[0001] 本发明涉及一种弯曲不敏感车载多模传能光纤，该光纤具有集通信和传能于一体的优良性能，同时具有带宽高、抗弯强等特性，属于汽车通信技术领域。

[0002] 近年来，随着汽车的智能化发展，汽车电子系统所搭载的安全系统以及辅助驾驶系统，在车内部署了较多的传感器与处理器，要求汽车电子系统提供更高容量的数据网络来支撑各设备间的数据交换。尤其是对于未来无人驾驶汽车，其上搭载的多个激光雷达、毫米波雷达、高清摄像头和车辆定位系统等，这些传感设备与车载计算机间的数据交换量巨大，传统车载多以电缆铜线进行传输，难以满足高容量数据的传输需求。

[0003] 然而，新一代主流汽车电子网络主要基于时间敏感网络(Time Sensitive Network，TSN)架构与交换式以太网架构，引入时间同步与时间触发机制，为汽车电子系统提供大容量、低时延的车载网络系统。在这种交换式网络中，设备间通过交换机互相连接，实现点对点的数据交换。

[0004] 目前，汽车电子常用电缆交换机，而新一代车载交换机正在向光纤交换机演进，优于电缆传输具有单条介质上容量更大、功率低且电磁兼容性强的特点，有利于集成车辆高速通信与传能于一体，实现车内布线精简型与车内电磁环境改善型的集成化体系，进而更适用于汽车电子这种空间紧张、线束密度大的系统。相较于传统电缆铜线空间占用率大，受到车载这种狭窄的系统局限性较大，同时电缆铜线在信息传输上也存在容量不足及无传能特质，并且易受到弯曲狭道的影响。

[0005] 基于汽车智能电子系统的新需求，在兼具大容量数据通信功能的同时，需要光纤具有较高的耦合效率和传输效率，光纤传输效率可以达到95％以上，可实现光纤中高功率激光且具有良好的稳定性，在长期工作条件下，光纤跳线的连接头温度可以保持在45℃以下，传输效率稳定。现有多模光纤仅满足在低功率下传输，且在实际应用中，光模块中的光电功率转换效率往往较低于20％。在中国专利201310435892.3中，描述了一种芯层掺锗并且具有渐变折射率剖面的大芯径弯曲不敏感多模光纤，该光纤通过折射率下陷的包层来提高光纤的抗弯曲性能。芯层中锗的掺杂将会改变芯层材料的材料性能，造成激光损伤阈值的降低，这是不利于中高功率的激光能量传输的。在该专利中，所述光纤仅能用于100w以下的功率传输。该专利未对所述光纤的带宽性能应用效果及高速通信性能做描述。

[0006] 在中国专利201210221499.X中，描述了一种用于工控、医疗等领域的传能光纤，该光纤玻璃部分为低羟基高纯石英，在石英的表面涂有一层具有特定组分配比的低折射率涂料，从而使光纤达到高的数值孔径，增加纤芯的接受角度，起到传出能量和简化光路系统的作用，这种传能光纤能够提供方便高效的耦合操作，但缺点是低折射率涂料的成本高，而且在相同环境条件下，传输较高能量时涂覆层容易发热，从而引起低折射率涂层的软化甚至烧损而导致光纤失效，并且此类结构的光纤弯曲不敏感性能也较差。

[0007] 研究表明，多模光纤折射率剖面一定时，往往只针对特定波长窗口表现出较高带宽性能，当光纤应用窗口移至较大或较小波长时，带宽性能会明显下降。因此，从应用角度出发，需要对多模光纤的设计进行改进，使其既能与现有OM3/OM4多模光纤兼容，又能具有较低带宽‑波长敏感性，满足一定波段范围内WDM技术应用要求，并且还能具有优异的抗弯曲性能，优秀的光传输效率，以适应传输技术进步对多模传能光纤的新需求。

[0008] 基于此，在设计高带宽抗弯多模传能光纤折射率剖面时，采用在光纤包层增加低折射率区域的方法来限制高阶模的泄漏，使信号损失最小化。然而下陷包层的引入会导致靠近芯层边缘的高阶模的传播常数发生变化，使得光纤的模式色散增大。此外，多模传能光纤在使用时，将会不可避免的有不同程度的弯曲，当光纤长时间承受较大的弯曲应力时必然缩减光纤的使用寿命，传输性能指标也会下降。

[0057] 下面结合附图和具体的实施例，对本发明作进一步的说明。

[0058] 所述的光纤包括有芯层和包层，芯层折射率剖面呈抛物线型，所述的芯层分布指数α为2.1～2.4,芯层半径R1为18～30μm，芯层中心最大相对折射率差Δ1max为0.8～1.6％，芯层边缘位最小相对折射率差Δ1min为‑0.18～‑0.06％，所述的包层由内到外依次为第一内包层、第一下陷包层、第二内包层、第二下陷包层和外包层。所述的第一内包层的折射率剖面呈前增后平折线状，第一内包层由内到外依次分为一分层11和二分层12，其中，一分层的相对折射率差Δ2随半径的增大呈递增状，二分层的相对折射率差Δ3呈等值平直状，且一分层最外边缘相对折射率差与二分层的相对折射率差相等。所述的第一内包层一分层单边宽度为(R2‑R1)，所述的第一内包层二分层单边宽度为(R3‑R2)。所述的第一下陷包层单边宽度(R4‑R3)为2.0～8.0μm，相对折射率差Δ4为‑1.0～‑0.22％，所述的第二内包层相对折射率差Δ5沿径向呈下凹曲线分布，并且，第二内包层内边缘的相对折射率差与外边缘的相对折射率差相等，第二内包层单边宽度(R5‑R4)为3～10μm，相对折射率差Δ5为‑0.09％～0.09％，所述的第二下陷包层单边宽度(R6‑R5)为1.0～10μm，相对折射率差Δ6为‑1.0～‑
0.3％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层或掺杂二氧化硅玻璃层，外包层半径R7为60～65μm，相对折射率差Δ7为‑0.15～0.15％。

[0059] 光纤的芯层为锗、氟(Ge/F)，或锗、磷、氟(Ge/P/F)，亦或锗、硼、氟(Ge/B/F)共掺的二氧化硅玻璃层，多元掺杂可以有效降低带宽对波长的敏感性，使光纤在较宽的波长范围内均有较高的带宽，提升了高速通信性能及传输效率。

[0060] 第一内包层锗、磷、氟(Ge/P/F)共掺，第一内包层一分层11渐变递增区采用锗、氟共掺，二分层12等值平台区采用锗、氟、磷共掺，第一内包层一分层和二分层的相对折射率差大于第一下陷包层相对折射率差Δ4，即Δ2＞Δ4、Δ3＞Δ4，第一内包层的半径R3≥22μm，具体地，第一内包层一分层渐变递增区单边宽度(R2‑R1)与二分层等值平台区单边宽度(R3‑R2)比例范围1.5～2.0，第一内包层一分层渐变递增区的锗、氟共掺，改善纤芯层起始位置高阶模的传输性能，有效抑制芯层高阶模传播，提高带宽稳定性和衰减性能的同时提升光纤通信传输性能，第一内包层二分层平台区可以避免高阶模过多的进入下陷包层，同时掺磷可以大幅降低其黏度，改善其与下陷包层的黏度匹配情况。当第一内包层二分层平台区中掺杂有磷时，其厚度需要≥0.4μm，磷掺杂贡献量ΔP为＜0.12％。

[0061] 第二内包层为锗、氟、磷共掺时，其第二内包层单边厚度(R5‑R4)≥4.5μm，第二内包层的磷掺杂贡献量ΔP为≤0.18％，第二内包层的半径R5≥40μm，第二下陷包层单边厚度(R6‑R5)大于第一下陷包层单边厚度(R4‑R3)，具体地，第二下陷包层单边厚度(R6‑R5)与所述的第一下陷包层单边厚度(R4‑R3)比例范围1～1.5，改变模式色散的同时具有较优的抗弯性能。相较于锗，磷对玻璃黏度的改善更为明显，在第二内包层内掺杂磷，可以大幅降低第二内包层的黏度，改善其与下陷包层的黏度匹配，锗、氟、磷共掺设计有效改善光纤衰减及传输性能，第二内包层内边缘的相对折射率差与外边缘的相对折射率差相等，较优地实现在深沟道条件下防止光泄露，保证传能的稳定性与高效性。

[0062] 折射率为负值的第一和第二下陷包层，特别地，当第二下陷包层相对折射率差Δ6小于第一下陷包层相对折射率差Δ4，即Δ4＞Δ6，除了可以改善高级模的模式色散外，还可以有效提高光纤的抗弯曲性能。

[0063] 按上述方案所述，制备了一组光纤预制件并拉丝，采用多模光纤的双层涂覆，如，双层紫外固化丙烯酸树脂，光纤的结构参数和光纤性能参数见表1：

[0064] 表1：光纤的芯层结构参数及主要性能参数

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[0067] 宏弯附加损耗是根据FOTP‑62(IEC‑60793‑1‑47)方法测得的，被测光纤按一定直径(比如：10mm，15mm，20mm，30mm等)绕一圈，然后将圆圈放开，测试打圈前后光功率的变化，以此作为光纤的宏弯附加损耗。测试时，采用环形通量(Encircled Flux)光注入条件。环形通量(Encircled Flux)光注入条件可以通过以下方法获得：在被测光纤前端熔接一段2米长的普通50微米芯径多模光纤，并在该光纤中间绕一个25mm直径的圈，当满注入光注入该光纤时，被测光纤即为环形通量(Encircled Flux)光注入。

[0068] 满注入带宽根据IEC60793‑1‑41方法测得，测试采用满注入条件。

[0069] 差分模时延(DMD)根据IEC60793‑1‑49方法测得，被测光纤长度均为1000m±20％，在被测光纤与光源之间连接一根探针单模光纤，以限制入射被测光纤的光模式为单模，入射光脉宽小于等于100ps，光源垂直入射被测光纤端面，沿该端面径向扫描，测量到达被测光纤输出端最快光脉冲与最慢光脉冲之间的时间差，即为差分模时延。同时，利用这些DMD数据进行模拟一系列规定输入模式的计算，可得出有效模式带宽(EMBc)。

[0070] 实验表明，按照本发明的技术方案所制造的高速通信和传能光纤，即，通传一体光纤，其在850nm～980nm和1060nm波长具有良好的高速通信与激光传输性能，具体的为：光纤具有较高的耦合效率和传输效率，光纤传输效率可以达到95％以上，光电转换效率可达20％～30％；光纤可以传输可实现功率1w～400w的激光功率传输区间，甚至在低功率区间可实现LED光源的兼容；且光纤具有良好的稳定性，在长期工作条件下，光纤跳线的连接头温度可以保持在45℃以下，传输效率稳定，激光器参数设置及传输测试结果见表2：

[0071] 表2：激光器参数设置及传输测试结果

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