CN113848608A - 单模光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种单模光纤及其制备方法。该单模光纤包括裸光纤和包覆在裸光纤外的涂覆层，裸光纤包括同轴设置的氟和碱金属共掺二氧化硅的芯层、氟掺二氧化硅的下陷内包层、氟掺二氧化硅的辅助内包层和低氯二氧化硅的外包层，下陷内包层的外表层区域形成高羟基含量层，裸光纤的折射率分布呈阶跃型。通过合理设计剖面折射率分布，增大了光纤有效面积；采用在纯二氧化硅的芯层掺碱金属和掺氟，在下陷内包层外形成高羟基层，低氯纯二氧化硅的外包层等设计，改善光纤内外部的粘度匹配，减少光纤制备过程中缺陷，降低了光纤的衰减参数；在芯层外直接设置下陷内包层，确保了光纤具有良好的弯曲性能。

Description

单模光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，特别是指一种单模光纤及其制备方法。
背景技术
随着移动互联网、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是未来下一代骨干网升级和新建的方向，高速大容量成为必然需求。传输容量和距离的增长需要更高的入纤功率和更低的光纤损耗来满足可分辨的信噪比需求。但随着光纤功率的增加，光纤芯层会产生非线性效应，使得系统产生信号串扰和信噪比降低，从而无法继续提高传输容量。比如海底传输系统和陆地长距离传输(比如电力光缆)对传输容量和距离有较高的要求，因此开发设计一种具有超低损耗和大有效面积的光纤成为光纤制造领域的一个重要课题。增大光纤的有效面积，就是为系统提高光信噪比和降低非线性效应的效果，需要通过改变光纤纤芯、包层的折射率分布、纤芯的尺寸和包层的占比来增大有效面积。常见的陆地传输普通单模光纤的有效面积仅约80μm2左右。而陆地长距离传输系统的有效面积需要在120μm2以上，海底传输系统的有效面积最好在140μm2以上，甚至更高。另一方面，光通信系统的传输距离与光纤衰减成反比，光纤衰减的高低直接影响传输距离或中继站数量，为了减少造价高昂、维护困难的中继站(或设施)，实现更大的系统跨度，需要降低光纤的衰减系数，达成超低损耗。
对于石英光纤，在600nm～1600nm波段的衰减主要来自于瑞利散射，瑞利散射一方面由浓度波动引起，另一方面由密度波动引起。浓度波动主要受光纤内掺杂元素的浓度波动影响，理论上采用越少的掺杂量，浓度波动就越小。在常规光纤的剖面设计及制造方法中，芯层使用较大量的锗和氟掺杂，为了获得最优的宏弯性能，芯层的相对折射率一般都大于0.35％，即芯层锗掺杂较多，因此会带来较大的瑞利散射从而增加光纤的衰减，因此采用纯硅芯设计是实现超低损耗性能的有效方法。而密度波动与玻璃的假想温度TF相关，且伴随玻璃的组分变化和温度变化而变化。玻璃的假想温度TF是表征玻璃结构一个物理参数，定义为从某温度T’将玻璃迅速冷却到室温，玻璃的结构不再调整而达到平衡状态对应的温度，实践表明T’的高低对TF有着较大的影响。假想温度除了与光纤制备过程的热历史有关系外，与光纤玻璃的材料组分也有着明显的影响。具体而言，材料组分对光纤玻璃材料的粘度、热膨胀系数和冷却过程的弛豫时间的影响，直接决定着光纤的假想温度。超低损耗光纤的结构一般分为几个部分，如典型的芯层、内包层和外包层，或更复杂的结构。所以需要对多个部分之间材料的组分差异进行合理的匹配，在保证光纤波导结构的前提下尽量使玻璃在拉丝应力作用下光纤各层之间没有明显的缺陷，造成光纤衰减异常。
由上可知，从光纤制备工艺方面降低光纤衰减系数有三种方法：第一种是尽量减少芯层部分的掺杂，降低光纤瑞利散射的浓度因子。第二种是降低拉丝速度，增加光纤退火过程，保证光纤预制棒在拉丝成光纤的过程中缓慢降低温度，从而降低光纤的假想温度，降低衰减。但是这种方法对光纤衰减的降低很大程度上受到光纤玻璃材料组分和预制棒制备热历史制约，所以降低衰减的效果有限。第三种是合理设计光纤内部的材料组分匹配，即在减少掺杂的基础上，需对光纤芯层、内包层以及其他位置的玻璃材料进行合理的调节，保证在拉丝过程中有合理的波导结构匹配，还要有合理的粘度、热膨胀和应力匹配。目前业内制造超低损耗光纤时，一般着力于以上第一种和第三种方法，主要采用纯硅芯设计，即芯层中没有锗或氟的掺杂，有效的降低光纤瑞利散射的浓度因子。但是采用纯硅芯设计增加了光纤的波导结构和材料组分设计的难度。纯硅芯设计中为了保证光纤的全反射，必须在内包层使用相对较低折射率的氟元素进行掺杂，以保证芯层和内包层之间足够的折射率差。但这样纯硅芯的芯层粘度将比有大量氟掺杂的内包层的粘度要高出很多，使得光纤粘度匹配失衡，造成拉丝时光纤芯层相对掺氟包层为张应力，其假想温度迅速增加，这样不仅抵消掉降低带来的好处，更可能造成光纤衰减反向异常。因此，为了保证纯硅芯光纤的芯层粘度与外包层粘度匹配，通常会在光纤中进行一些元素的掺杂来对粘度进行优化。业内制备具有超低损耗和大有效面积的光纤时，一般采用管内法(PCVD/MCVD)沉积工艺进行碱金属掺杂，但是该工艺较为复杂，投入成本大。并且在增大光纤的有效面积和降低光纤衰减时还伴随着弯曲损耗和光缆截止波长的增大，而超长距离光纤通信必须是单模传输，这常常造成光纤的有效面积不够大或弯曲性能不够优秀。因此，一种稳定、便捷的掺杂制造工艺和一个合理的剖面设计是制造具有超低损耗和大有效面积光纤的关键技术。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种改进的单模光纤及其制备方法，成型的单模光纤具有超低损耗(≤0.155dB/km)和大有效面积 (≥140μm2)。
本发明提供的技术方案为：一种单模光纤，包括裸光纤和包覆在所述裸光纤外的涂覆层，所述裸光纤包括由内到外同轴设置的氟和碱金属共掺二氧化硅的芯层、氟掺二氧化硅的下陷内包层、氟掺二氧化硅的辅助内包层和低氯二氧化硅的外包层，所述下陷内包层的外表层区域形成高羟基含量层，所述裸光纤的折射率分布呈阶跃型，其中所述下陷内包层相较于二氧化硅的相对折射率差最小，其次是所述辅助内包层，然后是所述芯层。
进一步的，所述芯层的相对折射率差△n1＝-0.005％～-0.05％；所述下陷内包层的相对折射率差△n2＝-0.35％～-0.80％；所述辅助内包层的相对折射率差△n3＝-0.25％～-0.60％；外包层相对折射率差△ n4＝0.0％。
进一步的，所述芯层不含锗，控制其的氯浓度小于300ppm，碱金属浓度为50～1000ppm；所述高羟基含量层的羟基含量为 10～200ppm；所述外包层中氯浓度小于50ppm。
进一步的，所述芯层不含锗，控制其的氯浓度小于80ppm，碱金属浓度为200～400ppm；所述高羟基含量层的羟基含量为20～50ppm；所述外包层中氯浓度小于等于20ppm。
进一步的，所述芯层的半径R1＝5～7.5μm，所述下陷内包层的外半径R2＝15～20μm，所述高羟基含量层的厚度为0.2～2μm，所述辅助内包层的外半径R3＝35～52μm，所述外包层的外半径R4＝62.5μm。
进一步的，所述涂覆层包括内涂层和外涂层，所述内涂层的外直径为185～200μm，所述内涂层的外直径为242～252μm。
进一步的，所述单模光纤在1550nm波长的有效面积大于等于 140μm2且在波长1550nm处的衰减小于等于0.155dB/km。
进一步的，所述单模光纤在1550nm波长的有效面积为 140～165μm2且在波长1550nm处的衰减为0.145～0.155dB/km。
本发明还提供所述的单模光纤的制备方法，通过对成型的预制棒进行拉丝得到裸光纤，然后在裸光纤外涂覆并固化成型涂覆层而得到，所述预制棒的成型包括以下步骤：
芯层的预制，通入四氯化硅、氟化物、氢气、氧气和氩气，采用管外法沉积制备含氟的二氧化硅粉末棒，然后烧结发生玻璃化反应，烧结时伴随通入氯气以脱羟处理，再通入氦气以去除残余氯气；通过加热使其延伸至预设外径，沿轴向进行掏孔后经过腐蚀、酸洗，制成芯层基管；通入氦气作为载气以输送碱金属蒸气至芯层基管内部，通过热扩散从芯层基管内表面将碱金属掺杂进入内部，掺杂完成后塌缩制成实心的芯层玻璃棒；
下陷内包层的预制，通入四氯化硅、氟化物、氧气和氯气，利用等离子体火焰在芯层玻璃棒的表层沉积含氟的二氧化硅粉末，发生玻璃化反应，形成第一玻璃棒；
高羟基含量层的预制，将第一玻璃棒加热后延伸至预设外径，通入氢气和氧气灼烧第一玻璃棒，水分渗入其表层形成第二玻璃棒，其具有的高羟基含量外表层区域能够抑制拉丝时碱金属的扩散；
辅助内包层的预制，通入四氯化硅、氢气、氧气、氩气，利用管外法在第二玻璃棒的表层沉积二氧化硅粉末，进而烧结并伴随通入氯气脱羟、通入氟化物掺杂调节相对折射率差，烧结完成玻璃化后得到第三玻璃棒；
外包层的预制，将第三玻璃棒加热后延伸至预设外径，利用管外法在第三玻璃棒的表层沉积二氧化硅粉末，然后烧结并伴随通入氯气进行脱羟，再通入氦气去除残余氯气，得到预制棒；由预制棒拉丝成型的裸光纤的折射率分布呈阶跃型，其中下陷内包层相较于二氧化硅的相对折射率差最小，其次是辅助内包层，然后是芯层。
进一步的，所述碱金属为锂、钠、钾、铷、铯、钫中的一种或多种。
进一步的，所述氟化物为CF4、C2F6、C3F8、SF6、SiF4、C2F2Cl2、 SOF2中一种或多种。
进一步的，所述芯层的相对折射率差△n1＝-0.005％～-0.05％；所述下陷内包层的相对折射率差△n2＝-0.35％～-0.80％；所述辅助内包层的相对折射率差△n3＝-0.25％～-0.60％；外包层相对折射率差△ n4＝0.0％。
进一步的，所述芯层需控制氯浓度小于300ppm，以防止后续掺杂碱金属时生成碱金属盐析出；所述芯层的碱金属浓度控制在 50～1000ppm，以降低芯层粘度；所述外包层的氯浓度小于50ppm，以使其粘度远低于内部各层来改善光纤衰减。
与现有技术相比，本发明提供的单模光纤具有超低损耗、大有效面积等特性，通过合理设计剖面折射率分布，采用在纯二氧化硅的芯层掺碱金属，在下陷内包层外形成高羟基层，低氯纯二氧化硅的外包层等设计，改善了各结构层的粘度匹配，增大了光纤有效面积；且芯层中掺氟减少光纤制备过程中的缺陷，降低光纤的衰减参数，芯层外直接设置下陷内包层，确保了光纤具有良好的弯曲性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一实施方式中单模光纤的横截面示意图。
图2为图1示出的单模光纤的折射率分布图。
图3为图1和图2示出的单模光纤的制备流程图。
图4为本发明一实施方式中碱金属掺杂原理示意图。
图5为本发明单模光纤及不含高羟基层的光纤内碱金属浓度分布的对照示意图。
主要元件符号说明:
芯层 1
下陷内包层 2
辅助内包层 3
外包层 4
内涂层 5
外涂层 6
卡盘 7
热源 8
碱金属 9
进气口 10
芯层基管 11
外部热源 12
出气口 13
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明实施例。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明实施例，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。
本发明中涉及的一些术语的定义和说明如下。
光信噪比的定义是在光有效带宽为0.1nm内光信号功率和噪声功率的比值。光信号的功率一般取峰值，而噪声的功率一般取两相临通路的中间点的功率电平。
非线性效应是指强光作用下由于介质的非线性极化而产生的效应，包括光学谐波，倍频，受激拉曼散射，双光子吸收，饱和吸收，自聚焦，自散焦等。
阶跃型光纤(SIF)就是光纤的折射率的分布方式，纤芯和包层的折射率都是均匀分布，而它们之间有一个折射率差，纤芯折射率大于包层折射率，在纤芯和包层边界有一个台阶，所以称之为阶跃型光纤 (SIF)。
光纤各层相对折射率差表示为：
Figure RE-GDA0002722950390000091
其中，ni是掺杂玻璃的折射率、
Figure RE-GDA0002722950390000092
是纯二氧化硅玻璃的折射率。纯二氧化硅组成层的相对折射率差默认是0.0％。
光纤的有效面积Aeff表示为：
Figure RE-GDA0002722950390000093
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：根据IEC的标准60793-1-44中定义为光信号在光纤中传播了22米之后不再作为单模信号进行传播的波长。在测试时需通过对光纤绕一个半径14cm的圈，两个半径4cm的圈来测试获得。
Att@1550nm(attenuation at 1550nm)是指光纤在1550nm波长的激光下衰减值的大小，文中称“衰减”。
PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)是指等离子体化学汽相沉积工艺。MCVD是指改进化学汽相沉积法。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明实施例。
请参阅图1，本发明的单模光纤由裸光纤和包覆在裸光纤外层的涂覆层组成。如图1所示，裸光纤由芯层1、下陷内包层2、辅助内包层3、外包层4组成，所述下陷内包层的外表层区域形成高羟基含量层(图未示出)。光纤的涂覆层由内涂层5和外涂层6组成。其中，芯层1为氟和碱金属共掺二氧化硅玻璃，下陷内包层2和辅助内包层为掺氟的二氧化硅玻璃，外包层为低氯二氧化硅玻璃，所述裸光纤的折射率分布呈阶跃型，其中所述下陷内包层相较于二氧化硅的相对折射率差最小，其次是所述辅助内包层，然后是所述芯层。
请一并参阅图2，芯层1相对折射率差△n1＝-0.005％～-0.05％，芯层的半径R1＝5～7.5μm；下陷内包层2的相对折射率差△n2＝-0.35％～ -0.80％，下陷内包层的外半径R2＝15～20μm，本发明经过试验和模拟计算，确定了下陷内包层的参数△n2和R2，使得光纤具有优秀的弯曲性能，其中芯层中还掺有少量的氟来减少碱金属掺杂导致的Si-O-Si 玻璃晶格的破坏，确保结构的完整性，其用量体现在相对折射率差呈下掺的程度，需要说明的是，过量的氟掺杂会使芯层折射率过低，不利于与包层(泛指芯层之外的各结构层)形成足够的折射率差，可能无法将光约束在纤芯内传送；且过量的氟掺杂容易出现浓度波动，增加瑞利散射损耗；辅助内包层的相对折射率差△n3＝-0.25％～-0.60％，辅助内包层的外半径R3＝35～52μm，本发明经过试验和模拟计算，确定了辅助内包层的参数△n3和R3，用以调节光纤的成缆截止波长；外包层相对折射率差△n4＝0.0％，外包层半径R4＝62.5μm。内涂层直径为185～200μm，外涂层直径为242～252μm。
所述的芯层为掺杂氟及碱金属的二氧化硅玻璃层，其中氯浓度小于300ppm，优选小于或等于80ppm，碱金属浓度为50～1000ppm，优选200～400ppm；所述下陷内包层和辅助内包层为掺杂氟的二氧化硅玻璃层，其中下陷内包层和辅助内包层之间存在一定厚度(0.2～2μm) 的高羟基含量层，羟基含量为10～200ppm，优选20～50ppm；所述外包层为低氯二氧化硅玻璃层，其中氯浓度小于50ppm，并优选为小于或等于20ppm。
请一并参阅图3，具有图1示出结构和图2示出折射率分布的单模光纤的详细制备过程如下。
步骤S1，芯层的预制。
第一步，采用管外法(VAD/OVD)沉积工艺制备芯层粉末棒，沉积过程通入一定量的四氯化硅(5～50g/min)、氟化物(5～500sccm)、氢气(5～100L/min)、氧气(5～100L/min)、氩气(1～20L/min)制备芯层粉末棒，使其相对折射率差△n1＝-0.005％～-0.05％；在管外法的粉末烧结过程中，通入一定量氯气(50～1000sccm)进行脱羟处理，羟基含量需控制低于1ppm，这是因为芯层的羟基会形成光纤的固有吸收损耗，影响光纤衰减；再通入一定量氦气(5～50L/min)进行置换以去除残余氯气，最后完成粉末棒的玻璃化。该芯层玻璃棒中的氯浓度小于300ppm，并优选为小于或等于80ppm，以防止后续掺杂碱金属时生成碱金属盐析出。
第二步，将制备好的芯层玻璃化在高温下延伸至一定外径 (20～50mm)，使用钻头进行掏孔(孔径5～30mm)，再经过腐蚀、酸洗，最后对接好尾管，完成芯层基管制作。
第三步，如图4所示，将芯层基管夹持到碱金属掺杂玻璃车的卡盘7上，将碱金属9置于尾管14中，用热源8(如火焰或电炉)加热碱金属9形成蒸气，并从进气口10通入一定量的氦气(1～10L/min) 将碱金属蒸气一起输送至芯层基管11内部。同时，利用外部热源12(火焰或电炉)来回加热芯层基管11，通过热扩散可以从芯层基管 11内表面将碱金属9掺杂进入基管玻璃内部，芯层玻璃棒中碱金属浓度为50～1000ppm，优选200～400ppm。完成掺杂后，从进气口10 通入一定量的氟化物(10～200sccm)对芯层基管11内表面进行蚀刻，以去除掺杂碱金属同时带来的过渡金属(如Fe、Ni)和羟基等杂质。然后从出气口13抽真空，高温下将芯层基管11塌缩制成实心芯层玻璃棒。最后，将实心芯层玻璃棒通过浸泡氢氟酸的方式腐蚀一定厚度 (1～5mm)，以去除表面的过渡金属(如Fe、Ni)和羟基等杂质。
步骤S2，下陷内包层的预制。
将预制好的实心芯层玻璃棒夹持到等离子沉积(POVD)车床上，通入一定量的四氯化硅(10～50g/min)、氟化物(50～500sccm)、氧气 (10～100L/min)、氩气(5～100L/min)等，原料在高频等离子体火焰中发生沉积和玻璃化反应，在预制的芯层玻璃棒表面生成所需厚度和相对折射率的预制的下陷内包层玻璃(第一玻璃棒)。该过程中几乎没有H参与反应，因此不会有水渗入芯层影响光纤衰减。本发明设计在芯层外直接设置下陷内包层，这样做的好处是下陷内包层更靠近芯层，会使光纤的抗弯曲性能更好，能保证在更苛刻的弯曲条件下不发生光的泄漏。之所以本发明能这么做，是因为采用了等离子沉积的方法制作下陷内包层，几乎没有氢参与反应，不会有水渗入芯层影响光纤衰减。传统的芯层采用两区域或三区域结构设计掺杂碱金属、氯和氟，是因为要控制不同区域的氯含量，既要防止掺杂时碱金属析晶，又要防止拉丝时碱金属过度扩散，这种工艺控制复杂，成本高，碱金属的掺杂量很有限；而本发明的芯层采用单一结构是因为有高羟基含量层(详见下文介绍)的阻隔，碱金属不会过度扩散，且这样做工艺简单、成本低，可显著增加碱金属在芯层的含量及稳定分布。
步骤S3，高羟基含量层的预制。
将含有预制的芯层和下陷内包层的第一玻璃棒在高温条件(如电炉)下延伸至一定外径(40～80mm)，并采用管外法(OVD)沉积工艺制备辅助内包层，沉积前，先通入一定量的氢气(50～200L/min) 和氧气(50～200L/min)灼烧玻璃棒，水分渗入预制的下陷内包层玻璃棒的表层(即第一玻璃棒的表层)，水与下陷内包层的外表层发生水合反应使Si-O键断裂，产生Si-OH基，从而在后续的下陷内包层和辅助内包层之间形成一定厚度(折合光纤半径0.2～2μm)的高羟基含量层(羟基含量为10～200ppm，优选20～50ppm)，用来抑制拉丝时碱金属在光纤内的扩散，此时得到第二玻璃棒。这是因为光纤拉丝时温度达到1950℃甚至更高，在这种高温状态下，碱金属元素在光纤内的扩散非常快，极容易从光纤的芯层扩散到包层，从而导致光纤芯层中碱金属的浓度迅速降低，丧失了对芯、包层粘度的调节作用。而向石英玻璃中掺杂高浓度的碱金属是比较困难的，因为高浓度的碱金属会使掺杂的扩散、蚀刻和塌缩各步骤中都非常容易发生析晶，导致掺杂碱金属元素芯棒的合格率极低。图5是光纤内碱金属浓度分布示意图，可以看出不含高羟基含量层的光纤的碱金属扩散明显，芯层碱金属浓度不足100ppm，而本发明光纤的碱金属在扩散至光纤半径 20μm后显著减弱，芯层碱金属浓度保持在200ppm以上，可以有效降低芯层粘度，改善光纤衰减。
步骤S4，辅助内包层的预制。
管外法沉积时通入一定量的四氯化硅(20～100g/min)、氢气 (40～200L/min)、氧气(40～200L/min)、氩气(10～40L/min)来制备辅助内包层粉末棒至所需厚度，再在管外法的粉末烧结过程中通入一定量氯气(200～2000sccm)进行脱羟，通入一定量氟化物 (100～2000sccm)掺杂辅助内包层至所需的相对折射率，然后完成玻璃化过程，制得含有预制的芯层、下陷内包层和辅助内包层的玻璃棒，即第三玻璃棒。
步骤S5，外包层的预制。
将含有预制的芯层、下陷内包层和辅助内包层的玻璃棒在高温条件(如电炉)下延伸至一定外径(80～160mm)，并采用管外法(OVD) 沉积工艺制备外包层粉末棒。在管外法的粉末烧结过程中，通过一定量氯气(200～2000sccm)进行脱羟，再通入一定量氦气(20～100L/min) 进行置换以去除残余氯气，最后完成低氯纯二氧化硅外包层的玻璃化获得外径最多可达200mm的大尺寸超低损耗大有效面积单模光纤预制棒，根据拉丝需求，还可以在高温条件(如电炉)下延伸为直径 40～200mm的不同规格的预制棒。外包层玻璃棒中的氯浓度小于50ppm，并优选为小于或等于20ppm，以获得较大的硬度，使其在拉丝时粘度低于光纤内部很多，相对光纤芯层和内包层为张应力，芯层和内包层相对的形成了较大的压应力并且降低了假想温度，这样更加优化了光纤芯层粘度与外包层粘度的匹配，改善了光纤衰减。
步骤S6，预制棒拉丝、涂覆。
超低损耗且大有效面积单模光纤预制棒经过拉丝可制得超低损耗且大有效面积单模光纤。根据棒径不同，拉丝温度为1950～2150℃，拉丝速度为500～2500m/min，拉丝张力为50g～200g，光纤经过高温区，退火区和冷却区后，进入两道涂覆器进行内外层涂覆并固化，内涂层直径为180～200μm，外涂层直径为240～255μm。大尺寸的超低损耗且大有效面积单模光纤预制棒可以实现高速度和高张力拉丝，提升拉丝效率。
可以看出，一方面，本发明设计了合理的预制棒剖面结构。剖面中芯层采用纯硅设计；与芯层贴近的为深掺氟下陷内包层设计，有利于保证光纤宏弯要求；在下陷内包层之外是浅掺氟辅助内包层设计，满足光纤传输要求的同时，也利于控制光纤的缆截止波长；最外层的外包层采用纯硅设计，既可以降低成本，又有利于光纤损耗的降低。另一方面，本发明采用量化的掺碱金属工艺和各层掺杂组分控制，有效降低光纤芯层的粘度，改善与掺氟包层的粘度匹配，拉丝时芯层形成压应力，降低了芯层假想温度和瑞利散射系数，有效降低光纤损耗。另外，同时本发明采用管外法制棒流程，既可降低制棒成本，又可制备大尺寸超低损耗光纤预制棒，降低拉丝成本。在具体实施方式中，成型的所述单模光纤在1550nm波长的有效面积大于等于140μm2且在波长1550nm处的衰减小于等于0.155dB/km。更具体的，成型的所述单模光纤在1550nm波长的有效面积为140～165μm2且在波长 1550nm处的衰减为0.145～0.155dB/km。
表一：本发明不同流量配比实施例的折射率剖面和元素浓度参数。
Figure RE-GDA0002722950390000161
表二为表一所述光纤所对应的光传输特性。
Figure RE-GDA0002722950390000162
从上述实施例可以看出，本发明的光纤在1550nm波长处的模场直径(MFD)为13μm～15μm；光纤在1550nm波长的有效面积为140.1～164.9μm2；所述光纤的成缆截止波长为1276～1339nm；所述光纤在波长1550nm处的衰减为0.146～0.155dB/km；所述光纤在1550nm波长处10mm弯曲半径1圈的弯曲损耗为0.02～0.1dB，15mm 弯曲半径10圈的弯曲损耗为0.004～0.014dB，30mm弯曲半径100圈的弯曲损耗为0.0045～0.0052dB。
综上，本发明提供的一种单模光纤及其制备方法，具备以下优点： 1)光纤剖面采用在纯硅芯层掺碱金属的设计，在下陷内包层外形成高羟基层的设计，在最外的外包层结构采用了低氯纯二氧化硅的设计，合理的改善了光纤内外部的粘度匹配，减少光纤制备过程中缺陷，降低了光纤的衰减参数。2)通过增加光纤芯层直径和调节辅助内包层的相对折射率和半径，增大了光纤的模场直径和有效面积，同时也不会造成缆截止波长过大，使光纤具有等于或大于140μm2的有效面积，甚至可达160μm2。3)光纤剖面采用在芯层外设置下陷内包层的结构，使光纤具有良好的弯曲性能，能保证光在苛刻的弯曲条件下不发生泄漏。4)本发明采用管外法沉积工艺和玻璃车床掺杂工艺，相比管内法(PCVD/MVCD)设备投入简单，价格低廉，并且可以制造尺寸更大的超低损耗大有效面积光纤预制棒，大幅度降低光纤制造生产成本。上述产品和方法可广泛应用于石英玻璃加工行业。
以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种单模光纤，包括裸光纤和包覆在所述裸光纤外的涂覆层，其特征在于：所述裸光纤包括由内到外同轴设置的氟和碱金属共掺二氧化硅的芯层、氟掺二氧化硅的下陷内包层、氟掺二氧化硅的辅助内包层和低氯二氧化硅的外包层，所述下陷内包层的外表层区域形成高羟基含量层，所述裸光纤的折射率分布呈阶跃型，其中所述下陷内包层相较于二氧化硅的相对折射率差最小，其次是所述辅助内包层，然后是所述芯层。
2.根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于：所述芯层的相对折射率差△n1＝-0.005％～-0.05％；所述下陷内包层的相对折射率差△n2＝-0.35％～-0.80％；所述辅助内包层的相对折射率差△n3＝-0.25％～-0.60％；外包层相对折射率差△n4＝0.0％。
3.根据权利要求2所述的单模光纤，其特征在于：所述芯层不含锗，控制其的氯浓度小于300ppm，碱金属浓度为50～1000ppm；所述高羟基含量层的羟基含量为10～200ppm；所述外包层中氯浓度小于50ppm。
4.根据权利要求2所述的单模光纤，其特征在于：所述芯层不含锗，控制其的氯浓度小于80ppm，碱金属浓度为200～400ppm；所述高羟基含量层的羟基含量为20～50ppm；所述外包层中氯浓度小于等于20ppm。
5.根据权利要求2所述的单模光纤，其特征在于：所述芯层的半径R1＝5～7.5μm，所述下陷内包层的外半径R2＝15～20μm，所述高羟基含量层的厚度为0.2～2μm，所述辅助内包层的外半径R3＝35～52μm，所述外包层的外半径R4＝62.5μm。
6.根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于：所述涂覆层包括内涂层和外涂层，所述内涂层的外直径为185～200μm，所述内涂层的外直径为242～252μm。
7.根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于：所述单模光纤在1550nm波长的有效面积大于等于140μm2且在波长1550nm处的衰减小于等于0.155dB/km。
8.根据权利要求7所述的单模光纤，其特征在于：所述单模光纤在1550nm波长的有效面积为140～165μm2且在波长1550nm处的衰减为0.145～0.155dB/km。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的单模光纤的制备方法，通过对成型的预制棒进行拉丝得到裸光纤，然后在裸光纤外涂覆并固化成型涂覆层而得到，其特征在于，所述预制棒的成型包括以下步骤：
芯层的预制，通入四氯化硅、氟化物、氢气、氧气和氩气，采用管外法沉积制备含氟的二氧化硅粉末棒，然后烧结发生玻璃化反应，烧结时伴随通入氯气以脱羟处理，再通入氦气以去除残余氯气；通过加热使其延伸至预设外径，沿轴向进行掏孔后经过腐蚀、酸洗，制成芯层基管；通入氦气作为载气以输送碱金属蒸气至芯层基管内部，通过热扩散从芯层基管内表面将碱金属掺杂进入内部，掺杂完成后塌缩制成实心的芯层玻璃棒；
下陷内包层的预制，通入四氯化硅、氟化物、氧气和氯气，利用等离子体火焰在芯层玻璃棒的表层沉积含氟的二氧化硅粉末，发生玻璃化反应，形成第一玻璃棒；
高羟基含量层的预制，将第一玻璃棒加热后延伸至预设外径，通入氢气和氧气灼烧第一玻璃棒，水分渗入其表层形成第二玻璃棒，其具有的高羟基含量外表层区域能够抑制拉丝时碱金属的扩散；
辅助内包层的预制，通入四氯化硅、氢气、氧气、氩气，利用管外法在第二玻璃棒的表层沉积二氧化硅粉末，进而烧结并伴随通入氯气脱羟、通入氟化物掺杂调节相对折射率差，烧结完成玻璃化后得到第三玻璃棒；
外包层的预制，将第三玻璃棒加热后延伸至预设外径，利用管外法在第三玻璃棒的表层沉积二氧化硅粉末，然后烧结并伴随通入氯气进行脱羟，再通入氦气去除残余氯气，得到预制棒；由预制棒拉丝成型的裸光纤的折射率分布呈阶跃型，其中下陷内包层相较于二氧化硅的相对折射率差最小，其次是辅助内包层，然后是芯层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述碱金属为锂、钠、钾、铷、铯、钫中的一种或多种。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述氟化物为CF4、C2F6、C3F8、SF6、SiF4、C2F2Cl2、SOF2中一种或多种。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述芯层的相对折射率差△n1＝-0.005％～-0.05％；所述下陷内包层的相对折射率差△n2＝-0.35％～-0.80％；所述辅助内包层的相对折射率差△n3＝-0.25％～-0.60％；外包层相对折射率差△n4＝0.0％。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述芯层需控制氯浓度小于300ppm，以防止后续掺杂碱金属时生成碱金属盐析出；所述芯层的碱金属浓度控制在50～1000ppm，以降低芯层粘度；所述外包层的氯浓度小于50ppm，以使其粘度远低于内部各层来改善光纤衰减。
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