CN103472525A - 低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法，涉及光纤领域，该光纤包括由内至外依次排列的石英玻璃包层、内涂层和外涂层，石英玻璃包层内部还包括由内至外依次排列的第一纤芯区域、第二纤芯区域、第三纤芯区域、第四纤芯区域和折射率下凹包层，折射率下凹包层采用PCVD工艺进行沉积，石英玻璃包层采用OVD工艺或套管工艺制造。本发明能减小光纤的散射损耗和光纤弯曲状态下的附加损耗，将纤芯基模电磁场功率由尖顶分布调整为平顶分布，降低光功率密度，增大光纤的有效面积，降低光纤的非线性，使光纤通信系统入纤功率提高0.4～2.6dB，适合大规模生产。

Description

低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及光纤领域，特别是涉及一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法。

背景技术

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：

$A_{\mathrm{eff}}=2\mathrm{\π}\×\frac{{\left(\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{E}^2\mathrm{rdr}\right)}^2}{\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{E}^4\mathrm{rdr}},$

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： $\mathrm{MFD}=2{\left[2\frac{\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{rE}}^2\left(r\right)\mathrm{dr}}{\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{r\left[\frac{\mathrm{dE}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}\right]}^2\mathrm{dr}}\right]}^{1/2}$

其中，E为与传播有关的电场横向分量，r为光纤半径。

总色散：光纤波导色散与材料色散的代数和。

色散斜率：色散与波长的变化的斜率。

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。

RIC：棒套圆柱法。

我国“八纵八横”干线网络已经服役近20年，需要更新换代；同时，随着通信技术的演进，2013年我国开始规模化部署100G高速率商用光纤通信系统。随着骨干网流量的快速增长，100G的应用在未来几年也有可能出现瓶颈，后续出现400G、1T的超100G更高传输速率的传输系统。

高速传输的关键技术：偏振复用相位调制、基于DSP（DigitalSignal Processing，数字信号处理）的数字相干接收和第三代超强纠错编码等逐步解决，对于采用相干PM-QPSK（Polarization-MultiplexedQuadrature Phase Shift Keying，偏振复用正交相移键控）技术的100G通信系统，折合光纤的波长色散系数小于20ps/nm/km，折合PMD（Polarization Mode Dispersion，偏振模色散）系数小于0.66ps·km^-1/2，波长色散和PMD不再是重要的限制因素。

超100G通信系统对光纤的性能提出了综合的要求，不仅要求光纤的损耗小，而且要求光纤的非线性小。理论上，损耗可以用放大器来解决，但是放大器会增大系统的噪声，造成通信系统的不可靠，因此，期望光纤的损耗尽量低以减少放大器的使用；而非线性是由光纤材料与结构决定的，当前的系统技术还无法进行补偿，尤其非线性效应是限制超100G系统长距离传输的最大瓶颈与关键难题，单纯地追求光纤的超低损耗而忽略了光纤的非线性，将给通信系统带来不利的影响。

专利号为US7876990的美国专利提出一种低损耗单模光纤，该专利光纤折射率剖面参数值（α）在2.5～3.0之间，纤芯与包层的相对折射率差在0.30%～0.40%之间，该光纤在1310nm波长的损耗系数小于0.331dB/km，1383nm的水峰损耗系数小于0.328dB/km，1550nm波长的损耗系数小于0.190dB/km，并且该光纤在1550nm波长的MFD（Mode Field Diameter，模场直径）为10.7μm，1550nm波长的有效面积为85.143μm²。该专利的光纤损耗系数较高，有效面积较小，不能满足100G及超100G高速通信系统的传输要求。

专利号为US7524780的美国专利提出一种低损耗光纤及其制造方法，该专利在石英玻璃中扩散0.035%摩尔浓度的碱金属，该专利光纤在1550nm波长的损耗系数小于0.180dB/km，但是没有模场直径与有效面积等关键指标。

专利号为US8315493的美国专利提出了一种低损耗单模光纤的制造方法，其采用VAD/MCVD工艺技术，纤芯用VAD工艺制备，纤芯相对纯石英包层的折射率差低于0.2%，内包层采用MCVD制备，内包层相对纯石英玻璃的折射率下凹在0～-0.2%范围内，该专利制造的光纤在1383nm的水峰损耗系数为0.31dB/km，1550nm波长的损耗系数小于0.175dB/km，但是由于MCVD掺氟效率低，不适宜规模化生产。

公开号为US20130188917、专利号为US7524780的美国专利提出了一种光纤预制棒的制造方法，其在纤芯区域引入0.2%～0.5%摩尔浓度的碱金属改性剂，降低石英玻璃的玻璃化转变温度Tg，降低光纤的散射损耗达到降低光纤损耗的目的，理论上可以突破纯石英玻璃材料损耗的极限值0.150dB/km，但是这种工艺复杂，容易引入过渡金属杂质污染，并极其容易形成不透明的氯化物玻璃导致光纤的衰减增大，关键技术没有解决，也不适合规模化生产。

专利号为ZL200410030019.7的中国专利提出了一种超大有效面积光纤，该光纤在1310nm波长有效面积大于80μm²，1550nm大于95μm²，可达131.2μm²，但是其1310nm波长的损耗系数为0.35dB/km，1550nm损耗系数为0.190dB/km，1550nm的色散系数为20.08ps/nm/km～20.64ps/nm/km，该光虽然有效面积较大，但是损耗系数较大，色散也偏大，不能够满足高速通信系统的需求。

申请号为201180031939.9的中国专利申请提出了一种具有渐变折射率的无锗纤芯大有效面积单模光纤，该光纤纤芯不掺锗，纤芯折射率具有抛物线分布，包层采用石英掺氟的方式进行，掺氟下凹深度在-0.25%～-0.5%，1550nm损耗系数在0.15dB/km～0.16dB/km，有效面积可达110μm²以上，但是其1550nm的色散达到20ps/nm/km以上，22米光缆测试LP11模截止波长在1400nm以上，这导致1310nm～1400nm通信波段无法使用。

申请号为201180007436.8的中国专利申请提出了一种无锗纤芯的大有效面积光纤，该光纤纤芯不掺锗，并对纤芯进行了分段，正中心部分向上凸起，其余纤芯折射率分布参数在15～200之间，该光纤可以获得0.175dB/km的损耗系数，100～160μm²的有效面积，但是其弯曲损耗较大，凸起的中心折射率加强了光功率密度，反而增大了通信系统的非线性，由于采用纯硅芯和掺氟包层，生产效率低，也不适合大规模生产。

综上所述，现有的技术方案无法同时解决系统的损耗和非线性两个关键技术问题，也不适合大规模生产。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法，能够减小光纤的散射损耗和光纤弯曲状态下的附加损耗，将纤芯基模电磁场功率由尖顶分布调整为平顶分布，降低光功率密度，增大光纤的有效面积，降低光纤的非线性，使光纤通信系统入纤功率提高0.4～2.6dB，适合大规模生产。

本发明提供一种低损耗大有效面积单模光纤，包括由内至外依次排列的石英玻璃包层、内涂层和外涂层，所述石英玻璃包层内部还包括由内至外依次排列的第一纤芯区域、第二纤芯区域、第三纤芯区域、第四纤芯区域和折射率下凹包层，第一纤芯区域的半径为r₁，第二纤芯区域的半径为r₂，第三纤芯区域的半径为r₃，第四纤芯区域的半径为r₄，折射率下凹包层内边缘到第一纤芯区域中心的距离为r₅，折射率下凹包层外边缘到第一纤芯区域中心的距离为r₆，折射率下凹包层采用等离子化学气相沉积PCVD工艺进行沉积，石英玻璃包层采用外部气相沉积OVD工艺或套管工艺制造，其中：

第一纤芯区域与石英玻璃包层的相对折射率差Δ₁(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₁(r)=c₁”关系曲线：0≤r≤r₁，1.0μm≤r₁≤2.0μm，c₁为常数，0.07%≤c₁≤0.15%；

第二纤芯区域与石英玻璃包层的相对折射率差Δ₂(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₂(r)=A×ln(r)+c₂”关系曲线：r₁≤r≤r₂，3.0μm≤r₂≤3.9μm，A、c₂均为常数，0.0019≤A≤0.0025，-0.00001≤c₂≤-0.00010；

第三纤芯区域与石英玻璃包层的相对折射率差Δ₃(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₃(r)=c₃”关系曲线：r₂≤r≤r₃，2.5μm≤r₃≤5.0μm，c₃为常数，0.18%≤c₃≤0.32%；

第四纤芯区域与石英玻璃包层的相对折射率差Δ₄(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₄(r)=B×r²+C×r+c₄”关系曲线：r₃≤r≤r₄，5.0_μm≤r₄≤6.5μm，B、C、c₄均为常数，-0.0010≤B≤-0.00075，0.0071≤C≤0.0088，-0.0175≤c₄≤-0.0144；

该光纤的折射率下凹包层内边缘到第一纤芯区域中心的距离r₅与第四纤芯区域的半径r₄的关系为：3.0μm≤r₅-r₄≤6.2μm，该折射率下凹包层的厚度满足5.0μm≤r₆-r₅≤11.2μm，该折射率下凹包层的相对折射率差曲线满足Δ_b(r)=k×r+t曲线关系：k、t均为常数，k＝5×10^-6，_-9.46×10^-3≤t≤_-2.70×10^-3。

在上述技术方案的基础上，所述光纤在1310nm波长的损耗系数≤0.289dB/km，1383nm波长的损耗系数≤0.276dB/km，1550nm波长的损耗系数≤0.175dB/km，1625nm波长的损耗系数≤0.187dB/km。

在上述技术方案的基础上，所述光纤在弯曲直径为15mm×1圈的情况下，1550nm波长的附加损耗≤0.025dB，1625nm波长的附加损耗≤0.036dB。

在上述技术方案的基础上，所述光纤中的基模光功率分布为平顶分布，该光纤在1550nm波长的模场直径为12.0～15.25微米，在1550nm波长的有效面积为110～183平方微米，该光纤的非线性系数为0.565～0.936w^-1·km^-1，入纤功率提高0.4～2.6dB。

在上述技术方案的基础上，所述光纤在1550nm波长的色散系数为16.52～18.12ps/nm/km，22米截止波长为1259～1286nm，零色散波长为1316.2～1321.9nm，零色散波长的斜率为0.086～0.091ps/nm²/km。

本发明还提供一种上述低损耗大有效面积单模光纤的制造方法，包括以下步骤：

将四氯化硅、四氯化锗、高纯氧气、C₂F₆的混合气体通入沉积车床，所述沉积车床为PCVD或VAD或MCVD或OVD沉积车床，混合气体的总流量为5000～13500ml/min，在氢氧焰高温下生成掺锗的石英玻璃芯层，沉积芯层的第一纤芯区域与石英玻璃包层的相对折射率差Δ₁(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₁(r)=c₁”关系曲线：0≤r≤r₁，1.0μm≤r₁≤2.0μm，c₁为常数，0.07%≤c₁≤0.15%，形成第一纤芯区域；第二纤芯区域与石英玻璃包层的相对折射率差Δ₂(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₂(r)=A×ln(r)+c₂”关系曲线：r₁≤r≤r₂，3.0_μm≤r₂≤3.9μm，A、c₂均为常数，0.0019≤A≤0.0025，-0.00001≤c₂≤-0.00010，形成第二纤芯区域；第三纤芯区域与石英玻璃包层的相对折射率差Δ₃(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₃(r)=c₃”关系曲线：r₂≤r≤r₃，2.5μm≤r₃≤5.0μm，c₃为常数，0.18%≤c₃≤0.32%，形成第三纤芯区域；第四纤芯区域与石英玻璃包层的相对折射率差Δ₄(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₄(r)=B×r²+C×r+c₄”关系曲线：r₃≤r≤r₄，5.0μm≤r₄≤6.5μm，B、C、c₄均为常数，-0.0010≤B≤-0.00075，0.0071≤C≤0.0088，-0.0175≤c₄≤-0.0144，形成第四纤芯区域；

芯层沉积完成后，采用PCVD工艺沉积折射率下凹内包层，该光纤的折射率下凹包层内边缘到第一纤芯区域中心的距离r₅与第四纤芯区域的半径r₄的关系为：3.0μm≤r₅-r₄≤6.2μm，该折射率下凹包层的厚度满足：5.0μm≤r₆-r₅≤11.2μm，该折射率下凹包层的相对折射率差曲线满足Δ_b(r)=k×r+t曲线关系：k、t均为常数，k＝5×10^-6，-9.46×10^-3≤t≤-2.70×10^-3，构成r₅与r₆之间的折射率下凹区域，形成芯棒；

采用OVD工艺外喷沉积石英玻璃包层，外喷后形成的光纤预制棒直径尺寸为150～200mm；或者将PCVD工艺形成的芯棒直接装入直径为150～200mm的石英玻璃套管中，形成光纤预制棒；

将该光纤预制棒安置在拉丝塔上，在2000℃～2300℃左右的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层直径为190～192.3微米、外涂层直径为243.4～246.5微米的光纤。

在上述技术方案的基础上，所述光纤在1310nm波长的损耗系数≤0.289dB/km，1383nm波长的损耗系数≤0.276dB/km，1550nm波长的损耗系数≤0.175dB/km，1625nm波长的损耗系数≤0.187dB/km。

在上述技术方案的基础上，所述光纤在弯曲直径为15mm×1圈的情况下，1550nm波长的附加损耗≤0.025dB，1625nm波长的附加损耗≤0.036dB。

在上述技术方案的基础上，所述光纤中的基模光功率分布为平顶分布，该光纤在1550nm波长的模场直径为12.0～15.25微米，在1550nm波长的有效面积为110～183平方微米，该光纤的非线性系数为0.565～0.936w^-1·km^-1，入纤功率提高0.4～2.6dB。

在上述技术方案的基础上，所述光纤在1550nm波长的色散系数为16.52～18.12ps/nm/km，22米截止波长为1259～1286nm，零色散波长为1316.2～1321.9nm，零色散波长的斜率为0.086～0.091ps/nm²/km。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

（1）本发明将纤芯基模电磁场功率由尖顶分布调整为平顶分布，光纤在1550nm波长的模场直径为12.0～15.25微米，不仅能够降低光功率密度，而且能够增大光纤的有效面积：该光纤在1550nm波长的有效面积为110～183平方微米。

（2）本发明能够减小光纤的非线性：该光纤的非线性系数为0.565～0.936w^-1·km^-1。

（3）本发明中特殊的分段纤芯结构设计有效降低光纤的纤芯掺锗量，能够减小光纤的散射损耗，该光纤在1310nm波长的损耗系数≤0.289dB/km，1383nm波长的损耗系数≤0.276dB/km，1550nm波长的损耗系数≤0.175dB/km，1625nm波长的损耗系数≤0.187dB/km。

（4）本发明能够减小光纤弯曲状态下的附加损耗，具有优越的抗弯能力，该光纤在弯曲直径为15mm×1圈的情况下，1550nm波长的附加损耗≤0.025dB，1625nm波长的附加损耗≤0.036dB。

（5）该光纤在1550nm波长的色散系数为16.52～18.12ps/nm/km，22米截止波长为1259～1286nm，零色散波长为1316.2～1321.9nm，零色散波长的斜率为0.086～0.091ps/nm²/km。

（6）本发明使光纤通信系统的入纤功率提高0.4～2.6dB，不仅能够提高通信的可靠性，而且能够有效延长通信系统的通信距离，能够满足超100G与400G大容量高速光通信系统的应用需求，具有较好的应用前景和经济社会效益。

（7）本发明还能够提高生产效率，降低制造成本，操作方便，适合大规模生产。

附图说明

图1是本发明实施例中低损耗大有效面积单模光纤的横截面示意图。

图2是本发明实施例中低损耗大有效面积单模光纤纤芯的折射率示意图。

图3是本发明实施例中低损耗大有效面积单模光纤纤芯中基模的光功率分布示意图。

图4是普通单模光纤纤芯中基模的光功率分布示意图。

图5是本发明实施例中低损耗大有效面积单模光纤的损耗谱曲线图。

图6是本发明实施例中低损耗大有效面积单模光纤的模场直径与有效面积的曲线图，其中g1为模场直径曲线，g2为有效面积曲线。

附图标记：a₁—第一纤芯区域，a₂—第二纤芯区域，a₃—第三纤芯区域，a₄—第四纤芯区域，b—石英玻璃包层，b₁—石英玻璃包层中的折射率下凹包层内边缘，b₂—石英玻璃包层中的折射率下凹包层外边缘，f₁—内涂层，f₂—外涂层，r₁—第一纤芯区域的半径，r₂—第二纤芯区域的半径，r₃—第三纤芯区域的半径，r₄—第四纤芯区域的半径，r₅—折射率下凹包层开始位置与第一纤芯区域中心的距离，r₆—折射率下凹包层结束位置与第一纤芯区域中心的距离。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种低损耗大有效面积单模光纤，包括由内至外依次排列的第一纤芯区域a₁、第二纤芯区域a₂、第三纤芯区域a₃、第四纤芯区域a₄、折射率下凹包层、石英玻璃包层b、内涂层f₁和外涂层f₂，第一纤芯区域a₁的半径为r₁，第二纤芯区域a₂的半径为r₂，第三纤芯区域a₃的半径为r₃，第四纤芯区域a₄的半径为r₄，折射率下凹包层内边缘b₁到第一纤芯区域a₁中心的距离为r₅，折射率下凹包层外边缘b₂到第一纤芯区域a₁中心的距离为r₆，折射率下凹包层采用等离子化学气相沉积（PCVD）工艺进行沉积，石英玻璃包层b采用外部气相沉积（OVD）工艺或套管工艺制造，其中：

第一纤芯区域a₁与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₁(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₁(r)=c₁”关系曲线：0≤r≤r₁，1.0μm≤r₁≤2.0μm，c₁为常数，0.07%≤c₁≤0.15%；

第二纤芯区域a₂与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₂(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₂(r)=A×ln(r)+c₂”关系曲线：r₁≤r≤r₂，3.0μm≤r₂≤3.9μm，A、c₂均为常数，0.0019≤A≤0.0025，-0.00001≤c₂≤-0.00010；

第三纤芯区域a₃与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₃(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₃(r)=c₃”关系曲线：r₂≤r≤r₃，2.5μm≤r₃≤5.0μm，c₃为常数，0.18%≤c₃≤0.32%；

第四纤芯区域a₄与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₄(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₄(r)=B×r²+C×r+c₄”关系曲线：r₃≤r≤r₄，5.0μm≤r₄≤6.5μm，B、C、c₄均为常数，-0.0010≤B≤-0.00075，0.0071≤C≤0.0088，-0.0175≤c₄≤-0.0144；

该光纤的折射率下凹包层内边缘b₁到第一纤芯区域a₁中心的距离r₅与第四纤芯区域a₄的半径r₄的关系为：3.0μm≤r₅-r₄≤6.2μm，该折射率下凹包层的厚度满足5.0μm≤r₆-r₅≤11.2μm，该折射率下凹包层的相对折射率差曲线满足Δ_b(r)=k×r+t曲线关系：k、t均为常数，k＝5×10^-6，_-9.46×10^-3≤t≤_-2.70×10^-3。

该光纤中的基模光功率分布为平顶分布，该光纤在1550nm波长的模场直径为12.0～15.25微米，在1550nm波长的有效面积为110～183平方微米，该光纤的非线性系数为0.565～0.936w^-1·km^-1，入纤功率提高0.4～2.6dB。

该光纤在1310nm波长的损耗系数≤0.289dB/km，1383nm波长的损耗系数≤0.276dB/km，1550nm波长的损耗系数≤0.175dB/km，1625nm波长的损耗系数≤0.187dB/km。

该光纤在弯曲直径为15mm×1圈的情况下，1550nm波长的附加损耗≤0.025dB，1625nm波长的附加损耗≤0.036dB。

该光纤在1550nm波长的色散系数为16.52～18.12ps/nm/km，22米截止波长为1259～1286nm，零色散波长为1316.2～1321.9nm，零色散波长的斜率为0.086～0.091ps/nm²/km。

该光纤使光纤通信系统入纤功率提高0.40dB以上，入纤功率优化值提升2.0dB以上，不仅能够拓展通信系统的传输距离与传输速率，而且能够提升通信系统的可靠性，易于规模化生产，非常适合100Gbit/s及超100Gbit/s大容量高速通信系统的应用。

本发明实施例还提供上述低损耗大有效面积单模光纤的制造方法，包括以下步骤：

将四氯化硅、四氯化锗、高纯氧气、C₂F₆的混合气体通入沉积车床（PCVD或VAD或MCVD或OVD），混合气体的总流量为5000～13500ml/min，在氢氧焰高温下生成掺锗的石英玻璃芯层，沉积芯层的第一纤芯区域a₁与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₁(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₁(r)=c₁”关系曲线：0≤r≤r₁，1.0μm≤r₁≤2.0μm，c₁为常数，0.07%≤c₁≤0.15%，该部分对应于图2中的r₁折射率曲线，形成图1中的第一纤芯区域a₁；第二纤芯区域a₂与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₂(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₂(r)=A×ln(r)+c₂”关系曲线：r₁≤r≤r₂，3.0μm≤r₂≤3.9μm，A、c₂均为常数，0.0019≤A≤0.0025，-0.00001≤c₂≤-0.00010，该部分对应于图2中的r₂折射率曲线，形成图1中的第二纤芯区域a₂；第三纤芯区域a₃与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₃(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₃(r)=c₃”关系曲线：r₂≤r≤r₃，2.5μm≤r₃≤5.0μm，c₃为常数，0.18%≤c₃≤0.32%，该部分对应于图2中的r₃折射率曲线，形成图1中的第三纤芯区域a₃；第四纤芯区域a₄与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₄(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₄(r)=B×r²+C×r+c₄”关系曲线：r₃≤r≤r₄，5.0μm≤r₄≤6.5μm，B、C、c₄均为常数，-0.0010≤B≤-0.00075，0.0071≤C≤0.0088，-0.0175≤c₄≤-0.0144，该部分对应于图2中的r₄折射率曲线，形成图1中的第四纤芯区域a₄。

芯层沉积完成后，采用PCVD工艺沉积折射率下凹内包层，该光纤的折射率下凹包层内边缘b₁到第一纤芯区域a₁中心的距离r₅与第四纤芯区域a₄的半径r₄的关系为：3.0μm≤r₅-r₄≤6.2μm，该折射率下凹包层的厚度满足：5.0μm≤r₆-r₅≤11.2μm，该折射率下凹包层的相对折射率差曲线满足Δ_b(r)=k×r+t曲线关系：k、t均为常数，k＝5×10^-6，-9.46×10^-3≤t≤-2.70×10^-3，构成图2中的r₅与r₆之间折射率下凹区域，对应图1中石英玻璃包层b中的折射率下凹包层内边缘b₁与石英玻璃包层b中的折射率下凹包层外边缘b₂之间的折射率区域，形成芯棒。

采用OVD工艺外喷沉积石英玻璃包层b，形成图1中石英玻璃包层b部分的包层区域，外喷后形成的光纤预制棒直径尺寸为150～200mm；或者将PCVD工艺形成的芯棒直接装入直径为150～200mm的石英玻璃套管中，形成光纤预制棒。

将该光纤预制棒安置在拉丝塔上，在2000℃～2300℃左右的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层f₁直径为190～192.3微米、外涂层f₂直径为243.4～246.5微米的光纤。

经过测试，该光纤中的基模光功率分布为平顶分布，该光纤在1550nm波长的模场直径为12.0～15.25微米，在1550nm波长的有效面积为110～183平方微米，该光纤的非线性系数为0.565～0.936w^-1·km^-1，入纤功率提高0.4～2.6dB。

该光纤在1310nm波长的损耗系数≤0.289dB/km，1383nm波长的损耗系数≤0.276dB/km，1550nm波长的损耗系数≤0.175dB/km，1625nm波长的损耗系数≤0.187dB/km。

该光纤在弯曲直径为15mm×1圈的情况下，1550nm波长的附加损耗≤0.025dB，1625nm波长的附加损耗≤0.036dB。

该光纤在1550nm波长的色散系数为16.52～18.12ps/nm/km，22米截止波长为1259～1286nm，零色散波长为1316.2～1321.9nm，零色散波长的斜率为0.086～0.091ps/nm²/km。

下面通过3个具体实施例进行详细说明。

实施例1

将四氯化硅、四氯化锗、高纯氧气、C₂F₆的混合气体通入沉积车床（PCVD或VAD或MCVD或OVD），混合气体的总流量为13500ml/min，在氢氧焰高温下生成掺锗的石英玻璃芯层，沉积芯层的第一纤芯区域a₁与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₁(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₁(r)=c₁”关系曲线：0≤r≤r₁，r₁＝1.50μm，c₁＝0.10%，该部分对应于图2中的r₁折射率曲线，形成图1中的第一纤芯区域a₁；第二纤芯区域a₂与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₂(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₂(r)=A×ln(r)+c₂”关系曲线：r₁≤r≤r₂，r₂=3.0μm，A=0.0022，c₂=-0.00006，该部分对应于图2中的r₂折射率曲线，形成图1中的第二纤芯区域a₂；第三纤芯区域a₃与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₃(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₃(r)=c₃”关系曲线：r₂≤r≤r₃，r₃＝4.6μm，c₃＝0.22%，该部分对应于图2中的r₃折射率曲线，形成图1中的第三纤芯区域a₃；第四纤芯区域a₄与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₄(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₄(r)=B×r²+C×r+c₄”关系曲线：r₃≤r≤r₄，r₄＝6.0μm，B＝-0.00089，C＝0.0080，c₄＝-0.0160，该部分对应于图2中的r₄折射率曲线，形成图1中的第四纤芯区域a₄。

芯层沉积完成后，采用PCVD工艺沉积折射率下凹内包层，该光纤的折射率下凹包层开始位置与第一纤芯区域a₁中心的距离r₅与第四纤芯区域a₄的半径r₄的关系为：r₅-r₄＝3.0μm，该折射率下凹包层的厚度满足：r₆-r₅＝9.2μm，该折射率下凹包层的相对折射率差曲线满足Δ_b(r)=k×r+t曲线关系：k＝5×10^-6，t＝-4.86×10^-3，构成图2中的r₅与r₆之间的折射率下凹区域，对应图1中石英玻璃包层b中的折射率下凹包层内边缘b₁与石英玻璃包层b中的折射率下凹包层外边缘b₂之间的折射率区域，形成芯棒。然后，采用OVD工艺外喷沉积石英玻璃包层b，形成图1中石英玻璃包层b部分的包层区域，外喷后形成的光纤预制棒直径尺寸为150mm。

将该光纤预制棒安置在拉丝塔上，在2000℃左右的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层f₁直径为190微米、外涂层f₂直径为245微米的光纤。

该光纤经过测试，光纤中的基模光功率分布参见图3所示，从图3中可以看出该基模光功率中心为平顶。而常规单模光纤测试出的基模光功率分布参见图4所示，该光纤基模光功率中心为尖顶分布。

经测试，本发明实施例中图3所示类型的光纤非线性系数为0.698w^-1·km^-1，而图4所示类型的普通单模光纤的非线性系数为1.317w^-1·km^-1，可见本发明实施例明显降低了光纤的非线性系数，入纤功率提升2.1dB。

该光纤的模场直径与有效面积曲线参见图5所示，从图5中可以看出该发明实施例的低损耗大有效面积光纤在1550nm波长的模场直径为14.56μm，有效面积为166.5μm²；而常规G.652单模光纤在1550nm波长的模场直径为10.40±0.5μm，有效面积为80μm²。

该光纤的损耗谱测试曲线参见图6所示，从图6中可以看出，该光纤在1310nm波长的损耗系数为0.285dB/km，1383nm波长的损耗系数为0.269dB/km，1550nm波长的损耗系数为0.173dB/km，1625nm的损耗系数为0.186dB/km。

该光纤的主要指标参见表1所示：该光纤在1550nm波长的色散系数为17.36ps/nm/km，22米截止波长为1260nm，零色散波长为1320.8nm，零色散波长的斜率为0.086ps/nm²/km。该光纤在弯曲直径为15mm×1圈的情况下，1550nm波长的附加损耗为0.016dB，1625nm波长的附加损耗为0.023dB。

表1、实施例1制造的光纤的主要技术指标

技术参数	数值	单位
			衰减1310nm	0.285	dB/km
衰减1383nm	0.269	dB/km
			衰减1550nm	0.173	dB/km
衰减1625nm	0.186	dB/km
			MFD1550	14.56	μm
1550nm有效面积	166.5	2μm
			22米截止波长	1260	nm
零色散波长	1320.8	nm
			零色散斜率	0.086	ps/nm2/km
1550nm色散	17.36	ps/nm/km
			宏弯损耗φ15*11550nm	0.016	dB
宏弯损耗φ15*11625nm	0.023	dB

实施例2

将四氯化硅、四氯化锗、高纯氧气、C₂F₆的混合气体通入沉积车床（PCVD或VAD或MCVD或OVD），混合气体的总流量为12600ml/min，在氢氧焰高温下生成掺锗的石英玻璃芯层，沉积芯层的第一纤芯区域a₁与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₁(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₁(r)=c₁”关系曲线：0≤r≤r₁，r₁＝1.0μm，c₁＝0.07%，该部分对应于图2中的r₁折射率曲线，形成图1中的第一纤芯区域a₁；第二纤芯区域a₂与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₂(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₂(r)=A×ln(r)+c₂”关系曲线：r₁≤r≤r₂，r₂=3.9μm，A=0.0019，c₂=-0.00001，该部分对应于图2中的r₂折射率曲线，形成图1中的第二纤芯区域a₂；第三纤芯区域a₃与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₃(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₃(r)=c₃”关系曲线：r₂≤r≤r₃，r₃＝2.5μm，c₃＝0.18%，该部分对应于图2中的r₃折射率曲线，形成图1中的第三纤芯区域a₃；第四纤芯区域a₄与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₄(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₄(r)=B×r²+C×r+c₄”关系曲线：r₃≤r≤r₄，r₄＝5.0μm，B＝-0.00075，C＝0.0088，c₄＝-0.0144，该部分对应于图2中的r₄折射率曲线，形成图1中的第四纤芯区域a₄。

芯层沉积完成后，采用PCVD工艺沉积折射率下凹内包层，该光纤的折射率下凹包层开始位置与第一纤芯区域a₁中心的距离r₅与第四纤芯区域a₄的半径r₄的关系为：r₅-r₄＝6.2μm，该折射率下凹包层的厚度满足：r₆-r₅＝5.0μm，该折射率下凹包层的相对折射率差曲线满足Δ_b(r)=k×r+t曲线关系：k＝5×10^-6，t＝-9.46×10^-3，构成图2中的r₅与r₆之间的折射率下凹区域，对应图1中石英玻璃包层b中的折射率下凹包层内边缘b₁与石英玻璃包层b中的折射率下凹包层外边缘b₂之间的折射率区域，形成芯棒，将PCVD工艺形成的芯棒直接装入直径为165mm的石英玻璃套管中，形成光纤预制棒。

将该光纤预制棒安置在拉丝塔上，在2200℃左右的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层f₁直径为192.2微米、外涂层f₂直径为246.5微米的光纤。

经过测试，该光纤中的基模光功率分布为平顶分布，该光纤在1550nm波长的模场直径为12.1μm，有效面积为110.6μm²；该光纤的非线性系数为0.936w^-1·km^-1，入纤功率提升0.40dB；该光纤在1310nm波长的损耗系数为0.282dB/km，1383nm波长的损耗系数为0.271dB/km，1550nm波长的损耗系数为0.170dB/km，1625nm波长的损耗系数为0.183dB/km。

该光纤的主要指标参见表2所示：该光纤在1550nm波长的色散系数为18.12ps/nm/km，22米截止波长为1286nm，零色散波长为1321.9nm，零色散波长的斜率为0.091ps/nm²/km。该光纤在弯曲直径为15mm×1圈的情况下，1550nm波长的附加损耗为0.022dB，1625nm波长的附加损耗为0.033dB。

表2、实施例2制造的光纤的主要技术指标

技术参数	数值	单位
			衰减1310nm	0.282	dB/km
衰减1383nm	0.271	dB/km
			衰减1550nm	0.170	dB/km
衰减1625nm	0.183	dB/km
			MFD1550	12.1	μm
1550nm有效面积	110.6	μm2
			22米截止波长	1286	nm
零色散波长	1321.9	nm
			零色散斜率	0.091	ps/nm2/km
1550nm色散	18.12	ps/nm/km
			宏弯损耗φ15*11550nm	0.022	dB
宏弯损耗φ15*11625nm	0.033	dB

实施例3

将四氯化硅、四氯化锗、高纯氧气、C₂F₆的混合气体通入沉积车床（PCVD或VAD或MCVD或OVD），混合气体的总流量为5000ml/min，在氢氧焰高温下生成掺锗的石英玻璃芯层，沉积芯层的第一纤芯区域a₁与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₁(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₁(r)=c₁”关系曲线：0≤r≤r₁，r₁＝2.0μm，c₁＝0.15%，该部分对应于图2中的r₁折射率曲线，形成图1中的第一纤芯区域a₁；第二纤芯区域a₂与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₂(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₂(r)=A×ln(r)+c₂”关系曲线：r₁≤r≤r₂，r₂=3.0μm，A=0.0025，c₂=-0.00010，该部分对应于图2中的r₂折射率曲线，形成图1中的第二纤芯区域a₂；第三纤芯区域a₃与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₃(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₃(r)=c₃”关系曲线：r₂≤r≤r₃，r₃＝5.0μm，c₃＝0.32%，该部分对应于图2中的r₃折射率曲线，形成图1中的第三纤芯区域a₃；第四纤芯区域a₄与石英玻璃包层b的相对折射率差Δ₄(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₄(r)=B×r²+C×r+c₄”关系曲线：r₃≤r≤r₄，r₄＝6.5μm，B＝-0.0010，C＝0.0071，c₄＝-0.0175，该部分对应于图2中的r₄折射率曲线，形成图1中的第四纤芯区域a₄。

芯层沉积完成后，采用PCVD工艺沉积折射率下凹内包层，该光纤的折射率下凹包层开始位置与第一纤芯区域a₁中心的距离r₅与第四纤芯区域a₄的半径r₄的关系为：r₅-r₄＝4.6μm，该折射率下凹包层的厚度满足：r₆-r₅＝11.2μm，该折射率下凹包层的相对折射率差曲线满足Δ_b(r)=k×r+t曲线关系：k＝5×10^-6，t＝-2.7×10^-3，构成图2中的r₅与r₆之间的折射率下凹区域，对应图1中石英玻璃包层b中的折射率下凹包层内边缘b₁与石英玻璃包层b中的折射率下凹包层外边缘b₂之间的折射率区域，形成芯棒。然后，采用OVD工艺外喷沉积石英玻璃包层b，形成图1中石英玻璃包层b部分的包层区域，外喷后形成的光纤预制棒直径尺寸为200mm。

将该光纤预制棒安置在拉丝塔上，在2300℃左右的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层f₁直径为192.3微米、外涂层f₂直径为243.4微米的光纤。

经过测试，该光纤中的基模光功率分布为平顶分布，在1550nm波长的模场直径为15.25μm，有效面积为183μm²，非线性系数为0.565w^-1·km^-1，入纤功率提升2.6dB。该光纤在1310nm波长的损耗系数为0.289dB/km，1383nm波长的损耗系数为0.276dB/km，1550nm波长的损耗系数为0.175dB/km，1625nm波长的损耗系数为0.187dB/km。

该光纤的主要指标参见表3所示：该光纤在1550nm波长的色散系数为16.52ps/nm/km，22米截止波长为1259.2nm，零色散波长为1316.2nm，零色散波长的斜率为0.087ps/nm²/km。该光纤在弯曲直径为15mm×1圈的情况下，1550nm波长的附加损耗为0.025dB，1625nm波长的附加损耗为0.036dB。

表3、实施例3制造的光纤的主要技术指标

技术参数	数值	单位
			衰减1310nm	0.289	dB/km
衰减1383nm	0.276	dB/km
			衰减1550nm	0.173	dB/km
衰减1625nm	0.187	dB/km
			MFD1550	15.25	μm
1550nm有效面积	183.0	μm2
			22米截止波长	1259.2	nm
零色散波长	1316.2	nm
			零色散斜率	0.087	ps/nm2/km
1550nm色散	16.52	ps/nm/km
			宏弯损耗φ15*11550nm	0.025	dB
宏弯损耗φ15*11625nm	0.036	dB

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型属在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种低损耗大有效面积单模光纤，包括由内至外依次排列的石英玻璃包层（b）、内涂层（f₁）和外涂层（f₂），其特征在于：所述石英玻璃包层（b）内部还包括由内至外依次排列的第一纤芯区域（a₁）、第二纤芯区域（a₂）、第三纤芯区域（a₃）、第四纤芯区域（a₄）和折射率下凹包层，第一纤芯区域（a₁）的半径为r₁，第二纤芯区域（a₂）的半径为r₂，第三纤芯区域（a₃）的半径为r₃，第四纤芯区域（a₄）的半径为r₄，折射率下凹包层内边缘（b₁）到第一纤芯区域（a₁）中心的距离为r₅，折射率下凹包层外边缘（b₂）到第一纤芯区域（a₁）中心的距离为r₆，折射率下凹包层采用等离子化学气相沉积PCVD工艺进行沉积，石英玻璃包层（b）采用外部气相沉积OVD工艺或套管工艺制造，其中：

第一纤芯区域（a₁）与石英玻璃包层（b）的相对折射率差Δ₁(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₁(r)=c₁”关系曲线：0≤r≤r₁，1.0μm≤r₁≤2.0μm，c₁为常数，0.07%≤c₁≤0.15%；

第二纤芯区域（a₂）与石英玻璃包层（b）的相对折射率差Δ₂(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₂(r)=A×ln(r)+c₂”关系曲线：r₁≤r≤r₂，3.0μm≤r₂≤3.9μm，A、c₂均为常数，0.0019≤A≤0.0025，-0.00001≤c₂≤-0.00010；

第三纤芯区域（a₃）与石英玻璃包层（b）的相对折射率差Δ₃(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₃(r)=c₃”关系曲线：r₂≤r≤r₃，2.5μm≤r₃≤5.0μm，c₃为常数，0.18%≤c₃≤0.32%；

第四纤芯区域（a₄）与石英玻璃包层（b）的相对折射率差Δ₄(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₄(r)=B×r²+C×r+c₄”关系曲线：r₃≤r≤r₄，5.0μm≤r₄≤6.5μm，B、C、c₄均为常数，-0.0010≤B≤-0.00075，0.0071≤C≤0.0088，-0.0175≤c₄≤-0.0144；

该光纤的折射率下凹包层内边缘（b₁）到第一纤芯区域（a₁）中心的距离r₅与第四纤芯区域（a₄）的半径r₄的关系为：3.0μm≤r₅-r₄≤6.2μm，该折射率下凹包层的厚度满足5.0μm≤r₆-r₅≤11.2μm，该折射率下凹包层的相对折射率差曲线满足Δ_b(r)=k×r+t曲线关系：k、t均为常数，k＝5×10^-6，-9.46×10^-3≤_t≤-2.70×10^-3。

2.如权利要求1所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于：所述光纤在1310nm波长的损耗系数≤0.289dB/km，1383nm波长的损耗系数≤0.276dB/km，1550nm波长的损耗系数≤0.175dB/km，1625nm波长的损耗系数≤0.187dB/km。

3.如权利要求1所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于：所述光纤在弯曲直径为15mm×1圈的情况下，1550nm波长的附加损耗≤0.025dB，1625nm波长的附加损耗≤0.036dB。

4.如权利要求1所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于：所述光纤中的基模光功率分布为平顶分布，该光纤在1550nm波长的模场直径为12.0～15.25微米，在1550nm波长的有效面积为110～183平方微米，该光纤的非线性系数为0.565～0.936w^-1·km^-1，入纤功率提高0.4～2.6dB。

5.如权利要求1至4中任一项所述的低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于：所述光纤在1550nm波长的色散系数为16.52～18.12ps/nm/km，22米截止波长为1259～1286nm，零色散波长为1316.2～1321.9nm，零色散波长的斜率为0.086～0.091ps/nm²/km。

6.权利要求1至5中任一项所述低损耗大有效面积单模光纤的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

将四氯化硅、四氯化锗、高纯氧气、C₂F₆的混合气体通入沉积车床，所述沉积车床为PCVD或VAD或MCVD或OVD沉积车床，混合气体的总流量为5000～13500ml/min，在氢氧焰高温下生成掺锗的石英玻璃芯层，沉积芯层的第一纤芯区域（a₁）与石英玻璃包层（b）的相对折射率差Δ₁(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₁(r)=c₁”关系曲线：0≤r≤r₁，1.0μm≤r₁≤2.0μm，c₁为常数，0.07%≤c₁≤0.15%，形成第一纤芯区域（a₁）；第二纤芯区域（a₂）与石英玻璃包层（b）的相对折射率差Δ₂(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₂(r)=A×ln(r)+c₂”关系曲线：r₁≤r≤r₂，3.0μm≤r₂≤3.9μm，A、c₂均为常数，0.0019≤A≤0.0025，-0.00001≤c₂≤-0.00010，形成第二纤芯区域（a₂）；第三纤芯区域（a₃）与石英玻璃包层（b）的相对折射率差Δ₃(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₃(r)=c₃”关系曲线：r₂≤r≤r₃，2.5μm≤r₃≤5.0μm，c₃为常数，0.18%≤c₃≤0.32%，形成第三纤芯区域（a₃）；第四纤芯区域（a₄）与石英玻璃包层（b）的相对折射率差Δ₄(r)随纤芯半径r的变化满足“Δ₄(r)=B×r²+C×r+c₄”关系曲线：r₃≤r≤r₄，5.0μm≤r₄≤6.5μm，B、C、c₄均为常数，-0.0010≤B≤-0.00075，0.0071≤C≤0.0088，-0.0175≤c₄≤-0.0144，形成第四纤芯区域（a₄）；

芯层沉积完成后，采用PCVD工艺沉积折射率下凹内包层，该光纤的折射率下凹包层内边缘（b₁）到第一纤芯区域（a₁）中心的距离r₅与第四纤芯区域（a₄）的半径r₄的关系为：3.0μm≤r₅-r₄≤6.2μm，该折射率下凹包层的厚度满足：5.0μm≤r₆-r₅≤11.2μm，该折射率下凹包层的相对折射率差曲线满足Δ_b(r)=k×r+t曲线关系：k、t均为常数，k＝5×10^-6，-9.46×10^-3≤t≤-2.70×10^-3，构成r₅与r₆之间的折射率下凹区域，形成芯棒；

采用OVD工艺外喷沉积石英玻璃包层（b），外喷后形成的光纤预制棒直径尺寸为150～200mm；或者将PCVD工艺形成的芯棒直接装入直径为150～200mm的石英玻璃套管中，形成光纤预制棒；

将该光纤预制棒安置在拉丝塔上，在2000℃～2300℃左右的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层（f₁）直径为190～192.3微米、外涂层（f₂）直径为243.4～246.5微米的光纤。

7.如权利要求6所述的低损耗大有效面积单模光纤的制造方法，其特征在于：所述光纤在1310nm波长的损耗系数≤0.289dB/km，1383nm波长的损耗系数≤0.276dB/km，1550nm波长的损耗系数≤0.175dB/km，1625nm波长的损耗系数≤0.187dB/km。

8.如权利要求6所述的低损耗大有效面积单模光纤的制造方法，其特征在于：所述光纤在弯曲直径为15mm×1圈的情况下，1550nm波长的附加损耗≤0.025dB，1625nm波长的附加损耗≤0.036dB。

9.如权利要求6所述的低损耗大有效面积单模光纤的制造方法，其特征在于：所述光纤中的基模光功率分布为平顶分布，该光纤在1550nm波长的模场直径为12.0～15.25微米，在1550nm波长的有效面积为110～183平方微米，该光纤的非线性系数为0.565～0.936w^-1·km^-1，入纤功率提高0.4～2.6dB。

10.如权利要求6至9中任一项所述的低损耗大有效面积单模光纤的制造方法，其特征在于：所述光纤在1550nm波长的色散系数为16.52～18.12ps/nm/km，22米截止波长为1259～1286nm，零色散波长为1316.2～1321.9nm，零色散波长的斜率为0.086～0.091ps/nm²/km。

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