CN110045456B - 一种超低损耗大有效面积的单模光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超低损耗大有效面积的单模光纤及其制备方法，光纤从内到外依次是内芯层、下陷芯层、外芯层、内包层、下陷包层和外包层，其中：内芯层、下陷芯层、外芯层、内包层、下陷包层以二氧化硅作为基底材料并加入掺杂剂，外包层为纯二氧化硅；其中，内芯层的相对折射率为△n1，下陷芯层的相对折射率为△n2，外芯层的相对折射率为△n3，内包层的相对折射率为△n4，下陷包层的相对折射率为△n5，所述相对折射率大小为：Δn1>Δn3>Δn2>Δn4>Δn5，采用MCVD工艺和OVD工艺制备而成。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

一种超低损耗大有效面积的单模光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超低损耗大有效面积的单模光纤及其制备方法，属于光纤传输技术领域。
背景技术
光纤作为光传导的媒介，光信号经光纤传输后，由于吸收、散射、光纤结构、弯曲等原因引起光功率的减小称为光纤损耗，光纤损耗是光纤传输的重要指标，对光纤通信的传输距离有决定性的影响，光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近，因此，降低光纤损耗对光纤通信有着重大的现实意义。超低损耗光纤主要通过采用纯硅芯设计而实现，但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，制造工艺极其复杂，并且在拉丝过程中容易造成光纤内部缺陷而增加损耗，还会影响光线大有效面积的实现。目前的光纤通常采用锗氟共掺的芯层设计，但是会使光纤的传输性能劣化，影响光纤超低损耗性能指标的实现。
光纤有效面积用来衡量光能量的传输能力，大的有效面积能有效地提高光纤传输的容量，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。
在未来的400G或更高的传输系统中，光纤损耗的降低和有效面积的增大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。因此，开发设计一种超低损耗大有效面积的光纤成为光纤制造领域的一个重要课题。
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损耗大、有效面积小的技术问题，提供一种超低损耗大有效面积的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：
一种超低损耗大有效面积的单模光纤，从内到外依次是内芯层、下陷芯层、外芯层、内包层、下陷包层和外包层，其中：内芯层、下陷芯层、外芯层、内包层、下陷包层以二氧化硅作为基底材料并加入掺杂剂，外包层为纯二氧化硅；其中，内芯层的相对折射率为Δn1，下陷芯层的相对折射率为Δn2，外芯层的相对折射率为Δn3，内包层的相对折射率为Δn4，下陷包层的相对折射率为Δn5，所述相对折射率大小为：Δn1>Δn3>Δn2>Δn4>Δn5。
优选地，所述内芯层的半径为r1＝4～6μm，相对折射率为Δn1＝0.35％～0.55％；下陷芯层的半径为r2＝6～9μm，相对折射率为Δn2＝-0.25％～-0.15％；外芯层的半径为r3＝9～15μm，相对折射率为Δn3＝0.15％～0.3％；内包层的半径为r4＝15～20μm，相对折射率为Δn4＝-0.4％～-0.3％；下陷包层的半径为r5＝20～30μm，相对折射率为Δn5＝-0.55％～-0.45％，外包层半径r6＝70-85μm。
优选地，所述内芯层和外芯层加入的掺杂剂为P2O5或B2O3。
优选地，所述下陷芯层加入的掺杂剂为P2O5-F混合物，所述P2O5-F混合物中P的掺杂贡献量ΔnP为0.2％-0.3％。
优选地，所述下陷芯层加入的掺杂剂为B2O3-F混合物，所述B2O3-F混合物中B的掺杂贡献量ΔnB为0.2％-0.4％。
优选地，所述内包层加入的掺杂剂为Sb2O3-F混合物，所述Sb2O3-F混合物中Sb掺杂贡献量ΔnSb为0.05％-0.15％。
优选地，所述下陷包层为掺氟的二氧化硅玻璃层。
本发明还提供一种超低损耗大有效面积的单模光纤的制备方法，步骤如下：
利用MCVD工艺先在作为下陷包层的掺氟石英管内壁依次沉积内包层、外芯层、下陷芯层和内芯层，获得沉积管；
将沉积管在高温下熔缩成具有内芯层、下陷芯层、外芯层、内包层和下陷层的预制芯棒；
利用OVD工艺在预制芯棒上沉积外包层，并经过烧结，制备出光纤预制棒；
将光纤预制棒直接拉丝而成，或经拉伸后再拉丝而成超超低损耗大有效面积的单模光纤。
优选地，利用MCVD工艺在掺氟石英管内壁沉积内包层、外芯层、下陷芯层和内芯层前，对掺氟石英管内表面进行化学刻蚀，化学刻蚀的方法为：将掺氟石英管加热到600-700℃，向掺氟石英管中通入含氟气体对基管内表面进行化学刻蚀。
优选地，熔缩温度为2300-2500℃，沉积内包层的温度为1800-2000℃，沉积芯层的温度为1600-1800℃，沉积外包层的温度为1300-1500℃。
优选地，所述烧结处理方法为：往烧结炉内通入惰性气体和氯气，首先使烧结炉以20-30℃/min的升温速率升到800-900℃，保温2-3h，再以15-20℃/min的升温速率升到1000-1100℃，保温3-4h；最后，关闭氯气，使烧结炉以8-12℃/min的升温速率升到1200-1300℃，保温5-6h。
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Δni，由以下方程式定义：
Figure BDA0001982945290000041
其中，ni为光纤特定位置部分的绝对折射率，而nc为纯石英玻璃的绝对折射率。
Sb的掺杂贡献量ΔnSb，由以下方程式定义：
Figure BDA0001982945290000042
其中，nSb-nc为下陷芯层的掺杂剂为Sb2O3-F混合物时，由Sb掺杂引起的折射率升高值，而nc为纯石英玻璃的绝对折射率。
B的掺杂贡献量ΔnB，由以下方程式定义：
Figure BDA0001982945290000043
其中，nB-nc为内包层玻璃由B掺杂引起的折射率升高值，而nc为纯石英玻璃的绝对折射率。
P的掺杂贡献量ΔnP，由以下方程式定义：
Figure BDA0001982945290000044
其中，nP-nc为内包层玻璃由P掺杂引起的折射率升高值，而nc为纯石英玻璃的绝对折射率。
光纤的有效面积Aeff，由以下方程式定义：
Figure BDA0001982945290000045
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λcc：
IEC(国际委员会)标准60793-1-44中定义：光缆截止波长λcc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：
本发明提供的超低损耗大有效面积的单模光纤具有合适的相对折射率差和半径，其有效面积、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，所述光纤在1550nm波长处的有效面积为165.1-181.3μm2，成缆截止波长等于或小于1321nm，在1550nm波长处的衰减等于或小于0.134dB/km，在1550nm波长处的色散等于或小于14.3ps/nm*km，在1550nm波长处的R30mm弯曲半径弯曲100圈的宏弯损耗等于或小于0.0041dB，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，具体是：
(1)光纤芯层分为内芯层、下陷芯层和外芯层，进一步在内芯层、下陷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，降低截止波长；
(2)内包层可防止下陷层的氟离子、水分和金属离子扩散到芯层，减少光纤衰减；
(3)下陷包层使用掺氟设计，可以使光功率集中在光纤的芯层，有利于降低光线的损耗，并提高光纤的抗弯曲能力；
(4)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。
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。
一种超低损耗大有效面积的单模光纤，从内到外依次是内芯层、外芯层、下陷芯层、内包层、下陷包层和外包层，其中：内芯层、下陷芯层、外芯层、内包层、下陷包层以二氧化硅作为基底材料并加入掺杂剂；内芯层的半径为r1＝4～6μm，内芯层的相对折射率为Δn1＝0.35％～0.55％；下陷芯层的半径为r2＝6～9μm，下陷芯层的相对折射率为Δn2＝-0.25％～-0.15％；外芯层的半径为r3＝9～15μm，外芯层的相对折射率为Δn3＝0.15％～0.3％；内包层的半径为r4＝15～20μm，内包层的相对折射率为Δn4＝-0.4％～-0.3％；下陷层的半径为r5＝20～30μm，下陷层的相对折射率为Δn5＝-0.55％～-0.45％，所述的外包层为纯二氧化硅，外包层半径r6＝70-85μm；所述相对折射率大小为：Δn1>Δn3>Δn2>Δn4>Δn5；
所述内芯层和外芯层加入的掺杂剂为Sb2O3、P2O5、B2O3中的至少一种，所述下陷芯层加入的掺杂剂为Sb2O3-F混合物或B2O3-F混合物，所述Sb2O3-F混合物中Sb的掺杂贡献量ΔnSb为0.2％-0.3％，所述B2O3-F混合物中B的掺杂贡献量ΔnB为0.2％-0.4％；
所述内包层加入的掺杂剂为P2O5-F混合物，所述P2O5-F混合物中P掺杂贡献量ΔnP为0.05％-0.15％；
所述下陷包层紧密围绕着内包层，下陷包层为掺氟的二氧化硅玻璃层。
本发明的单模光纤采用MCVD+OVD工艺制备而成，具体是：
将掺氟石英管加热到600-700℃，向掺氟石英管中通入氟化氢气体对基管内表面进行化学刻蚀；
利用MCVD工艺沉积芯棒并实现下陷层结构，以化学刻蚀后的掺氟石英管作为沉积反应管，先在作为下陷包层的沉积反应管内壁沉积内包层，再依次沉积外芯层、下陷芯层和内芯层，获得符合折射率分布要求的沉积管，沉积内包层的温度为1800-2000℃，沉积芯层的温度为1600-1800℃；沉积结束后，将沉积的反应管熔缩成实心的预制芯棒，熔缩温度为2300-2500℃；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，沉积外包层的温度为1300-1500℃，并经过烧结，制备出符合要求的超低损耗大有效面积光纤；所述烧结处理方法为：往烧结炉内通入惰性气体和氯气，首先使烧结炉以20-30℃/min的升温速率升到800-900℃，保温2-3h，再以10-20℃/min的升温速率升到1000-1100℃，保温3-4h；最后，关闭氯气，使烧结炉以5-15℃/min的升温速率升到1200-1300℃，保温5-6h；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。
备注：以下实施例1和实施例2的光纤的具体制备条件为：熔缩温度为2400℃，沉积内包层的温度为1900℃，沉积芯层的温度为1700℃，沉积外包层的温度为1400℃，烧结处理方法为：往烧结炉内通入氦气和氯气，首先使烧结炉以25℃/min的升温速率升到850℃，保温2.5h，再以18℃/min的升温速率升到1050℃，保温3.5h；最后，关闭氯气，使烧结炉以10℃/min的升温速率升到1250℃，保温5.5h；
以下实施例3和实施例4的光纤的具体制备条件为：熔缩温度为2300℃，沉积内包层的温度为1800℃，沉积芯层的温度为1600℃，沉积外包层的温度为1300℃，烧结处理方法为：往烧结炉内通入氦气和氯气，首先使烧结炉以20℃/min的升温速率升到800℃，保温3h，再以15℃/min的升温速率升到1000℃，保温4h；最后，关闭氯气，使烧结炉以8℃/min的升温速率升到1200℃，保温6h；
以下实施例5和实施例6的光纤的具体制备条件为：熔缩温度为2500℃，沉积内包层的温度为2000℃，沉积芯层的温度为1800℃，沉积外包层的温度为1500℃，烧结处理方法为：往烧结炉内通入氦气和氯气，首先使烧结炉以30℃/min的升温速率升到900℃，保温2h，再以20℃/min的升温速率升到1100℃，保温3h；最后，关闭氯气，使烧结炉以12℃/min的升温速率升到1300℃，保温5h。
表1本发明各个实施例的光纤剖面参数
Figure BDA0001982945290000091
表2本发明各个实施例的光纤性能参数
Figure BDA0001982945290000092
Figure BDA0001982945290000101
由表2可见，本发明的单模光纤在1550nm波长的有效面积为165.1-181.3μm2，成缆截止波长为1279-1321nm，在波长1550nm处的衰减为0.123-0.134dB/km，在波长1550nm处的色散为12.32-14.30ps/nm*km，光纤在1550nm波长处的R30mm弯曲半径弯曲100圈的宏弯损耗为0.0034-0.0041dB；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 (9)

1.一种超低损耗大有效面积的单模光纤，其特征在于，从内到外依次是内芯层、下陷芯层、外芯层、内包层、下陷包层和外包层，其中：内芯层、下陷芯层、外芯层、内包层、下陷包层以二氧化硅作为基底材料并加入掺杂剂，其相对折射率依次为△n1、△n2、△n3、△n4、△n5，外包层为纯二氧化硅；
所述内芯层的相对折射率
Figure 539700DEST_PATH_IMAGE001
△n1=0.35%~0.55%，下陷芯层的相对折射率
Figure 660102DEST_PATH_IMAGE001
△n2=-0.25%~-0.15%，外芯层的相对折射率
Figure DEST_PATH_IMAGE002
=0.15%~0.3%，内包层的相对折射率
Figure 344899DEST_PATH_IMAGE003
=-0.4%~-0.3%，下陷包层的相对折射率
Figure 208950DEST_PATH_IMAGE001
△n5=-0.55%~-0.45%；
所述内芯层和外芯层加入的掺杂剂为P2O5或B2O3，所述下陷芯层加入的掺杂剂为P2O5-F混合物或B2O3-F混合物。
2.根据权利要求1所述的超低损耗大有效面积的单模光纤，其特征在于，所述内芯层的半径为r1=4~6μm，下陷芯层的半径为r2=6~9μm，外芯层的半径为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
=9~15μm，内包层的半径为
Figure 429847DEST_PATH_IMAGE005
=15~20μm，下陷包层的半径为=20~30μm，外包层半径
Figure DEST_PATH_IMAGE006
=70-85µm。
3.根据权利要求1或2所述的超低损耗大有效面积的单模光纤，其特征在于，所述P2O5-F混合物中P的掺杂贡献量
Figure 35665DEST_PATH_IMAGE007
为0.2%-0.3%，所述B2O3-F混合物中B的掺杂贡献量
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为0.2%-0.4%。
4.根据权利要求1或2所述的超低损耗大有效面积的单模光纤，其特征在于，所述内包层加入的掺杂剂为Sb2O3-F混合物，所述Sb2O3-F混合物中Sb掺杂贡献量
Figure 974803DEST_PATH_IMAGE009
为0.05%-0.15%。
5.根据权利要求1或2所述的超低损耗大有效面积的单模光纤，其特征在于，所述下陷包层为掺氟的二氧化硅玻璃层。
6.一种权利要求1-5任一项所述的超低损耗大有效面积的单模光纤的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
利用MCVD工艺先在作为下陷包层的掺氟石英管内壁依次沉积内包层、外芯层、下陷芯层和内芯层，获得沉积管；
将沉积管在高温下熔缩成具有内芯层、下陷芯层、外芯层、内包层和下陷层的预制芯棒；
利用OVD工艺在预制芯棒上沉积外包层，并经过烧结，制备出光纤预制棒；
将光纤预制棒直接拉丝而成，或经拉伸后再拉丝而成超超低损耗大有效面积的单模光纤。
7.根据权利要求6所述的超低损耗大有效面积的单模光纤的制备方法，其特征在于，利用MCVD工艺在掺氟石英管内壁沉积内包层、外芯层、下陷芯层和内芯层前，对掺氟石英管内表面进行化学刻蚀，化学刻蚀的方法为：将掺氟石英管加热到600-700℃，向掺氟石英管中通入含氟气体对基管内表面进行化学刻蚀。
8.根据权利要求6或7所述的超低损耗大有效面积的单模光纤的制备方法，其特征在于，熔缩温度为2300-2500℃，沉积内包层的温度为1800-2000℃，沉积芯层的温度为1600-1800℃，沉积外包层的温度为1300-1500℃。
9.根据权利要求6或7所述的超低损耗大有效面积的单模光纤的制备方法，其特征在于，所述烧结处理方法为：往烧结炉内通入惰性气体和氯气，首先使烧结炉以20-30℃/min的升温速率升到800-900℃，保温2-3h，再以15-20℃/min的升温速率升到1000-1100℃，保温3-4h；最后，关闭氯气，使烧结炉以8-12℃/min的升温速率升到1200-1300℃，保温5-6h。
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