一种超低衰减大有效面积的单模光纤的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传输技术领域，具体涉及一种具有超低衰减且大有效面积的单模 光纤。
【背景技术】
[0002] 随着IP网络数据业务的迅速增长，运营商对于传输容量的需求不断提高，现网中 单纤容量已逐渐在逼近极限值lOOTbps。100G传输系统已开始进入商用元年。如何在100G 传输信号的基础上进一步增加传输容量，是各系统设备商和运营商关注的焦点。
[0003] 在100G和超100G系统中，接收端采用相干接收及数字信号处理技术（DSP)，能够 在电域中数字补偿整个传输过程中累积的色散和偏振模色散（PMD);信号通过采用偏振模 复用和各种高阶调制方式来降低信号的波特率，例如PM-QPSK、PDM-16QAM、PDM-32QAM，甚至 PDM-64QAM和C0-0FDM。然而高阶调制方式对非线性效应非常敏感，因此对光信噪比（0SNR) 提出了更高的要求。引入低损耗大有效面积光纤，能为系统带来提高0SNR和降低非线性效 应的效果当采用高功率密度系统时，非线性系数是用于评估非线性效应造成的系统性能优 劣的参数，其定义为n2/A rff。其中，n2是传输光纤的非线性折射指数，Arff是传输光纤的有 效面积。增加传输光纤的有效面积，能够降低光纤中的非线性效应。
[0004] 目前，用于陆地传输系统线路的普通单模光纤，其有效面积仅约80um2左右。而在 陆地长距离传输系统中，对光纤的有效面积要求更高，一般的有效面积在l〇〇um 2以上。为 了降低铺设成本，尽可能的减少中继器的使用，在无中继传输系统，如海底传输系统，传输 光纤的有效面积最好在130um 2以上。然而，目前大有效面积光纤的折射率剖面的设计中， 往往通过增大用于传输光信号的光学芯层的直径来获得大的有效面积。该类方案存在着一 定的设计难点。一方面，光纤的芯层和靠近它的包层主要决定光纤的基本性能，并在光纤制 造的成本中占据较大的比重，如果设计的径向尺寸过大，必然会提高光纤的制造成本，抬高 光纤价格，将成为此类光纤普遍应用的障碍。另一方面，相比普通单模光纤，光纤有效面积 的增大，会带来光纤其它一些参数的恶化：比如，光纤截止波长会增大，如果截止波长过大 则难以保证光纤在传输波段中光信号的单模状态；此外，光纤折射率剖面如果设计不当，还 会导致弯曲性能、色散等参数的恶化。
[0005] 另一种限制长距离大容量传输的光纤特性就是衰减，目前常规的G. 652. D光纤的 衰减一般在〇. 20dB/km，激光能量在经过长距离传输后逐渐减小，所以需要采用中继的形式 对信号再次放大。而相对与光纤光缆的成本，中继站相关设备和维护成本在整个链路系统 的70%以上，所以如果涉及一种低衰减或者超低衰减光纤，就可以有效的延长传输距离，减 少建设和维护成本。经过相关计算，如果将光纤的衰减从〇. 20降低到0. 16dB/km，整个链 路的建设成本将总体降低30%左右。
[0006] 综上所述，开发设计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。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 工艺及其复杂。
[0007] 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。但在其设计中氟掺杂的包层部分最大半径为36 y m，虽然可 以保证光纤的截止波长小于等于1530nm，但受到其较小氟掺杂半径的影响，光纤的微观和 宏观弯曲性能变差，所以在光纤成缆过程中，会导致衰减增加，在其文献中也未提及相关弯 曲性能。
[0008] 文献CN10232392A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 150 ym2以上，但却因为采用了常规的锗和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&最小为 16. 3 ym，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。
[0009] 从上面的分析我们可以发现，存在使用非纯硅芯和部分氟掺杂包层进行超低衰减 光纤工艺设计的可行性。但是受到光纤波导设计限制因素的影响，如果使用纯二氧化硅作 为外包层材料的话，如何在这样的设计下，控制光纤的光学参数，是我们面临的挑战。
[0010] 因为如果使用没有氟掺杂的纯二氧化硅作为外包层材料，会面临3个问题。
[0011] 第一，抑制基模截止：在光纤波导设计中，外包层材料和芯层材料折射率差值太 小，会造成光纤基模泄露，从而影响光纤的衰减。所以采用非掺F外包层材料设计的超低 衰减大有效面积光纤，因为相对于传统光纤，芯层直径更大，就必须在外包层和芯层中间位 置，通过合理的光纤剖面设计，抑制基模泄露。
[0012] 一般传统的大有效面积光纤均采用单一下陷包层结构来优化光纤玻璃部分的波 导。主要目的是，首先是利用下陷结构来优化MFD，获得较大的有效面积，这是光学设计上最 常用的方法；其次就是因为大有效面积光纤的芯层直径一般比较大，从而造成光纤的弯曲 性能较差，所以利用下陷包层结构优化光纤的弯曲性能。
[0013] 单一下陷包层结构设计和制造相对简单，所以在普通的，尤其常规衰减系数的大 有效面积光纤设计中非常常见。但是如果在超低衰减大有效面积光纤设计中，尤其是采用 纯二氧化硅材料作为外包层的超低衰减大有效面积光纤中，因为芯层的折射率同纯二氧化 硅外包层的折射率差值不大，且大有效面积光纤设计的芯层直径一般都非常大，就更容易 造成光纤波导设计中最头痛的基模泄露，引起光纤长波长衰减异常。而常规解决手段，如增 加单一下陷包层的体积等方法又会造成光纤的截止波长超标，所以找到一种更好的下陷包 层设计方法，也是实现超低衰减大有效面积光纤设计的重点。
[0014] 第二，考虑粘度匹配：如果外包层材料中没有做任何的粘度优化设计，其粘度与内 包层和芯层粘度梯度失配，也会造成界面位置的缺陷以及虚拟温度升高等问题，从而增加 光纤衰减。利用单一下陷包层结构或双下陷包层结构，在实现光纤波导优化的同时，利用不 同下陷结构掺杂的不同，更有利于光纤剖面粘度匹配设计。简而言之，如果不采用下陷包层 设计，那么内包层部分的粘度设计就只有一个梯度；采用单一下陷包层结构，就可以增加一 个梯度；采用双下陷包层结构，就相当于增加三个梯度（两个下陷包层位置掺杂不一样，下 陷包层与下陷包层之间的位置也可以使用特殊粘度设计）。
[0015] 第三，考虑光学剖面匹配：如果使用纯二氧化硅玻璃作为外包层材料，在考虑负 责粘度匹配设计时，就限定了各个部分掺杂的浓度，而为了证光纤的光学参数满足G652或 G654光纤的参数要求，既保证光纤的MFD，色散和弯曲性能符合标准要求，又要求我们必须 考虑光学剖面设计。这就要求我们在进行粘度设计时，综合考虑光纤的光学设计，增加了工 艺实现的难度。
[0016] 文献US8515231B2提出一种双下陷包层结构的单模光纤，但是其采用的芯棒高 浓度Ge掺杂的设计，芯层直径较小，所以不能达到超低衰减性能，且有效面积明显小于 100 y m2,不能抑制光纤的非线性效应。
【发明内容】
[0017] 以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：
[0018] 相对折射率A ni:
[0019] 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纤芯 层，光纤的最外层即纯二氧化硅层定义为光纤外包层。
[0020] 光纤各层相对折射率ai由以下方程式定义：
[0022] 其中叫为纤芯的折射率，而n。为最外包层折射率，即没有进行Ge或F掺杂的纯二 氧化硅的折射率。
[0023] 光纤芯层Ge掺杂的相对折射率贡献量A Ge由以下方程式定义，
[0025] 其中l为假设纤芯的Ge掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅中，引起 二氧化硅玻璃折射率的变化量，其中n。为最外包层折射率，即没有进行Ge