一种多纤芯单模光纤及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光传输用的多纤芯单模光纤及其制造方法。属于通信光纤技术领 域。
【背景技术】
[0002] 随着全球化因特网服务的普及与快速增长，人们对大容量光传输网络的需求进一 步提高。在至少15年内，带宽需求仍将呈指数形式增长。然而即使采用先进的调制格式， 单根光纤的容量仍已逼近极限，"容量紧缩"问题日益显现，如果没有一个新的重大突破，光 纤传输容量的增长将无法跟上日益繁忙的长距离链路上的需求。
[0003] 在接入网包括数据中心互联应用方面，用户接入数量的提高和对更高带宽的需 求，促使接入网需有能够提供大容量通信的能力。如果仍采用现有的技术，将导致分支输入 光纤数量的大幅增加，造成输送管道里的拥塞问题。
[0004] 预计在2015年，lOOGbit/s的以太网将得到普及，单根光纤将需要传输IOTbit/ S甚至更高速率的信号。为实现如此高的速率，传统的单模光纤的设计有待突破。因此， 如何进一步提高单根光纤的容量成为一个重要的科学命题。在此背景下，利用了空分复用 (SpaceDivisionMultiplexing)技术的多芯光纤（Multi-CoreFiber，MCF)是非常重要 的光纤发展方向。多芯光纤指的是在同一根光纤内部包含了若干个独立的光波导结构的光 纤，这些独立的光波导要实现真正的独立传输却面临诸多困难。
[0005] 古河电气2009年申报的中国专利200980150769. 9中提出一种借助微结构空气孔 作为包层区的多芯光纤，可以实现多个纤芯之间很低的串扰，并且可以实现光纤的单一材 料组分，但是这种包含众多的气孔的光纤结构的规模化实现却很困难，不宜实现大规模和 大段长的连续生产；另外虽然该专利声称可实现较容易的接续，但事实上只能是比全固结 构的多芯光纤更加麻烦。古河电气的美国专利US20100290750也描述了这类的光纤设计。
[0006] 住友中国专利201080004970. 9提出一种减小多个纤芯区域中相邻的纤芯区域之 间串扰的光纤结构，其实现方式是在每个纤芯的周围增加泄漏减少区；另外住友在其申报 的中国专利201110056291. 2中提出一种多芯光纤，采用纯石英纤芯或者掺杂氯元素的石 英材料作为纤芯，另外辅以掺氟石英材料作为包层，来用于减少传输损耗和非线性；其美国 专US20110222828也提出了同样的多芯光纤且采用相邻纤芯之间不同芯区掺氯量的异质 结构来实现较低的信号串扰。这些设计在很大程度上满足了实际研究和系统传输实验的需 要。但是这些光纤设计无法满足长距离的高速率传输需要，一是因为这些光纤设计难以实 现大规模均匀段长多芯光纤的生产，二是因为有效地对由于传输距离增加而损耗的光传输 信号进行放大的方法缺少行之有效的方案。随后，住友又申报中国专利201110023976. 7以 及美国专利US20110206330提出了一种多芯光纤，采用满足一定旋转对称性的多纤芯组的 方式来抑制偏振模色散增大，但实际上实现起来不具有可行性。抑制偏振模色散的方法只 有两个，一个是改善光纤芯棒制造工艺以及参杂组分的合理性，提高纤芯材料和应力分布 的均匀性，另一个是在拉丝过程中对光纤偏振模色散进行进步优化。最近，住友申报中国专 利201180002289. 5,对多纤芯光纤上的视觉识别标记做了进一步专利诉求。
[0007] 与住友专利类似，OFSFitel申报的美国专利US20110274398提出了一种通过增 加纤芯之间距离而减少纤芯之间相互串扰的多芯光纤，该光纤可拥有6个、9个、或19个纤 芯，单个纤芯可拥有类似多模光纤的渐变折射率剖面。纤芯直径在6到10微米，间距30到 50微米，芯-包折射率差异在0. 004到0. 010之间。每个纤芯包含一个掺氟包层构成的 沟渠结构进一步降低串扰（crosstalk)。这种设计一个重要的限制就是要增加单一光纤所 包含的纤芯数量就必须增加节距(节距指的是多芯光纤中相邻的两个纤芯的中心间距)，从 而会导致光纤的外直径进一步增大，这不但会增加制造成本，而且也会恶化光纤弯曲性能 等其他特性。虽然该专利声称其光纤直径仍然为125um，但是这样一来在事实上是不能实 现19个纤芯之间的低串扰效果。另外美国专利US20110182557明确提出通过增大纤芯之 间的距离或者纤芯折射率相对差满足一定的条件而达到抑制纤芯之间信号串扰的方法，也 面临同样的问题。
[0008] 从上述专利分析可以看出，目前对于光传输用多芯光纤的研究主要是尽量降低纤 芯间串扰并减少各纤芯的光泄露。引起多芯光纤各纤芯之间串扰的原因有两个：一是由于 纤芯之间传输光波的模式耦合，当纤芯距离在一定范围内时都会产生耦合从而引起串扰。 我们自然想到通过增大纤芯间距离减小耦合从而降低串扰，但是这将限制纤芯数目影响传 输容量；或者通过提高模式限制，而这样又可能会导致产生多模或者模场面积减小，不利于 通信传输。另一个原因就是相位匹配，同质结构光纤各纤芯折射率相同，由于相位匹配引起 谐振耦合，虽然很微弱，但当距离增大时，谐振引起的串扰将会得到积累加剧。那么，显然异 质结构光纤各纤芯由于折射率不同，相位不匹配避免谐振，从而抑制了串扰。而在实际应用 中，不存在理想的同质结构或异质结构光纤，不仅因为制造时会产生误差，而且在铺设时也 不可避免会产生弯曲变形或以随机的角度呈螺旋状。当这些随机干扰与模式耦合、异质结 构共同作用时，纤芯之间的串扰就会表现出更加复杂的情况。降低串扰通常采用的方法就 是增大纤芯间距，但这也大大限制了多芯光纤的纤芯数量，从而降低通信容量，同时还将导 致通信系统需要的泵浦光能量增加；降低串扰还可通过有意使得相邻纤芯拥有不同的参杂 组分或者更广泛地说拥有不同的传播常数；降低串扰还有一个常用的办法就是在每个纤芯 的周围增加折射率较低的泄漏减少层来实现。另外通过实现纯石英纤芯或者掺氯的石英纤 芯来实现较低的传输损耗和非线性效应。但是上述关于多芯光纤的设计，都没有充分利用 这些技术手段，更没有充分利用多芯光纤的自身特点，从而使多芯光纤发挥最强性能优势。
[0009] 因此，通过精心设置多芯光纤的各个纤芯结构参数，并选择合适的异质结构光纤 的相位不匹配系数（即经由折射率差)，我们就能尽可能降低纤芯之间的串扰。最终地，多芯 光纤必须克服许多技术上的挑战，才可以与普通光纤进行商业竞争。这些挑战是：必须实现 大的可扩展性(纤芯数目）；在很大程度上具有高于(至少不弱于）普通光纤的性能指标(损 耗、偏振色散等);在真实系统中与所有元件有较好的兼容性。要实现多芯光纤的性能优势， 必须克服克服以上挑战。
[0010] 保证一定数目的纤芯，且单个纤芯的性能参数达到与普通单芯光纤性能指标水 平时，在使用多芯光纤用于长距离传输时，与标准单模光纤一样，必须引入光放大器。在 已报道的文献中，国际上普遍采用的光放大方案为利用掺铒光纤放大器（Erbium-doped OpticalFiberAmplifier)进行放大，具体实现方法