CN107132614A

CN107132614A - 大有效面积光纤

Info

Publication number: CN107132614A
Application number: CN201710501533.1A
Authority: CN
Inventors: 冯高锋; 杨军勇; 马静; 葛锡良; 陈坚盾
Original assignee: ZHEJIANG FUTONG OPTICAL FIBER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG FUTONG OPTICAL FIBER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2017-09-05

Abstract

本发明公开了一种大有效面积光纤，由中心向外依次设有：芯层、一内包层及一外包层，其中芯层及内包层以二氧化硅作为基底材料并掺入掺杂剂，外包层为纯二氧化硅层，芯层半径为4.5～6.5μm，且芯层的相对折射率差Δ₁为0.23％～0.35％；内包层半径为16.0～32.5μm，且内包层的相对折射率差Δ₂为(‑0.09％)～(‑0.02％)，芯层和内包层粘度对数的差值的绝对值不大于0.105。本发明的光纤以一种简单的结构和较低的成本实现芯层与内包层粘度的匹配，芯层和内包层粘度对数的差值的绝对值不大于0.105。

Description

大有效面积光纤

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别是涉及一种大有效面积光纤。

背景技术

光纤的传输速率越快，无误码传输所需要的信噪比就越大。从光纤上来说，(1)系统的信噪比和入射到光纤的信号光功率成正比，而光功率又正比于光纤的有效面积。(2)信噪比反比于系统中光纤的损耗。因此，可以通过提高光纤的有效面积和降低光纤的损耗来提高信噪比。正因为此，下一代光纤的发展方向是大有效面积和低损耗。

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，一般而言其有效面积在100μm²以上。然而，增大光纤有效面积，伴随宏弯和微弯损耗的增大。损耗也会随着宏弯/微弯损耗的增加而增大，从而限制了光纤有效面积的扩大。另一方面，制造光纤时采用掺杂剂如GeO₂(二氧化锗)、F(氟)等提高或降低石英玻璃的折射率，形成光纤波导结构。芯层和包层掺杂GeO₂、F会引起纯石英玻璃粘度的降低。由于光纤芯层和包层材料粘度不匹配容易使光纤中产生残余应力和断键，会增加光纤的损耗。

公开号为CN101688946A的专利文献，提出了一种非纯硅芯的大有效面积光纤设计，该光纤采用阶跃型下陷包层结构设计，且下陷层远离芯层。光纤的有效面积达到110μm²～155μm²，截止波长小于1450nm，1550nm的衰减小于0.22dB/km。但是这种光纤的下陷层采用了大量的气泡填充，制造工艺复杂，不易控制，且不利于光纤的熔接。也有其他专利文献采用了类似的剖面设计，该光纤的下陷层采用氟掺杂降低折射率，为了降低光纤的宏弯损耗，要求有较大的下陷层体积，一般可采用PCVD或MCVD等管内沉积工艺形成掺氟二氧化硅层实现。由于掺氟时会造成沉积效率降低从而增加沉积时间，同时管内沉积工艺受限于沉积管尺寸无法制造大尺寸芯棒，制造成本较高。

现有专利文献中也公开了不同光纤剖面结构的大有效面积光纤设计，但这些光纤的折射率剖面复杂，含有3层以上的包层或含有渐变折射率结构的芯层，实际生产中制造比较困难，制造成本较高，而且这类光纤未对光纤的芯包粘度匹配进行优化，容易使光纤中产生残余应力和断键，会增加光纤的损耗。

因此，现有技术的问题在于，无法以简单、易于实现的结构使芯层与内包层之间的粘度达到理想的匹配。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种结构简单且易于实现的大有效面积光纤。

一种大有效面积光纤，由中心向外依次设有：芯层、一内包层及一外包层，其中芯层及内包层以二氧化硅作为基底材料并掺入掺杂剂，外包层为纯二氧化硅层，芯层半径为4.5～6.5μm，且芯层的相对折射率差Δ₁为0.23％～0.35％；内包层半径为16.0～32.5μm，且内包层的相对折射率差为(-0.09％)～(-0.02％)，芯层和内包层粘度对数的差值的绝对值不大于0.105。

进一步而言，芯层的掺杂剂为单一掺杂剂GeO₂，芯层的相对折射率差Δ₁满足公式：

Δ₁＝100％*(n₁-n_c)/n_c，

n₁为掺杂GeO₂后折射率，n_c为纯二氧化硅的折射率。

进一步而言，内包层的掺杂剂为单一掺杂剂F，内包层的相对折射率差Δ₂满足公式：

Δ₂＝100％*(n₂-n_c)/n_c，

n₂为掺杂F后折射率，n_c为纯二氧化硅的折射率。

进一步而言，所述大有效面积光纤的涂覆层有两层，由中心向外依次为内涂覆层和外涂覆层，其中内涂覆层的外径为185～200μm，外涂覆层的外径为240～255μm，且内涂覆层的弹性模量不大于1.0Mpa，外涂敷层的弹性模量不小于900Mpa。

进一步而言，所述大有效面积光纤在1550nm波长处的有效面积为105～135μm²。

进一步而言，所述大有效面积光纤的成缆截止波长不大于1500nm。

进一步而言，所述大有效面积光纤在1550nm波长处的色散为17～23ps/(nm*km)。

进一步而言，所述大有效面积光纤在1550nm波长处的损耗为不大于0.190dB/km。

进一步而言，所述大有效面积光纤30mm的弯曲半径绕100圈在1625nm波长处的宏弯损耗不大于0.1dB。

本发明的优点在于，通过掺杂剂的选择和掺杂浓度的控制以简单结构、较低的掺杂量实现了芯包层粘度匹配，减少光纤的损耗，降低了制造工艺的复杂程度和成本；通过涂覆层的弹性模量进一步降低了光纤的损耗。

附图说明

图1为本发明的大有效面积光纤的结构示意图；

图2为图1所示大有效面积光纤的折射率剖面图。

具体实施方式

下面将参照附图及实施例详细描述本发明。

如图1所示，本发明的大有效面积光纤从内向外包括芯层1、内包层2，外包层3，内涂覆层4以及外涂覆层5。其中芯层1及围绕芯层1的内包层2以合成石英(SiO₂)作为基底并加入掺杂剂，围绕内包层2的外包层3为纯SiO₂。围绕外包层3的内涂覆层4和围绕内涂覆层4的外涂覆层5的主要成分为光固化树脂。本发明的有效面积是指在波长1550nm处的有效面积。

图2为大有效面积光纤的折射率剖面图。横轴表示光纤的各层剖面半径，纵轴表示各层对应的相对折射率差。光纤剖面的设计应该易于制造，并且成本较低。

大规模生产中，制造成本是一个关键因素。折射率剖面复杂的光纤，以及芯层和/或内包层或外包层掺杂浓度高的光纤，一般制造都比较困难，并且成本较高。特别是相对于芯层为纯SiO₂，内包层和外包层掺F(氟)的光纤，芯层掺GeO₂(二氧化锗)的光纤制造成本较低。

如图2所示，本发明大有效面积光纤为内包层下陷型阶跃型折射率分布，易于采用VAD工艺规模化制造，成本较低。

图2中的1’为图1中的芯层1所对应的折射率n₁，其通过掺杂正掺杂剂GeO₂提高折射率，芯层1的相对折射率差为芯层半径为r₁；图2中的2’为图1中的内包层2所对应的折射率n₂，其通过掺杂负掺杂剂F降低折射率，内包层2的相对折射率差为内包层2半径为r₂；图2中的3’为图1中的外包层3所对应的折射率n₃，外包层3为纯石英，且本发明中n_c＝n₃。通过调节芯层1和内包层2的折射率剖面分布可以改变光纤的性能参数。制造预制棒和拉制光纤的过程中由于掺杂剂的扩散可能会引起折射率分布偏离理想的阶跃型分布，如出现拐角变圆，芯层折射率出现凹陷等现象。

根据本发明，芯层半径为4.5～6.5μm，芯层相对折射率差Δ₁为0.23％～0.35％；内包层半径为16.0～32.5μm，相对折射率差Δ₂为(-0.09％)～(-0.02％)。外包层3直径典型值为125μm。与常规的G.652光纤相比，本发明的光纤芯层折射率较低，掺GeO₂量较小，可减少瑞利散射损耗。同时在保持Δ不变的前提下，通过降低内包层的下陷深度，可进一步降低芯层的折射率(减少GeO₂的掺杂量)。

芯层1通过掺杂GeO₂来提高折射率，内包层2通过掺杂F来降低折射率。石英玻璃光纤掺杂GeO₂和F后，玻璃的粘度将会发生改变。在给定温度下玻璃粘度的对数与相对折射率差的关系可由下式进行计算：

logη＝K₀+K_FΔ_F+K_GeΔ_Ge

其中，η为掺杂后玻璃的粘度，Δ_F和Δ_Ge分别为掺杂F和GeO₂后玻璃的相对折射率差。该公式在掺杂浓度较低时有效。K₀为纯二氧化硅粘度的对数，与温度相关，K_F和K_Ge是假定与温度无关的常数，其计算公式如下：

K₀＝log[η_SiO2(T)]

1700～2000℃时，K_F＝1.5，K_Ge＝-0.5，2000℃以上时K₀＝6.1。

由于光纤的芯层1中和内包层2中的掺杂剂种类以及含量的不同，因此具有不同的粘度。为了达到粘度匹配，可通过调整光纤中芯/包层的GeO₂和F的掺杂量，使芯层1和内包层2具有统一或相近的粘度。

本发明大有效面积光纤芯层1粘度η_xore的对数计算公式为：

为常数，为掺GeO₂的芯层相对折射率差，在本发明中即Δ₁。为了降低光纤损耗，芯层1中应尽量减少掺杂剂的种类和掺杂剂的浓度，优选为单掺GeO₂。

大有效面积光纤内包层2粘度η_clad对数为：

为常数，即上文中内包层2掺F的相对折射率差，在本发明中即Δ₂。由于在给定芯包相对折射率差的情况下，内包层2折射率越低，相应的芯层1折射率也越低，即GeO₂的掺杂浓度可减少，从而进一步降低光纤的瑞利散射，达到降低衰减的目的。

根据本发明，芯层1和内包层2粘度对数的差值的绝对值满足条件：

本发明的光纤芯层掺锗浓度和内包层掺氟浓度较低，因此比较容易精确控制，生产成本低。

本发明的光纤在1550nm处的有效面积为105～135μm²。

光纤成缆截止波长不大于1500nm。

光纤在1550nm的色散在17～23ps/(nm*km)，优选为18～20ps/(nm*km)。

光纤在1550nm处的损耗为不大于0.190dB/km，优选为不大于0.185dB/km。

光纤30mm的弯曲半径绕100圈在1625nm的宏弯损耗不大于0.1dB，优选为不大于0.05dB。

相对于常规G.652光纤，由于大有效面积光纤芯层1半径的增大和相对折射率差的减小会导致光纤微弯损耗的增加：

其中γ为由微弯引起的损耗，N为单位长度上平均高度(h)的隆起数，b为涂覆光纤的外径，a为芯层半径，Δ为芯包相对折射率差E_f和E分别为裸光纤和涂覆层的弹性模量。由于受到通信光纤标准的限制，光纤的涂覆层外径b和裸光纤的弹性模量E_f无法进一步调整。因此只能降低内涂覆层4的弹性模量E，从而减小微弯损耗。

本发明光纤的内涂覆层4的弹性模量不大于1.0Mpa；此外，增大外涂覆层5的弹性模量，可以获得更小的微弯损耗。本发明光纤的外涂覆层5的弹性模量不小于900Mpa。内涂覆层4的外径为185～200μm，外涂覆层5的外径为240～255μm。

本发明各个实施例的光纤参数参考表1：

表1

对比例参考表2：

表2

对比表1和表2可以看出，采用本发明的结构、掺杂剂、相对折射率差，可以以一种简单的结构和较低的成本实现芯层与内包层粘度的匹配，避免光纤中产生残余应力和断键。另外，控制涂覆层的弹性模量，能够降低光纤损耗。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种大有效面积光纤，其特征在于，由中心向外依次设有：芯层、一内包层及一外包层，其中芯层及内包层以二氧化硅作为基底材料并掺入掺杂剂，外包层为纯二氧化硅层，芯层半径为4.5～6.5μm，且芯层的相对折射率差Δ₁为0.23％～0.35％；内包层半径为16.0～32.5μm，且内包层的相对折射率差Δ₂为(-0.09％)～(-0.02％)，芯层和内包层粘度对数的差值的绝对值不大于0.105。

2.如权利要求1所述的大有效面积光纤，其特征在于，芯层的掺杂剂为单一掺杂剂GeO₂，芯层的相对折射率差Δ₁满足公式：

Δ₁＝100％*(n₁-n_c)/n_c，

n₁为掺杂GeO₂后折射率，n_c为纯二氧化硅的折射率。

3.如权利要求1所述的大有效面积光纤，其特征在于，内包层的掺杂剂为单一掺杂剂F，内包层的相对折射率差Δ₂满足公式：

Δ₂＝100％*(n₂-n_c)/n_c，

n₂为掺杂F后折射率，n_c为纯二氧化硅的折射率。

4.如权利要求1所述的大有效面积光纤，其特征在于，所述大有效面积光纤的涂覆层有两层，由中心向外依次为内涂覆层和外涂覆层，其中内涂覆层的外径为185～200μm，外涂覆层的外径为240～255μm，且内涂覆层的弹性模量不大于1.0Mpa，外涂敷层的弹性模量不小于900Mpa。

5.如权利要求1所述的大有效面积光纤，其特征在于，所述大有效面积光纤在1550nm波长处的有效面积为105～135μm²。

6.如权利要求1所述的大有效面积光纤，其特征在于，所述大有效面积光纤的成缆截止波长不大于1500nm。

7.如权利要求1所述的大有效面积光纤，其特征在于，所述大有效面积光纤在1550nm波长处的色散为17～23ps/(nm*km)。

8.如权利要求1所述的大有效面积光纤，其特征在于，所述大有效面积光纤在1550nm波长处的损耗为不大于0.190dB/km。

9.如权利要求1所述的大有效面积光纤，其特征在于，所述大有效面积光纤30mm的弯曲半径绕100圈在1625nm波长处的宏弯损耗不大于0.1dB。