CN115321808B - 一种氢不敏感超低损耗光纤及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢不敏感超低损耗光纤及制作方法，属于光纤通信技术领域，该光纤包括由内至外依次设置的芯层和包层，芯层包括由内至外依次设置的内芯层和外芯层，包层包括由内至外依次设置的内包层、中包层和外包层。本发明提供的氢不敏感超低损耗光纤及制作方法，在1550nm窗口处具有极低的损耗系数，在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.16dB/km，在1550nm波长处的模场直径为11～14μm，同时兼顾大有效面积，在1550nm波长处的有效面积为70～160μm^2，且具有良好的氢损性能及优秀的弯曲不敏感特性，非常适用于长距离、大容量、高速率光通信传输系统。

Description

一种氢不敏感超低损耗光纤及制作方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种氢不敏感超低损耗光纤及制作方法。

背景技术

随着国际通信业务的发展，接入带宽不断提升，移动互联网、物联网技术等迅猛发展，通信系统对光纤带宽的需求呈现出飞快的增长趋势，大容量将是未来骨干网络升级发展的方向。而在长距离、大容量、高速率传输的通信系统中，一般需使用波分复用及光纤放大器技术，以提高系统传输容量及传输速度，但对于主干网及海底通信网络，其对光纤的无中继的传输距离和传输容量有着更高的要求。

为提高传输容量和距离，需增加入纤功率以及降低传输损耗以期达到可分辨的信噪比需求。但当入纤功率增加，在目前的单模光纤中，会由于芯层狭窄，产生子相位调制、交叉相位调制、四波混频等非线性效应，尤其会产生阈值较低的受激布里渊散射效应，这些效应的产生使得系统产生信号串扰，使系统的信噪比降低，从而无法继续提高传输容量。

目前通常采用较大有效面积，降低光纤中的功率密度，从而降低因芯层狭窄导致的非线性效应。因此，引入低损耗大有效面积光纤成为高容量系统的必然趋势。但随着有效面积的增加，在光纤受外界影响发生弯曲时，会导致芯层光信号损耗，因此，光纤对于弯曲更加敏感。在成缆及后续系统应用中，光纤因为弯曲会产生附加损耗，降低系统的传输性能。

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。为了降低敷设成本，尽可能地减少中继器的使用，在无中继传输系统，如海底传输系统等，传输光纤的有效面积最好在120μm^2以上。目前常用增大光纤有效面积的方法基本如下：一种为增大光纤的芯层直径，另一种为降低芯层的折射率差。两种方法均可增加光纤芯层传输面积，但均存在问题：增加芯层直径会在一定程度上增加光纤的截止波长，无法满足单模光纤对截止波长的要求，而降低芯层折射率差，可在不增加截止波长的情况下增加光纤有效面积，但会影响光纤的弯曲性能，导致弯曲损耗增加，同样影响系统传输。

因此，开发一种超低损耗大有效面积且具有良好弯曲性能的光纤成为光纤制造领域的一个重要课题。

为得到1550nm衰减低于0.160dB/km的超低损耗光纤，一般使用纯硅芯，降低芯层掺杂引起的瑞利散射增加。在使用纯硅芯设计时，为保证光纤的全反射，需使用相对较低折射率的F掺杂内包层进行匹配，实现芯包间折射率差，但会造成光纤结构粘度匹配失衡，从而使锐利散射增加。

美国专利，公开号US20100195966A1，公开了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，解决芯包间粘度失衡，从而整体降低光纤的瑞利散射系数。但是由于掺杂碱金属，增加了光纤内部缺陷，造成应用波长(C+L波段)氢老化问题。中国发明专利，公开号CN103257393A，公开了采用双层芯结构，芯层采用锗/氟共掺，降低芯层粘度，但Ge掺杂会导致光纤衰减较高，在1550nm波长处的衰减值小于等于0.175dB/km，无法满足系统更低衰减要求，且其为实现良好的弯曲性能，采用深掺氟下陷包层，成本相对较高。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种氢不敏感超低损耗光纤及制作方法。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

一种氢不敏感超低损耗光纤，包括由内至外依次设置的芯层和包层，所述芯层包括由内至外依次设置的内芯层和外芯层，所述包层包括由内至外依次设置的内包层、中包层和外包层。

进一步的，所述内芯层的半径r1为1～3μm，内芯层的相对折射率差Δ1为-0.1％～0.1％，所述外芯层的半径r2为2～5μm，外芯层的相对折射率差Δ2为0.15％～0.25％。

进一步的，所述内芯层为掺碱金属纯硅芯层，内芯层中碱金属含量为20～1000ppm，氯含量为0～100ppm，所述外芯层为碱金属、氯共掺石英层，外芯层中碱金属含量为5～50ppm，氯含量为2000～20000ppm。

进一步的，所述内包层的半径r3为10～20μm，内包层的相对折射率差Δ3为-0.3％～-0.4％，内包层的相对折射率差△3与内芯层的相对折射率差△1的差值(△1-△3)为0.3％～0.4％。

进一步的，所述内包层半径r3与芯层半径的比值为2～4。

进一步的，所述中包层的半径r4为40～50μm，中包层的相对折射率差Δ4为-0.2％～-0.35％，中包层相对折射率差△4与内芯层的相对折射率差△1的差值(△1-△4)为0.2％～0.35％。

进一步的，所述外包层的半径r5为1～3μm，外包层的相对折射率差Δ5为-0.1％～0.1％，外包层相对折射率差△5与内芯层相对折射率差△1的差值(△1-△5)为0％～0.1％。

进一步的，所述氢不敏感超低损耗光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.29dB/km，在1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.5dB/km，在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.16dB/km，在1550nm波长处的模场直径为11～14μm，在1550nm波长处的有效面积为70～160μm^2。

进一步的，所述氢不敏感超低损耗光纤在1550nm波长处，对于围绕30mm弯曲半径绕100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB/km，在1625nm波长处，对于围绕30mm弯曲半径绕100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB/km，在1％浓度的氢氮混合气中静置7天后，其1550nm波长处氢损耗小于或等于0.006dB/km。

一种氢不敏感超低损耗光纤的制作方法，包括以下步骤：

1)芯层制备

内芯层制备：

将碱金属中性盐作为原料，由富氧载气带入纯硅石英管内进行碱金属掺杂，掺杂过程中温度控制在1000～1800℃，掺杂时间控制在2～6h，制备得到掺碱金属的内芯层，碱金属掺杂浓度为20ppm～1000ppm，磨削，抛光，粗糙度低于0.1μm；

外芯层制备：

在内芯层上套一根掺氯石英管，将碱金属中性盐作为原料，由富氧载气带入掺氯石英管内进行碱金属掺杂，掺杂过程中温度控制在1000～1800℃，掺杂时间控制在2～6h，最终形成内、外芯层两层结构，外芯层中的碱金属含量为5～50ppm，碱金属浓度由内向外依次降低，氯含量为2000～20000ppm，氯含量由内向外浓度增加，进行缩进；

2)包层制备

通过分段式渗氟及分段式烧结制备得到掺氟的内包层；

将制备的芯层和掺氟的内包层由内至外组装并融合成芯棒，芯棒中的内芯层、外芯层、内包层由内至外依次排布；

制备初始光棒，初始光棒中的内芯层、外芯层、内包层和中包层由内至外依次排布；

在初始光棒外制备外包层，随后进行高温烧结、拉丝，制成所需氢不敏感超低损耗光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开了一种氢不敏感超低损耗光纤及制作方法，属于光纤通信技术领域，该光纤包括由内至外依次设置的芯层和包层，芯层包括由内至外依次设置的内芯层和外芯层，包层包括由内至外依次设置的内包层、中包层和外包层。本发明提供的氢不敏感超低损耗光纤及制作方法，在1550nm窗口处具有极低的损耗系数，同时兼顾大有效面积，且具有良好的氢损性能及优秀的弯曲不敏感特性，非常适用于长距离、大容量、高速率光通信传输系统。

附图说明

图1为本发明实施例1的氢不敏感超低损耗光纤的折射率剖面结构分布图；

图2为本发明实施例1的氢不敏感超低损耗光纤的剖面结构分布图；

图3为本发明实施例1的氢不敏感超低损耗光纤的径向关键元素分布示意图。

具体实施方式

下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-3所示，一种氢不敏感超低损耗光纤，包括由内至外依次设置的芯层和包层，芯层包含由内至外依次设置的内芯层及外芯层，内芯层的半径r1为1～3μm，内芯层的相对折射率差Δ1为-0.1％～0.1％，外芯层的半径r2为2～5μm，外芯层的相对折射率差Δ2为0.15％～0.25％，围绕在芯层外有内、中、外三个包层，内包层半径r3为10～20μm，内包层的相对折射率差Δ3为-0.3％～-0.4％，内包层外是中包层，中包层半径r4为40～50μm，中包层相对折射率差Δ4为-0.2％～-0.35％，中包层外是外包层，外包层半径r5为1～3μm，外包层相对折射率差Δ5为-0.1％～0.1％。

内、外芯层均为掺碱金属石英玻璃，其中，内芯层为掺碱金属纯硅芯层，内芯层中碱金属含量为20～1000ppm，氯含量为0～100ppm，外芯层为碱金属、氯共掺石英层，外芯层中碱金属含量为5～50ppm，氯含量为2000～20000ppm，外芯层氯掺杂相对折射率贡献量ΔCl为0.15％～0.25％。

内包层由掺氟的石英玻璃组成，内包层半径r3与芯层半径(r1+r2)的比值为r3/(r1+r2)为2～4。

内包层的相对折射率差△3与内芯层的相对折射率差△1的差值(△1-△3)为0.3％～0.4％。

中包层由掺氟的玻璃组成，中包层相对折射率差△4与内芯层的相对折射率差△1的差值(△1-△4)为0.2％～0.35％。

外包层由纯石英玻璃组成，外包层相对折射率差△5与内芯层相对折射率差△1的差值(△1-△5)为0％～0.1％。

本发明的光纤具有小于或等于1530nm的光缆截止波长。

本发明的光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.29dB/km，优选0.26～0.28dB/km，在1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.5dB/km，优选小于0.4dB/km，在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.16dB/km，优选0.15～0.16dB/km，在1550nm波长处的模场直径为11～14μm，优选11.5～13.5μm，在1550nm波长处的有效面积为70～160μm^2，优选为115～145μm^2。

该光纤在1550nm波长处，对于围绕30mm弯曲半径绕100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB/km，优选小于0.02dB/km，在1625nm波长处，对于围绕30mm弯曲半径绕100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB/km，优选小于0.05dB/km，该光纤在1％浓度的氢氮混合气中静置7天后，其1550nm波长处氢损耗小于或等于0.006dB/km。

一种氢不敏感超低损耗光纤的制作方法，包括以下步骤：

1)芯层制备

芯层采用MCVD(改进化学气相沉积)方法制造，具体包括以下步骤：

内芯层制备：

将所使用KCl、KBr或NaCl等碱金属中性盐作为原料，由富氧载气带入纯硅石英管内进行碱金属掺杂，掺杂过程中温度控制在1000-1800℃范围内，掺杂时间控制在2-6h，制备得到掺碱金属的内芯层，通过外圆磨车床进行外径磨除3-4mm，使用20000目以上抛光粉进行冷抛光至粗糙度低于0.1μm状态，碱金属掺杂浓度为20ppm-1000ppm；

外芯层制备：

使用与内芯层制备方法相同的方法制造外芯层，在内芯层外套一根掺氯石英管，采用MCVD(改进化学气相沉积)方法，将所使用KCl、KBr或NaCl等碱金属中性盐作为原料，由富氧载气带入掺氯石英管内进行碱金属掺杂，掺杂过程中温度控制在1000-1800℃范围内，掺杂时间控制在2-6h，碱金属含量为5～50ppm，碱金属浓度由内向外依次降低，氯含量为2000-20000ppm，氯含量由内向外浓度增加，进行缩进，最终形成内、外芯层两层结构；

2)包层制备

采用VAD(轴向气相沉积)方法，在高温条件下使用分段渗氟烧结炉渗氟后制备得到内包层，保证纵向及轴向的掺氟浓度均匀，掺氟折射率深度至少达到-0.0052(-0.355％)(绝对折射率是-0.0052，相对折射率为-0.355％，使用PK2600测试得到)以下，整根棒的折射率极差/平均值控制在1.2％以内，实现超低损耗光纤波导结构；

将制备的芯层石英棒和掺氟内包层组装后，采用现有棒管法(英文全称为Rod intube，英文缩写为RIT)，通过抽真空融合成芯棒，芯棒中的内芯层、外芯层、内包层由内至外依次排布；

芯棒再使用相同的棒管法，制备初始光棒，初始光棒含由内至外依次排布的内芯层、外芯层、内包层和中包层；

为提升包层的粘度，改善光纤的应力分布，同时减少缺陷，改善光纤氢损性能，最后通过现有OVD工艺制备外包层，然后通过高温烧结完成成品光棒制备，然后上拉丝塔进行光棒拉丝，最终制备成品光纤，这种光纤适合长距离传输使用。

实施例1

如图1-3所示，一种氢不敏感超低损耗光纤，包括由内至外依次设置的芯层和包层，芯层包含由内至外依次设置的内芯层及外芯层，内芯层与外芯层的相对折射率差大于包层的相对折射率差，包层包括由内至外依次设置的内包层、中包层和外包层，其中，内包层的相对折射率差低于外包层的相对折射率差。

内芯层的半径r1为3μm，内芯层的相对折射率差Δ1为-0.01％。

外芯层的半径r2为3.2μm，外芯层的相对折射率差Δ2为0.25％。

内包层的半径r3为12.5μm，内包层的相对折射率差Δ3为-0.25％。

中包层的外径r4为41.5μm，中包层的相对折射率差Δ4为-0.2％。

外包层的半径r5为2.0μm，外包层的相对折射率差Δ5为-0.01％。

一种氢不敏感超低损耗光纤的制作方法，包括以下步骤：

1)芯层制备

芯层采用MCVD(改进化学气相沉积)方法制造，具体包括以下步骤：

内芯层制备：

将所使用KCl或KBr作为原料，由富氧载气带入纯硅石英管内进行碱金属掺杂，掺杂过程中温度控制在1000-1800℃范围内，掺杂时间控制在2-6h，制备得到掺碱金属的内芯层，通过外圆磨车床进行外径磨除3-4mm，使用20000目以上抛光粉进行冷抛光至粗糙度低于0.1μm状态，碱金属掺杂浓度为20ppm-1000ppm；

外芯层制备：

使用与内芯层制备方法相同的方法制造外芯层，在内芯层外套一根掺氯石英管，采用MCVD(改进化学气相沉积)方法，将所使用KCl或KBr作为原料，由富氧载气带入掺氯石英管内进行碱金属掺杂，掺杂过程中温度控制在1000-1800℃范围内，掺杂时间控制在2-6h，碱金属含量为5～50ppm，碱金属浓度由内向外依次降低，氯含量为2000-20000ppm，氯含量由内向外浓度增加，进行缩进，最终形成内、外芯层两层结构；

2)包层制备

采用VAD(轴向气相沉积)方法，在1100℃高温条件下使用分段渗氟烧结炉渗氟120min，即可制备得到内包层，保证纵向及轴向的掺氟浓度均匀，掺氟折射率深度至少达到-0.0052(-0.355％)(绝对折射率是-0.0052，相对折射率为-0.355％，使用PK2600测试得到)以下，整根棒的折射率极差/平均值控制在1.2％以内，实现超低损耗光纤波导结构；

将制备的芯层石英棒和掺氟内包层组装后，采用现有棒管法(英文全称为Rod intube，英文缩写为RIT)，通过抽真空融合成芯棒，芯棒中的内芯层、外芯层、内包层由内至外依次排布；

芯棒再使用相同的棒管法，制备初始光棒，初始光棒含由内至外依次排布的内芯层、外芯层、内包层和中包层；

为提升包层的粘度，改善光纤的应力分布，同时减少缺陷，改善光纤氢损性能，最后通过现有OVD工艺制备外包层，然后通过高温烧结完成成品光棒制备，然后上拉丝塔进行光棒拉丝，最终制备成品光纤，下表1记录了该光纤的特性，这种光纤适合长距离传输使用。

表1

图3为本实施例1的氢不敏感超低损耗光纤的径向关键元素(碱金属K、氯元素Cl)分布示意图，由图3可知，外芯层碱金属掺杂量低，整体缺陷密度低，所以氢损性能优越，另外由于氯掺杂，导致外芯层折射率高，带高整体△值，因此也拥有优越的弯曲性能。

本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。

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他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种氢不敏感超低损耗光纤，包括由内至外依次设置的芯层和包层，所述芯层包括由内至外依次设置的内芯层和外芯层，所述包层包括由内至外依次设置的内包层、中包层和外包层；其特征在于，所述内芯层的半径r1为1～3μm，内芯层的相对折射率差Δ1为-0.1％～0.1％，所述外芯层的半径r2为2～5μm，外芯层的相对折射率差Δ2为0.15％～0.25％；

所述内芯层为掺碱金属纯硅芯层，内芯层中碱金属含量为20～1000ppm，氯含量为0～100ppm，所述外芯层为碱金属、氯共掺石英层，外芯层中碱金属含量为5～50ppm，氯含量为2000～20000ppm；

所述内包层的半径r3为10～20μm，内包层的相对折射率差Δ3为-0.3％～-0.4％，内包层的相对折射率差△3与内芯层的相对折射率差△1的差值(△1-△3)为0.3％～0.4％；

所述中包层的半径r4为40～50μm，中包层的相对折射率差Δ4为-0.2％～-0.35％，中包层相对折射率差△4与内芯层的相对折射率差△1的差值(△1-△4)为0.2％～0.35％；

所述外包层的半径r5为1～3μm，外包层的相对折射率差Δ5为-0.1％～0.1％，外包层相对折射率差△5与内芯层相对折射率差△1的差值(△1-△5)为0％～0.1％；

所述外芯层的碱金属掺杂量低，整体缺陷密度低，光纤的氢损性能优越，由于氯掺杂，导致外芯层折射率高，带高整体△值，光纤拥有优越的弯曲性能。

2.根据权利要求1所述的一种氢不敏感超低损耗光纤，其特征在于，所述内包层半径r3与芯层半径的比值为2～4。

3.根据权利要求1所述的一种氢不敏感超低损耗光纤，其特征在于，所述氢不敏感超低损耗光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.29dB/km，在1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.5dB/km，在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.16dB/km，在1550nm波长处的模场直径为11～14μm，在1550nm波长处的有效面积为70～160μm^2。

4.根据权利要求1所述的一种氢不敏感超低损耗光纤，其特征在于，所述氢不敏感超低损耗光纤在1550nm波长处，对于围绕30mm弯曲半径绕100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB/km，在1625nm波长处，对于围绕30mm弯曲半径绕100圈弯曲附加损耗小于或等于0.05dB/km，在1％浓度的氢氮混合气中静置7天后，其1550nm波长处氢损耗小于或等于0.006dB/km。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种氢不敏感超低损耗光纤的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)芯层制备

内芯层制备：

将碱金属中性盐作为原料，由富氧载气带入纯硅石英管内进行碱金属掺杂，掺杂过程中温度控制在1000～1800℃，掺杂时间控制在2～6h，制备得到掺碱金属的内芯层，碱金属掺杂浓度为20ppm～1000ppm，磨削，抛光，粗糙度低于0.1μm；

外芯层制备：

在内芯层上套一根掺氯石英管，将碱金属中性盐作为原料，由富氧载气带入掺氯石英管内进行碱金属掺杂，掺杂过程中温度控制在1000～1800℃，掺杂时间控制在2～6h，最终形成内、外芯层两层结构，外芯层中的碱金属含量为5～50ppm，碱金属浓度由内向外依次降低，氯含量为2000～20000ppm，氯含量由内向外浓度增加，进行缩进；

2)包层制备

通过分段式渗氟及分段式烧结制备得到掺氟的内包层；

将制备的芯层和掺氟的内包层由内至外组装并融合成芯棒，芯棒中的内芯层、外芯层、内包层由内至外依次排布；

制备初始光棒，初始光棒中的内芯层、外芯层、内包层和中包层由内至外依次排布；

在初始光棒外制备外包层，随后进行高温烧结、拉丝，制成所需氢不敏感超低损耗光纤。