Ultra-Low Bending Loss Single- Mode Fiber
for FTTH
I. INTRODUCTION
Bend insensitive single-mode fibers are attractive for fiber-to-the-home (F#39;TTH) applications because they can lower the installation costs and improve system performance. For multiple dwelling units (MDUs) and in-home wiring applications, bend radii in the range of 5 mm are very common and bending losses must be kept to a minimum. Bending losses of less than 0.1 dB/turn will ensure robust network performance under practical bending conditions, such as tight 90° corners, corners under load, fixation by stapling and excess cable storage in tightly confined spaces。
Several conventional approaches have been proposed to reduce the bending loss of single-mode fibers. They include reducing the mode field diameter, depressed cladding, adding a low index trench. Although conventional fiber design approaches deliver fibers that meet the standard requirements, their bending losses are well above the requiredlt;0.1dB/turn and further improvements would be necessary to meet the demanding requirements of low cost FTTH installations.
Photonic crystal structures can offer advantages over conventional fiber structures in fiber designs, because air holes have a much lower refractive index and different dispersion properties than those of the silica glass. Both the bandgap guiding and average index guiding mechanisms have been studies intensively in the literature. Periodicity of the holey structure is essential for the bandgap guiding [8], but is not critical for the average index guiding. In particular, it has been demonstrated that light can be guided in fiber with randomly distributed air holes cladding. Hole-assisted fiber designs have been proposed to reduce fiber bend loss. These hole-assisted fibers have shown superior bending performance but they are not compliant with ITU-T Recommendation G.652. In addition, the process for making hole-assisted fiber is also much more complicated than conventional fiber making processes, making the fibers less attractive for large scale and cost-sensitive FTTH implementation.
In this paper, we report a new bend insensitive fiber which uses nanoStructuresTM technology in its fiber design. To the best of our knowledge, this is the first fiber that exhibits 1550 nm bending loss less than 0.1 dB/turn at 5 mm bend radius and is fully compatible with standard single-mode fibers and can be manufatured using a standard outside vapor deposition (OVD) process suitable for large scale manufacturing. Excellent performance was obtained for fiber cables under different tight bend conditions, demonstrating that the fiber is suitable for FTTH applications.
II. NANO-ENGINEERED BEND INSENSITIVE FIBER DESIGN
Designing bend insensitive fibers for FTTH poses significant technical challenges. The first challenge is to reduce the bending loss to meet the requirements of harsh, copper cable-like handling conditions in MDU applications. 'This requires a bend-insensitive fiber to have a bend loss at 1550 nm of less than 0.1 dB/turn at a bend radius of 5 mm. As a reference point, the bend loss of standard single-mode fiber at 1550 nm is typically 20 dB/turn at the same bend radius. This implies a bend loss reduction factor of over 200, which is very difficult to achieve using conventional dopants. The second challenge is to meet the requirements of backward compatibility with the standard single-mode fibers imposed by the telecom industry standards. The bending and backward compatibility requirements put severe constraints on the fiber design space.
There are two types of approaches in designing fibers with improved bend performance. One type is the conventional design approach by changing the index profile with commonly used dopants such as gemnanium and fluorine. Three conventional designs are reduced mode field diameter (MFD) design with a simple step index profile. While reducing the MFD can improve the bending performance, it will change other fiber parameters significantly too, such as cutoff wavelength, zero-dispersion wavelength, dispersion slope, splice/connector loss. Considering the bending performance and the backward compatibility, the MFD at 1310nm can be reduced to 8.6mu;m compared to 9.2mu;m in typical standard single-mode fiber. With the reduced MFD, the 1550 nm bend loss is lowered to about 2 dB/turn at a bend radius of 5 mm, which is still well above the bend loss requirement for MDU applications. The addition of a low index layer around the core as shown in the depressed cladding design offers a little more flexibility in timing the fiber zero-dispersion wavelength in the 1310 nm window. However, with backward compatibility constraints to the fiber design, the bending performance and other optical parameters that can be achieved with the depressed cladding design are essentially the same as the simple step index design with reduced MFD. The trench fiber design may offer the best approach among the conventional fiber designs. The low index trench reduces the power in the cladding region outside the trench, thus improves the bend loss. However, in order to keep the cable cutoff wavelength below 1260 nm required by the standards, the trench volume, which is defined as the product of the area and the relative refractive index change of the trench, has to be small enough to allow the LP11 mode to tunnel into the cladding. Typical bending performance of this trench fiber is about 0.5-1 dB/turn at 1550 nm with a bend radius of 5 mm.. All of these conventional designs have similar limitations and cannot deliver the desired bending performance without compromising the other optical parameters required by the standards.
Another type of design approach is to use air holes either in hole assisted fiber or a photonic crystal fiber or photonic
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光纤到户中的超低弯曲损耗单模光纤
Ⅰ. 介绍
弯曲不敏感光纤在光纤到户的应用方面很有吸引力，因为他们会减少安装的费用和改善系统性能。对于多住宅单元（MDUs）和在家居布线应用，5毫米的范围内的弯曲半径是很常见的，弯曲损耗必须保持在最低限度。弯曲损耗小于0.1dB/圈的将确保实用的弯曲条件，如紧90°的角，在负载下的角落，固定在紧紧密闭空间缝合和多余的电缆存储下强大的网络性能。
提出了几种传统的方法用来减少单模光纤的弯曲损耗。他们包括降低模场直径，凹陷包层，添加低折射率沟槽。虽然传统的光纤设计方案提供了满足标准要求的纤维，他们的弯曲损耗也远远高于所需的0.1dB/圈，进一步的改进是必要的，可以满足光纤到户设备低成本的的苛刻要求。
光子晶体结构在纤维设计方面比传统的显微结构能提供更多的优势，因为空气孔的折射率比石英玻璃低得多，并且有不同的色散特性。两个带隙的引导和平均索引引导机制已经在文献中深入研究。该多孔结构的周期性为带隙导向必不可少，但不是为平均指数导向的关键。特别是，已经证明，光可以在纤维随机分布的空气孔包层，被引导。孔助光纤设计已被提出，以减少光纤弯曲损耗。这些孔助型光纤显示优异的弯曲性能，但它们不符合ITU-T建议的G.652。此外，制造孔助纤维的过程也比传统的光纤制造工艺复杂得多，使得该纤维于大规模和成本敏感的FTTH实施的吸引力减少。
在本文中，我们报告一个采用的纳米结构技术在光纤设计的新的弯曲不敏感光纤。据我们所知，这是第一种1550nm波长以5mm的弯曲半径的弯曲损耗小于0.1dB/圈的光纤，并与标准的单模光纤完全兼容，并且可以使用标准外气相沉积（OVD）的工艺过程大规模生产。在不同紧弯曲条件下获得的光纤电缆性能优良，这表明该纤维是适合于FTTH应用。
Ⅱ. 纳米工程弯曲不敏感光纤设计
设计光纤到户的弯曲不敏感光纤带来了显著的技术挑战。第一个挑战是减少弯曲损耗，以满足在MDU应用中苛刻，铜电缆状的操作条件的要求。“这需要一个弯曲不敏感的纤维在1550nm波长处是5毫米的弯曲半径，并且小于0.1dB /圈的弯曲损耗。作为参考点，相同弯曲半径下在1550nm波长处的标准单模光纤的弯曲损耗通常为20dB/圈。这意味着超过200的弯曲减少损失的因素，使用常规的掺杂剂来实现是非常困难的。第二个挑战是满足电信行业规定的与标准单模光纤向后兼容的标准。弯曲和向后兼容的要求把纤维上的设计空间严重限制了。
有两种类型的方法在设计弯曲性能光纤上有改进作用。一种类型是，通过改变常用的掺杂剂如锗和氟的折射率分布的传统设计方法。三个传统设计都是以简单的阶跃折射率分布减小模场直径（MFD）的设计。同时减少MFD可以改善弯曲性能，它会显著得改变其他光纤参数，如截止波长，零色散波长，色散斜率，熔接/连接器损耗。考虑到弯曲性能和向后兼容，MFD在1310nm波长处相比可以减少到9.2mu;m的典型的标准单模光纤，它可以减少到8.6mu;m。对于降低的MFD，1550nm波长的弯曲损耗是在5mm弯曲半径处低于2dB/圈，这是仍远高于对于MDU应用的弯曲损耗要求。围绕核心的低指数层的添加的凹陷型包层设计，在1310纳米窗口中的定时光纤零色散波长提供了稍微更大的灵活性。然而，向后兼容性约束的光纤设计，弯曲性能和可与凹陷型包层设计来实现其它光学参数是与减少MFD基本相同的简单步骤指数设计。沟槽光纤设计提供了在传统的光纤设计中的最佳方法。低折射率沟槽降低在沟槽外的包层区域的功率，从而改善了弯曲损耗。然而，为了保持电缆截止波长低于标准要求的1260nm，沟槽体积，其被定义为区域的产物和相对折射沟槽的折射率变化，必须足够小，以允许LP11模式到隧道进入包层。此沟槽纤维的典型的弯曲性能是在1550nm波长处5毫米的弯曲半径约0.5-1 0.5dB /圈。所有这些常规设计具有类似的限制，在不损害所要求的其它光学参数不能提供所需的弯曲性能。
另一种设计方法是利用气孔的空气辅助光纤，或者是光子晶体光纤，亦或是光子带隙光纤。然而，这种类型的设计虽然能获得很好的弯曲性能，但是保持与标准的单模光纤的兼容性很困难。此外，这种类型的光纤的制造过程是很复杂的，并且不适合于为FTTH部署提供高光纤体积。
本文提出了新的光纤设计是基于一个创新的技术，叫做纳米结构光纤。这是一个在传统的光纤设计空间增加了一个新的层面的工程突破技术。这个新技术使新的光纤设计在满足FTTH的要求上有卓越的弯曲性能，同时，保持与大规模生产，遗留光纤设备和现有的现场安装的设备和程序的兼容性。
纳米结构技术制造光由掺氧化锗的芯和在包层的纳米工程环组成。该环包括了玻璃纤维在加工过程中引入纳米尺寸的气体填充空隙。这些空隙非周期性的分布在环形横截面。空隙的横截面是圆形的，直径范围在几十到几百纳米。空隙填充部分依据环尺寸可被设计为百分之一到十之间。空隙是密封的，连同空隙长度范围少于一米至几米的非周期性的光线分散。在一个横截面可以被解释是二氧化硅和空隙的单个索引组合的光纤的折射率分布，如图1所示。值得指出的是，纤芯的折射率分布是轴向对称的，但纳米工程环由于空隙的非周期性折射率分布不是轴向对称。精确的空隙分布曲线可以通过扫描电子显微镜（SEM）技术来测定，如本文后面的描述。芯具有相对折射率变化Delta;1为约0.34％，约4微米纤芯半径。在横截面折射率分布，所述环包含许多低折射率的区域索引值为1（△〜-28％相对于纯硅石）。因为空隙是非周期性布置的，每个低折射率区域的尺寸Di和相邻的两个低折射率区域之间的空间Sv不是恒定的。所述纳米工程环是在约8-14mu;m的半径r1和取决于空隙填充分数的厚度约为2-10微米的地方。空隙填充区域的折射率分布与常规掺杂的二氧化硅显著不同。空隙的大小特征和空隙填充部分显著影响这纳米工程区域的光学特性，从而影响光纤的性能。
图1. 纳米工程光纤设计的相对折射率轮廓
相对于其他技术，纳米工程环设计提供了若干优点。首先，依据有压力计尺寸特征的玻璃折射率的波长与常规的用于光纤制造的二氧化锗，氟，氧化铝，氧化磷的玻璃是不同的。标准光纤的折射率分布使用折射近场（RNF）方法（例如，高分辨率光纤分析器，模型通常测量＃NR-9200 HR，EXFO光电工程）。我们试图使用RNF技术测量空隙填充区域的折射率分布都没有成功。结果表明：类似于二氧化硅的索引水平，因此显示空隙填充的玻璃光学行为不同于常规掺杂的二氧化硅。为引导和定向提出，我们模拟考虑它包括周期性分布压力计尺寸空隙的空隙填充玻璃的有效折射率。而上述方法是不可能产生准确的空隙区域的绝对指标，它有望提供深入了解有关的波长和空隙微结构特征的有效折射率的灵敏度。有效折射率被从基本空间填充的传播常数计算通过模式beta;FSM
(1)
其中，k =2pi;/lambda;为光在自由空间中的传播常数。以确定的基本空间填充模式，我们用一个矢量有限元方法在周期性结构的单位单元内解决麦克斯韦方程。两周期结构的建模：三角形格子和正方形格子。据发现，晶格的结构不会改变有效折射率值。有效折射率大多是由空隙尺寸和空隙填充分数来确定。图2将相对折射率的变化与含氟的纳米工程玻璃的波长的函数进行比较。相对折射率变化定义如下：
(2)
图2. 纳米工程和氟掺杂玻璃的相对折射率比较
其中，n1是纯石英的折射率，n2为纳米玻璃的有效指标，或氟掺杂玻璃的折射率。对于纳米工程的玻璃，空隙的直径是400纳米和空隙填充率是2.5%。对于氟掺杂的玻璃，氟掺杂的水平是由重量来看约2.2%。可以看出，纳米工程玻璃的折射率比氟掺杂的玻璃具有更强的波长依赖性。纳米工程玻璃的折射率随波长的增加而增加，而氟掺杂玻璃的折射率变化则接近于1550纳米的波长范围。这种特性的纳米工程玻璃使我们能够设计在1550纳米窗口的低弯曲损耗光纤，同时保持电缆截止波长低于1260纳米。
第二个优点是大的负指数变化可以用纳米尺寸的特点来制成。一个相对指数变化和用纳米工程设计获得的几个百分点一样高。这种高折射率的变化如果用传统的氟掺杂技术是很难实现的。
第三，一个玻璃压力计的尺寸空隙的散射特性也让有很强的波长依赖性。较短波长的光比较长波长的光散射损耗更高，这有利于用纳米工程环抑制高阶模式。这个特点也帮助保持低截止波长。
上述这些新的特点能允许光纤设计有更好的弯曲性能，与其他光学参数标准一致。有着一个低折射率的环覆层的光线的弯曲性能由环的体积决定，并用环面积和折射率确定。提高环的体积将改善弯曲性能。但是环也使得高阶LP11模式多局限在核心区域，这增加了截止波长。如果环的体积超过某个最大值，光纤将超过由G.625的标准实施的1260nm的光缆截止波长极限。一个氟掺杂的环，环体积在波长范围为1200-1600nm是恒定的，因为波长指数变化不大。对于一个纳米工程环设计，环的体积随波长的增加而增加。这在更弯曲敏感时提供了更好的耐弯曲性，更长的工作波长。在较短波长时，环体积减小，这可保持光缆截止波长低于1260nm。结果是，纳米工程光纤在1550nm处有更好的弯曲性能，同时保留完全的与G.652标准单模光纤的兼容性。为了确定光纤设计的优点，我们用弯曲损耗模型计算了纳米工程的弯曲损耗和氟沟槽光纤。两种光纤具有相同的单模核心设计。纳米工程环的内半径和厚度，氟沟槽被选择截止，MFD和分散性能相当这种程度。为了得到不同的截止波长和不同的弯曲损耗，环的宽度和空隙率为了纳米工程环而调整，宽度和折射率为了氟沟槽改变。在我们建模中，弯曲的光纤被转化成一个等效折射率分布的直的光纤，建议在，
(3)
其中,R是弯曲半径，X轴表示光线弯曲。数值模拟是基于先前的研究中使用的求解全矢量的麦斯威尔方程组的有限元法。在光纤表面模仿在有限元模型中的无限域的影响实现了一个圆形的完美匹配曾（PML）。在PML中，一模传播持续常数beta;变成有效折射率的实部和弯曲损耗的虚部相结合。在特定模式下的光纤弯曲损耗（alpha;B）可以从连续传播常数beta;的虚部计算出，
(4)
图3. 计算纳米工程和沟槽设计的光线在1550nm处的弯曲损耗
图3显示了两种光纤在5mm半径处的弯曲损耗作为光缆截止波长的功能。光缆截止波长被定义为第一高阶模式损耗的波长，LP11 模有两个直径80毫米直径的环定义在TIA／EIA fotp80的22米长的纤维19.2dB的总衰减。图3的结果表明，纳米工程光纤在1140-1260nm之间的光缆截止区有一个小于0.1dB/圈的弯曲损耗，这是沟槽的光纤弯曲损耗十分之一。
Ⅲ. 光纤特点和FTTH应用的性能
我们用外部气相沉积（OVD）的过程制造带纳米尺寸功能的光纤。为了制作纳米工程环，硅碳黑沉积在玻璃芯的棒上。然后，预成型体在含1450℃左右的氮气整合炉中固结成一个包含空隙的玻璃环。预成型体用二氧化硅烟尘和氦气固结进一步覆盖来产生一个最终的光学型体。在拉伸过程中，将空隙拉伸成细长的空洞。
图4. 光纤横截面的SEM照片
图4显示了一个光纤横截面的SEM照片。图中的插图显示的是芯的特写和空隙填充区域。环区域的空隙填充率大约为平均直径200nm的百分之三。光纤总面积的百分比（由光纤截面总面积除以空隙面积times;100）大约为百分之0.1。实验结果表明，纳米工程纤维技术与OVD工艺兼容且适合大规模生产。表一总结了典型的测量光纤样品光学性。表一中的光学参数完全符合G.652D标准。该光纤在单模波长区域表现出优异的衰减性能。
表I
纳米工程光纤的典型光学特性
|
1310nm |
1550nm |
|
|
MFD(mu;m) |
8.7 |
9.7 |
|
色散（ps/nm/km） |
17.6 |
|
|
（dB/km） |
0.34 |
0.2 |
|
光缆截止波长（nm） |
1225 |
|
|
零色散波长（nm） |
1315 |
|
|
色散斜率(ps/nm2/nm) |
0.09 |
|
纳米工程光纤的弯曲损耗用不同的半径芯棒测量。对于每个半径，用5匝来提高测量精度。图5比较设计在1550纳米的纳米工程光纤，标准的单模光纤和沟槽光纤作为弯曲半径功能的弯曲损耗。这个数字表明，纳米光纤弯曲性能大约是500倍的标准单模光纤，和6-10倍的沟槽光纤。这个数字表明，在5毫米半径的平均弯曲损耗为0.03dB/圈。据我们所知，
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