一种低衰减环形纤芯光纤的制作方法

本发明属于低衰减光纤领域，具体涉及一种低衰减环形纤芯光纤。

背景技术：

社会的信息化带来了海量的数据传输需求，特别是物联网的发展，带来了海量的数据连接需求，预计在未来十年内，中国市场上的连接数将突破100亿。大数据的增长将每年翻一倍，到2030年，大数据将达到今天的1000倍。现有的光纤通信技术下通信容量增长已难以满足这一数据增长需求，急需要开发新的通信传输技术。

近年来的研究表明，光束具有两种角动量，一种是由于光束的偏振特性产生的角动量，另一种是由于光束具有螺旋相位结构产生的轨道角动量。当光束含有角相关的相位分布(扭转相位或螺旋相位)时，此类光束具有与角向相位相关的角动量，被称为轨道角动量(orbitalangularmomentum,oam)。这种光子oam具有矢量特性，其不同阶数l正交，取值在理论上可以是任意整数值，这为基于光子oam的复用技术奠定了基础。在现有的光通信链路基础上，在现有光通信系统传输之余，通过复用携带不同信息的多个光子oam模式实现共轴传输，为通信系统的可持续性扩容提供新途径。

因此，基于oam模式的复用技术因其开发了新的应用维度，有潜力使光通信系统的传输容量呈几何级数增长。oam信号的光强分布符合高斯-拉盖尔光束特性。采用环形纤芯波导结构可实现多个模式的传输。但是，环形纤芯结构受限于衰减大的问题，难以低损耗传输长距离的oam信号。为适应超大容量光纤通信传输技术要求，急需研制低损耗(即，低衰减)的oam光纤，以满足长距离大容量oam传输的要求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低衰减环形纤芯光纤。该光纤具备10km级oam信号传输能力，能够实现l＝0、±1、±2阶乃至±3阶以上更高阶的oam信号高保真传输；其1550nm波长处衰减值小于0.25db/km，从而可更好满足超大容量光纤通信传输的发展需求。

为达到以上目的，本发明第一方面提供了一种低衰减环形纤芯光纤，其由内至外依次包括：内石英包层、环形纤芯和外石英包层；

其中，所述内石英包层由掺钾、锂或硼的二氧化硅组成，所述环形纤芯由仅掺锗或者锗钾、锗锂共掺的二氧化硅组成，所述外石英包层由掺钾、锂或硼的二氧化硅组成；

所述内石英包层的折射率n11与所述外石英包层的折射率n15相等，且所述环形纤芯的折射率n13大于所述内石英包层的折射率n11。

在上述技术方案的基础上，所述环形纤芯相对于所述内石英包层的相对折射率差△13为1.5％～2.0％。

在上述技术方案的基础上，所述内石英包层和所述外石英包层中所掺杂的元素的种类及所掺杂的元素的浓度相同。

在上述技术方案的基础上，所述内石英包层的直径d11为11.0-15.0μm；所述环形纤芯的厚度l13为3.0-6.0μm；所述外石英包层的直径d15为80-125μm。

在上述技术方案的基础上，所述光纤在1550nm波长处衰减值小于0.25db/km。

本发明第二方面提供了一种低衰减环形纤芯光纤，其由内至外依次包括：内石英包层、内下凹石英包层、环形纤芯、外下凹石英包层和外石英包层；

其中，所述内石英包层由掺钾、锂或硼的二氧化硅组成，所述内下凹石英包层由仅掺氟或者氟钾、氟锂共掺的二氧化硅组成，所述环形纤芯由仅掺锗或者锗钾、锗锂共掺的二氧化硅组成，所述外下凹石英包层由仅掺氟或者氟钾、氟锂共掺的二氧化硅组成，所述外石英包层由掺钾、锂或硼的二氧化硅组成；

所述内石英包层的折射率n11与所述外石英包层的折射率n15相等，且所述环形纤芯的折射率n13大于所述内石英包层的折射率n11；所述内下凹石英包层的折射率n12与所述外下凹石英包层的折射率n14相等，且所述内下凹石英包层的折射率n12小于所述内石英包层的折射率n11。

在上述技术方案的基础上，所述环形纤芯相对于所述内石英包层的相对折射率差△13为1.4％～1.8％；所述内下凹石英包层相对于所述内石英包层的相对折射率差△12为-1.2％～-0.4％。

在上述技术方案的基础上，所述内石英包层和所述外石英包层中所掺杂的元素的种类及所掺杂的元素的浓度相同；所述内下凹石英包层和所述外下凹石英包层中所掺杂的元素的种类及所掺杂的元素的浓度相同。

在上述技术方案的基础上，当所述内下凹石英包层的粘度小于所述环形纤芯的粘度时，所述环形纤芯由仅掺锗的二氧化硅组成，所述内下凹石英包层和所述外下凹石英包层由氟钾或氟锂共掺的二氧化硅组成；或者，所述环形纤芯由锗钾或锗锂共掺的二氧化硅组成，所述内下凹石英包层和所述外下凹石英包层由仅掺氟的二氧化硅组成。

在上述技术方案的基础上，当所述内下凹石英包层的粘度大于所述环形纤芯的粘度时，所述环形纤芯由仅掺锗或锗锂共掺的二氧化硅组成，所述内下凹石英包层和所述外下凹石英包层由仅掺氟的二氧化硅组成；或者，所述环形纤芯由仅掺锗的二氧化硅组成，所述内下凹石英包层和所述外下凹石英包层由氟钾或氟锂共掺的二氧化硅组成。

在上述技术方案的基础上，所述内石英包层的直径d11为9.0-13.0μm；所述内下凹石英包层的厚度l12为2.0-4.0μm；所述环形纤芯的厚度l13为2.0-5.0μm；所述外下凹石英包层的厚度l14与所述内下凹石英包层的厚度l12相等；所述外石英包层的直径d15为80-125μm。

在上述技术方案的基础上，所述光纤在1550nm波长处衰减值小于0.25db/km。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的低衰减环形纤芯光纤具有环形纤芯波导结构或多重包层环形纤芯波导结构，使得该光纤中的环形纤芯具有高折射率，因此，该光纤能够实现l＝0，±1，±2阶乃至±3阶以上更高阶的oam信号高保真传输。同时，本发明提供的低衰减环形纤芯光纤的内石英包层和外石英包层均由掺钾、锂或硼的二氧化硅组成，环形纤芯由仅掺锗或者锗钾、锗锂共掺的二氧化硅组成，使得光纤中环形纤芯与周围包层间具有较低的界面应力，且当内石英包层与环形纤芯之间存在内下凹石英包层、环形纤芯与外石英包层之间存在外下凹石英包层时，内下凹石英包层和外下凹石英包层均由仅掺氟或者氟钾、氟锂共掺的二氧化硅组成，进一步使得内石英包层和内下凹石英包层之间、外下凹石英包层与外石英包层之间也具有较低的界面应力，从而使得光纤整体应力处于较低水平。因此，该光纤具备10km级oam信号传输能力，其1550nm波长处衰减值小于0.25db/km。因此，本发明提供的低衰减环形纤芯光纤能够满足超大容量光纤通信传输的发展需求。

附图说明

图1示出了本发明一种实施方式的低衰减环形纤芯光纤的石英端面结构示意图。

图2示出了图1的低衰减环形纤芯光纤的波导结构示意图。

图3示出了本发明另一种实施方式的低衰减环形纤芯光纤的石英端面结构示意图。

图4示出了图3的低衰减环形纤芯光纤的波导结构示意图。

图中，相同的部件采用相同的附图标记表示，附图标记的含义如下：

11-内石英包层；12-内下凹石英包层；13-环形纤芯；14-外下凹石英包层；15-外石英包层；

n11-内石英包层11的折射率；n12-内下凹石英包层12的折射率；n13-环形纤芯13的折射率；n14-外下凹石英包层14的折射率；n15-外石英包层15的折射率；d11-内石英包层11的直径；d12-内下凹石英包层12的直径；d13-环形纤芯13的直径；d14-外下凹石英包层14的直径；d15-外石英包层15的直径；l12-内下凹石英包层12的厚度；l13-环形纤芯13的厚度；l14-外下凹石英包层14的厚度。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，以下结合附图及具体实施例来详细说明本发明。应当理解，这些实施例仅起说明性作用，并不用于限定本发明。

如前所述，现有技术中基于oam模式复用技术的环形纤芯光纤存在衰减大、难以满足长距离大容量oam传输需求的缺点。本发明的发明人在低衰减环形纤芯光纤领域经过大量的试验研究发现，通过采用环形纤芯波导结构或多重包层环形纤芯波导结构使得光纤中环形纤芯的折射率相对较高，可以实现光纤的高阶oam模式传输要求；同时，通过采用包层和环形纤芯的不同元素掺杂方式，控制相邻两层之间的粘度差的绝对值，可以使得光纤中相邻各层间的界面应力较低，从而可以满足光纤的低衰减要求。本发明正是基于上述发现作出的。

如图1和图2所示，本发明的一些实施方式提供了一种低衰减环形纤芯光纤。该低衰减环形纤芯光纤由内至外依次包括：内石英包层11、环形纤芯13和外石英包层15。

为了满足光纤的低衰减要求，需要环形纤芯13与其周围内石英包层11和外石英包层15之间的界面应力较低。因此，本发明的实施方式采用在环形纤芯13与内石英包层11和外石英包层15中不同的元素掺杂方式，使得环形纤芯13分别与内石英包层11和外石英包层15之间均满足粘度匹配原则(即，粘度差的绝对值控制在一定范围内)。

具体地，内石英包层11由掺钾、锂或硼的二氧化硅组成；环形纤芯13由仅掺锗或者锗钾、锗锂共掺的二氧化硅组成；外石英包层15由掺钾、锂或硼的二氧化硅组成。本发明的发明人研究发现，掺钾(k)、锂(li)或硼(b)元素可以用来降低粘度；掺锗(ge)元素不仅可以实现较高的折射率，还可以降低粘度。通过本发明特定的掺杂方式使得环形纤芯13与内石英包层11以及环形纤芯13与外石英包层15之间的粘度差的绝对值尽量小。本申请的发明人研究发现，通过本发明的掺杂方式可以将环形纤芯13与内石英包层11以及环形纤芯13与外石英包层15之间的粘度差的绝对值控制在2.2％以内，因而可有效降低因粘度不匹配造成的光纤熔融成型时界面应力过大带来的衰减增加的问题。

优选地，内石英包层11和外石英包层15中所掺杂的元素的种类及所掺杂的元素的浓度相同。由此可以使得环形纤芯13的两边承受同样的应力大小，便于同步进行粘度优化，减小应力，也便于通过对该应力的控制，优化光纤的衰减等特性。

本发明中所掺杂的钾、锂、硼和锗元素在石英(即二氧化硅)中以氧化物的形式存在。例如，以氧化钾、氧化锂、三氧化二硼和二氧化锗的形式存在。

为了满足光纤的高阶oam模式传输要求，需要光纤中环形纤芯具有相对较高的折射率。因此，本发明的实施方式提供了具有环形纤芯波导结构的光纤(即单环结构光纤)。

具体地，该环形纤芯波导结构为：内石英包层11的折射率n11与外石英包层15的折射率n15相等，且环形纤芯13的折射率n13大于内石英包层11的折射率n11。

本发明中采用下列公式计算层1相对于层2的相对折射率差：

△＝(n1-n2)/n2×100％

其中，n1表示层1的折射率，n2表示层2的折射率。

优选地，环形纤芯13相对于内石英包层11的相对折射率差△13为1.5％～2.0％。

优选地，内石英包层11的直径d11为11.0-15.0μm；环形纤芯13的厚度l13为3.0-6.0μm，直径d13＝d11+2×l13。外石英包层15的直径可以根据应用场景进行取值，例如，外石英包层15的直径d15为80-125μm。

优选地，本发明实施方式提供的低衰减环形纤芯光纤还包括在外石英包层15外侧的纯石英包层，以适应更多的应用场景。

更优选地，在外石英包层15的外表面上涂覆有涂层进行保护。

如图3和图4所示，本发明的另一些实施方式提供了一种低衰减环形纤芯光纤。该低衰减环形纤芯光纤由内至外依次包括：内石英包层11、内下凹石英包层12、环形纤芯13、外下凹石英包层14和外石英包层15。

为了满足光纤的低衰减要求，不仅需要环形纤芯13与其周围内下凹石英包层12和外下凹石英包层14之间的界面应力较低，而且需要内石英包层11和内下凹石英包层12之间以及外下凹石英包层14和外石英包层15之间的界面应力也较低，从而使得光纤整体应力处于较低水平。因此，本发明的实施方式采用在环形纤芯13与其周围内下凹石英包层12和外下凹石英包层14中不同的元素掺杂方式、内石英包层11和内下凹石英包层12中不同的元素掺杂方式以及外下凹石英包层14和外石英包层15中不同的元素掺杂方式，使得环形纤芯13分别与其周围内下凹石英包层12和外下凹石英包层14之间、内石英包层11和内下凹石英包层12之间以及外下凹石英包层14和外石英包层15之间均满足粘度匹配原则(即，粘度差的绝对值控制在一定范围内)。

具体地，内石英包层11由掺钾、锂或硼的二氧化硅组成，内下凹石英包层12由仅掺氟或者氟钾、氟锂共掺的二氧化硅组成，环形纤芯13由仅掺锗或者锗钾、锗锂共掺的二氧化硅组成，外下凹石英包层14由仅掺氟或者氟钾、氟锂共掺的二氧化硅组成，外石英包层15由掺钾、锂或硼的二氧化硅组成。本发明的发明人研究发现，掺钾(k)、锂(li)或硼(b)元素可以用来降低粘度；掺锗(ge)元素不仅可以实现较高的折射率，还可以降低粘度；掺氟(f)元素不仅可以实现较低的折射率，还可以降低粘度。通过本发明特定的掺杂方式使得环形纤芯13与内下凹石英包层12、内下凹石英包层12与内石英包层11、环形纤芯13与外下凹石英包层14、外下凹石英包层14与外石英包层15之间的粘度差的绝对值尽量小。本申请的发明人研究发现，通过本发明的掺杂方式可以将环形纤芯13与内下凹石英包层12、内下凹石英包层12与内石英包层11、环形纤芯13与外下凹石英包层14、外下凹石英包层14与外石英包层15之间的粘度差的绝对值控制在2.2％以内，因而可有效降低因粘度不匹配造成的光纤熔融成型时界面应力过大带来的衰减增加的问题。

优选地，内石英包层11和外石英包层15中所掺杂的元素的种类及所掺杂的元素的浓度相同；内下凹石英包层12和外下凹石英包层14中所掺杂的元素的种类及所掺杂的元素的浓度相同。由此可以使得环形纤芯13的两边承受同样的应力大小，便于同步进行粘度优化，减小应力，也便于通过对该应力的控制，优化光纤的衰减等特性。

本发明中所掺杂的钾、锂、硼和锗元素在石英中以氧化物的形式存在。例如，以氧化钾、氧化锂、三氧化二硼和二氧化锗的形式存在。本发明中所掺杂的氟元素在石英中以氟化硅的形式存在。

优选地，当内下凹石英包层12的粘度小于环形纤芯13的粘度时，环形纤芯13由仅掺锗的二氧化硅组成，内下凹石英包层12和外下凹石英包层14由氟钾或氟锂共掺的二氧化硅组成；或者，环形纤芯13由锗钾或锗锂共掺的二氧化硅组成，内下凹石英包层12和外下凹石英包层14由仅掺氟的二氧化硅组成。

优选地，当内下凹石英包层12的粘度大于环形纤芯13的粘度时，环形纤芯13由仅掺锗或锗锂共掺的二氧化硅组成，内下凹石英包层12和外下凹石英包层14由仅掺氟的二氧化硅组成；或者，环形纤芯13由仅掺锗的二氧化硅组成，内下凹石英包层12和外下凹石英包层14由氟钾或氟锂共掺的二氧化硅组成。

为了满足光纤的高阶oam模式传输要求，需要光纤中环形纤芯具有相对较高的折射率。因此，本发明的实施方式提供了具有多重包层环形纤芯波导结构的光纤(即多包层结构光纤)。

具体地，该多重包层环形纤芯波导结构为：内石英包层11的折射率n11与外石英包层15的折射率n15相等，且环形纤芯13的折射率n13大于内石英包层11的折射率n11；内下凹石英包层12的折射率n12与外下凹石英包层14的折射率n14相等，且内下凹石英包层12的折射率n12小于内石英包层11的折射率n11。

本发明中采用下列公式计算层1相对于层2的相对折射率差：

△＝(n1-n2)/n2×100％

其中，n1表示层1的折射率，n2为层2的折射率。

优选地，环形纤芯13相对于内石英包层11的相对折射率差△13为1.4％～1.8％；内下凹石英包层12相对于内石英包层11的相对折射率差△12为-1.2％～-0.4％。

优选地，内石英包层11的直径d11为9.0-13.0μm；内下凹石英包层12的厚度l12为2.0-4.0μm，直径d12＝d11+2×l12；环形纤芯13的厚度l13为2.0-5.0μm，直径d13＝d11+2×(l12+l13)；外下凹石英包层14的厚度l14与内下凹石英包层12的厚度l12相等，直径d14＝d11+2×(l12+l13+l14)。

优选地，外石英包层15的直径d15可以根据应用场景进行取值，例如，外石英包层15的直径d15为80-125μm。

优选地，本发明实施方式提供的低衰减环形纤芯光纤还包括在外石英包层15外侧的纯石英包层，以适应更多的应用场景。

更优选地，在外石英包层15的外表面上涂覆有涂层进行保护。

下面结合具体的实施例和附图对本发明做出进一步详细的说明。

表1示出了本发明一些单环结构的低衰减环形纤芯光纤的结构及性能参数。

表1实施例1-9的单环结构的低衰减环形纤芯光纤的结构及性能参数

从上述实施例数据可以看出，本发明提供的单环结构低衰减环形纤芯光纤具备10km级oam信号传输能力，能够实现l＝0，±1，±2阶或更高阶的oam信号高保真传输；其1550nm波长处衰减值小于0.25db/km，从而可更好满足超大容量光纤通信传输的发展需求。

表2示出了本发明一些多包层结构的低衰减环形纤芯光纤的结构及性能参数。

表2实施例10-18的多包层结构的低衰减环形纤芯光纤的结构及性能参数

从上述实施例数据可以看出，本发明提供的多包层结构低衰减环形纤芯光纤具备10km级oam信号传输能力，能够实现l＝0，±1，±2阶，±3阶或更高阶的oam信号高保真传输；其1550nm波长处衰减值小于0.25db/km，从而可更好满足超大容量光纤通信传输的发展需求。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。