CN115201961A - 一种陆地用g.654.e光纤及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种陆地用G.654.E光纤，其不仅能解决现有光纤结构粘度匹配失衡的问题，还能解决现有光纤工艺制备复杂、成本高的问题；为此，本发明还提供了该陆地用G.654.E光纤的制作工艺。一种陆地用G.654.E光纤，其包括芯层和包层，包层包括自内而外围绕在芯层外周的内包层和外包层；芯层的相对折射率差Δ1为0％～0.2％，芯层的半径R1为6～7μm；内包层相对折射率差Δ2为‑0.2％～‑0.4％，内包层的半径R2为15～25μm；外包层相对折射率差Δ3为‑0.18％～‑0.3％。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，具体为一种陆地用G.654.E光纤及其制作工艺。
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，如何在400G传输信号的基础上进一步增加传输容量，是各系 统设备商和运营商关注的焦点。
在100G以及超100G时代，非线性效应和光纤衰减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)；信号通过采用偏振模复用和各种高阶调制方式来降低 信号的波特率，例如PM-QPSK、PDM-16QAM、PDM-32QAM,甚至PDM-64QAM和CO-0FDM。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。引入 低损耗大有效面积光纤，能为系统带来提高OSNR和降低非线性效应的效果。当采用高功率 密度系统时，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指数，Aeff是传输光纤的有效面积。增加传输光纤的有效面积，能够降低光纤中的非线性效应。
目前，用于陆地传输系统线路的普通单模光纤，其有效面积仅约80μm^2左右。而在陆 地长距离传输系统中，对光纤的有效面积要求更高，一般的有效面积在100μm^2以上。为了 降低铺设成本，尽可能的减少中继器的使用，在无中继传输系统，如海底传输系统，传输光 纤的有效面积最好在120μm^2以上。然而，目前大有效面积光纤的折射率剖面的设计中，往 往通过增大用于传输光信号的光学芯层的直径获得大的有效面积。该类方案存在着一定的设 计难点。一方面，光纤的芯层和靠近它的包层主要决定光纤的制造成本，抬高光纤价格，将 成为此类光纤普遍应用的障碍。另一方面，相比普通单模光纤，光纤有效面积的增大，会带 来光纤其它一些参数的恶化：比如，光纤截止波长会增大，如果截止波长过大则难以保证光 纤在传输波段中光信号的单模状态；此外，光纤折射率剖面如果设计不当，还会导致弯曲性 能、色散等参数的恶化。
另一种限制长距离大容量传输的光纤特性就是衰减，目前常规的G.652.D光纤的衰减一 般在0.20dB/km,激光能量在经过长距离传输后逐渐减小，所以需要采用中继的形式对信号再 次放大。而相对于光纤光缆的成本，中继站相关设备和维护成本在整个链路系统的70％以上， 所以如果涉及一种低衰减或者超低衰减光纤，就可以有效的延长传输距离，减少建设和维护 成本。经过相关计算，如果将光纤的衰减从0.20降低到0.16dB/km，整个链路的建设成本将 总体降低30％左右。
综上所述，开发一种超低衰减大有效面积光纤成为光纤制造领域的一个重要课题。
对于石英光纤在600-1600nm的衰减主要来自于瑞利散射，由瑞利散射所引起的衰减α 可由下式计算：
式中，λ为波长(μm)，R为瑞利散射系数(dB/KM/μm^4)；P为光强；当瑞利散射系数确认时，B为相对应的常数。因而只要确定了瑞利散射系数R就可以得到因瑞利散射所引起的衰减α。瑞利散射一方面是由于密度波动引起的，另一方面是由于浓度波动引起的。因而瑞利散射系数R可表示为：R＝Rd+Rc
上式中，Rd和Rc分别表示由于密度波动和浓度波动所引起的瑞利散射系数变化。其中 Rc为浓度波动因子，其主要受到光纤玻璃部分掺杂浓度的影响，理论上采用越少的Ge和F 或者其他掺杂，Rc越小，这也是目前国外某些企业采用纯硅芯设计，实现超低衰减性能的原 因。
但是我们需要注意到，瑞利散射系数中还包括另外一个参数Rd，Rd与玻璃的假想温度 Tf相关，且伴随着玻璃的结构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某平衡状 态对应的温度。当T’＞Tf，由于玻璃的粘度较小，玻璃结构易于调整，因而每一瞬间玻璃均 处于平衡状态，故Tf＝T’：当T’＜Tg＜Tf，玻璃趋向于平衡所需要的时间较短一些，具体与 玻璃的组分和冷却速度相关，故Tf＞T’或Tf＜T’；
在使用纯硅芯设计时，为了保证光纤的全反射，必须使用相对较低折射率的F掺杂内包 层进行匹配，以保证芯层和内包层之间保持足够的折射率差异。这样纯硅芯的芯层部分粘度 相对较高，而同时大量F掺杂的内包材部分粘度较低，从而造成光纤结构粘度匹配失衡，并 使纯硅芯结构的光纤虚拟温度迅速增加，造成光纤的Rd增加，这样不仅抵消掉Rc降低带来 的优越性，更可能造成光纤衰减反向异常。
为了保证纯硅芯光纤的芯层粘度与外包粘度匹配，我们可以利用芯层中进行碱金属掺杂 的方法对芯层粘度进行优化；例如专利US20100195966A1中采用在芯层中添加碱金属的方法， 在保持光纤芯层纯硅芯的情况下，通过改变光纤芯层部分的粘度以及芯层结构驰豫的时间， 来解决粘度失配造成的Rd增加，从而整体降低光纤的瑞利散射系数。但是该种方法虽然可 以有效的降低光纤衰减，但相对工艺制备复杂，需要分多批次对芯棒进行处理，光纤制造成 本高，且碱金属掺杂会增加玻璃结构缺陷，造成应用波长(C+L波段)氢老化问题。中国专 利CN109683233A，芯层采用锗/氟/碱金属设计，碱金属带来的问题在专利US20100195966A1 已描述，此专利中重新引入锗，其低衰减性能很难达到海纤应用的要求；中国专利 CN104898201A，为优化芯层和包层的粘度，采用多包层(6层包层结构)波导结构设计，波 导结构非常复杂，不利用批量化生产，在陆地场景应用成本是巨大挑战。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种陆地用G.654.E光纤，其不仅能解决现有光纤结构粘 度匹配失衡的问题，还能解决现有光纤工艺制备复杂、成本高的问题；为此，本发明还提供 了该陆地用G.654.E光纤的制作工艺。
一种陆地用G.654.E光纤，其包括芯层和包层，其特征在于：所述包层包括自内而外围 绕在所述芯层外周的内包层和外包层；所述芯层的相对折射率差Δ1为0％～0.2％，芯层的半 径R1为6～7μm；所述内包层相对折射率差Δ2为-0.2％～-0.4％，内包层的半径R2为15～25μm； 所述外包层相对折射率差Δ3为-0.18％～-0.3％。
进一步的，所述芯层为不掺锗的氟氯共掺的石英玻璃层，其中所述芯层掺氯的相对折射 率贡献量ΔCl为0.15％～0.25％，芯层掺氟的相对折射率贡献量ΔF等于或低于-0.1％。
进一步的，所述芯层中氯元素含量为10000ppm～20000ppm(质量比)，氟元素含量为1000 ppm～3000ppm(质量比)。
进一步的，所述内包层为掺氟的石英玻璃层，所述内包层的半径R2与所述芯层的半径 R1的比值R2/R1为2～4，内包层相对折射率差△2与芯层相对折射率差△1的差值(△1－ △2)为0.25％～0.4％。
进一步的，所述外包层为掺氟的石英玻璃层，所述外包层相对折射率差△3与芯层相对 折射率差△1的差值(△1－△3)为0.2％～0.35％。
进一步的，本发明的陆地用G.654.E光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.3dB/km。
进一步的，本发明的陆地用G.654.E光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.17dB/km；在1550nm波长处的模场直径为11.9um至12.7μm。
进一步的，本发明的陆地用G.654.E光纤具有小于或等于1520nm的光缆截止波长。
进一步的，本发明的陆地用G.654.E光纤在1550nm波长处，对于围绕30mm弯曲半径饶100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB。
进一步的，本发明的陆地用G.654.E光纤在1625nm波长处，对于围绕30mm弯曲半径饶100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB。
本发明的一种陆地用G.654.E光纤的制造方法，其特征在于：其包括以下步骤，
步骤100，采用VAD工艺制备氟氯共掺的芯层石英棒；
步骤200，采用OVD工艺制备掺氟的石英内包管；
步骤300，采用RIT工艺将步骤100制备的芯层石英棒组装入步骤200制备的石英内包 管内，并通过高温对芯层石英棒与石英内包管的界面进行纯化处理，再通过抽真空将芯层石 英棒与石英内包管融合形成光纤芯棒；
步骤400，采用OVD工艺在所述光纤芯棒上制备外包层粉体部分，再采用高温渗氟烧结 完成光棒制备；
步骤500，将步骤400制备的光棒进行拉丝处理，得到成品光纤。
进一步的，所述步骤100具体为，采用应用火焰氢化反应原理的沉积设备，在稳定的腔 体气流条件下控制火焰喷灯的位置并调整各反应气体用量，在预定的靶棒上沉积得到外径均 匀的二氧化硅粉棒；再对二氧化硅粉棒进行高温烧结处理，在所述高温烧结处理过程中引入 四氯化硅和氟源，然后在温度范围1150～1250℃下通入氦气和氯气进行纯化，纯化结束后维 持温度并继续通入四氯化硅和氟源，随后以3～10℃/min的速率将温度升至1500℃，通过移 动烧结方式完成氟氯共掺的芯层玻璃体，再将氟氯共掺的芯层玻璃体高温拉伸至目标尺寸得 到所述芯层石英棒。
进一步的，所述步骤200具体为，采用应用火焰氢化反应原理的沉积设备，在稳定的腔 体气流条件下控制火焰喷灯的位置并调整各反应气体用量，在预定的陶瓷种棒上沉积得到外 径均匀的二氧化硅粉棒，然后抽出陶瓷种棒，将二氧化硅粉棒放置入烧结炉进行高温渗氟烧 结得到所述石英内包管，所述石英内包管的掺氟折射率深度至少达到-0.355％以下。
进一步的，所述步骤400的高温渗氟烧结过程中掺入含量为5ppm～50ppm的铝离子。
本发明的有益效果在于：其采用了芯层不掺锗元素的氟氯共掺方案，并通过控制芯层中 氟、氯的掺杂浓度来优化芯层粘度匹配，优化光纤各个部分粘度和光纤应力，结合无锗掺杂 特性，实现单模光纤的超低衰减性能；另外，其芯层中氯元素含量为10000ppm～20000ppm (质量比)，芯层掺氯的相对折射率贡献量ΔCl达到了0.15％～0.25％，即其采用了高氯掺杂 工艺设计，在降低光纤芯层应力的同时也提高了芯层的折射率值(氯对折射率具有正贡献)， 从而能减少包层的掺氟浓度，并由此能减少包层的层数，简化光纤结构，降低光纤制造生产 成本；此外，为进一步降低光纤芯层的应力值即进一步降低光纤损耗，本发明在制备掺氟包 层时，在包层最外沿掺杂了一定浓度的金属铝离子以提升玻璃粘度，从而在最后的光纤拉丝 环节能承担更多的拉应力，降低了芯层的应力值；本发明光纤的截止波长、模场直径、损耗 系数、色散等综合性能参数在应用波段良好，满足G.654.E光纤标准，同时采用低模量的光 纤涂覆树脂涂层，优化光纤涂覆厚度，使得上述光纤具有非常小的微弯损耗，以保证该类光 纤在成缆、敷设等条件下引起的附加损耗足够小。
附图说明
图1为本发明一种陆地用G.654.E光纤的径向截面示意图；
图2为本发明一种陆地用G.654.E光纤的波导理论设计的折射率剖面结构示意图；
图3为本发明一种陆地用G.654.E光纤的采用IFA-100光纤折射率剖面测试仪得到的实 测光纤折射率剖面示意图；
图4为本发明一种陆地用G.654.E光纤的制造工艺流程图。
具体实施方式
见图1～图3，本发明一种陆地用G.654.E光纤，其包括芯层10和包层，包层包括自内 而外围绕在芯层外周的内包层20和外包层30；芯层10的相对折射率差Δ1为0％～0.2％， 芯层10的半径R1为6～7μm；内包层20相对折射率差Δ2为-0.2％～-0.4％，内包层20的半 径R2为15～25μm；外包层30相对折射率差Δ3为-0.18％～-0.3％；图2中，R3为光纤半径， 本实施例中R3为62.5μm。
本发明光纤的芯层10为不掺锗的氟氯共掺的石英玻璃层氟氯共掺的石英玻璃层，其中芯 层掺氯的相对折射率贡献量ΔCl为0.15％～0.25％，芯层掺氟的相对折射率贡献量ΔF等于或 低于-0.1％；芯层中氯元素含量为10000ppm～20000ppm(质量比)，氟元素含量为1000ppm～ 3000ppm(质量比)。
本发明光纤的内包层20为掺氟的石英玻璃层，内包层20的半径R2与芯层10的半径R1 的比值R2/R1为2～4，内包层相对折射率差△2与芯层相对折射率差△1的差值(△1－△2) 为0.25％～0.4％。
本发明光纤的外包层30为掺氟的石英玻璃层，外包层相对折射率差△3与芯层相对折射 率差△1的差值(△1－△3)为0.2％～0.35％。
采用本发明上述方案的陆地用G.654.E光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于 0.3dB/km；在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.17dB/km；在1550nm波长处的模场直 径为11.9um至12.7μm。
采用本发明上述方案的陆地用G.654.E光纤具有小于或等于1520nm的光缆截止波长。
采用本发明上述方案的的陆地用G.654.E光纤在1550nm波长处，对于围绕30mm弯曲 半径饶100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB。
采用本发明上述方案的陆地用G.654.E光纤在1625nm波长处，对于围绕30mm弯曲半 径饶100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB。
本发明的上述一种陆地用G.654.E光纤的制造方法，见图4，其包括以下步骤，
步骤100，采用VAD(轴向气相沉积)工艺制备氟氯共掺的芯层石英棒，采用应用火焰 氢化反应原理的沉积设备，在稳定的腔体气流条件下控制火焰喷灯的位置并调整各反应气体 用量，在预定的靶棒上沉积得到外径均匀的二氧化硅粉棒；再对二氧化硅粉棒进行高温烧结 处理，在高温烧结处理过程中引入四氯化硅和氟源，然后在温度范围1150～1250℃下通入氦 气和氯气进行纯化，纯化结束后维持温度并继续通入四氯化硅和氟源，随后以3～10℃/min 的速率将温度升至1500℃，通过移动烧结方式完成氟氯共掺的芯层玻璃体，再将氟氯共掺的 芯层玻璃体高温拉伸至目标尺寸得到芯层石英棒；其中，氟源优选采用CF4或SiF4。
步骤200，采用OVD(外部气相沉积)工艺制备掺氟的石英内包管；采用应用火焰氢化 反应原理的沉积设备，在稳定的腔体气流条件下控制火焰喷灯的位置并调整各反应气体用量， 在预定的陶瓷种棒上沉积得到外径均匀的二氧化硅粉棒，然后抽出陶瓷种棒，将二氧化硅粉 棒放置入烧结炉进行高温渗氟烧结得到石英内包管，石英内包管的掺氟折射率深度至少达到 -0.355％以下；
步骤300，采用RIT工艺将步骤100制备的芯层石英棒组装入步骤200制备的石英内包 管内，并通过高温对芯层石英棒与石英内包管的界面进行纯化处理，再通过抽真空将芯层石 英棒与石英内包管融合形成光纤芯棒(即形成芯层与内包层)；
步骤400，采用OVD(外部气相沉积)工艺在所述光纤芯棒上制备外包层粉体部分，再 采用高温渗氟烧结完成光棒制备，高温渗氟烧结过程中掺入含量为5ppm～50ppm的铝离子；
步骤500，将步骤400制备的光棒进行拉丝处理，得到成品光纤。
采用上述方法制备的本发明的陆地用G.654.E光纤适合长距离传输系统，其光纤特性见 下表：
以上对本发明的具体实施进行了详细说明，但内容仅为本发明创造的较佳实施方案，不 能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进 等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (14)
1.一种陆地用G.654.E光纤，其包括芯层和包层，其特征在于：所述包层包括自内而外围绕在所述芯层外周的内包层和外包层；所述芯层的相对折射率差Δ1为0％～0.2％，芯层的半径R1为6～7μm；所述内包层相对折射率差Δ2为-0.2％～-0.4％，内包层的半径R2为15～25μm；所述外包层相对折射率差Δ3为-0.18％～-0.3％。
2.根据权利要求1所述的一种陆地用G.654.E光纤，其特征在于：所述芯层为不掺锗的氟氯共掺的石英玻璃层，其中所述芯层掺氯的相对折射率贡献量ΔCl为0.15％～0.25％，芯层掺氟的相对折射率贡献量ΔF等于或低于-0.1％。
3.根据权利要求2所述的一种陆地用G.654.E光纤，其特征在于：所述芯层中氯元素含量为10000ppm～20000ppm(质量比)，氟元素含量为1000ppm～3000ppm(质量比)。
4.根据权利要求1所述的一种陆地用G.654.E光纤，其特征在于：所述内包层为掺氟的石英玻璃层，所述内包层的半径R2与所述芯层的半径R1的比值R2/R1为2～4，内包层相对折射率差△2与芯层相对折射率差△1的差值(△1－△2)为0.25％～0.4％。
5.根据权利要求1所述的一种陆地用G.654.E光纤，其特征在于：所述外包层为掺氟的石英玻璃层，所述外包层相对折射率差△3与芯层相对折射率差△1的差值(△1－△3)为0.2％～0.35％。
6.根据权利要求1所述的一种陆地用G.654.E光纤，其特征在于：光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.3dB/km。
7.根据权利要求1所述的一种陆地用G.654.E光纤，其特征在于：光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.17dB/km；在1550nm波长处的模场直径为11.9um至12.7μm。
8.根据权利要求1所述的一种陆地用G.654.E光纤，其特征在于：光纤具有小于或等于1520nm的光缆截止波长。
9.根据权利要求1所述的一种陆地用G.654.E光纤，其特征在于：光纤在1550nm波长处，对于围绕30mm弯曲半径饶100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB。
10.根据权利要求1所述的一种陆地用G.654.E光纤，其特征在于：光纤在1625nm波长处，对于围绕30mm弯曲半径饶100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB。
11.权利要求1～10中任一所述的一种陆地用G.654.E光纤的制造方法，其特征在于：其包括以下步骤，
步骤100，采用VAD工艺制备氟氯共掺的芯层石英棒；
步骤200，采用OVD工艺制备掺氟的石英内包管；
步骤300，采用RIT工艺将步骤100制备的芯层石英棒组装入步骤200制备的石英内包管内，并通过高温对芯层石英棒与石英内包管的界面进行纯化处理，再通过抽真空将芯层石英棒与石英内包管融合形成光纤芯棒；
步骤400，采用OVD工艺在所述光纤芯棒上制备外包层粉体部分，再采用高温渗氟烧结完成光棒制备；
步骤500，将步骤400制备的光棒进行拉丝处理，得到成品光纤。
12.根据权利要求11所述的一种陆地用G.654.E光纤的制造方法，其特征在于：所述步骤100具体为，采用应用火焰氢化反应原理的沉积设备，在稳定的腔体气流条件下控制火焰喷灯的位置并调整各反应气体用量，在预定的靶棒上沉积得到外径均匀的二氧化硅粉棒；再对二氧化硅粉棒进行高温烧结处理，在所述高温烧结处理过程中引入四氯化硅和氟源，然后在温度范围1150～1250℃下通入氦气和氯气进行纯化，纯化结束后维持温度并继续通入四氯化硅和氟源，随后以3～10℃/min的速率将温度升至1500℃，通过移动烧结方式完成氟氯共掺的芯层玻璃体，再将氟氯共掺的芯层玻璃体高温拉伸至目标尺寸得到所述芯层石英棒。
13.根据权利要求11所述的一种陆地用G.654.E光纤的制造方法，其特征在于：所述步骤200具体为，采用应用火焰氢化反应原理的沉积设备，在稳定的腔体气流条件下控制火焰喷灯的位置并调整各反应气体用量，在预定的陶瓷种棒上沉积得到外径均匀的二氧化硅粉棒，然后抽出陶瓷种棒，将二氧化硅粉棒放置入烧结炉进行高温渗氟烧结得到所述石英内包管，所述石英内包管的掺氟折射率深度至少达到-0.355％以下。
14.根据权利要求11所述的一种陆地用G.654.E光纤的制造方法，其特征在于：所述步骤400的高温渗氟烧结过程中掺入含量为5ppm～50ppm的铝离子。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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