CN103323908A - 一种单模光纤及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单模光纤及其制造方法。包括有芯层和包层，其特征在于芯层直径a为9.9～10.9微米，Δ1为2.1×10-3～3.8×10-3，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，内包层直径b为16～22微米，Δ2为-5×10-4～5×10-4，下陷包层直径c为24～38微米，Δ3为-15×10-3～-3×10-3 ，下陷包层的宽度为4～11微米。本发明使光纤具有等于或大于110μm2的有效面积，能够有效降低传输光纤中的非线性效应。本发明的截止波长、弯曲损耗、色散等综合性能参数在应用波段良好，以保证该类光纤在C波段传输应用中光信号的单模状态。合理控制了光纤芯层的尺寸，从而有效降低了光纤的制造成本，在光纤制造成本和光纤性能参数两方面有较好的平衡。

Description

一种单模光纤及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种单模光纤及其制造方法。该光纤具有较大的有效面积和较优的弯曲性能，特别适合应用于大容量、高速率的长距离传输系统当中。
背景技术
 随着光纤传输技术的不断发展，掺铒光纤放大器（EDFA）的开发和波分复用（WDM）技术在90年代中期得到应用。在WDM 设备系统中，由于使用合波器、分波器的插入损耗较大，往往采用EDFA进行放大补偿。但是，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应大大增加。光非线性效应包括四波混频、自相位调制及交叉相位调制等，该效应限制了光传输的容量与距离。所以，在大容量、高速率的传输系统中，对于传输光纤的性能提出了更高的要求，通过光纤性能的改进可以达到降低非线性效应的目的。
当采用高功率密度系统时，非线性系数是用于评估非线性效应造成的系统性能优劣的参数，其定义为n2/Aeff。其中，n2 是传输光纤的非线性折射指数，Aeff是传输光纤的有效面积。增加传输光纤的有效面积，能够降低光纤中的非线性效应。
光纤的有效面积与模场分布有关，国际电信联盟电信标准化部门ITU-T的G.650.2标准中给出了关于两者关系的经验公式：
  （1）
其中，k为修正因子，
Figure 850976DEST_PATH_IMAGE002
为光纤的模场半径，即。MFD是光纤的模场直径。不难看出在光纤设计时，增大MFD，则Aeff也会随之增大。本领域技术人员知道，增大MFD可以通过改变光纤芯包层的折射率和直径来实现。然而MFD的增大也容易带来其它光纤性能的恶化，比如截止波长增大和弯曲损耗增加。
理论上，光纤的弯曲性能与光纤的MAC值成正比关系，MAC值越大，则弯曲性能越差。所谓MAC值，即为传输光纤的模场直径与截止波长两个参数的比值。为保证大有效面积光纤在应用波长中呈单模状态传输，截止波长不宜过高，而当截止波长限制在一定数值范围内时，MFD的增大显然会带来MAC值的增大，也就带来了光纤弯曲性能的恶化。因此，对于大有效面积光纤的设计，关键在于对各光纤参数的平衡，取得各光纤性能的合理折中。
在光纤剖面靠近光传输的芯/包层外，沉积具有更低折射率特点的氟（F）掺杂的下陷包层是一种提高光纤抗弯曲性能的常见手段。如，美国发明专利US 4，852，968提出了一种具有一个或多个下陷包层的光纤折射率剖面结构，并且描述了这种结构对光纤零色散波长、色散等光学参数的影响。但是该文献并没有提到该结构对于截止波长的影响。也许是光纤折射率剖面的设计的不理想，该发明没有获得令人满意的大有效面积。在该发明所举实施例中，提及到的最大模场半径仅为4.69μm,以该值推断其光纤有效面积应该在80μm2以内。
专利CN102313924 A描述了一种有效面积在150 μm2以上的光纤。该发明通过在光纤包层外部增加一个下陷包层来抑制其弯曲性能的恶化。下陷包层对弯曲性能改进的程度与其体积的大小有关。对于越大有效面积的光纤，其下陷包层的体积就越大。该法的缺点在于下陷包层的体积增加会导致截止波长的增大，因此该专利为了获得更大的有效面积提出了放宽了对截止波长的限制，于是在其实施例中有多个样品的光缆截止波长超过1530nm,甚至达到了1800nm以上。显然，这类光纤无法全部满足在1550nm窗口的广泛应用。
值得注意的是，在光纤的折射率剖面中增加下陷包层结构，实际上增加了光纤预制棒沉积部分的厚度和界面数。由于各层间掺杂二氧化硅材料组分的不同，其所具有的的材料黏度和热膨胀系数也会有所不同。为避免在拉丝过程中因黏度失配影响光纤性能和使用寿命，折射率剖面中各层的掺杂剂的配比也应适当优化。为了保证光纤参数分布的均匀性，对预制棒的各层掺杂量和折射率值的精确控制也是十分重要的。目前，典型光纤预制棒制造方法有四种：改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子体化学气相沉积法（PCVD）、管外气相沉积法（OVD）和轴向气相沉积法（VAD）。其中，PCVD和MCVD等管内法工艺与OVD和VAD等管外沉积法相比较而言，其优势在于可以实现较深的掺氟，同时掺氟深度的径向及轴向均匀性好。对于OVD和VAD工艺，因为其属于外部沉积法，相比而言，其优势在于沉积速率较高，尺寸不受管材的限制。但OVD和VAD工艺较难实现较深的掺氟，同时掺氟深度的径向和轴向均匀性都相对较差。在以上四种光纤预制棒的制造中，对芯层部分的沉积要求是最严格的，需要精密的控制芯层折射率剖面和材料的均匀性；对下陷外包层部分的沉积，较其他部分需要更多的氟掺杂，从工艺控制和成本角度上也较正常的内包层或外包层更加严格和昂贵。专利CN101281275 B也提出了一种带有下陷包层的光纤，其光纤的有效面积可以达到120 μm2以上。但是该发明光纤中芯层尺寸占光纤比例较大，因此会增加光纤的制造成本。
因此，对于制造大有效面积光纤，关键在于通过合理地设计光纤折射率剖面，优化芯包层的黏度匹配，选取合适的制造工艺，改进光纤诸如截止波长、弯曲性能等各项参数，从而尽可能地提高传输光纤的有效面积，实现降低非线性效应的目的，使光纤更广泛的应用于在大容量、高速率的传输系统中。
发明内容
为方便介绍发明内容，定义部分术语：
芯棒：含有芯层和部分包层的预制件；
折射率剖面：光纤或光纤预制棒（包括芯棒）玻璃折射率与其半径之间的关系；
相对折射率差：Δni=ni-n0， ni和n0分别为各对应光纤各部分和纯二氧化硅玻璃折射率。
氟（F）的贡献量：掺氟（F）石英玻璃相对于纯石英玻璃的折射率差值的绝对值，即ΔF=｜nF-n0｜，以此来表示掺氟（F）量；
锗（Ge）的贡献量：掺锗（Ge）石英玻璃相对于纯石英玻璃的折射率差值的绝对值，即ΔGe=｜nGe-n0｜，以此来表示掺锗（Ge）量；
套管：符合一定截面积要求的厚壁高纯石英玻璃管；
RIC(Rod In Cylinder)工艺：将芯棒和套管经过处理，包括拉锥、延长、腐蚀、清洗和干燥后，将芯棒插入套管中所组成的大尺寸光纤预制棒的制造工艺；
OVD外包沉积工艺：用外部气相沉积和烧结工艺在芯棒表面制备需要厚度的SiO2玻璃；
VAD外包沉积工艺：用轴向气相沉积和烧结工艺在芯棒表面制备需要厚度的SiO2玻璃；
APVD外包工艺：用高频等离子体焰将天然或合成石英粉熔制于芯棒表面制备所需厚度的SiO2玻璃；
O/Si比：通入反应区的氧气（O2）与四氯化硅（SiCl4）的摩尔比。
光纤的有效面积Aeff：
Figure 2013102443476100002DEST_PATH_IMAGE004
其中，E是与传播有关的电场，r为轴心到电场分布点之间的距离。
    光缆截止波长λcc：
IEC(国际电工委员会)标准60793-1-44中定义：光缆截止波长λcc是光信号在光纤中传播了22米之后不再作为单模信号进行传播的波长。在测试时需通过对光纤绕一个半径14cm的圈，两个半径4cm的圈来获取数据。
本发明所要解决的技术问题旨在提供一种具有大有效面积的单模光纤及其制造方法，通过光纤折射率剖面参数的合理设计，以及对实现光纤折射率控制和黏度匹配有关的各掺杂剂成分的优化配比，在各项光纤参数良好的前提下，获得更大的光纤有效面积，并获得优异的抗弯曲性能。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有芯层和包层，其特征在于芯层直径a为9.9～10.9微米，芯层相对折射率差Δ1为2.1×10-3～3.8×10-3，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，内包层直径b为16～22微米，内包层相对折射率差Δ2为-5×10-4～5×10-4，下陷包层直径c为24～38微米，下陷包层相对折射率差Δ3为-15×10-3～-3×10-3  ，下陷包层的宽度为4～11微米，即4≤1/2（c-b）≤12。
按上述方案，所述的外包层的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率。
按上述方案，所述的芯层为掺锗（Ge）和氟（F）的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl，其中氟（F）的贡献量ΔF为1×10-3～2.2×10-3。
按上述方案，所述的内包层为掺锗（Ge）和氟（F）的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl，从内包层与下陷包层的界面21至芯层与内包层的内界面11，掺氟F和掺锗逐渐连续增加，呈梯度变化，在内包层与下陷包层的界面21处（内包层沉积开始点）氟（F）的贡献量ΔF为1.3×10-3～1.7×10-3，在芯层与内包层的内界面11处（内包层沉积结束点）氟（F）的贡献量ΔF为2.1×10-3～2.5×10-3。
按上述方案，所述光纤在1550nm波长的有效面积等于或大于110μm2。
按上述方案，所述的光纤具有小于或等于1530nm的光缆截止波长。
按上述方案，所述的光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.20dB/km。
按上述方案，所述光纤在波长1550nm处的色散等于或小于 22ps/nm*km，在波长1550nm处的色散斜率等于或小于0.070ps/nm2*km。
按上述方案，在1550nm波长处，光纤在10mm弯曲半径1圈的情况下，弯曲附加衰减≤0.75dB；在1625nm波长处，光纤在10mm弯曲半径1圈的情况下，弯曲附加衰减≤1.5dB；在1550nm波长处，光纤在15mm弯曲半径10圈的情况下，弯曲附加衰减≤0.25dB；在1625nm波长处，光纤在15mm弯曲半径10圈的情况下，弯曲附加衰减≤1.0dB；在1625nm波长处，光纤在30mm弯曲半径100圈的情况下，弯曲附加衰减≤0.1dB。
本发明所述单模光纤制造方法的技术方案为：将纯石英玻璃衬管安装在等离子体增强化学气相沉积（PCVD）车床上，通入反应气体进行掺杂沉积；在反应气体四氯化硅（SiCl4）和氧气（O2）中，通入含氟气体，以进行氟（F）掺杂，通入四氯化锗（GeCl4）以进行锗（Ge）掺杂；通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁；根据所述光纤波导结构的掺杂的要求，适时改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积下陷外包层、内包层和芯层； 沉积完成后，用电加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒，以纯石英玻璃为套管采用RIC工艺制得预制棒，或采用OVD或VAD或APVD外包沉积工艺制备外包层制得预制棒；将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤，在光纤表面涂覆内外两层紫外固化的聚丙稀酸树脂涂层即成。
按上述方案，所述的含氟气体为C2F6、CF4、SiF4、SF6、C4F8的任意一种或多种。
由于掺Cl对石英玻璃的瑞利散射的影响甚弱，但Cl掺杂可增加石英玻璃的折射率和降低其粘度，因而在光纤的芯层和内包层中具有较高的Cl含量，可减少掺Ge量来降低光纤的衰减系数，但其含量又不能太高，否则易形成气泡；而在下陷外包层中则低Cl含量可减少掺F量以避免该部分的粘度过低。对于PCVD工艺，Cl含量主要由炉温和反应气体的O/Si比确定的：Cl含量随炉温的升高而降低，随O/Si的增大而降低。
按上述方案，内包层和芯层为掺氟F和掺锗（Ge）的石英玻璃，其中芯层和内包层的界面上粘度相近，以避免拉丝过程中在芯层/包层的界面上产生缺陷，且在内包层中，内包层与下陷包层的界面21至芯层与内包层的内界面11，掺氟（F）和掺锗（Ge）逐渐连续增加，呈梯度变化，使其膨胀系数逐渐增大以避免拉丝过程中产生残余应力。在内包层与下陷包层的界面21处（内包层沉积开始点）氟（F）的贡献量ΔF为1.3×10-3～1.7×10-3，在芯层与内包层的内界面11处（内包层沉积结束点）氟（F）的贡献量ΔF为2.1×10-3～2.5×10-3。具体实现是通过掺氟（F）和掺锗（Ge）对石英玻璃在粘度和热膨胀系数上的差异来实现的。
本发明提出了一种具有功能梯度材料组成和结构的光纤，包括芯层、功能梯度结构的内包层、下陷包层以及外包层，其特点为下陷包层为掺氟（F）的石英玻璃，具有最低的折射率和最低的模量，在提高光纤抗弯曲性能的同时，可缓冲因掺锗（Ge）芯层具有高的热膨胀系数而导致在光纤表面产生张应力而影响光纤的机械性能，以使光纤芯层区域形成压应力，使光纤在弯曲过程中因弯曲所引起的附加应力不会轻易传递到芯层区域而引起衰减的增加。
本发明的有益效果在于：1、通过对光纤各纤芯层剖面的合理设计，使光纤具有等于或大于110μm2的有效面积，较大的光纤有效面积，能够有效降低传输光纤中的非线性效应。2、本发明的截止波长、弯曲损耗、色散等综合性能参数在应用波段良好，足够小的的成缆截止波长，以保证该类光纤在C波段传输应用中光信号的单模状态。3、合理控制了光纤芯层的尺寸，从而有效降低了光纤的制造成本，在光纤制造成本和光纤性能参数两方面有较好的平衡。4、下陷包层结构设计，以及功能梯度材料组成和结构的设计，对光纤的抗弯曲性能具有较好的改进作用，在具有较大有效面积的同时，光纤仍具备较低的弯曲损耗，亦能提高光纤的机械性能和使用寿命。5、本发明的光纤可适用于高速、大容量的长距离传输系统以及长距离无中继传输系统。
附图说明
图1是本发明光纤的截面示意图。图中：10为光纤的芯层，20为内包层，30为下陷包层，40为外包层， 11为芯层与内包层的界面，21为内包层与下陷包层的界面。
图2是本发明光纤的折射率剖面示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行进一步详细描述。
包括有芯层10和包层，芯层外的包层从内到外依次为内包层20、下陷包层30和外包层40，外包层直径d为125 微米，外包层的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率。
芯层和内包层为掺锗（Ge）和氟（F）的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl，从内包层与下陷包层的界面21至芯层与内包层的内界面11，掺氟（F）和掺锗（Ge）逐渐连续增加，呈梯度变化，在内包层与下陷包层的界面21（内包层沉积开始点）氟（F）的贡献量ΔF为1.3×10-3～1.7×10-3，在芯层与内包层的内界面11（内包层沉积结束点）氟（F）的贡献量ΔF为2.1×10-3～2.5×10-3。
对于掺氟（F）和掺锗（Ge）石英玻璃，氟和锗均降低石英玻璃的粘度，但影响的幅度有差异，即在引起相同折射率差时，氟对粘度的影响是锗的3倍。经系统研究，要使芯/包黏度匹配，需要满足：
Figure 2013102443476100002DEST_PATH_IMAGE005
其中ΔF1和ΔF2分别为芯层和内包层中氟（F）的贡献量, ΔTotal为芯层相对于内包层的相对折射率差。
对于掺氟（F）和掺锗（Ge）石英玻璃的热膨胀系数，掺氟（F）降低石英玻璃的热膨胀系数，掺锗（Ge）增加石英玻璃的热膨胀系数。其热膨胀系数αSiO2-GeO2-F（/℃）可以用以下公式计算: 
Figure 2013102443476100002DEST_PATH_IMAGE006
采用下陷包层的结构设计，根据以上研究结果设计掺氟（F）量，在确定氟（F）量后，即可确定折射率剖面设计各部分的掺锗（Ge）量。按本发明中所述方法，利用RIC工艺制备预制棒，然后拉丝，采用双层紫外固化丙烯酸酯涂层，涂覆制备外径为250μm光纤，光纤光纤剖面参数如表1所示(表1中所述光纤直径及折射率参数，均为实际光纤参数的算术平均值)。
表1：本发明实施例的光纤剖面参数
Figure 2013102443476100002DEST_PATH_IMAGE007
宏弯附加损耗测试方法参照IEC 60793-1-47中规定的方法，将光纤按一定半径绕成特定圈数，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。所制备的光纤的主要性能参数如表2所示。
表2：光纤的主要性能参数
Figure 2013102443476100002DEST_PATH_IMAGE008

Claims (9)

1.一种单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层直径a为9.9～10.9微米，芯层相对折射率差Δ1为2.1×10-3～3.8×10-3，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷包层和外包层，内包层直径b为16～22微米，内包层相对折射率差Δ2为-5×10-4～5×10-4，下陷包层直径c为24～38微米，下陷包层相对折射率差Δ3为-15×10-3～-3×10-3  ，下陷包层的宽度为4～11微米。
2.按权利要求1所述的单模光纤，其特征在于所述的外包层的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率。
3.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述的芯层为掺锗和氟的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl，其中氟的贡献量ΔF为1×10-3～2.2×10-3。
4.按权利要求3所述的单模光纤，其特征在于所述的内包层为掺锗和氟的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl，从内包层与下陷包层的界面至芯层与内包层的内界面，掺氟F和掺锗逐渐连续增加，呈梯度变化，在内包层与下陷包层的界面处氟的贡献量ΔF为1.3×10-3～1.7×10-3，在芯层与内包层的内界面11处氟的贡献量ΔF为2.1×10-3～2.5×10-3。
5.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长的有效面积等于或大于110μm2。
6.按权利要求5所述的单模光纤，其特征在于所述的光纤具有小于或等于1530nm的光缆截止波长；所述的光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.20dB/km。
7.按权利要求5所述的单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1550nm处的色散等于或小于 22ps/nm*km，在波长1550nm处的色散斜率等于或小于0.070ps/nm2*km。
8.按权利要求5所述的单模光纤，其特征在于在1550nm波长处，光纤在10mm弯曲半径1圈的情况下，弯曲附加衰减≤0.75dB；在1625nm波长处，光纤在10mm弯曲半径1圈的情况下，弯曲附加衰减≤1.5dB；在1550nm波长处，光纤在15mm弯曲半径10圈的情况下，弯曲附加衰减≤0.25dB；在1625nm波长处，光纤在15mm弯曲半径10圈的情况下，弯曲附加衰减≤1.0dB；在1625nm波长处，光纤在30mm弯曲半径100圈的情况下，弯曲附加衰减≤0.1dB。
9.一种单模光纤的制造方法，其特征在于将纯石英玻璃衬管安装在等离子体增强化学气相沉积（PCVD）车床上，通入反应气体进行掺杂沉积；在反应气体四氯化硅（SiCl4）和氧气（O2）中，通入含氟气体，以进行氟（F）掺杂，通入四氯化锗（GeCl4）以进行锗（Ge）掺杂；通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁；根据所述光纤波导结构的掺杂的要求，适时改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积下陷外包层、内包层和芯层； 沉积完成后，用电加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒，以纯石英玻璃为套管采用RIC工艺制得预制棒，或采用OVD或VAD或APVD外包沉积工艺制备外包层制得预制棒；将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤，在光纤表面涂覆内外两层紫外固化的聚丙稀酸树脂涂层即成。
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