CN104765098B - 一种具有较低衰减系数的单模光纤 - Google Patents

一种具有较低衰减系数的单模光纤 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有较低衰减系数的单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层半径r1为3.9~4.6μm，芯层相对折射率Δ1为0.08%~0.24%，芯层外从内向外依次包覆内包层，下陷内包层，辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2为8~15μm，相对折射率Δ2为‑0.30%~‑0.05%，所述的下陷内包层半径r3为14~20μm，相对折射率Δ3为‑0.6%~‑0.2%，所述的辅助外包层半径r4为35~50μm，相对折射率Δ4范围为‑0.35%~‑0.05%；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明降低了光纤的衰减系数，并通过对光纤各芯包层剖面的合理设计，使光纤具有等于或大于8.7μm的MFD；本发明光纤剖面采用多层阶梯状下陷包层结构，具有较宽的下陷包层结构用于限制基模泄露，对光纤的弯曲损耗具有较好的改进作用。

Description

一种具有较低衰减系数的单模光纤
技术领域
本发明涉及光纤传输技术领域，具体涉及一种具有较低衰减系数的单模光纤。
背景技术
在100G高速传输系统中，相干接收系统及数字信号处理DSP得到普遍应用，由于色散和偏振模色散可以在输出端的电域中进行线性补偿，其二者可以认为不再是长距离高速传输系统性能的主要限制因素，现在更多的难点和热点集中在如何降低光纤的衰减和非线性效应这两个难以用信号处理补偿的因素。
在100G和超100G系统中，接收端采用相干接收及数字信号处理技术(DSP)，能够在电域中数字补偿整个传输过程中累积的色散和偏振模色散(PMD)；信号通过采用偏振模复用和各种高阶调制方式来降低信号的波特率，例如PM-QPSK、PDM-16QAM、PDM-32QAM，甚至PDM-64QAM和CO-OFDM。然而高阶调制方式对非线性效应非常敏感，因此对光信噪比(OSNR)提出了更高的要求。引入低损耗大有效面积光纤，能为系统带来提高OSNR和降低非线性效应的效果。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。
目前，用于陆地传输系统线路的普通单模光纤，其有效面积仅约80μm2左右。而在陆地长距离传输系统中，对光纤的有效面积要求更高，一般的有效面积在100μm2以上。为了降低铺设成本，尽可能的减少中继器的使用，在无中继传输系统，如海底传输系统，传输光纤的有效面积最好在130μm2以上。然而，目前大有效面积光纤的折射率剖面的设计中，往往通过增大用于传输光信号的光学芯层的直径来获得大的有效面积。该类方案存在着一定的设计难点。一方面，光纤的芯层和靠近它的包层主要决定光纤的基本性能，并在光纤制造的成本中占据较大的比重，如果设计的径向尺寸过大，必然会提高光纤的制造成本，抬高光纤价格，将成为此类光纤普遍应用的障碍。另一方面，相比普通单模光纤，光纤有效面积的增大，会带来光纤其它一些参数的恶化：比如，光纤截止波长会增大，如果截止波长过大则难以保证光纤在传输波段中光信号的单模状态；此外，光纤折射率剖面如果设计不当，还会导致弯曲性能、色散等参数的恶化。
另一种限制长距离大容量传输的光纤特性就是衰减，目前常规的G.652.D光纤的衰减一般在0.20dB/km，激光能量在经过长距离传输后逐渐减小，所以需要采用中继的形式对信号再次放大。而相对与光纤光缆的成本，中继站相关设备和维护成本在整个链路系统的70％以上，所以如果提供一种低衰减或者超低衰减光纤，就可以有效的延长传输距离，减少建设和维护成本。
在同样的输入端OSNR情况下，光纤链路中衰减的降低可以转换到接收端的光信噪比OSNR，提高输出端的OSNR以及提高系统的OSNR的冗余量。在长距离通信中是利用光纤构筑数千公里的长距离链路，光信号的传输是靠中继站完成的。如果将光纤链路中累积的信号衰减控制到最小，就可以增大相邻两个中继站之间的距离，从而可以减小中继站的数量，最终可以大大减小中继站的运营建设及维护的成本。尤其对于一些环境艰苦、人烟稀少的地方，其优势显而易见。对于运营商，低损耗带来的经济效益不言而喻：
-100G速率下：三种光纤(普通光纤，低损耗光纤，超低损耗光纤)均能达到1000km以上。
-400G速率：LL光纤减少约20％的再生站数；而ULL减少约40％的再生站数。
综上所述，开发设计一种较低衰减光纤成为光纤制造领域的一个重要课题。
对于低衰减大有效面积光纤剖面设计和工艺设计来说，主要的困难有2个，第一是如何获得较低的衰减；第二是在较低衰减的基础上，保证光纤的模场直径，色散等光学参数符合G.652.D标准要求。
对于普通单模光纤而言，光纤衰减主要来源是瑞利散射，所以如何降低光纤的瑞利散射系数是剖面和工艺设计需要考虑的主要问题，通过有效的降低光纤芯层掺杂以及匹配各个部分的粘度设计，可以有效的降低光纤的瑞利系数。增加有效面积的主要方法是增加光纤的模场直径，其主要挑战是在降低光纤芯层折射率，增加芯层直径的情况下，保证光纤的基模传输，优化光纤的弯曲性能，保证基模截止。
文献CN201310394404提出一种超低衰减光纤的设计，其使用了纯二氧化硅的外包层设计，但因为其使用的是典型的阶跃剖面结构，没有使用下陷内包层设计优化光纤的弯曲，且其芯层没有使用Ge进行掺杂，所以可能造成预制棒制备时出现粘度失配，其衰减和弯曲水平，相对较差。
文献US2010022533提出了一种光纤的设计，为了得到更低的瑞利系数，其采用纯硅芯的设计，在芯层中没有进行锗和氟的共掺杂，并且其设计采用掺氟的二氧化硅作为外包层。对于这种纯硅芯的设计，其要求光纤内部必须进行复杂的粘度匹配，并要求在拉丝过程中采用极低的速度，避免高速拉丝造成光纤内部的缺陷引起的衰减增加，制造工艺十分复杂。
发明内容
以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：
从光纤纤芯轴线开始算起，根据折射率的变化，定义为最靠近轴线的那层为纤芯层，光纤的最外层即纯二氧化硅层定义为光纤外包层。
光纤各层相对折射率Δni由以下方程式定义，
其中ni为光纤玻璃层某一位置的绝对折射率，而nc为外包层折射率，即没有Ge或F掺杂的纯二氧化硅绝对折射率。
光纤芯层Ge掺杂的相对折射率贡献量ΔGe由以下方程式定义，
其中nGe为假设纤芯进行Ge掺杂时，Ge掺杂到纯二氧化硅中，引起二氧化硅玻璃折射率增加后玻璃的绝对折射率，而nc为外包层绝对折射率，即纯二氧化硅的绝对折射率。
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设计一种具有较低衰减系数的单模光纤，其成缆截止波长小于1260nm，具有较好的弯曲损耗性能，兼容G652标准，并且制造成本较低。
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，其特征在于所述的芯层半径r1为3.9～4.6μm，芯层相对折射率Δ1为0.08％～0.24％，芯层外从内向外依次包覆内包层，下陷内包层，辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2为8～15μm，相对折射率Δ2为-0.30％～-0.05％，所述的下陷内包层半径r3为14～20μm，相对折射率Δ3为-0.6％～-0.2％，所述的辅助外包层半径r4为35～50μm，相对折射率Δ4范围为-0.35％～-0.05％；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层，最外层的直径为125微米。
按上述方案，光纤的芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，或只掺锗的二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述光纤在1310nm波长的模场直径为8.8～9.7μm，优选条件下为9.0-9.5μm。
按上述方案，所述光纤的成缆截止波长等于或小于1260nm。
按上述方案，所述光纤的零色散点为1300～1324nm。
按上述方案，所述光纤的零色散斜率小于等于0.092。
按上述方案，所述光纤在波长1310nm处的色散等于或小于18ps/nm*km，所述光纤在波长1625nm处的色散等于或小于22ps/nm*km。
按上述方案，所述光纤在波长1310nm处的衰耗等于或小于0.330dB/km；优选条件下等于或小于0.325dB/km。
按上述方案，所述光纤在波长1550nm处的衰耗等于或小于0.190dB/km；优选条件下等于或小于0.185dB/km。
按上述方案，所述光纤在波长1550nm处，R15mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯损耗等于或小于0.25dB，R10mm弯曲半径弯曲1圈的宏弯损耗等于或小于0.75dB。
按上述方案，所述光纤在波长1700nm处的微弯损耗等于或小于4.5dB/km。
本发明的有益效果在于：1、采用掺有锗的芯层，合理的设计了光纤内部的粘度匹配，减少光纤制备过程中缺陷，降低了光纤的衰减系数，设计了合理的光纤氟掺杂下陷结构，并通过对光纤各芯包层剖面的合理设计，使光纤具有等于或大于8.7μm的MFD；3、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，光纤剖面采用多层阶梯状下陷包层结构，具有较宽的下陷包层结构用于限制基模泄露，对光纤的弯曲损耗具有较好的改进作用；4、最外层的外包层结构采用了纯二氧化硅的设计，降低了氟掺杂玻璃在光纤中的比重，从而降低了光纤制造生产成本。
附图说明
图1为本发明一个实施例的折射率剖面结构分布图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细描述。
包括有芯层和包层，所述的芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，或为掺锗的二氧化硅玻璃层，芯层外从内向外依次包覆内包层，下陷内包层，辅助外包层和外包层。所述外包层为纯二氧化硅玻璃层，外包层的半径为125微米。
表一所列为本发明优选的实施例的折射率剖面参数，表二为表一所述光纤所对应的光传输特性。
表一、本发明实施例的光纤剖面参数
序号 r1[μm] Δ1[％] r2[μm] Δ2[％] r3[μm] Δ3[％] r4[μm] Δ4[％]
1 4.3 0.19 11.8 -0.13 14.5 -0.52 42 -0.18
2 4.2 0.17 11.5 -0.15 15.5 -0.32 48 -0.2
3 4.5 0.15 12.5 -0.17 15.5 -0.45 45 -0.25
4 4.6 0.18 11 -0.14 14.5 -0.42 38 -0.28
5 4 0.24 10.5 -0.05 14 -0.23 41 -0.07
6 4.1 0.2 13 -0.18 16 -0.35 40 -0.15
7 4.4 0.1 10 -0.26 16.8 -0.51 46 -0.24
8 4.3 0.08 13 -0.28 16.5 -0.58 47 -0.3
9 3.9 0.11 12 -0.22 19 -0.4 44 -0.28
10 4.6 0.13 14 -0.23 16.5 -0.38 42 -0.3
表二、本发明实施例的光纤参数

Claims (10)

1.一种具有较低衰减系数的单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层半径r1为3.9～4.6μm，芯层相对折射率Δ1为0.11％～0.24％，芯层外从内向外依次包覆内包层，下陷内包层，辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2为8～15μm，相对折射率Δ2为-0.30％～-0.05％，所述的下陷内包层半径r3为14～20μm，相对折射率Δ3为-0.6％～-0.2％，所述的辅助外包层半径r4为35～50μm，相对折射率Δ4范围为-0.35％～-0.05％；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。
2.按权利要求1所述的具有较低衰减系数的单模光纤，其特征在于光纤的芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，或只掺锗的二氧化硅玻璃层。
3.按权利要求1或2所述的具有较低衰减系数的单模光纤，其特征在于所述光纤在1310nm波长的模场直径为8.8～9.7μm。
4.按权利要求1或2所述的具有较低衰减系数的单模光纤，其特征在于所述光纤的成缆截止波长等于或小于1260nm。
5.按权利要求1或2所述的具有较低衰减系数的单模光纤，其特征在于所述光纤的零色散点为1300～1324nm；所述光纤的零色散斜率小于等于0.092。
6.按权利要求5所述的具有较低衰减系数的单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1310nm处的色散等于或小于18ps/nm*km，所述光纤在波长1625nm处的色散等于或小于22ps/nm*km。
7.按权利要求1或2所述的较低衰减系数的单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1310nm处的衰耗等于或小于0.330dB/km。
8.按权利要求1或2所述的具有较低衰减系数的单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1550nm处的衰耗等于或小于0.190dB/km。
9.按权利要求1或2所述的具有较低衰减系数的单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1550nm处，R15mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯损耗等于或小于0.25dB，R10mm弯曲半径弯曲1圈的宏弯损耗等于或小于0.75dB。
10.按权利要求1或2所述的具有较低衰减系数的单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1700nm处的微弯损耗等于或小于4.5dB/km。
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