CN105223645A - 一种低损耗光纤及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了其改善了松散体径向密度分布，使得所制备的光纤1550nm窗口的衰减≤0.180db/km，优于G.652D光纤标准，且整个结构制作适用于规模化生产。其包括纤芯层、内包层、外包层，其特征在于：所述纤芯层、内包层通过气相轴向沉积法同时获得，所述外包层通过套管法套装于所述纤芯层、内包层组合形成的整体结构，所述内包层具体为掺氟的下陷包层，所述纤芯层内掺有锗，所述外包层为高纯石英套管所制成，所述纤芯层的折射率n1接近纯石英折射率n0，相对折射率差Δ1≈0.15％～0.25％，所述内包层的相对折射率差Δ2为-0.2％＜Δ2＜-0.1％，所述外包层的折射率n2接近纯石英折射率n0，相对折射率差Δ3≈0％。

Description

一种低损耗光纤及其制作方法
技术领域
本发明涉及石英管制造的技术领域，具体为一种低损耗光纤，本发明还提供了制造该低损耗光纤的制作方法。
背景技术
光纤预制棒是用来拉制光纤的石英玻璃棒，其结构示意图见图1，断面由内而外依次为纤芯层、内包层和外包层，其中纤芯层和内包层一般同时被制造出来，称为芯棒，然后由芯棒和外包层组合成为光纤预制棒。
随着国际通信业务的发展，尤其是互联网技术以及4G和无源光网络等技术的迅猛发展，通信系统对光纤带宽的需求呈现出飞快的增长趋势。
从技术层面来看，低损耗光纤减少跨段损耗2，2dB折合成跨段数可加倍，相当总传输距离可延长100％，或折合成跨段数不变，每段延长17％，总传输距离也延长17％，目前已无任何手段得到这样的收益。从现网部署成本层面来分析，假设骨干网10年内需要新建5万里超高速系统，在100G、400G网络系统下，部署低损耗光纤可使总的传输成本降低10％(10亿元)；在长距离、大容量、高速率传输的通信系统中，通常需要用到光纤放大器技术以及波分复用技术，尤其在主干网通信中，对光纤的无中继传输距离和传输容量有着更高的要求。
中国专利ZL201310409732.1《低损耗光纤及其制造方法》、中国专利ZL201210138617.0《一种光纤及其制造方法》，均提供了纯硅芯方案制备低损耗光纤，采用纤芯层不掺Ge，内包层深掺氟，外包层正常掺氟，均涉及到制备深掺氟内包层，深掺氟工艺难度大，径向折射率均匀性差，工艺采用管内法制备，光棒尺寸受限于基础石英管，很难实现批量化生产。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种低损耗光纤，其改善了松散体径向密度分布，使得所制备的光纤1550nm窗口的衰减≤0.180db/km，优于G.652D光纤标准，且整个结构制作适用于规模化生产。
一种低损耗光纤，其技术方案是这样的：其包括纤芯层、内包层、外包层，其特征在于：所述纤芯层、内包层通过气相轴向沉积法同时获得，所述外包层通过套管法套装于所述纤芯层、内包层组合形成的整体结构，所述内包层具体为掺氟的下陷包层，所述纤芯层内掺有锗，所述外包层为高纯石英套管所制成，所述纤芯层的折射率n1接近纯石英折射率n0，相对折射率差Δ1≈0.15％～0.25％，所述内包层的相对折射率差Δ2为-0.2％＜Δ2＜-0.1％，所述外包层的折射率n2接近纯石英折射率n0，相对折射率差Δ3≈0％。
其进一步特征在于：所述纤芯层掺锗的浓度为总重量的2wt％～4wt％；
所述内包层内的掺氟浓度为4000ppm～8000ppm；
所述纤芯层的半径r1为3um～4um，所述内包层的半径为12um～16um，所述外包层半径r3为62.5±0.5um；
所述纤芯层的材料和内包层的材料高温粘度匹配，所述纤芯层的材料粘度和内包层的材料粘度在2000℃附近的比值范围为1～1.5，优选为1～1.3；
所述光纤的散射系数α≤0.85db/km.um^4；
所述光纤在1550nm波长处的衰减值≤0.180db/km。
一种低损耗光纤的制作方法，其技术方案是这样的：首选将纤芯层、内包层采用通过VAD法制备获得内芯结构，之后将高温熔缩成内芯结构与高纯石英套柱组装后直接进行高温拉丝形成光纤，其特征在于：在VAD法获得内芯结构的过程中采用SiCl4作为SiO2原料，C2F6作为掺氟原料，其中下沉积喷灯中通入SiCl4、GeCl4、H2、O2和Ar混合沉积形成掺有锗的纤芯层；上沉积喷灯通入SiCl4、C2F6、H2、O2和Ar混合沉积形成掺氟的下陷包层，下沉积喷灯的沉积点高度a小于上沉积喷灯的沉积点高度b，上沉积喷灯的喷射线与水平面的成角ε为45°。
其进一步特征在于：下沉积喷灯的沉积点高度a为20mm，上沉积喷灯的沉积点高度b为120mm；
所述C2F6可以替换为SiF4。
其原理如下：上沉积喷灯的喷射线与水平面的成角ε为45°，可以改善疏松体径向密度分布，因沉积过程中径向密度分布直接影响掺氟浓度，假设纤芯层与内包层之间过渡处密度偏小，氟就会较易扩散至纤芯层，导致纤芯层折射率降低，为保证折射率值保持变，需增加纤芯层GeCl4掺杂量，最终从纤芯层的掺杂量较普通单模光纤并未减少，反而可能增加，因瑞利散射与掺杂的浓度呈正比，故最终光纤的衰减较普通单模光纤会出现增加的趋势，而并非能降低光纤衰减，此专利中通过增加上沉积喷灯的喷射线与水平面的成角ε，增大火焰分散面积，烧灼面的温度会下降，因VAD沉积是逐层由内往外沉积，增大烧灼面后，内部密度较外部会明显提高，有利于在纤芯层、内包层之间的芯包界面上形成高密度层，即可减少内包层氟渗入到纤芯层，从而能降低纤芯层GeCl4的掺杂量。
本发明的光纤，其光学参数如模场直径、截止波长和光纤损耗等方面可以做到完全符合ITU-TG.652D标准的要求，并且弯曲性能大大优于G.652D标准的要求，在此基础上，光纤在1550nm窗口的损耗明显降低，中值在0.178db/km，且此工艺路线成熟、稳定，非常容易进行批量化生产；且本发明能够同将有弯曲损耗和正常损耗这两个重要的性能指标达到尽可能的优化，对于长距离大容量的高速传输具有极其重要的意义，同时具有优秀的弯曲性能，不但能够节省光纤通信系统的敷设成本，也降低了敷设工程中对通信系统性能造成的不良影响，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明采用VAD法制作内芯结构的沉积喷灯的布置示意图；
图2为本发明实施例光纤的折射率剖面结构示意图；
图中各序号所对应的标注名称如下：
下沉积喷灯101、上沉积喷灯102、靶棒103。
具体实施方式
一种低损耗光纤，其包括纤芯层、内包层、外包层，纤芯层、内包层通过气相轴向沉积法同时获得，外包层通过套管法套装于纤芯层、内包层组合形成的整体结构，内包层具体为掺氟的下陷包层，纤芯层内掺有锗，外包层为高纯石英套管所制成，纤芯层的折射率n1接近纯石英折射率n0，相对折射率差Δ1≈0.15％～0.25％，内包层的相对折射率差Δ2为-0.2％＜Δ2＜-0.1％，外包层的折射率n2接近纯石英折射率n0，相对折射率差Δ3≈0％。
纤芯层掺锗的浓度为总重量的2wt％～4wt％；
内包层内的掺氟浓度为4000ppm～8000ppm；
纤芯层的半径r1为3um～4um，内包层的半径为12um～16um，外包层半径r3为62.5±0.5um；
纤芯层的材料和内包层的材料高温粘度匹配，纤芯层的材料粘度和内包层的材料粘度在2000℃附近的比值范围为1～1.5，优选为1～1.3；
光纤的散射系数α≤0.85db/km.um^4；
光纤在1550nm波长处的衰减值≤0.180db/km。
一种低损耗光纤的制作方法：首选将纤芯层、内包层采用通过VAD法制备获得内芯结构，之后将高温熔缩成内芯结构与高纯石英套柱组装后直接进行高温拉丝形成光纤，在VAD法获得内芯结构的过程中采用SiCl4作为SiO2原料，C2F6作为掺氟原料，其中下沉积喷灯101中通入SiCl4、GeCl4、H2、O2和Ar混合沉积形成掺有锗的纤芯层；上沉积喷灯102通入SiCl4、C2F6、H2、O2和Ar混合沉积形成掺氟的下陷包层，下沉积喷灯101的沉积点高度a为20mm，上沉积喷灯102的沉积点高度b为120mm，上沉积喷灯102的喷射线与水平面的成角ε为45°，图1中103为靶棒。下沉积喷灯101和上沉积喷灯102位于同一垂直平面内。
其中C2F6可以替换为SiF4。
通过改善沉积石英喷灯位置，包括下沉积喷灯101和上沉积喷灯102，改善松散体径向密度分布，减少内包层掺氟扩散至纤芯层，所制备的光纤1550nm窗口的衰减≤0.180db/km，优于G.652D光纤标准，且使用套管法非常适用于规模化生产。
其原理如下：通过调整上沉积喷灯喷射线与水平面的成角ε，可以改善疏松体径向密度分布，因沉积过程中径向密度分布直接影响掺氟浓度，假设纤芯层与内包层之间过渡处密度偏小，氟就会较易扩散至纤芯层，导致纤芯层折射率降低，为保证折射率值保持变，需增加纤芯层GeCl4掺杂量，最终从纤芯层的掺杂量较普通单模光纤并未减少，反而可能增加，因瑞利散射与掺杂的浓度呈正比，故最终光纤的衰减较普通单模光纤会出现增加的趋势，而并非能降低光纤衰减，此专利中通过增加喷射线与水平面的成角ε，增大火焰分散面积，烧灼面的温度会下降，因VAD沉积是逐层由内往外沉积，增大烧灼面后，内部密度较外部会明显提高，有利于在纤芯层、内包层之间的芯包界面上形成高密度层，即可减少内包层氟渗入到纤芯层，从而能降低纤芯层GeCl4的掺杂量。
本发明利用PK2200对光纤光学参数进行测试确认，并测试光纤在1550nm和1625nm波长不同弯曲半径下的附加损耗；利用OTDR对光纤衰减进行测量，再利用NR9200对光纤折射率剖面进行测试。具体测试的光纤的折射率剖面结构示意图见图2。
从以上实施例的测试结果，可以说明本发明所述光纤的光学参数如模场直径、截止波长和光纤损耗等方面可以做到完全符合ITU-TG.652D标准的要求，并且弯曲性能大大优于G.652D标准的要求，在此基础上，光纤在1550nm窗口的损耗明显降低，中值在0.178db/km，且此工艺路线成熟、稳定，非常容易进行批量化生产。本发明能够同将有弯曲损耗和正常损耗这两个重要的性能指标达到尽可能的优化。这对于长距离大容量的高速传输具有极其重要的意义，同时具有优秀的弯曲性能，不但能够节省光纤通信系统的敷设成本，也降低了敷设工程中对通信系统性能造成的不良影响，具有重要的应用价值。
其有益效果如下：
1、纤芯层、内包层由VAD工艺制备，然后与高纯石英套柱组装后进行在线RIC拉丝，生产工艺以及波导结构简单，非常适用于规模化生产；
2、VAD制备此类芯棒时，为匹配包层粘度，纤芯层为掺Ge，内包层以C2F6或SiF4作为掺氟原料，在生产过程中在内包层中掺入，使其折射率达到所需目标值，因内包层掺氟会降低内包层折射率，为保证整体折射率值保持不变，纤芯层Ge的掺杂量与普通单模光纤相比，会进一步减少，从而降低了瑞利散射带来的损耗，有利于光纤衰减的降低；
3、纤芯层掺Ge降低纤芯层粘度，若内包层采用纯二氧化硅，与纤芯层粘度明显不匹配，拉丝过程中会在芯包界面上产生较大的内应力，从而导致衰减的增加，而采用内包层掺氟做下陷结构，一定程度上也会降低内包层的粘度，从而能很好的改善拉丝过程中芯包界面的内应力，最终达到降低光纤衰减的目的；
4、采用内包层下陷结构的光纤具有良好的光纤弯曲性能，同时能降低OH-渗入到纤芯层，大大降低光纤的水峰。
以上对本发明的具体实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种低损耗光纤，其包括纤芯层、内包层、外包层，其特征在于：所述纤芯层、内包层通过气相轴向沉积法同时获得，所述外包层通过套管法套装于所述纤芯层、内包层组合形成的整体结构，所述内包层具体为掺氟的下陷包层，所述纤芯层内掺有锗，所述外包层为高纯石英套管所制成，所述纤芯层的折射率n1接近纯石英折射率n0，相对折射率差Δ1≈0.15％～0.25％，所述内包层的相对折射率差Δ2为-0.2％＜Δ2＜-0.1％，所述外包层的折射率n2接近纯石英折射率n0，相对折射率差Δ3≈0％。
2.如权利要求1所述的一种低损耗光纤，其特征在于：所述纤芯层掺锗的浓度为总重量的2wt％～4wt％。
3.如权利要求1所述的一种低损耗光纤，其特征在于：所述内包层内的掺氟浓度为4000ppm～8000ppm。
4.如权利要求1所述的一种低损耗光纤，其特征在于：所述纤芯层的半径r1为3um～4um，所述内包层的半径为12um～16um，所述外包层半径r3为62.5±0.5um。
5.如权利要求4所述的一种低损耗光纤，其特征在于：所述纤芯层的材料和内包层的材料高温粘度匹配，所述纤芯层的材料粘度和内包层的材料粘度在2000℃附近的比值范围为1～1.5。
6.如权利要求5所述的一种低损耗光纤，其特征在于：所述纤芯层的材料粘度和内包层的材料粘度在2000℃附近的比值范围为1～1.3。
7.如权利要求1所述的一种低损耗光纤，其特征在于：所述光纤的散射系数α≤0.85db/km.um^4。
8.如权利要求1所述的一种低损耗光纤，其特征在于：所述光纤在1550nm波长处的衰减值≤0.180db/km。
9.一种低损耗光纤的制作方法，其技术方案是这样的：首选将纤芯层、内包层采用通过VAD法制备获得内芯结构，之后将高温熔缩成内芯结构与高纯石英套柱组装后直接进行高温拉丝形成光纤，其特征在于：在VAD法获得内芯结构的过程中采用SiCl4作为SiO2原料，C2F6作为掺氟原料，其中下沉积喷灯中通入SiCl4、GeCl4、H2、O2和Ar混合沉积形成掺有锗的纤芯层；上沉积喷灯通入SiCl4、C2F6、H2、O2和Ar混合沉积形成掺氟的下陷包层，下沉积喷灯的沉积点高度a小于上沉积喷灯的沉积点高度b，上沉积喷灯的喷射线与水平面的成角ε为45°。
10.如权利要求9所述的一种制造低羟基石英套管的方法，其特征在于：所述C2F6可以替换为SiF。
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