CN1300609C - 高性能色散补偿光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种色散补偿光纤和色散补偿模块以及色散补偿光纤的制造方法，该光纤包括有芯层和包绕芯层的包层，芯层包括有五个纤芯分层，第一纤芯分层的Δ%为正，并且至少有另一纤芯分层的Δ%为负；本发明采用PCVD工艺对衬底管进行沉积，在芯棒沉积过程中，通过掺入氟里昂(C₂F₆)实现光纤芯层周围的下陷分层的沉积，并采用大尺寸的光纤预制棒制造技术，通过拉伸工艺将较大直径的预制棒拉伸成较小直径的预制棒再送入拉丝炉进行拉丝。色散补偿光纤及模块在C波段是单模传输形式，具有负的色散和色散斜率，对在C波段传输的光纤色散的补偿率可以达到80%以上。在C波段，具有更低的衰减特性和更高的品质因数，有利于提高传输系统的信噪比。

Description

高性能色散补偿光纤及其制造方法

                          技术领域

本发明涉及一种色散补偿光纤和色散补偿模块以及色散补偿光纤的制造方法，具体地说是采用等离子体化学气相沉积法制造光纤预制棒，通过对光纤折射率剖面和掺杂材料的控制，以制备高性能色散补偿光纤的方法。该光纤具有更低的衰减特性和更高的品质因数。

                          背景技术

传输光纤的色散会导致信号波形畸变，是长途传输的制约因素。理论分析表明，传输系统速率越高，允许的色散越小。为减小色散的影响，目前解决光纤色散对系统性能影响的有效办法是采用色散补偿技术，即采用色散补偿光纤进行色散补偿。同时需要色散补偿光纤具有与通信光纤相反的色散分布，即负的色散斜率。

作为传输线路上的色散补偿模块，由于其实现色散补偿的功能，而付出的代价是引入插入损耗。降低色散补偿模块的插入损耗将从多方面提高光通信系统的传输性能：降低传输系统的信噪比；简化光放大模块的设计；减少注入功率，降低非线性效应对传输的影响。因此，降低色散补偿模块的插入损耗是优化传输性能，降低通讯成本，简化系统设计的重要环节。色散补偿模块的插入损耗包括色散补偿光纤的衰减和熔接损耗两部分。在熔接损耗确定的情况下，模块的插入损耗由光纤的衰减决定。光纤的衰减A_fiber为：

$A_{\mathrm{fiher}}=\mathrm{Att}\×L=\mathrm{Att}\×\frac{D_{\mathrm{total}}}{D}=\frac{D_{\mathrm{total}}}{\mathrm{FOM}}$

其中，Att是光纤的衰减系数，L是光纤长度，D_total是模块的总的色散，D是光纤的色散系数，FOM是光纤的品质因数，并且：

$\mathrm{FOM}=\frac{D}{\mathrm{Att}}$

因此，用于色散补偿模块的色散补偿光纤不仅应具有较低的衰减系数，更要有较高的品质因数。目前，品质因数能达到的水平是200ps/nm·dB，个别的可以到300ps/nm·dB。

在相关专利中，美国专利5361319介绍了用于色散补偿光纤的一般折射率剖面，但其衰减(小于1dB/km)和色散(小于-20ps/nm.km)指标不能满足目前通信传输的应用，并且品质因数只有120ps/nm·dB。美国公开专利20020159731A1通过优化光纤折射率剖面和在改进的化学气相沉积工艺制棒过程中掺磷材料的方法，品质因数可以达到300ps/nm·dB。但是，这是以光纤具有较低的负色散(小于-180ps/nm·km)，工作波长临近截止波长，从而光纤具有较敏感的弯曲损耗，工作不稳定为代价的。光纤的衰减也不易降低(大于0.5dB/km)。中国专利CN1100273C介绍了色散补偿光纤的折射率剖面及其能达到的指标，但是该专利没有涉及衰减和品质因数，不能全面的评价色散补偿光纤。中国专利CN1087432C介绍了掺二氧化锗和氟的色散补偿光纤预制棒制造工艺，但是同样存在衰减(小于1dB/km)和色散(小于-50ps/nm·km)指标较差的问题，并且没有涉及品质因数这一重要参数。

本发明一些术语的定义：

折射率剖面：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)玻璃折射率与其半径之间的关系。

套管：符合一定截面积要求的厚壁高纯石英玻璃管。

RIT工艺：将芯棒插入套管中组成光纤预制棒。

氧硅比(O/Si值)：定义为沉积时导入衬底管的全部氧气与(SiCl₄+GeCl₄)的比值。

相对折射率： $\mathrm{\Δ}\%=[({n_i}^2-{n_0}^2)/{2n}_i^2]\×100\%,$ 其中n_i为第i层的光纤折射率，n₀为纯二氧化硅玻璃层的折射率。除非另作说明，n_i是用Δ％表征的纤芯区中的最大折射率。每个分层的半径是从光纤的中心线至该分层离中心线最远的点。分层的折射率分布是该分层在各径向点处的折射率值。

总色散定义为光纤波导色散和材料色散的代数和，在光纤通信领域，总色散被称为光纤的色散，其单位为ps/nm·km。

色散斜率表示色散值对波长的依赖性，是在横轴取为波长、纵轴取为色散值进行描绘时的曲线的斜率，其单位为ps/nm²·km。在波分复用系统中，如果传输线路的色散斜率大，则各波长之间的色散值的差值变大，整个传输特性会恶化。

有效面积Aeff为：

              Aeff＝2π(∫E²rdr)²/(∫E⁴rdr)

其中积分限为0到∞，并且E为与传播有关的电场

PMD是光纤偏振模色散的缩写

MCVD：改进的化学气相沉积法

PCVD：等离子体化学气相沉积法

OVD：管外气相沉积法

VAD：轴向气相沉积法

                          发明内容

本发明所要解决的技术问题是在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种色散补偿光纤和色散补偿模块以及色散补偿光纤的制造方法，涉及的色散补偿光纤及模块在C波段是单模传输形式，具有负的色散和色散斜率，对在C波段传输的光纤色散的补偿率可以达到80％以上。在C波段，具有更低的衰减特性和更高的品质因数，有利于提高传输系统的信噪比。

本发明色散补偿光纤的技术方案为：包括有芯层和包绕芯层的包层，芯层包括有五个纤芯分层，第一纤芯分层的相对折射率Δ％为正，并且有1-2个纤芯分层的相对折射率Δ％为负，各纤芯分层的半径范围从第一纤芯分层开始向外分别为0.6至0.8微米、1.0至1.2微米、1.6至2.0微米、5.0至6.0微米以及7.0至8.0微米；各分层的相对折射率Δ％范围从第一纤芯分层开始向外分别为1.8至2.1％、1.2至1.4％、0.6至1％、-0.4至-0.6％以及0.2至0.4％，包层为纯二氧化硅玻璃层或掺杂氟里昂C₂F₆的氧化硅包层。

按上述方案，可在五个纤芯分层外设置第六纤芯分层，第六纤芯分层的半径范围为9.0至10.0微米，第六纤芯分层的相对折射率Δ％范围为-0.2至-0.4％。第六纤芯分层外为包层。

优化的光波导结构可以在改进的光纤制造工艺中，获得更佳的光学特性。

本发明的色散补偿光纤具有较低的衰减，在1545nm处的衰减不大于0.4dB/km，在1525nm～1565nm波长范围内衰减不大于0.5dB/km；更理想的是在1525nm～1565nm波长范围内衰减不大于0.45dB/km；

本发明的色散补偿光纤具有较高的品质因数，在1545nm处的品质因数为大于350ps/nm·dB，更理想的可以大于400ps/nm·dB；

本发明的色散补偿光纤在C波段(1525m～1565nm)具有较低的负色散，色散系数为-90～-200ps/nm·km；更理想的色散系数为-120～-180ps/nm·km；

本发明的色散补偿光纤在C波段(1525nm～1565nm)具有负的色散斜率，在1545nm的色散斜率为-0.4～-1.0ps/nm²·km；

本发明的色散补偿光纤的相对色散斜率同标准单模光纤相似。标准单模光纤在1545nm的相对色散斜率RDS(色散斜率同色散的比值)为0.0037nm^-1；本发明的色散补偿光纤的相对色散斜率为0.0030nm^-1～0.0044nm^-1；更理想的相对色散斜率为0.0034nm^-1～0.0040nm^-1；这样就可以在C波段对G.652光纤的补偿率达到100％±10％。

由于在纤芯分层上的特殊设计，采用了第二、三层的过渡结构，偏振模色散将大大降低，可达到0.1ps/km^1/2以下。

本发明的色散补偿光纤在1545nm的有效面积大于15μm²，更理想的是18μm²。

本发明的色散补偿模块中色散补偿光纤采用本发明的色散补偿光纤构成，以用于波分复用通信系统中色散的补偿。

本发明色散补偿光纤制造方法的技术方案为：采用PCVD工艺对衬底管进行沉积，在衬底管内壁沉积一定结构设计的沉积层，按熔缩工艺将衬底管熔缩成实心的芯棒，用RIT工艺将芯棒与低羟基套管组合成光纤预制棒，或通过OVD工艺在芯棒外表面沉积外包层制成光纤预制棒，将光纤预制棒送入拉丝炉拉丝成纤，其不同之处在于：在芯棒沉积过程中，通过掺入氟里昂(C₂F₆)实现光纤芯层周围的下陷分层的沉积，并采用大尺寸的光纤预制棒制造技术，光纤预制棒的直径达到80mm～160mm，然后通过拉伸工艺将较大直径的预制棒拉伸成较小直径的预制棒再送入拉丝炉进行拉丝。

按上述方案，光纤预制棒的直径通常为80mm～120mm，拉伸后的较小直径预制棒的直径为60mm～30mm，以利于降低预制棒内杂质及缺陷含量。

光纤的折射率结构中，下陷纤芯分层掺杂氟里昂使相对折射率最大达-0.4％至-0.9％。

本发明的制造方法中，还可在部分包层掺杂氟里昂(C₂F₆)，以降低光纤预制棒的粘度，从而降低拉丝的张力，以减小光纤的衰减，提高品质因数。

本发明的有益效果在于以下几个方面：

色散补偿光纤的色散特性主要由波导色散决定。因此，在补偿光纤的设计过程中选择合适的波导结构至关重要。光纤的波导结构由光纤的折射率剖面分布及相应的结构参数决定。色散补偿光纤的设计，首先要确定适当的折射率剖面和最佳的结构参数，使其具有大的负色散。此外，光纤的衰减、弯曲损耗、色散斜率、非线性系数等特性也应综合考虑。本发明的色散补偿光纤，第一纤芯分层的Δ％为正，并且至少有另一纤芯分层的Δ％为负，通过选择各纤芯分层的半径和Δ％，以便能够在1545nm处得到合适的负色散和负的色散斜率。由于色散补偿光纤具有较高的芯折射率，较深的下陷层，即折射率变化梯度大，必然造成较大的几何不圆度和材料应力的不均匀性，从而导致较大的偏振模色散。第二、三纤芯分层的设计，解决了芯包层折射率变化过大的问题。在最高的芯层折射率和最低的纤芯分层折射率之间构成一个缓冲区，即减少了材料应力的不均匀性，又避免了制造设备对折射率陡变不能精确控制导致的折射率圆度变差。可以使分布曲线的角圆滑，分布曲线中心的形状可以为三角形或抛物线形，该变化基本上不改变光纤的性能。

本发明所涉及的色散补偿模块，由本发明的色散补偿光纤构成，封装在240mm×240mm×40mm的壳体中。该模块可以对光通信线路中工作在C波段的系统累积色散进行补偿，同时对C波段的色散斜率进行补偿，补偿率可以达到100％±20％，更好的补偿率可以达到100％±10％。

PCVD工艺是制造光纤预制棒的四种工艺之一。典型的PCVD工艺制备光纤的方法是这样的：沿谐振腔的圆筒轴放置衬管，并且在管内通入(例如)包含O₂、SiCl₄和GeCl₄等的原料气体混合物；在谐振腔内同时产生局部等离子体，引起Si、Ge和O等的反应，从而在衬底管内侧表面上直接沉积形成以掺Ge为主的SiOx。谐振腔沿衬管的圆筒轴往复运动，以均匀涂覆其整个长度。当沉积结束后，衬管被热缩成一根实心芯棒，芯棒具有高掺Ge的氧化硅芯层和环绕的未掺杂或掺杂氟里昂(C₂F₆)的氧化硅包层部分。这样的芯棒通过外加套管或OVD沉积外包层，制成光纤预制棒，可以拉制成用作通信传输介质的光纤。在PCVD工艺中，较多的分层易于实现，并且受控。这些多纤芯的分布可以增加高折射率材料与低折射率材料应力差异的过渡，改善材料应力在径向的不均匀性，降低偏振模色散。

在本发明的制造方法中，通过掺氟里昂来有效的获得下陷分层。由于氟里昂的高挥发性，目前四种光纤预制棒制造方法中只有PCVD方法可以有效地掺杂氟里昂。相比其他的含氟材料，氟里昂更易于在PCVD中沉积，并且获得更大的相对折射率差，相对折射率差可以达到-1.0％，甚至-1.3％。

在本发明中，掺氟里昂还可以使不同芯层和包层材料粘度更匹配，降低材料应力以降低光纤的瑞利散射，也能有效降低光纤的本征衰耗。通过掺氟里昂优化材料应力的分布，以降低偏振模色散。

在本发明的制造方法中，采用大直径光纤预制棒的技术来降低光纤的衰减。其原理可以从以下几个方面说明。首先，大直径光纤预制棒的制造可以提高预制棒的几何与光学参数在轴向和径向上的均匀性。和普通G.652光纤相比，色散补偿光纤的芯径细，一般小于4微米，而相对折射率高，一般高于1％，光纤中不易做到芯径与相对折射率沿轴向分布的均匀与稳定，光纤芯圆度和芯层与包层的同心度也很难保证。这将导致光纤色散特性不稳定，增加由界面散射和微弯引起的光纤衰耗，同时影响光纤截止波长的稳定性，其中芯圆度的因素还直接决定光纤的PMD水平。制造大直径光纤预制棒可很好的解决上述问题。如本发明所指出的色散补偿光纤中，相对于40mm光纤预制棒的芯径仅约为1mm，而120mm光纤预制棒的芯径约为3mm，160mm的光纤预制棒的芯径可约为4mm，对PCVD工艺的管内沉积，制做大芯径的光纤预制棒可重复性更高，预制棒的芯径与相对折射率在轴向和径向上的参数更稳定，配合使用高精度，高稳定性的拉丝机，可确保光纤几何尺寸的均匀，尤其可以改善芯圆度和芯层与包层的同心度，降低由于光纤波导结构的不完善引起的散射衰减。

其次，大直径光纤预制棒可以有效的降低光纤的衰减，除上述所提及的原因外，更在于其对降低光纤材料散射的作用。光纤预制棒在沉积过程中，化学反应产生的SiO₂、GeO₂等材料的粒子浓度必然存在不均匀性，折射率因此也具有不均匀性，从而造成光纤的本征损耗------瑞利散射损耗。无论在密度上还是在几何尺寸上，而这种材料不均匀性的分布水平在不同直径预制棒中是一致的，仅与PCVD管内法的沉积工艺相关。大直径光纤预制棒拉成光纤后其不均匀缺陷将在单位长度光纤上的分布大为降低，从而大大减小光纤的瑞利散射衰减水平。

另一方面，大直径光纤预制棒可有效地对光纤材料中的杂质离子进行“稀释”，降低光纤的材料吸收衰减。在原材料纯度一定的条件下，由外界引入的杂质与衬底管中的各个界面(衬底管内表面与沉积层之间，沉积层与大气等)大小有关，而与工艺时间关系不明显。在PCVD工艺中，采用相同的衬底管制备更大直径的芯棒，因此具有相近的杂质吸附量。对于杂质吸附量相近的杂质源------芯棒来说，使用大横截面积的套管制成更大直径的光纤预制棒，其单位体积内的杂质含量比用小横截面积的套管制成小直径的光纤预制棒的单位体积内的杂质含量小，并可提供更大的包层空间供杂质离子的稀释扩散。造成吸收衰减的杂质离子主要有铜(Cu²⁺)，铁(Fe²⁺)，铬Cr³⁺)，钴(Co²⁺)，锰(Mn²⁺)，镍(Ni²⁺)，钒(V)等和羟基离子(OH^-)。

在本发明的制造方法中，配合大直径光纤预制棒制造，采用的拉伸技术可进一步降低光纤的衰耗水平。在拉伸过程中，高温条件下(约1600℃)，掺杂材料粒子通过扩散再分布，粒子浓度趋于均匀，进一步降低瑞利散射损耗：高温下也可以使预制棒中的划痕、气泡等缺陷消除，减少由此引入的散射衰减；另一方面，拉伸也使局部粒子颗粒的体积减小，从而降低瑞利散射损耗。

由此原理制造的大直径的预制棒，直径为80mm～120mm，甚至达到160mm。拉伸成较小直径的预制棒，直径小于60mm，最小的达到30mm。然后直接拉丝。通过优化PCVD工艺，控制芯棒参数可以降低光纤的本征衰耗，同时提高光纤制造效率，降低制造成本。

                          附图说明

图1是本发明第一个实施例的纤芯折射率剖面结构分布图。

图2是本发明第四个实施例的纤芯折射率剖面结构分布图。

图3是按本发明拉制出的光纤的色散分布曲线。

图4是按本发明拉制出的光纤的衰减分布曲线。

                        具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的实施例。

在实例1中，各纤芯分层的半径从第一纤芯分层开始向外分别为大约0.6微米、1.0微米、1.6微米、5.0微米以及7微米；各纤芯分层的Δ％从第一纤芯分层开始向外分别为大约1.8％、1.2％、0.6％、-0.6％以及0.2％，包层为纯二氧化硅玻璃层。制作时采用PCVD工艺对衬底管进行沉积，在衬底管内壁沉积一定结构设计的沉积层，按熔缩工艺将衬底管熔缩成实心的芯棒，用RIT工艺将芯棒与低羟基套管组合成光纤预制棒，预制棒直径为80mm，拉伸后预制棒直径为40mm，再送入拉丝炉进行拉丝。光纤在1545nm处色散系数为-160ps/nm·km，色散斜率为-0.61ps/nm²·km，在1545nm的衰减为0.38dB/km，品质因数达到421ps/nm·dB，RDS是0.0038nm^-1，偏振模色散达到0.081ps/km^1/2。

在实例2中，各分层的半径从第一分层开始向外分别为大约0.7微米、1.1微米、1.8微米、5.5微米，8微米；各分层的Δ％从第一分层开始向外分别为大约2.0％、1.2％、0.7％、-0.6％、0.3％。预制棒直径为120mm，拉伸后预制棒直径为30mm。在1545nm处色散系数为-142ps/nm·km，色散斜率为-0.52ps/nm²·km，光纤在1545nm的衰减为0.37dB/km，品质因数达到383ps/nm·dB，RDS是0.0037nm^-1，偏振模色散达到0.06ps/km^1/2。

在实例3中，各分层的半径从第一分层开始向外分别为大约0.8微米、1.2微米、2.0微米、6.0微米、8微米；各分层的Δ％从第一分层开始向外分别为大约2.1％、1.4％、1.0％、-0.4％、0.4％。预制棒直径为160mm，拉伸后预制棒直径为60mm。在1545nm处色散系数为-140ps/nm·km，色散斜率为-0.55ps/nm²·km，光纤在1545nm的衰减为0.35dB/km，品质因数达到400ps/nm·dB，RDS是0.0040nm^-1，偏振模色散达到0.095ps/km^1/2。

在实例4中，各分层的半径从第一分层开始向外分别为大约0.7微米、1.1微米、1.8微米、5.5微米、8微米、9微米；各分层的Δ％从第一分层开始向外分别为大约2.0％、1.2％、0.7％、-0.6％、0.3％、-0.3％。预制棒直径为120mm，拉伸后预制棒直径为40mm。在1545nm处色散系数为-151ps/nm·km，色散斜率为-0.56ps/nm²·km，光纤在1545nm的衰减为0.38dB/km，品质因数达到397ps/nm·dB，RDS是0.0037nm^-1，偏振模色散达到0.10ps/km^1/2。

按本发明折射率分布拉制的光纤的色散曲线如图3所示，可以看到，在1545nm窗口色散很低，并且是负的色散斜率。在C波段(525nm～1565nm)的色散保持递减的。

按本发明折射率分布拉制的光纤的衰减曲线如图4所示，可以看到，在C波段，光纤具有较低的衰减，在1545nm处的衰减不大于0.4dB/km，在1525nm～1565nm波长范围内衰减不大于0.5dB/km。

Claims (9)

1、一种高性能色散补偿光纤，包括有芯层和包绕芯层的包层，芯层包括有五个纤芯分层，其特征在于第一纤芯分层的相对折射率Δ％为正，并且有1-2个纤芯分层的相对折射率Δ％为负，各纤芯分层的半径范围从第一纤芯分层开始向外分别为0.6至0.8微米、1.0至1.2微米、1.6至2.0微米、5.0至6.0微米以及7.0至8.0微米；各分层的相对折射率Δ％范围从第一纤芯分层开始向外分别为1.8至2.1％、1.2至1.4％、0.6至1％、-0.4至-0.6％以及0.2至0.4％，包层为纯二氧化硅玻璃层或掺杂氟里昂C₂F₆的氧化硅包层。

2、按权利要求1所述的高性能色散补偿光纤，其特征在于在五个纤芯分层外设置第六纤芯分层，第六纤芯分层的半径范围为9.0至10.0微米，第六纤芯分层的相对折射率Δ％范围为-0.2至-0.4％。

3、按权利要求1或2所述的高性能色散补偿光纤，其特征在于在1545nm处的衰减不大于0.4dB/km，在1525nm～1565nm波长范围内衰减不大于0.5dB/km，在1545nm处的品质因数为383～421ps/nm·dB，在1525nm～1565nm波段色散系数为-90～-200ps/nm·km。

4、按权利要求1或2所述的高性能色散补偿光纤，其特征在于在1525nm～1565nm波段具有负的色散斜率，在1545nm处的色散斜率为-0.4～-0.61ps/nm²·km。

5、按权利要求1或2所述的高性能色散补偿光纤，其特征在于相对色散斜率为0.0030nm^-1～0.0044nm^-1。

6、按权利要求1或2所述的高性能色散补偿光纤，其特征在于偏振模色散达到0.1ps/km^1/2以下。

7、一种高性能色散补偿模块，其特征在于色散补偿模块中色散补偿光纤由权利要求1所述的色散补偿光纤构成。

8、一种高性能色散补偿光纤的制造方法，采用PCVD工艺对衬底管进行沉积，在衬底管内壁沉积一定结构设计的沉积层，按熔缩工艺将衬底管熔缩成实心的芯棒，用RIT工艺将芯棒与低羟基套管组合成光纤预制棒，或通过OVD工艺在芯棒外表面沉积外包层制成光纤预制棒，将光纤预制棒送入拉丝炉拉丝成纤，其特征在于：

在芯棒沉积过程中，通过掺入氟里昂实现光纤芯层周围的下陷分层的沉积，并采用大尺寸的光纤预制棒制造技术，光纤预制棒的直径达到80mm～160mm，然后通过拉伸工艺将较大直径的预制棒拉伸成较小直径的预制棒再送入拉丝炉进行拉丝；

拉伸后的较小直径预制棒的直径为60mm～30mm；

光纤的折射率结构中，下陷纤芯分层掺杂氟里昂使相对折射率最大达-0.4％至-0.9％。

9、按权利要求8所述的高性能色散补偿光纤的制造方法，其特征在于在部分包层掺杂氟里昂C₂F₆。

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