宽带弯曲不敏感多模光纤

沈一春，蒋新力，范艳层，许维维

(中天科技精密材料有限公司，江苏 南通 226000)

0 引 言

近年来，随着光纤接入(Fiber To The X，FTTX)、物联网、云计算和云存储等新技术的迅速发展，网络数据通信量呈指数级上升趋势，对多模光纤的传输性能要求不断提高。尤其在数据中心这类大型局域网系统中，高速数据传输需要在有限空间内布放更多光纤链路，光纤经常会经受不同程度的弯曲，而在多模光纤中传输的高阶模很容易在光纤弯曲时从包层中泄漏出去，光纤衰减增加，从而可能会导致信号失真，增加了系统出现误码的可能。因此，为了满足未来400 Gbit/s，甚至是1 Tbit/s以太网数据传输，需要开发兼备高传输容量和低弯曲损耗性能的多模光纤[1-7]。

为了获得较高的传输容量，光纤应有尽可能宽的带宽。可通过调整剖面折射率分布指数α来有效控制模间色散，进而提高带宽性能[8]。

然而在实际传输过程中，有些高阶模无法被完全限制在芯层内，会有部分在包层传输，由于芯—包边界处的折射率突变，高阶模式不能被适当补偿，带宽性能降低。这种包层界面效应对带宽有影响，在弯曲不敏感多模光纤中尤其凸显。现有关于高带宽弯曲不敏感多模光纤的报导主要是通过在芯层和凹陷层之间增加和调整平台层深度折射率差和宽度以及采用多环结构等方式来提高带宽性能。然而，受到光纤几何尺寸限制，现有设计仍不能有效抵消界面效应对带宽的影响[9-11]。

1 光纤材料组成优化设计

为解决市场对光纤带宽容量不断提升的需求，非常有必要在高带宽和高抗弯曲性能且满足多模光纤标准的前提下，降低最优剖面折射率分布参数αopt与波长之间的敏感性，优化带宽的多波长特性。

通信用多模光纤纤芯渐变区域设计，传统上主要通过调节GeO2、F或P2O5的掺杂量来控制折射率剖面的分布，优化剖面折射率分布参数α，从而调节光纤的带宽。本文通过显著提高和优化不同纤芯半径位置F或/和P2O5的摩尔浓度来实现在较宽波长范围(800～1 500 nm)内减小各波长间αopt的差值Δαopt。

针对由GeO2/F/P2O5共掺组成的玻璃芯层，P2O5和F在芯层的摩尔浓度随半径的变化如图1所示。

多模光纤芯层GeO2、F及P2O5共掺的掺杂物浓度设计及Δαopt如表1所示。图2所示为αopt与波长间的关系图。波长范围为850～950 nm时Δαopt范围为0.016～0.023，波长范围为850～1 300 nm时Δαopt范围为0.053～0.086。

表1 多模光纤芯层掺杂物浓度设计及Δαopt

图2 GeO2/F/P2O5共掺宽带弯曲不敏感多模光纤αopt与波长之间的关系图

由上文可知，通过对多模光纤纤芯材料组分的优化设计，最佳剖面折射率分布参数αopt与波长之间的敏感性大幅降低。

图3所示为材料组分优化前后多模光纤带宽与波长的关系图。曲线31为未经优化(掺杂)的多模光纤在890 nm波长的最佳剖面折射率分布参数αopt_890条件下光纤带宽随波长的变化；曲线32为经过优化后(掺杂)的多模光纤带宽随波长的变化；曲线33为OM3多模光纤的带宽要求；曲线34为OM4多模光纤的带宽要求。可见，经过材料组分优化后的多模光纤，由于αopt与波长间的敏感性大幅降低，故带宽的多波长特性得到了显著优化。

图3 材料组分优化前后多模光纤带宽与波长的关系图

2 光纤结构优化设计

为提升光纤带宽，除了对材料组分优化设计外，光纤结构的优化设计也非常关键。图4所示为脉冲中心时延差随光纤半径分布的模拟结果，由图可知，芯层边界无补偿、补偿不足和补偿过大均会对光纤外芯层高阶模传输速率产生影响，造成时延差增大，如何实现边界处补偿连续可调是本文光纤剖面设计需要解决的关键问题。

图4 脉冲中心时延差随光纤半径分布关系图

本文提出了一种新颖的宽带弯曲不敏感多模光纤结构，光纤从中心到外周依次包括纤芯、内包层、凹陷包层和外包层，如图5所示。

图5 宽带弯曲不敏感多模光纤剖面设计示意图

纤芯由中心向外延伸距离Rg形成，其折射率剖面呈α幂指数函数分布，其中心折射率与外包层折射率差为Δn1，边界Rg处相对外包层折射率差为dng；内包层为从距离纤芯中心Rg处向外延伸距离Ru-Rg形成，与芯层交界点为g，其折射率n(r)呈线性或近似抛物线分布，与水平方向夹角θ<45°，与凹陷包层交界点为u，相对外包层折射率差为dnu，且根据设计带宽要求，u点位置可沿水平和垂直方向连续调节；芯层抛物线剖面延伸点为e，半径为Re，相对外包层折射率差dne=dnu；凹陷包层为从距离内包层Ru处向外延伸距离Rf-Ru形成，相对外包层折射率差为Δn2；外包层由Rf至Rmax区域形成，一般为纯石英材料，其折射率为nc=nSiO2。

光纤预制棒由芯棒和外包层组成。本文芯棒采用改进型化学气相沉积(Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD)，芯棒结构包含纤芯、内包层和凹陷包层。光纤预制棒通过拉丝工艺得到光纤样品。各光纤样品的结构参数如表2所示。

表2 不同结构设计光纤的结构参数

采用光纤分析系统PK2500对样品带宽和脉冲时延差进行分析测试，采用光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)测试分析样品的衰减特性，采用CD400测试分析样品弯曲损耗性能。

3 结果和分析

多模光纤纤芯渐变区域设计传统上主要通过调节GeO2、F或P2O5的掺杂量控制折射率剖面的分布，优化剖面折射率分布参数α，从而调节光纤的带宽。通过对纤芯材料组分的优化设计，最佳剖面折射率分布参数αopt与波长之间的敏感性大幅降低，进而优化带宽多波长特性。

此外，由于芯层与内包层之间存在折射率突变，高阶模式不能被适当补偿，往往在差模延迟(Differential Mode Delay，DMD)测量中会出现边界处高阶模显示出多脉冲，这种边界效应尤其在有深掺氟多模剖面中凸显。理论上可通过优化内包层折射率曲线分布和角度参数变化来连续调节边界处高阶模传输速率，从而有效减小或抑制包层界面效应，提高带宽。本文通过调整u点的半径或相对折射率差来改变高阶模的延迟，随着Ru和/或折射率差dnu的增加，补偿增大，高阶模延迟减小，相反Ru和/或折射率差dnu减小时，补偿减小，高阶模延迟增大。

本设计中，纤芯中心的折射率差Δn1为0.013～0.016，纤芯折射率渐变区域Rg为22～32 μm。内包层折射率为线性或近似抛物线变化，其宽度(Ru-Rg)为0.8～2.0 μm，拐点g相对外包层折射率差dng的范围为0.000 5～0.002 0，调节点u相对外包层折射率差dnu的范围为-0.000 5～0.000 5，抛物线延伸点与拐点g半径差Re-Rg范围为0.2～1.0 μm。凹陷包层可通过掺氟实现，其掺氟宽度为2.5～5.5 μm，折射率下陷差Δn2为-0.003～-0.006。包层半径Rmax为62.5±2.5 μm，剖面折射率分布参数α为1.90～2.10。

本设计光纤样品1和样品2的测试长度为8.8 km，折射率剖面图及实物图分别如图6和7所示。

图6 样品折射率剖面图

图7 样品实物图

样品1，Ru-Rg为1.0 μm；拐点处半径Rg为25.1 μm，对应折射率差dng为1.35×10-3；调节点u半径Ru为27.0 μm，对应折射率差dnu为-0.54×10-3，与延伸点e距离Ru-Re为0.2 μm；凹陷掺F层深度Δn2为-5.1×10-3；边界处时延差为0.068 8 ps/m，补偿不足，如图8所示。

样品2，Ru-Rg为1.1 μm；拐点处半径Rg为24.3 μm，对应折射率差dng为1.2×10-3；调节点u半径Ru为25.7 μm，对应折射率差dnu为0.4×10-3，与延伸点e距离Ru-Re为0.5 μm；凹陷掺F层深度Δn2为-3.4×10-3；边界处时延差为-0.097 1 ps/m，补偿较佳，如图8所示。

图8 脉冲中心时延差随半径分布关系图

不同光纤样品与现有弯曲不敏感多模光纤(OM4)的性能比较如表3所示。由表可知，由于样品1补偿不足，其有效模式带宽和1 300 nm处的满注入带宽小于现有弯曲不敏感多模光纤；样品2补偿较佳，其带宽、弯曲损耗及衰减都优于现有弯曲不敏感多模光纤的相关性能。

表3 不同光纤样品和现有弯曲不敏感多模光纤(OM4)的性能比较

4 结束语

本文从材料组成和剖面结构设计的角度，提出了改善宽带弯曲不敏感多模光纤性能的措施。光纤从中心到外周依次包括纤芯、内包层、凹陷包层和外包层。一方面通过优化纤芯掺杂元素的浓度分布，降低最佳剖面折射率分布参数αopt与波长之间的敏感性，提高多模光纤的带宽多波长特性；另一方面，在芯—包界面处采用连续可调节的剖面结构(内包层)，不仅可以减小芯层和凹陷包层粘度差对光纤性能的影响，而且还可以通过调节界面折射率，优化高阶模在界面处的传输速率，提高光纤带宽性能。为了突出新结构设计的优越性，本文制备了具有不同设计结构的光纤，并对不同光纤样品进行了性能测试和讨论，测试结果表明，该新设计结构的光纤不仅具有较高的带宽特性，还具有较低的弯曲损耗。