芯层折射率抛物线分布关系保持如下:

其中为芯层某点到芯层中心的距离,为该点相对于纯二氧化硅的折射率,为芯层中心的折射率,α为分布幂指数,Δ为芯层相对于纯二氧化硅包层的折射率差。

光纤芯层为掺Ge的二氧化硅玻璃层,锗在芯层的相对折射率贡献量Δn1为0.30%~0.38%,锗掺杂浓度随半径增大而递减获得抛物线分布的折射率。

所述第一下陷包层的相对折射率差Δn2在-0.15%~-0.05%之间,第一下陷包层直径d2在18~25μm之间;

所述第二下陷包层的相对折射率差Δn3在-0.35%~-0.25%之间,第二下陷包层直径d3在30~40μm之间;

所述纯二氧化硅外包层,直径d4在120~140μm之间。

所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤满足G.657.A2标准;

其在1310nm处的模场直径为8.8~9.4μm,光缆截止波长小于或等于1260nm,零色散波长1300~1324nm;

其在波长1310nm处的衰耗等于或小于0.324dB/km;光纤在波长1383nm处的衰耗等于或小于0.284dB/km;在波长1550nm处的衰耗等于或小于0.184dB/km;在波长1625nm处的衰耗等于或小于0.204dB/km;

其在R15mm-10圈的1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.03dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.08dB;在R10mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.06 dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.1dB;在R7.5mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.2dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.5dB。

其在1700nm波长处微弯损耗小于等于2dB/km。优选地,所述大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其R15mm-10圈的1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.01dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.04dB;在R10mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.03 dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.06dB;在R7.5mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.1dB,1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.2dB。

为了降低弯曲损耗,常用的方法是阶跃型加下陷包层结构剖面,这种方法一方面需要掺F实现下陷包层,使得芯包层达到比较大的折射率差异,另一方面保证一定的下陷层的宽度。在这样的方法中下陷层的宽度以及下陷层与包层的折射率差对弯曲损耗、模场直径以及截止波长的影响是单调变化的,即弯曲损耗随着下陷层宽度和折射率差绝对值的增加而逐渐减小;模场直径随着折射率差绝绝对值的增加而减小,随着下陷层宽度在一定范围内的增加而减小。往往很难做到大模场直径和优异宏弯性能的良好平衡。

本发明使用较小直径的芯层,配合分布指数α为1.5~3.5的抛物线折射率分布,在极其有限的芯层直径中实现8.8μm以上的超大模场直径,抑制非线性效应、降低熔接损耗,尽可能的给低折射率下陷包层预留更多的优化空间。而为了弯曲性能不因大模场直径的设计而明显恶化,本发明采用折射率依次降低的阶跃型第一下陷包层与第二下陷包层来弯曲损耗,提高弯曲性能,尤其是优化了第一与第二包层的厚度和折射率差,使得其中任一不至于过窄或过低,具有良好的宏弯性能,能满足G.657.A2标准的前提下。

尤其值得注意的是,本发明配合尺寸和折射率优化的双下陷包层设计,其7.5mm、10mm、15mm弯曲半径下的宏弯损耗能降低50%以上并保持稳定。

本发明光纤采用的制造方法为PCVD/VAD+套衬管熔缩+OVD工艺制备所需光纤预制棒,VAD工艺或PCVD工艺制备芯棒对应光纤芯层和掺F下陷包层,掺杂石英衬管为对应所需的掺F下陷包层,芯棒和掺F衬管高温熔缩成实心棒进行OVD工艺外包处理;OVD制备的预制棒即可拉丝得到满足G.657.A2光纤标准的大模场直径弯曲不敏感单模光纤。

以下为实施例:

光纤从内至外依次包括芯层、第一下陷包层、第二下陷包层、外包层、涂覆层,折射率和几何分布如图2:芯层掺Ge的二氧化硅玻璃层,直径为d1,相对折射率差Δn1;第一下陷包层内直径为d2,相对折射率差Δn2;第二下陷内包层直径为d3,相对折射率差Δn3;所述第一下陷包层与第二下陷包层的厚度之比即下陷包层厚度比值,外包层直径为d4。

按照上述G657A2光纤标准的大模场直径弯曲不敏感单模光纤的技术方案,实施的光纤折射率剖面结构的主要参数如表1所示:

表1实施例的光纤剖面和几何参数

光纤主要性能参数如表2所示。

表2实施例的光纤主要性能参数

对比例

以公开号为CN105334570A记载的低衰减弯曲不敏感单模光纤为对比,测定弯曲损耗性能参数,结果如表3所示:

表3 对比例弯曲损耗性能参数

实验显示:不同的深度和宽度的掺氟下陷包层光纤在特定弯曲半径下的弯曲损耗存在明显差异,当纤维弯曲直径增大时,在特定直径处宏观弯曲损耗波动,长波长处的振荡现象比某些直径处的短波长处的振荡现象更为明显。

经过对下陷包层厚度比值以及掺氟深度的对比,在专利实例中对下陷包层掺氟深度和宽度进行优化后,各个弯曲半径下的弯曲损耗有了明显的改善,并能保持稳定。7.5mm、10mm、15mm弯曲半径下的宏弯损耗能降低50%以上并保持稳定。

通过对比例和实验中对掺氟深度以及下陷包层厚度比值实例宏弯数据,当掺氟深度过浅过窄时,会引起小弯曲半径下的弯曲损耗增大,但过深过宽的掺氟下陷包层导致大弯曲半径下的弯曲损耗振荡。通过对双下陷包层掺氟深度和厚度的优化配比,能稳定降低不同弯曲半径下的宏弯损耗,从而能很好满足G.657.A2标准。

本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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