CN109655961A - 一种低损耗大有效面积单模光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低损耗大有效面积单模光纤及其制备方法，光纤从内到外是内芯层、外芯层、内包层、下陷层和外包层，采用MCVD+OVD的工艺制备，内芯层半径为r₁＝4～7μm，内芯层相对折射率为△n₁＝0.25％～0.45％；外芯层半径为r₂＝5～9μm，外芯层相对折射率为△n₂＝0.1％～0.3％；内包层半径为r₃＝9.5～15μm，内包层相对折射率为△n₃＝‑0.02％～0.02％；下陷层半径为r₄＝12～25μm，下陷层相对折射率为△n₄＝‑0.15％～‑0.55％；外包层为纯二氧化硅，外包层半径r₅＝60‑65μm。本发明光纤的有效面积、截止波长、衰减、色散、弯曲损耗等综合性能良好。

Description

一种低损耗大有效面积单模光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低损耗大有效面积单模光纤及其制备方法，属于光纤传输技术领域。

背景技术

光纤通信技术以不可思议的速度在改变着我们的世界，光纤作为传输光信号的媒介，光纤衰减和有效面积是目前影响光纤传输性能的重要因素。在未来的400G或更高的传输系统中，光纤衰减的降低和有效面积的增加，将大大提高光纤的传输质量，极大降低整个系统的建设和维护成本。

有效面积用来衡量光能量的传输能力，大的有效面积有利于光信号的传输，能有效地提高光纤传输的容量，目前光纤的有效面积在100μm²以上，大有效面积可以通过改变光纤纤芯、包层的折射率分布、纤芯的尺寸和包层的占空比来实现，然而，增大光纤有效面积，伴随损耗的增大，从而限制了光纤有效面积的扩大；另外，增加光纤的芯径虽然可以获得较大的有效面积，但是也会造成光纤的截止波长迅速增加。

文献号为CN107132614A的专利提出了一种大有效面积光纤，采用简单的折射率阶跃型下陷包层结构设计，光纤有效面积105～135μm²，光纤的成缆截止波长为1407-1437nm，在1550nm波长处的色散为17-23ps/nm*km，在1550nm波长处的损耗为0.180-0.184dB/km；但是，该光纤存在以下问题：芯层和下陷层紧密相连，且折射率相差较大，造成截止波长过高；光功率易于泄露到下陷层，并折射出光纤，造成衰减增加；下陷层与芯层之间没有隔离层，容易造成氟扩散到芯层。

另外，文献号为CN104459876B的专利提出了一种低损耗的大有效面积光纤，该光纤采用下陷内芯层结构设计，光纤在1550nm波长处的有效面积是110-147μm²，成缆截止波长为1389-1522nm，在1550nm处的损耗为0.162-0.181dB/km；但是，该光纤内芯层的折射率比外芯层的折射率小，导致光功率在传播过程中的入射角改变增加损耗，不能集中传播，且其成缆截止波长较大，在实际应用当中，过高的截止波长难以保证光纤在应用波段中得到截止，便无法保证光信号在传输时呈单模状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有单模光纤存在的有效面积小、损耗大、截止波长高等技术问题，提供一种低损耗大有效面积单模光纤及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种低损耗大有效面积单模光纤，从内到外依次是内芯层、外芯层、内包层、下陷层和外包层，其中：内芯层的半径为r₁＝4～7μm，内芯层的相对折射率为△n₁＝0.25％～0.45％；外芯层的半径为r₂＝5～9μm，外芯层的相对折射率为△n₂＝0.1％～0.3％；内包层的半径为r₃＝9.5～15μm，内包层的相对折射率为△n₃＝-0.02％～0.02％；下陷层的半径为r₄＝12～25μm，下陷层的相对折射率为△n₄＝-0.15％～-0.55％；外包层为纯二氧化硅，外包层半径r₅＝60-65μm。

优选地，所述相对折射率大小为：Δn₁>Δn₂>Δn₃>Δn₄。

优选地，所述内芯层和外芯层为加入掺杂剂的二氧化硅玻璃层，所述掺杂剂为GeO₂、P₂O₅-F混合物、B₂O₃中的至少一种。

进一步，掺杂剂为P₂O₅-F混合物时，P的掺杂贡献量Δn_P为0.3％-0.6％。

优选地，所述内包层为掺锗和氟的二氧化硅玻璃层，其中Ge的掺杂贡献量Δn_Ge为0.01％-0.05％。

优选地，所述下陷层为掺氟的二氧化硅玻璃层。

优选地，所述光纤在1550nm波长处的有效面积为151～162μm²。

优选地，所述光纤成缆截止波长等于或小于1316nm。

优选地，所述光纤在1550nm波长处的衰减等于或小于0.15dB/km。

优选地，所述光纤在1550nm波长处的色散等于或小于17ps/nm*km。

优选地，所述光纤在1550nm波长处，R15mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯损耗等于或小于0.02dB，R30mm弯曲半径弯曲100圈的宏弯损耗等于或小于0.06dB。

本发明还提供一种低损耗大有效面积单模光纤的制备方法，采用MCVD+OVD的制备方法，制备步骤如下：

利用MCVD工艺先在作为下陷层的掺氟石英管内壁沉积内包层，再沉积外芯层和内芯层，获得沉积管；

将沉积管在高温下熔缩成具有内芯层、外芯层、内包层和下陷层实心预制芯棒；

利用OVD工艺在预制芯棒上沉积外包层，并经过烧结，制备出低损耗大有效面积光纤。

另外，为清楚地说明本发明的技术方案，对本发明涉及的术语的定义和说明如下：

相对折射率Δn_i，由以下方程式定义：

其中，n_i为光纤特定位置部分的绝对折射率，而n_c为合成纯石英玻璃的绝对折射率。

P的掺杂贡献量Δn_Ge，由以下方程式定义：

其中，n_P为内芯层和外芯层玻璃的掺杂剂P₂O₅-F混合物时，由P掺杂引起的折射率升高，而n_c为合成纯石英玻璃的绝对折射率。

Ge的掺杂贡献量Δn_Ge，由以下方程式定义：

其中，n_Ge为内包层玻璃由Ge掺杂引起的折射率升高，而n_c为合成纯石英玻璃的绝对折射率。

光纤的有效面积A_eff，由以下方程式定义：

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22米之后不再作为单模信号进行传播的波长。在测试时需要对光纤一个半径14cm的圈，两个半径4cm的圈获取数据。

本发明的有益效果是：

本发明提供的低损耗大有效面积单模光纤，其芯层分为内芯层和外芯层，具有合适的相对折射率差和半径，进一步在内芯层和外芯层中加入掺杂剂，可以增加有效面积，降低光纤的衰减系数；外芯层直径的增加可以微调节有效面积，并且能够调节折射率之差，从而降低截止波长；内包层的设计可防止碱金属扩散到掺氟浓度较高的下陷层而形成金属氟化物结晶，减少衰减，并可阻止下陷层的氟离子扩散到芯层；下陷层使用掺氟设计，使光纤在1550nm波长处的有效面积为151～162μm²，同时限制光功率的分布范围，使光功率集中在光纤的芯层，有利于降低光线的衰减，并且提高了光纤的抗弯曲能力；最外层的外包层采用纯二氧化硅的设计，降低了掺氟玻璃在光纤中的比重，从而降低了制造成本。总之，本发明光纤的有效面积、截止波长、衰减、色散、弯曲损耗等综合性能在应用波段良好，成缆截止波长可保证光信号在光纤中单模态传播，此光纤可用于高速、大容量的长距离传输以及长距离无中继站的传输系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明单模光纤的折射率剖面结构分布图，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。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一种低损耗大有效面积单模光纤，从内到外依次是内芯层、外芯层、内包层、下陷层和外包层，其中：内芯层的半径为r₁＝4～7μm，内芯层的相对折射率为△n₁＝0.25％～0.45％；外芯层的半径为r₂＝5～9μm，外芯层的相对折射率为△n₂＝0.1％～0.3％；内包层的半径为r₃＝9.5～15μm，内包层的相对折射率为△n₃＝-0.02％～0.02％；下陷层的半径为r₄＝12～25μm，下陷层的相对折射率为△n₄＝-0.15％～-0.55％，所述的外包层为纯二氧化硅r₅；所述相对折射率大小为：Δn₁>Δn₂>Δn₃>Δn₄；

所述内芯层、外芯层为加入掺杂剂的二氧化硅玻璃层，所述掺杂剂为GeO₂、P₂O₅-F混合物、B₂O₃中的至少一种，所述掺杂剂为P₂O₅-F混合物时，P的掺杂贡献量Δn_F为0.1％-0.6％，综合内芯层、外芯层的相对折射率差和半径的合理设计，有效降低了光纤芯层的折射率，增加了光纤的有效面积，降低了光纤的衰减系数；所述内包层为掺锗和氟的二氧化硅玻璃层，其中Ge的掺杂贡献量Δn_Ge为0.01％-0.05％。目的阻止芯层的碱金属或下陷层的氟离子扩散；所述下陷层紧密围绕着内包层，下陷层为掺氟的二氧化硅玻璃层，主要作用是减少光纤的宏弯损耗。

本发明的单模光纤采用MCVD+OVD工艺制备而成，具体是：

首先，利用MCVD工艺沉积芯棒并实现下陷层结构，以掺氟的石英管作为沉积反应管，先在作为下陷层的沉积反应管内壁沉积内包层，阻挡反应管的水分扩展到芯层中，再沉积外芯层和内芯层，获得符合折射率分布要求的沉积管；沉积结束后，将沉积的反应管熔缩成实心的预制芯棒，熔缩阶段工艺如下：炉子的温度T＝22000℃，炉子的速度VF＝15mm/min，泵端压力为-500Pa；MCVD工艺具有操作灵活、精确控制原材料流量和层数等优点，可以制备折射率剖面精细的光纤预制棒。

其次，利用OVD工艺在预制芯棒上沉积外包层，并经过烧结，制备出符合要求的低损耗大有效面积光纤，OVD工艺可以提高生产效率，有利于大规模生产。

本发明各个实施例的光纤剖面参数参考表1，光纤性能参数参考表2。

表1本发明各个实施例的光纤剖面参数

表2本发明各个实施例的光纤性能参数

由表2可见，本发明的单模光纤在1550nm波长的有效面积为151.3-161.5μm²，成缆截止波长为1275-1316nm，在波长1550nm处的衰减为0.143-0.153dB/km，在波长1550nm处的色散为15.32-17.31ps/nm*km，光纤在1550nm波长处，R15mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯损耗为0.014-0.020dB，R30mm弯曲半径弯曲100圈的宏弯损耗为0.0054-0.0060dB；由此可见，本发明单模光纤的有效面积、截止波长、衰减、色散、弯曲损耗等综合性能参数在应用波段良好。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，从内到外依次是内芯层、外芯层、内包层、下陷层和外包层，其中：内芯层的半径为r₁＝4～7μm，内芯层的相对折射率为△n₁＝0.25％～0.45％；外芯层的半径为r₂＝5～9μm，外芯层的相对折射率为△n₂＝0.1％～0.3％；内包层的半径为r₃＝9.5～15μm，内包层的相对折射率为△n₃＝-0.02％～0.02％；下陷层的半径为r₄＝12～25μm，下陷层的相对折射率为△n₄＝-0.15％～-0.55％；外包层为纯二氧化硅，外包层半径r₅＝60-65μm。

2.根据权利要求1所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，所述相对折射率大小为：Δn₁>Δn₂>Δn₃>Δn₄。

3.根据权利要求1或2所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，所述内芯层和外芯层为加入掺杂剂的二氧化硅玻璃层，所述掺杂剂为GeO₂、P₂O₅-F混合物、B₂O₃中的至少一种，所述掺杂剂为P₂O₅-F混合物时，P的掺杂贡献量Δn_P为0.3％-0.6％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，所述内包层为掺锗和氟的二氧化硅玻璃层，其中Ge的掺杂贡献量Δn_Ge为0.01％-0.05％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，所述下陷层为掺氟的二氧化硅玻璃层。

6.根据权利要求1-5任一项所述的低损耗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151～162μm²。

7.根据权利要求1-6任一项所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，所述光纤成缆截止波长等于或小于1316nm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm波长处的衰减等于或小于0.15dB/km，所述光纤在1550nm波长处的色散等于或小于17ps/nm*km。

9.根据权利要求1-7任一项所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm波长处，R15mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯损耗等于或小于0.02dB，R30mm弯曲半径弯曲100圈的宏弯损耗等于或小于0.06dB。

10.一种低损耗大有效面积单模光纤的制备方法，其特征在于，采用MCVD+OVD的制备方法，制备步骤如下：

利用MCVD工艺先在作为下陷层的掺氟石英管内壁沉积内包层，再沉积外芯层和内芯层，获得沉积管；

将沉积管在高温下熔缩成具有内芯层、外芯层、内包层和下陷层实心预制芯棒；

利用OVD工艺在预制芯棒上沉积外包层，并经过烧结，制备出低损耗大有效面积光纤。