CN111781673A - 新型超低损耗g.654e光纤及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型超低损耗G.654E光纤及其制作方法，用VAD法制作纤芯，用OVD法在纤芯上制作掺氟内包层，用OVD法制作掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层，沉积纯SiO2外包层多孔体，烧成一体，光纤拉丝；掺氯纤芯的折射率大于掺氟的环沟型下陷内包层的折射率，掺氯纤芯和掺氟的环沟型下陷内包层界面形成的全内反射的第一导光界面，斜坡型下陷包层的内径处，折射率由内向外由大减小，形成第二导光界面，下陷包层折射率分布处的折射率呈现斜坡型，与外包层形成梯度差，界面折射率由内向外，从小到大，不形成明显的折光面。通过上述方式，本发明新型超低损耗G.654E光纤及其制作方法，能够达到纤芯和包层粘度匹配，同时不会增加纤芯因组份起伏引起的瑞利散射损耗。

Description

新型超低损耗G.654E光纤及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤制造领域，特别是涉及一种新型超低损耗G654E光纤及其制作方法。
背景技术
伴随着社会对通讯系统信息容量要求的大幅度增长，光纤发展的前期技术已经逐渐无法满足社会发展的需要。2010年实现了100G WDM PDM-QPSK调制、相干接收、 DSP系统,传输距离为2000-2500Km，开创了超100G 新纪元。由于高阶调制方式、相干接收和DSP技术的发展，在这一相干传输系统中，光纤的波长色散和PMD的线性损害均可在DSP电域中得以解决，因而长期来困扰光纤应用系统性能提升的波长色散和偏振模色散将不再成为问题。在高速大容量长距离传输系统中，光纤性能中衰减和非线性效应逐渐凸显出来。
面对传输提出的高OSNR、高频谱效率、高FOM、低非线性效应的新的要求，决定了下一阶段光纤的性能应着重于光纤衰减系数的继续降低和光纤有效面积的合理增大这两个方面上。而针对这种新型的应用要求，G.654E光纤逐渐登上历史的舞台，为此，ITU于2016年9月正式制定了G.654E 的标准规范。
由上述可见，G.654光纤己由初期主要适用于低速率、大长度的光纤通信线路, 如海底光缆，发展到如今的G.654E光纤，逐步成为高速率、大容量、大长度陆上或海底光缆干线的主要选项。
单模光纤的损耗机理：
单模光纤的损耗包括三个部分：吸收损耗、光纤波导不规则性引起的损耗以及光纤的内禀损耗。
光纤的吸收损耗主要是由作为杂质的过渡金属离子产生的吸收损耗以及由于水份和水汽的存在而产生的OH离子的吸收损耗。现代光纤中前者已不复存在。通过现代光纤制造工艺的发展， OH离子的吸收损耗也可忽略不计了。
光纤波导不规则性引起的损耗通过现代光纤工艺的不断完善, 此项损耗已可不予考虑了。
光纤的内禀损耗包括三个部分：瑞利散射、紫外吸收及红外吸收。
瑞利散射包括分子密度起伏产生的散射损耗以及分子组份起伏产生的散射损耗。在常规的G.652D光纤中，纤芯掺杂二氧化锗, 故瑞利散射包括密度起伏和组份起伏两部分产生的散射损耗；而在G.654E纯硅芯光纤中, 瑞利散射只是由二氧化硅分子密度起伏产生的散射损耗, 因而G652D光纤在1550nm波长损耗为0.18-0.20dB/Km；而G.654E纯硅芯光纤在1550nm波长损耗为0.16-0.17dB/Km。
因为瑞利散射与波长的四次方成反比，上述三个因素累加的结果,为0.154dB/km，M.Ohashi等人在1992年的实测结果证明了此结论。
为了得到在1550nm波长上光纤的最低损耗，在传统的G.654E光纤中均采用纯二氧化硅纤芯以及掺氟包层以得到波导结构，从而避免因纤芯掺锗引起的分子组份起伏产生的瑞利散射损耗。但是，实际市场上G.654E商品光纤没有达到理论上的低衰减水平，其原因是因为纯硅芯与掺氟包层界面之间高温粘度失配引起纤芯包层界面应力导致界面不规则性进而导致衰减的增大。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种新型超低损耗G.654E光纤及其制作方法，能够达到纤芯和包层粘度匹配，同时不会增加纤芯因组份起伏引起的瑞利散射损耗。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种新型超低损耗G.654E光纤，其特征在于，包括从内到外依次设置的掺氯纤芯、掺氟的环沟型下陷内包层、掺氟的斜坡型下陷包层和纯二氧化硅外包层，所述掺氯纤芯的折射率大于掺氟的环沟型下陷内包层的折射率，掺氯纤芯和掺氟的环沟型下陷内包层界面形成的全内反射的第一导光界面，所述斜坡型下陷包层的内径处，折射率由内向外由大减小，形成第二导光界面，下陷包层折射率分布处的折射率呈现斜坡型，与外包层形成梯度差，其界面折射率由内向外，从小到大，不形成明显的折光面。
在本发明一个较佳实施例中，所述纤芯与二氧化硅的相对折射率差
Figure DEST_PATH_IMAGE001
=0.181%，掺氟的环沟型下陷内包层与二氧化硅的相对折射率差
Figure 424999DEST_PATH_IMAGE002
= - 0.079%，掺氟的斜坡型下陷包层内径处与二氧化硅的相对折射率差为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
=-0.2%，芯/包折射率差为Δ=Δ1-Δ2=0.26%，n1为掺氯纤芯折射率，n2为纯二氧化硅折射率，n3为浅掺氟内包层折射率，n4为斜坡型凹陷内包层内径处折射率。
在本发明一个较佳实施例中，所述掺氯纤芯半径r1=6µm，所述斜坡型下陷包层内径r2=9µm，所述纯二氧化硅外包层内径r3=15µm，半径r4=62.5µm。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种新型超低损耗G.654E光纤的制作方法，包括以下步骤：a．用VAD法制作纤芯：在反应容器内通入净化空气，同时反应容器上的排放泵排气工作确保内部压力稳定，使用纯SiO2喷灯头用于沉积纯SiO2纤芯，将制成的SiO2纤芯的多孔质母材经烧结脱水，在烧结炉中对芯棒疏松体用SiCl4进行氯掺杂，变成完全烧结成型的玻璃体，在烧结炉中通以氦气和氯气组成的干燥气体，通过氦气渗透到多孔的玻璃质点内部排除在水解反应过程中残留在预制棒中的气体，氯气则用以脱水，除去预制棒中残留的水分，经脱水处理后，可使石英玻璃中OH的含量降到lppb左右；b．用OVD法在纤芯上制作掺氟内包层：在制成的掺氯纤芯上用OVD法沉积纯SiO2内包层，制成环沟型下陷内包层SiO2多孔体，在烧结炉中在环沟型下陷内包层SiO2多孔体转化成封闭孔状态之前和/或到这时才对芯棒疏松体进行氟掺杂，掺杂含氟气体为SiF4、CF4或C2F6，获得芯棒；c．用OVD法制作掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层:用OVD法制作斜坡型折射率环沟形下陷包层SiO2多孔管，在大直径靶棒上用火炬喷灯进行材料供给沉积斜坡型折射率环沟形下陷包层SiO2多孔管，然后将制成的斜坡型折射率环沟形下陷包层SiO2的多孔管放入烧结炉内，在斜坡型折射率环沟形下陷包层SiO2多孔管内腔通含氟气体，同时在斜坡型折射率环沟形下陷包层多孔体外通氦气和氯气，最后烧结成掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管，并经拉伸/切断后进入下道工序；d．在掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管外沉积纯SiO2外包层多孔体：将上述掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为靶棒，在该靶棒外用火炬喷灯进行材料供给沉积纯SiO2外包层，形成纯SiO2外包层多孔体；e．纯SiO2外包层多孔体内插入预先制作好的芯棒，烧成一体：将上述带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体移到烧结炉内，将预先制作好的掺有氯的纤芯及掺氟内包层玻璃体芯棒插入带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体内，在加热炉内掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体向内辐向压在掺有氯的纤芯及掺氟内包层透明体的芯棒上，即熔接成整体预制棒；
f．光纤拉丝：将上述预制棒在光纤拉丝塔上拉制成光纤。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤a中整个制造过程用夹具夹持尾管在一洁净空间的反应容器内通入净化空气达到百级洁净空间效果，使用氧化水解生成氧化物方法用纯SiO2纤芯上喷灯和纯SiO2纤芯下喷灯沉积纯SiO2纤芯的多孔质母材，通过PID控制来控纯SiO2纤芯多孔质母材的旋转以及提升速度，使底部沉积面始终保持在纯SiO2纤芯上喷灯和纯SiO2纤芯下喷灯之间的位置；由压力传感器控制整个反应容器内部的压力传输到控制系统再通过PID控制来调节气动阀门及排气泵使得排出制造过程产生的废气，同时保证反应容器内部压力气流的稳定，同样有摄像机和高温计采集到信息传输到监视器和沉积体剖面，再通过PID控制控制控制系统，其喷出质量为38g/min，火焰温度为1780℃，排放泵排出废气，反应容器内部压力为5pa，沉积后的纯SiO2的纤芯的多孔质母材表面温度为1080℃，旋转速度保持为20r/min，且位置偏差应为50μm，将制成的纯SiO2纤芯的多孔质母材经烧结脱水，在烧结炉掺氯烧结炉中对纯SiO2纤芯的多孔质母材用SiCl4进行氯掺杂，纯SiO2纤芯的多孔质母材转化成封闭孔状态之前和/或到这时才对纯SiO2纤芯的多孔质母材进行氯掺杂，并且在高于1300℃的温度下，在SiCl4存在的情况下,变成完全烧结成型为掺氯纤芯玻璃体。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤b中在制成的掺氯纤芯玻璃体上用OVD法沉积纯SiO2内包层, 制成环沟型下陷内包层SiO2多孔体，再在掺氟烧结炉中对环沟型下陷内包层SiO2多孔体进行氟掺杂, 掺杂含氟气体包括SiF4和CF4或C2F6，在环沟型下陷内包层SiO2多孔体转化成封闭孔状态之前和/或到这时才对芯棒疏松体进行氟掺杂。并且在高于1300oC的温度下，变成芯棒。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤c中首先用OVD法制作斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管，在大直径靶棒上用OVD沉积原理用火炬喷灯进行沉积斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管，这个过程大直径靶棒20以16r/min的速度匀速旋转，制造成斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管后，再进入烧结炉中在1850℃高温中在斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管内部通含氟气体，使含氟气体从管的中心向多孔管辐向渗透，同时在多孔体外通氦气和适量的氯气用作干燥脱水气体，最后烧结成掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤d中将掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管，用OVD法在其外用火炬喷灯沉积纯SiO2外包层，从而制成带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体，此过程掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管保持在25r/min匀速旋转，使纯SiO2外包层多孔体均匀沉积。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤e中将上述带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体移到烧结炉内，将预先制作好的掺有氯的纤芯及掺氟内包层玻璃体芯棒插入带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体内，在加热炉内掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体向内辐向压在掺有氯的纤芯及掺氟内包层透明体的芯棒上，即熔接成整体预制棒。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤f中用拉制张力小于约90g的拉制工艺来制造光纤，光纤拉丝工艺中需进行光纤涂复，涂复直径为242±5µm，涂层分为内、外两层，内涂直径为180-190µm，内涂层需釆用低杨氏模量的涂料以提高光纤的抗微弯性能，内涂层的扬氏模量为0.5-2MPa, 外涂层采用较高杨氏模量的涂料以增加光纤的机械和环境保护性能。外层涂料的杨氏模量应大于600MPa。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤a中的氯的掺杂浓度为1.81wt%，所述步骤b和c中氟的掺杂浓度为0.237wt%。
本发明的有益效果是：本发明新型超低损耗G654E光纤及其制作方法，能够达到纤芯和包层粘度匹配，同时不会增加纤芯因组份起伏引起的瑞利散射损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明的超低损耗G654E光纤折射率剖面分布图；
图2为本发明中VAD工艺示意图；
图3为本发明中纤芯掺氯烧结示意图
图4为本发明中用OVD法制造环沟形下陷包层纯SiO2多孔体示意图；
图5为本发明中内包层掺氟烧结制作芯棒示意图；
图6为本发明中用OVD法制造斜坡型折射率环沟形下陷包层纯SiO2多孔体示意图；
图7为本发明中SiO2管掺氟烧结示意图；
图8为本发明中用OVD法在掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管外沉积纯SiO2外包层多孔体示意图；
图9为本发明中烧结成型的示意图；
附图中各部件的标记如下： 01-掺有氯的纤芯，02-掺氟的环沟型下陷内包层，03-掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层，04-纯SiO2外包层，1-夹具，2-净化空气，3-压力传感器，4-气动阀门，5-排放泵，6-摄像机，7-高温计，8-纯SiO2纤芯的多孔质母材，9-反应容器，10-纯SiO2纤芯上喷灯头，11-纯SiO2纤芯下喷灯头，12-底部沉积面，13-控制系统，14-沉积体剖面显示器，15-监视器，16-PID控制，17-掺氯烧结炉，08-掺氯纤芯玻璃体，18-环沟形下陷内包层SiO2多孔体，19-火焰喷灯，018-芯棒，017-掺氟烧结炉，20-大直径靶棒，21-斜坡型折射率环沟型下陷包层多孔管，021-掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管，0017-烧结炉，00017-成型烧结炉，22-纯SiO2外包层多孔体。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
瑞利散射损耗为密度起伏产生的散射损耗以及组分起伏产生的瑞散射损耗之和：
Figure 404457DEST_PATH_IMAGE004
密度起伏的瑞利散射损耗如下式所示，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
式中，
Figure 980932DEST_PATH_IMAGE006
为入射光波长，p为光弹性系数，n为折射率，kB为波兹曼常数，βT为等温压缩率，Tf为假想温度，光纤的假想温度的定义是SiO2液态结构凝固而转变为玻璃态时的温度。因瑞利散射主要是由密度波动冻结所形成的，故其正比于假想温度。因而减小假想温度可减小瑞利散射系数，当二氧化硅玻璃掺杂时通常可降低其假想温度，因为大多数掺杂剂可以降低玻璃的粘度，从而降低其熔化温度。当掺杂剂为氯时，它打断石英玻璃的≡Si-O-Si≡键，替换为≡Si-Cl键，因氯离子的半径远大于氧离子的半径，所占用体积较大，致使被氯打断结构的石英玻璃的最终结构更加开放，结构的紧密度显著降低，因之降低了玻璃的粘度从而降低了其熔化温度。氯致使石英玻璃的结构开放，离子极化率增加，从而也导致石英玻璃的折射率的增加。虽然掺杂剂浓度增加会引起因组分起伏形成的瑞利散射损耗的增加。
然而研究指出（D.A.Pinnow,T.C.Rich,F.W.Ostermayer,Jr.,andM.DiDomenico.,Jr.,Appl.Phys.Lett., 22,527 (1973)）：纤芯因组份起伏引起的瑞利散射损耗与掺杂剂的原子质量以及掺杂量成正比。锗原子质量为72.64，而氯原子质量为35.45；相对于SiO2折射率提高0.1%，需掺锗1.8wt%, 而掺氯祇需1wt%, 所以纤芯掺氯因组份起伏引起的瑞利散射损耗较小。
再者，相比于其他掺杂剂选项(包括氧化锗)，掺氯光纤有较低的成本。
G.654E光纤的大有效面积，由于纤芯直径的增加会增加宏弯损耗和微弯损耗，研究表明，在包层中设置凹陷型折射率层或下降型沟槽分布可以在保证光缆截止波长小于1530nm的同时减小光纤的宏弯损耗。凹陷型包层可以使光场的集中度提高，从而在光纤弯曲时光纤尾场不溢出光纤。微弯损耗是由于光纤在成缆工艺不当或敷设过程中产生的一系列非常小的弯曲半径引起纤芯的高频纵向扰动，从而使纤芯中的导模功率耦合成为包层中的高阶模式，然后为涂层所吸收。为了减小微弯损耗除了采用凹陷型包层外还需采用低模量的光纤内涂层。
Olshansky提出一个唯象学模型, 按此模型, 光纤的微弯损耗可由下式表示:（R.Olshansky, Distorsion Losses in Cabled Optical Fibers, Appl. Opt.,14 (1)1975, 20）
Figure DEST_PATH_IMAGE007
式中, N为单位长度平均高度h的碰撞数,
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为纤芯半径, b为包层半径, Δ为纤芯/包层相对折射率，Ef为光纤杨氏模量，E为光纤内涂层杨氏模量。由此可见，减小微弯损耗除了必须采用凹陷型包层以提高Δ值外，还必须采用低模量的光纤内涂层。光纤内涂层的低模量对于减小大有效面积光纤的微弯损耗是一个非常重要的因素。因为柔软的内涂层可以缓冲外力对光纤的扰动，从而有效改善光纤的抗微弯性能。
本发明中的术语说明：
“折射率分布”是折射率或相对折射率与光纤半径之间的关系。
“相对折射率百分比”由如下式所定义：
Figure 49568DEST_PATH_IMAGE010
在弱导条件下此式可简化为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 934347DEST_PATH_IMAGE012
是未掺杂的二氧化硅的折射率，以及
Figure DEST_PATH_IMAGE013
是在光纤的特定区域中的点d处的平均折射率。
本文所用的相对折射率用Δ表示，其数值以“％”为单位。在区域的折射率小于未掺杂的二氧化硅的折射率的情况下，相对折射率百分比是负的，并被称作具有凹陷区域或者凹陷折射率。在折射率大于未掺杂的二氧化硅的折射率的情况下，相对折射率百分比是正的。在本文中，“正掺杂剂”视为相对于纯的未掺杂二氧化硅倾向于提高折射率的掺杂剂，“负掺杂剂”视为相对于纯的未掺杂二氧化硅倾向于降低折射率的掺杂剂。正掺杂剂的例子包括：GeO2、Cl。负掺杂剂的例子包括F。
“有效面积”如下等式所定义：
Figure 263697DEST_PATH_IMAGE014
其中，积分限为0至∞，f是与光纤中所传播的光相关的电场的横向分量，r是光纤的半径。如本文所用“有效面积”或“Aeff”指的是波长为1550nm(基模HE11)处的光学有效面积。
[04] 采用本公开内容所处领域所理解的彼得曼Ⅱ方法，根据如下式来测量模场直径(MFD)：MFD＝2w；以及
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，w是模场半径，以及积分限是0至∞。除非另有说明，否则对于根据本公开的G654光纤构造，1550nm处的MFD约为12-14μm。
对于给定模式，“光纤截止波长”是指高于该波长时，该模式无法发生传播的波长。光纤截止波长也可描述为模式传播常数变得等于外包层中的平面波传播常数的波长。
单模光纤中，光纤截止波长可通过LP11模的归一化频率的截止值计算出来，而光缆截止波长取决于光纤在光缆中的状态及光缆敷设条件，并无理论公式可计算。但依据藤仓公司的下列经验公式，可从光纤截止波长
Figure 386899DEST_PATH_IMAGE016
估算光缆截止波长
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（单位为nm）:
Figure 118094DEST_PATH_IMAGE018
光纤截止波长采用标准2m光纤截止测试
采用(FOTP-80(EIA-TIA-455-80))标准测量。
本文所用“光缆截止波长测量”是采用EIA-455-170Cable Cutoff Wavelength ofSingle-mode Fiber by Transmitted Power (EIA-455-170传输功率的单模光纤的光缆截止波长)或者“FOTP-170”所述的标准22m测试进行。
粘度匹配光纤的设计：
针对粘度匹配问题，假设光纤的纤芯与二氧化硅的相对折射率差为Δ1，纤芯粘度为η1，匹配包层与二氧化硅的相对折射率差为Δ2，匹配包层粘度为η2，则可根据下式进行粘度匹配的计算：
设定：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 908196DEST_PATH_IMAGE020
，
则粘度匹配时，必需满足下列条件，
K1Δ1=K2Δ2，
最终可得到以下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 724842DEST_PATH_IMAGE022
当进行氯、氟等材料掺杂时，在1650℃时，根据不同的掺杂浓度（wt%）, 石英玻璃的粘度可参见以下公式：
Figure 930695DEST_PATH_IMAGE023
式中，η0（泊）为纯二氧化硅粘度，
Figure 47556DEST_PATH_IMAGE024
式中，T为凯尔文度。
根据截止波长进行理论计算，以纤芯半径为6µm计算，则芯包的折射率差应当等于0.26%。
当进行氯、氟掺杂时，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
Figure 274138DEST_PATH_IMAGE026
则：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
Figure 578080DEST_PATH_IMAGE028
以此可知氯、氟的掺杂浓度分别为1.81wt%、0.237wt%
一种新型超低损耗的G654E光纤，如图1所示。内包层浅掺氟，达到纤芯和包层粘度匹配，且不会增加纤芯因掺杂引起的组分起伏的瑞利散射损耗。纤芯和内包层界面形成了光纤的导光界面结构（截止波长和HE11模场的形成），其中纤芯与二氧化硅的相对折射率差Δ1=0.181%，掺氟内包层与二氧化硅的相对折射率差Δ2=-0.079%，芯/包折射率差为Δ=Δ1-Δ2=0.26%。内包层外设有深度掺氟的斜坡型折射率凹陷包层，以及纯二氧化硅外包层。斜坡型凹陷包层内径处与二氧化硅的相对折射率差为Δ3=-0.2%，斜坡型凹陷包层的内径处，折射率由内向外减小，故构成光纤的第二个导光面，能使光场集中度更高，在光纤弯曲时，可使尾场约束于此，减小光纤的弯曲损耗。这是本发明大有效面积光纤抗弯曲性能的基本结构保障。斜坡型凹陷包层区的折射率由内向外，从小到大，但没有一个明显的折光面，从而避免了光强的尾场逸出折光面造成的弯曲损耗。斜坡型下陷包层内径处与纯二氧化硅的折射率差为-0.2%,为深掺氟下陷包层。在本发明结构中，n1为掺氯纤芯折射率，n2为纯二氧化硅折射率，n3为浅掺氟内包层折射率，n4为斜坡型凹陷内包层内径处折射率。故有下列关系式：
Figure 449609DEST_PATH_IMAGE029
Figure 296342DEST_PATH_IMAGE030
Figure DEST_PATH_IMAGE031
光纤结构设计计算：单模阶跃光纤中，LP11模的归一化频率的截止值为V=2.4045, 当光缆截止波长定为1530nm时，光纤截止波长可取为1675nm, 当纤芯/包层的折射率差为0.26%时，可计算得到纤芯半径为6µm。
本设计的光纤中，掺氯纤芯半径r1=6µm，内包层半径，亦即斜坡型下陷包层内径r2=9µm，斜坡型下陷包层外径，亦即纯二氧化硅外包层内径r3=15µm，纯二氧化硅外包层半径r4=62.5µm。本发明的低损耗G654E光纤的性能参数为：光缆截止波长为1530nm，在1550nm波长时模场直径为12.8到13.2µm，有效面积为125到130µm2。1550nm波长处损耗为0.16-0.17dB/km。光纤的宏弯损耗：弯曲半径为30mm, 圏数为100圈时，1550nm及1625nm波长处，损耗小于0.1dB。
一种新型超低损耗G.654E光纤单模光纤即环沟形下陷包层折射率分布光纤，从其折射率剖面可见（图1），这里有一个导光界面：即是掺有氯的纤芯和掺有氟的内包层的界面，掺有氯的纤芯折射率n1大于掺有氟的内包层折射率n2，构成可实现全内反射的导光界面，由于单模光纤中的基模光强呈高斯型分布，故而此界面为光纤的主要导光界碍尾场逸出光纤面，将单模光纤中HE11基模的光场的绝大部分光功率限制在纤芯内；在包层中设有环沟形下陷包层，当光纤弯曲时，形成了一个阻碍尾场逸出光纤的壁垒，它能有效地阻从而大大地减小弯曲损耗。另外，本发明要点在于下陷包层折射率分布处的折射率呈现斜坡型与外包层形成一定的梯度差，其界面折射率由内向外，从小到大，没有一个明显的折光面,从而避免了光强尾场逸出折光面造成的光损耗。由于这一特殊的折射率剖面结构，比传统的同类光纤具有更好的抗弯曲性能。
一种新型超低损耗G.654E光纤的制作方法，包括以下步骤：(1)用VAD法制作纤芯（如图2和图3）
（1）用VAD法制作纯SiO2纤芯的多孔质母材：
其整个制造过程用夹具1夹持尾管在一洁净空间的反应容器9内通入净化空气2达到百级洁净空间效果，使用氧化水解生成氧化物方法用纯SiO2纤芯上喷灯10和纯SiO2纤芯下喷灯11，沉积纯SiO2纤芯的多孔质母材8，通过PID控制16来控纯SiO2纤芯多孔质母材8的旋转以及提升速度，使底部沉积面12始终保持在纯SiO2纤芯上喷灯10和纯SiO2纤芯下喷灯11之间的位置；由压力传感器3控制整个反应容器9内部的压力传输到控制系统13再通过PID控制16来调节气动阀门4及排气泵5使得排出制造过程产生的废气，同时保证反应容器9内部压力气流的稳定，同样有摄像机6和高温计7采集到信息传输到监视器15和沉积体剖面显示器14，再通过PID控制16控制控制系统13，其喷出质量为38g/min，火焰温度为1780℃，排放泵5排出废气，反应容器9内部压力为5pa，沉积后的纯SiO2的纤芯的多孔质母材8表面温度为1080℃，旋转速度保持为20r/min，且位置偏差应为50μm。将制成的纯SiO2纤芯的多孔质母材8经烧结脱水，在烧结炉掺氯烧结炉17中对纯SiO2纤芯的多孔质母材8用SiCl4进行氯掺杂，也就是说，在纯SiO2纤芯的多孔质母材8转化成封闭孔状态之前和/或到这时才对纯SiO2纤芯的多孔质母材8进行氯掺杂。并且在高于1300℃的温度下,在SiCl4存在的情况下,变成完全烧结成型为掺氯纤芯玻璃体08。
（2）用OVD法在纤芯上制作掺氟内包层: （如图4和图5）
在制成的掺氯纤芯玻璃体08上用OVD法沉积纯SiO2内包层, 制成环沟型下陷内包层SiO2多孔体18，再在掺氟烧结炉017中对环沟型下陷内包层SiO2多孔体18进行氟掺杂, 掺杂含氟气体为SiF4、CF4或C2F6。也就是说，在环沟型下陷内包层SiO2多孔体18转化成封闭孔状态之前和/或到这时才对芯棒疏松体进行氟掺杂。并且在高于1300oC的温度下,在SiF4存在的情况下,变成芯棒018。
（3）用OVD法制造掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管：（如图6和图7所示）
首先用OVD法制作斜坡型折射率环沟型下陷包层SiO2多孔管21，在大直径靶棒20上用OVD沉积原理用火炬喷灯19进行沉积斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管21，这个过程大直径靶棒20以16r/min的速度匀速旋转。制造成斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管21后，再进入加热炉0017中在1850℃高温中在斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管21内部通含氟气体，如SiF4、CF4或C2F6等。使含氟气体从管的中心向多孔管辐向渗透，同时在多孔体外通氦气和适量的氯气用作干燥脱水气体。最后烧结成掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管021。
（4）掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管外沉积纯SiO2外包层：（如图8）
将上述掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管021作为基管，用OVD法在其外用火炬喷灯19沉积纯SiO2外包层，从而制成带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管021作为基管的纯SiO2外包层多孔体22。此过程掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管021保持在25r/min匀速旋转。使纯SiO2外包层多孔体22均匀沉积；
(5)纯SiO2外包层多孔体22内插入预先制作好的芯棒018，烧成一体：（如图9）
将上述带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管021作为基管的纯SiO2外包层多孔体22移到成型烧结炉00017内，将预先制作好的掺有氯的纤芯及掺氟内包层玻璃体芯棒018插入带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管021作为基管的纯SiO2外包层多孔体22内，在加热炉内掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管021作为基管的纯SiO2外包层多孔体22向内辐向压在掺有氯的纤芯及掺氟内包层透明体的芯棒上，即熔接成整体预制棒；
（6）光纤拉丝：将上述预制棒在光纤拉丝塔上拉制成光纤。可以用拉制张力小于约90g的拉制工艺来制造光纤，优选地，拉制张力设定为30-45g。以这些加工参数形成的光纤较不容易受到拉制诱发的应力影响，该应力对于光纤的光学传输性质(包括波导传播性能)是不利的。光纤拉丝工艺中需进行光纤涂复，涂复直径为242±5µm，涂层分为内、外两层。内涂直径为180-190µm，内涂层需釆用低杨氏模量的涂料以提高光纤的抗微弯性能，内涂层的扬氏模量为0.5-2MPa, 外涂层采用较高杨氏模量的涂料以增加光纤的机械和环境保护性能。外层涂料的杨氏模量应大于600MPa。
区别于现有技术，本发明新型超低损耗G654E光纤及其制作方法，能够达到纤芯和包层粘度匹配，同时不会增加纤芯因组份起伏引起的瑞利散射损耗。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种新型超低损耗G.654E光纤，其特征在于，包括从内到外依次设置的掺氯纤芯、掺氟的环沟型下陷内包层、掺氟的斜坡型下陷包层和纯二氧化硅外包层，所述掺氯纤芯的折射率大于掺氟的环沟型下陷内包层的折射率，掺氯纤芯和掺氟的环沟型下陷内包层界面形成的全内反射的第一导光界面，所述斜坡型下陷包层的内径处，折射率由内向外由大减小，形成第二导光界面，下陷包层折射率分布处的折射率呈现斜坡型，与外包层形成梯度差，其界面折射率由内向外，从小到大，不形成明显的折光面。
2.根据权利要求1所述的新型超低损耗G.654E光纤，其特征在于，所述纤芯与二氧化硅的相对折射率差
Figure 715038DEST_PATH_IMAGE001
=0.181%，掺氟的环沟型下陷内包层与二氧化硅的相对折射率差
Figure DEST_PATH_IMAGE002
= - 0.079%，掺氟的斜坡型下陷包层内径处与二氧化硅的相对折射率差为
Figure 304283DEST_PATH_IMAGE003
=-0.2%，芯/包折射率差为Δ=Δ1-Δ2=0.26%，n1为掺氯纤芯折射率，n2为纯二氧化硅折射率，n3为浅掺氟内包层折射率，n4为斜坡型凹陷内包层内径处折射率。
3.根据权利要求1所述的新型超低损耗G654E光纤，其特征在于，所述掺氯纤芯半径r1=6µm，所述斜坡型下陷包层内径r2=9µm，所述纯二氧化硅外包层内径r3=15µm，半径r4=62.5µm。
4.一种如权利要求1所述的新型超低损耗G.654E光纤的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
a．用VAD法制作纤芯：在反应容器内通入净化空气，同时反应容器上的排放泵排气工作确保内部压力稳定，使用纯SiO2喷灯头用于沉积纯SiO2纤芯，将制成的SiO2纤芯的多孔质母材经烧结脱水，在烧结炉中对芯棒疏松体用SiCl4进行氯掺杂，变成完全烧结成型的玻璃体，在烧结炉中通以氦气和氯气组成的干燥气体，通过氦气渗透到多孔的玻璃质点内部排除在水解反应过程中残留在预制棒中的气体，氯气则用以脱水，除去预制棒中残留的水分，经脱水处理后，可使石英玻璃中OH的含量降到lppb左右；
b．用OVD法在纤芯上制作掺氟内包层：在制成的掺氯纤芯上用OVD法沉积纯SiO2内包层，制成环沟型下陷内包层SiO2多孔体，在烧结炉中在环沟型下陷内包层SiO2多孔体转化成封闭孔状态之前和/或到这时才对芯棒疏松体进行氟掺杂，掺杂含氟气体为SiF4、CF4或C2F6，获得芯棒；
c．用OVD法制作掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层:用OVD法制作斜坡型折射率环沟形下陷包层SiO2多孔管，在大直径靶棒上用火炬喷灯进行材料供给沉积斜坡型折射率环沟形下陷包层SiO2多孔管，然后将制成的斜坡型折射率环沟形下陷包层SiO2的多孔管放入烧结炉内，在斜坡型折射率环沟形下陷包层SiO2多孔管内腔通含氟气体，同时在斜坡型折射率环沟形下陷包层多孔体外通氦气和氯气，最后烧结成掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管，并经拉伸/切断后进入下道工序；
d．在掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管外沉积纯SiO2外包层多孔体：将上述掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为靶棒，在该靶棒外用火炬喷灯进行材料供给沉积纯SiO2外包层，形成纯SiO2外包层多孔体；
e．纯SiO2外包层多孔体内插入预先制作好的芯棒，烧成一体：
将上述带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体移到烧结炉内，将预先制作好的掺有氯的纤芯及掺氟内包层玻璃体芯棒插入带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体内，在加热炉内掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体向内辐向压在掺有氯的纤芯及掺氟内包层透明体的芯棒上，即熔接成整体预制棒；
f．光纤拉丝：将上述预制棒在光纤拉丝塔上拉制成光纤。
5.根据权利要求4所述的新型超低损耗G654E光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤a中整个制造过程用夹具夹持尾管在一洁净空间的反应容器内通入净化空气达到百级洁净空间效果，使用氧化水解生成氧化物方法用纯SiO2纤芯上喷灯和纯SiO2纤芯下喷灯沉积纯SiO2纤芯的多孔质母材，通过PID控制来控纯SiO2纤芯多孔质母材的旋转以及提升速度，使底部沉积面始终保持在纯SiO2纤芯上喷灯和纯SiO2纤芯下喷灯之间的位置；由压力传感器控制整个反应容器内部的压力传输到控制系统再通过PID控制来调节气动阀门及排气泵使得排出制造过程产生的废气，同时保证反应容器内部压力气流的稳定，同样有摄像机和高温计采集到信息传输到监视器和沉积体剖面，再通过PID控制控制系统，其喷出质量为38g/min，火焰温度为1780℃，排放泵排出废气，反应容器内部压力为5pa，沉积后的纯SiO2的纤芯的多孔质母材表面温度为1080℃，旋转速度保持为20r/min，且位置偏差应为50μm，将制成的纯SiO2纤芯的多孔质母材经烧结脱水，在烧结炉掺氯烧结炉中对纯SiO2纤芯的多孔质母材用SiCl4进行氯掺杂，纯SiO2纤芯的多孔质母材转化成封闭孔状态之前和/或到这时才对纯SiO2纤芯的多孔质母材进行氯掺杂，并且在高于1300℃的温度下，在SiCl4存在的情况下，变成完全烧结成型为掺氯纤芯玻璃体。
6.根据权利要求4所述的新型超低损耗G654E光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤b中在制成的掺氯纤芯玻璃体上用OVD法沉积纯SiO2内包层, 制成环沟型下陷内包层SiO2多孔体，再在掺氟烧结炉中对环沟型下陷内包层SiO2多孔体进行氟掺杂, 掺杂含氟气体包括SiF4和CF4或C2F6，在环沟型下陷内包层SiO2多孔体转化成封闭孔状态之前和/或到这时才对芯棒疏松体进行氟掺杂，并且在高于1300℃的温度下，变成芯棒。
7.根据权利要求4所述的新型超低损耗G654E光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤c中首先用OVD法制作斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管，在大直径靶棒上用OVD沉积原理用火炬喷灯进行沉积斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管，这个过程大直径靶棒以16r/min的速度匀速旋转，制造成斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管后，再进入烧结炉中在1850℃高温中在斜坡型折射率环沟型下陷包层纯SiO2多孔管内部通含氟气体，使含氟气体从管的中心向多孔管辐向渗透，同时在多孔体外通氦气和适量的氯气用作干燥脱水气体，最后烧结成掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管。
8.根据权利要求4所述的新型超低损耗G654E光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤d中将掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管，用OVD法在其外用火炬喷灯沉积纯SiO2外包层，从而制成带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体，此过程掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管保持在25r/min匀速旋转，使纯SiO2外包层多孔体均匀沉积。
9.根据权利要求4所述的新型超低损耗G654E光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤e中将上述带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体移到烧结炉内，将预先制作好的掺有氯的纤芯及掺氟内包层玻璃体芯棒插入带有掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体内，在加热炉内掺氟斜坡型折射率环沟型下陷包层玻璃管作为基管的纯SiO2外包层多孔体向内辐向压在掺有氯的纤芯及掺氟内包层透明体的芯棒上，即熔接成整体预制棒。
10.据权利要求4所述的新型超低损耗G654E光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤f中用拉制张力小于约90g的拉制工艺来制造光纤，光纤拉丝工艺中需进行光纤涂复，涂复直径为242±5µm，涂层分为内、外两层，内涂直径为180-190µm，内涂层需釆用低杨氏模量的涂料以提高光纤的抗微弯性能，内涂层的扬氏模量为0.5-2MPa, 外涂层采用较高杨氏模量的涂料以增加光纤的机械和环境保护性能，外层涂料的杨氏模量应大于600MPa。
11.据权利要求4所述的新型超低损耗G654E光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤a中的氯的掺杂浓度为1.81wt%，所述步骤b和c中氟的掺杂浓度为0.237wt%。
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