专利名称：单模光纤及其制造方法
技术领域：
本发明涉及光纤传输领域，更特别地，涉及单模光纤(single mode opticalfiber, SMF)。本发明涉及一种衰减降低的单模光纤以及利用增加的容量制造这种光纤的制造方法。
背景技术：
对于光纤，折射率分布通常根据将折射率和光纤半径相关联的函数的图形外观来进行分类。以标准方式，在X轴上示出相对于光纤中心的距离r，并且在y轴上示出该折射率和光纤包层的折射率之间的差。这些曲线通常代表光纤的理论分布或设定分布，然而，制造光纤时的限制可能导致略微不同的分布。传统上，光纤包括具有传输光信号并可能地放大光信号的功能的光纤芯以及具有将光信号限制在纤芯内的光包层。为此，纤芯的折射率nc和外包层的折射率ng满足ne>ng。
通常使用还被称为SMF(单模光纤)的阶跃折射率光纤作为针对光纤传输系统的线形光纤(line fiber)。这些光纤具有符合特定远程通信标准的色散(chromaticdispersion)和色散斜率，并且还具有符合标准的截止波长和有效面积值。针对来自不同制造商的光学系统之间的兼容性的需求，国际电信联盟(ITU)已定义了一个标准即参考ITU-T G. 652,被称为SSMF(标准单模光纤)的标准光学传输光纤必须遵守该标准。其中，G. 652标准针对传输光纤推荐了 在波长1310nm处,模场直径(MFD)的范围为[8. 6 μ m，9. 5 μ m];光缆截止波长的最大值为1260nm ；由λ。所表示的零色散波长的值的范围为[1300nm，1324nm];以及色散斜率的最大值为O. 092ps/nm2-km。以标准的方式，如国际电工委员会的附属委员会86A在标准IEC60793-1-44中所定义的，测量光信号在光纤中传播超过22米之后不再是单模信号的波长作为光缆截止波长。ITU(国际电信联盟)已经定义了与光纤的各种应用有关的更多标准。ITU-TG. 654. B标准特别进行了如下推荐光缆截止波长λ。。小于1530nm ;在1550nm处,模场直径为9. 5 μ πΓ 3· O μ m ;在1550nm处,色散小于22ps/nm_km,并且色散斜率小于O. 070ps/nm2-km ；以及在1625nm处,对于以曲率半径30mm绕100阻的情况，弯曲损耗小于O. 5dB。ITU-T G. 654. C标准特别进行了如下推荐光缆截止波长λ。。小于1530nm ;在1550nm处，模场直径为9. 5 μ πΓ Ο. 5 μ m ;在1550nm处，色散小于20ps/nm-km,并且色散斜率小于0. 070ps/nm2-km ；以及在1625nm处，对于以曲率半径30mm绕100阻的情况，弯曲损耗小于0. 5dB。具有纯二氧化娃纤芯的光纤同样是已知的，并且被称为纯娃芯光纤(PSCF)。PSCF的纤芯内不存在掺杂剂使得可以限制光学损耗并且显著地限制在波长1550nm处的衰减。因此，传统上，PSCF具有掺杂氟的二氧化硅包层，以降低包层的折射率。通过在光纤拉丝塔上拉拔预制件来制造光纤，这种方式本身是已知的。预制件例如包括初级预制件，该初级预制件包含构成光纤的包层的一部分和纤芯的质量非常高的玻璃管。然后，将该初级预制件包上外包层或套上套筒，以增大该初级预制件的直径并形成可在光纤拉丝塔上使用的预制件。规模化的光纤拉丝操作包括将预制件垂直地放置于塔中并且从该预制件的端部拉制出光纤束。为此，对预制件的一个端部局部施加高温，直到二氧化硅软化为止；然后，由于光纤拉丝速度和温度决定了光纤的直径，因此在光纤拉制期间持续地监控光纤拉丝速度和温度。预制件的几何性质应完全遵守光纤的纤芯和包层的折射率之间的比率以及各自的直径之间的比率，以使得拉制出的光纤具有所需的分布。初级预制件可以包括通常为石英的基管，其中，在该基管中已沉积了一层或者多层掺杂和/或未掺杂的二氧化娃，以形成光纤的纤芯和内包层。在基管内部进行沉积的沉积技术包括MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition,改进的化学气相沉积)、FCVD (Furnace Chemical Vapor Deposition,溶炉化学气相沉积)或 PCVD (PlasmaChemical Vapor Deposition,等离子化学气相沉积)。在沉积了与纤芯和内包层相对应的层之后，在被称为径向收拢(collap sing)的操作期间使该管自身闭合。成分沉积通常涉及术语“掺杂”，即将“掺杂物”添加至二氧化硅以改变其折射率。因此，锗(Ge)或磷(P)增大了二氧化硅的折射率；这两者经常被用来掺杂光纤的中央纤芯。此外，氟(F)或硼(B)降低了二氧化硅的折射率；氟经常被用来形成凹陷包层。 对具有高度凹陷的大凹陷包层的初级预制件的制作需要非常精细。实际上，例如，超过特定温度时，氟难以混入到已加热的二氧化硅中，而制作玻璃又需要高温。PCVD技术能够有效地用于在沉积管内部产生凹陷包层。文献US RE 30，635和US4，314，833中说明了这种制造技术；这种技术使得氟能够显著地混入到二氧化硅中，以形成高度凹陷的包层。在玻璃制造塔中设置和安装有由纯二氧化硅或掺杂氟的二氧化硅所制成的沉积管。然后，对该管进行设置以使其转动，并且将二氧化硅和掺杂物的混合气体注入到该管中。该管横跨了对混合气体局部加热的微波空腔。该微波加热通过使注入到该管中的气体离子化而产生等离子体，并且离子化的掺杂物与二氧化硅颗粒激烈反应，从而在该管内部沉积了掺杂二氧化硅层。微波加热所产生的掺杂物的激烈反应使得高浓度的掺杂物能够被混入到二氧化硅层中。图I不出了传统的PSCF的设定折射率分布。图I的折射率分布不出了 中央纤芯的半径为a且折射率为与二氧化硅的折射率相对应的Dn1,以及凹陷包层的外半径为Iwt且折射率为Dnime,。由于该折射率Dnime,小于通过对初级预制件包上外包层或套上套筒所获得的外包层的折射率Dnd，因而使用术语“凹陷包层”。在PSCF中，该外包层通常由纯二氧化硅玻璃制成并且与中央纤芯具有基本相同的折射率。通常，该纤芯和内包层通过在基管内部进行沉积所构成，并且该外包层由用于制作初级预制件的基管以及用于获得所需的直径比的外包层或套筒所构成。在上述的外包层与中央纤芯具有基本相同的折射率的结构中，基本模式LPOl并没有被完全引导，并且显示出被称为泄漏的附加损耗。为了使这些泄露损耗最小化，必须减少在纯二氧化硅外包层中传输的能量百分比。因此，氟掺杂的内包层的外半径和纤芯的半径之比(IratAi)必须充分高；即，凹陷内包层二氧化硅必须尽可能地至少延伸至临界半径rwt，其中，rout的值取决于纤芯半径以及纤芯折射率Dn1和内包层折射率Dnimw之间的折射率差；对于SMF，认为凹陷包层半径与纤芯半径之间的比值为8以上确保了将光信号良好地限制在中央纤芯中以及可接受的泄露损耗水平。
EP-A-2 312 350提出以下内容在凹陷包层中设置槽，从而限制模式LPOl的泄漏损耗以及允许基管与中央纤芯更加紧密地贴合。图I以虚线示出该方案。在凹陷包层内设置内半径为b、外半径为c并且折射率为Dn3的槽。然后，该凹陷包层具有与纤芯相邻的外半径为b且折射率为Dn2的第一部分；以及与基管相邻的内半径为c且折射率为Dnimw的第二部分。然而，在不使传播特性劣化的情况下，无法在光纤上容易地使基管的内半径rwt下降至Ij 30 μ m以下。MCVD、FCVD和PCVD技术能够确保获得高质量的纤芯和高度凹陷的大内包层，但这些技术在用于获得大容量预制件时的成本高。特别地，CVD技术的使用使得可以限制衰减，尤其是限制由于OH峰值所引起的1383nm处的衰减。将预制件的容量定义为能够从该预制件拉制出的光纤长度量。预制件的直径越大，其容量越大。为了降低制造成本，期望从同一预制件中拉制出长度较长的线形光纤。因此，本发明寻求制造直径大的预制件，同时该预制件又能符合与中央纤芯和凹陷内包层的直径有关的上述限制。
US-A-2008/0031582或US-A-5044724公开了使用氟掺杂的沉积管来制造初级预制件。这种技术方案能够限制管内部所沉积的氟掺杂层的量。W0-A-2010/003856公开了利用P0D(Plasma Outside Deposition,等离子外部沉积)或OVD来制造氟掺杂管。当使用氟掺杂沉积管时，初级预制件的凹陷包层由沉积的内包层和管本身所构成。由此，可以在对管内部的沉积量进行限制的同时，增大凹陷包层半径和纤芯半径之间的比值。然而，当代替非掺杂二氧化硅管而使用氟掺杂管时，由于沉积条件发生了改变，因此该技术方案难以控制。US-A-2007/0003198公开了一种混合工艺，其中，通过VAD或OVD来制作构成锗掺杂纤芯区域的棒，并且通过MCVD在管内部沉积包层区域。然后，使用棒管(rod-in tube)技术来组装该纤芯棒和MCVD包层管。然而，该文献所公开的光纤不具有纯二氧化硅纤芯，并且显示出与VAD或OVD技术的使用相关联的1385nm处的固有衰减属性。EP-A-2 003 476公开了一种环辅助分布，其中环的折射率接近中央纤芯的折射率。该文献教导了将环设计成使其模式与中央纤芯的高阶模式谐振耦合。这种光纤分布防止了中央纤芯的高阶模式的传播并且最终改善了基本模式的弯曲损耗。这些分布对于纯二氧化硅纤芯的光纤而言并非最优。
发明内容
本发明目的在于在不会使模式LPOl的泄漏损耗增大并且不会使光纤的其它传播特性劣化的情况下，减小基管内部所沉积的F掺杂内包层。利用以下单模光纤来实现本发明的目的，其中，所述单模光纤从中心到外周包括纤芯、凹陷内包层、环、凹陷外包层和外包层，其中-所述纤芯具有半径，并且所述纤芯相对于所述外包层的折射率差为-O. 5 X 10子O. 5Χ1(Γ3 ；-所述凹陷内包层具有半径，并且所述凹陷内包层相对于所述外包层具有折射率差;-所述环的内半径为2 μπΓ35μπι、优选为24μ πΓ35 μ m，所述环具有外半径，并且所述环相对于所述外包层的折射率差为-O. 5X10^0. 5 X IO-3 ；-所述凹陷外包层具有半径，并且所述凹陷外包层相对于所述外包层具有折射率差；以及-所述纤芯的体积分相对于所述环的宽度的比值为O.12 μ πΓΟ. 2 μ m ;-所述凹陷外包层的体积分为15μηι2 30μηι2。根据实施例，本发明的单模光纤可以具有以下特征中的一个或多个-所述纤芯的半径为3.5 μ πΓ7. 5 μ m ；-所述凹陷内包层相对于所述外包层的折射率差为-6X10’-2.7X IO-3 ；
-所述凹陷外包层相对于所述外包层的折射率差为-6X 10^-2 X 10_3 ;-所述凹陷外包层相对于所述凹陷内包层的折射率差为-2X10_，2X10_3；-所述环的内半径相对于所述纤芯的半径的比值为2.5^8 ；-所述凹陷外包层的体积分为17μ m2 25 μ m2 ；-所述单模光纤还包括设置于所述凹陷内包层中的槽，其中所述槽相对于所述外包层具有折射率差，所述槽的内半径和外半径均小于所述凹陷内包层的半径；-所述纤芯和/或所述环由纯二氧化硅制成；-在1550nm处,所述单模光纤的泄漏损耗小于O.005dB/km ；-所述单模光纤的光缆截止波长小于1550nm,优选小于1530nm,更优选小于1260nm ；-对于弯曲半径为10mm，所述单模光纤在1550nm处的弯曲损耗小于5dB/m，并且在1625nm处的弯曲损耗小于10dB/m。 本发明还涉及一种用于制造根据本发明的单模光纤的制造方法，所述制造方法包括以下步骤-设置沉积管；-在所述沉积管内部进行层的沉积，以制成所述纤芯和所述凹陷内包层，其中所述沉积管构成所述环；-设置所述凹陷外包层；-设置所述外包层，由此得到光学预制件；-通过对所述光学预制件的第一端部进行加热来拉制出单模光纤。根据实施例，所述制造方法还包括部分地去除所述沉积管的步骤。根据实施例，通过以下方法之一来制成所述凹陷外包层套上掺杂管；外包上掺杂二氧化硅；以及外部沉积掺杂二氧化硅。
通过阅读以下对作为例子给出的本发明的实施例的说明并且参考所附的附图，本发明的其它特征和优点将变得清楚，其中图I (已进行了说明)示出根据现有技术的PSCF的设定折射率分布；图2示出根据本发明第一实施例的光纤的设定折射率分布；图3示出根据本发明第二实施例的光纤的设定折射率分布；图4示出用以获得本发明的光纤的制造方法的说明图。
具体实施例方式本发明涉及一种传输损耗低并且能够在不使传输特性劣化的情况下以低成本制造的单模光纤。为了该目的，本发明提出了一种具有纯二氧化娃纤芯或者轻微掺杂二氧化娃纤芯的光纤，从而限制衰减，尤其限制涉及到锗掺杂的情况下的1550nm处的衰减。本发明提出了 在沉积管内部利用CVD制作纤芯和凹陷内包层，以限制衰减，尤其是限制由于OH峰值所引起的1383nm处的衰减。围绕将会用作环的基管添加凹陷外包层。这种配置使得能够减小基管内部所沉积的凹陷内包层的宽度，并且使该基管更靠近中央纤芯，由此获得更低的制造成本。仔细地选择该环的位置和尺寸，以使得在保持高阶模式LP 11的泄漏损耗充分高以确保符合G. 654的光缆截止波长的同时，使基本模式LPOl的泄漏损耗最小化(〈O. 005dB/km)。该环还使得可以降低弯曲损耗，同时保持其它的传播特性不变。图2示出根据本发明的光纤的折射率分布。本发明的单模光纤从中心到外周依次 包括纤芯、凹陷内包层、环、凹陷外包层以及外包层。该外包层的折射率为Dnd。该外包层可以是纯(未掺杂)二氧化硅或轻微掺杂二氧化硅。该纤芯的半径a为3. 5 μ πΓ7. 5 μ m,并且该纤芯相对于外包层的折射率差(Dn1-Dncl)为-O. 5X10^0. 5X 10_3。该纤芯的轻微掺杂甚至是未掺杂确保了对1550nm处的衰减的限制。该纤芯的折射率值能通过共掺杂而得到，以改善阻氢性，尤其降低由于OH峰值所引起的1383nm处的衰减。凹陷内包层的半径I^ingl为21 μ πΓ35 μ m,优选为24 μ πΓ35 μ m,并且该凹陷内包层相对于外包层的折射率差(Dnime厂Dnel)为-6X 10_，_2. 7X 10_3。与图I的现有技术的凹陷 内包层的半径相比，该凹陷内包层的半径较小，这确保了对利用CVD进行的沉积的限制以及成本控制。尽管如此，该半径必须不能过小，否则泄漏损耗会过大。特别地，该凹陷内包层的半径相对于纤芯的半径的比值(Gingl/a)可以为2. 5 8，并且甚至优选为3. 5 7，这小于针对SMF的为了确保将光信号良好地限制在中央纤芯中以及可接受的泄露损耗水平而采用的一般要求0^/&>8)。环的内半径(凹陷内包层的端部)rHngl为21 μ πΓ35 μ m，外半径为rHng2，并且该环相对于外包层的折射率差(Dr^ing-Dnel)为-O. 5X10^0. 5X 10_3。凹陷外包层的内半径(环的端部)为Ging2，外半径为Irat，并且该凹陷外包层相对于外包层的折射率差(Dntjut-Dnel)为-6 X 10_3 -2 X I O—3。根据图3所示的实施例，可以在凹陷内包层中设置槽，从而进一步限制模式LPOl的泄漏损耗。该槽的内半径为b，外半径为C，并且该槽相对于外包层的折射率差为(Dn3-Dncl)。然后，凹陷内包层具有与纤芯相邻的外半径为b且折射率为Dn2的第一部分；以及与环相邻的内半径为c且折射率为Dnimw的第二部分。仔细地选择出环的位置和尺寸，以确保对于给定的模场直径而在低的泄漏损耗、低的截止波长和小的凹陷内包层之间实现可能的最佳权衡。能够仔细地选择出环的位置和尺寸，以确保光纤仍符合G. 652或G. 654标准的大部分要求。
a特别地，纤芯的体积分(Vcore = 2π j η(Γ)Φ·)相对于环的宽度(wring=rring2_rringl)
O的比值为 O. 12μπΓθ. 2μπ 。另外，仔细地选择出凹陷外包层的位置和尺寸，以确保对于给定的模场直径而在低的泄漏损耗、低的截止波长和小的凹陷内包层之间实现可能的最佳权衡。能够仔细地选择出凹陷外包层的位置和尺寸，以确保光纤仍符合G. 652或G. 654标准的大部分要求。特别地，凹陷外包层的体积分
权利要求
1.一种单模光纤，其从中心到外周依次包括纤芯、凹陷内包层、环、凹陷外包层以及外包层，其中 所述纤芯的半径为a，并且所述纤芯相对于所述外包层的折射率差Dn1-Dncd为-O. 5 X 10子O. 5Χ1(Γ3 ； 所述凹陷内包层的半径为rHngl，并且所述凹陷内包层相对于所述外包层的折射率差为inner所述环的内半径I^ingl为21 μ πΓ35 μ m,优选为24 μ ηΓ35 μ m,所述环的外半径为rHng2,并且所述环相对于所述外包层的折射率差Dniing-Dnel为-O. 5X10^0. 5X 10_3 ； 所述凹陷外包层的半径为Irat，并且所述凹陷外包层相对于所述外包层的折射率差为Dnout-Dncl ；以及 所述纤芯的体积分V·相对于所述环的宽度wHng的比值为O. 12 μ πΓΟ. 2 μ m，其中， aVcore = 1π\Mr)'dr 并且 wring=rring2-rringl ； 0 所述凹陷外包层的体积分Vwt为15 μ πΓ30 μ m2，其中， routVoui - 2π J Dn(r)rdr。
rring 2
2.根据权利要求I所述的单模光纤，其特征在于，所述纤芯的半径a为3. 5 μ m 7. 5 μ m。
3.根据权利要求I或2所述的单模光纤，其特征在于，所述凹陷内包层相对于所述外包层的折射率差 Dnimer-Dncl 为-6X 10_3 -2. 7 X 10'
4.根据权利要求I至3中任一项所述的单模光纤，其特征在于，所述凹陷外包层相对于所述外包层的折射率差Dntjut-Dnel为-6X 10_3 -2X 10_3。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的单模光纤，其特征在于，所述凹陷外包层相对于所述凹陷内包层的折射率差Dn()Ut-Dnimer为-2X 10_3 2X 10_3。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的单模光纤，其特征在于，所述环的内半径相对于所述纤芯的半径的比值rHngl/a为2. 5 8。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的单模光纤，其特征在于，所述凹陷外包层的体积分 Vout 为 17 μ πΓ25 μ m2。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的单模光纤，其特征在于，还包括设置于所述凹陷内包层中的槽，其中所述槽相对于所述外包层的折射率差为Dn3-Dnd，所述槽的内半径b和外半径c均小于所述凹陷内包层的半径rHngl。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的单模光纤，其特征在于，所述纤芯和/或所述环由纯二氧化硅制成。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的单模光纤，其特征在于，在1550nm处，所述单模光纤的泄漏损耗小于O. 005dB/km。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的单模光纤，其特征在于，所述单模光纤的光缆截止波长小于1550nm,优选小于1530nm,更优选小于1260nm。
12.根据权利要求I至11中任一项所述的单模光纤，其特征在于，在弯曲半径为IOmm的情况下，所述单模光纤在1550nm处的弯曲损耗小于5dB/m,并且在1625nm处的弯曲损耗小于 10dB/m。
13.一种用于制造包括权利要求I至12中任一项所述的特征的单模光纤的制造方法，所述制造方法包括以下步骤 设置沉积管； 在所述沉积管内部进行层的沉积，以制成所述纤芯和所述凹陷内包层，其中所述沉积管构成所述环； 设置所述凹陷外包层； 设置所述外包层，由此得到光学预制件； 通过对所述光学预制件的第一端部进行加热来拉制出单模光纤。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，还包括部分地去除所述沉积管的步骤。
15.根据权利要求13或14所述的制造方法，其特征在于，通过以下方法之一来制成所述凹陷外包层 套上掺杂管； 外包上掺杂二氧化硅；以及 外部沉积掺杂二氧化硅。
全文摘要
本发明涉及单模光纤及其制造方法，该单模光纤从中心到外周依次包括纤芯，其半径为a，并且相对于外包层的折射率差Dn1-Dncl为-0.5×10-3~0.5×10-3；凹陷内包层，其半径为rring1，并且相对于外包层的折射率差为Dninner-Dncl；环，其内半径rring1为21μm~35μm、外半径为rring2，并且相对于外包层的折射率差Dnring-Dncl为-0.5×10-3~0.5×10-3；凹陷外包层，其半径为rout，并且相对于外包层的折射率差为Dnout-Dncl；以及外包层。所述纤芯的体积分Vcore相对于所述环的宽度wring的比值为0.12μm~0.2μm，并且所述凹陷外包层的体积分为15μm2~30μm2。可以获得具有增大容量的低成本预制件。
文档编号C03B37/018GK102819063SQ201210192058
公开日2012年12月12日 申请日期2012年6月11日 优先权日2011年6月9日
发明者M·比戈-阿斯楚克, P·斯拉德 申请人:德拉克通信科技公司