CN103454719B - 一种单模光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤通信系统中使用的低衰减单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层的折射率分布n（r）满足g型折射率分布：n（r）=n0[1-2Δ1(r/R1)g]1/2（r≦R1），芯层Δ1为-0.05%~+0.05%，g为10~30，芯层半径R1为4.0μm~5.0μm，包层从内至外依次包括内包层、中间包层和外包层，内包层Δ2为-0.3%~-0.45%，半径R2为20μm~30μm，中间包层Δ3大于Δ2，并且中间包层的相对折射率差、半径与内包层的相对折射率差、半径存在以下的数值关系：设V=(R3-R2)×(Δ3-Δ2)，则V值的范围为0.5×10-2μm%~7×10-2μm%。本发明光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.180dB/km，不仅具有低的光纤损耗，而且制作工艺性好、成本低，适于规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信系统中使用的低衰减单模光纤，该光纤具有低的光纤损耗和良好的生产适用性，属于光通信技术领域。
背景技术
单模光纤具有质量轻、尺寸小、抗电磁干扰、传输速率快、信息容量大和传输距离远等优点。在世界范围内，G.652单模光纤已经大量地铺设并应用于光通信网络之中。随着相关光器件、光放大技术和相关调制解调技术的进一步发展，光通信系统正向着更高的传输速率和更长的传输距离的方向持续发展。光通信系统的发展对单模光纤的相关性能也提出了更为严格的要求。光纤的衰减系数是单模光纤的重要性能之一。光纤的衰减系数减小后，系统中的光信噪比（OSNR: optical-signal-to-noise ratio）就可以得到提高，则系统中携带的光信号的可传输距离就更长，传输容量就更大，可有效提高系统的传输性能和传输距离。
光纤的衰减水平是与制造光纤的材料、工艺、设备等技术紧密相关的。光纤在通信窗口的损耗主要来自材料的红外吸收和紫外吸收的拖尾、水峰的吸收、散射损耗、弯曲损耗和缺陷带来的损耗。在当前光纤制备技术下，光纤衰减的最大来源是散射损耗。通信光纤的散射损耗包括线性散射和非线性散射。非线性散射主要是受激拉曼散射和受激布里渊散射，而光纤中的线性散射主要是瑞利散射。光纤中瑞利散射是由于光纤芯层中掺杂的二氧化锗的密度与浓度起伏所引起。而掺杂二氧化锗的主要目的是增大光纤芯层的折射率，形成光波导。要进一步降低光纤的损耗，需要降低瑞利散射损耗，最佳的途径是采用单一材料的纯硅芯，从材料的角度看，纯硅芯光纤由于二氧化硅芯层材料全部是玻璃网络形成体，未掺杂网络修饰体，使得玻璃网络的致密性与均匀性提高，因此纯硅芯光纤可以最大程度上克服掺杂引起的密度与浓度起伏，也就降低了瑞利散射损耗。然而，为了形成光波导，必须在纯硅芯外沉积掺氟的包层，这对设备、工艺和波导设计等方面提出了很大挑战，进而，对于光纤的成本降低以及光纤预制棒尺寸的增大产生了限制。另一方面，纯硅芯材料与掺氟包层材料在粘度、热膨胀系数等材料性能方面的差异较大，造成光纤拉丝过程中光纤的芯包材料失配严重，拉丝张力集中于光纤纤芯部分，光纤的残留应力和拉丝缺陷增加，光纤的损耗无法得到降低，反而可能增加。
在美国专利US6917740中，描述了一种材料粘度失配得到改善的纯硅芯单模光纤及其制造方法。通过在芯层中掺氯（Cl）和氟（F），使得芯层与包层的玻璃化转变温度Tg的差值缩小到200℃以内，优化光纤的衰减性能。该专利未对光纤的波导结构，特别是光纤包层结构进行具体的描述，同时也未涉及到光纤的光学传输性能。
在美国专利US6449415中，公开了一种芯层掺氯（Cl），其相对折射率为正值，包层掺氟（F），其相对折射率为负值的光纤，并且该光纤具有内包层为下陷包层（depressed cladding）的结构。芯层掺氯的材料可以有效降低光纤芯包材料的失配，减少由拉丝过程产生的附加应力。该专利中，为了实现芯层的相对折射率达到0.08%，其Cl的含量要达到1 wt%（10000 ppm）。一般的，在光纤预制棒的芯层部分，Cl的含量在5000 ppm以下，如果Cl的含量增大，则容易出现芯层夹杂气泡等工艺问题。该专利未对光纤的完整的波导结构进行描述，特别是光纤的包层部分的结构。
在美国专利US6947650中，提出了一种具有掺氟下陷内包层的纯硅芯光纤，其下陷包层的直径D与芯层d的直径之比D/d约为8.5，范围为小于10。其光纤的工作波长λop与截止波长λcut的比值范围在1.0和1.2之间。对于光纤波导结构的其它相关参数，比如芯层和包层的相对折射率，以及光纤的衰减等性能均未予以描述。
在美国专利US7526177B2中，提出了一种具有掺氟的下陷芯层和更深的掺氟下陷包层的光纤。该光纤芯层的F含量至少为0.41 wt%，而包层的F含量至少为1.2 wt%。一般而言，包层的掺F含量越多，则意味着工艺实现难度越大，制造成本也越高。
在中国专利201110114732.X中，提出了一种具有下陷包层（trench）的低衰减单模光纤。该下陷包层在光纤波导中具有最小的相对折射率，意味着该层的掺F含量最多。该下陷包层的结构设计不利于光纤预制棒的尺寸的增加，也不利于降低光纤预制棒的成本。
一般的，掺杂剂会改变石英玻璃的相对折射率。锗（Ge）、氯（Cl）、磷（P）等掺杂剂可以使得掺杂后的石英玻璃的相对折射率为正值，我们称之为“正掺杂剂”，而氟（F）、硼（B）等掺杂剂可以使得掺杂后的石英玻璃的相对折射率为负值，我们称之为“负掺杂剂”。如果同时使用一种“正掺杂剂”和一种“负掺杂剂”对石英玻璃进行掺杂，则掺杂后的石英玻璃的相对折射率可以为正值或者负值，或者为0。
发明内容
为方便介绍本发明内容，定义以下术语：
折射率剖面：光纤中玻璃折射率与其半径之间的关系。
相对折射率差：
，ni和n0分别为各对应部分的折射率和纯二氧化硅石英玻璃的折射率。
g型折射率分布：指芯层的折射率剖面满足n（r）=n0[1-2Δ1(r/R1)g]1/2（r≦R1），其中n0为纯二氧化硅石英玻璃的折射率，R1为光纤芯层的半径。
氟（F）的贡献量：掺氟（F）石英玻璃相对于纯二氧化硅石英玻璃的相对折射率（ΔF），以此来表示掺氟（F）量。
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种低衰减单模光纤，该光纤不仅具有低的光纤损耗，而且制作工艺性好、成本低，适于规模生产。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
包括有芯层和包层，其不同之处在于芯层的折射率分布n（r）满足g型折射率分布：n（r）=n0[1-2Δ1(r/R1)g]1/2（r≦R1），芯层相对折射率差Δ1为-0.05%~+0.05%，g为10~30，芯层半径R1为4.0μm~5.0μm，包绕在芯层外的是包层，包层从内至外依次包括内包层、中间包层和外包层，内包层相对折射率差Δ2为-0.3%~-0.45%，半径R2为20μm~30μm，中间包层相对折射率差Δ3大于Δ2，并且中间包层的相对折射率差、半径与内包层的相对折射率差、半径存在以下的数值关系：设 V= (R3-R2)×(Δ3-Δ2)，则V值的范围为0.5×10-2 μm%~7×10-2 μm%。
按上述方案，所述的芯层的Cl的含量[Cl]芯层为1000ppm~5000ppm，所述的内包层的Cl的含量[Cl]内包层为500ppm~2000ppm，所述的中间包层的Cl的含量[Cl]中间包层为300ppm~1800ppm，所述的外包层的Cl的含量[Cl]外包层为0ppm~1500ppm。
按上述方案，所述的芯层主要由掺氟（F）的石英玻璃或氟锗共掺的石英玻璃组成，芯层氟（F）的贡献量ΔF为-0.03%~-0.08%。
按上述方案，所述的内包层主要由掺氟（F）的石英玻璃组成，其相对折射率差Δ2与芯层的Δ1的差值的绝对值|Δ1-Δ2|为0.32%~0.42%。
按上述方案，所述的中间包层主要由掺氟（F）的石英玻璃组成，其相对折射率Δ3为-0.25%~-0.35%，半径R3为40μm~55μm。
按上述方案，所述的外包层为纯二氧化硅石英玻璃层，半径R4为62μm~63μm。
按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.180 dB/km。按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的模场直径为10μm~11μm。
按上述方案，所述光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。
按上述方案，所述光纤的零色散波长点为1300nm~1324nm。
按上述方案，所述光纤由两层紫外固化涂料涂覆，最外涂覆层直径为240μm~260μm，第一层涂覆层的直径为190μm~210μm。
按上述方案，所述光纤在1700nm的微弯损耗小于或等于5dB/km。
本发明的有益效果在于：1、芯层具有g型的折射率分布，光纤芯层的掺F量由芯层向内包层是逐渐增大的，这样，光纤芯包材料的匹配更为良好，将有利于光纤拉丝工艺，降低由于材料失配引起的光纤附加损耗；2、芯层中至少掺有氟，使得芯层材料的粘度得到降低，芯层与包层的粘度失配情况随之得到改善，拉丝后光纤内部的残留应力将会减小，有利于改善光纤的衰减性能；3、中间包层的掺氟（F）贡献量ΔF小于-0.25%，以保证避免出现“LP01模泄漏”现象（即单模光纤的衰减系数在长波长区域急剧地上升），由于其粘度大于内包层，该中间包层材料将在拉丝时承载一定比例的拉丝张力，可以阻止拉丝张力所造成的应力集中在纤芯部分而造成光纤衰减的增加。该分层的掺氟量小于内包层，较低的掺氟量可以使得预制棒，特别是预制棒的包层部分的制备工艺难度降低，预制棒的尺寸可以进一步的做大，成本也可以得到降低；并构成具有g型折射率分布的芯层以及含有“上升包层”（rising cladding）的复合包层的波导结构的低衰减单模光纤；4、外包层为纯二氧化硅的石英玻璃材料，由于其粘度在芯层及包层的所有分层中最大，该外包层将在拉丝时承载较大比例的拉丝张力，这样就可以有效的阻止拉丝张力所造成的应力集中在纤芯部分而造成光纤衰减的增加。该包层可以有效地将预制棒的尺寸更进一步的做大，同时纯二氧化硅石英玻璃材料与掺氟石英玻璃材料相比较，其成本优势明显；5、Cl的含量的增加将降低石英玻璃材料的粘度，而减少将增加石英玻璃材料的粘度，光纤芯层中含有较高含量的Cl，可以降低粘度较高的芯层的粘度，而包层中含有较低含量的Cl，可以增加粘度较低的包层的粘度，这样，芯包粘度的差异缩小，材料失配的问题得到一定的缓解，光纤的损耗可以得到降低；6、基于本技术方案，光纤在1550 nm的损耗达到0.180 dB/km以下的同时，光纤预制棒的尺寸可以达到较大的尺寸，即60 mm直径至100 mm直径。
附图说明
图1 是本发明一个实施例的径向截面示意图。图中00对应光纤的芯层，10对应光纤的内包层，20对应光纤的中间包层，30对应光纤的外包层。
图2 是本发明一个实施例的折射率剖面示意图。其中虚线框内所内插的小图是具有g型折射率分布的芯层的折射率剖面的一个放大图。
图3 是本发明一个实施例的Cl含量的分布示意图。
图4 是本发明一个实施例的F的贡献量的分布示意图。其中虚线框内所内插的小图是芯层的F的贡献量的分布的一个放大图。
图5是本发明一个实施例的光纤的微弯损耗谱。
具体实施方式
下面将给出详细的实施例，对本发明作进一步的说明。
本发明实施例中的单模光纤，包括有芯层和包层，芯层00由掺主要氟（F）的石英玻璃或掺有氟及其它掺杂剂的石英玻璃组成；围绕芯层的是包层。包层有三个分层，内包层10紧密围绕芯层，由掺氟（F）的石英玻璃组成；中间包层20紧密围绕内包层，由掺氟（F）的石英玻璃组成，其相对折射率Δ3大于Δ2，外包层30紧密围绕中间包层，外包层半径R4为62μm~63μm，外包层为纯二氧化硅石英玻璃层，即其相对折射率Δ4为0%。
按照上述单模光纤的技术方案，在其所规定的范围内对光纤的参数进行设计，并通过我们熟知的PCVD工艺、MCVD工艺、OVD工艺或VAD工艺等芯棒制造工艺来根据光纤的设计要求制造芯棒，通过套管工艺、OVD工艺或VAD工艺等外包工艺来完成整个预制棒的制造。PCVD工艺在进行高浓度的掺氟（F）时，具有一定的优势。
在光纤的拉丝工艺中，光纤由两层紫外固化涂料涂覆，最外涂覆层直径为240μm~260μm，第一层涂覆层的直径为190μm~210μm。
所拉光纤的折射率剖面使用NR-9200设备（EXFO）进行测试。光纤的折射率剖面以及掺杂材料的主要参数如表1所示。
微弯损耗测试方法参照IEC TR 62221-2001中规定Method B的方法，由于长波长对于弯曲更敏感，故测试波长范围为1250nm~1700nm，并且重点关注光纤在1500 nm以上波长的微弯损耗的大小。
所拉光纤的主要性能参数如表2所示。
从实施例可以看出：1. g值越大，则芯层的掺F量由芯层向内包层逐渐增大的就越快，反之，则越慢。较小的g值意味着芯层到内包层的掺F量变化的更为缓慢，这对缓解芯包材料的粘度失配问题从而降低光纤的损耗具有一定的积极影响，如序号为1、2、3的实施例所反映的情况。另一方面，g值的变化会带来相关的光纤光学参数的变化，比如光纤的MFD和截止波长等，需要相应的调整光纤的芯层直径等参数来平衡光纤的光学参数。2. 芯层中氟（F）的贡献量ΔF会影响光纤的衰减性能，在Δ1为一定值的情况下，芯层中氟（F）的贡献量如果增加，则意味着芯层中“正掺杂剂”的浓度需要相应的增加以维持Δ1不变，掺杂剂浓度的增加将进一步降低芯层材料的粘度，使得芯层和包层材料的粘度匹配程度提高，有利于对光纤衰减性能的改善，如序号为3、4的实施例进行对比所反映的情况。然而，芯层内过多的掺杂将引起光纤的瑞利散射损耗的增加，不利于光纤损耗的降低，如序号为4、5的实施例进行对比所反映的情况。3. V值为中间包层的相对折射率Δ3与内包层的相对折射率Δ2的差值（Δ3-Δ2）和中间包层的半径R3与内包层的半径R2的差值（R3-R2）的乘积。该值是本发明光纤结构设计的一个重要参数，具体的来看：中间包层的氟（F）的贡献量Δ3对于光纤的衰减性能有影响，如序号为4、6、7的实施例所反映的情况。更大的掺氟浓度会使得该分层的相对折射率更低，将有利于进一步的避免光纤的“LP01模泄漏”现象，然而更大的掺氟浓度也意味着该分层的粘度会进一步降低，这样将不利于该分层在拉丝过程中承载拉丝张力，会使得光纤纤芯部分集中更多的应力，对于衰减会有不利的影响，所以需要综合考虑中间包层的掺氟量的大小。同时，中间包层的定位，即R2的大小对光纤的衰减性能也有影响，较大的R2值将有利于避免光纤的“LP01模泄漏”现象，却不利于发挥中间包层在光纤拉丝过程中承载张力的作用，也不利于光纤预制棒尺寸的增加和成本的降低，如序号为4、8、9的实施例所反映的情况。另外，纯硅外包层的定位，即R3的大小同样对光纤的衰减性能有影响，较大的R3值将有利于避免光纤的“LP01模泄漏”现象，却不利于发挥粘度最大的纯硅外包层在光纤拉丝过程中承载张力的作用，也不利于增加光纤预制棒的尺寸，并降低其成本。在序号为 4、10、11 的实施例中，从表2的结果来看，当该纯硅分层所在环的内径R3足够大时，在避免光纤的“LP01模泄漏”现象的同时，该层材料可有效承载部分拉丝张力，这样应力将不会明显集中于光纤的纤芯部分，光纤的衰减性能就得到了改善。4. 对于光纤各层中Cl的含量的主动控制，使其达到设计的要求，是有利于进一步的降低光纤的损耗的。从序号为4、12、13的实施例中看到，芯层Cl含量的提高和包层Cl含量的降低是有利于改善光纤芯包材料的粘度失配问题并可以为光纤损耗的降低带来积极影响的。
实验表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，其1550nm处的模场直径可以达到9μm以上，光缆截止波长保证在1260nm以下，1550nm处的衰减系数保证在0.180dB/km以下，光纤的零色散波长点在1300nm~1324nm之间，同时光纤在1700 nm的微弯损耗小于5dB/km。光纤的预制棒尺寸可以达到60mm直径至100mm直径，预制棒及光纤的成本可以得到降低。本发明的光纤适合规模化的生产。
表1：光纤的结构和材料组成
表2：光纤的主要性能参数
Claims (9)
1.一种单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层的折射率分布n（r）满足g型折射率分布：n（r）=n0[1-2Δ1(r/R1)g]1/2，r≦R1，n0为纯二氧化硅石英玻璃的折射率，芯层相对折射率差Δ1为-0.05%~+0.05%，g为10~30，芯层半径R1为4.0μm~5.0μm，包绕在芯层外的是包层，包层从内至外依次包括内包层、中间包层和外包层，内包层相对折射率差Δ2为-0.3%~-0.45%，半径R2为20μm~30μm，中间包层相对折射率差Δ3大于Δ2，并且中间包层的相对折射率差、半径与内包层的相对折射率差、半径存在以下的数值关系：设 V= (R3-R2)×(Δ3-Δ2)，则V值的范围为0.5×10-2 μm%~7×10-2 μm%；所述的芯层的Cl的含量[Cl]芯层为1000ppm~5000ppm，所述的内包层的Cl的含量[Cl]内包层为500ppm~2000ppm，所述的中间包层的Cl的含量[Cl]中间包层为300ppm~1800ppm，所述的外包层的Cl的含量[Cl]外包层为0ppm~1500ppm。
2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于所述的芯层主要由掺氟（F）的石英玻璃或氟锗共掺的石英玻璃组成，芯层氟（F）的贡献量ΔF为-0.03%~-0.08%。
3.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于所述的内包层主要由掺氟（F）的石英玻璃组成，其相对折射率差Δ2与芯层的Δ1的差值的绝对值|Δ1-Δ2|为0.32%~0.42%。
4.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于所述的中间包层主要由掺氟（F）的石英玻璃组成，其相对折射率差Δ3为-0.25%~-0.35%，半径R3为40μm~55μm。
5.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于所述的外包层为纯二氧化硅石英玻璃层，半径R4为62μm~63μm。
6.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.180 dB/km。
7.如权利要求6所述的单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的模场直径为10μm~11μm。
8.如权利要求6所述的单模光纤，其特征在于所述光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长；所述光纤的零色散波长点为1300nm~1324nm。
9.如权利要求6所述的单模光纤，其特征在于所述光纤在1700 nm的微弯损耗小于或等于5dB/km。
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