寬帶彎曲不敏感多模光纖

沈一春，蔣新力，范艷層，許維維

(中天科技精密材料有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引 言

近年來，隨著光纖接入(Fiber To The X，FTTX)、物聯網、云計算和云存儲等新技術的迅速發展，網絡數據通信量呈指數級上升趨勢，對多模光纖的傳輸性能要求不斷提高。尤其在數據中心這類大型局域網系統中，高速數據傳輸需要在有限空間內布放更多光纖鏈路，光纖經常會經受不同程度的彎曲，而在多模光纖中傳輸的高階模很容易在光纖彎曲時從包層中泄漏出去，光纖衰減增加，從而可能會導致信號失真，增加了系統出現誤碼的可能。因此，為了滿足未來400 Gbit/s，甚至是1 Tbit/s以太網數據傳輸，需要開發兼備高傳輸容量和低彎曲損耗性能的多模光纖[1-7]。

為了獲得較高的傳輸容量，光纖應有盡可能寬的帶寬。可通過調整剖面折射率分布指數α來有效控制模間色散，進而提高帶寬性能[8]。

然而在實際傳輸過程中，有些高階模無法被完全限制在芯層內，會有部分在包層傳輸，由于芯—包邊界處的折射率突變，高階模式不能被適當補償，帶寬性能降低。這種包層界面效應對帶寬有影響，在彎曲不敏感多模光纖中尤其凸顯。現有關于高帶寬彎曲不敏感多模光纖的報導主要是通過在芯層和凹陷層之間增加和調整平臺層深度折射率差和寬度以及采用多環結構等方式來提高帶寬性能。然而，受到光纖幾何尺寸限制，現有設計仍不能有效抵消界面效應對帶寬的影響[9-11]。

1 光纖材料組成優化設計

為解決市場對光纖帶寬容量不斷提升的需求，非常有必要在高帶寬和高抗彎曲性能且滿足多模光纖標準的前提下，降低最優剖面折射率分布參數αopt與波長之間的敏感性，優化帶寬的多波長特性。

通信用多模光纖纖芯漸變區域設計，傳統上主要通過調節GeO2、F或P2O5的摻雜量來控制折射率剖面的分布，優化剖面折射率分布參數α，從而調節光纖的帶寬。本文通過顯著提高和優化不同纖芯半徑位置F或/和P2O5的摩爾濃度來實現在較寬波長范圍(800～1 500 nm)內減小各波長間αopt的差值Δαopt。

針對由GeO2/F/P2O5共摻組成的玻璃芯層，P2O5和F在芯層的摩爾濃度隨半徑的變化如圖1所示。

多模光纖芯層GeO2、F及P2O5共摻的摻雜物濃度設計及Δαopt如表1所示。圖2所示為αopt與波長間的關系圖。波長范圍為850～950 nm時Δαopt范圍為0.016～0.023，波長范圍為850～1 300 nm時Δαopt范圍為0.053～0.086。

表1 多模光纖芯層摻雜物濃度設計及Δαopt

圖2 GeO2/F/P2O5共摻寬帶彎曲不敏感多模光纖αopt與波長之間的關系圖

由上文可知，通過對多模光纖纖芯材料組分的優化設計，最佳剖面折射率分布參數αopt與波長之間的敏感性大幅降低。

圖3所示為材料組分優化前后多模光纖帶寬與波長的關系圖。曲線31為未經優化(摻雜)的多模光纖在890 nm波長的最佳剖面折射率分布參數αopt_890條件下光纖帶寬隨波長的變化；曲線32為經過優化后(摻雜)的多模光纖帶寬隨波長的變化；曲線33為OM3多模光纖的帶寬要求；曲線34為OM4多模光纖的帶寬要求。可見，經過材料組分優化后的多模光纖，由于αopt與波長間的敏感性大幅降低，故帶寬的多波長特性得到了顯著優化。

圖3 材料組分優化前后多模光纖帶寬與波長的關系圖

2 光纖結構優化設計

為提升光纖帶寬，除了對材料組分優化設計外，光纖結構的優化設計也非常關鍵。圖4所示為脈沖中心時延差隨光纖半徑分布的模擬結果，由圖可知，芯層邊界無補償、補償不足和補償過大均會對光纖外芯層高階模傳輸速率產生影響，造成時延差增大，如何實現邊界處補償連續可調是本文光纖剖面設計需要解決的關鍵問題。

圖4 脈沖中心時延差隨光纖半徑分布關系圖

本文提出了一種新穎的寬帶彎曲不敏感多模光纖結構，光纖從中心到外周依次包括纖芯、內包層、凹陷包層和外包層，如圖5所示。

圖5 寬帶彎曲不敏感多模光纖剖面設計示意圖

纖芯由中心向外延伸距離Rg形成，其折射率剖面呈α冪指數函數分布，其中心折射率與外包層折射率差為Δn1，邊界Rg處相對外包層折射率差為dng；內包層為從距離纖芯中心Rg處向外延伸距離Ru-Rg形成，與芯層交界點為g，其折射率n(r)呈線性或近似拋物線分布，與水平方向夾角θ<45°，與凹陷包層交界點為u，相對外包層折射率差為dnu，且根據設計帶寬要求，u點位置可沿水平和垂直方向連續調節；芯層拋物線剖面延伸點為e，半徑為Re，相對外包層折射率差dne=dnu；凹陷包層為從距離內包層Ru處向外延伸距離Rf-Ru形成，相對外包層折射率差為Δn2；外包層由Rf至Rmax區域形成，一般為純石英材料，其折射率為nc=nSiO2。

光纖預制棒由芯棒和外包層組成。本文芯棒采用改進型化學氣相沉積(Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD)，芯棒結構包含纖芯、內包層和凹陷包層。光纖預制棒通過拉絲工藝得到光纖樣品。各光纖樣品的結構參數如表2所示。

表2 不同結構設計光纖的結構參數

采用光纖分析系統PK2500對樣品帶寬和脈沖時延差進行分析測試，采用光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)測試分析樣品的衰減特性，采用CD400測試分析樣品彎曲損耗性能。

3 結果和分析

多模光纖纖芯漸變區域設計傳統上主要通過調節GeO2、F或P2O5的摻雜量控制折射率剖面的分布，優化剖面折射率分布參數α，從而調節光纖的帶寬。通過對纖芯材料組分的優化設計，最佳剖面折射率分布參數αopt與波長之間的敏感性大幅降低，進而優化帶寬多波長特性。

此外，由于芯層與內包層之間存在折射率突變，高階模式不能被適當補償，往往在差模延遲(Differential Mode Delay，DMD)測量中會出現邊界處高階模顯示出多脈沖，這種邊界效應尤其在有深摻氟多模剖面中凸顯。理論上可通過優化內包層折射率曲線分布和角度參數變化來連續調節邊界處高階模傳輸速率，從而有效減小或抑制包層界面效應，提高帶寬。本文通過調整u點的半徑或相對折射率差來改變高階模的延遲，隨著Ru和/或折射率差dnu的增加，補償增大，高階模延遲減小，相反Ru和/或折射率差dnu減小時，補償減小，高階模延遲增大。

本設計中，纖芯中心的折射率差Δn1為0.013～0.016，纖芯折射率漸變區域Rg為22～32 μm。內包層折射率為線性或近似拋物線變化，其寬度(Ru-Rg)為0.8～2.0 μm，拐點g相對外包層折射率差dng的范圍為0.000 5～0.002 0，調節點u相對外包層折射率差dnu的范圍為-0.000 5～0.000 5，拋物線延伸點與拐點g半徑差Re-Rg范圍為0.2～1.0 μm。凹陷包層可通過摻氟實現，其摻氟寬度為2.5～5.5 μm，折射率下陷差Δn2為-0.003～-0.006。包層半徑Rmax為62.5±2.5 μm，剖面折射率分布參數α為1.90～2.10。

本設計光纖樣品1和樣品2的測試長度為8.8 km，折射率剖面圖及實物圖分別如圖6和7所示。

圖6 樣品折射率剖面圖

圖7 樣品實物圖

樣品1，Ru-Rg為1.0 μm；拐點處半徑Rg為25.1 μm，對應折射率差dng為1.35×10-3；調節點u半徑Ru為27.0 μm，對應折射率差dnu為-0.54×10-3，與延伸點e距離Ru-Re為0.2 μm；凹陷摻F層深度Δn2為-5.1×10-3；邊界處時延差為0.068 8 ps/m，補償不足，如圖8所示。

樣品2，Ru-Rg為1.1 μm；拐點處半徑Rg為24.3 μm，對應折射率差dng為1.2×10-3；調節點u半徑Ru為25.7 μm，對應折射率差dnu為0.4×10-3，與延伸點e距離Ru-Re為0.5 μm；凹陷摻F層深度Δn2為-3.4×10-3；邊界處時延差為-0.097 1 ps/m，補償較佳，如圖8所示。

圖8 脈沖中心時延差隨半徑分布關系圖

不同光纖樣品與現有彎曲不敏感多模光纖(OM4)的性能比較如表3所示。由表可知，由于樣品1補償不足，其有效模式帶寬和1 300 nm處的滿注入帶寬小于現有彎曲不敏感多模光纖；樣品2補償較佳，其帶寬、彎曲損耗及衰減都優于現有彎曲不敏感多模光纖的相關性能。

表3 不同光纖樣品和現有彎曲不敏感多模光纖(OM4)的性能比較

4 結束語

本文從材料組成和剖面結構設計的角度，提出了改善寬帶彎曲不敏感多模光纖性能的措施。光纖從中心到外周依次包括纖芯、內包層、凹陷包層和外包層。一方面通過優化纖芯摻雜元素的濃度分布，降低最佳剖面折射率分布參數αopt與波長之間的敏感性，提高多模光纖的帶寬多波長特性；另一方面，在芯—包界面處采用連續可調節的剖面結構(內包層)，不僅可以減小芯層和凹陷包層粘度差對光纖性能的影響，而且還可以通過調節界面折射率，優化高階模在界面處的傳輸速率，提高光纖帶寬性能。為了突出新結構設計的優越性，本文制備了具有不同設計結構的光纖，并對不同光纖樣品進行了性能測試和討論，測試結果表明，該新設計結構的光纖不僅具有較高的帶寬特性，還具有較低的彎曲損耗。