CN111847869B - 一种超低损耗光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超低损耗光纤，其在1550nm的有效面积为110‑150μm2，截止波长小于1530nm，光纤从中心到外依次包括芯层，第一包层，第二包层，第三包层，芯层从中心向外延伸的半径是R1，R1的范围8～11μm，芯层折射率差△n0的范围是‑1x10‑4～1x10‑4，第一包层的厚度是R2，R2的范围是6～8μm，第一包层的相对折射率差△n1的范围是‑6.0x10‑3～‑6.5x10‑3；第二包层区的厚度是R3，R3的范围是7～9μm，第二包层区的相对折射率差△n2的范围是‑4.0x10‑3～‑5.5x10‑3，第三包层的厚度是R4，光纤的外径是R1+2R2+2R3+2R4它的值取决于光纤的设计，第三包层区的相对折射率差△n3的范围是‑2.5x10‑3～‑3.0x10‑3。

Description

一种超低损耗光纤
技术领域
本发明涉及光纤技术的技术领域，具体为一种超低损耗光纤制备方法，本发明还提供了该超低损耗光纤。
背景技术
随着有线和无线接入带宽的不断提升，移动互联网、云计算、大数据等技术的飞速发展，全球带宽需求呈爆炸式增长，400G将是未来下一代骨干网新建和升级的方向。在400G以及1T时代，光纤衰减和非线性效应成为制约系统传输性能提升的主要因素，接收端采用相干接收及数字信号处理技术(DSP)，能够在电域中数字补偿整个传输过程中累积的色散和偏振模色散(PMD)。然而高阶调制方式对非线性效应非常敏感，因此对光信噪比(OSNR)提出了更高的要求。当采用高功率密度系统时，大功率系统经常受到非线性光学效应的影响，包括自相位调制、四波混频、交叉相位调制和非线性散射过程，这些效应都会导致大功率系统中的信号劣化。非线性系数是用于评估非线性效应造成的系统性能优劣的参数，其定义为n2/Aeff。其中，n2是传输光纤的非线性折射率，Aeff是传输光纤的有效面积。开发新型的超低损耗、大有效面积光纤(ULA)成为业内的热点。
目前制备超低损耗光纤的常用方法为VAD(气相轴向沉积)、MCVD(改进化学气相沉积)和PCVD(等离子化学气相沉积)等。目前MCVD、PCVD具有掺杂均匀性好的特点，但难以去除制备过程中的羟基引入，导致水峰超过0.5dB，VAD可制备低水峰超低损耗光纤，但掺杂均匀性较差，易导致掺杂过程中出现析晶现象。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种超低损耗光纤制备方法，其通过优化掺杂工艺，实现了碱金属的均匀掺杂；同时包层采用掺F技术降低折射率，优化拉丝工艺，最终实现了超低损耗低水峰大有效面积光纤产品的开发。
一种超低损耗光纤制备方法，其预先制作光纤预制棒，之后将光纤预制棒拉丝形成光纤，其特征在于：所述光纤预制棒的制作步骤如下，预先通过VAD法制备芯棒，将超低损耗掺碱金属光纤制备过程中需使用碱金属中性盐作为原料，由富氧载气带入烧结炉芯管内进行碱金属掺杂，掺杂过程温度控制在1000-1800℃范围内，掺杂时间控制在2-6h，制备得到掺碱金属芯层，通过氢氟酸洗5-24h，碱金属掺杂浓度为20ppm-200ppm；之后使用分段式渗氟及分段式烧结，制备重掺氟自制包层，保证纵向及轴向的掺氟浓度均匀，根据对应的折射率差布置，相对折射率波动控制在1.2％以内，实现超低损耗光纤波导结构所对应的芯棒；之后在所述芯棒外包覆包层，形成光纤预制棒，最后将光纤预制棒拉丝形成光纤。
其进一步特征在于：
上述光纤预制棒的制备方法，由于采用VAD掺碱金属工艺，控制掺杂温度及掺杂时间，降低掺杂过程中产生的碱金属聚集析晶，保证掺杂轴向及径向均匀性，浓度差值控制在±5ppm以内；
所述芯棒通过如下步骤制备：将碱金属掺杂到松散体内，然后将所述松散体烧结成实心棒，再将所述实心棒去除外表层，形成芯棒。
所述掺杂的碱金属源选自碱金属盐，包含但不限为NaCl、KCl，KBr。
一种超低损耗光纤，其特征在于，其在1550nm的有效面积为110-150μm2，截止波长小于1530nm，光纤从中心到外依次包括芯层，第一包层，第二包层，第三包层，所述芯层从中心向外延伸的半径是R1，R1的范围8～11μm，所述芯层折射率差△n0的范围是-1x10-4～1x10-4，所述第一包层区的厚度是R2，R2的范围是6～8μm，所述第一包层区的相对折射率差△n1的范围是-6.0x10-3～-6.5x10-3；所述第二包层区的厚度是R3，R3的范围是7～9μm，所述第二包层区的相对折射率差△n2的范围是-4.0x10-3～-5.5x10-3，所述第三包层区的厚度是R4，光纤的外径是R1+2R2+2R3+2R4，第三包层区的相对折射率差△n3的范围是-2.5x10-3～-3.0x10-3。
其进一步特征在于：
所述芯层掺碱金属，常见但不限于为KCl、KBr、NaCl碱金属，碱金属掺杂浓度为20ppm-200ppm；
光纤在1550nm的衰减不大于0.160dB/km，光纤在1383nm的衰减不大于0.35dB/km。
采用本发明后，光纤传输系统的性能直接体现在对光信号的OSNR改善上，根据OSNR的计算公式：OSNRout＝Pch/(S*Pph*NF*Nspans)。其中OSNRout为光信噪比，Pch为入纤光功率，S再生段的损耗，Pph为放大器自激发(ASE)噪声，NF为放大器的噪声系数，Nspans为系统的跨度数目。从上述影响系统OSNR的光纤参数分别为Pch和S，其中Pch∝Aeff/n2 n2是传输光纤的非线性折射率，Aeff是传输光纤的有效面积；S∝α，α为该段光纤的衰减系数。通过上述公式分析，光传输系统的OSNR与光纤的有效面积Aeff成正比，与光纤的非线性系数及衰减系数α成反比。本发明所对应的超低损耗大有效面积光纤，从设计上一方面增加了光纤的有效面积，另一方面降低光纤的衰减和非线性系数，从而提升光传输系统的OSNR，改善系统的传输性能；其通过优化掺杂工艺，实现了碱金属的均匀掺杂；同时包层采用掺F技术降低折射率，优化拉丝工艺，最终实现了超低损耗低水峰大有效面积光纤产品的开发。
附图说明
图1为本发明的一实施例的光纤的横截面结构示意图；
图2为本发明的一实施例的光纤的剖面设计结构示意图；
图3为一实施例的纤芯层的纵向方向的钾浓度分布图；
图4为一实施例的光纤谱损图；
图5为一实施例的光纤的剖面折射率分布图。
具体实施方式
一种超低损耗光纤制备方法，其预先制作光纤预制棒，之后将光纤预制棒拉丝形成光纤，光纤预制棒的制作步骤如下，预先通过VAD法制备芯棒，将超低损耗掺碱金属光纤制备过程中需使用碱金属中性盐作为原料，由富氧载气带入烧结炉芯管内进行碱金属掺杂，掺杂过程温度控制在1000-1800℃范围内，掺杂时间控制在2-6h，制备得到掺碱金属芯层，通过氢氟酸洗5-24h，碱金属掺杂浓度为20ppm-200ppm；之后使用分段式渗氟及分段式烧结，制备重掺氟自制包层，保证纵向及轴向的掺氟浓度均匀，根据对应的折射率差布置，相对折射率波动控制在1.2％以内，实现超低损耗光纤波导结构所对应的芯棒；之后在芯棒外包覆包层，形成光纤预制棒，最后将光纤预制棒拉丝形成光纤。
上述光纤预制棒的制备方法，由于采用VAD掺碱金属工艺，控制掺杂温度及掺杂时间，降低掺杂过程中产生的碱金属聚集析晶，保证掺杂轴向及径向均匀性，浓度差值控制在±5ppm以内；
芯棒通过如下步骤制备：将碱金属掺杂到松散体内，然后将松散体烧结成实心棒，再将实心棒去除外表层，形成芯棒。
掺杂的碱金属源选自碱金属盐，包含但不限为NaCl、KCl，KBr。
具体实施方法，将芯层插入到内包掺氟管中形成芯棒；内芯棒为掺杂有碱金属的石英棒；芯层中的碱金属浓度分布均匀；
在芯棒外包覆包层，内包层为重掺氟石英管材，外包层为相对浅掺氟石英管材，两者存在氟浓度差，与芯层形成折射率差，实现光纤波动结构，形成光纤预制棒。
具体地，芯层通过如下步骤制备：采用VAD法，将碱金属中性盐作为原料，由富氧载气带入烧结炉芯管内进行碱金属掺杂，制备掺碱金属芯层；
在本实施例中，松散体的尺寸为φ150mm*1000mm。当然，可以理解的是，不限于此种尺寸，还可以是本领域技术人员认为合适的其他尺寸。
在本实施例中，碱金属源选自溴化钾。当然，可以理解的是，除了溴化钾，可以选取其他碱金属盐作为碱金属源。具体实施时由富氧载气带入烧结炉芯管内进行碱金属掺杂，掺杂过程温度控制在1600℃范围内，掺杂时间控制在3h，制备得到掺碱金属芯层，通过氢氟酸洗12h，碱金属掺杂浓度为80ppm。
使用分段式渗氟及分段式烧结，渗氟浓度为，渗氟时间为12h，制备重掺氟自制包层，第一包层相对折射率差达到-0.006，第二包层相对折射率差达到-0.004,第三包层相对折射率差达到-0.003，纵向及轴向的掺氟浓度均匀，根据图1所示波导结构，相对折射率波动控制在1.2％以内，实现超低损耗光纤波导结构。
利用PK2200对本发明的光纤的光学参数进行测试，并测试光纤在1550nm和1625nm波长不同弯曲半径下的附加损耗。测试结果表明，本发明光纤的光学参数如模场直径、截止波长和光纤损耗等方面可以做到完全符合ITU-T G.654.E标准的要求，1550nm的有效面积为150μm2
利用OTDR对光纤衰减进行测量，测量结果见表1。从表1中可以看出，1550nm波长处的衰减值≤0.160db/km，具有优异的衰减性能。
表1
拉丝长度(KM) 1550衰减dB/KM
24.41 0.164
48.42 0.159
72.43 0.157
96.44 0.158
120.45 0.153
144.46 0.153
168.47 0.152
192.48 0.153
216.49 0.153
240.5 0.154
264.51 0.152
288.52 0.151
312.53 0.153
336.54 0.154
360.55 0.152
384.56 0.153
408.57 0.152
432.58 0.155
456.59 0.158
480.6 0.157
504.61 0.162
一种超低损耗光纤，其在1550nm的有效面积为110-150μm2，截止波长小于1530nm，光纤从中心到外依次包括芯层，第一包层，第二包层，第三包层，芯层从中心向外延伸的半径是R1，R1的范围8～11μm，芯层折射率差差△n0的范围是-1x10-4～1x10-4，第一包层的厚度是R2，R2的范围是6～8μm，第一包层的相对折射率差△n1的范围是-6.0x10-3～-6.5x10-3；第二包层区的厚度是R3，R3的范围是7～9μm，第二包层区的相对折射率差△n2的范围是-4.0x10-3～-5.5x10-3，第三包层的厚度是R4，光纤的外径是R1+2R2+2R3+2R4它的值取决于光纤的设计，第三包层区的相对折射率差△n3的范围是-2.5x10-3～-3.0x10-3。
芯层掺碱金属，常见但不限于为KCl、KBr、NaCl碱金属，碱金属掺杂浓度为20ppm-200ppm；
光纤在1550nm的衰减不大于0.160dB/km，光纤在1383nm的衰减不大于0.35dB/km。
具体实施例中(见图1)，芯棒包括内芯层1、以及包覆在芯层1外的第一包层2、第二包层3、第三包层4；芯层1为掺杂有碱金属的石英棒；第一包层2为重掺氟石英管；第二包层3及第三包层4同样为重掺氟石英管，光纤预制棒具有第一端、以及与第一端相对的第二端；从第一端到第二端，芯层的碱金属浓度递减，包层的掺氟浓度也递减。
碱金属是指IA族金属元素。碱金属优选选自Ru、CS、K、Na中一种。在本实施例中，碱金属选自钾。这样可以更进一步提高光纤的性能。
光纤预制棒采用单层芯层结构，碱金属在芯层径向及轴向均分布均匀，不易出现结晶，进一步降低光纤的瑞利散射，降低光纤损耗。
其原理如下：光纤传输系统的性能直接体现在对光信号的OSNR改善上，根据OSNR的计算公式：OSNRout＝Pch/(S*Pph*NF*Nspans)。其中OSNRout为光信噪比，Pch为入纤光功率，S再生段的损耗，Pph为放大器自激发(ASE)噪声，NF为放大器的噪声系数，Nspans为系统的跨度数目。从上述影响系统OSNR的光纤参数分别为Pch和S，其中Pch∝Aeff/n2 n2是传输光纤的非线性折射率，Aeff是传输光纤的有效面积；S∝α，α为该段光纤的衰减系数。通过上述公式分析，光传输系统的OSNR与光纤的有效面积Aeff成正比，与光纤的非线性系数及衰减系数α成反比。本发明所对应的超低损耗大有效面积光纤，从设计上一方面增加了光纤的有效面积，另一方面降低光纤的衰减和非线性系数，从而提升光传输系统的OSNR，改善系统的传输性能；其通过优化掺杂工艺，实现了碱金属的均匀掺杂；同时包层采用掺F技术降低折射率，优化拉丝工艺，最终实现了超低损耗低水峰大有效面积光纤产品的开发。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种超低损耗光纤，其特征在于，其在1550nm的有效面积为110-150μm2，截止波长小于1530nm，光纤从中心到外依次包括芯层，第一包层，第二包层，第三包层，所述芯层从中心向外延伸的半径是R1，R1的范围8～11μm，所述芯层折射率差△n0的范围是-1x10-4～1x10-4，所述第一包层区的厚度是R2，R2的范围是6～8μm，所述第一包层区的相对折射率差△n1的范围是-6.0x10-3～-6.5x10-3；所述第二包层区的厚度是R3，R3的范围是7～9μm，所述第二包层区的相对折射率差△n2的范围是-4.00x10-3～-5.5x10-3，所述第三包层区的厚度是R4，光纤的外径是R1+2R2+2R3+2R4，第三包层区的相对折射率差△n3的范围是-2.5x10-3～-3.0x10-3；
在芯棒外包覆包层，内包层为重掺氟石英管材，外包层为相对浅掺氟石英管材，两者存在氟浓度差，与芯层形成折射率差、即为相对折射率差。
2.如权利要求1所述的一种超低损耗光纤，其特征在于：所述芯层掺碱金属具体为KCl、KBr、NaCl碱金属，碱金属掺杂浓度为20ppm-200ppm。
3.如权利要求1所述的一种超低损耗光纤，其特征在于：光纤在1550nm的衰减不大于0.160dB/km，光纤在1383nm的衰减不大于0.35dB/km。
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