本发明涉及光纤传输技术领域，具体涉及一种具有低衰减大有效面积的单模光纤。
背景技术：
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100tbps。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。
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co-ofdm。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(osnr)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osnr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/aeff。其中，n2是传输光纤的非线性折射指数，aeff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。
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80μm2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100um2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130um2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。
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0.20db/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0.20降低到0.16db/km，整个链路的建设成本将总体降低30％左右。
综上所述，开发设计一种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。
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36μm，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。
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150μm2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16.3μm，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cl，利用了f和cl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。
文献cn201410633787.5公布了一种超低衰减光纤的设计，由于为了实现超低衰减性能，光纤剖面设计中芯层中采用了较少的锗掺杂，光纤剖面采用了多层设计，制作工艺复杂。
文献cn201510464355.0公布了一种超低衰减大有效面积光纤的设计，其只在芯层位置进行了碱金属掺杂，内包层内没有碱金属掺杂；其内包层中没有公布相关成分组成，不涉及锗氟共掺杂设计；并且其剖面设计以及各个包层组成部分成分没有公布。
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制备低衰减大有效面积光纤的可行性。但是受到前面所述因素的影响，如何在这样的设计下，控制光纤的光学参数，是我们面临的挑战。
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。
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位置，通过合理的光纤剖面设计，抑制基模泄露。
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，其粘度与下陷内包层，内包层，芯层粘度梯度失配，将会影响光纤衰减。
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g654光纤的参数要求，即保证光纤的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。
技术实现要素：
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光纤芯层，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为光纤各位置玻璃的折射率，而nc为外包层折射率，即纯二氧化硅的折射率。
光纤芯层和内包层f掺杂的相对折射率贡献量δfi由以下方程式定义，
其中nf为假设芯层或内包层位置的f掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅玻璃中，引起二氧化硅玻璃折射率的变化量，其中nc为最外包层折射率，即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旨在针对上述现有技术存在的不足，设计一种低衰减大有效面积的单模光纤，它衰减低、有效面积大，且制作成本低。
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半径r1为5.2～6.5μm，芯层相对折射率δn1为0.20％～0.30％，芯层外从内向外依次包覆内包层，纯二氧化硅内包层，下陷包层和外包层，所述的内包层半径r2为8～10.5μm，相对折射率δn2为-0.10％～0.05％；所述的纯二氧化硅内包层半径r3为9.5～14μm，相对折射率δn3为-0.03％～0.03％；所述的下陷包层半径r4为13～18μm，相对折射率δn4为-0.50％～-0.25；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述的芯层为锗和氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，氟在芯层的相对折射率贡献量δfcore为-0.12％～-0.04％，碱金属含量为100～2000ppm。
按上述方案，所述的内包层为锗和氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，氟在内包层的相对折射率贡献量δfcore为-0.15％～-0.06％，碱金属含量为50～1500ppm。
按上述方案，所述芯层和内包层中的碱金属为锂、钠、钾、铷、铯、钫碱金属离子中的一种或多种。
按上述方案，所述的纯二氧化硅内包层为不含有锗或氟的纯二氧化硅玻璃；所述的纯二氧化硅内包层单边厚度大于或等于1μm。
按上述方案，所述光纤在1550nm波长的有效面积为100～140μm2。
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处的衰耗等于或小于0.184db/km；在波长1550nm处的衰耗等于或小于0.204db/km。
本发明的有益效果在于：1、采用掺锗，氟及碱金属的共掺杂的芯层和内包层设计，对芯包层粘度进行优化，以降低光纤衰减性能；且合理设计芯包层波导结构，使光纤具有较大的有效面积；2、内包层和下陷包层中间位置设计了合理宽度的纯二氧化硅内包层，目的在于防止碱金属扩散到氟掺杂浓度较高的下陷内包层区域，形成金属氟化物结晶，影响衰减；3、在纯二氧化硅内包层两侧，设计合理的掺杂层，并通过纯二氧化硅玻璃平衡光纤内部粘度匹配和应力匹配，减少光纤内部缺陷，进一步降低衰减；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，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进行进一步详细描述。
包括有芯层和多包层结构，芯层外从内向外依次包覆内包层，纯二氧化硅内包层，下陷包层，纯二氧化硅外包层，所述的芯层和内包层为锗氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。所述的芯层半径为r1，芯层相对折射率为δn1，所述内包层半径为r2，相对折射率为δn2；所述纯二氧化硅内包层半径为r3，相对折射率为δn3；所述下陷包层半径为r4，相对折射率为δn4；外包层的直径为125μm，光纤外涂覆双层高分子紫外固化涂层。
表一所列为本发明优选的实施例的折射率剖面参数，δfcore为芯层中f掺杂的折射率贡献量；δfclad为内包层中f掺杂的折射率贡献量；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