一种超低衰耗弯曲不敏感单模光纤的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于光通信传输系统的超低衰减弯曲不敏感单模光纤，该光纤具 有超低衰耗，优异的弯曲不敏感特性，且模场直径兼容G. 657. A2标准，属于光通信技术领 域。
【背景技术】
[0002] 光纤通信因其具有容量大、传输距离远、传输速度快、经济等特点，已被广泛应用 于长途干线网到城域网以及接入网。光纤通信技术的发展，一直以来都是以更快的传输速 率、更大的容量以及更远的传输距离为目标，从而不断提升和改进光纤的性能指标以及光 纤的通信技术。特别是近几年来，随着IP业务量的爆炸式增长，通信网络正开始向下一代 可持续发展的方向迈进，而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基 础。为了满足光纤通信系统的发展需要，作为光纤通信网络传输媒质的光纤的相关性能指 标也需要进一步改进。
[0003] 光纤的衰减系数是光纤最重要的性能指标之一，在很大程度上决定了光纤通信的 中继距离。光纤的衰减系数越小，则其携带的光信号可传输距离就越远，而在同样的传输距 离下，其携带的光信号衰减幅度就越小。降低衰减系数可以有效提高光纤通信中的光信噪 比OSNR，进一步提高系统的传输质量和传输距离。在长距离的光纤通信中，光信号是通过中 继站来完成传输的，如果光纤的衰减系数越小，光信号的无中继传输距离就越远，那么就可 以增加中继站之间的距离，从而大大减少中继站的设置，降低运营成本。因此，降低光纤的 衰减系数无论是从优化系统结构还是降低运营成本方面，都具有非常重要的意义。而另一 方面，随着近年来FTTX的不断发展，原有G. 652光纤的性能已经难以满足用户要求，实际应 用环境要求光纤具有一定的抗弯曲性能，于是在G. 652光纤的基础上，开发出了新一代的 弯曲不敏感单模光纤--G. 657光纤，其中包含能够兼容G. 652标准的G. 657. A类光纤和 不能兼容G. 652标准的G. 657. B类光纤。G. 657. A类光纤和G. 652. D光纤有很好的兼容性， 且其相对于普通G. 652. D光纤具有更好的抗弯曲性能，因此它被认为是最有可能替代现有 G. 652光纤的产品之一。所以发明一种和G. 652标准兼容，并且具有更低衰减、相对较大模 场直径同时还具有弯曲不敏感特性的新一代单模光纤成为通信光纤领域内的一个研宄热 点。
[0004] 在光纤预制棒的制造过程中一般可以采用以下几种方法来降低光纤衰减。比如， 采用更高纯度的原材料，提高生产环境和设备密封性能降低外界杂质引入的几率，如专利 CN201110178833. 3即采用提高光纤预制棒沉积过程中的气密性的方法，降低外界杂质的引 入。或者采用更大外径的预制棒制造工艺，通过大尺寸预制棒的稀释效应降低光纤的整体 衰减。另外，在光纤制造过程中，裸光纤表面涂层的涂覆工艺也是影响光纤衰减性能的一个 重要因素。但是，无论从理论上还是实际光纤制备中的成本和工艺控制上来讲，降低光纤的 掺杂并优化光纤的剖面是较简单且有效的降低光纤衰减的方法。一般来说，掺杂材料的浓 度越低，则瑞利散射所引起的损耗越小。在传统的单模光纤中，为了保证光纤中的全反射， 芯层和内包层之间必须保证足够的折射率差值，芯层的相对折射率远远大于光纤的内包 层；为了保证这样的设计，必须在芯层中进行大量的Ge或者Ge/F共掺形式的掺杂，而传统 的光纤剖面设计中，激光能量在光纤剖面中成高斯分布形式分布，光纤激光能量有70%左 右在相对掺杂较多的芯层部分传播，即高能量密度的激光传输集中在瑞利系数较大的高浓 度掺杂芯层中传播。如果通过合理的光学剖面设计，设计一种能量非高斯分布的剖面，减少 高浓度掺杂芯层中能量的损失，就可以显著降低光纤的衰减性能。
[0005] 但在这些常规G. 657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。
[0006] 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，因此可能造成预制棒制备时出现粘度失配，可以发 现其衰减和弯曲水平，相对较差。
[0007] 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：
[0008]
[0009] 式中，X为波长（ym)，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：
[0010] R = Rd+Rc
[0011] 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。
[0012] 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'>T F(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!'，。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015]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。
[0016] 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两个：第一，采用纯 掺F设计的预制棒尺寸较小，拉丝工艺复杂；第二，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%。
[0017] 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，是我们面临的的一个挑战。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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，其粘度与内 包层和芯层粘度梯度失配。
[0021] 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G652或 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