CN103472529B - 低损耗光纤及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低损耗光纤及其制造方法，涉及光纤领域，该低损耗光纤包括阶跃形波导，阶跃形波导包括由内到外依次排列的芯层、芯包过渡层、芯包界面过渡层、深掺氟包层、包套过渡层、包套界面过渡层和套管层，芯层采用纯硅芯微掺氟或微掺硼制成，芯层与纯硅芯之间的相对折射率差为0～0.1%；深掺氟包层采用纯二氧化硅深掺氟制成，深掺氟包层与芯层的相对折射率差为0.24%～0.28%；芯包过渡区中的折射率按照抛物线曲线呈梯度变化分布，应力系数的绝对值范围在0.005～0.015之间；基点温度从900℃～950℃逐渐上升到1150℃～1200℃之间。本发明制造出的光纤在1550nm波段的衰减系数能降低到0.158dB/km以下。
Description
技术领域
本发明涉及光纤领域，特别是涉及一种低损耗光纤及其制造方法。
背景技术
随着光纤通信技术向100G、400G超高速、大容量通信技术方向发展，其对光纤的衰减要求越来越高。在我国，由于地形复杂，国土辽阔，光纤通信有向大容量、超长站距方向发展的趋势。300km以上甚至400km的站距的出现，对传统超长站距光通信系统提出了严峻的挑战。在实际的长距离、大容量、高速率传输系统中，光放大器的ASE（Amplified Spontaneous Emission，放大自发辐射）噪声对系统的损伤不可避免，这一点在采用新的编码方式的超高速光纤通信系统中影响更为明显。ASE噪声的累积降低了系统的OSNR（Optical SignalNoise Ratio，光信噪比），从而限制了大容量高速通信系统传输的距离。降低ASE噪声影响的一个有效方法是采用更低衰减的光纤。光纤的本征衰减包括三个方面：光纤的吸收损耗、光纤的散射损耗和光纤的波导损耗。
光纤的吸收损耗产生的原因如下：在光纤中，当某一能级的电子受到与该能级差相对应的波长的光照射时，则位于低能级轨道上的电子将跃迁到能级高的轨道上。这一电子吸收了光能，就产生了光的吸收损耗。制造光纤的基本材料二氧化硅（SiO2）本身就吸收光，一个叫紫外吸收，另外一个叫红外吸收。石英玻璃中电子跃迁产生的吸收峰在紫外区的0.1～0.2μm波长左右。随着波长增大，其吸收作用逐渐减小，但影响区域很宽，直到1μm以上的波长。不过，紫外吸收对在红外区工作的石英光纤的影响不大。例如，在0.6μm波长的可见光区，紫外吸收可达1dB／km，在0.8μm波长时降到0.2～0.3dB／km，而在1.2μm波长时，大约只有0.1dB／km。石英光纤的红外吸收损耗是由红外区材料的分子振动产生的。在2μm以上波段有几个振动吸收峰。由于受光纤中各种掺杂元素的影响，石英光纤在2μm以上的波段不可能出现低损耗窗口，在1.85μm波长的理论极限损耗为1dB／km。因此目前光纤通信一般仅工作在0.8～1.6μm波长区，在该区域，受限于石英光纤本身的吸收损耗，光纤在1550nm的极限最低衰减在0.15dB/km左右。
光纤的散射损耗产生的原因如下：光纤中还存在类似大气中微颗粒对光的散射现象的瑞利散射。光纤的瑞利散射是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。光纤材料在加热过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩性不均匀，使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。由于光纤的结构不可能完全接近理想状况的，在其内部会存在诸如气泡、杂质、折射率的微小变化或者直径的不均匀，当光线传到这些地方时，就会有一部分光散射到各个方向，造成损耗。
光纤的波导损耗产生的原因如下：在光纤的芯-包层交界面，由于界面应力和材料分布的原因，会产生因交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射，实际上它是由表面畸变或粗糙所引起的模式转换或模式耦合。一种模式由于交界面的起伏，会产生其他传输模式和辐射模式。由于在光纤中传输的各种模式衰减不同，在长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，虽然各模式的损失会平衡起来，但模式总体产生额外的损耗，即由于模式的转换产生了附加损耗，这种附加的损耗就是波导散射损耗。
为实现低损耗光纤的制造，目前一般采用芯层纯硅芯结合包层掺氟的方式，采用这种方法可实现的最低衰减为：在满足常规G.652性能条件下，光纤在1550nm衰减可达到0.168dB/km，这是目前国际上最先进的水平。而对于未来要出现的100G，乃至400G站距达到数百km的超长站距通信系统而言，光纤的衰减自然是越低越好，如果能再降低0.01dB/km，对整个光通信系统的性能提升将是非常有益的。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种低损耗光纤及其制造方法，制造出的光纤在满足常规G.652光纤规范其他要求的同时，在1550nm波段的衰减系数能降低到0.158dB/km以下。
本发明提供一种低损耗光纤，包括阶跃形波导，所述阶跃形波导包括由内到外依次排列的芯层、芯包过渡层、芯包界面过渡层、深掺氟包层、包套过渡层、包套界面过渡层和套管层，所述芯层采用纯硅芯微掺氟或微掺硼制成，芯层的折射率为n1，芯层的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0～0.1%；深掺氟包层采用纯二氧化硅深掺氟制成，深掺氟包层的折射率为n2，深掺氟包层的折射率n2与芯层的折射率n1之间的相对折射率差为0.24%～0.28%；套管层的折射率为n3，n3为常规石英光纤包层折射率，深掺氟包层的厚度：芯层的厚度=3～9；芯包过渡区中芯包过渡层、芯包界面过渡层、包套过渡层、包套界面过渡层的折射率按照抛物线曲线呈梯度变化分布，芯包界面间的折射率梯度变化曲线的应力系数的绝对值范围在0.005～0.015之间；光棒沉积时的材料离子相互反应后吸附在靶棒或靶管壁时的基点温度从刚开始的900℃～950℃逐渐上升到1150℃～1200℃之间；光棒经过光棒熔融区、光纤成型区拉制成标准尺寸的光纤，光棒熔融区的长度为L1，光纤成型区的长度为L2，L1：L2=0.05～0.5。
在上述技术方案的基础上，所述芯层的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0.05%。
在上述技术方案的基础上，所述深掺氟包层的折射率n2与芯层的折射率n1之间的相对折射率差为0.26%。
在上述技术方案的基础上，所述深掺氟包层的厚度：芯层的厚度=6。
在上述技术方案的基础上，所述芯包界面间的折射率梯度变化曲线的应力系数的绝对值为0.01。
本发明还提供上述低损耗光纤的制造方法，包括以下步骤：
S1：在一根高纯石英反应管内壁，按照由外至内的顺序，先沉积包套界面过渡层，然后沉积包套过渡层，再沉积深掺氟包层，其后沉积芯包界面过渡层和芯包过渡层，最后沉积芯层，具体过程为：设定一个900℃～950℃之间的基点温度，在高纯石英反应管上先沉积包套界面过渡层，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=αX2+b，其中：Y为相对折射率差，X为折射率变化起始点开始的相对距离，α为应力系数，b为界面折射率变化常数，b取值为0或0.05%，本步骤中应力系数α的绝对值保持不变，取值范围为0.005～0.015，沉积包套界面过渡层时，取应力系数α为负值，以与反应管接触面之间的距离为相对距离；然后沉积包套过渡层，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=αX2+b，适当提高基点温度，取应力系数α为负值，以与包套界面过渡层接触面之间的距离为相对距离；再沉积深掺氟包层，此时基点温度以线性变化曲线逐步提高，整个深掺氟包层与芯层的相对折射率差均为同一值；沉积芯包界面过渡层，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=αX2+b，适当提高基点温度，取应力系数α为正值，以与深掺氟包层接触面之间的距离为相对距离；然后沉积芯包过渡层，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=αX2+b，适当提高基点温度，取应力系数α为正值，以与芯包界面过渡层接触面之间的距离为相对距离；最后将基点温度上升到1150℃～1200℃之间，沉积芯层；沉积深掺氟包层和芯层时，没有波导结构曲线依从抛物线公式Y=αX2+b的要求；在沉积的过程中，深掺氟包层的厚度：芯层的厚度=3～9；并在沉积各个层的过程中逐步提高沉积的基点温度，从刚开始的900℃～950℃逐渐上升到1150℃～1200℃之间；芯层的折射率n1与纯硅芯的折射率的相对折射率差为0～0.1%，芯层的组成材料为纯硅芯结合微掺氟或纯硅芯结合微掺硼；深掺氟包层的折射率n2与芯层的折射率n1的相对折射率差为0.24%～0.28%；
S2：将上述反应管熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒的芯棒，该芯棒的芯层位居中心，其外依次为芯包过渡层、芯包界面过渡层、深掺氟包层、包套过渡层和包套界面过渡层以及作为基底的高纯石英管层；
S3：在得到的实心棒外套一个合适比例的石英套管，将二者熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒，光纤预制棒的最外层为由高纯石英管层和套管熔融而成的套管层；
S4：将得到的低损耗光纤预制棒在拉丝塔上拉制成低损耗光纤，在拉制时，通过调节拉丝塔高温炉的内的温度场分布，使光纤熔融区9的长度L1：光纤成型区的长度L2=0.05～0.5。
在上述技术方案的基础上，所述芯层的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0.05%。
在上述技术方案的基础上，所述深掺氟包层的折射率n2与芯层的折射率n1之间的相对折射率差为0.26%。
在上述技术方案的基础上，所述深掺氟包层的厚度：芯层的厚度=6。
在上述技术方案的基础上，所述应力系数α的绝对值为0.01。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
（1）本发明通过微掺氟或微掺硼的纯硅芯芯层与深掺氟包层共同形成低损耗单模光纤的阶跃形波导结构，并利用芯层与深掺氟包层间的过渡抛物线结构、深掺氟包层与套管过渡层的过渡抛物线折射率梯度变化结构，从波导上进一步降低芯包间的界面应力；同时通过光棒制造过程中的基点温度控制材料粘度，控制光纤拉制过程中的光棒熔融与光纤成型间长度的比例，在光纤的制造工艺方法上实现了芯包界面应力的良好控制，制造出的光纤在满足常规G.652光纤规范其他要求的同时，在1550nm波段的衰减系数能够降低到0.158dB/km以下，在现有衰减水平的基础上进一步降低0.01dB/km。
（2）由于掺硼对降低石英光纤的粘度非常有效，因此在使用芯层纯硅芯结合微掺硼的方式时能够很好地降低内应力。
附图说明
图1是本发明实施例中低损耗光纤波导的结构示意图。
图2是本发明实施例中芯包过渡区折射率的变化曲线图。
图3是本发明实施例中光棒熔融成型锥区的形状示意图。
附图标记：1—芯层，2—芯包过渡层，3—芯包界面过渡层，4—深掺氟包层，5—包套过渡层，6—包套界面过渡层，7—套管层，8—光棒，9—光棒熔融区，10—光纤成型区，11—光纤。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种低损耗光纤，包括阶跃形波导，该阶跃形波导包括由内到外依次排列的芯层1、芯包过渡层2、芯包界面过渡层3、深掺氟包层4、包套过渡层5、包套界面过渡层6和套管层7，芯层1采用纯硅芯微掺氟或微掺硼制成，芯层1的折射率为n1，芯层1的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0～0.1%；深掺氟包层4采用纯二氧化硅深掺氟制成，深掺氟包层4的折射率为n2，深掺氟包层4的折射率n2与芯层1的折射率n1之间的相对折射率差为0.24%～0.28%；套管层7的折射率为n3，n3为常规石英光纤包层折射率。深掺氟包层4的厚度：芯层1的厚度=3～9。
参见图2所示，芯包过渡区中芯包过渡层2、芯包界面过渡层3、包套过渡层5、包套界面过渡层6的折射率按照抛物线曲线呈梯度变化分布，芯包界面间的折射率梯度变化曲线的应力系数的绝对值范围在0.005～0.015之间；光棒沉积时的材料离子相互反应后吸附在靶棒或靶管壁时的基点温度从刚开始的900℃～950℃逐渐上升到1150℃～1200℃之间。
参见图3所示，光棒8经过光棒熔融区9、光纤成型区10拉制成标准尺寸的光纤11，光棒熔融区9的长度为L1，光纤成型区10的长度为L2，L1：L2=0.05～0.5，实现更加平缓的光纤成型温度坡度，有效减小光纤拉制过程的应力，降低光纤的衰减。
本发明实施例中相对折射率差的计算公式为：相对折射率差=（n-n′）/n*100%，其中：n为参照折射率绝对值，n′为需要控制的折射率的绝对值。计算芯层1的折射率n1与深掺氟包层4的折射率n2之间的相对折射率差时，取n=n1，n′=n2；计算芯层1的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差时，取n=n0，n′=n1，n0为纯硅芯的折射率。
本发明实施例还提供一种上述低损耗光纤的制造方法，包括以下步骤：
S1：在一根高纯石英反应管内壁，按照由外至内的顺序，先沉积包套界面过渡层6，然后沉积包套过渡层5，再沉积深掺氟包层4，其后沉积芯包界面过渡层3和芯包过渡层2，最后沉积芯层1，具体过程为：设定一个900℃～950℃之间的合适的基点温度，在高纯石英反应管上先沉积包套界面过渡层6，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=αX2+b，其中：Y为相对折射率差，X为折射率变化起始点开始的相对距离，α为应力系数，b为界面折射率变化常数，b取值为0或0.05%，应力系数α取值不同时，折射率抛物曲线的坡度变化会有不同，本步骤中应力系数α的绝对值保持不变，取值范围为0.005～0.015，沉积包套界面过渡层6时，取应力系数α为负值，以与反应管接触面之间的距离为相对距离；然后沉积包套过渡层5，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=αX2+b，适当提高基点温度，取应力系数α为负值，以与包套界面过渡层6接触面之间的距离为相对距离；再沉积深掺氟包层4，此时基点温度以线性变化曲线逐步提高，整个深掺氟包层4与芯层1的相对折射率差均为同一值；沉积芯包界面过渡层3，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=αX2+b，适当提高基点温度，取应力系数α为正值，以与深掺氟包层4接触面之间的距离为相对距离；然后沉积芯包过渡层2，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=αX2+b，适当提高基点温度，取应力系数α为正值，以与芯包界面过渡层3接触面之间的距离为相对距离；最后将基点温度上升到1150℃～1200℃之间，沉积芯层1；沉积深掺氟包层4和芯层1时，没有波导结构曲线依从抛物线公式Y=αX2+b的要求；在沉积的过程中，深掺氟包层4的厚度：芯层1的厚度=3～9；并在沉积各个层的过程中逐步提高沉积的基点温度，从刚开始的900℃～950℃逐渐上升到1150℃～1200℃之间；芯层1的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0～0.1%，芯层1的组成材料为纯硅芯结合微掺氟或纯硅芯结合微掺硼；深掺氟包层4的折射率n2与芯层1的折射率n1之间的相对折射率差为0.24%～0.28%；
S2：将上述反应管熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒的芯棒，该芯棒的芯层1位居中心，其外依次为芯包过渡层2、芯包界面过渡层3、深掺氟包层4、包套过渡层5和包套界面过渡层6以及作为基底的高纯石英管层；
S3：在得到的实心棒外套一个合适比例的石英套管，将二者熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒，光纤预制棒的最外层为由高纯石英管层和套管熔融而成的套管层7；
S4：将得到的低损耗光纤预制棒在拉丝塔上拉制成低损耗光纤，在拉制时，通过调节拉丝塔高温炉的内的温度场分布，使光纤熔融区9的长度L1：光纤成型区10的长度L2=0.05～0.5。
下面通过6个具体实施例进行详细说明。
实施例1：
在一根高纯石英反应管内壁，按照由外至内的顺序，先沉积包套界面过渡层6，然后沉积包套过渡层5，再沉积深掺氟包层4，其后沉积芯包界面过渡层3和芯包过渡层2，最后沉积芯层1，具体过程为：首先将基点温度初始值设在900℃，在高纯石英反应管上先沉积包套界面过渡层6，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α1X2，其中：Y为相对折射率差，X为折射率变化起始点开始的相对距离，α1为应力系数，本实施例中应力系数α1的绝对值保持不变，取值为0.01，此时取应力系数α1为负值：-0.01，以与反应管接触面之间的距离为相对距离；然后沉积包套过渡层5，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α1X2，此时基点温度提高到950℃，取应力系数α1为负值：-0.01，以与包套界面过渡层6接触面之间的距离为相对距离。然后沉积深掺氟包层4，此时基点温度以线性变化曲线逐步提高，从950℃提高到1050℃，整个深掺氟包层4与芯层1的相对折射率差均为同一值；然后沉积芯包界面过渡层3，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α1X2，此时基点温度达到1075℃，取应力系数α1为正值：0.01，以与深掺氟包层4接触面之间的距离为相对距离；然后沉积芯包过渡层2，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α1X2，此时基点温度提高到1100℃，取应力系数α1为正值：0.01，以与芯包界面过渡层3接触面之间的距离为相对距离。最后沉积芯层1，基点温度由1100℃线性增加到1150℃；在沉积的过程中，深掺氟包层4的厚度：芯层1的厚度=3.0，芯层1的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0，此时芯层1等效为纯硅芯；深掺氟包层4的折射率n2与芯层1的折射率n1之间的相对折射率差为0.24%；
然后将上述反应管熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒的芯棒，该芯棒的芯层1位居中心，其外依次为芯包过渡层2、芯包界面过渡层3、深掺氟包层4、包套过渡层5和包套界面过渡层6以及作为基底的高纯石英管层；
其后在得到的实心棒外套一个合适比例的石英套管，将二者熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒，光纤预制棒的最外层为由高纯石英管层和套管熔融而成的套管层7；
最后将得到的低损耗光纤预制棒在拉丝塔上拉制成低损耗光纤，在拉制时，通过调节拉丝塔高温炉的内的温度场分布，使光纤熔融区9的长度L1与光纤成型区10的长度L2的比例为0.05。
实施例2：芯层微掺氟
在一根高纯石英反应管内壁，按照由外至内的顺序，先沉积包套界面过渡层6，然后沉积包套过渡层5，再沉积深掺氟包层4，其后沉积芯包界面过渡层3和芯包过渡层2，最后沉积芯层1，具体过程为：首先将基点温度初始值在930℃，在高纯石英反应管上先沉积包套界面过渡层6，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α2X2+b，其中：Y为相对折射率差，X为折射率变化起始点开始的相对距离，α2为应力系数，b为界面折射率变化常数，b取值为0.05%，本实施例中应力系数α2的绝对值保持不变，取值为0.005，此时取应力系数α2为负值：-0.005，以与反应管接触面之间的距离为相对距离；然后沉积包套过渡层5，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α2X2+b，b取值为0.05%，此时基点温度提高到970℃，取应力系数α2为负值：-0.005，以与包套界面过渡层6接触面之间的距离为相对距离。然后沉积深掺氟包层4，此时基点温度以线性变化曲线逐步提高，从970℃提高到1100℃，整个深掺氟包层4与芯层1的相对折射率差均为同一值；然后沉积芯包界面过渡层3，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α2X2+b，b取值为0.05%，此时基点温度达到1125℃，取应力系数α2为正值：0.005，以与深掺氟包层4接触面之间的距离为相对距离；然后沉积芯包过渡层2，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α2X2+b，b取值为0.05%，此时基点温度提高到1130℃，取应力系数α2为正值：0.005，以与芯包界面过渡层3接触面之间的距离为相对距离。最后沉积芯层1，基点温度由1130℃线性增加到1175℃；在沉积的过程中，控制深掺氟包层4与芯层1的厚度比值在6.0，芯层1的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0.05%，芯层1的组成材料为纯硅芯结合微掺氟；深掺氟包层4的折射率n2与芯层1的折射率n1之间的相对折射率差为0.26%；
然后将上述反应管熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒的芯棒，该芯棒的芯层1位居中心，其外依次为芯包过渡层2、芯包界面过渡层3、深掺氟包层4、包套过渡层5和包套界面过渡层6以及作为基底的高纯石英管层；
其后在得到的实心棒外套一个合适比例的石英套管，将二者熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒，光纤预制棒的最外层为由高纯石英管层和套管熔融而成的套管层7；
最后将得到的低损耗光纤预制棒在拉丝塔上拉制成低损耗光纤，在拉制时，通过调节拉丝塔高温炉的内的温度场分布，使光纤熔融区9的长度L1与光纤成型区10的长度L2的比例为0.2。
实施例3：芯层微掺氟
在一根高纯石英反应管内壁，按照由外至内的顺序，先沉积包套界面过渡层6，然后沉积包套过渡层5，再沉积深掺氟包层4，其后沉积芯包界面过渡层3和芯包过渡层2，最后沉积芯层1，具体过程为：首先将基点温度初始值在950℃，在高纯石英反应管上先沉积包套界面过渡层6，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α3X2，其中：Y为相对折射率差，X为折射率变化起始点开始的相对距离，α3为应力系数，本实施例中应力系数α3的绝对值保持不变，取值为0.015，此时取应力系数α3为负值：-0.015，以与反应管接触面之间的距离为相对距离；然后沉积包套过渡层5，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α3X2，此时基点温度提高到980℃，取应力系数α3为负值：-0.015，以与包套界面过渡层6接触面之间的距离为相对距离。然后沉积深掺氟包层4，此时基点温度以线性变化曲线逐步提高，从980℃提高到1145℃，整个深掺氟包层4与芯层1的相对折射率差均为同一值；然后沉积芯包界面过渡层3，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α3X2，此时基点温度达到1155℃，取应力系数α3为正值：0.015，以与深掺氟包层4接触面之间的距离为相对距离；然后沉积芯包过渡层2，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α3X2，此时基点温度提高到1165℃，取应力系数α3为正值：0.015，以与芯包界面过渡层3接触面之间的距离为相对距离。最后沉积芯层1，基点温度由1165℃线性增加到1200℃；在沉积的过程中，控制深掺氟包层4与芯层1的厚度比值在9.0，芯层1的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0.1%，芯层1的组成材料为纯硅芯结合微掺氟；深掺氟包层4的折射率n2与芯层1的折射率n1之间的相对折射率差为0.28%；
然后将上述反应管熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒的芯棒，该芯棒的芯层1位居中心，其外依次为芯包过渡层2、芯包界面过渡层3、深掺氟包层4、包套过渡层5和包套界面过渡层6以及作为基底的高纯石英管层；
其后在得到的实心棒外套一个合适比例的石英套管，将二者熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒，光纤预制棒的最外层为由高纯石英管层和套管熔融而成的套管层7；
最后将得到的低损耗光纤预制棒在拉丝塔上拉制成低损耗光纤，在拉制时，通过调节拉丝塔高温炉的内的温度场分布，使光纤熔融区9的长度L1与光纤成型区10的长度L2的比例为0.5。
实施例1、2、3对应的应力系数范围及相应的取值点的相对折射率差情况参见表1所示：
表1、实施例1、2、3的界面应力系数对应相对折射率差分布
实施例1、2、3对应光纤的关键测试数据参见表2所示：
表2、实施例1、2、3的低损耗光纤测试数据表
| 条件 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 单位 |
| 衰减1550nm | 0.1572 | 0.1575 | 0.1578 | dB/km |
| 色散1550nm | 16.9 | 16.7 | 16.3 | ps/(nm.km) |
| 零色散波长 | 1311 | 1313 | 1314 | nm |
| 截止波长λc | 1210 | 1232 | 1237 | nm |
| 模场直径1550nm | 10.82 | 10.71 | 10.53 | μm |
实施例4：芯层微掺硼
在一根高纯石英反应管内壁，按照由外至内的顺序，先沉积包套界面过渡层6，然后沉积包套过渡层5，再沉积深掺氟包层4，其后沉积芯包界面过渡层3和芯包过渡层2，最后沉积芯层1，具体过程为：首先将基点温度初始值在900℃，在高纯石英反应管上先沉积包套界面过渡层6，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α4X2，其中：Y为相对折射率差，X为折射率变化起始点开始的相对距离，α4为应力系数，本实施例中应力系数α4的绝对值保持不变，取值为0.005，此时取应力系数α4为-0.005，以与反应管接触面之间的距离为相对距离；然后沉积包套过渡层5，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α4X2，此时基点温度提高到930℃，取应力系数α4为负值：-0.005，以与包套界面过渡层6接触面之间的距离为相对距离。然后沉积深掺氟包层4，此时基点温度以线性变化曲线逐步提高，从930℃提高到1105℃，整个深掺氟包层4与芯层1的相对折射率差均为同一值；然后沉积芯包界面过渡层3，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α4X2，此时基点温度达到1115℃，取应力系数α4为正值：0.005，以与深掺氟包层4接触面之间的距离为相对距离；然后沉积芯包过渡层2，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α4X2，此时基点温度提高到1120℃，取应力系数α4为正值：0.005，以与芯包界面过渡层3接触面之间的距离为相对距离。最后沉积芯层1，基点温度由1120℃线性增加到1150℃；在沉积的过程中，控制深掺氟包层4与芯层1的厚度比值在3.0，芯层1的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0.05%，芯层1的组成材料为纯硅芯结合微掺硼；深掺氟包层4的折射率n2与芯层1的折射率n1之间的相对折射率差为0.26%；
然后将上述反应管熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒的芯棒，该芯棒的芯层1位居中心，其外依次为芯包过渡层2、芯包界面过渡层3、深掺氟包层4、包套过渡层5和包套界面过渡层6以及作为基底的高纯石英管层；
其后在得到的实心棒外套一个合适比例的石英套管，将二者熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒，光纤预制棒的最外层为由高纯石英管层和套管熔融而成的套管层7；
最后将得到的低损耗光纤预制棒在拉丝塔上拉制成低损耗光纤，在拉制时，通过调节拉丝塔高温炉的内的温度场分布，使光纤熔融区9的长度L1与光纤成型区10的长度L2的比例为0.5。
实施例5：芯层微掺硼
在一根高纯石英反应管内壁，按照由外至内的顺序，先沉积包套界面过渡层6，然后沉积包套过渡层5，再沉积深掺氟包层4，其后沉积芯包界面过渡层3和芯包过渡层2，最后沉积芯层1，具体过程为：首先将基点温度初始值在950℃，在高纯石英反应管上先沉积包套界面过渡层6，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α5X2，其中：Y为相对折射率差，X为折射率变化起始点开始的相对距离，α5为应力系数，本实施例中应力系数α5的绝对值保持不变，取值为0.015，此时取应力系数α5为负值：-0.015，以与反应管接触面之间的距离为相对距离；然后沉积包套过渡层5，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α5X2，此时基点温度提高到970℃，取应力系数α5为负值：-0.015，以与包套界面过渡层6接触面之间的距离为相对距离。然后沉积深掺氟包层4，此时基点温度以线性变化曲线逐步提高，从970℃提高到1125℃，整个深掺氟包层4与芯层1的相对折射率差均为同一值；然后沉积芯包界面过渡层3，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α5X2，此时基点温度达到1135℃，取应力系数α5为正值：0.015，以与深掺氟包层4接触面之间的距离为相对距离；然后沉积芯包过渡层2，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α5X2，此时基点温度提高到1140℃，取应力系数α5为正值：0.015，以与芯包界面过渡层3接触面之间的距离为相对距离。最后沉积芯层1，基点温度由1140℃线性增加到1200℃；在沉积的过程中，控制深掺氟包层4与芯层1的厚度比值在6.0，芯层1的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0.02%，芯层1的组成材料为纯硅芯结合微掺硼；深掺氟包层4的折射率n2与芯层1的折射率n1之间的相对折射率差为0.24%；
然后将上述反应管熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒的芯棒，该芯棒的芯层1位居中心，其外依次为芯包过渡层2、芯包界面过渡层3、深掺氟包层4、包套过渡层5和包套界面过渡层6以及作为基底的高纯石英管层；
其后在得到的实心棒外套一个合适比例的石英套管，将二者熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒，光纤预制棒的最外层为由高纯石英管层和套管熔融而成的套管层7；
最后将得到的低损耗光纤预制棒在拉丝塔上拉制成低损耗光纤，在拉制时，通过调节拉丝塔高温炉的内的温度场分布，使光纤熔融区9的长度L1与光纤成型区10的长度L2的比例为0.1。
实施例6：芯层微掺硼
在一根高纯石英反应管内壁，按照由外至内的顺序，先沉积包套界面过渡层6，然后沉积包套过渡层5，再沉积深掺氟包层4，其后沉积芯包界面过渡层3和芯包过渡层2，最后沉积芯层1，具体过程为：首先将基点温度初始值在930℃，在高纯石英反应管上先沉积包套界面过渡层6，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α6X2，其中：Y为相对折射率差，X为折射率变化起始点开始的相对距离，α6为应力系数，本实施例中应力系数α6的绝对值保持不变，取值为0.01，此时取应力系数α6为负值：-0.01，以与反应管接触面之间的距离为相对距离；然后沉积包套过渡层5，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α6X2，此时基点温度提高到950℃，取应力系数α6为负值：-0.01，以与包套界面过渡层6接触面之间的距离为相对距离。然后沉积深掺氟包层4，此时基点温度以线性变化曲线逐步提高，从950℃提高到1105℃，整个深掺氟包层4与芯层1的相对折射率差均为同一值；然后沉积芯包界面过渡层3，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α6X2，此时基点温度达到1115℃，取应力系数α6为正值：0.01，以与深掺氟包层4接触面之间的距离为相对距离；然后沉积芯包过渡层2，其波导结构曲线依从抛物线公式Y=α6X2，此时基点温度提高到1120℃，取应力系数α6为正值：0.01，以与芯包界面过渡层3接触面之间的距离为相对距离。最后沉积芯层1，基点温度由1120℃线性增加到1175℃；在沉积的过程中，控制深掺氟包层4与芯层1的厚度比值在9.0，芯层1的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0.1%，芯层1的组成材料为纯硅芯结合微掺硼；深掺氟包层4的折射率n2与芯层1的折射率n1之间的相对折射率差为0.28%；
然后将上述反应管熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒的芯棒，该芯棒的芯层1位居中心，其外依次为芯包过渡层2、芯包界面过渡层3、深掺氟包层4、包套过渡层5和包套界面过渡层6以及作为基底的高纯石英管层；
其后在得到的实心棒外套一个合适比例的石英套管，将二者熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒，光纤预制棒的最外层为由高纯石英管层和套管熔融而成的套管层7；
最后将得到的低损耗光纤预制棒在拉丝塔上拉制成低损耗光纤，在拉制时，通过调节拉丝塔高温炉的内的温度场分布，使光纤熔融区9的长度L1与光纤成型区10的长度L2的比例为0.05。
实施例4、5、6对应光纤的关键测试数据参见表3所示：
表3、实施例4、5、6的低损耗光纤测试数据表
本发明实施例的原理详细阐述如下：
本发明采用纯硅芯微掺氟或硼的芯层设计，包层深掺氟，以形成低吸收损耗的单模光纤阶跃型波导结构设计；同时在芯包界面形成一个优化的抛物线曲线结构设计，以降低界面应力，减少因界面应力的无序扰动带来的芯层折射率的不均匀波动造成的散射损耗。降低光纤吸收损耗的关键在与提高光纤原材料的纯度，使其他杂质离子的影响降低到最低。纯硅芯的方式杂质含量最少，散射损耗最低，但是在芯包间应力很大，容易形成芯包间的波导损耗。纯硅芯微掺氟或微掺硼的方式，一方面可以保证芯包间的合适折射率差，从而形成单模阶跃波导结构，同时，利用掺氟或掺硼的有利于粘度下降，特别是硼，只需要微微掺入少量，即可大幅降低芯层粘度，从而在保证与深掺氟包层间单模阶跃波导的同时，使芯层与深掺氟包层材料形成粘度匹配，这样一方面在降低芯层杂质含量的同时，大幅降低芯包间的界面应力，从而同时从材料散射损耗和界面应力波导损耗两个方面降低光纤的衰减。芯层和包层之间设置有2个过渡结构，两个过渡结构采用具有合适应力系数的抛物线折射率梯度变化结构，进一步使芯包间的界面应力通过合适的抛物线结构进一步减小；同时在包层和外围套管间同样设置2个过渡结构，使外围硅基材料与深掺氟包层之间的应力得以降低，从而减小外围硅基材料与深掺氟包层间应力对包层的应力渗透，增强深掺氟包层阶跃波导的稳定性。
在光棒的沉积过程中，合理调节沉积时的材料离子相互反应后吸附在靶棒或靶管壁时的基点温度，基点温度的控制范围从刚开始的900℃～950℃逐渐上升到1150℃～1200℃之间。通过反复的试验，确定不同的石英玻璃掺氟量和掺硼量在不同沉积条件下基点温度与材料粘度之间的匹配关系，沉积的厚度不同时，基点温度的大小不一样。通过基点温度的控制，来实现沉积时的光棒的芯层、包层以及套管过渡层间的粘度匹配，有效减少光棒制造过程中的芯包间界面应力。
光棒在熔融拉丝的过程中，还会因熔融后冷却成型时不同材料的冷却成型温度不一样，在拉丝成型阶段形成光纤内芯包界面应力。本发明实施例在熔融拉丝阶段改造拉丝塔的高温炉发热体结构，使光棒在高温熔融区间的长度在适合拉丝条件下尽量缩短，同时在光纤成型区的退火长度尽量变长，采用短熔融区长成型区的光纤锥面设计，使光纤熔融区保持一个合适的较短区域，一方面足够熔融光棒内的缺陷，另一方面让光棒内不同材料保持一个合理的高温熔融条件下的粘度匹配；在光纤成型区，将光棒锥面拉长，使光棒从原有的流体状态最终成为125微米的石英光纤的长度足够长，温度保持足够好，在利用高温熔融区舒缓光棒内的微小不均匀缺陷的同时，减少高温熔融带来的新增应力，并利用尽可能长的光纤成型长度，形成双曲线结构的光纤表面温度从高温熔融到低温成型的温度变化曲线，对光纤的成型形成有效的应力退火，充分降低光纤成型过程中芯包界面应力和芯层内的不均匀波动导致的芯层内应力。光纤内应力实际是光纤内在不均匀的外在表现。当光纤内应力降低后，光纤内在的不均匀将得到有效均衡，从而可有效降低光纤的衰减。
降低瑞利散射损耗的关键在于提高光纤制造工艺的水平，减少光纤内不均匀现象；降低波导损耗的关键是优化光纤设计与制造工艺，降低芯包界面应力。本发明实施例从结构设计上降低光纤的吸收损耗和散射损耗，实现低损耗光纤的设计；开发出粘度匹配的界面应力自适应降低工艺技术，减少光棒制造过程中的芯包界面应力的产生；形成光纤拉制过程的锥面优化控制工艺，在光纤拉制过程中通过合理的光纤锥面控制降低光纤的内应力，从而减小光纤的衰减。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型属在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种低损耗光纤，包括阶跃形波导，其特征在于：所述阶跃形波导包括由内到外依次排列的芯层(1)、芯包过渡层(2)、芯包界面过渡层(3)、深掺氟包层(4)、包套过渡层(5)、包套界面过渡层(6)和套管层(7)，所述芯层(1)采用纯硅芯微掺氟或微掺硼制成，芯层(1)的折射率为n1，芯层(1)的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0～0.1％；深掺氟包层(4)采用纯二氧化硅深掺氟制成，深掺氟包层(4)的折射率为n2，深掺氟包层(4)的折射率n2与芯层(1)的折射率n1之间的相对折射率差为0.24％～0.28％；套管层(7)的折射率为n3，n3为常规石英光纤包层折射率，深掺氟包层(4)的厚度：芯层(1)的厚度＝3～9；芯包过渡区中芯包过渡层(2)、芯包界面过渡层(3)、包套过渡层(5)、包套界面过渡层(6)的折射率按照抛物线曲线呈梯度变化分布，芯包界面间的折射率梯度变化曲线的应力系数的绝对值范围在0.005～0.015之间；光棒沉积时的材料离子相互反应后吸附在靶棒或靶管壁时的基点温度从刚开始的900℃～950℃逐渐上升到1150℃～1200℃之间；光棒(8)经过光棒熔融区(9)、光纤成型区(10)拉制成标准尺寸的光纤(11)，光棒熔融区(9)的长度为L1，光纤成型区(10)的长度为L2，L1：L2＝0.05～0.5，该光纤在1550nm波段的衰减系数低于0.158dB/km。
2.如权利要求1所述的低损耗光纤，其特征在于：所述芯层(1)的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0.05％。
3.如权利要求1所述的低损耗光纤，其特征在于：所述深掺氟包层(4)的折射率n2与芯层(1)的折射率n1之间的相对折射率差为0.26％。
4.如权利要求1所述的低损耗光纤，其特征在于：所述深掺氟包层(4)的厚度：芯层(1)的厚度＝6。
5.如权利要求1至4中任一项所述的低损耗光纤，其特征在于：所述芯包界面间的折射率梯度变化曲线的应力系数的绝对值为0.01。
6.权利要求1所述的低损耗光纤的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在一根高纯石英反应管内壁，按照由外至内的顺序，先沉积包套界面过渡层(6)，然后沉积包套过渡层(5)，再沉积深掺氟包层(4)，其后沉积芯包界面过渡层(3)和芯包过渡层(2)，最后沉积芯层(1)，具体过程为：设定一个900℃～950℃之间的基点温度，在高纯石英反应管上先沉积包套界面过渡层(6)，其波导结构曲线依从抛物线公式Y＝αX2+b，其中：Y为相对折射率差，X为折射率变化起始点开始的相对距离，α为应力系数，b为界面折射率变化常数，b取值为0或0.05％，本步骤中应力系数α的绝对值保持不变，取值范围为0.005～0.015，沉积包套界面过渡层(6)时，取应力系数α为负值，以与反应管接触面之间的距离为相对距离；然后沉积包套过渡层(5)，其波导结构曲线依从抛物线公式Y＝αX2+b，适当提高基点温度，取应力系数α为负值，以与包套界面过渡层(6)接触面之间的距离为相对距离；再沉积深掺氟包层(4)，此时基点温度以线性变化曲线逐步提高，整个深掺氟包层(4)与芯层(1)的相对折射率差均为同一值；沉积芯包界面过渡层(3)，其波导结构曲线依从抛物线公式Y＝αX2+b，适当提高基点温度，取应力系数α为正值，以与深掺氟包层(4)接触面之间的距离为相对距离；然后沉积芯包过渡层(2)，其波导结构曲线依从抛物线公式Y＝αX2+b，适当提高基点温度，取应力系数α为正值，以与芯包界面过渡层(3)接触面之间的距离为相对距离；最后将基点温度上升到1150℃～1200℃之间，沉积芯层(1)；沉积深掺氟包层(4)和芯层(1)时，没有波导结构曲线依从抛物线公式Y＝αX2+b的要求；在沉积的过程中，深掺氟包层(4)的厚度：芯层(1)的厚度＝3～9；并在沉积各个层的过程中逐步提高沉积的基点温度，从刚开始的900℃～950℃逐渐上升到1150℃～1200℃之间；芯层(1)的折射率n1与纯硅芯的折射率的相对折射率差为0～0.1％，芯层(1)的组成材料为纯硅芯结合微掺氟或纯硅芯结合微掺硼；深掺氟包层(4)的折射率n2与芯层(1)的折射率n1的相对折射率差为0.24％～0.28％；
S2：将上述反应管熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒的芯棒，该芯棒的芯层(1)位居中心，其外依次为芯包过渡层(2)、芯包界面过渡层(3)、深掺氟包层(4)、包套过渡层(5)和包套界面过渡层(6)以及作为基底的高纯石英管层；
S3：在得到的实心棒外套一个合适比例的石英套管，将二者熔缩成实心棒，得到低损耗光纤预制棒，光纤预制棒的最外层为由高纯石英管层和套管熔融而成的套管层(7)；
S4：将得到的低损耗光纤预制棒在拉丝塔上拉制成低损耗光纤，在拉制时，通过调节拉丝塔高温炉的内的温度场分布，使光纤熔融区9的长度L1：光纤成型区(10)的长度L2＝0.05～0.5。
7.如权利要求6所述的低损耗光纤的制造方法，其特征在于：所述芯层(1)的折射率n1与纯硅芯的折射率之间的相对折射率差为0.05％。
8.如权利要求6所述的低损耗光纤的制造方法，其特征在于：所述深掺氟包层(4)的折射率n2与芯层(1)的折射率n1之间的相对折射率差为0.26％。
9.如权利要求6所述的低损耗光纤的制造方法，其特征在于：所述深掺氟包层(4)的厚度：芯层(1)的厚度＝6。
10.如权利要求6至9中任一项所述的低损耗光纤的制造方法，其特征在于：所述应力系数α的绝对值为0.01。
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2013
- 2013-09-10 CN CN201310409732.1A patent/CN103472529B/zh active Active
Patent Citations (1)
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| CN102667554A (zh) * | 2009-11-25 | 2012-09-12 | 康宁股份有限公司 | 低损耗光纤 |
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