一种超低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法

摘要

本发明公开了一种超低损耗大有效面积单模光纤及制造方法，其裸光纤由内到外依次包括芯层和包层，所述芯层包括由内而外依次设置的内芯层和外芯层，所述内芯层的半径R1为1.5～3μm，所述内芯层的相对折射率差Δ1为‑0.01％≤Δ1≤0，所述外芯层的半径R2为5～6μm，所述外芯层的相对折射率差Δ2为0≤Δ2≤0.05％；所述芯层几乎不掺锗，所述芯层为氟与碱金属氧化物共掺的二氧化硅玻璃层；所述包层包括由内而外依次设置的下陷包层和外包层，所述下陷包层的半径R3为40～50μm，所述下陷包层的相对折射率差Δ3为‑0.25％≤Δ3≤‑0.15％，所述下陷包层半径R3与所述外芯层半径R2的比例R3/R2≥8，所述外包层半径R4为62.5μm，所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明能够降低衰减系数，增大有效面积。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤领域，具体涉及一种超低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法。

背景技术

随着相干传输技术的出现，在光纤传输领域，原有限制长距离、大容量和高速率传输的一些重要指标已经不再是主要限制因素，在未来的传输系统中色散和偏振模色散的指标将进一步的放宽。然而，传输容量和距离的增长需要更高的入纤功率和更低的光纤损耗来满足可分辨的信噪比需求。而随着光纤功率的增加，不可避免地在光纤芯层产生相位调制、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，或者系统的信噪比降低，从而无法继续提高传输容量。

引入低损耗大有效面积光纤，就是为系统提高光信噪比和降低非线性效应的效果。当采用高功率密度系统时，非线性系数是用于非线性效应造成的系统性能优劣的参数，其定义为n₂/A_eff。其中，n₂是传输光纤的非线性折射指数，A_eff是传输光纤的有效面积。由公式可以看出，增加传输光纤的有效面积，能够降低光纤中的非线性效应。

目前大有效面积的折射率剖面设计中，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基本性能，并在光纤制造的成本中占据较大的比重，如果设计的径向尺寸过大，必然会增加光纤的制造成本，抬高光纤价格。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，比如截止波长会变大；此外，光纤折射率剖面如果涉及不当，还会导致弯曲性能、色散等参数的恶化。

在光纤材料中，光纤的衰减主要来源于光纤的固有损耗和光纤制成之后使用条件所造成的附加损耗。前者包括散射损耗、吸收损耗和光纤结构不完善引起的损耗。附加损耗包括微弯损耗和接续损耗。一般来说，掺杂材料的浓度越低，则瑞利散射所引起的损耗越小。

目前采用纯硅芯光纤可以减小散射损耗，但是散射损耗的降低不能说明光纤的整体传输。损耗得到了减低，而且有的传输损耗不但没有降低反而增加。其根本原因主要是光纤芯包材料的热物理性能失配，特别是高温粘度和热膨胀系数的匹配。因此，在实际拉丝过程中光纤材料组分的高温粘度匹配，导致光纤结构不完整，严重影响到了光纤传输损耗的降低，难以实现低损耗光纤的制造；在另一方面，高温粘度失配是由于芯包材料具有不同的玻璃软化温度等特征温度，在拉丝过程中，芯包不同的特定温度又将导致光纤存有很大的残余应力。这既破坏了设计的波导结构，又影响了光纤的强度和使用寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种超低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法，能够降低衰减系数，增大有效面积和抗弯性能。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种超低损耗大有效面积单模光纤，其裸光纤由内到外依次包括芯层和包层，所述芯层包括由内而外依次设置的内芯层和外芯层，所述内芯层的半径R₁为1.5～3μm，所述内芯层的相对折射率差Δ₁为-0.01％≤Δ₁≤0，所述外芯层的半径R₂为5～6μm，所述外芯层的相对折射率差Δ₂为0≤Δ₂≤0.05％；所述芯层几乎不掺锗，所述芯层为氟与碱金属氧化物共掺的二氧化硅玻璃层；

所述包层包括由内而外依次设置的下陷包层和外包层，所述下陷包层的半径R₃为40～50μm，所述下陷包层的相对折射率差Δ₃为-0.25％≤Δ₃≤-0.15％，所述下陷包层半径R₃与所述外芯层半径R₂的比例R₃/R₂≥8，所述外包层半径R₄为62.5μm，所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。

在上述技术方案的基础上，所述外芯层中的锗对所述外芯层的贡献折射率为0.01％～0.05％。

在上述技术方案的基础上，所述芯层中碱金属离子的含量为5～1000ppm。

在上述技术方案的基础上，所述碱金属氧化物为氧化锂、氧化钠、氧化钾、氧化铷、氧化铯、氧化钫中的一种或多种。

在上述技术方案的基础上，该单模光纤在1550nm波长的有效面积为110～140um²。

在上述技术方案的基础上，该单模光纤在1550nm波长处的衰减系数小于0.170dB/Km。

在上述技术方案的基础上，该单模光纤在10mm弯曲半径下卷绕一圈时，在1550nm波长处的宏弯损耗等于或小于0.40dB/Km。

在上述技术方案的基础上，该单模光纤在1550nm波长处的模场直径为11～13um。

本发明还提供了一种如上述任一所述的超低损耗大有效面积单模光纤的制造方法，包括如下步骤：采用等离子化学气相沉积在石英反应管上沉积制作光纤预制棒，所述光纤预制棒采用SiCl₄、GeCl₄、C₂F₆为原料，在制作过程中通过改变气体流量和比例，以及反应区的移动速度和沉积趟数制备出设计的光棒剖面，并在成棒过程中加入一定浓度碱金属氧化物，同时通入氧气进行反应去水，最后高温熔缩成棒，制备出掺碱金属的光纤预制棒，将该掺碱金属的光纤预制棒进行拉丝处理。

在上述技术方案的基础上，所述光纤预制棒拉丝的温度为1800～2000℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的单模光纤，在1550nm工作波长处的模场直径为12.1～13um，不仅能够降低光的功率密度，而且能够增大光纤的有效面积，其有效面积高于122um²，甚至达到了130um²左右。

(2)本发明提供的单模光纤，内芯层的半径R₁为1.5～3μm，外芯层的半径R₂为5～6μm，芯层的直径并非很大，而截止波长不大于1530nm，甚至达到1450nm。

(3)本发明能够减小光纤弯曲状态下的宏弯损耗，具有优越的抗弯性能，该单模光纤在弯曲半径为10mm*1圈的情况下，在工作波长为1550nm处的宏弯损耗不大于0.40dB/km。

(4)当该单模光纤互相熔接时，单点熔接损耗小于0.05dB。并且以单模光纤直径为125um为例进行测试，当工作波长在1550nm时，其衰减系数可达到0.17dB/km以下，甚至达到了0.155dB/Km，具有超低损耗的特性。

总之，本发明提供的单模光纤，在满足该波导设计的情况下，通过限制芯层和包层的相对折射率和尺寸比例，使得该单模光纤具有大有效面积的特性，同时，在满足该波导设计中相对折射率的情况下，通过限制相对折射率的具体组成(锗和氟的贡献折射率)，并掺杂碱金属以降低芯层和包层之间的应力，优化芯包粘度，从而达到了芯包粘度的匹配，实现了光纤的超低损耗的特性，最终使得该单模光纤具有超低损耗大有效面积的特性，不仅能够降低光纤中的非线性效应，提高光信噪比，提高了传输容量，而且光纤的直径并非很大，截止波长不大于1530nm，具有较好的应用前景和社会效益。

附图说明

图1为本发明实施例提供的单模光纤的裸光纤剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的折射率示意图。

图中：1、内芯层；2、外芯层；3、下陷包层；4、外包层；n2、外芯层的相对折射率；R₁、内芯层的半径；R₂、外芯层的半径；R₃、下陷包层的半径；R₄、外包层的半径；Δ₁、内芯层的相对折射率差；Δ₂、外芯层的相对折射率差；Δ₃、下陷包层的相对折射率差。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明涉及的专业术语定义如下：

沉积：光纤原材料在一定的环境下发生化学反应生成掺杂的石英玻璃的工艺过程。

熔缩：将沉积后的空心玻璃管在一定的热源下逐渐烧成实心玻璃棒的工艺过程。

套管：满足一定截面积和尺寸均匀性的高纯石英玻璃管。

基管：用于沉积的高纯石英玻璃管。

折射率剖面(RIP)：光纤或光纤预制棒(包括光纤芯棒)的折射率与其半径之间的关系曲线。

相对折射率(Δ％)：其中n_i为第i层光纤材料的折射率，i为正整数，n₀为纯石英玻璃的折射率。

有效面积：

其中，E为与传播有关的电场横向分量，r为光纤半径。

模场直径：

其中，E为与传播有关的电场横向分量，r为光纤半径。

PCVD：等离子化学气相沉积。

MCVD：改进的化学气相沉积。

OVD：外部气相沉积。

VAD：轴向气相沉积。

实施例1

参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种超低损耗大有效面积单模光纤，其裸光纤由内到外依次包括芯层和包层，芯层包括由内而外依次设置的内芯层1和外芯层2，内芯层1的半径R₁为1.5～3μm，内芯层1的相对折射率差Δ₁为-0.01％≤Δ₁≤0，外芯层2的半径R₂为5～6μm，外芯层2的相对折射率差Δ₂为0≤Δ₂≤0.05％；芯层几乎不掺锗，芯层为氟与碱金属氧化物共掺的二氧化硅玻璃层；包层包括由内而外依次设置的下陷包层3和外包层4，下陷包层3的半径R₃为40～50μm，下陷包层3的相对折射率差Δ₃为-0.25％≤Δ₃≤-0.15％，下陷包层3半径R₃与外芯层2半径R₂的比例R₃/R₂≥8，外包层4半径R₄为62.5μm，外包层4为纯二氧化硅玻璃层。

内芯层1的相对折射率为n1。

外芯层2的相对折射率为n2。

下陷包层3的相对折射率为n3。

外包层4的相对折射率为n4。

本发明在实现上述折射率时，采用相对折射率差的方式，以外包层4的相对折射率n4为基础，各层之间都有一个相对折射率差，以此标准来测算并实现本发明的各层折射率。相对折射率差采用的计算公式如下：

Δ＝(n-n4)/(n+n4)*100％；

其中，n为与外包层4相对折射率相比较的对应层的折射率。

当计算内芯层1与外包层4相对折射率差时，上述公式中的Δ为内芯层1的相对折射率差Δ₁，n为内芯层1的相对折射率n1；

当计算外芯层2与外包层4相对折射率差时，上述公式中的Δ为外芯层2的相对折射率差Δ₂，n为外芯层2的相对折射率n2；

当计算下陷包层3与外包层4相对折射率差时，上述公式中的Δ为下陷包层3的相对折射率差Δ₃，n为下陷包层3的相对折射率n3。

该单模光纤中，芯层几乎不掺锗，应当被理解为，控制锗在芯层内的含量，使得外芯层中的锗对外芯层的贡献折射率为0.01％～0.05％，内芯层中的锗对内芯层的贡献折射率为0.02％～0.08％。

该单模光纤中，芯层中碱金属离子的含量为5～1000ppm。

该单模光纤中，碱金属氧化物为氧化锂、氧化钠、氧化钾、氧化铷、氧化铯、氧化钫中的一种或多种。

该单模光纤在1550nm波长的有效面积为110～140um²。

该单模光纤在1550nm波长处的衰减系数小于0.170dB/Km。

该单模光纤在10mm弯曲半径下卷绕一圈时，在1550nm波长处。

该单模光纤在1550nm波长处的模场直径为11～13um。

实施例2

本实施例提供了上述超低损耗大有效面积单模光纤的制造方法，包括如下步骤：采用等离子化学气相沉积在石英反应管上沉积制作光纤预制棒，光纤预制棒采用SiCl₄、GeCl₄、C₂F₆为原料，在制作过程中通过改变气体流量和比例，以及反应区的移动速度和沉积趟数制备出设计的光棒剖面，并在成棒过程中加入一定浓度碱金属氧化物，同时通入氧气进行反应去水，最后高温熔缩成棒，制备出掺碱金属的光纤预制棒，将该掺碱金属的光纤预制棒进行拉丝处理。

其中，光纤预制棒拉丝的温度为1800～2000℃，光纤预制棒的外包层为由OVD、VAD和MCVD制备的纯二氧化硅石英玻璃层。

本发明，在满足芯包折射率设计前提下，在缩棒过程中，通过加入碱金属氧化物，既可以降低1383nm波长处由氢氧根引起的衰减，同时通过优化氟、碱金属离子掺杂浓度，可以匹配芯层和包层的粘度，从而有效降低了拉丝过程中纤芯应力集中所造成的光纤衰减增加。

本发明，在光纤中掺入一定浓度碱金属氧化物，使其与氧气反应产物可以脱水从而降低1383nm波长处衰减，同时优化芯层碱金属离子浓度，降低纤芯应力，使芯包粘度匹配。

实施例3～7

本发明中采用PCVD沉积法制作，能有效控制各层折射率分布，以下通过实施例3～7这5个具体实施例进行说明。

表1、本发明单模光纤折射率剖面及掺杂材料含量

表2、本发明单模光纤的主要性能参数

从上面表2中可以看到，本发明提供的单模光纤，在1550nm工作波长处的模场直径为12.1～13um，不仅能够降低光的功率密度，而且能够增大光纤的有效面积，其有效面积高于122um²，甚至达到了130um²左右。

本发明提供的单模光纤，内芯层1的半径R₁为1.5～3μm，外芯层2的半径R₂为5～6μm，芯层的直径并非很大，而截止波长不大于1530nm，甚至达到1450nm。

本发明能够减小光纤弯曲状态下的宏弯损耗，具有优越的抗弯性能，该单模光纤在弯曲半径为10mm*1圈的情况下，在工作波长为1550nm处的宏弯损耗不大于0.40dB/km。

当该单模光纤互相熔接时，单点熔接损耗小于0.05dB。并且以单模光纤直径为125um为例进行测试，当工作波长在1550nm时，其衰减系数可达到0.17dB/km以下，甚至达到了0.155dB/Km，具有超低损耗的特性。

本发明可以采用公开号为CN106125192A的专利申请作为对比例，该对比例中，光纤在1550nm时的衰减系数小于等于0.165dB/km，模场面积大于等于110um²，相对于该对比例，本发明更加具体地提供了光纤折射率剖面以满足超低损耗大有效面积单模光纤的波导要求，同时，对锗、氟以及碱金属的掺杂含量以及芯层和包层的尺寸比例做了具体的限定，在保证超低衰减性能的同时，有效面积得到了进一步地提升，使得本发明提供的单模光纤1550nm时的衰减系数达到了0.155dB/Km，有效面积达到了133um²。

总之，本发明提供的单模光纤，在满足该波导设计的情况下，通过限制芯层和包层的相对折射率和尺寸比例，使得该单模光纤具有大有效面积的特性，同时，在满足该波导设计中相对折射率的情况下，通过限制相对折射率的具体组成(锗和氟的贡献折射率)，并掺杂碱金属以降低芯层和包层之间的应力，优化芯包粘度，从而达到了芯包粘度的匹配，实现了光纤的超低损耗的特性，最终使得该单模光纤具有超低损耗大有效面积的特性，不仅能够降低光纤中的非线性效应，提高光信噪比，提高了传输容量，而且光纤的直径并非很大，截止波长不大于1530nm，具有较好的应用前景和社会效益。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。