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80 y m2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100 ym2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130 ym2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 工艺极其复杂。
[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1~ 3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] 在常规光纤的剖面设计及制造方法中，芯层使用较大量的Ge/F共掺，为了获得最 优的宏弯性能，芯层的相对折射率一般都大于〇. 35%，即芯层Ge掺杂较多，因此会带来较 大的瑞利散射从而增加光纤的衰减。
[0010] 文献CN201310394404提出一种超低衰减光纤的设计，其使用了纯二氧化硅的外 包层设计，但因为其使用的是典型的阶跃剖面结构，没有使用下陷内包层设计优化光纤的 弯曲，且其芯层没有使用Ge进行掺杂，所以可能造成预制棒制备时出现粘度失配，所以可 以发现其衰减和弯曲水平，相对较差。
[0011] 对于石英光纤在600nm-1600nm的衰减主要来自于瑞利散射，由瑞利散射所引起 的衰减a K可由下式计算：
[0012]
[0013] 式中，入为波长（U m)，R为瑞利散射系数（dB/km/ ym4) ;P为光强；当瑞利散射系 数确认时，B为相对应的常数。因而只要确定了瑞利散射系数R就可得到因瑞利散射所引 起的衰减a K(dB/km)。瑞利散射一方面是由于密度波动引起的，另一方面是由于浓度波动 引起的。因而瑞利散射系数R可表示为：
[0014] R=Rd+Rc
[0015] 上式中，Rd和R。分别表示由于密度波动和浓度波动所引起的瑞利散射系数变化。 其中R。为浓度波动因子，其主要受到光纤玻璃部分掺杂浓度的影响，理论上采用越少的Ge 和F或者其他掺杂，R。越小，这也是目前国外某些企业采用纯硅芯设计，实现超低衰减性能 的原因。
[0016] 但是我们需要注意到，瑞利散射系数中还包括另外一个参数Rd。Rd与玻璃的假想 温度T F相关，且伴随玻璃的结构变化和温度变化而变化。玻璃的假想温度T F是表征玻璃结 构一个物理参数，定义为从某温度T'将玻璃迅速冷却到室温玻璃的结构不再调整而达到某 平衡状态对应的温度。当T'>Tf (玻璃的软化温度），由于玻璃的粘度较小，玻璃结构易于调 整，因而每一瞬间玻璃均处于平衡状态，故TF= T' ；当T' <T g(玻璃的转变温度），由于玻璃 的粘度较大，玻璃结构难于调整，玻璃的结构调整滞后于温度变化，故T F>T' ；当Tg〈T' <Tf (玻 璃的软化温度），玻璃趋向于平衡所需要的时间较短一些，具体与玻璃的组分和冷却速度有 关，故TF>T'或以!'，。
[0017] 在使用纯硅芯设计时，为了保证光纤的全反射，必须使用相对较低折射率的F掺 杂内包层进行匹配，以保证芯层和内包层之间保持足够的折射率差异。这样纯硅芯的芯层 部分粘度相对较高，而同时大量F掺杂的内包层部分粘度较低，从而造成光纤结构粘度匹 配失衡，从而使纯硅芯结构的光纤虚拟温度迅速增加，造成光纤的R d增加。这样就不仅抵 消掉R。降低带来的好处，更可能造成光纤衰减反向异常。
[0018] 为了保证纯硅芯光纤的芯层粘度与外包层粘度匹配，我们可以利用在芯层中进行 碱金属掺杂的方法对芯层粘度进行优化。文献US20100195999A1中采用在芯层中添加碱金 属的方法，在保持光纤芯层纯硅芯的情况下，通过改变光纤芯层部分的粘度以及芯层结构 弛豫的时间，来解决粘度失配造成的R d增加，从而整体降低光纤的瑞利散射系数。但是该种 方法虽然可以有效的降低光纤衰减，但相对工艺制备复杂，需要分多批次对芯棒进行处理， 且对碱金属掺杂浓度控制要求极高，不利于光纤大规模制备。
[0019] 文献CN201310394404提出一种超低衰减光纤的设计，其使用了纯二氧化硅的外 包层设计，但因为其使用的是典型的阶跃剖面结构，没有使用下陷内包层设计优化光纤的 弯曲，且其芯层没有使用Ge进行掺杂，所以可能造成预制棒制备时出现粘度失陪，所以可 以发现其衰减和弯曲水平，相对较差。
[0020] 文献US6917740中提出了一种利用粘度变化获得性能改进的纯硅芯光纤。其在芯 层中掺杂大量的F和C1，利用了 F和C1掺杂对芯层粘度的贡献，降低光纤瑞利系数，文中所 述光纤没有涉及剖面设计，且芯层中没有Ge掺杂。
[0021] 文献US2010022533提出了一种光纤的设计，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。
[0022] 对于常见的超低衰减单模光纤设计，其使用的全F掺杂的外包层设计。从光纤光 学的角度上来说，这样的设计相对简单，只要保证了外包层和芯层的折射率差值，就能满足 光纤的全反射要求。但是目前限制超低衰减光纤制造成本的主要因素有三个：第一，芯层的 碱金属掺杂工艺要求对金属离子的种类和浓度进行精确控制，所以工艺制造成本高；第二， 采用纯掺F设计的预制棒尺寸较小，拉丝工艺复杂；第三，采用纯F掺杂设计的光纤，因为使 用F掺杂工艺，制造成本非常高。按照目前市场价格进行初步估算，掺F套管价格是纯二氧 化硅套管价格的5-8倍。按照F掺杂材料是纯二氧化硅材料成本6倍的初步关系计算，如果 通过合理的工艺设计，适当减少F掺杂层的厚度，光纤制造成本将显著降低。假设只是从光 纤直径30微米到80微米位置使用F掺杂材料，80到125微米使用普通纯二氧化硅，则这种 设计相对于传统使用全F掺杂材料的超低衰减光纤设计，材料成本降低40% ;如果从30微 米到60微米使用F掺杂材料，60到125微米使用普通纯二氧化硅，则材料成本降低65%。
[0023] 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。但是受到前面两个限制因素的影响，如何在这样的设计下，控制光 纤的光学参数，是我们面临的的最后一个挑战。
[0024] 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。
[0025] 第一，抑制基模截止：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光纤，必须在外包层 和芯层中间