CN103760634A - 一种单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有较低制造成本的单模光纤。包括有芯层，芯层外依次包覆第一内包层，第二内包层和外包层，其特征在于所述的外包层由天然石英砂构成，其绝对折射率为1.4572～1.4574，所述的芯层直径a为8μm～10μm，芯层与外包层的折射率差

为4.1×10^-3～6.4×10^-3，所述的第一包层直径b与芯层直径a的比值b/a大于或等于1.6，第一包层与外包层的折射率差

为-2.4×10^-3～-0.7×10^-3，所述的第二包层直径c与芯层直径a的比值c/a大于或等于3.6。本发明利用成本低廉的天然石英砂材料作为光纤预制棒的外包层材料，使得光纤的制造成本大大下降；采用了双内包层结构，合理选择芯棒内包层与芯层的比例，并通过对第包层材料中掺氟量的和氯离子浓度的控制，降低天然石英料的外包层的杂质对光纤衰减的影响，有效降低了光纤水峰性能和衰减系数。

Description

一种单模光纤

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体的涉及一种用于光通信传输系统的具有较低制造成本的单模光纤。

背景技术

随着光纤市场竞争的日益激烈，光纤的市场价格成为越来越多的制造商的竞争手段。提高制造工艺的总体效率，降低光纤的制造成本越来越受关注。增大预制棒的尺寸，延长单根预制棒的拉丝时间，提高设备利用率是提高生产总体效率的一个有效手段。目前，各个光纤制造商都在最大限度的增大单根光纤预制棒所对应的光纤的拉丝长度。由于光纤中形成包层部分的玻璃占有绝大部分比例，因此降低包层材料的制造成本是一种降低光纤成本的有效手段。用于制造光纤预制棒外包层的石英原料主要有合成石英料和天然石英砂料。前者有害杂质含量低，纯度高，但成本很高；后者杂质含量较高，但工业化产量大，成本低廉。我国拥有约38亿吨优质石英矿资源，具有发展超高纯石英材料的资源优势。

目前光纤的包层制造手段主要有两种：芯棒管外直接沉积法和套管法。

（1）管外直接沉积分为“管外+Soot法”和APVD直接包覆工艺。管外+Soot外包法是目前被行业认为是制造低成本大型预制棒首选的工艺路线，如专利US005917109A。尤其随着VAD和OVD向多灯结构多组震荡沉积工艺的技术发展，Soot直接外包法显著降低了光纤预制棒的制造成本。由于外部气相沉积法VAD和OVD特点是沉积速率高，原材料容易获得，目前管外+Soot法直接外包技术提供了大部分的商用预制棒。但是为制备低水峰大型预制棒，管外+Soot直接外包法的技术路线也存在不足：a.管外法存在Soot制备和玻璃化的分离流程，过程较为复杂；b.在实现复杂折射率剖面和Ge/F共掺工艺等方面相对管内法明显不足。此外，由于Soot工艺采用SiCl₄为原料沉积得到石英管，由于SiCl₄气相沉积法会产生强烈腐蚀性和毒性气体氯气和氯化氢，净化处理代价高昂，且未参与反应的SiCl₄难以回收，一旦进入环境将产生恶劣影响，被污染土地会变成不毛之地。以SiCl₄为原料沉积石英玻璃，会在石英玻璃材料中引入Si-Cl键，破坏了原有的Si-O空间网络结构，造成Si-O原子链的断裂，宏观上表现为降低了石英熔体的粘度和光纤的机械强度，使得光纤断裂几率增大。另一种方法是APVD直接包覆法，通过等离子体加热天然石英砂在高温下直接在芯棒上完成包覆过程，由于APVD使用原料是天然石英砂粉料，直接取自天然石英矿，不需要进行化学合成处理，没有任何副产物，不仅成本上具有一定优势而且避免了对环境的破坏。APVD喷覆的石英砂粉料是直接在靶材上形成玻璃，不仅沉积速度快，而且省去了soot工艺在形成石英soot之后再进行烧结玻璃化的步骤，工艺上更简单易行。但是，由于天然石英砂的纯度具有一定限制，存在较多OH基杂质和金属杂质，在高温下很容易向芯层扩散。因此，要求有合理的合成石英包层厚度来阻挡外包过程中的OH基以及其他杂质的扩散。

例如德雷卡公司为解决这种问题，先后采用两种不同的方法来实现。其中：专利CN200410101230.3中介绍一种在CVD工艺制造的芯棒表面沉积一层掺氟的合成二氧化硅包层，然后在掺氟的二氧化硅包层外以APVD工艺沉积天然石英砂外包层。这种方法要求沉积掺氟二氧化硅包层后的预制棒直径大于芯层直径的5倍以上，而合成的掺氟二氧化硅石英砂成本远高于天然石英砂。因此这种方法在一定程度上削弱了APVD工艺在成本上的优势。

（2）套管法是将各自制备好的芯棒和套管组装后再融缩成实心棒或者直接拉丝。这种方法由于包层和芯棒分别制造，因此芯棒不仅可以选用沉积速度快的OVD，VAD工艺制备，而且可以采用沉积速度慢但折射率剖面控制精细的CVD（包括PCVD，MCVD，FCVD等）工艺制备，而套管则可以选用OVD，VAD等快速沉积的工艺制备，同时兼顾了芯层的折射率剖面的控制和包层成本的控制。另外由于芯棒和包层分别制备，互相之间不受干扰，即使包层材料中有少量杂质，由于省掉了芯棒在包层沉积过程中长时间的处于高温状态，杂质扩散的几率也会减少。因此，将套管法与APVD工艺结合起来，以天然石英砂为原料采用APVD工艺制造光纤用包层套管，是一种降低光纤成本的有效手段。

采用天然石英砂为原料制备的石英玻璃中羟基来源有两种途径，一是来源于石英粉。即石英矿物包裹体中的水与SiO₂ 反应，一是来源于生产工艺过程中气体与环境中的水与SiO₂ 反应。后者往往可以通过对工艺条件的严格控制，即保持工艺气体和生产环境足够干燥，降低。而前者只能依赖原料纯度，难以人为控制。另外，天然石英料由于提纯手段有限，其金属杂质的含量也相对偏高，亦难以人为控制。

 

为方便介绍发明内容，定义部分术语：

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；

折射率差：Δn_i=n_i-n₀， n_i和n₀分别为各对应光纤各部分和外包层石英材料的折射率。本发明所述外包层石英材料的折射率即为高纯天然石英砂材料的折射率。

氟（F）的贡献量：掺氟（F）石英玻璃相对于高纯天然石英砂材料的折射率差值的绝对值，即ΔF_i=｜nF_i-n₀｜，以此来表示掺氟（F）量。

锗（Ge）的贡献量：掺锗（Ge）石英玻璃相对于高纯天然石英砂材料的折射率差值的绝对值，即ΔGe_i=｜nGe_i-n₀｜，以此来表示掺锗（Ge）量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于利用成本低廉的天然石英砂材料作为光纤预制棒的外包层材料，通过优化的折射率剖面设计，提供一种可用于通信传输系统的具有较低制造成本的单模光纤。

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，芯层外依次包覆第一

内包层，第二内包层和外包层，其特征在于所述的外包层由天然石英砂构成，其绝对折射率为1.4572~1.4574，所述的芯层直径a为8μm~10μm，芯层与外包层的折射率差                                                

为4.1×10^-3~6.4×10^-3，所述的第一包层直径b与芯层直径a的比值b/a大于或等于1.6，第一包层与外包层的折射率差为-2.4×10^-3~ -0.7×10^-3，所述的第二包层直径c与芯层直径a的比值c/a大于或等于3.6。

按上述方案，所述的芯层直径a为8.5μm ~ 9.5μm，芯层与外包层的折射率差

为4.5

×10^-3~5.8×10^-3。

按上述方案，所述的第二包层与外包层的折射率差由内至外递减，第二包层靠近第一包

层处的折射率差为为0~1×10^-3，第二包层靠近外包层处的折射率差

。

按上述方案，所述的第二包层掺有一定量的氟，氟的贡献量ΔF₃为0.7×10^-3~2.2×10^-3，

优选为1.0×10^-3~1.8×10^-3。

按上述方案，第二包层仅掺氟或掺少量锗（Ge）,掺锗贡献量ΔGe₃不大于1.8×10^-3。

按上述方案，所述的第二包层氟掺杂玻璃材料中Cl离子的浓度小于等于3500ppm，优选为2000ppm以下。

按上述方案，所述的外包层OH基含量小于或等于30ppm，碱金属（Li、Na、K）总含量为1~5ppm，Al、Fe等金属杂质浓度为10~20ppm。

按上述方案，所述光纤在1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.34dB/km，优选条件下，小于或等于0.315dB/km。

按上述方案，所述光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.34dB/km，优选条件下，小于或等于0.325dB/km；在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.22dB/km，优选条件下，小于或等于0.190dB/km。

按上述方案，所述光纤在1310nm波长的模场直径为8.6~ 9.5μm。

按上述方案，所述光纤的光缆截止波长小于或等于1260nm。

按上述方案，所述光纤的零色散波长为1300~1324nm，光纤在零色散波长处的色散斜率小于或等于0.092ps/nm² _*km。

本发明的有益效果在于： 1、利用成本低廉的天然石英砂材料作为光纤预制棒的外包层

材料，使得光纤的制造成本大大下降；2、本发明采用了双内包层结构，合理选择芯棒内包层与芯层的比例，并通过对第包层材料中掺氟量的和氯离子浓度的控制，降低天然石英料的外包层的杂质对光纤衰减的影响，有效降低了光纤水峰性能和衰减系数；3、天然石英料较合成石英料的杂质含量相对较高，本发明光纤剖面的第二包层的外径较大，能够阻止天然石英料里的杂质向芯层扩散，有效降低光纤衰耗；4、本发明光纤剖面的第二包层折射率呈渐变，通过掺杂变化实现，在合成石英材料区域和天然石英砂外包层之间形成过渡，能够减少拉丝过程中产生的缺陷，有利于光纤强度的增加和衰耗的减少；在包层靠外的部分采用较深的氟掺杂。高浓度的氟能够与杂质中的羟基反应，实现“脱水”的目的，因此，能够更有效的降低光纤的水峰；5、合理控制光纤芯层的碱金属和Cl离子浓度，利用碱金属同F离子共同降低玻璃网络形成体的瑞利散射浓度波动系数，从而降低光纤的衰减；6、本发明制备的光纤在全面兼容G.652标准的基础上，衰减性能远远优于常规G.652光纤，是一种具有较低衰耗的低水峰单模光纤，可以获得更长的无中继距离与更大的系统冗余量，从而优化系统结构，减少中继站的建设和运营成本。

附图说明

图1是本发明的实施例的光纤径向横截面示意图和对应的光纤折射率剖面示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细描述。

包括芯层1，第一内包层2，第二内包层3和外包层4组成。光纤芯层由掺有氟及其他掺杂剂的石英玻璃组成：纤芯层外有三个包层。第一内包层紧密围绕芯层，第二内包层由掺氟的OVD石英玻璃组成；第三包层为外包层，紧密围绕第二内包层的所有分层，其为APVD工艺采用天然石英砂为原料制备的纯二氧化硅层，直径为125μm。

按照上述单模光纤的技术方案，在其所规定的范围内对光纤的参数进行设计，通过PCVD或VAD等芯棒制造工艺来根据光纤的设计要求制造芯棒，通过套管工艺、OVD工艺等外包工艺来完成整个预制棒的制造。本发明中，为达到设计的折射率分布值，掺杂材料可以是掺氟，或者可以是锗氟共掺，或由掺氟(F)和其它掺杂剂的石英玻璃组成。

所制备光纤的折射率剖面的主要参数如表1所示，其折射率剖面示意图如图1。所制备光纤的主要性能参数如表2所示。其中序号为8和10的样品，为不符合本发明要求例子。样品8，因在第二内包层未进行一定量的F掺杂，所制备光纤表现出1383nm衰减系数高，为非低水峰光纤。样品10由于第二内包层的氯离子含量过高，使得光纤的长波长处衰减系数明显升高。符合本发明要求的各实施例，各参数均满足ITU-T G.652光纤的指标要求，并表现出较低衰减系数和低水峰的优点。

表1：光纤的结构和材料组成

 

*不是根据本发明

表2：光纤的主要性能参数

* 不是根据本发明 

Claims (10)

1.一种单模光纤，包括有芯层，芯层外依次包覆第一内包层，第二内包层和外包层，其特征在于所述的外包层由天然石英砂构成，其绝对折射率为1.4572~1.4574，所述的芯层直径a为8μm~10μm，芯层与外包层的折射率差                                               

为4.1×10^-3~6.4×10^-3，所述的第一包层直径b与芯层直径a的比值b/a大于或等于1.6，第一包层与外包层的折射率差

为-2.4×10^-3~ -0.7×10^-3，所述的第二包层直径c与芯层直径a的比值c/a大于或等于3.6。

2.按权利要求1所述的单模光纤，其特征在于所述的芯层直径a为8.5μm ~ 9.5μm，芯层与外包层的折射率差

为4.5×10^-3~5.8×10^-3。

3.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述的第二包层与外包层的折射率差由内至外递减，第二包层靠近第一包层处的折射率差为

为0~1×10^-3，第二包层靠近外包层处的折射率差

。

4.按权利要求3所述的单模光纤，其特征在于所述的第二包层掺有一定量的氟，氟的贡献量ΔF₃为0.7×10^-3~2.2×10^-3。

5.按权利要求3所述的单模光纤，其特征在于所述的第二包层仅掺氟或掺少量锗,掺锗贡献量ΔGe₃不大于1.8×10^-3。

6.按权利要求4或5所述的单模光纤，其特征在于所述的第二包层氟掺杂玻璃材料中Cl离子的浓度小于等于3500ppm。

7.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述的外包层OH基含量小于或等于30ppm，碱金属Li、Na、K总含量为1~5ppm，Al、Fe金属杂质浓度为10~20ppm。

8.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1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.34dB/km；所述光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.34dB/km；在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.22dB/km。

9.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1310nm波长的模场直径为8.6~ 9.5μm。

10.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述光纤的光缆截止波长小于或等于1260nm；所述光纤的零色散波长为1300~1324nm；光纤在零色散波长处的色散斜率小于或等于0.092ps/nm² _×km。

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