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，人們對大容量光傳輸網(wǎng)絡(luò)的需求進一 步提高。在至少15年內(nèi)，帶寬需求仍將呈指數(shù)形式增長。然而即使采用先進的調(diào)制格式， 單根光纖的容量仍已逼近極限，"容量緊縮"問題日益顯現(xiàn)，如果沒有一個新的重大突破，光 纖傳輸容量的增長將無法跟上日益繁忙的長距離鏈路上的需求。
[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題。
[0004] 預(yù)計在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。為實現(xiàn)如此高的速率，傳統(tǒng)的單模光纖的設(shè)計有待突破。因此， 如何進一步提高單根光纖的容量成為一個重要的科學(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)部包含了若干個獨立的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光 纖，這些獨立的光波導(dǎo)要實現(xiàn)真正的獨立傳輸卻面臨諸多困難。
[0005] 古河電氣2009年申報的中國專利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，可以實現(xiàn)多個纖芯之間很低的串?dāng)_，并且可以實現(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)模化實現(xiàn)卻很困難，不宜實現(xiàn)大規(guī)模和 大段長的連續(xù)生產(chǎn)；另外雖然該專利聲稱可實現(xiàn)較容易的接續(xù)，但事實上只能是比全固結(jié) 構(gòu)的多芯光纖更加麻煩。古河電氣的美國專利US20100290750也描述了這類的光纖設(shè)計。
[0006] 住友中國專利201080004970. 9提出一種減小多個纖芯區(qū)域中相鄰的纖芯區(qū)域之 間串?dāng)_的光纖結(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)方式是在每個纖芯的周圍增加泄漏減少區(qū)；另外住友在其申報 的中國專利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，來用于減少傳輸損耗和非線性；其美國 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)來實現(xiàn)較低的信號串?dāng)_。這些設(shè)計在很大程度上滿足了實際研究和系統(tǒng)傳輸實驗的需 要。但是這些光纖設(shè)計無法滿足長距離的高速率傳輸需要，一是因為這些光纖設(shè)計難以實 現(xiàn)大規(guī)模均勻段長多芯光纖的生產(chǎn)，二是因為有效地對由于傳輸距離增加而損耗的光傳輸 信號進行放大的方法缺少行之有效的方案。隨后，住友又申報中國專利201110023976. 7以 及美國專利US20110206330提出了一種多芯光纖，采用滿足一定旋轉(zhuǎn)對稱性的多纖芯組的 方式來抑制偏振模色散增大，但實際上實現(xiàn)起來不具有可行性。抑制偏振模色散的方法只 有兩個，一個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，另一個是在拉絲過程中對光纖偏振模色散進行進步優(yōu)化。最近，住友申報中國專 利201180002289. 5,對多纖芯光纖上的視覺識別標記做了進一步專利訴求。
[0007] 與住友專利類似，OFSFitel申報的美國專利US20110274398提出了一種通過增 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、9個、或19個纖 芯，單個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。每個纖芯包含一個摻氟包層構(gòu)成的 溝渠結(jié)構(gòu)進一步降低串?dāng)_（crosstalk)。這種設(shè)計一個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纖芯的中心間距)，從 而會導(dǎo)致光纖的外直徑進一步增大，這不但會增加制造成本，而且也會惡化光纖彎曲性能 等其他特性。雖然該專利聲稱其光纖直徑仍然為125um，但是這樣一來在事實上是不能實 現(xiàn)19個纖芯之間的低串?dāng)_效果。另外美國專利US20110182557明確提出通過增大纖芯之 間的距離或者纖芯折射率相對差滿足一定的條件而達到抑制纖芯之間信號串?dāng)_的方法，也 面臨同樣的問題。
[0008] 從上述專利分析可以看出，目前對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：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)時都會產(chǎn)生耦合從而引起串?dāng)_。 我們自然想到通過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；或者通過提高模式限制，而這樣又可能會導(dǎo)致產(chǎn)生多?；蛘吣雒娣e減小，不利于 通信傳輸。另一個原因就是相位匹配，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，諧振引起的串?dāng)_將會得到積累加劇。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，不僅因為制造時會產(chǎn)生誤差，而且在鋪設(shè)時也 不可避免會產(chǎn)生彎曲變形或以隨機的角度呈螺旋狀。當(dāng)這些隨機干擾與模式耦合、異質(zhì)結(jié) 構(gòu)共同作用時，纖芯之間的串?dāng)_就會表現(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)_還可通過有意使得相鄰纖芯擁有不同的參雜 組分或者更廣泛地說擁有不同的傳播常數(shù)；降低串?dāng)_還有一個常用的辦法就是在每個纖芯 的周圍增加折射率較低的泄漏減少層來實現(xiàn)。另外通過實現(xiàn)純石英纖芯或者摻氯的石英纖 芯來實現(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，都沒有充分利用 這些技術(shù)手段，更沒有充分利用多芯光纖的自身特點，從而使多芯光纖發(fā)揮最強性能優(yōu)勢。
[0009] 因此，通過精心設(shè)置多芯光纖的各個纖芯結(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行商業(yè)競爭。這些挑戰(zhàn)是：必須實現(xiàn) 大的可擴展性(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(損 耗、偏振色散等);在真實系統(tǒng)中與所有元件有較好的兼容性。要實現(xiàn)多芯光纖的性能優(yōu)勢， 必須克服克服以上挑戰(zhàn)。
[0010] 保證一定數(shù)目的纖芯，且單個纖芯的性能參數(shù)達到與普通單芯光纖性能指標水 平時，在使用多芯光纖用于長距離傳輸時，與標準單模光纖一樣，必須引入光放大器。在 已報道的文獻中，國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)進行放大，具體實現(xiàn)方法