一种色散补偿光纤及其制备方法与流程

1.本技术涉及光纤技术领域，特别涉及一种色散补偿光纤及其制备方法。


背景技术：

2.光纤是由拉丝机将光纤预制棒加高温融熔拉丝，并涂覆高分子材料制备而成。国际上生产石英光纤预制棒芯棒的方法有十多种，其中普遍使用，并能制作出优质光纤的制棒方法主要有以下四种：化学汽相沉积法(mcvd)、棒外化学汽相沉积法(ovd)、轴向汽相沉积法(vad)、等离子体激活化学汽相沉积法(pcvd)。四种工艺方法各有优缺点，其中pcvd法可精确控制预制棒的折射率剖面，制造结构复杂的光纤。
3.等离子体激活化学汽相沉积法(pcvd)是一种用等离子体激活反应气体，促进其在反应基管表面空间进行化学反应，并生成固态膜的技术。等离子体化学气相沉积技术的基本原理是在微波作用下，源气体电离形成等离子体，利用低温等离子体作为能量源，通入适量的反应气体，利用等离子体放电，使反应气体激活并实现化学气相沉积的技术。pcvd法配合不同的掺杂工艺可以满足制备光纤剖面复杂的单模光纤的需求，色散补偿光纤就是一个典型例子。
4.色散补偿光纤(dcf，dispersion compensating fiber)是具有大的负色散光纤。现敷设的g652光纤系统采用wdm/edfa技术，其在1.55μm波长的色散不是零，而是正的17ps/(nm
·
km)，具有正的色散斜率，因此需要加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速度、大容量、长距离的通信。色散补偿模块(dcm)是dcf光纤再加工产品，其通过dcf光纤盘绕加固，熔接lc、sc、fc等跳线，封装在1u或者更小的机箱中使用。
5.目前传统通信链路补偿的市场在萎缩，以dcf光纤为核心的dcm产品需要升级换代，如何降低色散补偿光纤的损耗，提高抗弯性能，以满足市场小型化和低损化的需求，成为当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供一种色散补偿光纤及其制备方法，通过掺低极化率元素，能够有效改善各层粘度匹配，降低芯区应力，从而降低光纤自身的衰减损耗。
7.第一方面，提供了一种色散补偿光纤，其包括沿径向由内而外依次布置的芯层、第一下陷包层、内包层、第二下陷包层和外包层；
8.所述第二下陷包层的折射率小于内包层的折射率，且大于第一下陷包层的折射率；
9.所述芯层掺有锗，所述芯层、第一下陷包层、内包层和第二下陷包层均掺有设定元素，且沿径向由内而外，设定元素在所述色散补偿光纤中的掺杂量逐渐减小，其中，所述设定元素的极化率小于锗的极化率。
10.一些实施例中，所述设定元素包括磷p、铝al、碱金属、镁mg和铍be中的一种或多
种。
11.一些实施例中，所述设定元素的掺杂量呈曲线；
12.所述曲线为直线；或，所述曲线为弧线，且沿径向由内而外，所述曲线的斜率绝对值逐渐减小；或，所述曲线包括位于所述芯层的第一直线、位于第一下陷包层的第二直线、位于内包层的第三直线和位于第二下陷包层的第四直线，所述第一直线、第二直线、第三直线和第四直线依次相连，且所述第一直线的斜率绝对值＞第二直线的斜率绝对值＞第三直线的斜率绝对值＞第四直线的斜率绝对值。
13.一些实施例中，所述芯层的相对折射率差δ1％为1.50％～2.50％，所述第一下陷包层的相对折射率差δ2％为
‑
1.2％～0％，所述内包层的相对折射率差δ3％为
‑
0.2％～10％，第二下陷包层的相对折射率差δ4％为
‑
0.5％～0％。
14.一些实施例中，所述芯层的外径为3～9mm，第一下陷包层的外径为15～27mm，内包层的外径为25～40mm，第二下陷包层的外径为36～52mm。
15.一些实施例中，所述第一下陷包层上设有第一环形微孔层，所述第一环形微孔层包括均匀分布的多个第一空气孔，各个所述第一空气孔的圆心共圆，且该圆与所述芯层同心；
16.所述外包层上设有第二环形微孔层，所述第二环形微孔层包括均匀分布的多个第二空气孔，各个所述第二空气孔的圆心共圆，且该圆与所述芯层同心。
17.一些实施例中，所述第二空气孔的数量为第一空气孔数量的两倍；
18.其中一半数量的第二空气孔与第一空气孔一一对应，以使所述第二空气孔的圆心与对应的第一空气孔的圆心连线经过所述芯层的圆心。
19.第二方面，提供了一种如上所述的色散补偿光纤的制备方法，其包括如下步骤：
20.提供纯石英反应管，在所述纯石英反应管内壁上沉积或不沉积纯石英层；
21.再依次沉积第二下陷包层、内包层、第一下陷包层和芯层，得到掺杂石英玻璃体；
22.将所述掺杂石英玻璃体烧结成实心棒，得到光纤预制棒；
23.按照芯包比，在所述光纤预制棒外套设纯石英套管，以使纯石英套管、纯石英反应管和纯石英层作为整体，或者纯石英套管和纯石英反应管作为整体形成外包层，并进行拉丝，得到所述色散补偿光纤。
24.一些实施例中，在沉积第二下陷包层时，起始流量比为f：p：si＝4：203：1000，结束流量比为f：p：si＝4.4：223.3：1000；
25.在沉积内包层时，起始流量比为f：p：si＝0：223.3：1000，结束流量比为f：p：si＝0.2：268：1000；
26.在沉积第一下陷包层时，起始流量比为f：p：si＝12.5：268：1000，结束流量比为f：p：si＝16.3：348.4：1000；
27.在沉积芯层时，起始流量比为ge：p：si＝324：348.4：1000，结束流量比为ge：p：si＝306：522.6：1000。
28.一些实施例中，拉丝之前，还包括如下步骤：
29.在所述第一下陷包层上开设第一环形微孔层，所述第一环形微孔层包括均匀分布的多个第一空气孔，各个所述第一空气孔的圆心共圆，且该圆与所述芯层同心；
30.在所述外包层上开设第二环形微孔层，所述第二环形微孔层包括均匀分布的多个
第二空气孔，各个所述第二空气孔的圆心共圆，且该圆与所述芯层同心。
31.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
32.本技术实施例提供了一种色散补偿光纤，在芯层中降低ge元素的使用，通过投入极化率更小的设定元素进行补偿，其好处是有利于衰减的减小。
33.沿径向由内而外，设定元素在色散补偿光纤中的掺杂量逐渐减小，确保设定元素的掺入量连续无突变，其好处是改善各层粘度匹配，减少光纤内的应力集中，改善光纤的衰减情况。
34.设定元素的掺入，相较于ge元素掺入能更好的降低粘度，改善“流动性”，在加热、冷却等热历史中，光纤能更趋于均匀，避免氧化物“流动性”差带的局部集中而带来的不均匀性，从而改善光纤衰减。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本技术实施例提供的色散补偿光纤端面结构示意图；
37.图2为本技术实施例提供的色散补偿光纤波导结构示意图；
38.图3为本技术实施例提供的设定元素的掺杂量的第一种曲线形式示意图；
39.图4为本技术实施例提供的设定元素的掺杂量的第二种曲线形式示意图；
40.图5为本技术实施例提供的设定元素的掺杂量的第三种曲线形式示意图。
41.图中：1、芯层；2、第一下陷包层；3、内包层；4、第二下陷包层；5、外包层；6、第一空气孔；7、第二空气孔。
具体实施方式
42.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.发明人在对色散补偿光纤的研究中发现，影响光纤损耗的主要原因有吸收损耗、散射损耗、波导损耗等。对于色散补偿光纤，散射损耗是其主要损耗形式。光纤中存在类似大气中微粒对光的散射现象的瑞利散射，光纤瑞利散射是由光纤材料内部的密度和成分变化引起的，瑞利散射主要影响因素有两点：密度波动和浓度波动。其中浓度波动主要受到光纤玻璃部分掺杂浓度的影响，理论上掺杂量越小，散射损耗越小；密度波动与光纤制备过程中的热历史引起的不均匀性有关，同时也受光纤玻璃材料的粘度、热膨胀系数、冷却过程中的弛豫时间的影响。
44.此外，光波是电磁波，对玻璃来说，光波是一个外加的交变电场，由于玻璃内部有着各种带电的质点，如离子、离子基团和电子，因此光通过玻璃时，会引起玻璃内部质点的极化变形。玻璃内这种极化变形需要能量，这个能量来自光波。因此，光在通过玻璃过程中，
会损失一部分能量，而玻璃内各离子的极化率越大，当光波通过后被吸收的能量也越大。要降低光在光纤中传播的损耗，可以从降低光纤结构中的“不均匀”入手，通过降低这种极化程度，在一定程度上降低其衰减。
45.基于上述的研究成果，发明人提供了一种色散补偿光纤，参见图1和图2所示，该色散补偿光纤的波导结构为带双下陷包层的阶跃型波导，具体地，该色散补偿光纤包括沿径向由内而外依次布置的芯层1、第一下陷包层2、内包层3、第二下陷包层4和外包层5；第二下陷包层4的折射率小于内包层3的折射率，且大于第一下陷包层2的折射率，内包层3的折射率小于芯层1的折射率；芯层1掺有锗，芯层1、第一下陷包层2、内包层3和第二下陷包层4均掺有设定元素，且沿径向由内而外，设定元素在色散补偿光纤中的掺杂量逐渐减小，其中，设定元素的极化率小于锗的极化率。
46.在上述实施例涉及到的色散补偿光纤中，在芯层中降低ge元素的使用，通过投入极化率更小的设定元素进行补偿，其好处是有利于衰减的减小。
47.沿径向由内而外，设定元素在色散补偿光纤中的掺杂量逐渐减小，确保设定元素的掺入量连续无突变，其好处是改善各层粘度匹配，减少光纤内的应力集中，改善光纤的衰减情况。
48.设定元素的掺入，相较于ge元素掺入能更好的降低粘度，改善“流动性”，在加热、冷却等热历史中，光纤能更趋于均匀，避免氧化物“流动性”差带的局部集中而带来的不均匀性，从而改善光纤衰减。
49.在1550nm波段的衰减系数典型值能降低到0.45db/km以下。
50.在一些优选的实施方式中，设定元素包括磷p、铝al、碱金属、镁mg和铍be中的一种或多种。
51.优选地，设定元素采用磷p，将磷p的氧化物做粘度匹配的主控元素。优选磷p，其原因是：一方面，p
5+
网络形成体离子，其本身半径小，电价高，不易受外加电场作用而极化，并紧紧约束周围的o2‑
离子的电子云，使o2‑
离子不易受外加电场的作用而极化。因此，p元素形成的氧化物极化率相较于ge元素氧化物极化率更低，更有利于衰减的降低。
52.另一方面，p元素氧化物结构与基底的si元素氧化物结构相近，元素分子量相近，相较于ge元素的氧化物在光纤内引起不均分布，p元素氧化物会降低这种不均匀性，从而改善光纤衰减。
53.在进行粘度匹配时，磷p的掺杂量逐层渐变式降低，避免掺杂浓度突变式变化，从而改善光纤各层之间的粘度匹配，降低光纤内部应力，进而降低光纤的衰减损耗。
54.在进行粘度匹配时，ge、p元素在光纤剖面中起到提高折射率的作用，同时可以通过掺入f、b元素，f、b元素在光纤剖面中起到降低折射率的作用。p元素的掺量确定好之后，其余元素的掺入量根据光纤剖面结构设计制定，如在芯层中ge、p、f共掺，在包层中p、f共掺。如果在指定分层中掺入p之后折射利率低于剖面设计的折射率，比照设计需求再掺入ge元素进一步抬高折射率；相反，如果掺入p之后折射率高于剖面设计折射率，比照设计在掺入f或b元素拉低折射率。
55.由于沿径向由内而外，设定元素在色散补偿光纤中的掺杂量逐渐减小，也即，在色散补偿光纤上选取一个点，以该点与芯层1的距离r作为横坐标，该点的设定元素的掺杂量作为纵坐标，可以构建一个坐标系，在该坐标系中，设定元素的掺杂量是关于距离r的曲线。
56.该曲线的形式可以有多种，比如：
57.在第一种曲线形式中，参见图3所示，该曲线为直线，这种方案优势是设定元素比如磷p的流量计开度稳定，掺入工艺简便。
58.在第二种曲线形式中，参见图4所示，该曲线为弧线，且沿径向由内而外，曲线的斜率绝对值逐渐减小。这种属于理想曲线，在芯层1中设定元素如磷p掺入量高，在各个包层中掺入量少，其优势在于芯层1中ge元素掺入较多，在此区域多掺入设定元素替换掺ge可以改善衰减，在包层很少掺入ge，掺入设定元素的目的在于调整粘度，掺入量少可以减少f或b元素的对应掺入，限制成本提升。
59.在第三种曲线形式中，参见图5所示，该曲线包括位于芯层1的第一直线、位于第一下陷包层2的第二直线、位于内包层3的第三直线和位于第二下陷包层4的第四直线，第一直线、第二直线、第三直线和第四直线依次相连，且第一直线的斜率绝对值＞第二直线的斜率绝对值＞第三直线的斜率绝对值＞第四直线的斜率绝对值。该方案是在理想曲线上用分段的折线去近似替代圆滑曲线，各分段点设置在各包层分区的边界点上，在每一个分区内部设定元素掺入量的流量控制呈直线分布。该方案继承了上述两种方案的优点，流量控制工艺相对简便，同时对成本提高也不会很大，是一种比较适合生产实践的方案。
60.在一些优选的实施方式中，芯层1的相对折射率差δ1％为1.50％～2.50％，第一下陷包层2的相对折射率差δ2％为
‑
1.2％～0％，内包层3的相对折射率差δ3％为
‑
0.2％～10％，第二下陷包层4的相对折射率差δ4％为
‑
0.5％～0％，外包层5采用纯石英。
61.其中，采用如下公式计算相对折射率差δ％：
[0062][0063]
其中，n0为纯石英玻璃的折射率，i＝1时，n1为芯层1的折射率，i＝2时，n2为第一下陷包层2的折射率，i＝3时，n3为内包层3的折射率，i＝4时，n4为第二下陷包层4的折射率。
[0064]
芯层1的外径为3～9mm，第一下陷包层2的外径为15～27mm，内包层3的外径为25～40mm，第二下陷包层4的外径为36～52mm。
[0065]
参见图1所示，在一些优选的实施方式中，第一下陷包层2上设有第一环形微孔层，第一环形微孔层包括均匀分布的多个第一空气孔6，各个第一空气孔6的圆心共圆，且该圆与芯层1同心；外包层5上设有第二环形微孔层，第二环形微孔层包括均匀分布的多个第二空气孔7，各个第二空气孔7的圆心共圆，且该圆与芯层1同心。
[0066]
本实施例在光纤的深下陷包层和外包层区域，配合空气孔结构，在原有抗弯性能上进一步地增加抗弯结构设计，从而可以进一步提高光纤的抗弯性能。
[0067]
理论上空气孔设置的越多，空气填充率越高，其带来的抗弯性能提升也越高，但生产中受限于光纤剖面结构限制，空气孔不可能按理论设计那样密集填充，否则会一定程度上破坏芯棒剖面结构并恶化光纤强度，极大提高生产成本，降低生产效率。因此，本实施例是在第一下陷包层和外包层上设置空气孔，在提高抗弯性能的同时，可以避免恶化光纤强度。
[0068]
空气孔可以采用圆形，但不排除其他异型气孔结构。
[0069]
优选地，在第一下陷包层区域设置的第一空气孔大小不超过第一下陷包层范围，避免降低光纤性能，但不排除特殊使用时超出该区域的运用。
[0070]
优选地，第一空气孔的空气填充率50％以上，有利于发挥空气孔的效用，不排除特殊使用时低于该水平的填充率使用。
[0071]
空气填充率s可以采用如下公式计算：
[0072][0073]
其中，直径d为空气孔直径，n为空气孔数量，r
in
为空气孔内切圆半径，r
out
为空气孔外切圆半径。
[0074]
优选地，第二空气孔大小略大于相邻两个第一空气孔间间隙尺寸，不排除特使使用场合其他布置方法。
[0075]
参见图1所示，在一些优选的实施方式中，第二空气孔7的数量为第一空气孔6数量的两倍，其中一半数量的第二空气孔7与第一空气孔6一一对应，以使第二空气孔7的圆心与对应的第一空气孔6的圆心连线经过芯层1的圆心，这样可以保证两个第一空气孔6之间的间隙的中心线穿过第二空气孔7的圆心，采用这种错位方式，其目的是，可以保证前一道孔的“漏光”在下一层空气孔前被弥补，从而合理将理论设计向实际生产实践转化。多层辅助孔结构并配合pcvd工艺对各分段包层折射率的调整，即满足光纤性能指标，又满足抗弯性能提升。
[0076]
比如，在一个实施例中，第一空气孔6的直径为8mm，数量为16个，空气填充率58％，第二空气孔7的直径为10mm，数量为32个，该色散补偿光纤的抗弯性能，在1550nm窗口，直径50mm弯曲损耗小于或等于0.004db/m，直径20mm的弯曲损耗小于或等于0.042db/m。
[0077]
本技术还提供了一种色散补偿光纤的制备方法，包括如下步骤：
[0078]
提供纯石英反应管，在纯石英反应管内壁上沉积或不沉积纯石英层；
[0079]
再依次沉积第二下陷包层4、内包层3、第一下陷包层2和芯层1，得到掺杂石英玻璃体；
[0080]
将掺杂石英玻璃体烧结成实心棒，得到光纤预制棒；
[0081]
按照芯包比，在光纤预制棒外套设纯石英套管，以使得当沉积有纯石英层时，纯石英套管、纯石英反应管和纯石英层作为整体形成外包层5，或者不沉积纯石英层时，纯石英套管和纯石英反应管作为整体形成外包层5，并进行拉丝，得到色散补偿光纤。
[0082]
其中，在沉积第二下陷包层4时，起始流量比为f：p：si＝4：203：1000，结束流量比为f：p：si＝4.4：223.3：1000，f对应的流量计的开度，p对应的流量计的开度，均呈线性变化；
[0083]
在沉积内包层3时，起始流量比为f：p：si＝0：223.3：1000，结束流量比为f：p：si＝0.2：268：1000，f对应的流量计的开度，p对应的流量计的开度，均呈线性变化；
[0084]
在沉积第一下陷包层2时，起始流量比为f：p：si＝12.5：268：1000，结束流量比为f：p：si＝16.3：348.4：1000，f对应的流量计的开度，p对应的流量计的开度，均呈线性变化；
[0085]
在沉积芯层1时，起始流量比为ge：p：si＝324：348.4：1000，结束流量比为ge：p：si＝306：522.6：1000，ge对应的流量计的开度，p对应的流量计的开度，均呈线性变化。
[0086]
进一步地，拉丝之前，还包括如下步骤：
[0087]
在第一下陷包层2上开设第一环形微孔层，第一环形微孔层包括均匀分布的多个第一空气孔6，各个第一空气孔6的圆心共圆，且该圆与芯层1同心；
[0088]
在外包层5上开设第二环形微孔层，第二环形微孔层包括均匀分布的多个第二空气孔7，各个第二空气孔7的圆心共圆，且该圆与芯层1同心。
[0089]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0090]
需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0091]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。