本發(fā)明涉及一種光通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種寬帶折射率漸變的多模光纖。

背景技術(shù)：

在光纖通信系統(tǒng)中，光纖作為光波的傳輸介質(zhì)，其特性對(duì)光信號(hào)的傳輸有非常重要的影響。多模光纖芯徑粗，數(shù)值孔徑大，不僅能夠從光源耦合更多的光功率，而且與其配套的元件較便宜，操作簡(jiǎn)單方便。目前，多模光纖以其低廉的系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)，已在中短距離光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

高帶寬多模光纖(如OM3、OM4)，在850nm多模激光光源作用下，單根OM3多模光纖能夠支持10Gb/s的速率傳輸距離長(zhǎng)達(dá)300米，單根OM4多模光纖能夠支持10Gb/s的速率傳輸距離長(zhǎng)達(dá)550米。根據(jù)IEEE802.3ba標(biāo)準(zhǔn)，基于原有已成熟的多模光纖10Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸流技術(shù)，使用8芯多模光纖進(jìn)行傳輸40Gb/s速率的信號(hào)，使用20芯多模光纖進(jìn)行傳輸100Gb/s速率的信號(hào)。然而，隨著200Gb/s、400Gb/s以及更高速率需要的提出，傳統(tǒng)的多模光纖在芯數(shù)上成為阻礙未來發(fā)展的瓶頸。寬帶(寬波長(zhǎng)范圍)多模光纖(WBMMF)技術(shù)借鑒了單模光纖的波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)的可用波長(zhǎng)范圍，能夠在一芯多模光纖上支持多個(gè)波長(zhǎng)，把需要的光纖芯數(shù)大大降低。為多模光纖傳輸容量的提升確定了新方向。

TIA-492AAAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的寬帶多模光纖(OM5)設(shè)計(jì)旨在支持850nm～950nm范圍內(nèi)的至少四個(gè)低成本波長(zhǎng)，從而能夠優(yōu)化支持新興的短波分復(fù)用(SDWM)應(yīng)用，將平行光纖數(shù)量減少至少四倍。然而，多模光纖的最佳剖面折射率分布參數(shù)α_opt與波長(zhǎng)和材料組分有關(guān)，其中α_opt隨傳輸波長(zhǎng)變化非常明顯。對(duì)于傳統(tǒng)多模光纖，α_opt對(duì)波長(zhǎng)變化的敏感性非常高，當(dāng)α_opt一定時(shí)，其帶寬性能通常在特定的工作波長(zhǎng)下達(dá)到最優(yōu)，當(dāng)工作波長(zhǎng)變大或變小，其帶寬性能都會(huì)明顯下降。因此，目前該傳統(tǒng)多模光纖難以滿足OM5技術(shù)的應(yīng)用要求。

為了解決市場(chǎng)對(duì)光纖帶寬容量不斷提升的需求，非常有必要在高帶寬且滿足多模光纖標(biāo)準(zhǔn)的前提下降低最優(yōu)α_opt與波長(zhǎng)之間的敏感性，優(yōu)化帶寬的多波長(zhǎng)特性，設(shè)計(jì)出能夠滿足多波長(zhǎng)范圍的寬帶多模光纖。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要提供一種避免上述問題的寬帶(寬波長(zhǎng)范圍)折射率漸變的多模光纖。

一種多模光纖，包括芯層和包覆于所述芯層上的包層，所述芯層的折射率剖面呈拋物線，所述多模光纖的徑向折射率n(r)可表示為：

其中Δ為相對(duì)折射率差，

r為所述多模光纖中某個(gè)點(diǎn)距離芯層中心軸的徑向距離，R₀為芯層半徑，R₁為包層半徑，n₀和n_b分別為芯層中心和芯層邊界的折射率，n_c為包層折射率，α為剖面折射率分布參數(shù)。芯層中心與包層之間的折射率差為Δn₀，芯層邊界與所述包層之間的折射率差為Δn_b。所述芯層為GeO₂以及其它摻雜物質(zhì)共摻的一種玻璃層，所述摻雜物的摩爾濃度隨半徑變化，并按如下函數(shù)分布:

所述M(r)為所述摻雜物在距離所述芯層中心軸的徑向距離r處的摩爾濃度，M₀為摻雜物在芯層中心的摩爾濃度，M_b為所述摻雜物在芯層邊界的摩爾濃度，β為所述摻雜物的濃度分布參數(shù)。

進(jìn)一步地，所述摻雜物為F，所述F在所述芯層邊界的摩爾濃度范圍為1～6％，在所述芯層中心的摩爾濃度范圍為0～0.5％；所述多模光纖在850nm～950nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.020～0.026，在850nm～1300nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.067～0.098。

進(jìn)一步地，所述摻雜物為F，所述F的濃度分布參數(shù)β_F取值范圍為1.5～7。

進(jìn)一步地，所述摻雜物為F，所述F的濃度分布參數(shù)β_F取值范圍為3～5。

進(jìn)一步地，所述摻雜物為P₂O₅，所述P₂O₅在所述芯層中心的摩爾濃度范圍為1～12％，在所述芯層邊界的摩爾濃度范圍為0～0.5％；所述多模光纖在850nm～950nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.000～0.025，在850nm～1300nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.000～0.092。

進(jìn)一步地，所述摻雜物為P₂O₅，所述P₂O₅的濃度分布參數(shù)β_p取值范圍為1～5。

進(jìn)一步地，所述摻雜物為P₂O₅，所述P₂O₅的濃度分布參數(shù)β_p取值范圍為1.5～3。

進(jìn)一步地，所述摻雜物為F及P₂O₅，所述F在所述芯層邊界的摩爾濃度范圍為1～3％，所述P₂O₅在所述芯層中心的摩爾濃度范圍為1～3％；所述多模光纖在850nm～950nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.016～0.023，在850nm～1300nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.053～0.086。

進(jìn)一步地，所述摻雜物為F和P₂O₅，所述F的濃度分布參數(shù)β_F取值范圍為1.5～7，所述P₂O₅的濃度分布參數(shù)β_P取值范圍為1～5。

進(jìn)一步地，所述摻雜物為F和P₂O₅，所述F的濃度分布參數(shù)β_F取值范圍為3～5，所述P₂O₅的濃度分布參數(shù)β_P取值范圍為1.5～3。

進(jìn)一步地，所述芯層半徑R₀范圍為23～27μm，所述包層半徑范圍為60.5～64.5μm。

進(jìn)一步地，所述多模光纖的數(shù)值孔徑NA范圍為0.185～0.215，該數(shù)值孔徑的測(cè)試波長(zhǎng)為850nm。

進(jìn)一步地，50/125μm，0.2NA多模光纖芯層中心與包層之間的折射率差Δn₀變化范圍為0.0135～0.0175，芯層邊界與包層之間的折射率差Δn_b變化范圍為0.0000～0.0030。

本發(fā)明提供的多模光纖，其通過改變芯層中的GeO₂及其它摻雜物的摩爾濃度，使得所述多模光纖的漸變折射率剖面得到優(yōu)化，降低α_opt與波長(zhǎng)之間的敏感性，實(shí)現(xiàn)寬帶性能的優(yōu)化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明多模光纖折射率剖面示意圖。

圖2是寬波長(zhǎng)優(yōu)化前后的多模光纖帶寬與波長(zhǎng)的關(guān)系。

圖3是P₂O₅和F在芯層的摩爾濃度隨半徑變化關(guān)系。

圖4是GeO₂與F共摻的多模光纖α_opt與波長(zhǎng)之間的關(guān)系圖。

圖5是GeO₂與P₂O₅共摻的多模光纖α_opt與波長(zhǎng)之間的關(guān)系圖。

圖6是GeO₂、F及P₂O₅共摻的多模光纖α_opt與波長(zhǎng)之間的關(guān)系圖。以下具體實(shí)施方式將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。在不沖突的情況下，下述的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。

本發(fā)明所述多模光纖包括芯層和包層兩部分。所述包層包覆在所述芯層的外周表面上。光纖的折射率剖面請(qǐng)參閱圖1，所述芯層的折射率剖面為拋物線，所述多模光纖的徑向折射率n(r)可表示為：

其中，

r為所述多模光纖中某個(gè)點(diǎn)距離芯層中心軸的徑向距離，R₀為芯層半徑，R₁為包層半徑，n₀和n_b分別為r＝0和r＝R₀處的芯層折射率，n_c為包層折射率，α為芯層剖面折射率分布參數(shù)，Δ為相對(duì)折射率差。所述芯層中心與所述包層之間的折射率差為Δn₀，所述芯層邊界與所述包層之間的折射率差為Δn_b。

要使多模光纖的帶寬最大，必須使其模間色散最小，即要選擇一個(gè)最佳剖面折射率分布參數(shù)α_opt，表達(dá)式如下：

其中，

摻雜石英玻璃的折射率和波長(zhǎng)的關(guān)系可由Sellmeier方程表示：

式中，A_i為振子強(qiáng)度因子，L_i為振子波長(zhǎng)因子。對(duì)于含有m種組分的玻璃，這兩個(gè)因子由以下兩個(gè)公式?jīng)Q定：

其中，M_j是第j種組分的摩爾濃度，A_ij和L_ij分別是該組分的振子強(qiáng)度和波長(zhǎng)因子。結(jié)合方程(3)-(8)可以計(jì)算所述多模光纖在不同波長(zhǎng)的優(yōu)化α_opt，由此得到各個(gè)波長(zhǎng)之間(例如850nm和950nm之間，850nm和1300nm之間)優(yōu)化α_opt的差值Δα_opt。

除SiO₂和GeO₂兩種主要的組分外，通信用多模光纖芯層通常含有少量的F或/和P₂O₅。本發(fā)明通過顯著提高和優(yōu)化不同半徑位置F或/和P₂O₅的摩爾濃度來實(shí)現(xiàn)在非常寬波長(zhǎng)范圍(800nm-1500nm)內(nèi)減小各個(gè)波長(zhǎng)之間α_opt的差值Δα_opt。

請(qǐng)參閱圖2，為寬波長(zhǎng)優(yōu)化前后多模光纖帶寬與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。曲線21表示未經(jīng)寬帶設(shè)計(jì)優(yōu)化(摻雜)的多模光纖，在890nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)α_{opt_890}條件下光纖帶寬(Bandwidth，圖中縱軸)隨波長(zhǎng)的變化；曲線22表示經(jīng)過寬帶設(shè)計(jì)優(yōu)化后(摻雜)的多模光纖帶寬隨波長(zhǎng)的變化；曲線23表示OM3多模光纖的帶寬要求；曲線24表示OM4多模光纖的帶寬要求?？梢姡?jīng)過寬帶設(shè)計(jì)優(yōu)化后的多模光纖，在850nm-950nm波長(zhǎng)具有5700MHz-km或5700MHz-km以上的有效模式帶寬(EMB)。

需要說明，改變F或/和P₂O₅的濃度將顯著改變所述芯層的折射率及其分布，為了得到方程(1)所需的折射率剖面，必須對(duì)芯層的GeO₂的摩爾濃度及其分布進(jìn)行調(diào)整以補(bǔ)償F或/和P₂O₅濃度變化導(dǎo)致的折射率的改變。

在光纖剖面優(yōu)化過程中，需要根據(jù)光纖的工作波長(zhǎng)(例如850nm和950nm)的帶寬和DMD的測(cè)試值，對(duì)光纖預(yù)制棒制造過程中不同光纖半徑對(duì)應(yīng)預(yù)制棒半徑的原料GeCl₄的用量進(jìn)行多次微小的調(diào)整。

在以下的實(shí)施例中，所述多模光纖的折射率剖面測(cè)試波長(zhǎng)為632.8nm。沒有特殊說明的情況下，玻璃光纖的折射率或折射率差是指在波長(zhǎng)632.8nm下的值。

本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種多模光纖。所述芯層為GeO₂與F共摻的玻璃芯層。所述芯層中心與所述包層之間的折射率差Δn₀為0.0155，所述芯層邊界與所述包層之間的折射率差Δn_b為0.0015，所述芯層半徑R₀為25μm，所述包層半徑R₁為62.5μm。其中，F(xiàn)在所述芯層的摩爾濃度隨所述芯層半徑變化，按如下函數(shù)分布：

式中，M_F0為F在芯層中心(即r＝0處)的摩爾濃度(Mole fraction)，M_Fb為F在芯層邊界(即r＝R₀處)的摩爾濃度；β_F為摻雜物F的濃度分布參數(shù)，β_F取值范圍為1.5～7，更優(yōu)的β_F取值范圍為3～5；所述M_F(r)為所述F在距離所述芯層中心軸的徑向距離r處的摩爾濃度。請(qǐng)參閱圖3中的曲線32，為典型F在所述芯層的摩爾濃度隨所述芯層半徑的變化。

根據(jù)本發(fā)明，提高芯層邊界的F摩爾濃度同時(shí)降低芯層中心的F摩爾濃度可以有效降低各個(gè)波長(zhǎng)的優(yōu)化α_opt的差值Δα_opt。值得指出，現(xiàn)有規(guī)?；A(yù)制棒生產(chǎn)工藝的摻F摩爾濃度的極限大約是6％。

上述由GeO₂與F共摻的多模光纖，其芯層的摻雜物濃度設(shè)計(jì)及Δα_opt見表1。請(qǐng)一并參閱圖4，GeO₂與F共摻多模光纖α_opt與波長(zhǎng)之間的關(guān)系圖。

表1.實(shí)施例一多模光纖芯層的摻雜物濃度設(shè)計(jì)及Δα_opt

在現(xiàn)有的GeO₂與F共摻的多模光纖制造工藝中，摻F的主要目的是降低石英玻璃的粘度和羥基含量。芯層中心和邊界摻F的摩爾濃度基本相同，范圍為0.0～1.0％。850nm～950nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt約為0.028，850nm～1300nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt約為0.104。

本實(shí)施例中，所述的由GeO₂與F共摻的多模光纖，F(xiàn)在芯層邊界的摩爾濃度范圍為1～6％，F(xiàn)在芯層中心的摩爾濃度范圍為0～0.5％；所述多模光纖在850nm～950nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.020～0.026，在850nm～1300nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.067～0.098。

本發(fā)明第二實(shí)施例提供一種多模光纖，所述芯層為GeO₂與P₂O₅共摻的玻璃層芯層。芯層中心與所述包層之間的折射率差值Δn₀為0.0155，芯層邊界與所述包層之間的折射率差值Δn_b為0.0015，所述芯層的半徑R₀為25μm，包層半徑R₁為62.5μm。其中，P₂O₅在芯層的摩爾濃度隨所述芯層的半徑變化，按如下函數(shù)分布：

式中，M_P0為芯層中心P₂O₅的摩爾濃度，M_Pb為芯層邊界P₂O₅的摩爾濃度；β_p為摻雜物P₂O₅的濃度分布參數(shù)，β_p取值范圍為1～5，更優(yōu)的β_p取值范圍為1.5～3；所述M_P(r)為所述P₂O₅在距離所述芯層中心軸的徑向距離r處的摩爾濃度。請(qǐng)參閱圖3中的曲線31，為典型P₂O₅在所述芯層的摩爾濃度隨所述芯層的半徑變化。

上述GeO₂與P₂O₅共摻的多模光纖，其芯層的摻雜物濃度設(shè)計(jì)及Δα_opt見表2，圖5為α_opt與波長(zhǎng)之間的關(guān)系圖。

表2.實(shí)施例二多模光纖芯層的摻雜物濃度設(shè)計(jì)及Δα_opt

在現(xiàn)有的GeO₂與P₂O₅共摻的多模光纖制造工藝中，摻P₂O₅的主要目的是降低氧化反應(yīng)溫度、燒結(jié)溫度及生成石英玻璃的粘度。摻P₂O₅的摩爾濃度范圍為0.5～1％。850nm～950nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt約為0.028，850nm～1300nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt約為0.104。

本實(shí)施例中，所述的GeO₂與P₂O₅共摻的多模光纖，P₂O₅在芯層中心的摩爾濃度范圍為1～12％，P₂O₅在芯層邊界的摩爾濃度范圍為0～0.5％；所述多模光纖在850nm～950nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.000～0.025，在850nm～1300nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.000～0.092。

本發(fā)明的第三實(shí)施例提供一種多模光纖，所述芯層為GeO₂、F與P₂O₅共摻的玻璃層芯層。所述芯層中心與所述包層之間的折射率差值Δn₀為0.0155，所述芯層邊界與所述包層之間的折射率差值Δn_b為0.0015，芯層半徑R₀為25μm，包層半徑R₁為62.5μm。其中，F(xiàn)和P₂O₅在所述芯層的摩爾濃度隨半徑變化，分別按如下函數(shù)分布：

式中，M_P0為芯層中心P₂O₅的摩爾濃度，M_Pb為芯層邊界P₂O₅的摩爾濃度；M_F0為芯層中心F的摩爾濃度，M_Fb為芯層邊界F的摩爾濃度；β_p為摻雜物P₂O₅的濃度分布參數(shù)，β_F為摻雜物F的濃度分布參數(shù)，β_p取值范圍為1～5，更優(yōu)的β_p取值范圍為1.5～3，β_F取值范圍為1.5～7，更優(yōu)的β_F取值范圍為3～5；所述M_P(r)為所述P₂O₅在距離所述芯層中心軸的徑向距離r處的摩爾濃度，所述M_F(r)為所述F在距離所述芯層中心軸的徑向距離r處的摩爾濃度。當(dāng)M_P0為3％，M_Pb為0％，M_F0為0％，M_Fb為1％時(shí)，β_p和β_F分別取值2.1和3.0，芯層P₂O₅和F的摩爾濃度隨半徑變化如圖3所示(曲線31表示M_P，曲線32表示M_F)。

表3.實(shí)施例三多模光纖芯層的摻雜物濃度設(shè)計(jì)及Δα_opt

本實(shí)施例中，所述的GeO₂、F及P₂O₅共摻的多模光纖，芯層中心P₂O₅的摩爾濃度范圍為1～3％，芯層邊界F的摩爾濃度范圍為1～3％；所述多模光纖在850nm～950nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.016～0.023，在850nm～1300nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)差值Δα_opt范圍為0.053～0.086。

按上述方案，所述多模光纖的芯層半徑R₀范圍為23～27μm，包層半徑R₁范圍為60.5～64.5μm。

按上述方案，所述多模光纖的數(shù)值孔徑NA范圍為0.185～0.215，該數(shù)值孔徑的測(cè)試波長(zhǎng)為850nm。

按上述方案，50/125μm，0.2NA多模光纖的Δn₀變化范圍為0.0135～0.0175，Δn_b變化范圍為0.0000～0.0030。

本發(fā)明實(shí)施例提供的多模光纖，其通過改變芯層中的GeO₂/F、GeO₂/P₂O₅及GeO₂/F/P₂O₅摻雜摩爾濃度，使得所述多模光纖的漸變折射率剖面得到優(yōu)化，降低α_opt與波長(zhǎng)之間的敏感性，實(shí)現(xiàn)寬帶性能的優(yōu)化。進(jìn)一步地，所述多模光纖能夠支持寬波長(zhǎng)段(例如850nm-950nm，或850nm-1300nm)窗口的數(shù)據(jù)傳輸。還有，所述多模光纖與傳統(tǒng)多模光纖相互兼容。更甚者，所述多模光纖芯層設(shè)計(jì)可有效提高光纖的傳輸容量，該設(shè)計(jì)對(duì)WBMMF技術(shù)的廣泛應(yīng)用具有指導(dǎo)性的作用。

可以理解，所述芯層中摻雜基礎(chǔ)摻雜物GeO₂外，其它摻雜物不限定為F、P₂O₅，其它摻雜物還可以為其它能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明目的的摻雜物。

一種多模光纖，包括芯層和包覆于所述芯層上的包層，所述芯層的折射率剖面呈拋物線，所述多模光纖的徑向折射率n(r)可表示為：

其中Δ為相對(duì)折射率差，

r為所述多模光纖中某個(gè)點(diǎn)距離芯層中心軸的徑向距離，R₀為芯層半徑，R₁為包層半徑，n₀和n_b分別為芯層中心和芯層邊界的折射率，n_c為包層折射率，α為剖面折射率分布參數(shù)。芯層中心與包層之間的折射率差為Δn₀，芯層邊界與所述包層之間的折射率差為Δn_b。所述芯層為GeO₂以及其它摻雜物質(zhì)共摻的一種玻璃層，所述摻雜物的摩爾濃度隨半徑變化，并按如下函數(shù)分布:

所述M(r)為所述摻雜物在距離所述芯層中心軸的徑向距離r處的摩爾濃度，M₀為摻雜物在芯層中心的摩爾濃度，M_b為所述摻雜物在芯層邊界的摩爾濃度，β為所述摻雜物的濃度分布參數(shù)。

可以理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化等用在本發(fā)明的設(shè)計(jì)，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效果均可。這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。