CN110221382B - 一种超低衰减大有效面积的单模光纤 - Google Patents

一种超低衰减大有效面积的单模光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了超低衰减大有效面积的单模光纤，包括由内而外依次布置的芯层、第一包层、第二包层、第三包层和第四包层；第一包层采用掺氟石英；第二包层、第三包层和第四包层采用石英；第三包层上设有由内而外依次布置的至少一层环形微孔层，环形微孔层包括均匀分布的多个微孔，每一环形微孔层中的各微孔的圆心共圆且该圆与芯层同心；芯层采用掺杂有碱金属的石英，芯层包括由内而外依次布置的内芯层和过渡芯层；过渡芯层与第四包层的相对折射率差△n11满足
Figure DDA0002092468800000011
其中，a为过渡芯层的过度系数，x为过渡芯层内任一点到内芯层边缘的距离。本发明不仅具有超低衰减大有效面积的特性，还可以实现大模场光纤传输，降低大容量传输时的非线性效应。

Description

一种超低衰减大有效面积的单模光纤
技术领域
本发明涉及单模光纤技术领域，具体涉及一种超低衰减大有效面积的单模光纤。
背景技术
随着4G向5G时代的发展，互联网将向万物互联发展，由人与人互联向人与物、物与物互联发展，由此产生的数据量将是一个质的飞跃。光纤通信技术是最具代表性的信息技术，光纤作为光通信的核心基础材料，是光通信系统不可或缺组成部分，其技术水平关乎光通信系统传输容量的发展。随着社会信息化的发展，传统的光纤技术已难以满足信息容量的飞速发展需求。
当光纤通信网络向超长距离、超大容量、超高速率方向发展时，新的400G乃至超400G技术要求光纤技术向自己的极限进军，让光纤的衰减更低，可保持单模传输的有效面积更大，从而能让更多的光进入光纤，并以更低的损耗通过光纤。
对于常规通信光纤而言，需要让芯层折射率高于包层折射率才能形成全反射，从而可以传输光信号。因此，通常在石英光纤的芯层掺有提高折射率的锗，而包裹芯层的包层则为纯石英。
但超低损耗光纤技术则恰恰相反，它要求石英芯层更纯，而包层则掺有可降低折射率的氟等物质。
由于纯石英芯层相比掺氟包层熔点更高，因此在熔融成型时芯包界面会产生应力，造成光纤衰减增加。
另外，超低衰减光纤采用纯石英芯层结合掺氟包层的设计难以实现大模场光纤传输，从而难以降低大容量传输时的非线性效应，这也局束了超低衰减光纤在大容量通信传输技术中的应用前景。
为适应超大容量光纤通信传输技术要求，需开发新型超低衰减的大有效面积单模光纤技术。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种单模光纤，不仅具有超低衰减大有效面积的特性，还可以实现大模场光纤传输，降低大容量传输时的非线性效应。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种超低衰减大有效面积的单模光纤，其包括由内而外依次布置的芯层、第一包层、第二包层、第三包层和第四包层；
所述第一包层采用掺氟石英；
所述第二包层、所述第三包层和所述第四包层采用石英；
所述第三包层上设有由内而外依次布置的至少一层环形微孔层，所述环形微孔层包括均匀分布的多个微孔，每一所述环形微孔层中的各微孔的圆心共圆且该圆与所述芯层同心；
所述芯层采用掺杂有碱金属的石英，所述芯层包括由内而外依次布置的内芯层和过渡芯层；
所述过渡芯层与所述第四包层的折射率分别为n11和n5，n11与n5的相对折射率差△n11满足
Figure BDA0002092468780000021
其中，a为所述过渡芯层的过度系数，x为所述过渡芯层内任一点到所述内芯层边缘的距离。
进一步地，a的取值范围为1.05≤a≤1.3。
进一步地，x的取值范围为0≤x≤d11，1.25μm≤d11≤2.50μm，其中，d11为所述过渡芯层的厚度。
进一步地，所述芯层的直径为d1；
所述第一包层的外径d2与d1的比值取值范围为5≤d2/d1≤8；
所述第二包层的厚度d3与d1的比值取值范围为0.2≤d3/d1≤0.5；
所述第三包层的厚度d4与d1的比值取值范围为1.0≤d4/d1≤3.0；同时，
当d2/d1取最大值时，d3/d1和d4/d1取最小值，当d2/d1取最小值时，d3/d1和d4/d1取最大值。
进一步地，所述芯层的直径d1的取值范围为8.5μm≤d1≤13μm。
进一步地，所述微孔的直径d40与所述第三包层的厚度d4的比值取值范围为0.25/m≤d40/d4≤0.4/m，其中，m为所述环形微孔层的总数。
进一步地，每一所述环形微孔层中，所述微孔直径为d40，相邻两个所述微孔间距为h，相邻两个所述微孔的圆心与所述芯层的圆心连线所形成的夹角为α，所述微孔与所述芯层的圆心距为L，则h满足如下公式：h＝2Lsin(α/2)-d40，且位于不同的所述环形微孔层中的相邻两个所述微孔间距h相等。
进一步地，夹角α的取值范围为15°≤α≤30°。
进一步地，所述内芯层、所述第二包层和所述第四包层折射率相同。
进一步地，所述碱金属为钾和锂中的至少一种。
进一步地，所述第四包层的直径d5＝125μm或124μm。
进一步地，所述单模光纤经涂覆后的直径为235μm～260μm。
进一步地，当工作波长为1550nm时，所述单模光纤的衰减达到0.150dB/km，模场直径达到13.5μm，附加损耗小于0.2dB时，最小弯曲半径达到10mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供的单模光纤，采用芯层掺碱金属+包层掺氟并结合环形微孔的方式，相比于纯石英+包层掺氟的方式，在解决了应力匹配的基础上，更好地将光信号约束在芯径内，从而在实现大模场的同时，减少了高阶模的散逸，保证了基模的传输效率，从而不仅满足超低衰减大有效面积的特性，能够实现超低衰减下的更大大模场光信号传输，而且具备良好的弯曲性能，不仅可降低大容量传输时的非线性，而且还可使超低衰减光纤应用于对光纤弯曲性能要求较高的接入网和光纤到户等领域，从而可有效扩展超低衰减光纤在大容量通信传输技术中的应用前景，实现一根超低衰减光纤在整个光纤通信网络的应用，以真正实现现有光纤通信网络的光纤技术升级。
在第一包层中掺氟，使芯层的折射率高于第一包层的折射率，在芯层中掺碱金属，从而降低芯层的粘度，同时也不会在通信波段带来过多的附加吸收损耗的材料，从而实现芯层和第一包层的粘度匹配，避免了在制造过程中因高低温度的热胀冷缩不匹配而导致芯层和第一包层之间存在较大的应力，从而可大大降低芯层中通过的光的损耗，满足超低损耗要求。
在第三包层上设环形微孔层，从光纤的归一化频率出发，计算优化出光纤在小弯曲条件下的微孔占空比条件，并结合共掺剂掺杂降低粘度实现芯包界面应力优化，从而得到一种小弯曲半径的超低衰减大有效面积单模光纤。由于其结合归一化频率和特殊的小弯曲半径设计，因此具备良好的抗外界应力特性。
当工作波长为1550nm时，单模光纤的衰减达到0.150dB/km，模场直径达到13.5μm，附加损耗小于0.2dB时，最小弯曲半径达到10mm。当光纤的芯径在10.0μm及以下时，光纤的截止波长小于1290nm，光纤在1310nm的衰减达到0.29dB/km。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超低衰减大有效面积的单模光纤端面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的超低衰减大有效面积的单模光纤的波导结构示意图。
图中：1、芯层；10、内芯层；11、过渡芯层；2、第一包层；3、第二包层；4、第三包层；40、微孔；5、第四包层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种超低衰减大有效面积的单模光纤，该单模光纤包括由内而外依次布置的芯层1、第一包层2、第二包层3、第三包层4和第四包层5；第一包层2采用掺氟石英，第二包层3、第三包层4和第四包层5采用石英；
参见图1所示，第三包层4上设有由内而外依次布置的至少一层环形微孔层，环形微孔层包括均匀分布的多个圆形的微孔40，每一环形微孔层中的各微孔40等间距分布，且各微孔40的圆心共圆且该圆与芯层1同心；
芯层1采用掺杂有碱金属的石英，碱金属为钾和锂中的至少一种，在石英中以氧化物形态存在，芯层1包括由内而外依次布置的内芯层10和过渡芯层11；
参见图2所示，过渡芯层11与第四包层5的折射率分别为n11和n5，n11与n5的相对折射率差△n11满足
Figure BDA0002092468780000061
其中，a为过渡芯层11的过度系数，a的取值范围为1.05≤a≤1.3，x为过渡芯层11内任一点到内芯层10边缘的距离。过渡芯层11的相对折射率差△n11采用对数结合抛物线的设计理念，使得波导变化更为平滑，具有较好的粘度匹配效果。
本实施例中，相对折射率差Δ的计算方法采用公式：
Δ＝(n折-n5)/n折*100％
其中：n5为第四包层5的折射率。对本发明而言，当计算过渡芯层11的折射率n11与第四包层5的折射率n5的相对折射率差△n11时，公式中n折为过渡芯层11的折射率n11；当计算第一包层2的折射率n2与第四包层5的折射率n5的相对折射率差△n2时，式中n折变为第一包层2的折射率n2，内芯层10的折射率n10、第二包层3的折射率n3与第四包层5的折射率n5相同。
本实施例中，为了满足全反射，使芯层1的折射率高于第一包层2的折射率，在第一包层2中掺氟，由于掺氟后，第一包层2的粘度会降低，使得芯包粘度相差较大，由于粘度的不匹配，造成在制造过程中高低温度的热胀冷缩不匹配，从而导致芯层1和第一包层2之间会因此存在较大的应力，这些应力作用于芯层1，将造成芯层1中通过的光的损耗大大增加，因此，为了满足超低损耗，在芯层1中掺碱金属，从而降低芯层1的粘度，同时也不会在通信波段带来过多的附加吸收损耗的材料，从而实现芯层1和第一包层2的粘度匹配。
本实施例在第三包层4上还设有环形微孔层，从光纤的归一化频率出发，计算优化出光纤在小弯曲条件下的微孔占空比条件，并结合共掺剂掺杂降低粘度实现芯包界面应力优化，从而得到一种小弯曲半径的超低衰减大有效面积单模光纤。由于其结合归一化频率和特殊的小弯曲半径设计，因此具备良好的抗外界应力特性。
本发明提供的单模光纤，采用芯层掺碱金属+包层掺氟并结合环形微孔的方式，相比于纯石英+包层掺氟的方式，在解决了应力匹配的基础上，更好地将光信号约束在芯径内，从而在实现大模场的同时，减少了高阶模的散逸，保证了基模的传输效率，从而不仅满足超低衰减大有效面积的特性，能够实现超低衰减下的更大模场光信号传输，而且具备良好的弯曲性能，不仅可降低大容量传输时的非线性，而且还可使超低衰减光纤应用于对光纤弯曲性能要求较高的接入网和光纤到户等领域，从而可有效扩展超低衰减光纤在大容量通信传输技术中的应用前景，实现一根超低衰减光纤在整个光纤通信网络的应用，以真正实现现有光纤通信网络的光纤技术升级。
当工作波长为1550nm时，单模光纤的衰减达到0.150dB/km，模场直径达到13.5μm，附加损耗小于0.2dB时，最小弯曲半径达到10mm。
本实施例还实现了低截止波长的全波段超低衰减光纤研制，使光纤的截止波长小于1290nm，光纤在1310nm的衰减达到0.29dB/km，从而可更好满足超大容量光纤通信传输的发展需求。
上述公式中，x的取值与过渡芯层11的厚度有关，具体地，x的取值范围为0≤x≤d11，1.25μm≤d11≤2.50μm，其中，d11为过渡芯层11的厚度，参见图1所示。
参见图2所示，芯层1的直径为d1，取值范围为8.5μm≤d1≤13μm；
第一包层2的外径d2与d1的比值取值范围为5≤d2/d1≤8；
第二包层3的厚度d3与d1的比值取值范围为0.2≤d3/d1≤0.5；
第三包层4的厚度d4与d1的比值取值范围为1.0≤d4/d1≤3.0；同时，当d2/d1取最大值时，d3/d1和d4/d1取最小值，当d2/d1取最小值时，d3/d1和d4/d1取最大值。
参见图1所示，微孔40的直径d40与第三包层4的厚度d4的比值取值范围为0.25/m≤d40/d4≤0.4/m，其中，m为环形微孔层的总数。
例如，当m＝1，即只有一层环形微孔层时，微孔40的直径d40与d4的比值取值范围为0.25≤d40/d4≤0.4；
当m＝2，即存在两层环形微孔层时，各层环形微孔层中的微孔40大小相同，且微孔40的直径d40与d4的比值取值范围为0.125≤d40/d4≤0.2；m为其他数时，以此类推。
在第三包层4中，涉及到一层或多层环形微孔层，对于第一层环形微孔层中的两个相邻微孔40的间距，该间距是根据这两个微孔40的圆心与芯层1的圆心的夹角以及微孔40与芯层1圆心的圆心距决定。
具体地，参见图1所示：每一环形微孔层中，微孔40直径为d40，相邻两个微孔40间距为h，相邻两个微孔40的圆心与芯层1的圆心连线所形成的夹角为α，微孔40与芯层1的圆心距为L，则h满足如下公式：h＝2Lsin(α/2)-d40，且位于不同的环形微孔层中的相邻两个微孔40间距h相等，也即第一层环形微孔层中相邻的两个微孔40间距h确定后，第二层、第三层等等各个环形微孔层中相邻的两个微孔40间距h都与第一层环形微孔层中相邻的两个微孔40间距h相等。
上述夹角α的取值范围为15°≤α≤30°。
此外，当环形微孔层的总数m≥2时，相邻两个环形微孔层之间的间距与相邻两个微孔40间距h相等。
由于本发明提供的单模光纤具备良好的抗外界应力特性，第四包层5的直径通常为125μm，而在需要进行频繁对接的场合下应用时，可将第四包层5的直径控制在124μm，然后涂覆一道与石英粘接非常紧密的涂覆材料(紧涂覆)，将光纤直径涂覆到125μm，然后再进行聚丙烯酸树脂的两道涂覆，形成涂层，仍能保持良好衰减特性，单模光纤经涂覆后的直径为235μm～260μm；在后续使用时，只需要剥离聚丙烯酸树脂涂层，这样由于石英光纤仍有一道涂覆材料保护以避免外界空气、水汽和微尘的损坏，可不用通过热熔接连接两段光纤，而只需要通过连接头的冷连接，固定好连接头，即可保障光纤的良好使用。
下面结合具体的实施例和附图对本发明做出进一步详细的说明。
第四包层5的直径为125μm时，进行了8种光纤的实施，具体参数见下表1所示：
表1第四包层直径为125μm时的实施例
Figure BDA0002092468780000091
由此获得的光纤，在1550nm衰减可达到0.150dB/km，模场直径可达到13.5μm，在1550nm附加损耗小于0.2dB的情况下，其最小弯曲半径可达10mm；其中，当光纤的芯径在10.0μm及以下时，光纤的截止波长小于1290nm，光纤在1310nm的衰减达到0.29dB/km。
结合归一化频率和特殊的小弯曲半径设计，可使光纤具备良好的抗外界应力特性，在需要进行频繁对接的场合，可将光纤石英包层直径控制在124微米，然后涂覆一道与石英粘接非常紧密的涂覆材料，将光纤直径涂覆到125微米，然后再进行聚丙烯酸树脂的两道涂覆，仍能保持良好衰减特性；在后续使用时，只需要剥离聚丙烯酸树脂涂层，这样由于石英光纤仍有一道涂覆材料保护以避免外界空气、水汽和微尘的损坏，可不用通过热熔接连接两段光纤，而只需要通过连接头的冷连接，固定好连接头，即可保障光纤的良好使用。
第四包层5的直径为124μm时，进行了3种光纤的实施，具体参数见下表2所示：
表2第四包层直径为124um时的实施例
光纤9 光纤10 光纤11
芯层1的直径d<sub>1</sub>(μm) 8.5 9 10
过渡芯层11的厚度d<sub>11</sub>(μm) 1.25 1.7 2.5
过渡系数a 1.3 1.15 1.05
d<sub>2</sub>/d<sub>1</sub> 8 7 5
d<sub>3</sub>/d<sub>1</sub> 0.2 0.3 0.5
d<sub>4</sub>/d<sub>1</sub> 1 2 3
α 15° 20° 30°
环形微孔层数m 4 3 3
微孔40直径d<sub>40</sub>/d<sub>4</sub> 25％ 30％ 40％
紧涂覆后直径(μm) 125.1 125.2 124.9
涂层直径(μm) 245.2 240.3 246.5
由此获得的光纤，光纤的截止波长小于1290nm，光纤在1310nm的衰减达到0.29dB/km，在1550nm衰减可达到0.150dB/km，在1550nm附加损耗小于0.2dB的情况下，其最小弯曲半径可达10mm；本发明在保证光纤衰减的情况下，可实现一种可适应快速冷接的光纤对接，从而可适应特殊场合的快速安装使用。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (13)

1.一种超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：其包括由内而外依次布置的芯层(1)、第一包层(2)、第二包层(3)、第三包层(4)和第四包层(5)；
所述第一包层(2)采用掺氟石英；
所述第二包层(3)、所述第三包层(4)和所述第四包层(5)采用石英；
所述第三包层(4)上设有由内而外依次布置的至少一层环形微孔层，所述环形微孔层包括均匀分布的多个微孔(40)，每一所述环形微孔层中的各微孔(40)的圆心共圆且该圆与所述芯层(1)同心；
所述芯层(1)采用掺杂有碱金属的石英，所述芯层(1)包括由内而外依次布置的内芯层(10)和过渡芯层(11)；
所述过渡芯层(11)与所述第四包层(5)的折射率分别为n11和n5，n11与n5的相对折射率差△n11满足
Figure FDA0002092468770000011
其中，a为所述过渡芯层(11)的过度系数，x为所述过渡芯层(11)内任一点到所述内芯层(10)边缘的距离。
2.如权利要求1所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：a的取值范围为1.05≤a≤1.3。
3.如权利要求1所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：x的取值范围为0≤x≤d11，1.25μm≤d11≤2.50μm，其中，d11为所述过渡芯层(11)的厚度。
4.如权利要求1所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：
所述芯层(1)的直径为d1；
所述第一包层(2)的外径d2与d1的比值取值范围为5≤d2/d1≤8；
所述第二包层(3)的厚度d3与d1的比值取值范围为0.2≤d3/d1≤0.5；
所述第三包层(4)的厚度d4与d1的比值取值范围为1.0≤d4/d1≤3.0；同时，
当d2/d1取最大值时，d3/d1和d4/d1取最小值，当d2/d1取最小值时，d3/d1和d4/d1取最大值。
5.如权利要求4所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：所述芯层(1)的直径d1的取值范围为8.5μm≤d1≤13μm。
6.如权利要求1所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：所述微孔(40)的直径d40与所述第三包层(4)的厚度d4的比值取值范围为0.25/m≤d40/d4≤0.4/m，其中，m为所述环形微孔层的总数。
7.如权利要求1所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：每一所述环形微孔层中，所述微孔(40)直径为d40，相邻两个所述微孔(40)间距为h，相邻两个所述微孔(40)的圆心与所述芯层(1)的圆心连线所形成的夹角为α，所述微孔(40)与所述芯层(1)的圆心距为L，则h满足如下公式：h＝2Lsin(α/2)-d40，且位于不同的所述环形微孔层中的相邻两个所述微孔(40)间距h相等。
8.如权利要求7所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：夹角α的取值范围为15°≤α≤30°。
9.如权利要求1所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：所述内芯层(10)、所述第二包层(3)和所述第四包层(5)折射率相同。
10.如权利要求1所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：所述碱金属为钾和锂中的至少一种。
11.如权利要求1所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：所述第四包层(5)的直径d5＝125μm或124μm。
12.如权利要求1所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：所述单模光纤经涂覆后的直径为235μm～260μm。
13.如权利要求1所述的超低衰减大有效面积的单模光纤，其特征在于：当工作波长为1550nm时，所述单模光纤的衰减达到0.150dB/km，模场直径达到13.5μm，附加损耗小于0.2dB时，最小弯曲半径达到10mm。
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