一种低串扰大模场面积多芯光纤及其制备方法与流程

本发明属于光纤技术领域，具体的涉及一种低串扰大模场面积多芯光纤及其制备方法。

背景技术：

近年来，光纤通信以及光网络的高速发展促使能够实现大容量传输的光纤成为研究热点，如少模光纤、多芯光纤等。其中，基于空分复用的多芯光纤可在不增加光缆铺设空间和费用的情况下实现对光纤的扩容，更好地克服单模光纤传输容量的限制。研究多芯光纤将具有重要的应用前景。

多芯光纤，是同一包层中容纳多个纤芯的光纤，通过多个纤芯传播光信号。按照工作原理分类，主要分为传输型和耦合型多芯光纤。其中，传输型多芯光纤又被称为弱耦合型多芯光纤，其芯子间距较大，芯间能量耦合较小且每个芯子中的模式独立传输，多被用于信息的大容量传输。最新的研究结果显示，多芯光纤已经在光纤通信以及光网络领域中扮演着重要的角色，例如，在传输容量方面，基于双环形纤芯结构的31km长度的22芯多芯光纤实现了2.15Pbit/s的系统传输容量；在传输距离方面，基于单环纤芯结构的46km长度的12芯多芯光纤实现了105Tbit/s容量光信号最远26圈共计14350km传输。此外，多芯光纤还可用于大容量通信网所需高性能激光器、放大器、耦合器等重要光电子器件的研制。多芯光纤在未来大容量通信系统的发展中具有举足轻重的地位。

现有的传输型多芯光纤主要有：沟槽辅助型多芯光纤，采用沟槽辅助型折射率剖面减小芯间光耦合，实现小芯间距离和低串扰，但该方案使光纤折射率设计复杂，制作成本提高，需精确控制折射率分布，不易大规模商用化生产；另一种异质结构多芯光纤，通过增加各芯区之间光信号的传播常数差异，降低由于光纤弯曲引入的芯间串扰，但该方案不同纤芯设计将引入光传输时延差，不仅会增加传输损耗，且对于生产工艺和熔接工艺都提出了更高的要求。

中国专利CN103376501B，公开了一种多芯光纤，多个芯部，其沿着光纤轴线延伸；以及光学包层，其由石英玻璃形成并围绕所述多个芯部，其中，所述多个芯部中的两个相邻芯部之间的折射率差和直径均不同，芯部结构变化参数△(△n)/△(2a)为负值，△(△n)表示所述芯部之间的折射率差变化量并且以百分比表示，△(2a)表示所述芯部之间的直径变化量并且以微米表示，经由所述多个芯部传播的光信号之间的时滞为1ps/m以下，并且所述多个芯部中的所述两个相邻芯部之间的传播常数差大于0，该发明虽然可以减小芯部之间的时滞和串扰，但是为达到减少串扰的作用需要任意两个相邻的芯部直径均不相同，并且该专利需要在每一个芯部外沉积一光学包层，之后在芯部以及光学包层外有一和光学包层折射率相同的护套，组成结构复杂，并且芯部直径较小，再在较小芯部外沉积一定厚度的光学包层，制作工艺要求精度高，增加了制作成本。

中国专利CN105837025A，公开了一种高效制备掺杂光纤预制棒的方法及掺杂光纤预制棒，涉及光纤预制棒领域。该方法步骤如下：将稀土材料或功能金属材料与共掺剂配制成掺杂溶液，将高纯石英粉体与掺杂溶液混合，在100℃～150℃温度下烘干12～48小时，粉碎，筛选，得到掺杂石英粉体；将掺杂石英粉体沉积在靶棒的表面，形成掺杂芯层；将掺杂石英粉体替换为高纯石英粉体，使高纯石英粉体沉积在掺杂芯层的表面形成石英外包层；去除靶棒，将掺杂芯层和石英外包层形成的整体在高温下逐步熔缩，得到掺杂光纤预制棒。虽然该方法能够有效减少杂质引入，提高光纤预制棒的掺杂均匀性；但是该方法工艺繁琐，只是单用于单芯光纤预制棒的制备。

中国专利CN107601838A，公开了一种多芯光纤预制棒的制造方法，其所制备的光纤中包含若干个独立纤芯，分别制作纤芯、预制棒包层，所述纤芯包括芯子、芯包层，其中芯子由化学气相沉积VAD工艺制备并掺锗；所述芯包层为VAD工艺制备、并掺氟烧结套柱后打孔；之后将芯子与芯包层融缩形成纤芯，再将纤芯插入所述预制棒包层的对应深钻孔中，但是此方法工艺复杂，需要对每一个芯子配备一个芯包层达到不串扰的目的。

技术实现要素：

针对以上现有技术问题，本发明提供一种低串扰大模场面积多芯光纤及其制备方法，以解决大容量传输的低串扰大模场面积多芯光纤折射率设计复杂，技术成本高，生产难度大的难题。

本发明的技术方案为：一种低串扰大模场面积多芯光纤，其特征在于：包括中芯、围绕在中芯外的包覆层I，以及沿光纤轴线延伸且呈正多边形排列的多个旁芯，覆盖中芯、包覆层I和多个旁芯的包覆层II。

进一步，所述中芯具有最高有效折射率n1，多个旁芯具有相同的第二高有效折射率n2，包覆层I具有第三高有效折射率n3，包覆层II具有第四高有效折射率n4，且n1＞n2＞n3＞n4，n4＞1.4500，n1与n2的差值为0.0001-0.0010范围的任意值，n1与n3的差值为0.0010-0.0050范围的任意值，n2与n3的差值为0.0001-0.0010范围的任意值，n3与n4的差值为0.0010-0.0050范围的任意值。

进一步，所述中芯的芯直径范围为8-10μm，包覆层I的直径范围为22-27μm，所述多个旁芯中任意两个旁芯的直径可相同或不同，旁芯的直径范围为8-10μm，所述包覆层II形成无孔口结构并覆盖中芯、包覆层I和多个旁芯，包覆层II的直径为120-130μm中的任意值。

进一步，所述多个旁芯采用密集排列方式在中芯外形成正多边形，旁芯的数目不低于3个，优选6个，所述多个旁芯中任意两个相邻旁芯的芯间距为33.5-42μm范围的任意值，并且互不接触，所述多个旁芯形成的正多边形中任意一个旁芯到中芯的芯间距相同，芯间距为33.5-42μm范围的任意值。

本发明还提供了一种低串扰大模场面积多芯光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备中芯，在玻璃套管上沉积选择性掺杂金属元素或非金属元素的高纯度的SiO2，制备中芯；

制备包覆层I，中芯轴向外部气相沉积掺杂二氧化硅，形成包覆层I；

制备包覆层II，包覆层I轴向外部气相沉积掺杂氟元素的二氧化硅，形成包覆层II；

制备旁芯，利用钻孔工艺在包覆层II上打孔，孔内沉积多个旁芯；

拉丝，形成多芯光纤。

进一步，所述金属元素为锗、锑、铒、镱、镨、铥、钠、钾中的一种或其任意组合，任意组合时其中一组分为锗元素，所述锗元素选自GeCl4、GeBr4、GeF4、GeO2、GeNa2O3中的一种或任意两种的组合，金属元素的掺杂量不高于摩尔百分比的9％；所述非金属元素为磷，所述磷元素选自P2O5、POCl3、PCl3、PCl5中的一种或其任意组合，非金属元素的掺杂量不高于摩尔百分比的5％，优选制备中芯时掺入单一元素锗，锗元素掺杂量不高于摩尔百分比的9％，优选3.3％，锗元素选自GeO2，GeO2均匀分散于SiO2中。

进一步，所述掺杂二氧化硅是由纯度为99.99％的SiCl4与掺杂物按一定比例混合，搅拌均匀，并在氢氧焰的作用下得到掺杂二氧化硅并轴向沉积在中芯表面形成包覆层I；所述掺杂物为ZrF4、SiF4、AlF3、NaF、BCl3、BF3、NaBO2中的一种或任意两种组合，所述掺杂物为固体时，固体颗粒粒径不得大于100nm，优选SiF4，SiCl4与SiF4在温度低于30℃的环境中搅拌混合均匀，在氢氧焰的作用下沉积在中芯表面，形成包覆层I，掺杂物的掺杂量不高于摩尔百分比的10％，SiF4的掺杂量优选为摩尔百分比的1％。

进一步，所述包覆层II中氟元素为ZrF4、SiF4、AlF3、NaF、BF3中的一种或任意两种组合，任意两种组合时物物理状态一致，优选ZrF4与NaF的组合，组合时氟元素的摩尔比为10:1，包覆层II中氟元素掺杂量不高于摩尔百分比的11％，优选3％。

进一步，所述打孔是激光打孔机在包覆层II一端面同时进行多位置钻孔，相邻各孔之间的距离相同，所述任意两孔在空间上无交叉，相互平行，孔内粗糙度不大于0.012μm，孔的数量不低于3个，优选6个。

进一步，所述孔内多个旁芯为纯度99.99％的二氧化硅和掺锗二氧化硅中的一种，掺锗二氧化硅中的锗元素掺杂量不高于摩尔百分比的5％，优选2.2％。

与现有技术相比，本实发明的有益效果是：

(1)本发明在中芯外设有包覆层I且包覆层I的有效折射率n3要远小于中芯的有效折射率n1，这样有助于有效限制中芯的能量不外泄。

(2)本发明在中芯外、包覆层II上设有等间距排列的旁芯，旁芯采用密集排列方式排列在中芯的外围，这样可以有效防止旁芯过多导致光纤直径过大引起的韧性降低，同时抑制多个旁芯与中芯的芯间距过大导致的光纤附加损耗的增加。

(3)本发明对中芯、旁芯、包覆层I以及包覆层II，设置了不同的折射率，且各折射率的关系为：n1＞n2＞n3＞n4，设置折射率梯度差，能够有效的实现多芯光纤内低串扰的有益效果，减少光损失。

(4)本发明提供的一种低串扰大模场面积多芯光纤的制备方法，通过掺入不同的元素来达到折射率的变化，并且根据各元素的性质实现对不同折射率的需求。

(5)本发明提供的一种低串扰大模场面积多芯光纤的制备方法，沉积包覆层I和包覆层II采用轴向外部气相沉积技术，工艺简单，能够突破管内沉积技术的尺寸限制，提高了生产效率。

附图说明

附图1是一种低串扰大模场面积多芯光纤的截面图；

附图2是一种低串扰大模场面积多芯光纤的制备流程图。

图1中的标记如下：1、中芯；3、包覆层I；2a～2f、旁芯；4、包覆层II。

具体实施方式

实施例1

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示为一种低串扰大模场面积多芯光纤及其制备方法，一种低串扰大模场面积多芯光纤，其特征在于：包括中芯1、围绕在中芯1外的包覆层I3，以及沿光纤轴线延伸且呈正多边形排列的多个旁芯2a～2f，覆盖中芯1、包覆层I3和多个旁芯2a～2f的包覆层II4。

进一步，所述中芯1具有最高有效折射率n1，这里n1为1.4580，多个旁芯2a～2f具有相同的第二高有效折射率n2，n2为1.4573，包覆层I3具有第三高有效折射率n3，n3为1.4560，包覆层II4具有第四高有效折射率n4，n4为1.4540，n1＞n2＞n3＞n4，n1与n2的差值为0.0007，n1与n3的差值为0.0020，n2与n3的差值为0.0013，n3与n4的差值为0.0020。

进一步，所述中芯1的芯直径范围为8-10μm，优选8.4μm，包覆层I的直径范围为22-27μm，优选25μm，所述多个旁芯2a～2f中任意两个旁芯的直径可相同或不同，所述多个旁芯2a～2f的直径不同，从2a至2f的旁芯直径成等差数列，旁芯2a的直径为8.0μm，公差为0.1μm，按此方法计算旁芯2f的直径为8.5μm，所述包覆层II4形成无孔口结构并覆盖中芯、包覆层I3和多个旁芯2a～2f，包覆层II的直径为120-130μm中的任意值，优选125μm。

进一步，所述多个旁芯2a～2f采用密集排列方式在中芯1外形成正多边形，旁芯的数目不低于3个，优选6个，所述多个旁芯2a～2f中任意两个相邻旁芯的芯间距为33.5-42μm范围的任意值，优选35.5μm，并且互不接触，所述多个旁芯2a～2f形成的正多边形中任意一个旁芯到中芯的芯间距相同，芯间距为33.5-42μm范围的任意值，优选35.5μm。

实施例2

如图2所示为一种低串扰大模场面积多芯光纤及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备中芯1，在玻璃套管上沉积选择性掺杂金属元素或非金属元素的高纯度的SiO2，制备中芯；

制备包覆层I3，中芯轴向外部气相沉积掺杂二氧化硅，形成包覆层I；

制备包覆层II4，包覆层I轴向外部气相沉积掺杂氟元素的二氧化硅，形成包覆层II；

制备旁芯2，利用钻孔工艺在包覆层II上打孔，孔内沉积多个旁芯；

拉丝，形成多芯光纤。

进一步，所述金属元素为锗、锑、铒、镱、镨、铥、钠、钾中的一种或其任意组合，任意组合时其中一组分为锗元素，所述锗元素选自GeCl4、GeBr4、GeF4、GeO2、GeNa2O3中的一种或任意两种的组合，金属元素的掺杂量不高于摩尔百分比的9％；所述非金属元素为磷，所述磷元素选自P2O5、POCl3、PCl3、PCl5中的一种或其任意组合，非金属元素的掺杂量不高于摩尔百分比的5％，优选制备中芯时掺入单一元素锗，锗元素掺杂量不高于摩尔百分比的9％，优选3.3％，锗元素选自GeO2，GeO2均匀分散于SiO2中。

进一步，所述掺杂二氧化硅是由纯度为99.99％的SiCl4与掺杂物按一定比例混合，搅拌均匀，并在氢氧焰的作用下得到掺杂二氧化硅，并轴向沉积在中芯1表面形成包覆层I3；所述掺杂物为ZrF4、SiF4、AlF3、NaF、BCl3、BF3、NaBO2中的一种或任意两种组合，所述掺杂物为固体时，固体颗粒粒径不得大于100nm，选择ZrF4作为单一掺杂物，将掺杂物进行碾磨、过筛得到固体颗粒粒径小于100nm的ZrF4，并将ZrF4颗粒加入SiCl4中分散均匀，在氢氧焰的作用下沉积在中芯1表面，形成包覆层I3，掺杂物的掺杂量不高于摩尔百分比的10％，ZrF4的掺杂量优选为摩尔百分比的1％。

进一步，所述包覆层II4中氟元素为ZrF4、SiF4、AlF3、NaF、BF3中的一种或任意两种组合，任意两种组合时物物理状态一致，优选ZrF4与NaF的组合，组合时氟元素的摩尔比为10:1，包覆层II4中氟元素掺杂量不高于摩尔百分比的11％，优选3％。

进一步，所述打孔是激光打孔机在包覆层II4一端面同时进行多位置钻孔，相邻各孔之间的距离相同，所述任意两孔在空间上无交叉，相互平行，孔内粗糙度不大于0.012μm，孔的数量不低于3个，优选6个。

进一步，所述孔内多个旁芯2a～2f为纯度99.99％的二氧化硅和掺锗二氧化硅中的一种，这里选择掺锗二氧化硅，掺锗二氧化硅中的锗元素掺杂量不高于摩尔百分比的5％，优选2.2％。

进一步，对以上所述制作材料进行拉丝工艺，制作成多芯光纤。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求保护范围内。