本發(fā)明涉及一種適用于模分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)的超低衰減少模光纖，屬于光纖通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來大數(shù)據(jù)、固定互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等帶來了數(shù)據(jù)ip流量和帶寬的指數(shù)級增長，網(wǎng)絡(luò)帶寬快速擴(kuò)張。據(jù)ciscovni預(yù)測，到2020年全球ip流量將會達(dá)到194eb/月。截止到2016年年底，光纖寬帶接入占比已達(dá)76.6％。作為光通信重要載體的光纖如何滿足大容量傳輸?shù)男枨?？基于波分?fù)用系統(tǒng)和edfa放大技術(shù)，傳統(tǒng)單模光纖的傳輸容量正逐步接近單根單模光纖100tb/s的香農(nóng)極限。從物理角度來講，光信號可以進(jìn)行五個(gè)方面的維度的復(fù)用，分別是時(shí)間、偏振、頻率、正交及空間。目前光通信技術(shù)中，高速信號正在采用多種復(fù)用技術(shù)，如時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用、偏振復(fù)用、正交振幅復(fù)用技術(shù)，近年來，基于空間維度上的復(fù)用技術(shù)，如空分復(fù)用和模分復(fù)用技術(shù)成為了光通信領(lǐng)域擴(kuò)展傳輸容量的研究熱點(diǎn)，而支持此項(xiàng)復(fù)用技術(shù)的就是多芯光纖、少模光纖、多芯少模光纖。

空分復(fù)用和模分復(fù)用技術(shù)可以打破傳統(tǒng)的香農(nóng)極限，是下一代支持實(shí)現(xiàn)更高帶寬的傳輸和解決傳輸容量問題的最好方法，被視為繼波分復(fù)用wdm技術(shù)后第二次技術(shù)革命。實(shí)驗(yàn)表明，使用少模光纖結(jié)合多輸入輸出(mimo)技術(shù)能夠在兩個(gè)和/或兩個(gè)以上的空間傳播模式下同時(shí)傳輸信號。并且mimo技術(shù)能夠補(bǔ)償模式間的相互耦合，經(jīng)過復(fù)用和解復(fù)用后，在接收端將各個(gè)空間模式分離開來。

在波動光學(xué)中，根據(jù)階躍型光纖的模式理論，芯層和包層的半徑尺寸以及折射率分布大小直接影響光纖中的線偏振模傳輸模式數(shù)目，此特性可以用歸一化頻率v來量化：其中a1是芯層半徑，n1是芯層折射率，n2是包層折射率。當(dāng)光纖波導(dǎo)設(shè)計(jì)滿足歸一化頻率v＜2.405的條件時(shí)，僅支持線偏振模lp01(也即he11模)，就是我們經(jīng)常提到的常規(guī)單模光纖；一旦v＞2.405光纖中傳輸模式會出現(xiàn)不止一個(gè)的高階傳輸模hom。因?yàn)槲覀兺ㄟ^適當(dāng)控制歸一化頻率的值在一定范圍，可以設(shè)計(jì)出支持指定數(shù)目個(gè)模式傳輸?shù)纳倌９饫w。如，當(dāng)2.405＜v＜3.8，支持2個(gè)lp模式(lp01，lp11)；3.8＜v＜5.1，則支持4個(gè)lp模式(lp01，lp11,lp21，lp02)。

隨著光放大技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)正向著更高傳輸功率和更長傳輸距離的方向發(fā)展。作為光纖通信系統(tǒng)中的重要傳輸媒質(zhì)，光纖的相關(guān)性能也必須有進(jìn)一步的提升，以滿足光纖通信系統(tǒng)實(shí)際發(fā)展的需要。光纖的衰減越小，光信號在這種媒質(zhì)中的傳輸距離越長，光通信系統(tǒng)的無中繼距離也越長，從而能顯著減少中繼站數(shù)量，在提高通信系統(tǒng)可靠性的同時(shí)使得建設(shè)和維護(hù)成本大幅降低；對單模光纖而言，光纖的衰減系數(shù)可以用公式(1)表示：

α＝r/λ⁴+αir+αim+αoh+αuv+b(1)

其中r為瑞利散射系數(shù),αir,αim,αoh,αuv分別代表紅外吸收，缺陷衰減，oh吸收，以及紫外吸收。在光纖材料中，由于某種遠(yuǎn)小于波長的不均勻性引起光的散射構(gòu)成光纖的散射損耗。其中瑞利散射為三種散射機(jī)理之一，為線性散射(不產(chǎn)生頻率的變化)。瑞利散射的特點(diǎn)是與波長的四次方成反比，由其引起的損耗與摻雜材料的種類與濃度有關(guān)。在光纖預(yù)制棒的制造過程中一般可以采用以下幾種方法來降低光纖衰減。比如，采用更高純度的原材料，提高生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備密封性能，降低外界雜質(zhì)引入的幾率。或者，采用更大外徑的預(yù)制棒制造工藝，通過大尺寸預(yù)制棒的稀釋效應(yīng)降低光纖的整體衰減。另外，在光纖制造過程中，裸光纖表面涂層的涂覆工藝也是影響光纖衰減性能的一個(gè)重要因素。但是，無論從理論上還是實(shí)際光纖制備中的成本和工藝控制上來講，降低光纖的摻雜并優(yōu)化光纖的剖面是最簡單且有效的降低光纖衰減的方法。一般來說，摻雜材料的濃度越低，則瑞利散射所引起的損耗越小。通過優(yōu)化芯層直徑和摻氟濃度等參數(shù)，不僅可以增大單模光纖的有效面積，而且可以有效的降低光纖中瑞利散射等造成損耗，是一種有效可靠的降低光纖衰減的方法。

超低衰減系列單模光纖已充分展示了其具有超低衰減的優(yōu)勢，要充分利用少模光纖中的每個(gè)傳輸模式進(jìn)行信號傳輸，就必須保證每個(gè)模式都具有較低衰減。對于少模光纖，則可認(rèn)為光纖中的每一個(gè)傳輸模式的衰減系數(shù)都遵循上述公式(1)。

文獻(xiàn)[davidboivinetal.weakly-coupledfew-modefibersforsingle-modeandmode-division-multiplexedtransmissions.ofc2013,oth3k.6(2013)]介紹了一種階躍2模光纖，衰減達(dá)到0.182db/km；文獻(xiàn)[fatihyamanetal.firstquasi-single-modetransmissionovertransoceanicdistanceusingfew-modefibers.ofc2015,pdpth5c.7(2015)]也提出一種2模光纖，lp01模式衰減僅為0.157db/km.而這兩種低衰減少模光纖均只支持2個(gè)模式。

對于大容量傳輸，希望開發(fā)一種既能支持兩個(gè)以上的多個(gè)穩(wěn)定傳輸模式，又具有超低衰減系數(shù)的少模光纖，充分利用每個(gè)超低衰減的模式進(jìn)行信息傳輸，在擴(kuò)大傳輸信息量方面，與常規(guī)超低衰減單模光纖相比具有不可比擬的優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為方便介紹發(fā)明內(nèi)容，定義如下術(shù)語：

預(yù)制棒：是由芯層和包層組成的徑向折射率分布符合光纖設(shè)計(jì)要求可直接拉制成所設(shè)計(jì)光纖的玻璃棒或組合體；

芯棒：含有芯層和部分包層的實(shí)心玻璃預(yù)制件；

半徑：該層外邊界與中心點(diǎn)之間的距離；

折射率剖面：光纖或光纖預(yù)制棒(包括芯棒)玻璃折射率與其半徑之間的關(guān)系；

相對折射率差：ni和n0分別為各對應(yīng)光纖各部分的折射率和純二氧化硅玻璃的折射率；

氟(f)的貢獻(xiàn)量：摻氟(f)石英玻璃相對于純二氧化硅玻璃的相對折射率差值(δf)，以此來表示摻氟(f)量；

鍺(ge)的貢獻(xiàn)量：摻鍺(ge)石英玻璃相對于純二氧化硅玻璃的相對折射率差值(δge)，以此來表示摻鍺(ge)量；

ovd工藝：用外部氣相沉積和燒結(jié)工藝制備所需厚度的石英玻璃；

vad工藝：用軸向氣相沉積和燒結(jié)工藝制備所需厚度的石英玻璃；

apvd外包工藝：用高頻等離子體焰將天然或合成石英粉熔制于芯棒表面制備所需厚度的sio2玻璃；

裸光纖：指光纖中不含涂覆層的玻璃絲。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于模分復(fù)用系統(tǒng)的超低衰減少模光纖，它不僅結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，具有超低衰減系數(shù)及較小的dgd(差分模群時(shí)延)，而且工藝簡單便于制作。

本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術(shù)方案為：包括芯層和包層，其特征在于所述芯層的相對折射率差δ1為0.02％～0.04％，半徑r1為8.2～10μm；所述的包層由內(nèi)向外依次包括第一內(nèi)包層、下陷內(nèi)包層、第二內(nèi)包層和外包層，所述的第一內(nèi)包層為緊密包繞芯層的內(nèi)包層，相對折射率差δ2為-0.36％～-0.33％，半徑r2為11μm～15μm，所述的下陷內(nèi)包層緊密包繞第一內(nèi)包層，其相對折射率差δ3為-0.85％～-0.6％，半徑r3為16.5μm～22μm，所述的第二內(nèi)包層緊密包繞下陷包層，其相對折射率差δ4為-0.37％～-0.34％，半徑r4為19μm～35μm，所述的外包層緊密圍繞第二內(nèi)包層，為純二氧化硅玻璃層。

按上述方案，所述的芯層為鍺(ge)氟(f)共摻的二氧化硅玻璃層。

按上述方案，所述光纖在1550nm波長支持4個(gè)穩(wěn)定的lp傳輸模式，分別為lp01，lp11，lp21，lp02。

按上述方案，所述光纖支持的四個(gè)模式在1550nm波長處的衰減系數(shù)均小于或等于0.170db/km，優(yōu)選條件下小于或等于0.165db/km。

按上述方案，所述光纖在1550nm波長處各個(gè)模式的dgd絕對值的最大值小于或等于5ps/m，優(yōu)選條件下小于或等于4ps/m。

按上述方案，所述光纖的lp01模式的有效面積為100～180μm²，優(yōu)選條件下為120～180μm²。

按上述方案，所述光纖的lp01模式在1550nm波長處的色散值小于或等于22ps/nm*km。

本發(fā)明的有益效果在于：1、合理設(shè)置芯包層結(jié)構(gòu)，減少芯層摻雜，并使光纖內(nèi)部的粘度匹配趨于合理，減少了光纖制備過程中缺陷，以及拉絲后光纖內(nèi)部的殘余應(yīng)力，從而達(dá)到光纖的超低衰減。2、本發(fā)明光纖在1550nm通信窗口支持四個(gè)線偏振光傳輸模式，四個(gè)模式均具有超低的衰減，可以在傳輸中充分利用每個(gè)模式進(jìn)行傳輸，能夠用于較長距離的大容量傳輸，可以在干線傳輸中減少建設(shè)相關(guān)基站及其他系統(tǒng)設(shè)備的成本。3、通過對光纖各纖芯層剖面的合理設(shè)計(jì)，以及下陷包層的設(shè)置，不僅使光纖具有較低的差分模群時(shí)延dgd，而且具有等于或大于100μm²的有效面積，在較佳參數(shù)范圍下，可以達(dá)到等于或大于120μm²的有效面積,此相對于單模光纖較大的有效面積有助于降低光纖非線性效應(yīng)。4、制備工藝簡單，最外層的外包層結(jié)構(gòu)采用了純二氧化硅的設(shè)計(jì)，降低了氟摻雜玻璃在光纖中的比重，從而降低了光纖制造成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的徑向截面示意圖。圖中10對應(yīng)光纖的芯層，20對應(yīng)光纖的第一內(nèi)包層，30對應(yīng)光纖的下陷內(nèi)包層，40對應(yīng)光纖的第二內(nèi)包層，50對應(yīng)光纖的外包層。

圖2為本發(fā)明的超低衰減少模光纖的折射率剖面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本實(shí)施例的裸光纖包括芯層和四層包層，如圖1所示。芯層10由摻氟(f)和鍺(ge)的石英玻璃的石英玻璃組成，由pcvd工藝制備；圍繞在芯層外有四個(gè)包層。第一內(nèi)包層20緊密圍繞芯層，由pcvd工藝制備的氟(f)和鍺(ge)共摻的石英玻璃組成；下陷內(nèi)包層30緊密圍繞第一內(nèi)包層，由摻氟(f)的石英玻璃組成，其相對折射率差δ3小于其它各個(gè)內(nèi)包層；第二內(nèi)包層40緊密圍繞下陷內(nèi)包層，由pcvd工藝制備的氟(f)和鍺(ge)共摻的石英玻璃組成，其折射率δ4低于第一內(nèi)包層δ2；外包層50為緊密圍繞第二內(nèi)包層的最外包層。該包層為純石英玻璃層，即相對折射率差為0％。圖2給出了本實(shí)施例光纖的折射率剖面結(jié)構(gòu)圖。

本實(shí)施例光纖的拉絲速度均為500～600m/min，光纖的玻璃部分外徑控制為125±0.7μm，涂覆層采用雙層涂覆工藝。

按照上述少模光纖的技術(shù)方案，在其所規(guī)定的范圍內(nèi)對光纖的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過已知的pcvd工藝、mcvd工藝、ovd工藝或vad工藝等芯棒制造工藝根據(jù)光纖的設(shè)計(jì)要求制造芯棒，通過套管工藝、ovd工藝或vad工藝等外包工藝來完成整個(gè)預(yù)制棒的制造。

所拉制光纖的折射率剖面使用nr-9200設(shè)備(exfo)進(jìn)行測試，光纖的折射率剖面以及f摻雜材料的主要參數(shù)如表1所示。

所拉制光纖的主要性能參數(shù)如表2所示。

數(shù)據(jù)表明，按照本發(fā)明的技術(shù)方案所制造的光纖，其在1550nm波長處支持四個(gè)穩(wěn)定的lp傳輸模式，分別是lp01，lp11，lp21和lp02。其中，該四個(gè)模式在1550nm波長處的衰減系數(shù)均小于或等于0.170db/km，優(yōu)選條件下小于或等于0.165db/km；在1550nm處的dgd的絕對值的最大值小于或等于5ps/m，優(yōu)選條件下小于或等于4ps/m；lp01模式在1550nm波長處的有效面積范圍為120～180μm²；在1550nm處的色散值小于22ps/nm*km。

表1：本發(fā)明實(shí)施例少模光纖的結(jié)構(gòu)和材料組成

表2：本發(fā)明實(shí)施例少模光纖的主要性能參數(shù)