一种掺杂优化的超低衰减单模光纤的制作方法
一种掺杂优化的超低衰减单模光纤的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光通信领域，具体涉及到一种掺杂优化的超低衰减单模光纤。
【背景技术】
[0002] 目前光纤制造领域非常热点的新型单模光纤产品主要有2种：一种是超低衰减 G652光纤，因为其衰减系数低，兼容性能好，成为未来新型光纤的代表之一；另外一种是大 有效面积G654光纤，其通过增加光纤的有效面积，抑制光纤传输时的非线性效应，从而更 适于长距离大容量传输系统。
[0003] 但不论对超低衰减G652还是大有效面积G654光纤，找到一种有效的方法降低光 纤衰减系数，控制制造成本，对于光纤制造企业来说，都是非常巨大的挑战。其主要困难在 于以下三点：
[0004] 1.如何降低衰减：目前主要的方法是降低光纤的瑞利散射系数，方法是在制备过 程中对玻璃材料组分控制和玻璃热力学变化过程进行控制；
[0005] 2.光纤制造工艺简单可控，不显著增加光纤制造成本：因为目前超低衰减工艺控 制复杂，尤其是目前常见的超低衰减纯硅芯设计，为了保证光纤的全反射，包层采用全氟掺 杂外包层材料，制备工艺复杂，对光纤的成本影响非常大；
[0006] 3.在获得超低衰减系数的同时，需要保证光纤各个光学参数满足ITU-T标准，主 要指MFD，色散，截止波长和弯曲性能控制在标准要求范围内：即在保证光纤超低衰减性能 的同时，其他光学参数必须控制在相应范围内。
[0007] 对于以上三个困难，具体而言，我们首先从如何降低光纤的衰减来说。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：
[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'>Tf (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] 从以上说明我们可以理解，为什么从理论上，不能单纯利用降低芯层掺杂获得超 低衰减系数。为了解决这种问题，文献US20100195999A1中采用在芯层中添加碱金属的方 法，在保持光纤芯层纯硅芯的情况下，通过改变光纤芯层部分的粘度以及芯层结构弛豫的 时间，来解决粘度失配造成的R d增加，从而整体降低光纤的瑞利散射系数。但是该种方法 虽然可以有效的降低光纤衰减，但相对工艺制备复杂，需要分多批次对芯棒进行处理，且对 碱金属掺杂浓度控制要求极高，不利于光纤大规模制备。
[0015] 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，所以可能造成预制棒制备时出现粘度失配，并可发 现其衰减和弯曲水平相对较差。
[0016] 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。
[0017] 从以上的说明中我们可以发现，为了获得降低衰减系数，如果使用纯硅芯设计，或 者不掺杂Ge的芯层设计，必须严格控制芯层材料的组分，从而使其匹配外包层材料的粘 度，以减少光纤的R d增加。
[0018] 但众所周知，控制芯层材料的组分，尤其是在内部添加碱金属或者其他降低光纤 虚拟温度的元素，从工艺实现角度都非常复杂，从而造成光纤制造成本增加。除了在纯硅芯 的芯层进行碱金属掺杂外，是否可以通过外包层和内包层的粘度设计，达到同样的效果？ 我们知道，光纤芯层的虚拟温度，会受到外包层材料组分的影响，所以通过外包层和内包层 的粘度设计，尤其是通过对光纤玻璃部分的最外层，即外包层部分，进行金属离子掺杂，可 以明显的改变光纤材料各个部分的材料弛豫时间，从而改变光纤的虚拟温度。所以在工艺 上可以使用非纯硅芯概念，通过对光纤各个部分进行合理的粘度设计，可以找到一种简单 芯层制备方法，从而实现超低衰减光纤。
[0019] 实现超低衰减光纤的第二个难题是控制成本。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三个：第一，目前主流的碱金属工艺制造成本高，效率低；第 二，采用纯掺F设计的预制棒尺寸较小，拉丝工艺复杂；第三，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%。
[0020] 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，是我们面临的最后一个挑战。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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，也会造成界面位置的缺陷以及虚拟温度升高等问题，从而增加 光纤衰减。
[0024] 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 艺实现的难度。
【发明内容】
[0025] 以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：
[0026] ppm :为百万分之一的重量比；
[0027] 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 的芯层，光纤的最外层即纯二氧化硅层定义为光纤外包层。
[0028] 光纤各层相对折射率A ni由 以下方程式定义：
[0030] 其中^为光纤特定位置部分的绝对折射率，而n。为外包层绝对折射率，即没有进 行Ge或F掺杂的纯二氧化硅绝对折射率。
[0031] 光纤芯层Ge掺杂的相对折射率贡献量A Ge由以下方程式定义，
[0033] 其中为假设纤芯的Ge掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅中，引起 二氧化硅玻璃折射率的变化量，而n。为最外侧外包层折射率，即没有进行Ge或F掺杂的纯 二氧化硅的折射率。
[0034] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种掺杂优 化的超低衰减单模光纤，通过对光纤各个部分粘度及波导结构的优化设计，来实现超低衰 减性能，并简化工艺，降低制造成本。
[0035] 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，芯层外从内向 外依次包覆内包层，下陷内包层，辅助外包层和外包层，其特征在于所述的芯层中氟的含量 小于或等于〇. 5wt %，锗的相对折射率贡献量小于或等于0. 12%，芯层的相对折射率A nl 小于或等于〇. 12%，所述的内包层中氟的含量为0. 5-1. 5wt%，内包层的相对折射率An2 小于或等于-〇. 14%，所述的下陷内包层中氟的含量为l_3wt%，下陷内包层的相对折射率 An3小于或等于-0. 25%，所述的辅助外包层中氟的含量为0. 5-2wt，相对折射率An4小于 或等于-0. 14%，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层和/或金属掺杂的二氧化硅玻璃层。
[0036] 按上述方案，所述的外包层中金属掺杂的金属杂质包括铝和碱金属，金属杂质的 总含量小于或等于25ppm，其中错含量为l-18ppm，碱金属总含量小于或等于2ppm。
[0037] 按上述方案，所述的碱金属为锂、钠、钾中的一种或几种。
[0038] 按上述方案，所述的金属杂质还包括有铁、钙、镁、钛中的一种或多种。
[0039] 按上述方案，所述的芯层半径：^为4. 0~6. 0 y m。
[0040] 按上述方案，所述的内包层半径1~2为10~14 ym，所述的下陷内包层半径r 3为 12. 5~17 y m，所述的辅助外包层半径1~4为40~50 y m。
[0041] 按上述方案，所述芯层的相对折射率Anl为0. 12 %~-0.08%，所述的内包 层的相对折射率An2为-0. 14%~-0.35%，所述的下陷内包层的相对折射率An3 为-0. 25 %~-0. 75 %，所述的辅助外包层相对折射率A n4为-0. 14%~-0. 56 %。
[0042] 按上述方案，所述的外包层直径为125 y m。
[0043] 按上述方案，所述的光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0. 175dB/km，优 选条件下，小于或等于〇. 170dB/km。
[0044] 本发明的有益效果在于：1、特有的粘度匹配及波导结构的优化设计：芯层使用Ge 和F共掺杂，降低了芯层粘度，使其能与内薄层和下陷包层更好的匹配，并结合金属掺杂的 匹配粘度外包层，整体降低光纤虚拟温度，从而实现超低衰减性能；2、通过下陷包层设计， 抑制基模泄露；3、外包层部分使用纯二氧化硅外包层材料，整体降低光纤成本；4、不使用 芯层碱金属材料工艺，减少工艺控制难度。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明一个实施例的折射率剖面结构分布图。
[0046] 图2为本发明一个实施例中各部分氟掺杂分布不意图。
【具体实施方式】
[0047] 以下结合具体实施例对本发明进行详细描述。
[0048] 所述单模光纤包括有芯层，芯层外从内向外依次包覆内包层，下陷内包层，辅助外 包层和外包层，其特征在于所述的芯层中氟的含量小于或等于〇. 5wt%，锗的相对折射率贡 献量小于或等于0. 12%，芯层的相对折射率Anl小于或等于0. 12%，所述的内包层中氟的 含量为0.5-1. 5wt%，内包层的相对折射率An2小于或等于-0. 14%，所述的下陷内包层中 氟的含量为l_3wt%，下陷内包层的相对折射率An3小于或等于-0.25%，所述的辅助外包 层中氟的含量为0. 5-2wt，相对折射率A n4小于或等于-0. 14%，所述的外包层为纯二氧化 硅玻璃层和/或金属掺杂的二氧化硅玻璃层。所述光纤由预制棒拉丝而成，预制棒主要包 括两部分：PCVD方法制备的光纤芯棒以及中空天然石英砂材料的大套管，光纤芯棒和大套 管采用套管内插芯棒的方法进行组装。
[0049] 光纤预制棒的芯棒包括纤芯层，内包层，下陷内包层和辅助内包层组成。PCVD制 备的光纤芯层由掺有氟与锗的石英玻璃组成：内包层紧密围绕芯层，与芯层同为PCVD沉积 法制得；下陷内包层由PCVD工艺沉积的掺氟二氧化硅石英玻璃组成；第三包层为辅助外包 层，由PCVD沉积的掺氟二氧化硅石英玻璃和PCVD的衬管共同组成。
[0050] 天然石英砂制成的大套管采用四种不同等级的天然石英砂为原料制备，编号和具 体杂质含量如表1所示。表2为采用不同材质外套的光纤设计及其对应衰减系数。
[0051] 表1中空大套管的原材料杂质含量分析
[0053] 表2、本发明实施例的光纤剖面参数和对应衰减系数
[0054]
【主权项】
1. 一种掺杂优化的超低衰减单模光纤，包括有芯层，芯层外从内向外依次包覆内包 层，下陷内包层，辅助外包层和外包层，其特征在于所述的芯层中氟的含量小于或等于 0. 5wt%，锗的相对折射率贡献量小于或等于0. 12%，芯层的相对折射率Anl小于或等 于0. 12%，所述的内包层中氟的含量为0. 5-1. 5wt%，内包层的相对折射率An2小于或等 于-0. 14%，所述的下陷内包层中氟的含量为l-3wt%，下陷内包层的相对折射率An3小于 或等于-0. 25 %，所述的辅助外包层中氟的含量为0. 5-2wt，辅助外包层相对折射率An4小 于或等于-〇. 14%，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层和/或金属掺杂的二氧化硅玻璃层。2. 按权利要求1所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的外包层中 金属掺杂的金属杂质包括铝和碱金属，金属杂质的总含量小于或等于25ppm，其中铝含量为 l-18ppm，碱金属总含量小于或等于2ppm。3. 按权利要求2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的碱金属为 锂、钠、钾中的一种或几种。4. 按权利要求2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的金属杂质还 包括有铁、钙、镁、钛中的一种或多种。5. 按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的芯层半 径！^为 4. 0 ~6. 0ym。6. 按权利要求5所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的内包层半径 1~2为10~14ym，所述的下陷内包层半径r3为12. 5~17ym，所述的辅助外包层半径r4为 40 ~50 u m〇7. 按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的外包层 直径为125ym。8. 按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述 芯层的相对折射率Anl为0. 12 %~-0.08 %，所述的内包层的相对折射率An2 为-0. 14%~-0. 35%，所述的下陷内包层的相对折射率An3为-0. 25%~-0. 75%，所述 的辅助外包层相对折射率An4为-0. 14 %~-0. 56%。9. 按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的光纤在 1550nm波长处的衰减系数小于或等于0. 175dB/km。
【专利摘要】本发明涉及一种掺杂优化的超低衰减单模光纤，包括有芯层，芯层外从内向外依次包覆内包层，下陷内包层，辅助外包层和外包层，其特征在于芯层中氟的含量小于或等于0.5wt％，锗的相对折射率贡献量小于或等于0.12％，Δn1小于或等于0.12％，内包层中氟的含量为0.5-1.5wt％，Δn2小于或等于-0.14％，下陷内包层中氟的含量为1-3wt％，Δn3小于或等于-0.25％，辅助外包层中氟的含量为0.5-2wt，Δn4小于或等于-0.14％，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层和/或金属掺杂的二氧化硅玻璃层。本发明降低了芯层粘度，使其能与内薄层和下陷包层更好的匹配，并结合金属掺杂的匹配粘度外包层，整体降低光纤虚拟温度，同时通过下陷包层设计，抑制基模泄露，从而实现超低衰减性能。
【IPC分类】G02B6/028, G02B6/036
【公开号】CN104898200
【申请号】CN201510359450
【发明人】张磊, 龙胜亚, 朱继红, 吴俊 , 王瑞春
【申请人】长飞光纤光缆股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月25日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光通信领域，具体涉及到一种掺杂优化的超低衰减单模光纤。
【背景技术】
[0002] 目前光纤制造领域非常热点的新型单模光纤产品主要有2种：一种是超低衰减 G652光纤，因为其衰减系数低，兼容性能好，成为未来新型光纤的代表之一；另外一种是大 有效面积G654光纤，其通过增加光纤的有效面积，抑制光纤传输时的非线性效应，从而更 适于长距离大容量传输系统。
[0003] 但不论对超低衰减G652还是大有效面积G654光纤，找到一种有效的方法降低光 纤衰减系数，控制制造成本，对于光纤制造企业来说，都是非常巨大的挑战。其主要困难在 于以下三点：
[0004] 1.如何降低衰减：目前主要的方法是降低光纤的瑞利散射系数，方法是在制备过 程中对玻璃材料组分控制和玻璃热力学变化过程进行控制；
[0005] 2.光纤制造工艺简单可控，不显著增加光纤制造成本：因为目前超低衰减工艺控 制复杂，尤其是目前常见的超低衰减纯硅芯设计，为了保证光纤的全反射，包层采用全氟掺 杂外包层材料，制备工艺复杂，对光纤的成本影响非常大；
[0006] 3.在获得超低衰减系数的同时，需要保证光纤各个光学参数满足ITU-T标准，主 要指MFD，色散，截止波长和弯曲性能控制在标准要求范围内：即在保证光纤超低衰减性能 的同时，其他光学参数必须控制在相应范围内。
[0007] 对于以上三个困难，具体而言，我们首先从如何降低光纤的衰减来说。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：
[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'>Tf (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] 从以上说明我们可以理解，为什么从理论上，不能单纯利用降低芯层掺杂获得超 低衰减系数。为了解决这种问题，文献US20100195999A1中采用在芯层中添加碱金属的方 法，在保持光纤芯层纯硅芯的情况下，通过改变光纤芯层部分的粘度以及芯层结构弛豫的 时间，来解决粘度失配造成的R d增加，从而整体降低光纤的瑞利散射系数。但是该种方法 虽然可以有效的降低光纤衰减，但相对工艺制备复杂，需要分多批次对芯棒进行处理，且对 碱金属掺杂浓度控制要求极高，不利于光纤大规模制备。
[0015] 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，所以可能造成预制棒制备时出现粘度失配，并可发 现其衰减和弯曲水平相对较差。
[0016] 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。
[0017] 从以上的说明中我们可以发现，为了获得降低衰减系数，如果使用纯硅芯设计，或 者不掺杂Ge的芯层设计，必须严格控制芯层材料的组分，从而使其匹配外包层材料的粘 度，以减少光纤的R d增加。
[0018] 但众所周知，控制芯层材料的组分，尤其是在内部添加碱金属或者其他降低光纤 虚拟温度的元素，从工艺实现角度都非常复杂，从而造成光纤制造成本增加。除了在纯硅芯 的芯层进行碱金属掺杂外，是否可以通过外包层和内包层的粘度设计，达到同样的效果？ 我们知道，光纤芯层的虚拟温度，会受到外包层材料组分的影响，所以通过外包层和内包层 的粘度设计，尤其是通过对光纤玻璃部分的最外层，即外包层部分，进行金属离子掺杂，可 以明显的改变光纤材料各个部分的材料弛豫时间，从而改变光纤的虚拟温度。所以在工艺 上可以使用非纯硅芯概念，通过对光纤各个部分进行合理的粘度设计，可以找到一种简单 芯层制备方法，从而实现超低衰减光纤。
[0019] 实现超低衰减光纤的第二个难题是控制成本。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三个：第一，目前主流的碱金属工艺制造成本高，效率低；第 二，采用纯掺F设计的预制棒尺寸较小，拉丝工艺复杂；第三，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%。
[0020] 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，是我们面临的最后一个挑战。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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，也会造成界面位置的缺陷以及虚拟温度升高等问题，从而增加 光纤衰减。
[0024] 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 艺实现的难度。
【发明内容】
[0025] 以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：
[0026] ppm :为百万分之一的重量比；
[0027] 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 的芯层，光纤的最外层即纯二氧化硅层定义为光纤外包层。
[0028] 光纤各层相对折射率A ni由 以下方程式定义：
[0030] 其中^为光纤特定位置部分的绝对折射率，而n。为外包层绝对折射率，即没有进 行Ge或F掺杂的纯二氧化硅绝对折射率。
[0031] 光纤芯层Ge掺杂的相对折射率贡献量A Ge由以下方程式定义，
[0033] 其中为假设纤芯的Ge掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅中，引起 二氧化硅玻璃折射率的变化量，而n。为最外侧外包层折射率，即没有进行Ge或F掺杂的纯 二氧化硅的折射率。
[0034] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种掺杂优 化的超低衰减单模光纤，通过对光纤各个部分粘度及波导结构的优化设计，来实现超低衰 减性能，并简化工艺，降低制造成本。
[0035] 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，芯层外从内向 外依次包覆内包层，下陷内包层，辅助外包层和外包层，其特征在于所述的芯层中氟的含量 小于或等于〇. 5wt %，锗的相对折射率贡献量小于或等于0. 12%，芯层的相对折射率A nl 小于或等于〇. 12%，所述的内包层中氟的含量为0. 5-1. 5wt%，内包层的相对折射率An2 小于或等于-〇. 14%，所述的下陷内包层中氟的含量为l_3wt%，下陷内包层的相对折射率 An3小于或等于-0. 25%，所述的辅助外包层中氟的含量为0. 5-2wt，相对折射率An4小于 或等于-0. 14%，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层和/或金属掺杂的二氧化硅玻璃层。
[0036] 按上述方案，所述的外包层中金属掺杂的金属杂质包括铝和碱金属，金属杂质的 总含量小于或等于25ppm，其中错含量为l-18ppm，碱金属总含量小于或等于2ppm。
[0037] 按上述方案，所述的碱金属为锂、钠、钾中的一种或几种。
[0038] 按上述方案，所述的金属杂质还包括有铁、钙、镁、钛中的一种或多种。
[0039] 按上述方案，所述的芯层半径：^为4. 0~6. 0 y m。
[0040] 按上述方案，所述的内包层半径1~2为10~14 ym，所述的下陷内包层半径r 3为 12. 5~17 y m，所述的辅助外包层半径1~4为40~50 y m。
[0041] 按上述方案，所述芯层的相对折射率Anl为0. 12 %~-0.08%，所述的内包 层的相对折射率An2为-0. 14%~-0.35%，所述的下陷内包层的相对折射率An3 为-0. 25 %~-0. 75 %，所述的辅助外包层相对折射率A n4为-0. 14%~-0. 56 %。
[0042] 按上述方案，所述的外包层直径为125 y m。
[0043] 按上述方案，所述的光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0. 175dB/km，优 选条件下，小于或等于〇. 170dB/km。
[0044] 本发明的有益效果在于：1、特有的粘度匹配及波导结构的优化设计：芯层使用Ge 和F共掺杂，降低了芯层粘度，使其能与内薄层和下陷包层更好的匹配，并结合金属掺杂的 匹配粘度外包层，整体降低光纤虚拟温度，从而实现超低衰减性能；2、通过下陷包层设计， 抑制基模泄露；3、外包层部分使用纯二氧化硅外包层材料，整体降低光纤成本；4、不使用 芯层碱金属材料工艺，减少工艺控制难度。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明一个实施例的折射率剖面结构分布图。
[0046] 图2为本发明一个实施例中各部分氟掺杂分布不意图。
【具体实施方式】
[0047] 以下结合具体实施例对本发明进行详细描述。
[0048] 所述单模光纤包括有芯层，芯层外从内向外依次包覆内包层，下陷内包层，辅助外 包层和外包层，其特征在于所述的芯层中氟的含量小于或等于〇. 5wt%，锗的相对折射率贡 献量小于或等于0. 12%，芯层的相对折射率Anl小于或等于0. 12%，所述的内包层中氟的 含量为0.5-1. 5wt%，内包层的相对折射率An2小于或等于-0. 14%，所述的下陷内包层中 氟的含量为l_3wt%，下陷内包层的相对折射率An3小于或等于-0.25%，所述的辅助外包 层中氟的含量为0. 5-2wt，相对折射率A n4小于或等于-0. 14%，所述的外包层为纯二氧化 硅玻璃层和/或金属掺杂的二氧化硅玻璃层。所述光纤由预制棒拉丝而成，预制棒主要包 括两部分：PCVD方法制备的光纤芯棒以及中空天然石英砂材料的大套管，光纤芯棒和大套 管采用套管内插芯棒的方法进行组装。
[0049] 光纤预制棒的芯棒包括纤芯层，内包层，下陷内包层和辅助内包层组成。PCVD制 备的光纤芯层由掺有氟与锗的石英玻璃组成：内包层紧密围绕芯层，与芯层同为PCVD沉积 法制得；下陷内包层由PCVD工艺沉积的掺氟二氧化硅石英玻璃组成；第三包层为辅助外包 层，由PCVD沉积的掺氟二氧化硅石英玻璃和PCVD的衬管共同组成。
[0050] 天然石英砂制成的大套管采用四种不同等级的天然石英砂为原料制备，编号和具 体杂质含量如表1所示。表2为采用不同材质外套的光纤设计及其对应衰减系数。
[0051] 表1中空大套管的原材料杂质含量分析
[0053] 表2、本发明实施例的光纤剖面参数和对应衰减系数
[0054]
【主权项】
1. 一种掺杂优化的超低衰减单模光纤，包括有芯层，芯层外从内向外依次包覆内包 层，下陷内包层，辅助外包层和外包层，其特征在于所述的芯层中氟的含量小于或等于 0. 5wt%，锗的相对折射率贡献量小于或等于0. 12%，芯层的相对折射率Anl小于或等 于0. 12%，所述的内包层中氟的含量为0. 5-1. 5wt%，内包层的相对折射率An2小于或等 于-0. 14%，所述的下陷内包层中氟的含量为l-3wt%，下陷内包层的相对折射率An3小于 或等于-0. 25 %，所述的辅助外包层中氟的含量为0. 5-2wt，辅助外包层相对折射率An4小 于或等于-〇. 14%，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层和/或金属掺杂的二氧化硅玻璃层。2. 按权利要求1所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的外包层中 金属掺杂的金属杂质包括铝和碱金属，金属杂质的总含量小于或等于25ppm，其中铝含量为 l-18ppm，碱金属总含量小于或等于2ppm。3. 按权利要求2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的碱金属为 锂、钠、钾中的一种或几种。4. 按权利要求2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的金属杂质还 包括有铁、钙、镁、钛中的一种或多种。5. 按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的芯层半 径！^为 4. 0 ~6. 0ym。6. 按权利要求5所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的内包层半径 1~2为10~14ym，所述的下陷内包层半径r3为12. 5~17ym，所述的辅助外包层半径r4为 40 ~50 u m〇7. 按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的外包层 直径为125ym。8. 按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述 芯层的相对折射率Anl为0. 12 %~-0.08 %，所述的内包层的相对折射率An2 为-0. 14%~-0. 35%，所述的下陷内包层的相对折射率An3为-0. 25%~-0. 75%，所述 的辅助外包层相对折射率An4为-0. 14 %~-0. 56%。9. 按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的光纤在 1550nm波长处的衰减系数小于或等于0. 175dB/km。
【专利摘要】本发明涉及一种掺杂优化的超低衰减单模光纤，包括有芯层，芯层外从内向外依次包覆内包层，下陷内包层，辅助外包层和外包层，其特征在于芯层中氟的含量小于或等于0.5wt％，锗的相对折射率贡献量小于或等于0.12％，Δn1小于或等于0.12％，内包层中氟的含量为0.5-1.5wt％，Δn2小于或等于-0.14％，下陷内包层中氟的含量为1-3wt％，Δn3小于或等于-0.25％，辅助外包层中氟的含量为0.5-2wt，Δn4小于或等于-0.14％，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层和/或金属掺杂的二氧化硅玻璃层。本发明降低了芯层粘度，使其能与内薄层和下陷包层更好的匹配，并结合金属掺杂的匹配粘度外包层，整体降低光纤虚拟温度，同时通过下陷包层设计，抑制基模泄露，从而实现超低衰减性能。
【IPC分类】G02B6/028, G02B6/036
【公开号】CN104898200
【申请号】CN201510359450
【发明人】张磊, 龙胜亚, 朱继红, 吴俊 , 王瑞春
【申请人】长飞光纤光缆股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月25日
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