一種多纖芯單模光纖及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光傳輸用的多纖芯單模光纖及其制造方法。屬于通信光纖技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球化因特網(wǎng)服務(wù)的普及與快速增長(zhǎng)，人們對(duì)大容量光傳輸網(wǎng)絡(luò)的需求進(jìn)一 步提高。在至少15年內(nèi)，帶寬需求仍將呈指數(shù)形式增長(zhǎng)。然而即使采用先進(jìn)的調(diào)制格式， 單根光纖的容量仍已逼近極限，"容量緊縮"問(wèn)題日益顯現(xiàn)，如果沒(méi)有一個(gè)新的重大突破，光 纖傳輸容量的增長(zhǎng)將無(wú)法跟上日益繁忙的長(zhǎng)距離鏈路上的需求。
[0003] 在接入網(wǎng)包括數(shù)據(jù)中心互聯(lián)應(yīng)用方面，用戶接入數(shù)量的提高和對(duì)更高帶寬的需 求，促使接入網(wǎng)需有能夠提供大容量通信的能力。如果仍采用現(xiàn)有的技術(shù)，將導(dǎo)致分支輸入 光纖數(shù)量的大幅增加，造成輸送管道里的擁塞問(wèn)題。
[0004] 預(yù)計(jì)在2015年，lOOGbit/s的以太網(wǎng)將得到普及，單根光纖將需要傳輸IOTbit/ S甚至更高速率的信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)如此高的速率，傳統(tǒng)的單模光纖的設(shè)計(jì)有待突破。因此， 如何進(jìn)一步提高單根光纖的容量成為一個(gè)重要的科學(xué)命題。在此背景下，利用了空分復(fù)用 (SpaceDivisionMultiplexing)技術(shù)的多芯光纖（Multi-CoreFiber，MCF)是非常重要 的光纖發(fā)展方向。多芯光纖指的是在同一根光纖內(nèi)部包含了若干個(gè)獨(dú)立的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光 纖，這些獨(dú)立的光波導(dǎo)要實(shí)現(xiàn)真正的獨(dú)立傳輸卻面臨諸多困難。
[0005] 古河電氣2009年申報(bào)的中國(guó)專利200980150769. 9中提出一種借助微結(jié)構(gòu)空氣孔 作為包層區(qū)的多芯光纖，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)纖芯之間很低的串?dāng)_，并且可以實(shí)現(xiàn)光纖的單一材 料組分，但是這種包含眾多的氣孔的光纖結(jié)構(gòu)的規(guī)?；瘜?shí)現(xiàn)卻很困難，不宜實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和 大段長(zhǎng)的連續(xù)生產(chǎn)；另外雖然該專利聲稱可實(shí)現(xiàn)較容易的接續(xù)，但事實(shí)上只能是比全固結(jié) 構(gòu)的多芯光纖更加麻煩。古河電氣的美國(guó)專利US20100290750也描述了這類的光纖設(shè)計(jì)。
[0006] 住友中國(guó)專利201080004970. 9提出一種減小多個(gè)纖芯區(qū)域中相鄰的纖芯區(qū)域之 間串?dāng)_的光纖結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)方式是在每個(gè)纖芯的周圍增加泄漏減少區(qū)；另外住友在其申報(bào) 的中國(guó)專利201110056291. 2中提出一種多芯光纖，采用純石英纖芯或者摻雜氯元素的石 英材料作為纖芯，另外輔以摻氟石英材料作為包層，來(lái)用于減少傳輸損耗和非線性；其美國(guó) 專US20110222828也提出了同樣的多芯光纖且采用相鄰纖芯之間不同芯區(qū)摻氯量的異質(zhì) 結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的信號(hào)串?dāng)_。這些設(shè)計(jì)在很大程度上滿足了實(shí)際研究和系統(tǒng)傳輸實(shí)驗(yàn)的需 要。但是這些光纖設(shè)計(jì)無(wú)法滿足長(zhǎng)距離的高速率傳輸需要，一是因?yàn)檫@些光纖設(shè)計(jì)難以實(shí) 現(xiàn)大規(guī)模均勻段長(zhǎng)多芯光纖的生產(chǎn)，二是因?yàn)橛行У貙?duì)由于傳輸距離增加而損耗的光傳輸 信號(hào)進(jìn)行放大的方法缺少行之有效的方案。隨后，住友又申報(bào)中國(guó)專利201110023976. 7以 及美國(guó)專利US20110206330提出了一種多芯光纖，采用滿足一定旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的多纖芯組的 方式來(lái)抑制偏振模色散增大，但實(shí)際上實(shí)現(xiàn)起來(lái)不具有可行性。抑制偏振模色散的方法只 有兩個(gè)，一個(gè)是改善光纖芯棒制造工藝以及參雜組分的合理性，提高纖芯材料和應(yīng)力分布 的均勻性，另一個(gè)是在拉絲過(guò)程中對(duì)光纖偏振模色散進(jìn)行進(jìn)步優(yōu)化。最近，住友申報(bào)中國(guó)專 利201180002289. 5,對(duì)多纖芯光纖上的視覺(jué)識(shí)別標(biāo)記做了進(jìn)一步專利訴求。
[0007] 與住友專利類似，OFSFitel申報(bào)的美國(guó)專利US20110274398提出了一種通過(guò)增 加纖芯之間距離而減少纖芯之間相互串?dāng)_的多芯光纖，該光纖可擁有6個(gè)、9個(gè)、或19個(gè)纖 芯，單個(gè)纖芯可擁有類似多模光纖的漸變折射率剖面。纖芯直徑在6到10微米，間距30到 50微米，芯-包折射率差異在0. 004到0. 010之間。每個(gè)纖芯包含一個(gè)摻氟包層構(gòu)成的 溝渠結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低串?dāng)_（crosstalk)。這種設(shè)計(jì)一個(gè)重要的限制就是要增加單一光纖所 包含的纖芯數(shù)量就必須增加節(jié)距(節(jié)距指的是多芯光纖中相鄰的兩個(gè)纖芯的中心間距)，從 而會(huì)導(dǎo)致光纖的外直徑進(jìn)一步增大，這不但會(huì)增加制造成本，而且也會(huì)惡化光纖彎曲性能 等其他特性。雖然該專利聲稱其光纖直徑仍然為125um，但是這樣一來(lái)在事實(shí)上是不能實(shí) 現(xiàn)19個(gè)纖芯之間的低串?dāng)_效果。另外美國(guó)專利US20110182557明確提出通過(guò)增大纖芯之 間的距離或者纖芯折射率相對(duì)差滿足一定的條件而達(dá)到抑制纖芯之間信號(hào)串?dāng)_的方法，也 面臨同樣的問(wèn)題。
[0008] 從上述專利分析可以看出，目前對(duì)于光傳輸用多芯光纖的研究主要是盡量降低纖 芯間串?dāng)_并減少各纖芯的光泄露。引起多芯光纖各纖芯之間串?dāng)_的原因有兩個(gè)：一是由于 纖芯之間傳輸光波的模式耦合，當(dāng)纖芯距離在一定范圍內(nèi)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生耦合從而引起串?dāng)_。 我們自然想到通過(guò)增大纖芯間距離減小耦合從而降低串?dāng)_，但是這將限制纖芯數(shù)目影響傳 輸容量；或者通過(guò)提高模式限制，而這樣又可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生多模或者模場(chǎng)面積減小，不利于 通信傳輸。另一個(gè)原因就是相位匹配，同質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖各纖芯折射率相同，由于相位匹配引起 諧振耦合，雖然很微弱，但當(dāng)距離增大時(shí)，諧振引起的串?dāng)_將會(huì)得到積累加劇。那么，顯然異 質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖各纖芯由于折射率不同，相位不匹配避免諧振，從而抑制了串?dāng)_。而在實(shí)際應(yīng)用 中，不存在理想的同質(zhì)結(jié)構(gòu)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖，不僅因?yàn)橹圃鞎r(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，而且在鋪設(shè)時(shí)也 不可避免會(huì)產(chǎn)生彎曲變形或以隨機(jī)的角度呈螺旋狀。當(dāng)這些隨機(jī)干擾與模式耦合、異質(zhì)結(jié) 構(gòu)共同作用時(shí)，纖芯之間的串?dāng)_就會(huì)表現(xiàn)出更加復(fù)雜的情況。降低串?dāng)_通常采用的方法就 是增大纖芯間距，但這也大大限制了多芯光纖的纖芯數(shù)量，從而降低通信容量，同時(shí)還將導(dǎo) 致通信系統(tǒng)需要的泵浦光能量增加；降低串?dāng)_還可通過(guò)有意使得相鄰纖芯擁有不同的參雜 組分或者更廣泛地說(shuō)擁有不同的傳播常數(shù)；降低串?dāng)_還有一個(gè)常用的辦法就是在每個(gè)纖芯 的周圍增加折射率較低的泄漏減少層來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外通過(guò)實(shí)現(xiàn)純石英纖芯或者摻氯的石英纖 芯來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的傳輸損耗和非線性效應(yīng)。但是上述關(guān)于多芯光纖的設(shè)計(jì)，都沒(méi)有充分利用 這些技術(shù)手段，更沒(méi)有充分利用多芯光纖的自身特點(diǎn)，從而使多芯光纖發(fā)揮最強(qiáng)性能優(yōu)勢(shì)。
[0009] 因此，通過(guò)精心設(shè)置多芯光纖的各個(gè)纖芯結(jié)構(gòu)參數(shù)，并選擇合適的異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖 的相位不匹配系數(shù)（即經(jīng)由折射率差)，我們就能盡可能降低纖芯之間的串?dāng)_。最終地，多芯 光纖必須克服許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，才可以與普通光纖進(jìn)行商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。這些挑戰(zhàn)是：必須實(shí)現(xiàn) 大的可擴(kuò)展性(纖芯數(shù)目）；在很大程度上具有高于(至少不弱于）普通光纖的性能指標(biāo)(損 耗、偏振色散等);在真實(shí)系統(tǒng)中與所有元件有較好的兼容性。要實(shí)現(xiàn)多芯光纖的性能優(yōu)勢(shì)， 必須克服克服以上挑戰(zhàn)。
[0010] 保證一定數(shù)目的纖芯，且單個(gè)纖芯的性能參數(shù)達(dá)到與普通單芯光纖性能指標(biāo)水 平時(shí)，在使用多芯光纖用于長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖一樣，必須引入光放大器。在 已報(bào)道的文獻(xiàn)中，國(guó)際上普遍采用的光放大方案為利用摻鉺光纖放大器（Erbium-doped OpticalFiberAmplifier)進(jìn)行放大，具體實(shí)現(xiàn)方法