一种色散优化弯曲不敏感光纤
阅读说明：本技术 一种色散优化弯曲不敏感光纤 (Dispersion optimization bending insensitive optical 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 2021-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种色散优化弯曲不敏感光纤,其在芯层和下陷包层之间,设有过渡下陷包层,所述过渡下陷包层的相对折射率差由内而外从0%连续变化至下陷包层的交界点的相对折射率差。本发明采用双下陷包层对波导色散和宏弯性能进行平衡优化,保证光纤的弯曲性能不受影响的前提下降低其色散系数；其中处于芯层和下陷包层之间的过渡下陷包层,其折射率连续变化,来降低波导结构中芯层与包层的折射率差异带来的波导色散,限定过渡下陷包层的折射率分布和宽度,优化了色散系数,避免了凸起包层带来的在小弯曲半径下的弯曲损耗过大的问题。(The invention discloses a dispersion optimized bend insensitive fiber, which is provided with a transitional depressed cladding between a core layer and a depressed cladding, wherein the relative refractive index difference of the transitional depressed cladding is continuously changed from 0 percent from inside to outside to the relative refractive index difference of a junction point of the depressed cladding. The invention adopts double sunken claddings to carry out balanced optimization on waveguide dispersion and macrobending performance, and the dispersion coefficient is reduced on the premise of ensuring that the bending performance of the optical fiber is not influenced; the refractive index of the transitional depressed cladding layer between the core layer and the depressed cladding layer is continuously changed, so that the waveguide dispersion caused by the refractive index difference between the core layer and the cladding layer in the waveguide structure is reduced, the refractive index distribution and the width of the transitional depressed cladding layer are limited, the dispersion coefficient is optimized, and the problem of overlarge bending loss under a small bending radius caused by a raised cladding layer is solved.)
技术领域
本发明属于光纤通信领域，更具体地，涉及一种色散优化弯曲不敏感光纤。
背景技术
色散是光纤重要的传输特性。色散是由于光波中不同频率或模式分量以不同速度传输而产生不同的时间延迟的一种物理效应。随着光纤传输距离的不断增加，色散造成的光脉冲的展宽致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰，造成误码率增加。单模光纤中主要存在的色散为材料色散与波导色散两种，材料色散是由材料的群折射率随波长变化导致的信号脉冲展宽而引起的色散特性。波导色散是光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，色散限制了光纤的带宽与距离乘积值，也限制了光纤通信系统的中继距离。色散越大，光纤中的带宽和距离乘积越小，在传输距离一定时，带宽就越小，带宽的大小决定传输信息容量的大小。
G657光纤由于其优异的弯曲不敏感性能在高密度的配线网络中得到了大量应用，改善G657A2弯曲不敏感单模光纤的色散性能以满足光纤通信系统的高速率、大容量、长距离传输的需求具有重要的意义。
弯曲不敏感光纤一般会具有下陷包层，优化弯曲不敏感光纤的色散性能优化的弯曲不敏感单模光纤专利文献CN110780379B、CN110749953A、CN103257397B、CN102200610B采用下陷包层的同时还设置了凸起包层，但从实例数据中看这样的色散优化的单模光纤凸起包层的设计难以满足G.657.A2、G.657.B3在小弯曲半径下的弯曲损耗要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种色散优化弯曲不敏感光纤，其目的在于，通过折射率渐变的过渡下陷包层，在满足单模光纤弯曲不敏感性能要求的同时，优化光纤的色散性能，由此解决现有的色散优化单模光纤具有凸起包层，难以满足小弯曲半径改下的弯曲损耗性能要求的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种色散优化弯曲不敏感光纤，其包括芯层和下陷包层，在芯层和下陷包层之间，设有过渡下陷包层，所述过渡下陷包层的相对折射率差由内而外从0%连续变化至下陷包层的交界点的相对折射率差。
优选地，所述色散优化弯曲不敏感光纤，其过渡下陷包层的相对折射率差变化曲线为次抛物线形分布。
优选地，所述色散优化弯曲不敏感光纤，其过渡下陷包层的相对折射率差变化曲线可表示为：
其中为过渡下陷包层内某点到芯包层边界距离，为该点的相对折射率差，为分布指数，优选在0.25至5之间，更优选在2至4.25之间，为芯层相对纯二氧化硅的折射率即其相对折射率差，为下陷包层相对纯二氧化硅的折射率，为过渡下陷包层宽度。
优选地，所述色散优化弯曲不敏感光纤，其过渡下陷包层宽度与芯层半径 1之比取值在1.2~2.0之间。
优选地，所述色散优化弯曲不敏感光纤，其下陷包层的掺氟体积和过渡下陷包层掺氟体积之比取值在5~20之间；所述过渡下陷包层掺氟体积和下陷包层的掺氟体积的计算方式如下：
为过渡下陷包层掺氟体积，为下陷包层掺氟体积，过渡下陷包层宽度，为下陷包层宽度。
优选地，所述色散优化弯曲不敏感光纤，其过渡下陷包层宽度和下陷包层宽度满足以下条件：取值在1.3~1.9之间。
优选地，所述色散优化弯曲不敏感光纤，其过渡下陷包层宽度为4.5~8.0μm。
优选地，所述色散优化弯曲不敏感光纤，其下陷包层最大相对折射率为 -0.55％~-0.20％，折射率凹陷优选为直线形、弧形、或半圆形。
优选地，所述色散优化弯曲不敏感光纤，其芯层的半径 1为3.0~4.0μm，其相对折射率差为 0.30％~0.40％。
优选地，所述色散优化弯曲不敏感光纤，其光纤玻璃部分由内而外依次包括芯层、过渡下陷包层、下陷包层，剩余为纯二氧化硅玻璃层。
优选地，所述色散优化弯曲不敏感光纤，其满足G657A2标准；所述芯层，其半径 1为3.0~4.0μm，其相对折射率差为 0.30％~0.40％；所述过渡下陷包层，其宽度为4.5~8.0μm，其相对折射率差满足次抛物线形分布，分布指数在2~4之间；所述下陷包层，其宽度为5.0~9.0μm，其相对折射率差为-0.35％~-0.20％；或
满足G657B3标准，所述芯层，其半径 1为3.2~3.8μm，其相对折射率差为0.35％~0.40％；所述过渡下陷包层，其宽度为4.5~7.0μm，其相对折射率差满足次抛物线形分布，分布指数在2~5之间；所述下陷包层，其宽度为5.0~8.0μm，其相对折射率差为-0.55％~-0.40％。
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：
本发明采用双下陷包层对波导色散和宏弯性能进行平衡优化，保证光纤的弯曲性能不受影响的前提下降低其色散系数；其中处于芯层和下陷包层之间的过渡下陷包层，其折射率连续变化，优选采用折射率服从α次分布过渡下陷包层，来降低波导结构中芯层与包层的折射率差异带来的波导色散，限定过渡下陷包层的折射率分布和宽度，优化了色散系数，避免了凸起包层带来的在小弯曲半径下的弯曲损耗过大的问题。
优选方案，采用下陷包层，并同时对过渡下陷包层与最终下陷包层掺氟体积配比进行优化配比以实现低色散系数和优异弯曲性能的友好结合，从而满足G.657.A2、G.657.B3在小弯曲半径下的弯曲损耗要求。本发明优选方案的光纤在符合G.657.A2、G.657.B3标准同时保持良好的宏弯损耗和较低的色散系数，且制备工艺简单适于大规模生产，能满足光纤通信系统的高速率、大容量、长距离传输的需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的具有直线形下陷包层的色散优化弯曲不敏感光纤剖面结构示意图；
图2是本发明实施例提供的具有弧形下陷包层的色散优化弯曲不敏感光纤剖面结构示意图；
图3是本发明实施例提供的具有半圆形下陷包层的色散优化弯曲不敏感光纤剖面结构示意图。
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：
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。
本发明提供的色散优化弯曲不敏感光纤，所述光纤玻璃部分由内而外依次包括芯层、过渡下陷包层、下陷包层，剩余为纯二氧化硅玻璃层；其在芯层和下陷包层之间，设有过渡下陷包层，所述过渡下陷包层的相对折射率差由内而外从0%连续变化，优选连续单调变化至下陷包层的交界点的相对折射率差。
所述芯层半径r1为3.0~4.0μm，相对折射率差Δn1为0.32％~0.39％，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0.32％~0.39％。
所述过渡下陷包层的相对折射率差变化曲线为次抛物线形分布；优选可表示为：
其中为过渡下陷包层内某点到芯包层边界距离，为分布指数，在0.25至5之间，优选在1.0至4.5之间，更优选在2至4.25之间，为芯层相对纯二氧化硅的折射率即其相对折射率差，为最终下陷包层相对纯二氧化硅的折射率即其相对折射率差，为过渡下陷包层宽度。过渡下陷包层的最大相对折射率差为-0.15%~-0.04%，过渡下陷包层宽度为4.5~8.0μm。
所述下陷包层最大相对折射率差为 -0.35％~-0.20％，该区域的折射率保持连续变化形成凹陷，折射率凹陷可以是直线形、弧形、或半圆形。下陷包层宽度为5.0~10.0μm。
所述过渡下陷包层宽度与芯层半径之比取值在1.2~2.0之间。所述过渡下陷包层宽度和下陷包层宽度满足以下条件：取值在1.3~1.9之间。
所述下陷包层的掺氟体积和过渡下陷包层掺氟体积之比取值在5~20之间；所述过渡下陷包层掺氟体积和下陷包层的掺氟体积的计算方式如下：
为过渡下陷包层掺氟体积，为下陷包层掺氟体积。
单模光纤色散是光纤的材料色散和波导色散的代数总和；单模光纤的模间色散为零；材料色散仅与材料成分有关，而波导色散取决于纤芯半径、折射率差以及折射率剖面的形状。光纤色散优化常见凸起包层，然而凸起包层的存在严重影响光纤的宏弯性能。本发明取消凸起包层，采用过渡下陷包层和下陷包层的双下陷包层设计对波导色散和宏弯性能进行平衡优化，采用α次分布过渡下陷包层来降低波导结构中芯层与包层的折射率差异带来的波导色散，限定过渡下陷包层的折射率分布和宽度，使得芯层与下陷包层折射率差值过大带来的色散系数增大情况在过渡下陷包层的作用下得到明显改观。
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、掺F过渡下陷包层，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制备的预制棒匹配涂覆器即可拉丝得到色散优化的弯曲不敏感单模光纤。
以下为实施例：
实施例中：
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；
实施例1-1~10 G657A2标准光纤
G657A2标准光纤所采用的几何尺寸及折射率参数如下表所示；
过渡下陷包层的相对折射率差变化曲线可表示为：
其中为过渡下陷包层内某点到芯包层边界距离，为分布指数，为芯层相对纯二氧化硅的折射率即其相对折射率差，为下陷包层相对纯二氧化硅的折射率即其相对折射率差，为过渡下陷包层宽度。
经测试，实施例1-1~10提供的G657A2标准光纤在波长1310nm处的衰耗小于等于0.330dB/km；在波长1383nm处的衰耗小于等于0.284 dB/km；在波长1550nm处的衰耗小于等于0.190dB/km；在波长1625nm处的衰耗小于等于0.210dB/km；
其在1310nm处的模场直径为8.4~9.0μm，光缆截止波长小于或等于1260nm；
其光纤零色散波长1300~1324nm，光纤在零色散波长的色散斜率等于或小于0.087ps/nm2·km；
其在波长1550nm处的色散系数等于或小于17ps/nm/km。
其在波长1625nm处的色散系数等于或小于21.2 ps/nm/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0.1dB；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1dB/km。
具体测试结果如下表所示：
实施例2-1~10 G657B3标准光纤
G657B3标准光纤所采用的几何尺寸及折射率参数如下表所示；
过渡下陷包层的折射率变化曲线可表示为：
其中为过渡下陷包层内某点到芯包层边界距离，为分布指数，为芯层相对纯二氧化硅的折射率，为下陷包层相对纯二氧化硅的折射率，为过渡下陷包层宽度。
经测试，实施例2-1~10提供的G657B3标准光纤在波长1310nm处的衰耗小于等于0.330dB/km；在波长1383nm处的衰耗小于等于0.284 dB/km；在波长1550nm处的衰耗小于等于0.190dB/km；在波长1625nm处的衰耗小于等于0.210dB/km；
其在1310nm处的模场直径≥8.4μm，光缆截止波长小于或等于1260nm；
其光纤零色散波长1300~1324nm，光纤在零色散波长的色散斜率等于或小于0.088ps/nm2·km；
其在波长1550nm处的色散系数等于或小于17ps/nm/km。
其在波长1625nm处的色散系数等于或小于21.4 ps/nm/km。
其在R10mm-1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0.1dB；在R7.5mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于或等于0.08 dB，1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.25db；在R5.0mm-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0.3db。
具体测试结果如下表所示：
上述实施例中：下陷包层为直线型的光纤，典型折射率剖面如图1所示，本实施例中仅以折射率均匀的下陷包层为例；下陷包层为弧线型的光纤，典型折射率剖面如图2所示；下线包层为半圆形的，典型折射率剖面如图3所示。
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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