CN106019470B - 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，包括有芯层和包绕芯层的包层，其特征在于所述的芯层半径r1为3.5～4.5μm，相对折射率Δn1为0.02～0.14％，所述的芯层为掺氯的二氧化硅玻璃层，芯层中氯的含量为0.4‑2wt％，所述的包层为由内向外依次包绕芯层的内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2为8～10μm，相对折射率Δn2小于或等于‑0.23％，所述的下陷内包层半径r3为10.5～17μm，相对折射率Δn3小于或等于‑0.40％，所述的辅助外包包层半径r4为35～50μm，相对折射率Δn4小于或等于‑0.23％，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃外包层。本发明不仅衰减低，而且芯包层设置合理，粘度匹配优，制作工艺简便。

Description

一种超低衰减单模光纤

技术领域

本发明涉及到光通信领域，具体涉及到一种超低衰减单模光纤。

背景技术

目前光纤制造领域热点的是制备超低衰减新型单模光纤产品，所以找到一种有效的方法降低光纤衰减系数，控制制造成本，对于光纤制造企业来说，都是非常巨大的挑战。其主要困难在于以下三点：其一，如何降低衰减：目前主要的方法是降低光纤的瑞利散射系数；其二，在获得超低衰减系数的同时，需要保证光纤各个光学参数满足ITU-T标准，主要指MFD，色散，截止波长和弯曲性能控制在标准要求范围内：即在保证光纤超低衰减性能的同时，其他光学参数必须控制在相应范围内；其三，光纤制造工艺简单可控，不显著增加光纤制造成本。

对于以上三个困难，首先从如何降低光纤的衰减来说。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；当瑞利散射系数确认时，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，这也是采用纯硅芯设计，实现超低衰减性能的原因。

但是需要注意到，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’。

虚拟温度除了与光纤制备过程的热历史有关系外，光纤玻璃材料的组分对虚拟温度有着明显和直接的影响。具体而言，材料组分对光纤玻璃材料的粘度，热膨胀系数，冷却过程的弛豫时间的影响，直接决定着光纤的虚拟温度。需要注意的是，因为超低衰减光纤玻璃部分一般分为几个部分，如典型的芯层，内包层和外包层，或更复杂的结构。所以对多个部分之间材料的组分差异需要进行合理的匹配：第一保证光纤的光学波导，第二保证玻璃在拉丝应力作用下被拉丝成光纤后，各层之间没有明显的缺陷，造成光纤衰减异常。

如上所述，从光纤制备工艺来讲，降低光纤衰减系数有三种方法：第一种是尽量减少芯层部分的掺杂，降低光纤瑞利散射的浓度因子。第二种是降低拉丝速度，增加光纤退火过程，保证光纤预制棒在拉丝成光纤的过程中，缓慢降低温度，从而降低光纤的虚拟温度，降低衰减。但是这种方法显著提高光纤制造成本，且缓慢退火过程对光纤衰减的贡献也很大程度上受到光纤玻璃材料组分和预制棒制备热历史制约，所以使用这种方法降低衰减的效果有限。第三种是合理设计光纤内部的材料组分匹配，即在少掺杂的基础上，需对光纤芯层，内包层以及其他位置的玻璃材料进行合理的配比不仅保证在拉丝过程中，光纤各个位置有合理的光学剖面匹配，也要保证光纤各个位置有合理的粘度，热膨胀，应力匹配。目前在制造超低衰减光纤时，更多的是将注意力放在第一种和三种方法上。

目前业内使用第三种方法制造超低衰减光纤时，一种主要的方法是使用纯硅芯设计。纯硅芯设计是指芯层中没有进行锗或者氟的掺杂。如上所述，没有锗氟掺杂可以有效的降低光纤的浓度因子，有利于降低光纤瑞利系数。但是使用纯硅芯设计也给光纤的光学波导设计以及材料剖面设计带来很多挑战。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。但这种情况下，纯硅芯的芯层如果没有进行合理的材料设计，其粘度将相对较高，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。

为解决这个问题，提出了在光纤的芯层中添加碱金属物质，利用碱金属离子对玻璃材料的改性，优化了光纤的粘度以及热膨胀系数，使光纤芯层和内包层的玻璃材料相互匹配，从而有效的降低了光纤的瑞利系数。如文献US20100195999A1中采用在芯层中添加碱金属的方法，在保持光纤芯层纯硅芯的情况下，通过改变光纤芯层部分的粘度以及芯层结构弛豫的时间，来解决粘度失配造成的R_d增加，从而整体降低光纤的瑞利散射系数。该种方法虽然可以有效的降低光纤衰减，但相对工艺制备复杂，需要分多批次对芯棒进行处理，且对碱金属掺杂浓度控制要求极高，且使用纯硅芯设计时，为了匹配纯硅芯的折射率，必须使用氟掺杂玻璃作为外包层。氟掺杂玻璃的粘度非常小，且制造成本高昂，不利于制备大尺寸的光纤预制棒和高速拉丝，所以不便于大规模制备。

由于纯硅芯+纯氟外包层的设计存在种种不便，是否可以开发一种纯二氧化硅作为外包层材料的超低衰减成为光纤制造领域的一个重要课题。但使用纯二氧化硅作为外包层材料，对于超低衰减光纤的实现有两个重要的挑战需要解决。第一是光纤的波导设计。为了保证光纤的波导传输，我们必须保证光纤的单模传输模式没有发生泄漏。如果参考常规光纤的设计，在芯层进行折射率向上高掺杂，那么高掺杂剂会导致光纤的瑞利系数增加，无法实现超低衰减。如果在芯层不使用高掺杂剂，或者少使用掺杂剂，如何保证光纤的波导和其他光学参数就成为一个重要挑战。如文献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，且其芯层和内包层没有进行材料组分优化，所以可能造成预制棒制备时出现粘度失配，所以可以发现其衰减均大于0.170dB/km且弯曲水平相对较差。

文献CN201510359450.4提出了一种非纯硅芯的超低衰减光纤剖面和材料设计。其利用芯层少量的锗氟共掺匹配内包层的氟掺杂玻璃，优化了材料的组分设计，一定程度上降低了光纤的瑞利散射系数；利用相对较低的下陷内包层和辅助内包层材料，实现了光纤的单模传输；利用了芯层同光纤各个部分之间的粘度和热应力，膨胀系数的差异，实现了较低的密度波动，减少了界面之间的缺陷。需要注意的是，该设计的外包层材料中含有一定量的金属离子，从而整体提高了外包层的粘度，降低了外包层材料的折射率，这一定程度上有助于实现材料粘度和应力的匹配设计，但也增加了光纤整体材料的密度波动系数。我们注意到该设计的衰减水平均大于0.162dB/km，如不能解决芯层的锗氟共掺杂引起的浓度因子增加以及继续降低芯层的粘度；并解决外包层较高粘度同辅助内包层粘度的失配，该方案很难继续降低光纤的衰减。

发明内容

以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：

ppm：百万分之一的重量比；

相对折射率Δn_i：

光纤各层相对折射率Δn_i由以下方程式定义，

其中n_i为光纤特定位置的绝对折射率，而n_c为合成纯石英玻璃外包层的绝对折射率，即没有进行Ge或F掺杂的合成纯二氧化硅绝对折射率。

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在于针对上述现有技术存在的不足提供一种超低衰减单模光纤，它不仅衰减低，而且芯包层设置合理，粘度匹配优，制作工艺简便。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有芯层和包绕芯层的包层，其特征在于所述的芯层半径r1为3.5～4.5μm，相对折射率Δn1为0.02～0.14％，所述的芯层为掺氯的二氧化硅玻璃层，芯层中氯的含量为0.4-2wt％(重量百分比)，所述的包层为由内向外依次包绕芯层的内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2为8～10μm，相对折射率Δn2小于或等于-0.23％，所述的下陷内包层半径r3为10.5～17μm，相对折射率Δn3小于或等于-0.40％，所述的辅助外包包层半径r4为35～50μm，相对折射率Δn4小于或等于-0.23％，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃外包层。

按上述方案，所述的内包层相对折射率Δn2为-0.23～-0.38％。

按上述方案，所述的下陷内包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，相对折射率Δn3为-0.40～-0.58％。

按上述方案，所述的辅助外包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，相对折射率Δn4为-0.23～-0.52％。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.165dB/km，优选条件下，小于或等于0.160dB/km。

按上述方案，所述光纤在1310nm波长处的模场直径为8.7～9.5μm。

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。

本发明基于以下的研究：在芯层部分进行高浓度的氯掺杂可以实现类似于碱金属离子对玻璃材料的改性。在光纤芯层位置掺杂大于5000ppm的氯离子，可以提高光纤的折射率，降低光纤的粘度，加速玻璃的结构弛豫。更需要注意的是，氯离子浓度对光纤的浓度因子贡献不明显，所以适当的提高芯层玻璃材料的氯离子浓度，结合匹配设计的内包层材料组分设计，可以有效的降低光纤的衰减系数；从而使外包层材料组分的优化，更加容易控制，不必采用Al和其他金属离子增加外包层材料的粘度。即：采用氯掺杂的纯硅芯设计，降低光纤芯层的粘度；设计合理的内包层掺杂，匹配芯层的弛豫时间；利用下陷内包层设计，优化光学波导；设计合理的芯层，内包层，下陷内包层以及辅助内包层氟掺杂浓度解决光纤内部粘度匹配；最后利用较硬的纯二氧化硅外包层结构承担光纤主要拉丝张力，减少光纤拉丝张力引起的应力缺陷。

本发明的有益效果在于：1、通过对芯层，以及内包层和下陷内包层，辅助外包层，外包层进行不同材料组分设计，优化光纤各个部分粘度设计和光纤应力剖面，来实现单模光纤的超低衰减性能；2、使用氯掺杂的纯硅芯层匹配纯二氧化硅玻璃外包层减少了掺杂工艺控制难度，降低了光纤制作成本；3、芯层为氯掺杂的纯硅芯层，降低了芯层粘度；通过合理设计芯层和内包层材料，降低芯层和内包层玻璃材料在光纤制备过程中结构弛豫时间失配，减少了界面缺陷；4、在芯层和外包层中间位置，通过下陷外包层设计，抑制基模截止问题，改善光纤波导传输条件；5、用纯二氧化硅外包层结构承担光纤拉丝张力，减少因应力引起的界面位置缺陷。

附图说明

图1为本发明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。

光纤包括芯层、内包层、下陷内包层、辅助内包层和外包层组成。芯层由掺氯的二氧化硅石英玻璃组成；内包层紧密围绕芯层；下陷内包层紧密围绕内包层，由掺氟二氧化硅石英玻璃组成；下陷内包层外包绕辅助外包层，辅助外包层为掺氟的二氧化硅玻璃层；光纤预制棒最外层由纯二氧化硅玻璃组成，外包层半径为62.5μm。

表1所列为本发明优选实施例的芯层材料组分、各部分折射率剖面参数和对应的衰减系数。

表1

Claims (8)

1.一种超低衰减单模光纤，包括有芯层和包绕芯层的包层，其特征在于所述的芯层半径r1为3.5～4.5μm，相对折射率Δn1为0.02～0.14％，所述的芯层为掺氯的二氧化硅玻璃层，芯层中氯的含量为0.4-2wt％，所述的包层为由内向外依次包绕芯层的内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2为8～10μm，相对折射率Δn2小于或等于-0.23％，所述的下陷内包层半径r3为10.5～17μm，相对折射率Δn3小于或等于-0.40％，所述的辅助外包包层半径r4为35～50μm，相对折射率Δn4小于或等于-0.23％，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃外包层；所述光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.161dB/km。

2.按权利要求1所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的内包层相对折射率Δn2为-0.23～-0.38％。

3.按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的下陷内包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，相对折射率Δn3为-0.40～-0.58％。

4.按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的辅助外包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，相对折射率Δn4为-0.23～-0.52％。

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在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.160dB/km。

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在1310nm波长处的模场直径为8.7～9.5μm。

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的成缆截止波长等于或小于1260nm。

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的零色散点为1300～1324nm。