CN116974003A - 一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤及制备方法,该光纤为渐变型光纤,包括芯层和包层,芯层的折射率为抛物线型分布,包层包括三下陷包层和外包层。本发明中,芯层采用渐变抛物线型折射率分布,充分利用其可抑制非线性效应、放宽MAC对模场直径的容忍程度的优点,可较大程度降低芯层锗的掺杂量,使芯层和内包层粘度匹配更优,通过优化芯层折射率水平、调控三下陷包层的深度及宽度,可实现宏弯水平符合G.657A2的标准,满足FTTH复杂的布局环境的要求,同时拥有大的模场直径,可与常规G.652D完全兼容;外包层掺铝,可提升玻璃的粘度,拉丝时将应力集中在包层,芯层受力较少,减少光纤内部缺陷,从而降低光纤衰减。
Description
技术领域
本发明属于光纤制造技术领域,具体涉及一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤及制备方法。
背景技术
随着光纤传输网络的不断演进,5G通信网络快速成长,运营商对于网络传输容量的需求不断提高,光纤的衰减损耗和非线性效应成为制约系统传输性能提升的主要因素。
低衰减损耗光纤可以有效提高光纤通信过程中的光信噪比,提高系统传输距离以减少中继站设置,降低运营成本。
光纤的非线性效应可通过增加光纤有效面积、降低光纤传输的光功率水平来抑制,因此,对于传输光纤来说,模场直径越大越好。但是,根据前期多年研究发现,在光缆截止波长小于1260nm、满足全波段传输的情况下,模场直径变大会导致MAC(定义为模场直径与截止波长的比值)变大,不利于光纤的弯曲性能。而如今在光纤到户(FTTH)大面积普及的情况下,保证狭小空间内光纤在弯曲条件下的传输性能也是必要的。
综上,开发一种低衰减、模场直径较大且弯曲不敏感的光纤是必要的,将有助于解决G.652光纤与G.657光纤因为模场直径差异带来的熔接损耗偏大的问题。
中国发明专利,公开号CN105334570,公开了一种低衰减弯曲不敏感单模光纤,其采用芯层折射率按分布指数α=1.5~9.0抛物线形分布,同时设置下陷包层,光纤模场直径可做到与常规G.652D兼容。但是,下陷包层较浅、较窄,对基模泄露的抑制有限,宏弯损耗只能满足G.657A1标准,同时1550nm波段衰减仍主要集中在0.180dB/km以上。
中国发明专利,公开号CN110488411,公开了一种抗弯曲单模光纤,采用芯层折射率按分布指数α=2.2~2.5抛物线形分布,同时设置下陷包层,虽宏弯较优已达到了G.657B3的水平,但是其对模场直径进行了一定程度的妥协,光纤在1310nm处的模场直径偏小,为8.2~9.0μm,牺牲了与常规G.652D的兼容性,且未提及对衰减水平的影响。
中国发明专利,公开号CN113608298,公开了一种大模场直径弯曲不敏感单模光纤,采用芯层折射率按分布指数α=1.5~3.5抛物线形分布,同时设置下陷包层,光纤模场直径在8.8~9.4μm,不能完全与常规G.652D兼容,同时1550nm波段衰减仍主要集中在0.175dB/km以上。
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低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤及制备方法。
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:
一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,所述光纤为渐变型光纤,包括芯层和包层,所述芯层的折射率为抛物线型分布,所述包层包括三下陷包层和外包层。
进一步的,所述芯层折射率满足如下幂指数分布:
其中,r为光纤芯子中任一点到中心位置的距离,n(r)为该点的折射率,n(0)为芯层中心位置的折射率,a为光纤芯层的半径,α为分布幂指数,α为2.0~4.5,Δ为芯层相对于纯二氧化硅的折射率差。
进一步的,所述芯层为锗氟共掺杂的石英玻璃层,其中氟的浓度不变,锗的掺杂浓度随半径增大而递减,芯层半径R1为3.5~4.5μm,相对折射率差Δ1为0.25%~0.40%。
进一步的,所述三下陷包层包括由内至外依次设置的内包层、下陷包层和缓冲下陷包层,所述芯层、外包层、内包层、缓冲下陷包层、下陷包层的相对折射率差逐渐减小。
进一步的,所述内包层掺氟,半径R2为6.5~10μm,相对折射率差Δ2为-0.12%~-0.04%。
进一步的,所述下陷包层掺氟,但氟的掺杂浓度随半径增大而递减,半径R3为12~17μm,相对折射率差Δ3为-0.45%~-0.20%。
进一步的,所述缓冲下陷包层为氟氯共掺杂的石英玻璃层,半径R4为18~25μm,相对折射率差Δ4为-0.17%~-0.14%,其中氯的折射率贡献为0.05%~0.10%。
进一步的,所述外包层为掺铝的石英玻璃层,铝的掺杂浓度为5~30ppm。
进一步的,所述光纤在1310nm波段处衰减≤0.315dB/km;在1383nm波段处衰减≤0.265dB/km,在1550nm波段处衰减≤0.176dB/km;1310nm的模场直径为8.8μm~9.6μm,成缆截止波长≤1260nm,光纤零色散波长为1300nm~1324nm;宏弯水平满足圈,1550nm附加损耗≤0.02dB,1625nm附加损耗≤0.08dB,/>圈,1550nm附加损耗≤0.08dB,1625nm附加损耗≤0.2dB,/>圈,1550nm附加损耗≤0.3dB,1625nm附加损耗≤0.7dB,满足或优于对G.657A2产品要求的宏弯标准。
本发明还公开了一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤的制备方法,包括以下步骤:
S1.以四氯化硅为主要原料,通过轴向汽相沉积法或外部气相沉积法制备锗氟共掺松散体,随后进行烧结、延伸,得到延伸芯棒一,其包含芯层和内包层;
S2.以四氯化硅为主要原料,通过轴向汽相沉积法或外部气相沉积法制备松散体,进行渗氟烧结,控制渗氟过程中氟的用量,以达到氟的掺杂浓度随半径增大而递减的目的,再加工成合适内外径的掺氟的下陷包层;
S3.延伸芯棒一组装入下陷包层中,再进行延伸,得到延伸芯棒二,其包含芯层、内包层和下陷包层;
S4.延伸芯棒二作为沉积母棒,利用外部气相沉积法沉积缓冲下陷包层,渗氟、通氯烧结后得到光棒,其包含芯层、内包层、下陷包层和缓冲下陷包层;
S5.光棒作为沉积母棒,利用外部气相沉积法沉积外包层,高温烧结过程中掺杂铝离子,得到光纤预制棒,其包含芯层、内包层、下陷包层、缓冲下陷包层和外包层;
S6.对光纤预制棒进行拉丝,拉丝速度为1500~2000m/min,采用拉丝退火工艺,得到低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
1.本发明采用芯层渐变抛物线型折射率分布,充分利用其可以抑制非线性效应、放宽MAC对模场直径的容忍程度的优点,通过优化芯层折射率水平、调控三下陷包层的深度及宽度,可以实现宏弯水平符合G.657A2的标准,满足FTTH复杂的布局环境的要求,同时拥有大的模场直径,可与常规G.652D完全兼容;
2.本发明设计芯层渐变抛物线型折射率分布可以较大程度降低芯层锗的掺杂量,使芯层和内包层粘度匹配更优,下陷包层的氟掺杂浓度从中心向外呈现梯度递减分布,可更好的与内包层和缓冲下陷包层进行粘度匹配,减少拉丝缺陷以及瑞利散射来降低衰减损耗;
3.本发明设置氟氯共掺杂的缓冲下陷包层,一方面可以协同内包层以及下陷包层,通过优化三下陷包层的深度及宽度,达到更好的抗弯性能,另一方面,缓冲下陷包层中的氯元素可以有效阻挡外包层中的羟基向内扩散,减弱其对光纤衰减造成的负面影响;
4.通过在OVD法沉积的外包层中掺杂铝,可提升玻璃的粘度,在拉丝过程中将应力集中在包层,芯层受力较少,减少光纤内部缺陷,从而降低光纤衰减。
附图说明
图1为本发明的光纤折射率剖面图。
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。
如图1所示,一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,为渐变型光纤,包含芯层和包层,芯层的折射率为抛物线分布,分布幂指数α为2.0~4.5,芯层折射率满足如下幂指数分布:
其中,r为光纤芯子中任一点到中心位置的距离,n(r)为该点的折射率,n(0)为芯层中心位置的折射率,a为光纤芯层的半径,Δ为芯层相对于纯二氧化硅的折射率差。
芯层为锗氟共掺杂的石英玻璃层,其中氟的浓度不变,锗的掺杂浓度随半径增大而递减,芯层半径R1为3.5~4.5μm,相对折射率差Δ1为0.25%~0.40%。
包层包括三下陷包层(由内至外依次为内包层、下陷包层、缓冲下陷包层)和外包层。内包层掺氟,半径R2为6.5~10μm,相对折射率差Δ2为-0.12%~-0.04%;下陷包层同样掺氟,但氟的掺杂浓度随半径增大而递减,优化了其与内包层和缓冲下陷包层的粘度匹配,半径R3为12~17μm,相对折射率差Δ3为-0.45%~-0.20%;缓冲下陷包层为氟氯共掺杂的石英玻璃层,半径R4为18~25μm,相对折射率差Δ4为-0.17%~-0.14%,其中氯的折射率贡献为0.05%~0.10%;外包层为掺铝的石英玻璃层,铝的掺杂浓度为5~30ppm,相对折射率差为Δ5,Δ1>Δ5>Δ2>Δ4>Δ3。
一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤的制备方法,包括以下步骤:
S1.以四氯化硅为主要原料,其流量为0.30~6.00slpm,通过轴向汽相沉积法(VAD)或外部气相沉积法(OVD)制备锗氟共掺松散体,其中,四氯化锗的流量为0.04~0.10slpm,四氟化碳的流量为0.10~0.80slpm,随后进行烧结、延伸,得到延伸芯棒一,此步得到芯层+内包层;
S2.以四氯化硅为主要原料,控制流量为0.30~6.00slpm,通过VAD法或OVD法制备松散体,进行渗氟烧结,控制渗氟过程中氟的用量在0.10~1.00slpm,以达到氟的掺杂浓度随半径增大而递减的目的,再加工成合适内外径的掺氟的下陷包层;
S3.延伸芯棒一组装入下陷包层中,再进行熔缩、延伸,过程中需对延伸功率(22%~40%)、蚀刻功率(10~40%)、蚀刻次数(1~9次)等参数进行控制得到延伸芯棒二,此步得到芯层+内包层+下陷包层;
S4.延伸芯棒二作为沉积母棒,利用OVD工艺沉积缓冲下陷包层,此步通过控制沉积重量来控制外径及外径极差(0~12mm),渗氟、通氯烧结后得到光棒,渗氟流量在0.5~1.5slpm,此步得到芯层+内包层+下陷包层+缓冲下陷包层;
S5.光棒作为沉积母棒,利用OVD工艺沉积外包层,高温烧结过程中掺杂铝离子,铝离子的掺杂浓度在5~30ppm,得到光纤预制棒,此步得到芯层+内包层+下陷包层+缓冲下陷包层+外包层;
S6.对光纤预制棒进行拉丝,拉丝速度为1500~2000m/min,采用拉丝退火工艺,得到低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤。
本发明的低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤在1310nm波段处衰减≤0.315dB/km;在1383nm波段处衰减≤0.265dB/km,在1550nm波段处衰减≤0.176dB/km;1310nm的模场直径为8.8μm~9.6μm,成缆截止波长≤1260nm,光纤零色散波长为1300nm~1324nm;宏弯水平满足圈,1550nm附加损耗≤0.02dB,1625nm附加损耗≤0.08dB,/>圈,1550nm附加损耗≤0.08dB,1625nm附加损耗≤0.2dB,/>圈,1550nm附加损耗≤0.3dB,1625nm附加损耗≤0.7dB,满足或优于对G.657A2产品要求的宏弯标准。
实施例1
如图1所示,一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,为渐变型光纤,包含芯层和包层,芯层的折射率为抛物线分布,分布幂指数α为2.6,芯层折射率满足如下幂指数分布:
其中,r为光纤芯子中任一点到中心位置的距离,n(r)为该点的折射率,n(0)为芯层中心位置的折射率,a为光纤芯层的半径,Δ为芯层相对于纯二氧化硅的折射率差。
芯层为锗氟共掺杂的石英玻璃层,其中氟的浓度不变,锗的掺杂浓度随半径增大而递减。
采用OVD法一步制备沉积锗氟共掺芯层(梯度掺锗,α=2.6)、掺氟内包层,采用VAD法制备掺氟下陷包层(梯度掺氟),采用OVD法分步沉积氟氯共掺缓冲下陷包层和掺铝外包层,各层半径满足:R1=4.3μm、R2=9.5μm、R3=16.8μm、R4=24.2μm,芯层相对折射率Δ1为0.311%,内包层相对折射率差Δ2=-0.052%,下陷包层相对折射率差Δ3=-0.309%,缓冲下陷包层相对折射率差Δ4=-0.145%,外包层相对折射率差Δ5=0.009%,铝离子掺杂浓度在15ppm,在2000m/min速度同时辅助退火工艺拉丝,测得光纤主要指标如下:1310nm衰减系数为0.305dB/km,1383nm衰减系数为0.257dB/km,1550nm衰减系数为0.171dB/km;1310nm的模场直径为9.25μm,22m截止波长为1247nm,光纤零色散波长为1316.5nm;宏弯水平满足圈,1550nm附加损耗为0.015dB,1625nm附加损耗0.048dB,/>圈,1550nm附加损耗为0.042dB,1625nm附加损耗为0.125dB,/>圈,1550nm附加损耗为0.194dB,1625nm附加损耗为0.613dB。
本实施例1所制备光纤参数满足预设的低衰减需求,同时模场直径可与常规G.652D兼容,宏弯水平满足对G.657A2产品要求的宏弯标准。
实施例2
采用OVD法一步制备沉积锗氟共掺芯层(梯度掺锗,α=3.8)、掺氟内包层,采用VAD法制备掺氟下陷包层(梯度掺氟),采用OVD法分步沉积氟氯共掺缓冲下陷包层和掺铝外包层,各层半径满足:R1=3.8μm,R2=9.0μm,R3=15.2μm,R4=22.4μm,芯层相对折射率差Δ1为0.395%,内包层相对折射率差Δ2=-0.084%,下陷包层相对折射率差Δ3=-0.342%,缓冲下陷包层相对折射率差Δ4=-0.160%,外包层相对折射率差Δ5=0.005%,铝离子掺杂浓度在12ppm,在2000m/min速度同时辅助退火工艺拉丝,测得光纤主要指标如下:1310nm衰减系数为0.306dB/km,1383nm衰减系数为0.256dB/km,1550nm衰减系数为0.173dB/km;1310nm的模场直径为9.18μm,22m截止波长为1250nm,光纤零色散波长为1315.4nm;宏弯水平满足圈,1550nm附加损耗为0.018dB,1625nm附加损耗0.057dB,/>圈,1550nm附加损耗为0.039dB,1625nm附加损耗为0.123dB,/>圈,1550nm附加损耗为0.204dB,1625nm附加损耗为0.610dB。
本实施例2所制备光纤参数满足预设的低衰减需求,同时模场直径可与常规G.652D兼容,宏弯水平满足对G.657A2产品要求的宏弯标准。
余同实施例1。
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 (10)
1.一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其特征在于,所述光纤为渐变型光纤,包括芯层和包层,所述芯层的折射率为抛物线型分布,所述包层包括三下陷包层和外包层。
2.根据权利要求1所述的一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其特征在于,所述芯层折射率满足如下幂指数分布:
其中,r为光纤芯子中任一点到中心位置的距离,n(r)为该点的折射率,n(0)为芯层中心位置的折射率,a为光纤芯层的半径,α为分布幂指数,α为2.0~4.5,Δ为芯层相对于纯二氧化硅的折射率差。
3.根据权利要求1所述的一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其特征在于,所述芯层为锗氟共掺杂的石英玻璃层,其中氟的浓度不变,锗的掺杂浓度随半径增大而递减,芯层半径R1为3.5~4.5μm,相对折射率差Δ1为0.25%~0.40%。
4.根据权利要求1所述的一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其特征在于,所述三下陷包层包括由内至外依次设置的内包层、下陷包层和缓冲下陷包层,所述芯层、外包层、内包层、缓冲下陷包层、下陷包层的相对折射率差逐渐减小。
5.根据权利要求1所述的一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其特征在于,所述内包层掺氟,半径R2为6.5~10μm,相对折射率差Δ2为-0.12%~-0.04%。
6.根据权利要求1所述的一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其特征在于,所述下陷包层掺氟,但氟的掺杂浓度随半径增大而递减,半径R3为12~17μm,相对折射率差Δ3为-0.45%~-0.20%。
7.根据权利要求1所述的一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其特征在于,所述缓冲下陷包层为氟氯共掺杂的石英玻璃层,半径R4为18~25μm,相对折射率差Δ4为-0.17%~-0.14%,其中氯的折射率贡献为0.05%~0.10%。
8.根据权利要求1所述的一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其特征在于,所述外包层为掺铝的石英玻璃层,铝的掺杂浓度为5~30ppm。
9.根据权利要求1所述的一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤,其特征在于,所述光纤在1310nm波段处衰减≤0.315dB/km;在1383nm波段处衰减≤0.265dB/km,在1550nm波段处衰减≤0.176dB/km;1310nm的模场直径为8.8μm~9.6μm,成缆截止波长≤1260nm,光纤零色散波长为1300nm~1324nm;宏弯水平满足圈,1550nm附加损耗≤0.02dB,1625nm附加损耗≤0.08dB,/>圈,1550nm附加损耗≤0.08dB,1625nm附加损耗≤0.2dB,/>圈,1550nm附加损耗≤0.3dB,1625nm附加损耗≤0.7dB,满足或优于对G.657A2产品要求的宏弯标准。
10.一种低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.以四氯化硅为主要原料,通过轴向汽相沉积法或外部气相沉积法制备锗氟共掺松散体,随后进行烧结、延伸,得到延伸芯棒一,其包含芯层和内包层;
S2.以四氯化硅为主要原料,通过轴向汽相沉积法或外部气相沉积法制备松散体,进行渗氟烧结,控制渗氟过程中氟的用量,以达到氟的掺杂浓度随半径增大而递减的目的,再加工成合适内外径的掺氟的下陷包层;
S3.延伸芯棒一组装入下陷包层中,再进行延伸,得到延伸芯棒二,其包含芯层、内包层和下陷包层;
S4.延伸芯棒二作为沉积母棒,利用外部气相沉积法沉积缓冲下陷包层,渗氟、通氯烧结后得到光棒,其包含芯层、内包层、下陷包层和缓冲下陷包层;
S5.光棒作为沉积母棒,利用外部气相沉积法沉积外包层,高温烧结过程中掺杂铝离子,得到光纤预制棒,其包含芯层、内包层、下陷包层、缓冲下陷包层和外包层;
S6.对光纤预制棒进行拉丝,拉丝速度为1500~2000m/min,采用拉丝退火工艺,得到低衰减大模场直径弯曲不敏感单模光纤。
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