CN110244402B - 一种超低损耗大有效面积单模光纤设计及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低损耗大有效面积单模光纤设计及其制造方法，光纤剖面由里到外分别包含高纯二氧化硅少量掺Cl和K芯层，F、Ge共掺包层、高掺F下凹包层和纯二氧化硅包层。这种光纤采用等离子体化学气相沉积方法制造，是因为等离子体化学气相沉积方法非常适合制造复杂剖面结构的光纤。本发明的光纤截止波长控制在1520nm以下，但是光纤的有效面积可达145～155μm²，采用本发明的设计方案可以有效地降低光纤衰耗，光纤在1550nm波长的衰耗小于或等于0.160dB/km，同时光纤具有较小的弯曲损耗。

Description

一种超低损耗大有效面积单模光纤设计及其制造方法

(一)技术领域

本发明涉及一种超低损耗大有效面积单模光纤设计及其制造方法，其主要应用于超长距离、超大容量和超高速率光纤通信传输领域。

(二)背景技术

光纤通信的传输容量一直在持续提高，且随着相干光通信技术的发明，容量扩展可以通过高阶信号光相位调制方法实现。原有的波分复用技术、模分复用技术和时分复用技术可以与高阶信号光相位调制方法共同使用，使得传输容量迅速扩大。

在SDH时代的光纤色散问题和偏振模色散问题已经能在相干光通信技术电域中进行补偿，色散已经不构成系统扩容和传输的主要问题。DWDM系统是密集波分复用的系统，其要求光纤在传输波长上要有一定色散以克服四波混频等非线性效应。长途传输过程的信号衰减也可以通过掺铒光纤放大器(EDFA)进行在线的信号再生。但是，这个EDFA在放大信号的同时还会引入噪声，在较低速率的DWDM系统中该问题并不突出，但在超高速率(>100G)传输过程中其相干探测端对信号的信噪比(OSNR)要求更高了。这个问题可能导致原来能传输上千公里的传统传输系统必须在中途建设光-电-光再生设备，这将使系统成本大大增加。考虑到此，技术人员提出一种解决思路，即降低传输光纤的损耗，每百公里跨段链路损耗降低3dB，这样可以有效增加系统的传输距离。

增加信号光传输距离也可以通过增大入纤功率的方法实现，将注入光纤的信号光提高3dB，如果链路损耗不变，则系统传输距离可以增大一倍。但是，光注入光纤内的功率过高会引起受激拉曼效应或受激布里渊效应等非线性效应，而非线性效应在相干光通信中是一个致命问题，要解决这个矛盾，可以将光纤的有效面积做大，这样单位面积上的光功率密度下降，也就相当于提高了光纤的非线性阈值。

综上所述，开发一种衰耗最低的大有效面积单模光纤是未来光纤通信需要解决的重要课题。

文献CN201810453514.0设计了一种纤芯掺碱金属的无Ge掺杂的大有效面积单模光纤设计，其1550nm处有效面积在110～140μm²范围，模场直径在11～13μm范围，在1550nm的衰耗小于0.170dB/km，在10mm弯曲半径下的弯曲损耗等于或小于0.4dB/km。该文献设计的有效面积小于140μm²，且宏弯损耗偏大。

文献CN201711096647.9中公开了一种低损耗大有效面积单模光纤，其在1550nm的有效面积在120～150μm²范围，模场直径在11.5～13μm范围，纤芯掺碱金属和Ge掺杂的大有效面积单模光纤设计，光缆截止波长小于或等于1530nm，1550nm的衰耗小于0.180dB/km，在1625nm的衰耗小于0.200dB/km。该文献没有给出光纤的宏弯损耗性能。

文献CN201710725561.1中公开了一种超低损耗大有效面积单模光纤，其在1550nm的有效面积在130～155μm²范围，模场直径在12.3～15μm范围，纤芯掺碱金属和Ge掺杂的大有效面积单模光纤设计，在1550nm的衰耗小于0.174dB/km，在15mm弯曲半径下的弯曲损耗等于或小于0.25dB/km。该文献设计的微弯损耗偏大，在1700nm处达到5dB/km。

文献CN201710501533.1中公开了一种大有效面积光纤，其在1550nm的有效面积在105～135μm²范围，纤芯有掺杂剂的大有效面积单模光纤设计，在1550nm的衰耗小于0.190dB/km，在30mm弯曲半径下的1625nm弯曲损耗等于或小于0.1dB/km。该文献没有披露具体掺杂组分，且衰耗较大，在1550nm的衰耗小于0.190dB/km，有效面积小于135μm²。

文献CN201710451543.9中公开了一种超低损耗大有效面积单模光纤，其在1550nm的模场直径在12.3～15μm范围，纤芯掺碱金属或Ge/F共掺杂的大有效面积单模光纤设计，在1550nm的衰耗小于0.174dB/km，在15mm弯曲半径下的弯曲损耗等于或小于0.25dB/km。该文献设计的微弯损耗偏大，在1700nm处达到5dB/km。

文献CN201710308059.0中公开了一种低损耗大有效面积单模光纤，其在1550nm的有效面积在100～140μm²范围，纤芯掺碱金属和Ge/F共掺杂的大有效面积单模光纤设计，在1550nm的衰耗小于0.184dB/km，成缆截止波长小于或等于1530nm。该文献没有给出光纤的宏弯损耗性能。

文献CN201710307796.9中公开了一种超低损耗大有效面积单模光纤，其在1550nm的有效面积在100～135μm²范围，纤芯掺Cl和Ge/F共掺杂的大有效面积单模光纤设计，在1550nm的衰耗小于或等于0.160dB/km，成缆截止波长小于或等于1530nm。在15mm弯曲半径下10圈的1550nm弯曲损耗等于或小于0.1dB。该文献给出光纤的有效面积小于135μm²。

文献CN201680039272.X中公开了一种大有效面积和低弯曲损耗的光纤，纤芯是Cl掺杂，1550nm处有效面积大于或等于100μm²，且在10mm弯曲半径下1550nm波长弯曲损耗小于3.5dB/圈；该专利披露的1550nm的衰耗指标很宽，从0.19dB/km到0.16dB/km。

文献CN201611089078.0中公开了一种大有效面积光纤，纤芯是指数分布剖面，1550nm处有效面积大于或等于200μm²，但是该文献并没有披露的1550nm的衰耗指标，弯曲损耗也很大。

文献CN201610689610.6中公开了一种大有效面积光纤，在1550nm的模场直径大于或等于12μm，在该波长的衰耗小于0.165dB/km，但是该文献没有披露制造方法和剖面设计。

文献CN201610376895.8中公开了一种超低损耗大有效面积光纤，在1550nm的模场直径在11.9～13.9μm范围，在该波长的衰耗小于0.165dB/km，制造方法是采用VAD+MCVD+OVD。但是该文献没有披露剖面设计。

文献201510851209.3中公开了一种低损耗大有效面积光纤，该光纤在1550nm的有效面积为100～200μm²，在1550nm处衰耗可以低于0.18dB/km，采用VAD工艺制备。

文献201510464355.0中公开了一种低损耗大有效面积光纤，该光纤的纤芯掺有Ge，F和碱金属，在1550nm的有效面积为100～140μm²,成缆截止波长小于1530nm，在1550nm的损耗小于或等于0.185dB/km，在该波长处的弯曲损耗是10mm弯曲半径下1圈损耗是0.75dB。

文献201410155052.6中公开了一种低损耗大有效面积光纤，其纤芯是指数分布，在1550nm的有效面积在100～185μm²范围，成缆截止波长小于1530nm，在1550nm的损耗小于或等于0.175dB/km，在该波长处的弯曲损耗是10mm弯曲半径下1圈损耗小于1dB。

文献201310409008.9中公开了一种低损耗大有效面积光纤，其剖面包含4个芯区和3个包层共计7层剖面结构，在1550nm的有效面积在110～183μm²范围，成缆截止波长为1259～1286nm，在1550nm的损耗小于或等于0.175dB/km。

文献201210269465.8中公开了一种大有效面积光纤，其纤芯相对折射率差较纯二氧化硅高0.19％～0.28％，在1550nm的有效面积在110～130μm²或130～160μm²范围，成缆截止波长小于1530nm，在1550nm的损耗小于或等于0.185dB/km，在1625nm波长处的弯曲损耗是30mm弯曲半径下1圈损耗小于0.05dB。

综上所述，为了增大了光纤的有效面积克服非线性效应，同时带来的负面效果是弯曲损耗和光纤损耗的增大，同时成缆截止波长也大幅度增大，而超长距离光纤通信必须是单模传输。美国康宁公司推出的海底光缆用EX3000光纤在1550nm的有效面积大于150μm²，且损耗在1550nm可以低于0.160dB/km。如何设计一个合理剖面来平衡得到较大的有效面积，但是同时保证单模传输和不显著增大弯曲损耗和降低1550nm的光纤损耗是应用于未来超高速率、超大容量、超长距离光纤传输的关键。同时选择合适的工艺制造超低衰减大有效面积光纤，包括纤芯的掺杂技术也是一个亟待解决的问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于设计一种剖面，实现较大的有效面积，但是同时保证在C+L波段能单模传输，不显著增大弯曲损耗光纤及其制备方法，可以实现光纤在1550nm波长的衰耗小于或等于0.160dB/km。

以下是本发明中所涉及术语：

相对折射率差：光纤最外的一层定义为外包层，其绝对折射率定义为n_SiO2，最左边一层(参见附图1)定义为芯层n_core，从芯层往外第i个台阶被定义为第i包层，如果i是最外一层，其绝对折射率就是n_SiO2。

芯层相对折射率差

其它各层i相对折射率差

光纤的有效面积Aeff由下面公式定义：

其中E是与光纤中传播光关联的电场，且r是光纤的半径。

光缆截止波长：根据IEC定义的光缆截止波长是光信号在光纤中传输了22米之后不再作为单模信号进行传播的波长。在测试时需要通过对光纤进行打圈后测试得到。

本发明为解决上述提出的问题所采取的技术方案为：光纤的纤芯半径r1为5.8～6.8μm，芯层相对折射率差△n_core为-0.05％～+0.05％，芯层掺杂为Cl和K，第一包层相对折射率差△n₁为-0.25％～-0.22％，第一包层掺杂为Ge、F共掺杂，半径r2为11～12μm；第二包层相对折射率差△n₂为-0.19％～-0.18％，第二包层掺杂为Ge、F共掺杂，半径r3为29～30μm；第三包层相对折射率差△n₃为-0.29％～-0.28％，第三包层掺杂为F掺杂，半径r4为41～42μm；最外层为纯二氧化硅，相对折射率差为0，半径r5为62.5μm。与参考文献不同的是，本发明没有采用纤芯高折射率差设计，其芯层相对折射率差△n_core为-0.05％～+0.05％，非常接近纯硅芯，主要目的是降低光纤的损耗。由于光纤模场直径的增大，光纤的弯曲损耗非常大，本发明经过试验和模拟计算，确定了一个深掺F的第三包层参数，包括r4和△n₃，经过测试，光纤的成缆截止波长也可以控制在1520nm以下，确认光纤在C+L波段是单模传输，满足了通信需求。测试光纤在1550nm波长处的弯曲损耗，以10mm弯曲半径1圈则小于或等于0.1dB，以30mm弯曲半径100圈则小于或等于0.1dB；在1625nm波长处的弯曲损耗，以10mm弯曲半径1圈则小于或等于0.5dB，以30mm弯曲半径100圈则小于或等于0.2dB。光纤的零色散波长是1260～1290nm之间。光纤在1550nm的色散值在19～23ps/nm/km范围内。光纤在1550nm的模场直径是13.5～14.5μm之间，在该波长处的有效面积是145～155μm²之间。光纤模场直径的增大，光纤中的高阶模式难以截止，这是因为包层r3中存在稳定模式分布，而r4的折射率较低，形成高阶模式稳态难以打破。设计大模场直径的光纤通常会选择非下凹结构，将纤芯的相对折射率差降低，形成超模，其中高阶模式在匹配型波导中非常容易耦合到包层模，进而泄漏到外部。满足截止条件的下凹结构波导的模场直径较难增大，因此，本发明将光纤的模场直径限制在14.5μm以下。通常，满足色散、弯曲和截止条件的模场设计容限较小，减小纤芯直径，模场直径减小到13.5μm以下会带来弯曲损耗增大的现象，因此设计光纤在1550nm的模场直径必须大于13.5μm。

纤芯中需要掺杂碱金属K和Cl两种元素，其中掺杂Cl的重量比占纤芯玻璃的0.5％到0.8％，碱金属K的重量占纤芯玻璃的300ppm到800ppm。与其它文献不同的是，在本发明中纤芯只有四种元素，即Si，O，K，Cl。Si和O是主体玻璃，K和Cl两种掺杂剂可以降低芯层的拉丝粘度，且碱金属K的浓度从中心到纤芯边缘形成类似高斯分布。纯硅芯的设计降低了光纤的衰减，而纤芯掺杂K和Cl不显著增大光纤瑞利散射损耗，但是却可以非常好的匹配拉丝炉的温度场，采用本发明的设计可以高速光纤的同时将1550nm处的衰耗降低到0.160dB/km以下。碱金属K的浓度太低，非常难匹配好温度场，我们发现300ppm以下的浓度需要降低拉丝速度。

第一包层和第二包层采用Ge、F共掺杂，在PCVD工艺中按照计算的SiCl₄流量、GeCl4流量定量蒸发和C₂F₆、O₂流量在管道混合均匀，然后输送到等离子区域进行化学反应，生成所需的波导结构。

第三包层掺杂为F掺杂，在PCVD工艺中按照计算的SiCl₄流量定量蒸发和C₂F₆、O₂流量在管道混合均匀，然后输送到等离子区域进行化学反应，生成所需的波导结构。

第一、二、三包层的掺杂设计的主要目的是为了匹配光纤内部的粘度，有利于降低光纤在1550nm的损耗。

沉积完成后的预制棒抬到融缩设备上进行塌缩成实心芯棒，最后根据计算的剖面加上套管后进行拉丝。

拉丝的温度为1900℃到2000℃，送棒速度为2～10mm/min，拉丝速度为200～1000m/min，光纤经过高温区，退火区和冷却区后，进入第一道涂敷器并固化，涂敷后直径为185～200μm，然后再进入第二道涂敷器并固化，涂敷后直径为242～252μm。

本发明所设计的光纤因为弯曲损耗较小，因此成缆后应用的附加损耗也更小，适合多种用途如海缆和陆地光缆。同时，本发明所设计的有效面积提高了15％左右，因此，可以有效提高入纤功率15％以上，且衰耗比其它光纤低9％，因此在链路中本发明光纤的OSNR将更具有优势。

(四)附图说明

图1是超低损耗大有效面积单模光纤的剖面示意图。光纤的纤芯半径为r1，芯层相对折射率差为△n_core；第一包层的半径为r2，相对折射率差为△n₁；第二包层的半径为r3，相对折射率差为△n₂；第三包层的半径为r4，相对折射率差为△n₃；纯二氧化硅包层半径为r5，通常为62.5μm。

图2是碱金属K的浓度分布示意图。

图3是超低损耗大有效面积单模光纤色散曲线图。

(五)具体实施方式

以下进一步详细说明的实施例。

采用PCVD法首先通入四氯化硅、氧气和六氟化碳沉积在石英反应管内壁形成第三包层，然后通入四氯化硅、四氯化锗、氧气和六氟化碳沉积形成第二包层，再通入四氯化硅、四氯化锗、氧气和六氟化碳沉积形成第一包层，再通入四氯化硅、氧气和六氟化碳沉积形成芯层，芯层的沉积流量比例是经过特殊优化以增加芯层Cl含量，然后在纤芯里沉积K，碱金属K的浓度从中心到纤芯边缘形成类似高斯分布。沉积完成后，将带有中心孔的反应管熔缩得到实心预制棒。

本发明的设计光纤剖面和参数如下表所示：

本发明的光纤测试数据如下表所示：

注*：色散的单位是ps/nm/km，色散斜率的单位是ps/nm²/km；

本发明的光纤测试数据如下表所示：

以上实施例中的设计参数尽管已经优选，上述实施例也对本发明进行了详细描述，但本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原料和宗旨情况下可以对这些实施例进行各种变化、修改、替代和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物所限。

Claims (7)

1.一种超低损耗大有效面积单模光纤，其光纤的纤芯半径为5.8～6.8μm，芯层相对折射率差为-0.05％～+0.05％，芯层掺杂为Cl和K，第一包层相对折射率差为-0.25％～-0.22％，第一包层掺杂为Ge、F共掺杂，半径r2为11～12μm；第二包层相对折射率差为-0.19％～-0.18％，第二包层掺杂为Ge、F共掺杂，半径r3为29～30μm；第三包层相对折射率差为-0.29％～-0.28％，第三包层掺杂为F掺杂，半径r4为41～42μm；最外层为纯二氧化硅；

上述光纤采用PCVD工艺制造，纤芯包含四种元素，分别是Si，O，K和Cl；其中Cl的重量比占纤芯玻璃重量的0.5％到0.8％，碱金属K的重量比占纤芯玻璃重量的300ppm到800ppm，碱金属K的浓度从中心到纤芯边缘形成类似高斯分布。

2.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：光纤的零色散波长是1260～1290nm之间。

3.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：光纤在1550nm的色散值在19～23ps/nm/km范围内。

4.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：光纤在1550nm的模场直径是13.5～14.5μm之间，在1550nm波长处的有效面积是145～155μm²之间。

5.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：光纤在1550nm波长的衰耗小于或等于0.160dB/km。

6.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：所述光纤的光缆截止波长小于或等于1520nm。

7.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：所述光纤在1550nm波长处的弯曲损耗，以10mm弯曲半径1圈则小于或等于0.1dB，以30mm弯曲半径100圈则小于或等于0.1dB；在1625nm波长处的弯曲损耗，以10mm弯曲半径1圈则小于或等于0.5dB，以30mm弯曲半径100圈则小于或等于0.2dB。

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