CN116908957A - 一种g.654.e光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种G.654.E光纤及制备方法，所述光纤包括复合芯层、包覆在复合芯层外的过渡层、包覆在过渡层外的外包层，其特征在于：所述复合芯层包括从内到外设置的芯层、第一内包层、第二内包层以第一外包层，所述包覆在过渡层外的外包层作为第二外包层；所述芯层为锗氟及碱金属共掺石英玻璃材质，碱金属掺杂浓度为10～200ppm。本发明的光纤截止波长、模场直径、损耗系数、色散等综合性能参数在应用波段良好，可满足G.654.E光纤标准。本发明的光纤截止波长、模场直径、损耗系数、色散等综合性能参数在应用波段性能优越，可满足G.654.E光纤标准。
Description
技术领域：
本发明属于光纤技术领域，特别涉及一种G.654.E光纤及其制备方法。
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已经作为骨干网升级的重要实施手段。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，从而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降低带来的好处，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。如CN106458696B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,但芯层的制备工艺非常复杂，将芯部分为三部分，前两部分均进行碱金属掺杂，最后一部分使用高浓度氯掺杂(改善碱金属掺杂引起的玻璃缺陷)，过程质量控制难度大，需要分多批次对芯棒进行处理，该种方法虽然可以有效的降低光纤衰减及玻璃缺陷，但光纤制造成本高，良品率低，若应用于陆地通信传输系统会大幅增加投资成本，性价比较低。专利US 10571628 B2，芯层采用氟氯共掺，包层掺氟波导结构，虽然芯部通过高浓度氯掺杂对芯棒粘度有一定程度的改善，但相较于掺氟包层整体粘度还是偏大，这就需要拉丝过程以极低的拉丝速度及拉丝张力进行生产，产量较为受限，且所制备的光纤1550nm衰减系数典型值在0.168dB/km上，现阶段陆地长距离通信系统希望成缆后衰减系数能控制在0.170dB/km以下，该类型的光纤对后续的成缆提出了非常高的要求。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种G.654.E光纤及其制备方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供了一种G.654.E光纤，包括复合芯层、包覆在复合芯层外的过渡层、包覆在过渡层外的外包层，所述复合芯层包括从内到外设置的芯层、第一内包层、第二内包层以第一外包层，所述包覆在过渡层外的外包层作为第二外包层；所述芯层为锗氟及碱金属共掺石英玻璃材质，碱金属掺杂浓度为10～200ppm。
进一步的，作为优选，所述芯层的相对折射率差Δ1为0％～0.1％，相对折射率的贡献量ΔGe为0.05％～0.15％，氟的贡献量ΔF等于或低于-0.05％。
进一步的，作为优选，所述第二外包层为纯石英玻璃材质。
进一步的，作为优选，所述芯层的半径R1为6～7μm；
所述第一内包层的半径R2为10～15μm，相对折射率差Δ2为-0.1％～-0.2％；
所述第二内包层的半径R3为18～22μm，相对折射率差Δ3为-0.3％～-0.6％；
所述第一外包层的半径R4为48～56μm，相对折射率差Δ4为-0.2％～-0.4％；
所述过渡层的相对折射率差与第一外包层的相对折射率差一致。
本发明还提供一种制备上述G.654.E光纤的方法，包括以下步骤：
1)以掺氟石英衬管作为第一外包层，将掺氟石英衬管置于等离子体管内沉积车床上，往掺氟石英衬管内通入生长气体，在掺氟石英衬管内依次沉积第二内包层、第一内包层及芯层；
2)将掺氟石英衬管移至熔缩车床上，熔缩成复合芯层；
3)将复合芯层、过渡层共同塞入第二外包层中进行组装，形成在线G.654.E光棒；
4)将G.654.E光棒上拉丝塔在线拉丝，制成成品光纤。
进一步的，作为优选，所述第一内包层、第二内包层、第一外包层均由掺氟的石英玻璃组成。
进一步的，作为优选，所制得的光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.3dB/km。
进一步的，作为优选，所制得的光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.17dB/km，模场直径为11.9um～12.7μm。
进一步的，作为优选，所制得的光纤截止波长小于或等于1520nm。
进一步的，作为优选，所制得的光纤在1625nm波长处，围绕30mm弯曲半径绕100圈弯曲附加损耗小于或等于0.03dB。
与现有技术相比，本发明的一个方面具有如下有益效果：
(1)本发明的复合芯层采用等离子体管内沉积法在线碱金属扩散工艺制备，通过提升碱金属的掺杂浓度来降低芯层的粘度，可优化光纤各个部分粘度和光纤的应力；同时掺杂少量锗和氟元素，可减少因碱金属掺杂后产生的玻璃缺陷，最终实现单模光纤的超低衰减性能；
(2)本发明利用等离子体管内沉积掺氟工艺的优势，在包层中间设置掺氟沟槽层(即第二内包层)，一方面可提升光纤抗弯曲性能，另一方面可以补偿最外层纯石英玻璃波导结构的光功率泄漏，避免损耗增加；
(3)本发明的光纤截止波长、模场直径、损耗系数、色散等综合性能参数在应用波段性能优越，可满足G.654.E光纤标准。
附图说明：
图1为本发明的一种G.654.E光纤的截面示意图；
图2为本发明的一种制备上述G.654.E光纤的方法的流程示意图；
图3为本发明的一种G.654.E光纤的折射率剖面图；
附图标记：1-复合芯层、101-芯层、102-第一内包层、103-第二内包层、104-第一外包层、2-过渡层、3-外包层。
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
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。
实施例1：
如图1-3所示，一种G.654.E光纤，包括复合芯层1、包覆在复合芯层1外的过渡层2、包覆在过渡层2外的外包层3，所述复合芯层1包括从内到外设置的芯层 101、第一内包层102、第二内包层103以第一外包层104，所述包覆在过渡层2外的外包层3作为第二外包层；其中芯层101的半径R1为6.1μm，相对折射率差Δ1为0.07％；第一内包层102的半径R2为10.9μm，相对折射率差Δ2为-0.15％；第二内包层103的半径R3为18.5μm，相对折射率差Δ3为-0.44％；第一外包层104的半径R4为52.4μm，相对折射率差Δ4为-0.25％；过渡层2与第一外包层104的相对折射率差一致。
如图2所示，上述光纤按照以下步骤制备：
1)以掺氟石英衬管(外购F320-25)作为第一外包层104，将掺氟石英衬管(外购F320-25)置于等离子体管内沉积车床上，往掺氟石英衬管内通入生长气体，生长气体为SiCl4、GeCl4的蒸气和O2、C2F6气体的混合物；掺氟石英衬管中的混合气体维持在1kPa左右的低气压，先在掺氟石英衬管内壁沉积一层第二内包层103，接着在第二内包层103内壁沉积一层第一内包层102，最后在第一内包层102的内壁沉积芯层101；
2)将上述掺氟石英衬管从等离子体管内沉积车床上取出后挪至熔缩车床上，熔缩成复合芯层1；
3)将复合芯层2、过渡层3共同塞入第二外包层中进行组装，形成在线G.654.E光棒，其中过渡层2也选用掺氟石英管(外购F320-25)；
4)将G.654.E光棒上拉丝塔在线拉丝，制成成品光纤。
上述步骤1)中掺氟石英衬管的其中一端连接到气体流量控制柜中，另一端连接到真空泵，掺氟石英衬管中的混合气体维持在1kPa左右的低气压下，掺氟石英衬管被一只金属谐振腔环绕，微波能量(功率为数百瓦到数千瓦)输入到谐振腔中，使反应管中的原料气体电离形成等离子体并产生化学反应。谐振腔沿石英玻璃管快速运动，形成透明的掺杂的SiO2薄膜，均匀地沉积在石英玻璃管内壁，沉积到一定厚度后，增大GeCl4和C2F6气体的流量，从而实现第二内包层、第一内包层及芯层掺氟SiO2层的制备，当沉积层数达到预设目标后，即完成沉积的操作。
上述步骤2)中利用熔缩车床的高温石墨炉对石英管内壁进行碱金属高温扩散，石墨炉温控制在1800℃左右，慢速移动石墨炉(大约30mm/min)、往复循环10-15次，可以实现100～200ppm浓度的碱金属掺杂，掺杂结束后，将石墨炉炉温提高到2200℃左右，将掺杂后的石英管熔缩成石英棒。
对上述制备的光纤进行不同波段的衰减性能、零色散波长λ0、色散斜率、模场直径、截止波长λcc、有效面积等的性能测试，测试结果如下表所示：
从上述测试结果看，本发明制得的光纤截止波长、模场直径、损耗系数、色散等综合性能均比较优越，能够满足G.654.E光纤标准。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种G.654.E光纤，包括复合芯层、包覆在复合芯层外的过渡层、包覆在过渡层外的外包层，其特征在于：所述复合芯层包括从内到外设置的芯层、第一内包层、第二内包层以第一外包层，所述包覆在过渡层外的外包层作为第二外包层；所述芯层为锗氟及碱金属共掺石英玻璃材质，碱金属掺杂浓度为10～200ppm。
2.根据权利要求1所述的一种G.654.E光纤，其特征在于：所述芯层的相对折射率差Δ1为0％～0.1％，相对折射率的贡献量ΔGe为0.05％～0.15％，氟的贡献量ΔF等于或低于-0.05％。
3.根据权利要求1所述的一种G.654.E光纤，其特征在于：所述第二外包层为纯石英玻璃材质。
4.根据权利要求2所述的一种G.654.E光纤，其特征在于：所述芯层的半径R1为6～7μm；
所述第一内包层的半径R2为10～15μm，相对折射率差Δ2为-0.1％～-0.2％；
所述第二内包层的半径R3为18～22μm，相对折射率差Δ3为-0.3％～-0.6％；
所述第一外包层的半径R4为48～56μm，相对折射率差Δ4为-0.2％～-0.4％；
所述过渡层的相对折射率差与第一外包层的相对折射率差一致。
5.一种制备权利要求1-4任一项所述的G.654.E光纤的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)以掺氟石英衬管作为第一外包层，将掺氟石英衬管置于等离子体管内沉积车床上，往掺氟石英衬管内通入生长气体，在掺氟石英衬管内依次沉积第二内包层、第一内包层及芯层；
2)将掺氟石英衬管移至熔缩车床上，熔缩成复合芯层；
3)将复合芯层、过渡层共同塞入第二外包层中进行组装，形成在线G.654.E光棒；
4)将G.654.E光棒上拉丝塔在线拉丝，制成成品光纤。
6.根据权利要求5所述的一种制备G.654.E光纤的方法，其特征在于：所述第一内包层、第二内包层、第一外包层均由掺氟的石英玻璃组成。
7.根据权利要求5所述的一种制备G.654.E光纤的方法，其特征在于：所制得的光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.3dB/km。
8.根据权利要求5所述的一种制备G.654.E光纤的方法，其特征在于：所制得的光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.17dB/km，模场直径为11.9um～12.7μm。
9.根据权利要求5所述的一种制备G.654.E光纤的方法，其特征在于：所制得的光纤截止波长小于或等于1520nm。
10.根据权利要求5所述的一种制备G.654.E光纤的方法，其特征在于：所制得的光纤在1625nm波长处，围绕30mm弯曲半径绕100圈弯曲附加损耗小于或等于0.03dB。
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