一种截止波长位移单模光纤的制作方法

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种截止波长位移单模光纤。
背景技术：
：光纤作为光通信网络的基础传输物理媒介，对其传输系统性能的改善可以直接体现在对光信噪比(OSNR)的改善上。光纤的损耗和非线性效应是限制高速大容量光纤通信系统OSNR的关键因素。通过相关研究证明，增大光纤的有效面积(Aeff)，不仅可以增加入纤光功率，还可以有效降低非线性效应。所以增加光纤有效面积，降低光纤损耗是克服光纤损耗和非线性效应这两个制约因素的主要途径。目前光通信中最常用的单模光纤G.652在1550nm波长的衰减典型值是0.19dB/km，截止波长的上限是1260nm。受到截止波长的限制，其效面积典型值是83μm2。而截止波长位移单模光纤(G.654)的截止波长上限是1530nm，其有效面积通常大于100μm2。对于光纤的有效面积Aeff，其与模场直径MFD之间的关系如式(1)所示，式中，k为修正系数。由式(1)可知，光纤的有效面积Aeff与MFD的平方成正比，因此大有效面积意味着大的模场直径。通常可通过增大光纤的芯层外径或减小芯层与光纤内包层间的折射率差以增大模场直径。通信光纤的主要成分是二氧化硅。在光纤预制棒制造过程中，一般通过掺入二氧化锗来提高芯层的折射率，而掺入氟元素来降低包层折射率。经过40年的努力，预制棒和光纤的制造工艺已经达到了极致。除了二氧化硅的本征吸收外，掺杂二氧化锗的吸收和散射是通信光纤衰减的最主要来源，故减小芯层二氧化锗的含量是降低光纤衰减的主要方向。现有典型G.654单模光纤设计中，虽然其芯层的折射率和二氧化锗的含量显著低于典型G.652光纤，但是其模场直径、截止波长λcc和弯曲损耗限制了芯层二氧化锗掺杂量的进一步下降。技术实现要素：有鉴于此，有必要提供一种光纤，其通过合理的光纤结构设计，使光纤的损耗进一步降低，且同时满足G.654对模场直径、截止波长和弯曲损耗等参数的要求。本发明提供一种截止波长位移单模光纤，包括芯层、依次包覆的内包层、凹陷包层、中包层和外包层，其中：所述芯层的半径为R1，R1的范围为5.5～8.5μm，所述芯层的折射率为n1，所述芯层相对所述外包层的折射率差为△n1，△n1的范围为0.1％～0.3％；所述内包层的半径为R2，所述内包层的厚度为R2-R1，R2-R1的范围为5～25μm，所述内包层的折射率为n2，所述内包层相对所述外包层的折射率差为△n2，△n2的范围为-0.2％～0％；所述凹陷包层的半径为R3，所述凹陷包层的厚度为R3-R2，R3-R2的范围为4.5～12μm，所述凹陷包层的折射率为n3，所述凹陷包层相对所述外包层的折射率差为△n3，△n3的范围为-0.45％～-0.25％；所述中包层的半径为R4，所述中包层的厚度为R4-R3，R4-R3的范围为大于10μm，所述中包层的折射率为n4，所述中包层相对所述外包层的折射率差为△n4，△n4的范围为△n2～0％；所述外包层的半径为R5，R5的范围为60～65μm，所述外包层的折射率为nc。进一步地，所述外包层的半径R5的典型值为62.5μm。进一步地，所述光纤在波长1550nm下的有效面积为100～170μm2；在波长1550nm下的色散大于18ps/nm/km；在波长1550nm下的衰减系数低于0.18dB/km；所述光纤的光缆截止波长小于1530nm。进一步地，所述光纤的有效面积为100～145μm2时，在波长1550nm下，30mm半径-100圈的宏弯损耗小于0.05dB，在波长1625nm下，30mm半径-100圈的宏弯损耗小于0.1dB。进一步地，所述光纤的有效面积为145～170μm2时，在波长1550nm下，30mm半径-100圈的宏弯损耗小于0.15dB，在波长1625nm下，30mm半径-100圈的宏弯损耗小于0.3dB。进一步地，所述光纤的应用波长范围为1535～1625nm。进一步地，所述光纤为截止波长位移的低损耗单模光纤。由本发明提供的光纤结构设计而成的光纤不仅能够满足G.654光纤的模场直径、光缆截止波长λcc和弯曲损耗等参数要求，而且具有低衰减、大有效面积及低弯曲损耗的特点；同时可通过对光纤结构(中包层)折射率的调节，实现光纤截止波长的可控性。附图说明下面将结合说明书附图及实施例对本发明作进一步说明。图1示出了本发明实施例的光纤的横截面示意图；图2示出了图1所示光纤的结构设计示意图；图3示出了例1光纤的折射率剖面图；图4示出了例2光纤的折射率剖面图；图5示出了例3光纤的折射率剖面图；图6示出了例4光纤的折射率剖面图；图7示出了例5光纤的折射率剖面图；图8示出了例6光纤的折射率剖面图；图9示出了例7光纤的折射率剖面图；图10示出了例8光纤的折射率剖面图。主要元件符号说明光纤10芯层11内包层13凹陷包层15中包层17外包层19如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接仅仅是为便于清晰描述，而并不限定连接方式。需要说明的是，当一个件被认为是“连接”另一个件，它可以是直接连接到另一个件或者可能同时存在居中件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的
技术领域：
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。请参照图1和图2，本实施例提供一种光纤10，其能够实现低损耗和大有效面积。在本实施方式中，光纤10为G.654单模光纤，其模场直径、光缆截止波长λcc和弯曲损耗等参数符合G.654光纤的参数标准。光纤10包括位于中心位置的芯层11、包覆在芯层11外表面上的内包层13、包覆在内包层13外表面上的凹陷包层15、包覆在凹陷包层15外表面上的中包层17及包覆在中包层17外表面上的外包层19。如图1所示，芯层11、内包层13、凹陷包层15、中包层17和外包层19的横截面示意图为五个同心圆。本实施例中，凹陷包层15的增加有利于单模光纤10弯曲损耗的优化；外包层19一般由纯二氧化硅制成。在本发明的其他实施方式中，外包层19也可为轻微掺杂其他附加材料的二氧化硅，如轻微掺氟的二氧化硅。芯层11的半径为R1，芯层11的折射率为n1，芯层11与外包层19之间的折射率差为△n1，其中，R1的范围为5.5～8.5μm，△n1的范围为0.1％～0.3％。芯层11与外包层19之间折射率差的改变可通过在芯层11掺杂二氧化锗来实现。内包层13的半径为R2，内包层13的折射率为n2，内包层13与外包层19之间的折射率差为△n2，其中，内包层13的厚度R2-R1的范围为5～25μm，△n2的范围为-0.2％～0％。凹陷包层15的半径为R3，凹陷包层15的折射率为n3，凹陷包层15与外包层19之间的折射率差为△n3，其中，凹陷包层15的厚度R3-R2的范围为4.5～12μm，△n3的范围为-0.45％～-0.25％。中包层17的半径为R4，中包层17的折射率为n4，中包层17与外包层19之间的折射率差为△n4，其中，中包层17的厚度R4-R3的范围为大于10μm，△n4的范围为△n2～0％。外包层19的半径为R5，外包层19的折射率为n5，外包层19的厚度为R5-R4，其中，R5的范围为60～65μm，其典型值为62.5μm，即光纤10的半径范围为60～65μm，其典型值为62.5μm。以下表I示出了根据本发明光纤10的结构设计的实例，以及本发明范围外其他设计的比较例。其中例3、例5、例7和例8是根据本发明结构设计的例子，例1、例2、例4和例6在本发明的保护范围之外且是为了进行比较所给出的例子。表I以下表II示出了表I所示实例和比较例的主要性能的测试值。本发明在测试前，例1至例8描述的光纤均在零张力下复绕在一420mm直径的圆盘上，再采用光时域反射仪(PK8000-OTDR)测试光纤在各个波长下的衰减，以消除宏弯曲对衰减测试结果的影响。表II请参照图3至图10，同时结合表I和表II分析各实例与对比例的不同及优越性。例1至例5(图3至图7)是采用轴向气相沉积法(VAD)、或VAD与改进的化学气相沉积(MCVD)掺氟石英套管混合法制作光纤的例子。例1与普通的G.652光纤((Δn1+|Δn2|)约0.35％)具有类似的折射率分布，是最简单的光纤设计也是目前最常用的G.654光纤的设计，其一方面通过增大芯层11的半径来增大有效面积；另一方面通过降低芯层11与内包层13的折射率差(Δn1+|Δn2|约0.29％)来增大有效面积。相对于G.652光纤的性能，例1光纤具有较低的衰减系数和大的模场直径，但由于受光缆截止波长和弯曲损耗的限制，芯层11与内包层13之间的折射率差优化范围及有效面积的增加量都非常有限(模场直径的标称值通常小于12.5μm)。如果需要进一步提高模场直径，除了调整芯层11与内包层13的折射率差和芯层直径，还采用凹陷结构控制光纤的弯曲损耗。例2和例1具有相同的(Δn1+|Δn2|)(约0.29％)。为进一步降低光纤损耗，例2通过减小芯层11二氧化锗的掺杂量降低n1，为了保持模场直径不变，同时降低n2。测试结果显示例2光纤在1550nm处的衰减系数稍微有所下降，但光缆截止波长较低(1298nm)。虽然内包层13的厚度很大(约22μm)，但弯曲损耗严重变差(在1550nm和1625nm处，30mm半径-100圈的宏弯损耗分别高达0.27dB和0.93dB)。例3在例2的基础上添加了凹陷包层15和中包层17，从表II可以看出例3光纤的弯曲损耗得到显著降低(在1550nm和1625nm处，30mm半径-100圈的宏弯损耗分别达0.01dB和0.02dB)，且1550nm处的衰减系数较低，光缆截止波长也显著提高(1444nm)。例4与例2和例3有相同的n2。为了增加模场直径同时进一步降低光纤衰减，例4有非常低的Δn1(0.12％)，其(Δn1+|Δn2|)约为0.2％。该实例采用了传统的凹陷结构(即凹陷包层15)来降低弯曲损耗，但是表II的数据显示凹陷结构对于大圈的弯曲损耗改进有限(在1550nm和1625nm处，30mm半径-100圈的宏弯损耗分别达0.20dB和0.39dB)；同时由于Δn1的减小，例4光纤的光缆截止波长过低(1021nm)，且所述光缆截止波长不易调整和控制。为解决例4中存在的不足，例5在例4的基础上添加了中包层17，从表II可以看出例5能够在较低衰减的基础上进一步降低光纤的弯曲损耗(在1550nm和1625nm处，30mm半径-100圈的宏弯损耗分别达0.07dB和0.16dB)，且光缆截止波长满足G.654标准。例6至例8(图8至图10)是采用MCVD工艺和掺氟石英套管或纯石英套管制作光纤的例子。对比例6光纤至例8光纤的主要性能测试值及结构设计参数，在进一步降低芯层11折射率n1、减小光纤衰减的前提下，仅仅使用凹陷包层15对弯曲损耗的改善是非常有限的，只有增加采用了中包层17的设计，光纤的弯曲损耗才能降低到要求范围之内。例7光纤在1550nm处的光纤衰减系数为0.176dB/km，30mm半径-100圈的宏弯损耗为0.02dB；在1625nm处，光纤衰减系数为0.192dB/km，30mm半径-100圈的宏弯损耗为0.04dB。对比例6与例7和例8，光缆截止波长λcc由1303nm变为1512nm和1405nm，即通过调节中包层折射率n4，可对光纤截止波长进行改变和控制。本发明提供的光纤10中芯层11、内包层13、凹陷包层15、中包层17和外包层19的结构设计具有低衰减、大有效面积及低弯曲损耗的特点。同时芯层11、内包层13、凹陷包层15、中包层17和外包层19的参数可实现如下特征：光纤10的应用波长范围是1535nm至1625nm；在波长1550nm下有效面积为100～170μm2；在波长1550nm下色散大于18ps/nm/km；在波长1550nm下的衰减系数低于0.18dB/km。光纤10的光缆截止波长小于1530nm。当光纤10的有效面积范围为100～145μm2，在波长1550nm下，30mm半径-100圈的宏弯损耗小于0.05dB，在波长1625nm下，30mm半径-100圈的宏弯损耗小于0.1dB。当光纤10的有效面积范围为145～170μm2，在波长1550nm下，30mm半径-100圈的宏弯损耗小于0.15dB，在波长1625nm下，30mm半径-100圈的宏弯损耗小于0.3dB。本发明提供的光纤10完全符合G.654标准中关于模场直径、光缆截止波长λcc和弯曲损耗的要求，进一步降低衰减并实现低弯曲损耗及大有效面积，同时，本发明提供的单模光纤10可通过调节中包层17的折射率n4的大小，以实现对光纤截止波长的改变及控制。本发明提供的光纤10的光纤芯棒适用于轴向气相沉积法(VAD)、外部化学气相沉积法(OVD)、等离子化学气相沉积法(PCVD)和改进的化学气相沉积法(MCVD)等各种制造工艺或混合工艺。在本实施例中，所述光纤芯棒的制作工艺可采用管内沉积法，即以四氯化硅作为二氧化硅的原料，四氯化锗作为二氧化锗的原料，四氟化硅、六氟化硫或六氟乙烷作为掺氟的原料，在掺氟的石英基管内表面依次沉积凹陷包层15、内包层13和芯层11，再在高温下将所述沉积基管熔缩成所述芯棒，此时所述掺氟的石英基管或部分所述掺氟的石英基管形成中包层17。若中包层17的厚度小于设计值，可采用在所述光纤芯棒外加掺氟套管的方式实现，此时所述光纤芯棒和所述掺氟套管通过套管熔缩法合成一体。所述管内沉积法适用于PCVD、MCVD或熔炉化学气相沉积法(FCVD)制造工艺。在本发明的其他实施方式中，也可采用其他制作工艺制作所述光纤芯棒，如混合法，即先利用VAD或OVD法制作所述光纤芯棒的内芯棒，所述内芯棒包括芯层11和内包层13；再结合PCVD、MCVD或FCVD法，以四氯化硅作为二氧化硅的原料，四氟化硅、六氟化硫或六氟乙烷作为掺氟的原料，在掺氟石英管内表面沉积凹陷包层15；将所述内芯棒与所述掺氟石英管通过套管熔缩法合成一体，此时所述掺氟石英管或部分所述掺氟石英管形成中包层17，若中包层17的厚度小于设计值，可采用在所述光纤芯棒外另加掺氟套管的方式实现。或其他可生产掺氟高纯石英的方法制备凹陷包层15和中包层17，如掺氟套管或利用OVD粉末沉积结合掺氟烧结法在所述内芯棒外沉积凹陷包层15和中包层17等。由上述方法制备完成的单模光纤10的光纤芯棒经测量计算后，得到所需的芯棒直径和外包层19的厚度，通过热处理延伸、校直得到目标规格的芯棒，再通过石英玻璃管融缩或者外部沉积、融缩的方法形成外包层19，最后通过脱气等工序形成单模光纤10的光纤预制棒。可以理解的，在制作所述光纤芯棒的过程中需精准地实现设计的△n1、△n2、△n3、△n4及α的值，以确保单模光纤10的模场直径、光缆截止波长λcc和弯曲损耗满足G.654标准。本发明提供的单模光纤10不仅能够满足G.654光纤的模场直径、光缆截止波长λcc和弯曲损耗等参数要求，而且具有低衰减、大有效面积及低弯曲损耗的特点；同时可通过对光纤结构折射率的调节，实现光纤截止波长的可控性。本发明提供的截止波长位移的低损耗单模光纤10可应用于若干高速长距离光传输系统，包括海底光纤通信，如陆地与岛屿、岛屿与岛屿、沿海城市之间的通信系统；线路需要穿过沙漠、湖泊、沼泽、森林等地理条件恶劣的地方，及在地理环境复杂或气候较恶劣的地方等；以及高压电力系统沿线专用通信。本申请的说明书和权利要求中，词语“包括/包含”和词语“具有/包括”及其变形，用于指定所陈述的特征、数值步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、数值、步骤、组件或它们的组合。为清楚起见，本发明在单独实施例中所描述的某些特征，可以组合在单个实施例中使用。而且，在单个实施例中描述的本发明的各种特征，也可以在单独地或以任何合适形式在子组合中使用。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3