CN104880766B - 一种超低衰减单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超低衰减单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层半径R₁为3.8～4.5μm，Δ1为‑0.05％～0.12％，芯层外从内向外依次包覆内包层，第一下陷内包层，中间内包层，第二下陷内包层，辅助外包层和外包层，内包层半径R₂为8～15μm，Δ2为‑0.35％～‑0.15％，第一下陷内包层半径R₃为13～20μm，Δ3为‑0.8％～‑0.35％，中间内包层半径R₄为16～23μm，Δ4为‑0.45％～‑0.15％；第二下陷内包层半径R₅为20～30μm，Δ5为‑0.6％～‑0.25％；辅助外包层半径R₆为35～50μm，Δ6范围为‑0.45％～‑0.15％；外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明在获得较低衰减系数的同时，各个光学参数满足G.652.B标准要求，并且具有较好的弯曲损耗、色散性能。

Description

一种超低衰减单模光纤

技术领域

本发明涉及光纤传输技术领域，具体涉及一种超低衰减单模光纤，其可支持100G及超100G长距离大容量传输。

背景技术

大数据时代已经到来，互联网、物联网、云管端、4G LTE等技术对数据传输容量提出了更高的需求。2013年，100Gbit/s高速通信已经进入商用时代，不断提高传输速率及传输容量和频谱效率是业内一直不断追求的目标。

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，从而提高输出端的OSNR以及提高系统的OSNR的冗余量。在长距离通信中，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。

因此，优化光纤衰减性能后的超低衰减光纤对于运营商来说，不论从优化系统结构还是降低运营维护成本，都具有很重要的意义。

对于光纤制造企业，具体而言，如何降低光纤的衰减：对于石英光纤在600nm-1600nm的衰减主要来自于瑞利散射，由瑞利散射所引起的衰减α_R可由下式计算：

式中，λ为波长(μm)，R为瑞利散射系数(dB/km/μm⁴)；P为光强；当瑞利散射系数确定时，B为相对应的常数。因而只要确定了瑞利散射系数R就可得到因瑞利散射所引起的衰减α_R(dB/km)。瑞利散射一方面是由于密度波动引起的，另一方面是由于浓度波动引起的。因而瑞利散射系数R可表示为：

R＝R_d+R_c

上式中，R_d和R_c分别表示由于密度波动和浓度波动所引起的瑞利散射系数变化。其中R_c为浓度波动因子，其主要受到光纤玻璃部分掺杂浓度的影响，理论上采用越少的Ge和F或者其他掺杂，R_c越小，这也是目前国外某些企业采用纯硅芯设计，实现超低衰减性能的原因。

但是我们需要注意到，瑞利散射系数中还包括另外一个参数R_d。R_d与玻璃的假想温度T_F相关，且伴随玻璃的结构变化和温度变化而变化。玻璃的假想温度T_F是表征玻璃结构一个物理参数，定义为从某温度T‘将玻璃迅速冷却到室温玻璃的结构不再调整而达到某平衡状态对应的温度。当T’>Tf(玻璃的软化温度)，由于玻璃的粘度较小，玻璃结构易于调整，因而每一瞬间玻璃均处于平衡状态，故T_F＝T’；当T’<T_g(玻璃的转变温度)，由于玻璃的粘度较大，玻璃结构难于调整，玻璃的结构调整滞后于温度变化，故T_F>T’；当T_g<T’<T_f(玻璃的软化温度)，玻璃趋向于平衡所需要的时间较短一些，具体与玻璃的组分和冷却速度有关，故T_F>T’或T_F<T’。

在使用纯硅芯设计时，为了保证光纤的全反射，必须使用相对较低折射率的F掺杂内包层进行匹配，以保证芯层和内包层之间保持足够的折射率差异。这样纯硅芯的芯层部分粘度相对较高，而同时大量F掺杂的内包层部分粘度较低，造成光纤结构粘度匹配失衡，从而使纯硅芯结构的光纤虚拟温度迅速增加，造成光纤的R_d增加。这样就不仅抵消掉R_c降低带来的好处，更可能造成光纤衰减反向异常增加。

文献US2010022533提出了一种大有效面积光纤的设计，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，制造工艺极其复杂。

文献EP2312350提出了一种非纯硅芯设计的大有效面积光纤设计，其采用阶梯状下陷包层结构设计，且有一种设计采用纯二氧化硅外包层结构。按照其设计，R2/R1大于6，且其设计中氟掺杂的包层部分最大半径为36μm，可以保证光纤的截止波长小于等于1530nm，兼容G654标准。但其MFD较大，不能兼容G652标准，且受到其较小氟掺杂半径的影响，光纤的微观和宏观弯曲性能变差，所以在光纤成缆过程中，会导致衰减增加，在其文献中也未提及相关弯曲性能。

文献US2008031582A1，US6449415和US4690504都提出了一种采用二氧化硅作为外包层材料的剖面设计，其均为纯二氧化硅芯层或F掺杂的二氧化硅芯层，没有进行Ge掺杂，所以其在拉丝过程中需要较精密的控制，以减少缺陷的产生。且其芯层和内包层部分均采用简单的阶跃剖面设计，没有采用相关下陷结构优化光纤的弯曲性能，在陆地干线上使用时可能出现宏弯损耗过大的问题。

文献CN10232392A描述了一种光纤。该发明所述光纤采用了常规锗氟共掺方式的芯层设计，且通过牺牲了截止波长的性能指标实现的。其允许光缆截止波长在1450nm以上，在其所述实施例中，成缆截止波长甚至达到了1800nm以上。在实际应用当中，过高的截止波长难以保证光纤在应用波段中得到截止，便无法保证光信号在传输时呈单模状态。因此，该类光纤在应用中可能面临一系列实际问题。此外，该发明所列举的实施例中，下陷包层外径R₃最小为16.3um，同样有所偏大。该发明没有能够在光纤参数(如，有效面积、截止波长等)和光纤制造成本中得到最优组合。

从上面的分析我们可以发现，存在使用非纯硅芯和部分氟掺杂包层进行超低衰减光纤工艺设计的可行性。但是受到光纤波导设计限制因素的影响，如果使用纯二氧化硅作为外包层材料的话，如何在这样的设计下，控制光纤的光学参数，是我们面临的挑战。

因为如果使用没有氟掺杂的纯二氧化硅作为外包层材料，会面临3个问题。

第一，抑制基模截止：在光纤波导设计中，外包层材料和芯层材料折射率差值太小，会造成光纤基模泄露，从而影响光纤的衰减。所以采用非掺F外包层材料设计的超低衰减光纤，就必须在外包层和芯层中间位置，通过合理的光纤剖面设计，抑制基模泄露。

单一下陷包层结构设计和制造相对简单，所以在普通的，尤其常规衰减系数的大有效面积光纤和抗弯曲单模光纤设计中非常常见。但是如果在超低衰减大有效面积光纤设计中，尤其是采用纯二氧化硅材料作为外包层的超低衰减光纤中，因为芯层的折射率同纯二氧化硅外包层的折射率差值不大，就更容易造成光纤波导设计中最头痛的基模泄露，引起光纤长波长衰减异常。传统方法，可以使用下陷内包层的结构来抑制光纤的基模泄露截止，但在设计和使用下陷内包层结构时，也会存在矛盾。从抑制基模泄露的角度，我们希望使用较大，较深的下陷结构，但这样就会造成光纤的截止波长过高。对于截止波长较高光纤，如G654光纤，其标准规定的截止波长为1530nm，所以使用单一的大体积的下陷内包层结构，虽然会造成截止波长偏高，但其截止波长仍然小于1530nm规定。但对于传统的G652光纤，标准规定其截止波长最高值为1260nm，此时仍采用这样的下陷内包层设计就会有很大的问题。我们从理论计算和实际实验中发现，如果采用两个下陷结构，不仅可以有效的利用高阶模在通过两个下陷时发生的高阶模耦合效应降低光纤的截止波长，又可以利用双下陷包层结构限制光纤基模泄露。

第二，考虑粘度匹配：如果外包层材料中没有做任何的粘度优化设计，其粘度与内包层和芯层粘度梯度失配，也会造成界面位置的缺陷以及虚拟温度升高等问题，从而增加光纤衰减。利用单下下陷包层结构或双下陷包层结构，在实现光纤波导优化的同时，利用不同下陷结构掺杂的不同，更有利于光纤剖面粘度匹配设计。简而言之，如果不采用下陷包层设计，那么内包层部分的粘度设计就只有一个梯度；采用单一下陷包层结构，就可以增加一个梯度；采用双下陷包层结构，就相当于增加三个梯度(两个下陷包层位置掺杂不一样，下陷包层与下陷包层之间的位置也可以使用特殊粘度设计)。

第三，考虑光学剖面匹配：如果使用纯二氧化硅玻璃作为外包层材料，在考虑负责粘度匹配设计时，就限定了各个部分掺杂的浓度，而为了证光纤的光学参数满足G652光纤的参数要求，即保证光纤的MFD，色散和弯曲性能符合标准要求，又要求我们必须考虑光学剖面设计。这就要求我们在进行粘度设计时，综合考虑光纤的光学设计，增加了工艺实现的难度。

发明内容

以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：

相对折射率折射率差Δi：

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Δi由以下方程式定义，

其中n_i为纤芯指定位置的绝对折射率，而n_c为最外包层折射率，即没有进行Ge或F掺杂的纯二氧化硅的折射率。

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n_Ge为假设纤芯的Ge掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅中，引起二氧化硅玻璃折射率的变化量，而n_c为最外包层折射率，即没有进行Ge或F掺杂的纯二氧化硅的折射率。

光缆截止波长λ_cc：

IEC(国际电工委员会)标准60793-1-44中定义：光缆截止波长λ_cc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光纤制造成本的超低衰减单模光纤，其兼容G.652.B标准，并且具有较好的弯曲损耗、色散性能。

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，其特征在于所述的芯层半径R₁为3.8～4.5μm，芯层相对折射率差Δ1为-0.05％～0.12％，芯层外从内向外依次包覆内包层，第一下陷内包层，中间内包层，第二下陷内包层，辅助外包层和外包层，所述的光纤的内包层半径R₂为8～15μm，相对折射率差Δ2为-0.35％～-0.15％，所述的第一下陷内包层半径R₃为13～20μm，相对折射率差Δ3为-0.8％～-0.35％，中间内包层半径R₄为16～23μm，相对折射率差Δ4为-0.45％～-0.15％；第二下陷内包层半径R₅为20～30μm，相对折射率差Δ5为-0.6％～-0.25％；所述的辅助外包层半径R₆为35～50μm，相对折射率差Δ6范围为-0.45％～-0.15％；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，光纤的芯层为锗和氟共掺的二氧化硅玻璃层，或为掺锗的二氧化硅玻璃层，其中芯层中锗的掺杂的相对折射率贡献量ΔGe为0.02％～0.10％。

按上述方案，中间内包层半径大于第一下陷内包层半径，且R₄-R₃≥1.5μm。

按上述方案，所述光纤在1310nm波长的模场直径8.7-9.6μm。

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在1300-1324nm范围内。

按上述方案，所述光纤在波长1550nm处的色散等于或小于18ps/nm*km。

按上述方案，所述光纤在波长1310nm处的衰耗等于或小于0.310dB/km；优选条件下等于或小于0.304dB/km；在波长1550nm处的衰耗等于或小于0.180dB/km；优选条件下等于或小于0.174dB/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。

本发明的有益效果在于：1、采用掺锗的芯层设计，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，降低光纤的衰减参数。2、设计了合理的光纤氟掺杂下陷结构，并通过对光纤各纤芯层剖面的合理设计，使光纤在获得较低衰减系数的同时，各个光学参数满足G.652.B标准要求。3、利用双下陷包层结构设计，有效的抑制了基模截止问题，并利用高阶模耦合的方法，有效的降低了光纤的截止波长。以保证该类光纤在C波段传输应用中光信号的单模状态，并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比重，从而降低了光纤制造生产成本。

附图说明

图1本发明一个实施例的光纤相对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，所述的芯层为锗和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，第一下陷内包层，中间内包层，第二下陷内包层，辅助外包层和外包层，外包层标准直径为125μm。

表一所列为本发明优选的实施例的折射率剖面参数，其中ΔGe为芯层中Ge的相对折射率贡献量。表二为表一所述光纤所对应光纤的光学参数特性。

表一、本发明实施例的光纤剖面参数

表二、本发明实施例的光纤参数

Claims (9)

1.一种超低衰减单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层的半径R₁为3.8～4.5μm，芯层相对折射率差Δ1为-0.05％～0.12％，芯层外从内向外依次包覆内包层，第一下陷内包层，中间内包层，第二下陷内包层，辅助外包层和外包层，所述的光纤的内包层半径R₂为8～15μm，相对折射率差Δ2为-0.35％～-0.15％，所述第一下陷内包层的半径R₃为13～20μm，相对折射率差Δ3为-0.8％～-0.35％，中间内包层半径R₄为16～23μm，相对折射率差Δ4为-0.45％～-0.15％；第二下陷内包层半径R₅为20～30μm，相对折射率差Δ5为-0.6％～-0.25％；所述辅助外包层的半径R₆为35～50μm，相对折射率差Δ6范围为-0.45％～-0.15％；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。

2.按权利要求1所述的超低衰减单模光纤，其特征在于光纤的芯层为锗和氟共掺的二氧化硅玻璃层，或为掺锗的二氧化硅玻璃层，其中芯层中锗的掺杂的相对折射率贡献量ΔGe为0.02％～0.10％。

3.按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于中间内包层半径大于第一下陷内包层半径，且R₄-R₃≥1.5μm。

4.按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述光纤在1310nm波长的模场直径为8.7-9.6μm。

5.按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述光纤的成缆截止波长等于或小于1260nm。

6.按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述光纤的零色散点在1300-1324nm范围内。

7.按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1550nm处的色散等于或小于18ps/nm*km。

8.按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1310nm处的衰耗等于或小于0.310dB/km；在波长1550nm处的衰耗等于或小于0.180dB/km。

9.按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，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。