CN111239891A

CN111239891A - 一种低损耗截止波长位移单模光纤

Info

Publication number: CN111239891A
Application number: CN201911359242.9A
Authority: CN
Inventors: 蒋新力; 王见青; 沈一春; 徐希凯; 钱本华; 周慧; 许维维
Original assignee: Zhongtian Technology Advanced Materials Co ltd
Current assignee: Zhongtian Technology Advanced Materials Co ltd
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: CN111239891B

Abstract

本发明提供了一种低损耗截止波长位移单模光纤，由中心至外周依次包括：芯层、渐变层、内包层、凹陷层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层与外包层。与现有技术相比，本发明在芯层与凹陷层之间设计渐变层、在靠近外包层区域增加多台阶过渡层设置，在防止光功率泄露的前提下，减少了凹陷层设计的宽度和深度，降低了凹陷层对缆截止波长的影响，同时也可实现物理性能和掺杂浓度的渐变，从而可降低芯层、包层间的界面应力差，还可有效地调整缆截止波长而不影响其他主要光纤参数。

Description

一种低损耗截止波长位移单模光纤

技术领域

本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种低损耗截止波长位移单模光纤。

背景技术

光纤通信网络不断地向超长距离、超大容量、超高速率的“三超”方向发展。近年来，400Gbs高速光纤通信技术已逐步成熟，并开始进入实用领域。400Gbs传输技术不仅可以增加网络带宽，而且通过高阶调制技术，可实现单位比特的传输成本大幅降低。100Gbs及其以上的传输系统利用高阶调制模式和相干数字检测。在该系统中，色散和PMD可在电域数字化补偿，但这些系统受光纤非线性和光纤损耗的限制。主流的400Gbs技术采用16QAM调制方式，系统OSNR比100Gbs要求增加～6dB。计算和实验表明，如果采用传统的G.652光纤，400Gbs通信系统的无中继传输距离将只有100Gbs系统的四分之一(约600～800km)。由于中继再生站设备的价格非常昂贵，继续采用G.652光纤铺设400Gbs骨干网，网络和系统建设的成本将非常高昂，现有的G.652光纤已完全不能满足400Gbs技术的要求。

为了适应和促进光纤通信系统快速发展的需求，作为光纤通信网络传输媒质的光纤的相关性能指标需进一步改进和优化。从光纤角度需要从以下两个方面改进，一方面是降低光纤衰减，从而降低整个链路的光功率损耗；另一方面是增加光纤有效面积，减小光纤非线性效应的影响并增加入纤光功率，从而提高系统光信噪比(OSNR)。2015年9月，IEC已通过了用于陆地通信的低损耗大有效面积G.654E光纤的新标准，其将成为400Gbs长途通信系统中的主要传输光纤。

通信光纤的主要成分是SiO₂。在传统的光纤预制棒制造过程中，通过掺入GeO₂来提高芯层的折射率，掺入氟元素降低包层折射率。经过40年的努力，预制棒和光纤的制造工艺已经达到了极致。除SiO₂的本征吸收外，掺杂GeO₂的吸收和散射是通信光纤衰减的最主要来源，减少芯层GeO₂含量是降低光纤衰减的主要方向。在采用低GeO₂芯层或者纯二氧化硅芯层(纯硅芯)光纤设计中，为保证芯层与包层之间的折射率差值，包层通常使用氟掺杂来降低折射率。这样在预制棒热加工和拉丝过程中，芯层与包层之间的粘度/热膨胀系数出现倒置，造成光纤结构粘度/热膨胀系数匹配失衡，导致芯层和包层界面会产生较大应力，造成光纤衰减增加。

并且，传统的纯硅芯光纤设计中(US8315495B2，WO2012/003120A1)，全部包层都采用深掺氟石英(折射率差小于-0.2％)。近期的实验和研究发现(CN104777553A)，只需要紧靠芯层的部分包层采用深掺氟石英，而外部包层可采用普通的高纯石英材料。采用高粘度的外包层材料设计不仅可以大幅度降低制造成本，还有利于降低拉丝过程中其它层(尤其是芯层))粘度，减小各个层之间的应力，提高拉丝速度(US20150370010A1)。但是如果深掺氟包层没有足够的厚度，波导损耗较大，在传输过程中，光信号将泄漏到外包层中，导致非常高的光纤衰减。多个发表的专利建议，纯硅芯G.654设计中，最小的深掺氟包层的半径是35μm。然而光信号的泄漏不仅取决于深掺氟厚度，也受到芯层折射率和截止波长等多种因素的影响。

现有低损耗截止波长位移光纤剖面设计一般采用阶跃状，但芯层和下陷层间由于掺杂浓度的迅速变化存在应力突变，容易引起附加衰减。

公开号为CN103454719A的中国专利提出一种低损耗单模光纤的设计，其芯层无GeO₂掺杂，但剖面为典型的阶跃型结构，没有采用相关过渡层或凹陷包层设计来优化芯包界面粘度/热膨胀系数及光纤的弯曲性能，导致该结构设计的光纤衰减和弯曲损耗性能相对较差。

公开号为CN104749691A的中国专利介绍了一种芯层为Ge/F共掺的低损耗单模光纤，其剖面采用多层阶梯状下陷包层结构，但该结构对光纤弯曲损耗性能的改善不是很明显。尤其是当模场直径的要求较大时(>12.0μm)，不能同时满足IEEE标准中G.654E的截止波长和弯曲损耗的指标。

另外，现有低损耗截止波长位移光纤芯层一般采用Ge/F共掺，在芯层折射率差不变的情况下，可以通过平衡掺杂量和石英粘度实现最低的衰减。近几年，为了在不改变折射率差条件下，同时减小芯层和掺氟层之间的年督查，在芯层中掺入微量碱金属(通常是K₂O)已被广泛研究，微量的K₂O虽可显著地降低石英玻璃的粘度，并在拉丝过程中通过K₂O气化扩散，消除石英玻璃中存在的结构缺陷，有利于降低瑞利散射，但是由于K₂O的易吸潮不稳定性，浓度过高将导致光纤的抗氢老损和抗辐射性能的迅速恶化。而且由于KCl极易水解，光纤材料中即使含有微量KCl结晶都将使光纤强度变差。为了防止KCl的生成，在掺K₂O过程中要求所有原料的氯元素含量都必须小于50PPm，所以K₂O掺杂过程非常复杂，且浓度控制困难，难以实现规模化重复性生产。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种低损耗截止波长位移单模光纤，该单模光纤可实现物理性能和掺杂浓度的渐变，还可有效调整缆截止波长。

本发明提供了一种低损耗截止波长位移单模光纤，由中心至外周依次包括：芯层、渐变层、内包层、凹陷层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层与外包层；

所述芯层的半径R1为4～7μm；芯层与外包层的相对折射率差△1为0～0.2％；

所述渐变层的半径为R2，其厚度R2-R1为1.0～3.0μm；第一渐变层与外包层的相对折射率差△2沿中心外延方向逐渐减小，以中位线计，△2为0～0.15％；

所述内包层的半径为R3，其厚度R3-R2为0～2μm；第一内包层与外包层的相对折射率差△3为-0.04％～0.04％；

所述凹陷层的半径为R4，其厚度R4-R3为3～7.2μm；第二内包层与外包层的相对折射率差△4为-0.3％～-0.4％；

所述第一过渡层的半径为R5，其厚度R5-R4为3～7μm；第一过渡层与外包层的相对折射率差△5为-0.3％～-0.2％，且△5＞△4；

所述第二过渡层的半径为R6，其厚度R6-R5为3～7μm；第二过渡层与外包层的相对折射率差△6为-0.21％～-0.1％，且△6＞△5；

所述第三过渡层的半径为R7，其厚度R7-R6为0～20μm；过渡层与外包层的相对折射率差△7为-0.1％～0％，且△7＞△6；

所述外包层的半径为R8，R8为60～65μm。

优选的，所述所述渐变层中距离光纤中心半径为r处与外包层的相对折射率差为△2(r)；

其中，R1＜r＜R2；0.2≤β≤3。

优选的，所述芯层为掺杂有元素F、P与GeO₂的二氧化硅玻璃层；芯层中F的摩尔掺杂浓度为0.01％～0.3％；P的摩尔掺杂浓度为0.01％～0.3％；GeO₂的摩尔掺杂浓度为0.1％～1％；

所述渐变层中F的摩尔掺杂浓度为0.1％～0.61％；P的摩尔掺杂浓度为0.01％～0.3％；GeO₂的摩尔掺杂浓度为0.1％～1.5％；

所述内包层中F的摩尔掺杂浓度为0.3％～1.5％；P的摩尔掺杂浓度为0.01％～0.3％；GeO₂的摩尔掺杂浓度为0.1％～0.5％；

所述凹陷层中F的摩尔掺杂浓度为1.0％～2.0％；GeO₂的摩尔掺杂浓度为0～0.2％；

所述第一过渡层中F的摩尔掺杂浓度为0.3％～1.5％；GeO₂的摩尔掺杂浓度为0～0.2％；

所述第二过渡层中F的摩尔掺杂浓度为0.3％～1.5％；GeO₂的摩尔掺杂浓度为0～0.2％；

所述第三过渡层中F的摩尔掺杂浓度为0.2％～1.5％；GeO₂的摩尔掺杂浓度为0～0.2％。

优选的，所述低损耗截止波长位移单模光纤的应用波长为1535～1625nm。

优选的，所述低损耗截止波长位移单模光纤在1550nm处的模场直径为12～13μm。

优选的，所述低损耗截止波长位移单模光纤在1550nm处的衰减系数等于或小于0.175dB/km。

优选的，所述低损耗截止波长位移单模光纤的光缆截止波长小于1530nm。

优选的，所述低损耗截止波长位移单模光纤在1550nm，10mm-半径1圈的宏弯损耗等于或小于0.1dB。

优选的，所述低损耗截止波长位移单模光纤在1625nm，30mm-半径100圈的宏弯损耗等于或小于0.1dB。

进一步，本发明在芯层中通过Ge/P/F共掺杂以调节芯层与凹陷层之间的物理性能，减小或消除由于芯层和凹陷层之间物理性能如粘度、热膨胀率等失衡而引起的应力。

附图说明

图1为本发明提供的低损耗截止波长位移单模光纤的折射率剖面结构分布图；

图2为本发明提供的低损耗截止波长位移单模光纤的截面示意图；

图3为本发明提供的低损耗截止波长位移单模光纤的制备流程示意图；

图4为本发明实施例1中制备的光纤的折射率分布图；

图5为本发明比较例1中制备的光纤的折射率分布图；

图6为本发明比较例2中制备的光纤的折射率分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种低损耗截止波长位移单模光纤，由中心至外周依次包括：芯层、渐变层、内包层、凹陷层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层与外包层。

参见图1，图1为本发明提供的低损耗截止波长位移单模光纤的折射率剖面结构分布图。

参见图2，图2为本发明提供的大有效面积低损耗单模光纤的截面示意图。

本发明提供的低损耗截止波长位移单模光纤的芯层的半径R1为4～7μm，优选为5～7μm，再优选为5.5～6.5μm，再优选为6.0～6.1μm；在本发明提供的一些实施例中，所述芯层的半径R1优选为6.0μm；在本发明提供的另一些实施例中，所述芯层的半径R1优选为6.1μm；芯层与外包层的相对折射率差△1为0～0.2％，优选为0.1％～0.2％，更优选为0.12％～0.15％；在本发明提供的一些实施例中，△1优选为0.15％；在本发明提供的一些实施例中，△1优选为0.13％；在本发明提供的另一些实施例中，△1优选为0.12％；所述芯层优选为掺杂有元素F、P与GeO₂的二氧化硅玻璃层；通过掺杂F、P与GeO₂来改变折射率差；所述芯层中F的摩尔掺杂浓度优选为0.01％～0.3％，更优选为0.05％～0.3％，再优选为0.1％～0.3％，再优选为0.2％～0.3％，最优选为0.25％；P的摩尔掺杂浓度为0.01％～0.3％，更优选为0.05％～0.25％，再优选为0.1％～0.2％，再优选为0.1％～0.15％，最优选为0.1％；GeO₂的摩尔掺杂浓度为0.1％～1％，更优选为0.5％～1％，再优选为0.6％～0.8％，最优选为0.64％～0.76％；在本发明提供的一些实施例中，GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0.76％；在本发明提供的一些实施例中，GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0.68％；在本发明提供的另一些实施例中，GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0.64％。

在所述芯层外包裹有渐变层；所述渐变层的半径为R2，其厚度R2-R1为1.0～3.0μm，优选为1.0～2.5μm，更优选为1.0～2.0μm，再优选为1.3～1.4μm；在本发明提供的一些实施例中，所述渐变层的厚度优选为1.5μm；在本发明提供的一些实施例中，所述渐变层的厚度优选为1.3μm；在本发明提供的另一些实施例中，所述渐变层的厚度优选为1.4μm；渐变层与外包层的相对折射率差△2沿中心外延方向逐渐减小，以中位线计，△2为0～0.15％，优选为0.05％～0.15％，更优选为0.05％～0.1％，再优选为0.05％～0.08％，最优选为0.05％～0.06％；在本发明提供的一些实施例中，以中位线计，△2优选0.06％；在本发明提供的另一些实施例中，以中位线计，△2优选0.05％；在本发明中，所述渐变层中距离光纤中心半径为r处与外包层的相对折射率差为△2(r)，

其中，R1＜r＜R2；0.2≤β≤3，优选0.2≤β≤2，再优选0.5≤β≤1.5，再优选为0.7≤β≤1，最优选β＝0.8；在r＝R1处，其与外包层的相对折射率差与△1相同；在r＝R2处，其与外包层的相对折射率差与△3相同。

所述渐变层优选为掺杂有元素F、P与GeO₂的二氧化硅玻璃层；其中，F的摩尔掺杂浓度优选为0.1％～0.61％，更优选为0.2％～0.61％，再优选为0.25％～0.61％；P的摩尔掺杂浓度优选为0.01％～0.3％，更优选为0.05％～0.25％，再优选为0.1％～0.2％，最优选为0.1％；GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0.1％～1.5％，更优选为0.2％～1.2％，再优选为0.3％～1.0％，最优选为0.4％～0.76％；在本发明提供的一些实施例中，GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0.4％～0.76％；在本发明提供的一些实施例中，GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0.4％～0.68％；在本发明提供的另一些实施例中，GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0.4％～0.64％；可通过掺杂不同浓度的F、P与GeO₂实现渐变层中折射率的变化，在r＝R1处，各种元素的掺杂浓度与芯层相同；在r＝R2处，各种元素的掺杂浓度与内包层相同；在R1与R2之间各种元素的掺杂浓度按照上述方程变化。

在渐变层外包裹有内包层；所述内包层的半径为R3，其厚度R3-R2为0～2μm，优选为0.5～2μm，更优选为1～1.5μm，再优选为1.2～1.3μm；在本发明提供的一些实施例中，所述内包层的厚度优选为1.2μm；在本发明提供的另一些实施例中，所述内包层的厚度优选为1.3μm。

内包层与外包层的相对折射率差△3为-0.04％～0.04％，优选为-0.04％～0.02％，更优选为-0.04％～0％，再优选为-0.04％～-0.02％，最优选为-0.03％。

所述内包层优选为掺杂有元素F、P与GeO₂的二氧化硅玻璃层；通过掺杂F、P与GeO₂来改变折射率差；其中，F的摩尔掺杂浓度优选为0.3％～1.5％，更优选为0.5％～1.2％，再优选为0.5％～1.0％，再优选为0.5％～0.8％，最优选为0.61％；P的摩尔掺杂浓度优选为0.01％～0.3％，更优选为0.05％～0.25％，再优选为0.1％～0.2％，最优选为0.1％；GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0.1％～0.5％，更优选为0.2％～0.5％，再优选为0.3％～0.5％，最优选为0.4％。

所述内包层外包裹有凹陷层；所述凹陷层的半径为R4，其厚度R4-R3为3～7.2μm，优选为4～7.2μm，更优选为5～7.2μm，再优选为5.5～7.2μm，最优选为5.6～7.2μm；在本发明提供的一些实施例中，所述凹陷层的厚度优选为5.9μm；在本发明提供的一些实施例中，所述凹陷层的厚度优选为5.6μm；在本发明提供的另一些实施例中，所述凹陷层的厚度优选为7.2μm；凹陷层与外包层的相对折射率差△4为-0.3％～-0.4％，优选为-0.34％～-0.38％，更优选为-0.35％～-0.36％；在本发明提供的一些实施例中，所述△4优选为-0.35％；在本发明提供的另一些实施例中，所述△4优选为-0.36％。

所述凹陷层优选为掺杂有元素F与GeO₂的二氧化硅玻璃层；通过掺杂F与GeO₂来改变折射率差；其中，F的摩尔掺杂浓度优选为1.0％～2.0％，更优选为1.2％～1.8％，再优选为1.3％～1.6％，再优选为1.4％～1.5％，最优选为1.41％～1.45％；GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0～0.2％，更优选为0～0.1％。

所述凹陷层外包裹有第一过渡层；所述第一过渡层的半径为R5，其厚度R5-R4为3～7μm，优选为4～7μm，更优选为4.5～6.5μm，再优选为4.7～6.3μm；在本发明提供的一些实施例中，所述第一过渡层的厚度优选为6.3μm；在本发明提供的一些实施例中，所述第一过渡层的厚度优选为6.2μm；在本发明提供的另一些实施例中，所述第一过渡层的厚度优选为4.7μm；第一过渡层与外包层的相对折射率差△5为-0.3％～-0.2％，优选为-0.22％～-0.28％，更优选为-0.23％～-0.26％，再优选为-0.23％～-0.25％，且△5＞△4；在本发明提供的一些实施例中，△5优选为-0.24％；在本发明提供的一些实施例中，△5优选为-0.25％；在本发明提供的另一些实施例中，△5优选为-0.23％。

所述第一过渡层优选为掺杂有元素F与GeO₂的二氧化硅玻璃层；其中，F的摩尔掺杂浓度优选为0.3％～1.5％，更优选为0.5％～1.5％，再优选为0.8％～1.2％，最优选为0.9％～1.1％；在本发明提供的一些实施例中，F的掺杂摩尔浓度优选为0.97％；在本发明提供的一些实施例中，F的掺杂摩尔浓度优选为1.007％；在本发明提供的一些实施例中，F的掺杂摩尔浓度优选为0.927％；GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0～0.2％，更优选为0～0.1％；可通过掺杂的F与GeO₂改变第一过渡层的折射率差。

所述第一过渡层外包裹有第二过渡层；所述第二过渡层的半径为R6，其厚度R6-R5为3～7μm，优选为3.5～6μm，更优选为4～5.5μm，再优选为4～5μm，最优选为4.3～4.6μm；在本发明提供的一些实施例中，所述第二过渡层的厚度优选为4.3μm；在本发明提供的另一些实施例中，所述第二过渡层的厚度优选为4.6μm；第二过渡层与外包层的相对折射率差△6为-0.21％～-0.1％，优选为-0.21％～-0.15％，更优选为-0.21％～-0.19％，且△6＞△5；在本发明提供的一些实施例中，所述△6优选为-0.19％；在本发明提供的一些实施例中，所述△6优选为-0.21％；在本发明提供的另一些实施例中，所述△6优选为-0.2％。

所述第二过渡层优选为掺杂有元素F与GeO₂的二氧化硅玻璃层；其中，F的摩尔掺杂浓度优选为0.3％～1.5％，更优选为0.5％～1.2％，再优选为0.7％～1％，最优选为0.76％～0.85％；在本发明提供的一些实施例中，F的掺杂摩尔浓度优选为0.76％；在本发明提供的一些实施例中，F的掺杂摩尔浓度优选为0.846％；在本发明提供的另一些实施例中，F的掺杂摩尔浓度优选为0.806％；GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0～0.2％，更优选为0～0.1％。

所述第二过渡层外包裹有第三过渡层；所述第三过渡层的半径为R7，其厚度R7-R6为0～20μm，优选为5～20μm，更优选为10～15μm，再优选为12.9～14.2μm；在本发明提供的一些实施例中，所述第三过渡层的厚度优选为14.2μm；在本发明提供的一些实施例中，所述第三过渡层的厚度优选为12.9μm；在本发明提供的另一些实施例中，所述第三过渡层的厚度优选为13.9μm；第三过渡层与外包层的相对折射率差△7为-0.1％～0％，优选为-0.09％～-0.02％，更优选为-0.07％～-0.05％，再优选为-0.06％，且△7＞△6。

所述第三过渡层优选为掺杂有元素F与GeO₂的二氧化硅玻璃层；其中，F的摩尔掺杂浓度优选为0.2％～1.5％，更优选0.2％～1％，再优选为0.2％～0.6％，再优选为0.2％～0.4％，再优选为0.2％～0.3％，最优选为0.24％；GeO₂的摩尔掺杂浓度优选为0～0.2％，更优选为0～0.1％。

所述第三过渡层外包裹有外包层；所述外包层的半径为R8，R8为60～65μm，优选为61～64μm，更优选为62～63μm，再优选为62.5μm；图1中nc为外包层折射率；所述外包层优选为纯二氧化硅层。

按照本发明，所述低损耗截止波长位移单模光纤的应用波长优选为1535～1625nm。

按照本发明，上述提供的低损耗截止波长位移单模光纤在1550nm处的模场直径优选为12～13μm。

按照本发明，上述提供的低损耗截止波长位移单模光纤在1550nm处的衰减系数等于或小于0.175dB/km，在优选结构的条件下，其在1550nm处的衰减系数等于或小于0.170dB/km。

按照本发明，上述提供的低损耗截止波长位移单模光纤的光缆截止波长优选小于1530nm。

按照本发明，上述提供的低损耗截止波长位移单模光纤在1550nm，10mm-半径1圈的宏弯损耗等于或小于0.1dB，在优选结构的条件下等于或小于0.05dB。

按照本发明，上述提供的低损耗截止波长位移单模光纤在1625nm，30mm-半径100圈的宏弯损耗等于或小于0.1dB，在优选结构的条件下等于或小于0.01dB。

本发明在芯层与凹陷层之间设计渐变层、在靠近外包层区域增加多台阶过渡层设置，在防止光功率泄露的前提下，减少了凹陷层设计的宽度和深度，降低了凹陷层对缆截止波长的影响，同时也可实现物理性能和掺杂浓度的渐变，从而可降低芯层、包层间的界面应力差，还可有效地调整缆截止波长而不影响其他主要光纤参数。

本发明提供的低损耗截止波长位移单模光纤可通过MCVD和/或PCVD生产工艺进行制备，在制备过程中通过调节SiO₂、GeO₂、F和P在沉积过程中的流量比实现不同元素浓度的掺杂。

参见图3，图3为本发明提供的低损耗截止波长位移单模光纤的制备流程示意图。

本发明结合MCVD、PCVD生产工艺，提出一种低损耗截止波长位移单模光纤全新的设计方法，芯层和渐变层采用GE/F/P共掺杂；P掺杂，即使微量(～0.01％摩尔浓度)，也可以显著降低石英的粘度；降低掺Ge浓度的波动量进而降低瑞利散射，同时减少芯层和下陷层之间的应力不匹配；P掺杂已广泛应用于多模光纤近30多年，大量研究发现，掺P过多(>2％摩尔浓度)可能导致光纤容易氢老损，多模光纤中的掺P浓度通常控制在1.5％摩尔浓度以下。另外P在1570nm有一个小的吸收峰，在1550nm使用的光纤掺P的浓度不能过高；GeO₂掺杂的原则为尽量降低其掺杂量，以降低GeO₂掺杂引起的瑞利散射损耗；光纤剖面设计过程中，为防止光信号泄露，同时控制弯曲损耗，光纤设计中一般引入凹陷层结构(一般是指折射率最低的包层区域)。凹陷层的深度、宽度对光纤其他性能如截止波长也有很大影响，若凹陷层宽度、深度设计值偏大，缆截止波长面临偏大超标的风险。本发明在靠近外包层区域增加多台阶过渡层设置，在防止光功率泄露的前提下，减少了凹陷层设计的宽度和深度，降低了凹陷层对缆截止波长的影响，同时多台阶过渡层的设计还可降低芯层、包层间的界面应力差。

通过一系列实验发现掺P浓度低于0.3％摩尔浓度，同时通过和F共掺可以基本消除P在1570nm吸收峰对光纤1530～1625波导衰减的影响。当掺P浓度低于0.3％摩尔浓度，掺P的单模光纤通过氘气处理后，光纤的抗氢老损性能和不掺P的普通单模光纤完全相同。

本发明采用MCVD或PCVD工艺，在芯层GE/P/F共掺杂以调节芯层和凹陷层之间物理性能，并在芯层和凹陷层之间设计渐变层，减小或消除由于芯层和凹陷层之间的物理性能(粘度、热膨胀率等)失衡而引起的应力；同时多台阶过渡层的涉及一方面可降低芯层、凹陷层、包层间的界面应力差，另一方面也可避免缆截止波长过长，提供了一种新的低损耗截止波长位移单模光纤的设计方法。再者，渐变层与多台阶过渡层的设计既可以实现物理性能和掺杂浓度的简便，还可有效调节缆截止波长而不影响其他主要光纤参数，降低了粘度匹配工艺控制难度，制造成本低，通过调整和优化芯层、内包层的折射率以及它们的折射率差，可以得到和合理的模场直径和光缆截止波长，制备得到光纤模场直径～12.5μm、有效面积～130μm，@1550nm衰减＜0.170dB/KM，弯曲损耗低。

本发明提供的低损耗截止波长位移单模光纤属于G.654E光纤，可用于陆地上长距离、大容量、高速率通信传输系统。

在本发明中如无特殊说明，半径R均为该层到光纤中心的距离。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种低损耗截止波长位移单模光纤进行详细描述。

实施例1

采用改进管内化学气相沉积法MCVD工艺制备预制芯棒，内芯棒包括：芯层、渐变层、内包层、凹陷层、过渡层1、过渡层2、过渡层3(过渡层3是掺F的石英管构成)。以掺F的石英管作为沉积基管，SiCl₄和O₂为SiO₂的原料，SiF₄、SF₆、C₂F₆或CF₄作为掺氟的原料，GECl₄作为掺GE的原料，POCl₃为掺P的原料；使用往返移动的氢氧喷灯作为热源，通过控制管内各掺杂元素浓度，依次在基管内表面沉积得到过渡层2，过渡层1、凹陷层、内包层、渐变层和芯层；然后在高温下将沉积管熔缩到合适的内径，内径收死前通入SF₆(0.050SLM)和O₂(0.40SLM)在氢氧喷灯加热下对内径表面粘附的杂质进行刻蚀去除，最终高温融缩为实心芯棒。外套管(纯石英材质)作为外包层匹配拉丝，得到光纤。所述光纤结构由内至外依次包括芯层、渐变层、内包层、凹陷层、过渡层1、过渡层2、过渡层3和外包层；芯层半径为R1，相对折射率差为Δ1；所述渐变层半径为R2，相对折射率差为Δ2；所述内包层半径为R3，相对折射率差为Δ3；所述凹陷层半径为R4，相对折射率差为Δ4；所述过渡层1半径为R5，相对折射率差为Δ5；所述过渡层2半径为R6，相对折射率差为Δ6；所述过渡层3半径为R7，相对折射率差为Δ7；所述外包层为纯二氧化硅，半径R8为62.5μm，相对折射率差为0％；各层中掺杂元素含量见表1；各层厚度见表2。

渐变层：

对实施例1中得到的光纤的性能进行测试，得到结果见表3。

利用光纤折射率剖面测试仪表(扫描激光使用标准波长632nm)对实施例1中得到的光纤的折射率分布进行测试，得到其折射率分布图如图4所示。

由2与表3可看出，所述芯层半径为R1为6.0μm，相对折射率差为Δ1为0.15％；所述渐变层厚度R2-R1为1.5μm，相对折射率差为Δ2为0.06％；所述内包层厚度R3-R2为1.3μm，相对折射率差Δ3为-0.03％；所述凹陷层厚度R4-R3为5.9μm，相对折射率差Δ4为-0.35％；所述过渡层1厚度R5-R4为6.3μm，相对折射率差为Δ5为-0.24％；所述过渡层2厚度R6-R5为4.3μm，相对折射率差Δ6为-0.19％；所述过渡层3厚度R7-R6为14.2μm，相对折射率差Δ7为-0.06％；外包层为纯二氧化硅，半径R8为62.5μm；该拉丝光纤模场直径为12.6μm，缆截止波长为1488nm，1550nm和1625nm衰减分别为0.168dB/km和0.186dB/km，R10-1@1550nm和R30-100@1625nm宏弯损耗测试值＜0.05dB。

实施例2

制备方法同实施例1采用改进管内化学气相沉积法MCVD生产工艺进行制备预制棒，拉丝，外套管匹配，得到光纤。所述光纤结构由内至外依次包括芯层、渐变层、内包层、凹陷层、过渡层1、过渡层2、过渡层3和外包层；各层中掺杂元素含量见表1；各层厚度见表2。

渐变层：

对实施例2中得到的光纤的性能进行测试，得到结果见表3。

由表2与表3可知，实施例2在实施例1的基础上，芯层折射率Δ1从0.15％降低至0.13％，其它结构参数和实施例1基本相同。该设计光纤1550nm和1625nm衰减分别为0.170dB/km和0.196dB/km，缆截止波长降低至1430nm，R10-1@1550nm和R30-100圈@1625nm弯损在0.1dB左右，说明光信号仍然有微量的泄漏，波长越长越容易泄漏。对于低Ge或者纯硅芯设计光纤，当掺氟层厚度较薄时，光功率泄漏对芯层折射率非常敏感，需增加凹陷层厚度或深度，以降低波导损耗。

实施例3

渐变层：

对实施例3中得到的光纤的性能进行测试，得到结果见表3。

由表2与表3可见，实施例3在实施例1的基础上，芯层折射率Δ1从0.15％降低至0.12％，为防止芯层光功率泄漏，凹陷层厚度R4-R3从5.9μm增加至7.2μm，其它结构参数和实施例1基本相同。该设计光纤1550nm和1625nm衰减分别降低至0.166dB/km和0.184dB/km，R10-1@1550nm和R30-100圈@1625nm弯损降低至0.02dB以内，但缆截止波长增加至1515nm偏大。

比较例1

制备方法同实施例1采用改进管内化学气相沉积法MCVD生产工艺进行制备预制棒，拉丝，外套管匹配，得到光纤。所述光纤结构由内至外依次包括芯层、渐变层、内包层、凹陷层、过渡层2、过渡层3和外包层；各层中掺杂元素含量见表1；各层厚度见表2。

渐变层：

对比较例1中得到的光纤的性能进行测试，得到结果见表3。

利用光纤折射率剖面测试仪表(扫描激光使用标准波长632nm)对比较例1中得到的光纤的折射率分布进行测试，得到其折射率分布图如图5所示。

由表2与表3可见，该设计光纤芯层到凹陷层设计和实施例1基本相同，无过渡层1设计，为防止光功率泄漏，过渡层3厚度R7-R6增加至19μm，过渡层与凹陷层之间应力差较大，1550nm和1625nm衰减分别为0.172dB/km和0.187dB/km，R10-1@1550nm和R30-100圈@1625nm弯损分别增加至0.08dB和0.091dB，缆截止波长1475nm。

比较例2

制备方法同实施例1采用改进管内化学气相沉积法MCVD生产工艺进行制备预制棒，拉丝，外套管匹配，得到光纤。所述光纤结构由内至外依次包括芯层、渐变层、内包层、凹陷层和外包层；各层中掺杂元素含量见表1；各层厚度见表2。

渐变层：

对比较例2中得到的光纤的性能进行测试，得到结果见表3。

利用光纤折射率剖面测试仪表(扫描激光使用标准波长632nm)对比较例2中得到的光纤的折射率分布进行测试，得到其折射率分布图如图6所示。

由表2与表3可见，相比实施例1，比较例2无过渡层设计，为防止芯层光功率泄漏，凹陷层厚度R4-R3从5.9μm增加至11.8μm。该设计光纤1550nm和1625nm衰减分别为0.177dB/km和0.196dB/km(外包层和下陷层之间应力应力差大)，R10-1@1550nm和R30-100圈@1625nm弯损降低至0.03dB以内，缆截止波长增加至1548nm，超过标准上限。

表1光纤各层掺杂元素的浓度

表2不同结构设计光纤参数

表3不同结构参数光纤的测试性能

表3中MFD(模场直径)检测标准：《GBT-15972.45-2008光纤试验方法规范第45部分：传输特性和光学特性的测量测试方法和试验程序模场直径》；缆截止波长检测标准：《GBT-15972.44-2008光纤试验方法规范第44部分：传输特性和光学特性的测量测试方法和试验程序截止波长》；衰减系数检测标准：《GBT-15972.40-2008光纤试验方法规范第40部分：传输特性和光学特性的测量测试方法和试验程序衰减》；宏弯损耗检测标准：《GBT-15972.47-2008光纤试验方法规范第47部分：传输特性和光学特性的测量测试方法和试验程序宏弯损耗》。

对实施例1～3及比较例1～2得到的光纤的抗氢老损性能进行测试，测试的方法见表4，测试的结果见表5。为缩短试验时间，采用替代方法，具体可以查阅标准《GBT--15972.55-2008光纤试验方法规范第55部分：环境性能的测量方法和试验程序氢老化》。

表4抗氢老损检测方法

	氢分压	温度	试样放置典型时间
				基准方法	1kPa(0.01atm)	+23℃±5℃	约(4～6)天
替代方法	1kPa(0.01atm)	+65℃±2℃	大于16h

表5抗氢老损性能测试

样品编号	氢前1240	氢后1240	氢前1383	氢后1383	Δ1240≥0.03	Δ1383≤0.01	结论
								实施例1	0.372	0.457	0.423	0.429	0.085	0.006	合格
实施例2	0.384	0.454	0.475	0.475	0.07	0	合格
								实施例3	0.395	0.473	0.468	0.464	0.078	-0.004	合格
比较例1	0.412	0.463	0.476	0.464	0.051	-0.012	合格
								比较例2	0.384	0.44	0.461	0.464	0.056	0.003	合格

Claims

1.一种低损耗截止波长位移单模光纤，其特征在于，由中心至外周依次包括：芯层、渐变层、内包层、凹陷层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层与外包层；

所述外包层的半径为R8，R8为60～65μm。

2.根据权利要求1所述的低损耗截止波长位移单模光纤，其特征在于，所述所述渐变层中距离光纤中心半径为r处与外包层的相对折射率差为△2(r)；

其中，R1＜r＜R2；0.2≤β≤3。

3.根据权利要求1所述的低损耗截止波长位移单模光纤，其特征在于，所述芯层为掺杂有元素F、P与GeO₂的二氧化硅玻璃层；芯层中F的摩尔掺杂浓度为0.01％～0.3％；P的摩尔掺杂浓度为0.01％～0.3％；GeO₂的摩尔掺杂浓度为0.1％～1％；

4.根据权利要求1所述的低损耗截止波长位移单模光纤，其特征在于，所述低损耗截止波长位移单模光纤的应用波长为1535～1625nm。

5.根据权利要求1所述的低损耗截止波长位移单模光纤，其特征在于，所述低损耗截止波长位移单模光纤在1550nm处的模场直径为12～13μm。

6.根据权利要求1所述的低损耗截止波长位移单模光纤，其特征在于，所述低损耗截止波长位移单模光纤在1550nm处的衰减系数等于或小于0.175dB/km。

7.根据权利要求1所述的低损耗截止波长位移单模光纤，其特征在于，所述低损耗截止波长位移单模光纤的光缆截止波长小于1530nm。

8.根据权利要求1所述的低损耗截止波长位移单模光纤，其特征在于，所述低损耗截止波长位移单模光纤在1550nm，10mm-半径1圈的宏弯损耗等于或小于0.1dB。

9.根据权利要求1所述的低损耗截止波长位移单模光纤，其特征在于，所述低损耗截止波长位移单模光纤在1625nm，30mm-半径100圈的宏弯损耗等于或小于0.1dB。