CN109298482A - 一种低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层直径r₁为5.0～6.5μm，相对折射率差Δn₁为0.16～0.32％，芯层外从内向外依次包覆内包层、第一下陷包层、第二下陷包层和外包层，所述的内包层半径r₂为9.0～11.0μm，相对折射率差Δn₂为‑0.08～0.00％，所述的第一下陷包层半径r₃为12.0～13.0μm，相对折射率差Δn₃为‑0.42～‑0.52％，所述的第二下陷包层半径r₄为13.0～20.0μm，相对折射率差Δn₄为‑0.08～‑0.32％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明优化了芯包层粘度匹配，光纤能在高速拉丝速度下拉丝而成，实现光纤的低衰减性能，大大的提高了低衰减光纤的生产效率，并有效的改善大有效面积光纤的弯曲性能。

Description

一种低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤

技术领域

本发明涉及到光通信技术领域，具体涉及到一种低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，可用于长距离，大容量，高速率传输系统。

背景技术

大容量、高速率的传输系统是长距离通信的发展方向，其对光纤的性能提出了更高的要求，具有低衰减兼有大的有效面积光纤的提出满足了这一需求，近年来这种光纤在通信领域受到了明显的关注。在高功率的传输系统中，光纤具有大的有效面积能显著降低非线性效应和提高光信噪比(OSNR)，从而提升系统传输质量。而限制长距离大容量传输的一个重要因素是光纤的衰减，相对于普通的单模光纤，具有较低衰减的光纤将能延长传输距离，减少链路建设和维护成本。因此，大有效面积兼具低衰减的光纤具有较高的传输系统性价比。

获得大的有效面积，可以通过增加光纤芯层直径和芯层折射率来实现，而如何降低光纤的衰减是一个重要的问题。降低光纤衰减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，主要指模场直径，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，适合大规模生产。

对于以上三个困难，我们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’>T_f(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，增加光纤退火时间，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。但是这种方法将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，即使在少掺杂的基础上，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氟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，而同时大量氟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。

专利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散射系数，其采用纯硅芯设计，采用掺氟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，避免高速率拉丝造成光纤芯层和包层黏度失衡引起的衰减增加，这种条件下显然其制造工艺十分复杂，影响光纤的生产能力，使得低衰减的光纤制造成本较高。实际上，高速拉丝在实际生产过程必要的，从而实现规模化的生产。

专利CN201310394404提出了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，但是其因为使用典型的阶跃剖面结构，没有使用下陷内包层设计来优化光纤的弯曲性能，可发现其弯曲水平较差。

专利CN201310409008描述了一种低损耗大有效面积单模光纤的设计，在芯层设置有中心下陷的结构，这种波导结构可以获得较大有效面积，但是会使得熔接损耗增加。同时还可以看到，该种光纤虽然具有较大的有效面积，但是其光缆截止波长较小，MAC数(模场直径和截止波长的比值)较大，可以预期其弯曲性能较差，在成缆过程中有附加衰减较高的风险。

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；

从光纤纤芯中轴线开始算起，根据折射率的变化，定义为最靠近轴线的那层为光纤的芯层，光纤的最外层纯二氧化硅定义为光纤外包层。

相对折射率差Δn_i：

光纤各层相对折射率差Δn_i由以下方程式定义，

其中n_i为光纤某特定位置的绝对折射率，而n_c为纯二氧化硅的绝对折射率。

光纤有效面积A_eff：

其中，E是与传播有关的电场，r为轴心到电场分布点之间的距离。

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米之后只有基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低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，它不仅芯包层结构匹配合理，优化了光纤多项性能，而且制造成本低。

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直径r₁为5.0～6.5μm，相对折射率差Δn₁为0.16～0.32％，芯层外从内向外依次包覆内包层、第一下陷包层、第二下陷包层和外包层，所述的内包层半径r₂为9.0～11.0μm，相对折射率差Δn₂为-0.08～0.00％，所述的第一下陷包层半径r₃为12.0～13.0μm，相对折射率差Δn₃为-0.42～-0.52％，所述的第二下陷包层半径r₄为13.0～20.0μm，相对折射率差Δn₄为-0.08～-0.32％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的芯层为锗、氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，碱金属掺杂量按重量计为500～2000ppm；所述内包层为锗、氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，碱金属掺杂量按重量计为50～400ppm。

按上述方案，所述的光纤由等于或大于1500m/min的拉丝速度拉丝而成。

按上述方案，所述碱金属的元素为锂、钠、钾、铷、钫中的一种或几种的组合。

按上述方案，所述的芯层相对折射率差Δn₁大于内包层相对折射率差Δn₂，内包层相对折射率差Δn₂大于第二下陷包层相对折射率差Δn₄，所述第二下陷包层的相对折射率差Δn₄大于第一下陷包层相对折射率差Δn₃，即Δn₁＞Δn₂＞Δn₄＞Δn₃。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的有效面积为110～140μm²

按上述方案，所述光纤的成缆截止波长小于1530nm。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.176dB/km。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的色散系数为17～23ps/(nm·km)；在1550nm波长处的色散斜率为0.050～0.070ps/(nm²·km)。

按上述方案，所述光纤在弯曲半径30mm，弯曲圈数100圈的条件下，1550nm波长处的附加损耗小于0.05dB。

按上述方案，所述光纤在弯曲半径15mm，弯曲圈数10圈的条件下，1550nm波长处的附加损耗小于0.25dB。

按上述方案，所述光纤在弯曲半径10mm，弯曲圈数1圈的条件下，1550nm波长处的附加损耗小于0.75dB。

按上述方案，所述光纤涂有树脂涂料层，包括有内涂覆层和外涂覆层，所述的内涂覆层直径为185～205μm，内涂覆层的杨氏模量为0.1～0.4MPa，外涂覆层直径为235～255μm，外层涂覆的杨氏模量为1000～2000MPa。第一层低杨氏模量涂覆层提供了应力缓冲作用，改善光纤微观弯曲性能，第二层高杨氏模量涂覆层为光纤提供机械保护作用。

本发明的有益效果在于：1、对芯层和包层进行锗、氟及碱金属共掺的材料体系设计以及特定的波导结构设计，优化了芯包层粘度匹配，光纤能在高速拉丝速度下(至少是1500m/min)拉丝而成，实现光纤的低衰减性能，大大的提高了低衰减光纤的生产效率。2、通过双氟掺杂的下陷包层设计，有效的改善大有效面积光纤的弯曲性能，保证了该类型光纤在成缆、敷设过程中附加损耗足够小。3、本发明的光纤采用非纯硅芯的波导结构，光纤中掺氟部分占比低，且最外层的包层采用纯二氧化硅玻璃层，有效的降低了低衰减光纤的制造成本。

附图说明

图1为本发明一个实施例的径向截面结构示意图。

图2是本发明光纤折射率剖面结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述和说明。

包括有芯层和包层，所述的芯层直径为r₁，相对折射率差为Δn₁，芯层外从内向外依次包覆内包层、第一下陷包层、第二下陷包层和外包层，内包层半径为r₂，相对折射率差为Δn₂，第一下陷包层半径为r₃，相对折射率差为Δn₃，所述的第二下陷包层半径为r₄，相对折射率差为Δn₄；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层，外包层半径为62.5μm。光纤芯层和内包层由锗、氟和碱金属三元共掺的二氧化硅玻璃组成，两个下陷包层均为掺氟二氧化硅石英玻璃层，外包层为无掺杂的纯二氧化硅石英玻璃层。所述光纤涂有树脂涂料层，包括有内涂覆层和外涂覆层。

本发明光纤制造方法为：采用PCVD(等离子化学气相沉积)方法制备的芯棒，然后通过OVD方法在制备的芯棒表面进行外包无掺杂的二氧化硅玻璃外包层，从而形成预制棒，或者将芯棒与中空的二氧化硅大套管组合成预制棒。预制棒在拉丝塔上进行拉丝，即可获得具有低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤。

表1所列为本发明优选的实施例的折射率剖面参数，K为光纤芯层中钾元素的含量。表2所示为所述实施例的光纤对应的光学参数。

表1、本发明实施例的光纤剖面参数

表2、本发明实施例的光纤的光学参数

Claims (10)

1.一种低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层直径r₁为5.0～6.5μm，相对折射率差Δn₁为0.16～0.32％，芯层外从内向外依次包覆内包层、第一下陷包层、第二下陷包层和外包层，所述的内包层半径r₂为9.0～11.0μm，相对折射率差Δn₂为-0.08～0.00％，所述的第一下陷包层半径r₃为12.0～13.0μm，相对折射率差Δn₃为-0.42～-0.52％，所述的第二下陷包层半径r₄为13.0～20.0μm，相对折射率差Δn₄为-0.08～-0.32％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

2.按权利要求1所述的低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，其特征在于所述的芯层为锗、氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，碱金属掺杂量按重量计为500～2000ppm；所述内包层为锗、氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，碱金属掺杂量按重量计为50～400ppm。

3.按权利要求1或2所述的低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，其特征在于所述的光纤由等于或大于1500m/min的拉丝速度拉丝而成。

4.按权利要求1或2所述的低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，其特征在于所述的芯层相对折射率差Δn₁大于内包层相对折射率差Δn₂，内包层相对折射率差Δn₂大于第二下陷包层相对折射率差Δn₄，所述第二下陷包层的相对折射率差Δn₄大于第一下陷包层相对折射率差Δn₃，即Δn₁＞Δn₂＞Δn₄＞Δn₃。

5.按权利要求1或2所述的低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的有效面积为110～140μm²。

6.按权利要求1或2所述的低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤的成缆截止波长小于1530nm。

7.按权利要求1或2所述的低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.176dB/km。

8.按权利要求1或2所述的低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的色散系数为17～23ps/(nm·km)；在1550nm波长处的色散斜率为0.050～0.070ps/(nm²·km)。

9.按权利要求1或2所述的低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤在弯曲半径30mm，弯曲圈数100圈的条件下，1550nm波长处的附加损耗小于0.05dB；所述光纤在弯曲半径15mm，弯曲圈数10圈的条件下，1550nm波长处的附加损耗小于0.25dB；所述光纤在弯曲半径10mm，弯曲圈数1圈的条件下，1550nm波长处的附加损耗小于0.75dB。

10.按权利要求1或2所述的低衰减和低弯曲损耗的大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤涂有树脂涂料层，包括有内涂覆层和外涂覆层，所述的内涂覆层直径为185～205μm，内涂覆层的杨氏模量为0.1～0.4MPa，外涂覆层直径为235～255μm，外层涂覆的杨氏模量为1000～2000MPa。