CN102654602B

CN102654602B - 一种光纤及其制造方法

Info

Publication number: CN102654602B
Application number: CN201210138617.0A
Authority: CN
Inventors: 熊良明; 杨晨; 罗杰; 童维军; 李江; 王聍; 曹蓓蓓
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Putian Cable Group Co ltd
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: CN102654602A

Abstract

本发明涉及一种光纤及其制造方法，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层平均折射率n₁、包层折射率n₂和纯二氧化硅折射率n₀，满足n₁＝(0.997～1.0012)*n₀，n₂＝n₁－(0.0025～0.0045)*n₀；所述的芯层为掺碱金属离子芯层或非掺碱金属离子芯层，所述的包层由掺氟、氯和含羟基的二氧化硅基材料构成；并且包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]、芯层和包层材料羟基浓度差△[OH]、芯层和包层材料掺氯浓度差△[Cl]和芯层材料掺碱金属离子浓度之和[M]，满足△[F]－△[Cl]－300×[M]－150000×△[OH]≤0.8mol%。本发明通过掺杂组分和浓度差的控制使得光纤芯层和包层材料的高温粘度匹配，获得瑞利散射衰减降低的单模光纤，光纤的散射系数

降低到≤0.85，使光纤的传输损耗得到有效的降低。

Description

一种光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光纤及其制造方法，该光纤材料具有芯层和包层材料的高温粘度匹配和散射损耗降低的低衰减特点，属于通信光纤制造技术领域。

背景技术

以光波作为信息传输的载体，以光纤作为信息传输媒介的光纤通信技术，因为信息传输频带比较宽，通信速率高、容量大，而且损耗低、体积小、重量轻，还有抗电磁干扰和不易串音等一系列优点，从而备受通信领域青睐，发展异常迅猛。光纤通信技术已成为现代化通信非常重要的支柱。

作为信息传输媒介的光纤，其光波传输损耗和使用寿命是两个重要的性能指标。石英光纤就是因为损耗不断降低和材料稳定、耐用而成为当前光纤通信领域的绝对主流光纤。而光纤损耗不断降低的过程也是从降低或避免过渡金属离子等杂质污染，发展到光纤材料和波导结构的优化设计。主流光纤材料则从掺锗芯光纤、纯氧化硅芯－掺氟包层光纤、发展到了新的光纤材料。

然而，降低散射损耗的光纤材料和制造方法虽然已多次公开报道，但是，散射损耗的降低，并不能说明光纤的整体传输损耗得到了减低。即使是采用相同方法制造的光纤，有的光纤的传输损耗降低，而有的光纤传输损耗不但没有降低反而增加。例如，纯硅芯光纤由于纤芯是纯氧化硅材质，其密度起伏最小，由密度起伏引起的瑞利散射损耗也就应该最小；而且纤芯没有掺杂的，也就不存在掺杂浓度变化，故也就不会因浓度起伏引起瑞利散射损耗，因此，在理论上，纯硅芯光纤的传输损耗应该是最低的。但是，在一些公开报道中，实际制造的纯硅芯光纤并没有达到最低传输损耗，某些反而不如常规生产的掺杂芯光纤。

研究分析发现，现有设计的低衰减光纤的传输损耗却并不一定降低，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（Electron. Lett. 1993, 29: 1263-1265）和热膨胀系数的失配（Appl. Optics 1987, 26: 1175-1182）。现有光纤制造方法大都基于相对纯二氧化硅玻璃的折射率值来设计光纤的。但是，光纤的折射率除了跟材料组分有关以外，还与材料密度（J. Non-Cryst. Solids 1988, 103: 279-288）、假想温度(Appl. Phys. Lett. 2003, 83: 5175-5177)、残余应力（Appl. Optics 1980, 19: 2000-2006）等系列参数密切相关。也就是说，现行的设计方法，已经涵盖光纤材料组分、材料密度、假想温度、残余应力等各种因素，已经不是单一地考虑光纤材料组分。但是，高温粘度和热膨胀系数却只由光纤材料组分所决定的。因此，基于相对折射率高度法，由不同公司设计制造的光纤，其实际的材料组分未必一致的；反之，材料组分一致或接近的光纤，由于在制备过程中假想温度和残余应力等因素的变化，导致其相对折射率高度就不一定一致，甚至相差很远。

同时，由于光纤材料组分的高温粘度失配，导致光纤结构不完整，严重影响到了光纤传输损耗的降低，难以实现低衰减光纤的制造；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和转化温度等特征温度，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。这既破坏了所设计的波导结构，又更影响了光纤的强度和使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的问题而提供一种光纤芯层和包层高温粘度匹配的光纤及其制造方法。

本发明光纤的技术方案为：包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层平均折射率

n₁（

，式中r ₀为芯层半径）、包层折射率n₂和纯二氧化硅折射率n₀，满足n₁＝(0.997～1.0012)* n₀，n₂＝n₁－(0.0025～0.0045)* n₀；所述的芯层不掺锗，芯层为掺碱金属离子芯层或非掺碱金属离子芯层，所述的掺碱金属离子芯层由掺氟、氯、碱金属离子和含羟基（OH）的二氧化硅基材料构成，所述的非掺碱金属离子芯层由掺氟、氯和含羟基（OH）的二氧化硅基材料构成；所述的包层由掺氟、氯和含羟基（OH）的二氧化硅基材料构成；并且包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]、芯层和包层材料羟基浓度差△[OH]、芯层和包层材料掺氯浓度差△[Cl]和芯层材料掺碱金属离子浓度之和[M]，满足 △[F]－△[Cl]－300×[M]－150000×△[OH]≤0.8 mol%。

按上述方案，所述的碱金属离子为钾离子、钠离子、锂离子的一种或多种。

按上述方案，包层和芯层材料所含羟基浓度差△[OH] 范围为0～2×10^-6 mol%，更好为1×10^-6～2×10^-6mol%。

按上述方案，包层和芯层材料的掺氟浓度差△[F] 范围为1.5～4.5 mol%，更好为2～4 mol%。

按上述方案，芯层和包层材料的掺氯浓度差△[Cl] 范围为1～5 mol%，更好为2～4 mol%。

按上述方案，芯层材料掺碱金属离子浓度之和[M] 范围为0～100×10^-4mol%，更好为5×10^-4～30×10^-4mol%。

按上述方案，芯层材料和包层材料高温粘度匹配，芯层材料粘度

和包层材料平均粘度

，在2000 °C附近，满足

:

≤2:1。

按上述方案，所述的光纤散射系数小于或等于0.85

。

本发明光纤制造方法的技术方案为：包括光纤预制棒的制作和拉丝，其特征在于光纤预制棒的制作过程包括：采用掺氟石英管作为化学气相反应沉积管，采用SiCl₄作为SiO₂原料，C₂F₆或SiF₄作为掺氟原料，首先在沉积管内壁气相反应沉积掺氟石英层，逐层形成包层；改变化学反应气体的流量，降低沉积层的掺氟浓度，同时，调节反应气体的比例和反应区的移动速度，提高掺氯的浓度，制得非掺碱金属离子的芯层，最后，高温熔缩成光纤预制棒；或者在降低沉积层掺氟浓度的同时，降低反应区的温度至1400～1800 °C，在包层上沉积多孔层，再利用多孔层吸附碱金属离子，然后，通Cl₂气进行脱水，通O₂气进行置换反应；最后，高温烧结致密，并熔缩成棒，制得掺碱金属离子芯层的光纤预制棒。

本发明光纤制造方法的另一个技术方案为：包括光纤预制棒的制作和拉丝，其特征在于光纤预制棒的制作过程包括：以SiCl₄或烷氧基硅烷为原料，将化学反应形成的粉尘喷镀沉积在芯轴上，喷镀沉积区的温度控制在1400～1800 °C，形成多孔的包层，然后将所制包层材料进行脱水和深渗氟处理，形成掺氟多孔包层，再高温烧结致密，制成包层管；芯层也采用与包层相同的喷镀沉积方式，反应沉积成多孔棒，然后进行碱金属离子的吸附，再脱水处理，最后高温烧结成致密的芯棒；然后用单独制备的芯棒跟包层管进行组装，熔缩成光纤预制棒，制得掺碱金属离子芯层的光纤预制棒。

上述光纤预制棒拉丝选用的温度为1700～2100 °C。

玻璃的高温粘度是与其网络结构密切相关的。玻璃材料的掺杂能改变原有网络结构。在玻璃网络结构中，掺杂剂可能是以网络结构的形成体、中间体或修饰体的形式存在。作为中间体或修饰体，破坏了原有网络结构的整体性，在高温下，能降低玻璃的粘度。在广义上，不掺氧化锗的标准光纤被看作是纯硅芯光纤。但真正意义上的纤芯不掺杂的纯硅芯光纤是很难制得超低衰减光纤的。这是因为，当纤芯是纯氧化硅单一材质时，为确保芯包折射率差满足单模光纤标准，通常需对包层进行掺氟，所掺氟浓度为3～4.1 mol%。包层掺氟后，氟以网络修饰体的形式存在石英玻璃网络中，破坏玻璃网络结构原有的整体性，也显著降低了包层材料的粘度。通常玻璃粘度（

）与绝对温度(T)的关系是

，其中R是常数，E是激活能。纯石英玻璃激活能E ₀约为620.9 kJ/mol,当掺杂～3.1 mol%的氟后，玻璃激活能E ₁约为536.1 kJ/mol（Properties, Processing and Applications of Glass and Rare Earth-Doped Glasses for Optical Fibers, Edited by Dan Hewak 1998:23-28）。如果芯层只是纯氧化硅单一材质，那么在高温（1700 °C以上）拉丝时，芯包粘度失配非常严重，进而带来光纤其他性能的降低，包括传输损耗。在确保芯层不掺杂氧化锗的前提下，本发明提出通过芯层所含的硅羟基和掺杂氯、适量的氟和碱金属离子，可以满足芯包高温粘度匹配的单模光纤。由于芯层和包层所掺杂的都是单价元素，在玻璃网络结构都是以网络修饰的形式存在。进一步考虑到H、Li、Na和K的原子大小，以及它们在石英玻璃网络结构中的扩散能力的差异性，本发明要求芯包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]、光纤芯层和邻芯包层材料羟基浓度差△[OH]、光纤芯层和邻芯包层材料掺氯浓度差△[Cl]和光纤芯层材料掺碱金属（钾、钠、锂）离子浓度之和[M]，满足一定的关系式。根据实施例和比较例的结果，本发明要求各浓度满足 △[F]－△[Cl]－300×[M]－150000×△[OH]≤0.8 mol%。

本发明的有益效果在于通过掺杂组分和浓度差的控制使得光纤芯层和包层材料的高温粘度匹配，获得瑞利散射衰减降低的单模光纤，光纤的散射系数

从常规的0.94

，降低到≤0.85 ，使光纤的传输损耗得到有效的降低。

附图说明

图1 为本发明单模光纤的折射率剖面示意图。

图2是本发明单模光纤的截面示意图，用于说明单模光纤芯包材料粘度比的示意图。

图3是不同Cl掺杂浓度引起的折射率的变化图。

图4为比较例中单模光纤含Cl浓度(mol%)。

图5为掺Na石英玻璃的光散射变化曲线图。

图6为散射系数拟合谱。

具体实施方式

光纤的芯层和邻芯包层的波导结构如图1所示。具体实施方式分为管内化学气相反应沉积方式和非管内（外部）化学气相反应沉积方式。

管内法，采用掺氟石英管作为化学气相反应沉积管，采用SiCl₄作为SiO₂原料，C₂F₆或SiF₄作为掺氟原料，首先在沉积管内壁气相反应沉积掺氟石英层，逐层形成包层；改变化学反应气体的流量，降低沉积层的掺氟浓度，同时，调节反应气体的比例和反应区的移动速度，可以提高掺氯的浓度，制得非掺碱金属离子的芯层；最后，高温熔缩成光纤预制棒。纤芯为掺碱金属离子的光纤材料的制备，同样也是采用掺氟石英管作为化学气相反应沉积管，采用SiCl₄作为SiO₂原料，C₂F₆或SiF₄作为掺氟原料，首先在沉积管内壁气相反应沉积掺氟石英层，逐层形成包层；然后，改变化学反应气体的流量，降低沉积层的掺氟浓度，同时，降低反应区的温度至1400～1800 °C，在包层上沉积多孔层，再利用多孔层吸附碱金属离子，然后，通Cl₂气进行脱水，通O₂气进行置换反应；最后，高温烧结致密，并熔缩成棒，制得掺碱金属离子的光纤预制棒。

非管内法，光纤包层和芯层材料分别制备。以SiCl₄或烷氧基硅烷为原料，采用将化学反应形成的粉尘喷镀沉积在芯轴上，喷镀沉积区的温度控制在1400～1800 °C，形成多孔的包层，然后将所制包层材料进行脱水和深渗氟处理，形成掺氟多孔包层，再高温烧结致密；芯层也是采用喷镀沉积的方式，反应沉积成多孔棒，然后进行碱金属离子的吸附，再脱水处理，但不进行深渗氟处理，最后高温烧结成致密的芯棒。制备包层管时，所采用的芯轴可以是芯棒也可以是刚玉芯轴，如果采用刚玉芯轴，那么包层喷镀完毕后，需要先取出芯轴，然后用单独制备的芯棒跟包层管进行组装，最后，熔缩成光纤预制棒材料。制得掺碱金属离子的光纤预制棒。

采用以上两种方法，制备的光纤预制棒材料，在熔缩成棒之后，再进行外表层的清洁和对预制棒进行外包，以满足标准单模光纤的几何标准要求，然后在1700～2100°C、惰性气氛下，进行拉丝，形成单模光纤。同一拉丝温度下，大小相同的单一材质的预制棒进行相同速度的拉丝，所采用的张力能线性反应该材质的粘度，即，张力与该单一材质的粘度成正比关系。所以，芯包材料的粘度比的推算方法是，分别制备具有与芯层一样材质的预制棒和具有与包层一样材质的预制棒，两预制棒大小相同，对两预制棒拉丝所采用张力的比值就近似于芯包材料的粘度比。图2是本发明单模光纤的截面示意图，用于说明单模光纤芯包材料粘度比的示意图。

具体实施例和比较例的光纤材料组成及其浓度如表1所示。

实施例1，光纤材料采用管内法制备所得，包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]为1.9 mol%，光纤芯层和包层材料羟基浓度差△[OH]是1×10^-6 mol%，光纤芯层和包层材料掺氯浓度差△[Cl]是1.52 mol%，光纤芯层材料是非掺碱金属的。图3是因不同浓度Cl掺杂引起的折射率的变化，不同的掺Cl浓度是通过改变反应气体的比例和反应区的移动速度来调节的。图4为比较例中单模光纤含Cl浓度(mol%)。

实施例2，光纤材料采用管内法制备所得，包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]为2.33 mol%，光纤芯层和包层材料羟基浓度差△[OH]是0.01 ppm_mol，光纤芯层和包层材料掺氯浓度差△[Cl]是1.53 mol%，光纤芯层材料是非掺碱金属的。

实施例3，光纤材料采用管内法制备所得，包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]为3.5 mol%，光纤芯层和包层材料羟基浓度差△[OH]是0.01 ppm_mol，光纤芯层和包层材料掺氯浓度差△[Cl]是2.84 mol%，光纤芯层材料是非掺碱金属的。

实施例4，光纤材料采用管内法制备所得，邻芯包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]为2.13 mol%，光纤芯层和包层材料羟基浓度差△[OH]是0.02 ppm_mol，光纤芯层和包层材料掺氯浓度差△[Cl]是1.57 mol%，光纤芯层材料是掺碱金属（钾、钠、锂）的，所掺碱金属（钾、钠、锂）离子浓度之和[M]是5 ppm_mol。图5是掺Na石英玻璃的光散射变化曲线，掺Na离子的浓度是通过改变吸附溶液的离子浓度来进行调节的。

实施例5，光纤材料采用非管内法制备所得，包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]为2.4 mol%，光纤芯层和包层材料羟基浓度差△[OH]是0.02 ppm_mol，光纤芯层和包层材料掺氯浓度差△[Cl]是1.57 mol%，光纤芯层材料是掺碱金属（钾、钠、锂）的，所掺碱金属（钾、钠、锂）离子浓度之和[M]是98 ppm_mol。

比较例1，光纤材料采用非管内法制备所得，包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]为4.5 mol%，光纤芯层和包层材料羟基浓度差△[OH]是0.02 ppm_mol，光纤芯层和包层材料掺氯浓度差△[Cl]是1.5 mol%，光纤芯层材料是掺碱金属（钾、钠、锂）的，所掺碱金属（钾、钠、锂）离子浓度之和[M]是98 ppm_mol。

比较例2，光纤材料采用管内法制备所得，是采用传统的PCVD工艺所制备的常规单模光纤，包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]为3.4 mol%，光纤芯层和包层材料羟基浓度差△[OH]是0.01 ppm_mol，光纤芯层和包层材料掺氯浓度差△[Cl]是0.3 mol%，光纤芯层材料是非掺碱金属的，但是掺杂了约为3.8 mol%的GeO₂，所以其芯包材料粘度系数匹配得较好。

图6所示的衰减谱是用PK2200设备所检测采集的完全衰减谱。表1也给出了实施例和比较例的散射系数和散射损耗。其中，散射系数采用图6所给的拟合方式计算出来的，散射损耗是根据散射系数与波长的四次方的关系所计算出来的。由此证实，通过本发明，常规单模光纤的散射系数

从0.94

，降低到≤0.85 ，因散射引起的损耗也从0.163 dB/km降低到0.147 dB/km及以下，本发明所涉及的方法可实现低衰减单模光纤的制造。

表1. 光纤的材料组分和散射系数及损耗

Claims

1.一种光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层平均折射率n₁、包层折射率n₂和纯二氧化硅折射率n₀，满足n₁＝(0.997～1.0012)* n₀，n₂＝n₁－(0.0025～0.0045)* n₀；所述的芯层为掺碱金属离子芯层或非掺碱金属离子芯层，所述的掺碱金属离子芯层由掺氟、氯、碱金属离子和含羟基的二氧化硅基材料构成，所述的非掺碱金属离子芯层由掺氟、氯和含羟基的二氧化硅基材料构成；所述的包层由掺氟、氯和含羟基的二氧化硅基材料构成；并且包层和芯层材料掺氟浓度差△[F]、芯层和包层材料羟基浓度差△[OH]、芯层和包层材料掺氯浓度差△[Cl]和芯层材料掺碱金属离子浓度之和[M]，满足 △[F]－△[Cl]－300×[M]－150000×△[OH]≤0.8 mol%；芯层和包层材料所含羟基浓度差△[OH] 范围是0～2×10^-6 mol%；包层和芯层材料的掺氟浓度差△[F] 范围是1.5～4.5 mol%；芯层和包层材料的掺氯浓度差△[Cl] 范围为1～5 mol%；芯层材料掺碱金属离子浓度之和[M] 范围为是0～100×10^-4 mol%。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于所述的碱金属离子为钾离子、钠离子、锂离子的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的光纤，其特征在于芯层材料和包层材料高温粘度匹配，芯层材料粘度

和包层材料平均粘度

，在2000 °C附近，满足

:

≤2:1。

4.根据权利要求1或2所述的光纤，其特征在于所述的光纤散射系数小于或等于0.85

。