一种小芯径兼容型渐变折射率光纤的制作方法

本发明涉及一种小芯径兼容型渐变折射率光纤，属于光通信技术领域。

背景技术：

多模光纤和vcsel多模收发器、单模光纤和单模收发器均可用于数据中心。其中，在新兴的超大型数据中心中，单模传输系统的使用率更高，以满足数据中心对更长的传输距离的需求。受益于vcsel光模块较低的成本和功耗，多模传输系统在100m以内的传输中仍占主导地位。由于模间色散的原因，多模光纤的带宽距离的乘积较小。随着数据中心对带宽和传输距离要求的不断提升，多模的应用将进一步受限。

多模收发器的功耗和价格相较单模收发器而言都低得多，因此在当前的状况下，使用多模光纤和便宜的vcsel光源进行局域网建设是合理的。但如果网络需要进一步提速升级至1310nm波长时，就需要重新铺设单模光纤，这显然是不合算的；或者铺设单模、多模光纤混合缆，同样增加了投入。因此向市场提供一种满意的、具有应用发展前景的新型光纤产品，已成当务之急。

现有多模光纤不能适应网络高速率、远距离传输，单模光纤能满足高速率、远距离传输却需要昂贵的发射接收系统。为了解决上述问题，设计一种可以同时支持多模和单模传输的光纤是可行性较高的方法。这种光纤不仅能满足高速率、远距离传输，而且可以降低光纤的生产成本和降低网络的运营和升级费用。因此需要设计出一种同时支持多模传输和单模传输的光纤，以满足通信网络低成本传输的需求。

技术实现要素：

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

芯棒：含有芯层和部分包层的预制件。

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。

氟(f)的贡献量：掺氟(f)石英玻璃相对于纯石英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)石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值(δge)，以此来表示掺锗(ge)量。

磷(p)的贡献量：掺磷(p)石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值(δp)，以此来表示掺锗(p)量。

多模光纤中存在的模间色散使其所能支持的传输距离受到大大限制，为降低光纤模间色散，需要将多模光纤的芯层折射率剖面设计成中心至边缘连续逐渐降低的折射率分布，通常我们称其为“α剖面”。即满足如下幂指数函数的折射率分布：

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。

相对折射率差即δi：

δi％＝[(ni²-n0²)/2ni²]×100％，

其中，ni为距离纤芯中心i位置的折射率；n0为纯二氧化硅材料的折射率，通常也是光纤包层的折射率。

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材料组成和芯包层结构设计合理、并能同时支持多模和单模传输的小芯径兼容型渐变折射率光纤。

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，所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，其特征在于芯层折射率剖面呈抛物线形，分布指数α为1.9～2.1，芯层的半径r1为10～21μm，芯层中心最大相对折射率差δ1max为0.7％～1.7％，所述的芯层为锗磷氟ge、p、f共掺的二氧化硅玻璃层，所述的内包层宽度(r2-r1)为1.0～5.0μm，相对折射率差δ2为-0.30％～0.09％，所述的内包层为磷氟p、f共掺的二氧化硅玻璃层，所述的下陷包层宽度(r3-r2)为2～10μm，相对折射率差δ3为-0.8％～-0.2％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的芯层中p和ge作为正掺杂剂，芯层中心的p的贡献量δp0为0.01％～0.30％，芯层与内包层交界的p的贡献量δp1为0.01％～0.30％，芯层中心和边缘的p的贡献波动量δp10小于或等于5％。

按上述方案，所述的芯层中f作为负掺杂剂，芯层中心到芯层边缘方向，f掺杂量呈递增状，芯层中心的f的贡献量δf0为0.0％～-0.1％，芯层边缘f的贡献量δf1为-0.45％～-0.10％。

按上述方案，所述的内包层的p浓度变化从内至外分为平坦区和渐变区，平坦区的浓度基本保持不变，渐变区p的浓度逐渐增加或逐渐降低，平坦区的宽度t1为0.1～2μm，渐变区的宽度t2为0.5～4μm。

按上述方案，所述的内包层外边缘的p贡献量为δp2，芯层和内包层交界处与内包层外边缘的p的贡献量之差为δp21＝δp2-δp1，δp21为-0.3％～-0.01％或0.01％～0.20％。

按上述方案，所述的内包层中f掺杂的贡献量δf2为-0.30％～-0.01％。

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2000mhz-km或2000mhz-km以上带宽，在1300nm波长具有500mhz-km或500mhz-km以上带宽。

更进一步的，光纤在850nm波长具有5000mhz-km或5000mhz-km以上带宽，在950nm波长具有3300mhz-km或3300mhz-km以上带宽，在1300nm波长具有600mhz-km或600mhz-km以上带宽。

按上述方案，所述光纤在1310nm或1550nm的基模lp01的模场直径为8～12μm。

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。

本发明的有益效果在于：1、本发明通过对芯层氟掺杂量的优化，实现对于光传输带宽性能的优化，在带宽性能提高的同时，带宽-波长敏感性降低；2、光纤芯层采用ge/p/f共掺，通过增大磷的浓度，降低锗的浓度，有利于改进芯层材料的材料色散特性，降低色度色散，进一步提高带宽性能；3、由于p不易于流量计精确控制形成精确的折射率剖面，且易挥发易扩散，因此芯层磷的浓度相对固定，浓度差很小，中心跟边缘的浓度基本保持不变，芯层的渐变型折射率通过ge/f来精确控制；4、光纤内包层采用p/f共掺，p掺杂分为平坦区和渐变区，平坦区避免了因芯层和内包层的界面处两侧存在p浓度差导致的p扩散从而使得芯层剖面发生畸变，即在包层靠近芯层的部分保持与芯层相同的磷浓度差，可以避免磷在芯层和包层之间的扩散；渐变区主要由梯度掺杂和p的扩散形成，符合菲克定律，可以逐渐增加或减少；渐变区域逐渐增加的磷还可以作为调节粘度匹配的辅助剂，改进内包层和下陷包层的材料粘度匹配；5、本发明光纤不仅能与现有om3/om4多模光纤兼容，还能支持850nm～950nm波长范围内的波分复用技术；6、光纤的基模lp01的mfd与单模光纤进行匹配，能与单模光纤兼容，支持1310nm和1550nm的单模传输；7、合理的下陷包层参数设计，提高了光纤弯曲不敏感曲性能；8、本发明光纤具有优异的抗弯曲性能，可适用于接入网和小型化光器件中，并使传输容量得到进一步提升，适应了数据流量高速增长的网络需求，对光通信技术的应用具有重要意义；9、本发明制造方法简便，适于大规模生产。

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是本发明另一个实施例的折射率剖面示意图。

图3是本发明第三个实施例的折射率剖面示意图。

图4是本发明1310nm的基模lp01的模场直径与芯径r1和(δ1max-δ2)的关系示意图。

图5是本发明1550nm的基模lp01的模场直径与芯径r1和(δ1max-δ2)的关系示意图。

图6是本发明一个实施例的掺杂量剖面示意图。

图7是本发明另一个实施例的掺杂量剖面示意图。

具体实施方式

下面将给出具体的实施例，对本发明作进一步的说明。

光纤包括有芯层和包层，芯层折射率剖面呈抛物线形，α为1.9～2.1，芯层的半径为r1，芯层中心的最大相对折射率差δ1max为0.7％～1.7％。所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层以及外包层，所述的内包层半径为r2，内包层的p浓度变化从内至外分为平坦区和渐变区，平坦区的浓度基本保持不变，渐变区p的浓度逐渐增加或逐渐降低，平坦区的宽度为t1，渐变区的宽度为t2；f掺杂的贡献量为δf2，内包层外边缘的p贡献量为δp2，芯层和内包层交界处与内包层外边缘的p的贡献量之差为δp21＝δp2-δp1。所述的下陷包层半径为r3，相对折射率差为δ3；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层，外包层半径为62.5μm。

按本发明所述，制备了一组预制棒并拉丝，采用双层涂覆，光纤的结构和主要性能参数见表1。

宏弯附加损耗的测试，被测光纤按一定直径(比如：10mm，15mm，20mm，30mm等等)绕一圈，然后将圆圈放开，测试打圈前后光功率的变化，以此作为光纤的宏弯附加损耗。

满注入带宽是根据fotp－204方法测得的，测试采用满注入条件。

表1：光纤的主要结构参数和性能参数

小芯径渐变折射率光纤的芯径较传统多模光纤的芯径小，传导的模数更少，理论上具有更高的带宽。为了满足多模传输的条件并降低光纤模间色散，小芯径渐变折射率光纤的芯层折射率剖面采用与传统多模光纤类似的“α剖面”设计。为了进行单模传输，通过合适的折射率剖面设计，使小芯径渐变折射率光纤在单模传输窗口的基模lp01的模场直径(mfd)与传统的单模光纤的mfd匹配。当被应用于狭窄的机柜、配线箱等集成系统时，光纤会经受很小的弯曲半径。靠近纤芯边缘传输的高阶模很容易泄漏出去，从而造成信号损失。小芯径渐变折射率光纤采用在光纤包层增加低折射率区域的方法来限制高阶模的泄漏，使信号损失最小化。

小芯径渐变折射率光纤用于单模传输时是一种准单模传输，其与单模光纤的耦合与它们之间基模lp01的模场直径匹配程度有关。模场直径的容差直接影响着光纤的熔接损耗，研究表明，两根模场直径分别为d1和d2的单模光纤的熔接损耗可表示为：

理想情况下，当d1＝d2时，两根光纤的模场直径相同，接头损耗αs＝0。

itu-tg.652.d标准规定的模场直径的中心值为8.6～9.5μm，范围为±0.6μm。因此对1310nm处mfd分别为8.6μm和9.5μm的g.652光纤，倘若想要将耦合损失控制在0.1db以内，则小芯径渐变折射率光纤的1310nm基模lp01的mfd需要为7.4～10μm和8.2～11μm。对1550nm处的mfd为10μm和11μm的单模光纤而言，倘若想要将耦合损失控制在0.1db以内，则小芯径渐变折射率光纤的1550nm基模lp01的mfd需要在8.6～11.6μm和9.5～12.8μm。