一种用于模分复用系统的超低衰减少模光纤的制作方法

本发明涉及一种适用于模分复用光纤通信系统的超低衰减少模光纤，属于光纤通信技术领域。

背景技术：

近年来大数据、固定互联网、移动互联网、“互联网+”等带来了数据ip流量和带宽的指数级增长，网络带宽快速扩张。据ciscovni预测，到2020年全球ip流量将会达到194eb/月。截止到2016年年底，光纤宽带接入占比已达76.6％。作为光通信重要载体的光纤如何满足大容量传输的需求？基于波分复用系统和edfa放大技术，传统单模光纤的传输容量正逐步接近单根单模光纤100tb/s的香农极限。从物理角度来讲，光信号可以进行五个方面的维度的复用，分别是时间、偏振、频率、正交及空间。目前光通信技术中，高速信号正在采用多种复用技术，如时分复用、波分复用、偏振复用、正交振幅复用技术，近年来，基于空间维度上的复用技术，如空分复用和模分复用技术成为了光通信领域扩展传输容量的研究热点，而支持此项复用技术的就是多芯光纤、少模光纤、多芯少模光纤。

空分复用和模分复用技术可以打破传统的香农极限，是下一代支持实现更高带宽的传输和解决传输容量问题的最好方法，被视为继波分复用wdm技术后第二次技术革命。实验表明，使用少模光纤结合多输入输出(mimo)技术能够在两个和/或两个以上的空间传播模式下同时传输信号。并且mimo技术能够补偿模式间的相互耦合，经过复用和解复用后，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)。

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。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；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+αir+αim+αoh+αuv+b(1)

其中r为瑞利散射系数,αir,αim,αoh,αuv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。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。

超低衰减系列单模光纤已充分展示了其具有超低衰减的优势，要充分利用少模光纤中的每个传输模式进行信号传输，就必须保证每个模式都具有较低衰减。对于少模光纤，则可认为光纤中的每一个传输模式的衰减系数都遵循上述公式(1)。

文献[davidboivinetal.weakly-coupledfew-modefibersforsingle-modeandmode-division-multiplexedtransmissions.ofc2013,oth3k.6(2013)]介绍了一种阶跃2模光纤，衰减达到0.182db/km；文献[fatihyamanetal.firstquasi-single-modetransmissionovertransoceanicdistanceusingfew-modefibers.ofc2015,pdpth5c.7(2015)]也提出一种2模光纤，lp01模式衰减仅为0.157db/km.而这两种低衰减少模光纤均只支持2个模式。

对于大容量传输，希望开发一种既能支持两个以上的多个稳定传输模式，又具有超低衰减系数的少模光纤，充分利用每个超低衰减的模式进行信息传输，在扩大传输信息量方面，与常规超低衰减单模光纤相比具有不可比拟的优势。

技术实现要素：

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：ni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)石英玻璃相对于纯二氧化硅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)石英玻璃相对于纯二氧化硅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。

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于模分复用系统的超低衰减少模光纤，它不仅结构设置合理，具有超低衰减系数及较小的dgd(差分模群时延)，而且工艺简单便于制作。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括芯层和包层，其特征在于所述芯层的相对折射率差δ1为0.02％～0.04％，半径r1为8.2～10μm；所述的包层由内向外依次包括第一内包层、下陷内包层、第二内包层和外包层，所述的第一内包层为紧密包绕芯层的内包层，相对折射率差δ2为-0.36％～-0.33％，半径r2为11μm～15μm，所述的下陷内包层紧密包绕第一内包层，其相对折射率差δ3为-0.85％～-0.6％，半径r3为16.5μm～22μm，所述的第二内包层紧密包绕下陷包层，其相对折射率差δ4为-0.37％～-0.34％，半径r4为19μm～35μm，所述的外包层紧密围绕第二内包层，为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的芯层为锗(ge)氟(f)共掺的二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长支持4个稳定的lp传输模式，分别为lp01，lp11，lp21，lp02。

按上述方案，所述光纤支持的四个模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.170db/km，优选条件下小于或等于0.165db/km。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长处各个模式的dgd绝对值的最大值小于或等于5ps/m，优选条件下小于或等于4ps/m。

按上述方案，所述光纤的lp01模式的有效面积为100～180μm²，优选条件下为120～180μm²。

按上述方案，所述光纤的lp01模式在1550nm波长处的色散值小于或等于22ps/nm*km。

本发明的有益效果在于：1、合理设置芯包层结构，减少芯层掺杂，并使光纤内部的粘度匹配趋于合理，减少了光纤制备过程中缺陷，以及拉丝后光纤内部的残余应力，从而达到光纤的超低衰减。2、本发明光纤在1550nm通信窗口支持四个线偏振光传输模式，四个模式均具有超低的衰减，可以在传输中充分利用每个模式进行传输，能够用于较长距离的大容量传输，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。3、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，而且具有等于或大于100μm²的有效面积，在较佳参数范围下，可以达到等于或大于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、制备工艺简单，最外层的外包层结构采用了纯二氧化硅的设计，降低了氟掺杂玻璃在光纤中的比重，从而降低了光纤制造成本。

附图说明

图1为本发明一个实施例的径向截面示意图。图中10对应光纤的芯层，20对应光纤的第一内包层，30对应光纤的下陷内包层，40对应光纤的第二内包层，50对应光纤的外包层。

图2为本发明的超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芯层和四层包层，如图1所示。芯层10由掺氟(f)和锗(ge)的石英玻璃的石英玻璃组成，由pcvd工艺制备；围绕在芯层外有四个包层。第一内包层20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；下陷内包层30紧密围绕第一内包层，由掺氟(f)的石英玻璃组成，其相对折射率差δ3小于其它各个内包层；第二内包层40紧密围绕下陷内包层，由pcvd工艺制备的氟(f)和锗(ge)共掺的石英玻璃组成，其折射率δ4低于第一内包层δ2；外包层50为紧密围绕第二内包层的最外包层。该包层为纯石英玻璃层，即相对折射率差为0％。图2给出了本实施例光纤的折射率剖面结构图。

本实施例光纤的拉丝速度均为500～600m/min，光纤的玻璃部分外径控制为125±0.7μm，涂覆层采用双层涂覆工艺。

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f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lp传输模式，分别是lp01，lp11，lp21和lp02。其中，该四个模式在1550nm波长处的衰减系数均小于或等于0.170db/km，优选条件下小于或等于0.165db/km；在1550nm处的dgd的绝对值的最大值小于或等于5ps/m，优选条件下小于或等于4ps/m；lp01模式在1550nm波长处的有效面积范围为120～180μm²；在1550nm处的色散值小于22ps/nm*km。

表1：本发明实施例少模光纤的结构和材料组成

表2：本发明实施例少模光纤的主要性能参数