CN107678087A - 一种低衰减大有效面积单模光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低衰减大有效面积单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层包括下陷内芯层和外芯层，下陷内芯层半径r1为2.2～3.5μm，Δn1为0.08％～0.20％，外芯层半径r2为5～6.5μm，Δn2为0.20％～0.32％；芯层外包覆有包层，所述的包层从内向外侧依次包括内包层、下陷包层和外包层，内包层半径r3为9～13μm，Δn3为‑0.06％～0.06％，下陷包层半径r4为11～18μm，Δn4为‑0.60％～‑0.35％；所述的外包层为为纯二氧化硅玻璃层。本发明设置中心芯层下陷的结构，使光纤内部能量分布从典型高斯分布变为非高斯分布，从而在保证光纤截止波长和色散性能的基础上，有效的增加了光纤的有效面积，该光纤不仅衰减低，有效面积大，而且光纤制造成本低，且具有较好的弯曲损耗和色散性能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传输领域，具体涉及一种低衰减大有效面积单模光纤，用于长距离，大容量，高速率传输系统。
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成为限制，在未来的传输系统中色散(CD)和偏振模色散(PMD)的指标将可以进一步的放宽。但光纤的衰减和有效面积仍成为限制光通讯技术发展的重要问题。
尤其是在未来的400G或更高的传输系统中，衰减的降低将极大降低整个系统的建设和维护成本。以400G系统为例，如果将光纤的1550nm衰减系数降低到0.18dB/km，通过跨段传输距离的增加，可以减少20％的再生基站；进一步如果光纤衰减降低0.16dB/km,则可以减少40％左右的再生基站。同理，如果通过增加光纤的有效面积到100μm2或更高，在抑制光纤的非线性效应的条件，将泵浦功率提高，可达到同降低光纤衰减到0.16dB/km同样的效果。综上所述，开发设计并制造一种超低衰减大有效面积光纤成为光纤制造领域的一个重要课题。
目前制备超低衰减光纤的最主要工艺是采用纯硅芯设计，这种设计由于芯层没有Ge掺杂，所以可以获得非常低的瑞利散射系数，从而获得较低的光纤衰减。
获得大有效面积，从光纤剖面设计角度主要的方法就是增加芯层直径和降低光纤芯层折射率。因为超低衰减光纤采用纯硅芯工艺，所以进一步降低光纤的折射率的方法存在限制；而单纯的增加光纤的芯径虽然可以获得较大的有效面积，但是也会造成光纤的截止波长迅速增加，从而造成光纤超过相关指标。传统的大有效面积光纤都是采用的下陷辅助设计方法，芯层为矩形结构，这样光纤的能量分布基本为高斯分布，如果通过特定的芯层设计，将能量分布形式改变，变为非高斯分布，则可以有效的增加光纤模场直径，从而提高光纤的有效面积。
文献US2010022533提出了一种大有效面积光纤的设计，为了得到更低的瑞利系数，其采用纯硅芯的设计，在芯层中没有进行锗和氟的共掺杂，并且其设计采用掺氟的二氧化硅作为外包层。对于这种纯硅芯的设计，其要求光纤内部必须进行复杂的粘度匹配，并要求在拉丝过程中采用极低的速度，避免高速拉丝造成光纤内部的缺陷引起的衰减增加，制造工艺十分复杂。
文献EP2312350提出了一种非纯硅芯设计的大有效面积光纤设计，其采用阶梯状下陷包层结构设计，且有一种设计采用纯二氧化硅外包层结构，相关性能能够达到大有效面积光纤G.654.B和D的要求。但在其设计中采用的是传统的阶跃型芯层设计，其激光能量在芯层传播时为传统的高斯分布。
文献CN10232392 A描述了一种具有更大有效面积的光纤。该发明所述光纤的有效面积虽然达到了150um2以上，但却因为采用了常规的锗氟共掺方式的芯层设计，且通过牺牲了截止波长的性能指标实现的。其允许光缆截止波长在1450nm以上，在其所述实施例中，成缆截止波长甚至达到了1800nm以上。在实际应用当中，过高的截止波长难以保证光纤在应用波段中得到截止，便无法保证光信号在传输时呈单模状态。因此，该类光纤在应用中可能面临一系列实际问题。此外，该发明所列举的实施例中，下陷包层外径r3最小为16.3um，同样有所偏大。该发明没有能够在光纤参数(如，有效面积、截止波长等)和光纤制造成本中得到最优组合。
文献CN103257393A描述了一种中心芯层位置有下陷层的低衰减光纤。该发明所述光纤的有效面积虽然达到了150um2以上，衰减小于等于0.175dB/km。但却因为采用了常规的氟外包层设计，芯层相对于氟外包层粘度仍然较大，在拉丝过程中仍容易产生缺陷，限制光纤衰减性能的进一步降低，另外采用氟外包层结构，由于氟掺杂成本较高，且粘度非常低，在光纤预制棒的制备和拉丝过程中，相对于纯二氧化硅外包层预制棒制备工艺更加复杂，工艺控制进度更高，成本也更高。
发明内容
以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：
相对折射率差折射率差Δni：
从光纤纤芯轴线开始算起，根据折射率的变化，定义为最靠近轴线的那层为芯层，光纤的最外层即纯二氧化硅层定义为光纤外包层。
光纤各层相对折射率Δni由以下方程式定义，
其中ni为纤层的折射率，而nc为纯二氧化硅的折射率。
光纤的有效面积Aeff：
其中，E是与传播有关的电场，r为轴心到电场分布点之间的距离。
光缆截止波长λcc：
IEC(国际电工委员会)标准60793-1-44中定义：光缆截止波长λcc是光信号在光纤中传播了22米之后不再作为单模信号进行传播的波长。在测试时需通过对光纤绕一个半径14cm的圈，两个半径4cm的圈来获取数据。
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的不足设计一种低衰减大有效面积单模光纤，该光纤不仅衰减低，有效面积大，而且光纤制造成本低，且具有较好的弯曲损耗和色散性能。
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，其特征在于所述的芯层包括下陷内芯层和外芯层，所述下陷内芯层半径r1为2.2～3.5μm，相对折射率差Δn1为0.08％～0.20％，所述外芯层半径r2为5～6.5μm，相对折射率差Δn2为0.20％～0.32％；芯层外包覆有包层，所述的包层从内向外侧依次包括内包层、下陷包层和外包层，所述内包层半径r3为9～13μm，相对折射率差Δn3为-0.06％～0.06％，所述下陷包层半径r4为11～18μm，相对折射率差Δn4为-0.60％～-0.35％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述的芯层和内包层为锗和碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，或为锗氟和碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，其中碱金属含量为100～500ppm。
按上述方案，所述的下陷包层为氟与碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，碱金属含量为50～200ppm。
按上述方案，所述芯层和内包层中碱金属的含量大于下陷包层中碱金属的含量。
按上述方案，所述的碱金属为锂、钠、钾、铷、铯、钫碱金属离子中的一种或多种。
按上述方案，所述光纤的预制棒直径大于等于150mm。
按上述方案，所述光纤在1550nm波长的有效面积为120～150μm2。
按上述方案，所述光纤的成缆截止波长等于或小于1530nm。
按上述方案，所述光纤在波长1550nm处的色散等于或小于23ps/nm*km，所述光纤在波长1625nm处的色散等于或小于27ps/nm*km。
按上述方案，所述光纤在波长1550nm处的衰减系数等于或小于0.178dB/km。
按上述方案，所述光纤在波长1700nm处的微弯损耗等于或小于6dB/km。
按上述方案，所述光纤在波长1550nm处，R15mm弯曲半径绕10圈的宏弯损耗等于或小于0.25dB，R10mm弯曲半径绕1圈的宏弯损耗等于或小于0.75dB。
本发明的有益效果在于：1、采用掺锗为主的芯层设计，合理的设计了光纤内部芯包层之间的粘度匹配，减少光纤制备过程中缺陷，降低了光纤的衰减系数。2、设置中心芯层下陷的结构，使光纤内部能量分布从电信高斯分布变为非高斯分布，从而在保证光纤截止波长和色散性能的基础上，有效的增加了光纤的有效面积，同时配合设计了合理的光纤氟掺杂下陷结构，并通过对光纤各纤芯层剖面的合理设计，使光纤具有等于或大于110μm2的有效面积，在较佳参数范围下，可以达到等于或大于130μm2，甚至大于等于150μm2的有效面积。3、本发明的截止波长、弯曲损耗、色散等综合性能参数在应用波段良好，足够小的的成缆截止波长，以保证该类光纤在C波段传输应用中光信号的单模状态，较宽的下陷包层结构用于限制基模泄露，对光纤的弯曲损耗具有较好的改进作用。4、最外层的外包层结构采用了纯二氧化硅的设计，降低了氟掺杂玻璃在光纤中比重，同时配置较大直径的预制棒，从而降低了光纤制造生产成本。
附图说明
图1本发明一个实施例的折射率剖面结构分布图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述和说明。
本发明的一个实施例折射率剖面结构分布如图1所示，包括有芯层和包层，所述的芯层包括下陷内芯层和外芯层，所述下陷内芯层位于光纤中心部，半径为r1，相对折射率差为Δn1，所述外芯层紧密包覆下陷内芯层，半径为r2，相对折射率差为Δn2；芯层外包覆有包层，所述的包层从内向外侧依次包括内包层、下陷包层和外包层，所述内包层半径为r3，相对折射率差为Δn3，所述下陷包层半径为r4，相对折射率差为Δn4；所述的外包层为为纯二氧化硅玻璃层，外包层半径为62.5μm，相对折射率差为0％。表一所列为本发明优选的实施例的折射率剖面参数，其中Δ1-Ge为芯层中Ge的掺杂量。表二为表一所述光纤所对应的光传输特性。表一、本发明实施例的光纤剖面参数
表二、本发明实施例的光纤参数
Claims (10)
1.一种低衰减大有效面积单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层包括下陷内芯层和外芯层，所述下陷内芯层半径r1为2.2～3.5μm，相对折射率差Δn1为0.08％～0.20％，所述外芯层半径r2为5～6.5μm，相对折射率差Δn2为0.20％～0.32％；芯层外包覆有包层，所述的包层从内向外侧依次包括内包层、下陷包层和外包层，所述内包层半径r3为9～13μm，相对折射率差Δn3为-0.06％～0.06％，所述下陷包层半径r4为11～18μm，相对折射率差Δn4为-0.60％～-0.35％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
2.按权利要求1所述的低衰减大有效面积单模光纤，其特征在于所述的芯层和内包层为锗和碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，或为锗氟和碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，其中碱金属含量为100～500ppm。
3.按权利要求1所述的低衰减大有效面积单模光纤，其特征在于所述的下陷包层为氟与碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，碱金属含量为50～200ppm。
4.按权利要求2或3所述的低衰减大有效面积单模光纤，其特征在于所述的碱金属为锂、钠、钾、铷、铯、钫碱金属离子中的一种或多种。
5.按权利要求1或2所述的低衰减大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长的有效面积为120～150μm2。
6.按权利要求1或2所述的低衰减大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤的成缆截止波长等于或小于1530nm。
7.按权利要求1或2所述的低衰减大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1550nm处的色散等于或小于23ps/nm*km，所述光纤在波长1625nm处的色散等于或小于27ps/nm*km。
8.按权利要求1或2所述的低衰减大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1550nm处的衰减系数等于或小于0.178dB/km。
9.按权利要求1或2所述的低衰减大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1700nm处的微弯损耗等于或小于6dB/km。
10.按权利要求1或2所述的低衰减大有效面积单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1550nm处，R15mm弯曲半径绕10圈的宏弯损耗等于或小于0.25dB，R10mm弯曲半径绕1圈的宏弯损耗等于或小于0.75dB。
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