CN101101354A - 掺氟光纤 - Google Patents

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Abstract

一种单模传输光纤，包括：凹陷型纤芯，具有至少0.41wt％的氟以及与纯石英的大于1.5×10-3的折射率差(Δn1)；凹陷型包层，具有至少1.2wt％的氟、与纯石英的大于4.5×10-3的折射率差(Δn2)以及与该凹陷型纤芯的大于或等于3×10-3的折射率差(Δn1-Δn2)。

Description

掺氟光纤
技术领域
本发明涉及光纤传输的领域，并且更具体地涉及掺氟光纤。
背景技术
对光纤来说，折射率剖面一般是联系所绘制的示出将光纤的折射率与该光纤的半径相关联的函数的曲线图来描述的。常规来说，沿横坐标示出到光纤中心的距离r，并且沿纵坐标示出折射率与光纤包层折射率之差。因此，对于分别示出台阶形、梯形或三角形的曲线图，将折射率剖面描述为“台阶形”、“梯形”或“三角形”。这些曲线一般代表了理论光纤剖面或设定光纤剖面，光纤的制造可能会引起稍微不同的剖面。
光纤常规地包括：纤芯，该纤芯的功能是传送光信号并且可选地放大光信号；以及光包层，该包层的功能是将光信号限制在纤芯内。出于这个目的，纤芯的折射率nc和包层的折射率ng是nc＞ng。公知的是，单模光纤中的光信号传播被分解为在纤芯中传导的基模，并分解为在纤芯-包层组合结构中传导一定距离并称为包层模的二次模。
在光纤中传送的信号会经历在所传播的距离上累积的光损耗。特别是在光纤受到诸如β、α、γ和X射线之类的离子化辐射时，这些传输损耗会增加。当光纤用于具有离子化辐射的环境中的光通信系统时，例如用于核电站、粒子加速实验室中或用于发射到太空中的卫星中时，该光纤可能会经历所述辐射。在所述环境下，辐射可能会达到100Gray或更大的剂量水平，例如10000rad。
常规来说，标准单模光纤(SSMF)被用作光纤传输系统中的线路光纤。台阶形折射率一般通过掺杂磷或锗来获得，利用磷或锗可以增大折射率。台阶形折射率还可以通过掺杂氟来获得，利用氟可以减小折射率。这些光纤(SSMF)在较宽的频谱范围(至少1300nm-1650nm)上具有一般小于0.4dB/km的较低的传输损耗，但对离子化辐射比较敏感。在1310nm的波长处，置于辐射为30kGray的环境中的SSMF光纤的传输损耗将增加几十dB/km至几万dB/km，这种增加严重地依赖于辐射条件(特别是剂量速率)。因此，常规的SSMF光纤并不适合于在安装在具有高剂量的离子化辐射(即高于100Gray至1000Gray)的环境中的光通信系统中使用。
一些已知的光纤特别地设计为在存在离子化辐射的环境中使用。例如，US-A-4,690,504公开了一种纤芯中没有锗(Ge)的单模光纤。纤芯中没有锗使得可以获得更好的抗离子化辐射性。光包层掺杂有作用为减小折射率的掺杂剂，诸如氟。该文献还公开了一种具有如下光纤的实施例，该光纤的纤芯掺杂了少量的氟以补偿纤芯中过量的氧。
US-A-5,509,101特别地公开了一种抗X射线和γ射线的光纤。该光纤具有掺氟的包层和纤芯。该文献描述了具有不同的氟和锗浓度的若干实施例。该文献中指出，当该光纤还在纤芯中包括锗时，传输损耗会减少。
WO-A-2005/109055公开了一种具有纯石英纤芯和掺氟的包层的光纤。该文献中指出，包层直径与纤芯直径之间的高比值(9与10之间)改善了光纤的抗离子化辐射性。
现有技术的光纤显示出部分抗离子化辐射性，但在强辐射特别是400Gray上方或之上中具有较高损耗。如上所述，标准单模光纤通常被用作光纤传输系统中的线路光纤，具有满足特定电信标准的色散和色散斜率。出于对不同制造商的光系统之间的兼容性的需要，国际电信联盟(ITU)已经发放了标准单模光纤必须满足的标准的参考ITU-T G.652。该标准被细分为更严格或者更宽松的四个子标准(A、B、C和D)。
例如，用于传输光纤的G.652B标准推荐了：在1310nm的波长处，模场直径(MFD)范围[8.6；9.5μm]；1260nm的最大成缆(cabled)截止波长；零色散波长(表示为λ0)范围[1300；1324nm]；最大色散斜率值0.093ps/nm2-km。常规来说，成缆截止波长被测量为如下波长，在该波长处，在光纤上传播22米之后，光信号就不再是单模的，诸如由国际电工委员会的专门委员会86-A在标准IEC 60793-1-44下所限定的。
因此，需要一种显示出改善的抗高剂量辐射性的传输光纤。
发明内容
出于这个目的，本发明提出了一种光纤，其折射率剖面相对于标准单模光纤的剖面均匀凹陷。因此，该光纤的传输特性基本上满足G.652B标准并显示出改善的抗高剂量辐射性(大于100Gray的剂量)。
因此，本发明涉及一种单模传输光纤，包括：
-凹陷型纤芯，具有至少0.41wt％的氟以及与纯石英的大于1.5×10-3的绝对折射率差(|Δn1|)；以及
-凹陷型包层，具有至少1.2wt％的氟、与纯石英的大于4.5×10-3的绝对折射率差(|Δn2|)以及与该凹陷型纤芯的大于3×10-3的绝对折射率差(|Δn2|-|Δn1|)。
优选地，该光纤具有小于或等于0.20ps/sqrt(km)的链路偏振模色散值。
有利的是，在1310nm的波长处，对于速率大于1Gray/s的范围从200Gray到30000Gray的辐射，该光纤表现出小于100％的衰减变化。
可以对该光纤进行设置，使其具有不包含锗的纤芯。还可以对该光纤进行设置，使其具有不包含磷的纤芯。
可以将该光纤设置为纤芯中的氟浓度与包层中的氟浓度的比值大于3。
还可以对该光纤进行设置，使得在不存在离子化辐射的情况下，在1310nm处，传输损耗小于5dB/km。有利的是，在不存在离子化辐射的情况下，在1310nm处，传输损耗小于0.35dB/km。
优选地，凹陷型纤芯中的氟含量最多为1.4wt％。这使得可以最佳地符合对在高辐射下具有减小的传输损耗同时仍符合针对单模光纤的G.652B标准的传输光纤的需要。
该光纤的至少一部分可以旨在用于位于存在离子化辐射的环境中的光通信系统中。
有利的是，该光系统还包括标准单模光纤(SSMF)的部分。
附图说明
通过阅读以下通过实例并参考附图而给出的对本发明实施例的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中：
-图1是根据本发明第一实施例的设定光纤剖面的曲线图；
-图2是根据本发明第二实施例的设定光纤剖面的曲线图；
-图3是光纤在辐射之后的传输损耗，这些光纤中的一个光纤适应于本发明的一个实施例。
具体实施方式
本发明的光纤是单模传输光纤，其具有凹陷型纤芯和凹陷型内部包层。凹陷型纤芯意味着光纤的中心径向部分具有低于外部包层折射率(ng)的折射率，一般包括纯石英或掺杂有氟的石英。凹陷型包层是光纤的一个径向部分，其折射率低于外部包层折射率和纤芯折射率。凹陷型纤芯包含至少0.41wt％并且优选地最多1.4wt％的氟，并且与纯石英具有大于1.5×10-3(或0.1％)的绝对折射率差。凹陷型包层包含至少1.2wt％的氟，与纯石英具有大于4.5×10-3(或0.3％)的绝对折射率差。有利的是，纤芯中的氟浓度与所述包层中的氟浓度的比值大于3，以确保纤芯与光包层之间有足够的折射率差，纤芯可能并未掺杂锗或磷。
图1图示了本发明的传输光纤的折射率剖面的第一示例。所图示的剖面是设定剖面，即代表理论光纤剖面，该光纤实际上是在从可能具有稍微不同的剖面的预制件进行拉拔之后获得的。
本发明的传输光纤包括：中心凹陷型纤芯，与纯石英(有时在光纤外部使用以充当外部光包层)具有绝对折射率差|Δn1|；以及凹陷型包层，与纯石英具有绝对折射率差|Δn2|。凹陷型纤芯和凹陷型包层中的折射率在纵向上基本上恒定。这使得光纤具有纵向均匀性。中心纤芯用半径a表示，并且凹陷型包层在半径值a与b之间延伸。
为限定光纤的设定折射率剖面，一般将纯石英的折射率用作参考。于是，中心纤芯和凹陷型包层的折射率值表示为折射率差Δn1，2。因此，中心纤芯与石英的折射率差Δn1就是石英折射率与中心纤芯折射率之间的差值(Δn1＝nsilica-ncore)。因此，凹陷型包层的折射率差Δn2就是石英折射率与凹陷型包层折射率之间的差值(Δn2＝nsilica-ndepressed-cladding)。一般存在包括石英的外部包层，但还可以对该外部包层进行掺杂以增大或减小其折射率(ng)，例如以修改信号传播特性。
根据图1所示出的第一实施例，光纤纤芯包含0.81wt％的氟但不包含锗或磷；光纤纤芯具有4.35μm的半径a并与石英外部包层具有3.0×10-3的绝对折射率差|Δn1|。包层包含2.16wt％的氟但可以既不包含锗也不包含磷，其与石英外部包层具有8.0×10-3的绝对折射率差|Δn2|以及使得b/a等于8的半径b，使得光信号很好地保持为限制在光纤纤芯内。优选地，分别在纤芯和包层中均匀地掺氟。外部包层可以是套筒管或石英颗粒过包层(overcladding)，或者使用汽相轴向沉积方法(VAD)来沉积的纯的或掺氟的石英。
图2图示了本发明的传输光纤的折射率剖面的第二示例，其中光纤纤芯包含0.54wt.％的氟但不包含锗或磷，并且包层包含1.9wt.％的氟。纤芯具有4.35μm的半径a并与石英具有2.0×10-3的绝对折射率差|Δn1|。包层与石英具有7.0×10-3的绝对折射率差|Δn2|。优选地，分别在纤芯和包层中均匀地掺氟。根据该第二实施例，该光纤是从通过在掺氟的管内进行沉积而产生的具有与目标凹陷型包层基本上相同的折射率的初级预制件制作的。于是，外部包层可以是掺氟的石英套筒管或掺氟的石英颗粒过包层。下面描述用于制作本发明的光纤初级预制件的技术。
凹陷型包层与凹陷型纤芯之间的绝对折射率差(|Δn2|-|Δn1|)是3×10-3或更大。这改善了本发明光纤的性能，例如就抗弯曲性或截止波长而言。
利用所述光纤剖面，可以大大限制高辐射剂量(大于100Gray)下的光纤传输损耗。
图3是针对四个光纤而示出的与所应用的剂量相关的由辐射引起的传输损耗的趋势的曲线图。这些光纤中的一个光纤适应于本发明的一个实施例。测量是由Fraunhofer学院(Appelsgarten 2-53879 Euskirchen-德国)2005年9月进行的和2006年3月代表CERN(1211 Geneva 23-瑞士)进行的。
图3示出了四个光纤的传输损耗：一个在纤芯中包含约1wt％的锗的光纤(光纤1)，一个在纤芯中包含约6wt％的锗的不是根据本发明的光纤(光纤2)，一个本发明的光纤(光纤3)，以及一个具有纯石英纤芯的不是根据本发明的光纤(光纤4)。该曲线图示出了在1310nm的波长处，在速率为0.225Gray/s的104Gray的辐射下，以28℃的温度，在100m的光纤长度上，在光信号功率为10μW至40μW的情况下，所测得的每个光纤的传输损耗。
可以看出，特别是在剂量高于100Gray之后，本发明的光纤(光纤3)具有比在纤芯中包含锗的光纤(光纤1和光纤2)和具有纯石英纤芯的光纤(光纤4)低得多的传输损耗。
因此，本发明的光纤在低剂量速率(典型地在百分之几Gray/s的量级)的高剂量(高于100Gray的剂量)条件下显示出了良好的抗辐射性，但在高速率(典型地高于数个Gray/s)下也是如此。例如，在1310nm处，在1小时的时间段上传导10000Gray的辐射的情况下，本发明的光纤具有小于20dB/km的衰减增量。另外，对于速率大于1Gray/s的范围从200Gray到30000Gray的辐射，其表现出小于100％的衰减增量变化。
本发明的光纤满足标准G.652B的全部准则。因此，可以容易地在光通信系统中结合SSMF光纤而使用本发明的光纤。
凹陷型包层和凹陷型纤芯的半径使得其符合标准G.652B的准则。
可以将本发明的光纤制造为使得在1310nm处，在不存在离子化辐射的情况下，传输损耗小于5dB/km，甚至小于0.35dB/km。
本发明的传输光纤可以通过从具有如上所述的折射率剖面的预制件进行拉拔来制作。
以已知的方式，可以通过在拉丝塔上对预制件进行拉拔来产生光纤。预制件包括例如初级预制件，该初级预制件包括形成光纤的包层和纤芯的一部分的质量非常高的玻璃管。然后，可以在该初级预制件上进行过包覆或添加套筒以增加其直径并形成能够在拉丝塔上使用的最终预制件。在本上下文中，形成在管内的包层称为内部包层，并且形成在管外的包层称为外部包层。类似的光纤拉拔包括将预制件垂直地放置在拉丝塔中并从预制件的一端拉拔出一股光纤。为此，向预制件的一端局部地施加高温，直到石英软化为止，然后在光纤拉拔期间持久地控制拉拔速度和温度，原因在于它们会决定沿预制件的光纤性质的稳定性。特别地，直径稳定性将确保传播性质的稳定性(截止波长、模直径)。预制件的几何性质必须完全符合光纤的包层和纤芯的直径比值和折射率比值，以便所拉拔的光纤具有所需的剖面。
在管中沉积组分统称为“掺杂”，即将“杂质”添加到石英以改变其折射率。根据本发明，氟(F)用来形成光纤的凹陷型纤芯和凹陷型包层。
具有高凹陷型包层的预制件是难以生产的。氟不能很好地并入被加热到超过一定温度的石英中，而高温是制作玻璃所必需的。制作玻璃所需的高温与用以促进氟的良好并入的低温之间的权衡使得不能实现比石英折射率低得多的折射率。
已提出使用等离子体化学汽相沉积(PCVD)来制作用于本发明光纤的预制件，原因在于，利用该技术，可以通过反应混合物的离子化在比利用常规技术(CVD、VAD、OVD)更低的温度下实现反应。在文献US RE 30,635和US 4,314,833中描述了所述制作技术，其使得可以在石英中并入大量氟以形成具有高凹陷型折射率的包层。本发明的光纤分别包括纤芯和包层，它们具有高的凹陷型折射率，即分别与外部包层具有大于1.5×10-3和4.5×10-3的折射率差。
纯石英管或掺氟石英管被提供并安放在玻璃制成的车床中。使得该管旋转，并且掺杂的或非掺杂的玻璃前体的气态混合物发散。通过施加微波辐射，在管内产生等离子体。由此在管内沉积多层(掺杂的)玻璃。
通过微波加热而进行的掺杂剂的剧烈反应使得高浓度的掺杂剂可以并入石英层中。特别地，对于在局部吹风管加热下不能正确地并入石英中的氟，PCVD使得能够对石英层掺杂高浓度的氟以形成凹陷型包层。
本发明的传输光纤可以用于位于暴露于高离子化辐射的环境中的光通信系统中，例如用于粒子物理实验室中的内联网、核电站或暴露于宇宙辐射的卫星中。
显然，本发明不限于作为示例而描述的实施例。特别地，可以考虑PCVD之外的制作方法。

Claims (13)

1.一种单模传输光纤，包括：
-凹陷型纤芯，具有至少0.41wt％的氟以及与纯石英的大于1.5×10-3的绝对折射率差(|Δn1|)；以及
-凹陷型包层，具有至少1.2wt％的氟、与纯石英的大于4.5×10-3的绝对折射率差(|Δn2|)以及与所述凹陷型纤芯的大于3×10-3的绝对折射率差(|Δn2|-|Δn1|)。
2.根据权利要求1所述的光纤，在1310nm的波长处，对于速率大于1Gray/s的范围从200Gray到30000Gray的辐射，表现出小于100％的衰减变化。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光纤，其中所述纤芯不包括锗。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光纤，其中所述纤芯不包括磷。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光纤，其中所述纤芯中的氟浓度与所述包层中的氟浓度的比值大于3。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光纤，其中在不存在任何离子化辐射的情况下，在1310nm处，传输损耗小于5dB/km。
7.根据权利要求6所述的光纤，其中在不存在任何离子化辐射的情况下，在1310nm处，传输损耗小于0.35dB/km。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光纤，其中所述纤芯最多具有1.4wt％的氟。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光纤，其中在1310nm的波长处，模场直径(MFD)在8.6μm与9.5μm之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光纤，其中成缆截止波长最大为1260nm。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光纤，其中链路偏振模色散小于或等于0.2ps/sqrt(km)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光纤的至少一部分在位于表现出离子化辐射的环境中的光通信系统中的用途。
13.根据权利要求12所述的用途，其中所述光系统还包括标准单模光纤(SSMF)的部分。
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