CN105334568B - 一种低损耗大有效面积单模光纤及其光纤预制棒制造方法 - Google Patents

一种低损耗大有效面积单模光纤及其光纤预制棒制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是一种低损耗大有效面积单模光纤及其光纤预制棒制造方法，是一种光纤预制棒的制造工艺，采用此工艺设计制造的光纤预制棒，具有1550nm波长损耗低、有效面积大的特点，可以运用于长距离传输；同时采用此工艺生产的低损耗大有效面积光纤，具有参数稳定性好、1550nm损耗低的特点。它在1550nm的有效面积100～200μm2，光缆截止波长小于1500nm，光纤从中心到外周依次包括纤芯区、隔离区、沟渠区、保护区和外包区5个区域。

Description

一种低损耗大有效面积单模光纤及其光纤预制棒制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种低损耗大有效面积单模光纤及其光纤预制棒制造方法，采用此工艺设计制造的光纤预制棒，具有1550nm波长损耗低、有效面积大的特点，可以运用于长距离传输；同时采用此工艺生产的低损耗大有效面积光纤，具有参数稳定性好、宏弯损耗低的特点。
背景技术
在高速的长距离光通信系统中，信噪比恶化和光纤的非线性效应将是制约通信距离的主要因素。增加光纤有效面积，降低光纤损耗，提高光纤色散是克服这两个制约因素的主要途径。降低光纤损耗能够减缓信噪比恶化的速度，但是对于减小非线性效应没有任何作用。而增加有效面积即能够减小非线性效应又能降低信噪比。众所周知石英光纤衰减最低值发生在波长1550nm，现代长距离光通信系统通常运行在1550nm附近。目前使用范围最广泛的普通G.652光纤在1550nm的损耗小于0.21dB/km，其典型值是0.19 dB/km；在1550nm的有效截面积约是83，色散约是16ps／km／nm。而未来应用于长距离光通信的理想光纤应该具有比G.652更低的损耗，更大的有效面积和略高的色散。
参考文献CN102959438A和CN102313924A所提供的大有效面积的设计是针对纯硅芯的光纤设计，在VAD和OVD工艺上无法简单地实现。
参考文献CN1550508A所描述的大有效面积光纤的预制棒芯棒可以采用VAD和OVD工艺制造。但是在设计中为了兼顾1310nm和1550nm两个波长的应用，光纤截止波长小于1340nm，同时在1625nm的宏弯损耗（10mm－半径1圈）大大高于1dB。在其几种主要的设计中，纤芯和沟渠相邻。这些设计的主要缺陷是光纤沟渠区参数的波动将会造成光纤主要参数较大的变化，使得在大规模生产中难以控制光纤参数的分布范围。
参考文献CN102313924A和US846749B2所描述的大有效面积光纤采用窄而深的沟渠设计。沟渠区域的宽带大约在5左右。而折射率差低于－4.6×10-3（－0.13%）。这种设计在VAD和OVD设备上直接实现由非常大的难度，通常采用PCVD，POD外包或掺杂的套管工艺，从而大大增加了工艺复杂性和制造成本。
参考文献CN103955020A提出了适合于多种工艺大规模生产的设计和工艺，这种设计具有纤芯区、隔离区、沟渠区、外包区和中心凹陷，采用此工艺可以制造出性能较优良的低损耗大有效面积光纤，但是在使用两步法制造光纤预制棒的过程中，尤其是采用VAD+OVD工艺制造光纤预制棒的过程中，由于掺氟元素的扩散，导致生产的光纤损耗和截止波长不稳定，从而大大增加了工艺复杂性和降低了产品质量的稳定性。
发明内容
本发明的目的主要是提供一种低损耗大有效面积单模光纤及其光纤预制棒制造方法，采用两步法制造低损耗大有效面积单模光纤预制棒的制造方法，采用此方法可以避免光纤预制棒制造过程中掺入的氟元素发生扩散而损耗，是一种损耗低、有效面积大，光纤参数稳定的单模光纤预制棒的制造方法。它的制造成本低，参数稳定性好，可以获得更低的损耗，尤其适合大规模生产的VAD+OVD的两步法制造工艺。
本发明一种低损耗大有效面积单模光纤在1550nm的有效面积100～200μm²，光纤截止波长小于1500nm，光纤从中心到外周依次包括纤芯区、隔离区、沟渠区、保护区和外包区5个区域。
本发明一种低损耗大有效面积单模光纤预制棒，采用两步法制造工艺，第一步制造芯棒，第二步制造外包层。第一步制造的芯棒，它的外周依次包括纤芯区、隔离区、沟渠区和保护区；第二步制造外包层，形成外包区。
在第一步制造芯棒的过程中，需要对芯棒进行融缩和热处理，而保护区的作用是形成一层保护层，防止沟渠区的氟元素在芯棒融缩和热处理过程中扩散。
本发明一种低损耗大有效面积单模光纤在1550nm的有效面积100～200μm²，光纤截止波长小于1500nm，光纤从中心到外周依次包括纤芯区、隔离区、沟渠区、保护区和外包区5个区域，其参数如下：
a）纤芯区：从中心向外延伸的半径R1, R1的范围4～10μm，其典型值是6.0～9.0μm。该区域折射率差范围0～0.3%，典型值是0.1％～0.2%。
b）隔离区：从R1向外延伸，厚度是R2，R2的范围2～21μm，其典型值5～10μm。该区域折射率差范围－0.005％～0.05%，典型值时0～0.005%。
c）沟渠区：从R1＋R2向外延伸，厚度是R3，相对于隔离区的折射率差为n2，n2的范围≦－0.07%，典型值为－0.05%～－0.30%。
d）保护区：从R1＋R2＋R3向外延伸，厚度是R4，该区域的作用是在制作过程中防止沟渠区的掺杂氟元素向外扩散，将氟元素束缚在沟渠区内；R4的范围2～21μm，其典型值5～10μm；
e）外包区：从R1＋R2＋R3＋R4向外延伸之光纤边缘，厚度是R5，光纤的外经为R1＋R2＋R3＋R4＋R5，该区域的值基于光纤设计，典型值为62.5μm。
采用以上设计方案制造的光纤，1550nm的有效面积100～200μm2；在1550nm的色散大于19ps/nm/km。在1550nm的损耗可以低于0.180 dB/km，光缆截止波长小于1500nm，在1625nm波长，10mm半径1圈的宏弯损耗小于1dB、30mm半径100圈的宏弯损耗小于0.05 dB。
一种低损耗大有效面积单模光纤预制棒的制造方法，描述如下：
管内沉积制造法：这种方法适合于PCVD、MCVD和FCVD工艺。采用这种方法在预制棒芯棒的制作过程中，采用高纯的石英管作为基管，采用SiCl4作为原料，GeCl4作为掺锗的原料，SiF4、C2F6或SF6作为掺氟的原料。在管中先沉积沟渠区，再沉积隔离区，最后沉积纤芯区，在沉积过程中逐层的改变锗和氟的掺杂浓度，形成对应的折射率分布值。石英基管可以单独作为保护区。最终融缩形成芯棒。
直接沉积法：这种方法适合于VAD沉积法，VAD沉积法是目前使用最广泛的大批量生产单模光纤预制棒的制造技术。图3为VAD沉积制造芯棒的示意图，4个不同的区域可以分别由4~5个不同的喷灯同时沉积形成。芯纤芯区由一个喷灯沉积，原料为SiCl4和GeCl4,；隔离区由一个喷灯沉积，原料为SiCl4；沟渠区由1~2个喷灯沉积，原料为SiCl4和SiF4；保护区由一个喷灯形成，原料为SiCl4和SiF4。沉积形成的粉末棒经过脱羟、融缩形成芯棒。
采用以上方法制造的芯棒，经过测量计算后，得到所需要的芯棒直径和外包层厚度，通过热处理延伸、校直得到目标规格的芯棒，再通过石英玻璃管融缩或者外部沉积、融缩的方法形成外包层，最后通过脱气、先端形成光纤预制棒。
一种低损耗大有效面积单模光纤及其光纤预制棒制造方法优点：
本发明与现有技术（CN03955020A）相比，具有的显著特点是：芯棒内沟渠外侧的保护层结构，可以有效的束缚住氟的掺杂含量，能实现更低的光纤损耗，适合于各种工艺，尤其是VAD工艺的大规模生产。
采用以上设计方案制造的光纤，1550nm的有效面积100～200μm2；在1550nm的色散大于19ps/nm/km。在1550nm的损耗可以低于0.180 dB/km，光缆截止波长小于1500nm，在1625nm波长，10mm半径1圈的宏弯损耗小于1dB、30mm半径100圈的宏弯损耗小于0.05 dB。
附图说明
图1：本发明所述光纤截面示意图。
图2：本发明所述光纤折射率剖面示意图。
图3：本发明所述光纤采用VAD工艺实现的案例示意图。
图中：1、纤芯区，2、隔离区，3、沟渠区，4、保护区，5、外包区，6、喷灯一，7、喷灯二，
8、喷灯三，9、喷灯四，10、喷灯五。
具体实施方式
参照附图1～3，一种低损耗大有效面积单模光纤，它在1550nm的有效面积100～200μm2，光缆截止波长小于1500nm，光纤从中心到外周依次包括纤芯区1、隔离区2、沟渠区3、保护区4和外包区5，其中：
a)纤芯区1：从中心向外延伸的半径R1, R1的范围4～10μm，其典型值是6.0～9.0μm。该区域折射率差范围0～0.3%，典型值是0.1％～0.2%。
b)隔离区2：从R1向外延伸，厚度是R2，R2的范围2～21μm，其典型值5～10μm。该区域折射率差范围－0.005％～0.05%，典型值时0～0.005%。
c)沟渠区3：从R1＋R2向外延伸，厚度是R3，相对于隔离区的折射率差为n2，n2的范围≦－0.07%，典型值为－0.05%～－0.30%。
d)保护区4：从R1＋R2＋R3向外延伸，厚度是R4，该区域的作用是在制作过程中防止沟渠区的掺杂F向外扩散，将F束缚在沟渠区内；R4的范围2～21μm，其典型值5～10μm；
e)外包区5：从R1＋R2＋R3＋R4向外延伸之光纤边缘，厚度是R5，光纤的外经为R1＋R2＋R3＋R4＋R5，该区域的值基于光纤设计，典型值为62.5μm。
这种设计的光纤适合于VAD、MCVD、PCVD和OVD等各种制造工艺，尤其适合于采用VAD+OVD两步法工艺大规模生产的工艺路线。
所述一种低损耗大有效面积单模光纤预制棒，采用4个原料喷灯的芯棒制造方法，描述如下：
一种低损耗大有效面积单模光纤预制棒的制造方法，步骤如下：
1.芯棒制作装置由反应腔体、提升旋转装置、排风装置和喷灯组组成。喷灯组有用于沉积纤芯区的喷灯6，有用于沉积隔离区的喷灯7，有用于沉积沟渠区的喷灯8、喷灯9以及用于沉积保护区的喷灯10。
2.在吊杆上安装长450~700mm的适应靶棒并置于反应腔体内，将氢气和氧气通入喷灯并在反应腔体内点燃，产生温度900~1300℃的火焰。
3.喷灯6，通入3～10g/min SiCl4和200～400mg/minGeCl4，初始沉积在靶棒上形成纤芯区；
4.喷灯7，通入5~10g/min SiCl4,堆积在纤芯区外侧，形成隔离区；
5. 喷灯8，通入20~50g/min SiCl4，以及掺入SiF4等氟化物，堆积在隔离区外侧，形成折射率低的沟渠区；若采用5个原料喷灯，则可以用两个喷灯（8、9）共同形成沟渠区；
6.喷灯4（10），通入20～50 g/min SiCl4，堆积在沟渠区的外侧，形成保护区，该区域可以有效保护沟渠区中的F，在沉积和后续烧结、加工中防止渗出。
7.沉积过程中靶棒提速为40~100mm/h,靶棒旋转速度10~50rpm。
8. 沉积形成的粉末棒放入1100℃的烧结炉内，通入500sccm Cl2去除羟基，通入20slmHe去除气泡使其玻璃化。
9. 通过延伸，将芯棒延伸为外径45mm芯棒。
10. 采用OVD工艺在芯棒外面加上包层，最后芯层外径150mm的预制棒。
11. 将预制棒在拉丝装置上，通过2200℃的高温下，拉制成外径125μm，涂覆后245μm的光纤。
12. 该实例制作的光纤典型参数在表格1中，1550nm损耗0.179dB/km，1550nm有效面积192μm2，1550nm色散19.4ps/nm/km，光缆截止波长1352nm，1625nm 10mm半径1圈的宏弯损耗小于1dB、30mm半径100圈的宏弯损耗小于0.05 dB。
实例制作的一种低损耗大有效面积单模光纤预制棒拉制成光纤的检测结果：
以上即为实例制作的一种低损耗大有效面积单模光纤预制棒拉制成光纤的检测结果。

Claims (4)

1.一种低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于：单模光纤在1550nm的有效面积100～200μm2，光缆截止波长小于1500nm，光纤从中心到外周依次包括纤芯区、隔离区、沟渠区、保护区和外包区5个区域，其中：
a)纤芯区：从中心向外延伸的半径R1, R1的范围4～10μm；该区域折射率差范围0～0.3%；
b)隔离区：从R1向外延伸，厚度是R2，R2的范围2～21μm；该区域折射率差范围－0.005％～0.05%；
c)沟渠区：从R1＋R2向外延伸，厚度是R3，相对于隔离区的折射率差为n2，n2的范围≦－0.07%；
d)保护区：从R1＋R2＋R3向外延伸，厚度是R4，该区域的作用是在制作过程中防止沟渠区的掺杂F向外扩散，将F束缚在沟渠区内；R4的范围2～21μm；
e)外包区：从R1＋R2＋R3＋R4向外延伸之光纤边缘，厚度是R5，光纤的外经为R1＋R2＋R3＋R4＋R5，该区域的值基于光纤设计，值为62.5μm。
2.根据权利要求1所述的一种低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于：采用以上设计方案制造的光纤；在1550nm的色散大于19ps/nm/km；在1550nm的损耗可以低于0.180 dB/km，在1625nm波长，10mm半径1圈的宏弯损耗小于1dB、30mm半径100圈的宏弯损耗小于0.05dB。
3.权利要求1所述的一种低损耗大有效面积单模光纤预制棒制造方法，其特征在于：步骤如下：
1）喷灯一（6），通入3～10g/min SiCl4和200～400mg/minGeCl4，初始沉积在靶棒上形成纤芯区；
2）喷灯二（7），通入5~10g/minSiCl4,堆积在纤芯区外侧，形成隔离区；
3）喷灯三（8），通入20~50g/min SiCl4，以及掺入SiF4氟化物，堆积在隔离区外侧，形成折射率低的沟渠区；若采用5个原料喷灯，则可以用两个喷灯（8、9）共同形成沟渠区；
4）喷灯四（10），通入20～50 g/min SiCl4，堆积在沟渠区的外侧，形成保护区，该区域可以有效保护沟渠区中的F，在沉积和后续烧结、加工中防止渗出；
5）采用这种4个或5个喷灯沉积形成的芯棒经过脱水、玻璃化、延伸和外包沉积，可以形成目标光纤预制棒。
4.根据权利要求3所述的一种低损耗大有效面积单模光纤预制棒制造方法，其特征在于：采用此方法制造的光纤预制棒进行拉丝，可以得到1550nm损耗在0.180 dB/km，1550nm的有效面积150～200μm2，光缆截止波长1300～1400nm的低损耗大有效面积光纤。
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