CN103955020B - 一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法，该光纤具有损耗低，有效面积大，光纤参量对于沟渠区的几何尺寸和折射率变化不敏感等优点。该光纤设计适合于多种工艺的大规模生产。一种低损耗大有效面积单模光纤，它在1550nm的有效面积为100~185μm²，截止波长小于1530nm。光纤从中心到外周依次包括纤芯区，隔离区，沟渠区和外包区4个区域。该光纤适合于工作窗口在1550nm以及更高波长范围的长距离光通信。该光纤具有损耗低，有效面积大，其主要参量对于沟渠区域的几何尺寸和折射率的变化不敏感等特性。它适合于多种工艺的大规模生产。

Description

一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法，该光纤具有损耗低，有效面积大，光纤参量对于沟渠区的几何尺寸和折射率变化不敏感等优点。该光纤设计适合于多种工艺的大规模生产。

背景技术

在100G/s以及更高速的长距离光通信***中，信噪比恶化和光纤的非线性效应将是制约通信距离的主要因素。增加光纤有效面积，降低光纤损耗，提高光纤色散是克服这两个制约因素的主要途径。降低光纤损耗能够减缓信噪比恶化的速度，但是对于减小非线性效应没有任何作用。而增加有效面积既能减小非线性效应又能降低信噪比。众所周知石英纤芯光纤衰减最低值发生在波长1550nm，现代长距离光通信***通常运行在1550nm附近。目前使用范围最广泛的普通G.652光纤在1550nm的损耗小于0.21dB/km，其典型值是0.19dB/km；在1550nm的有效截面积约是83μm²；色散约是16ps/km/nm。而未来应用于长距离光通信的理想光纤应该具有比G.652更低的损耗，更大的有效面积和略高的色散。

光纤的制造过程通常包括3个步骤。第一步是芯棒制造。芯棒通常由纤芯和内包层两部分组成。芯棒的制造方法主要有轴向气相沉积法（VAD）、改进的化学气相沉积法（MCVD，FCVD）离子体化学气相沉积法（PCVD）和管外气相沉积法(OVD)。第二步是在芯棒外加上外包层。最常用的外包制造工艺有OVD外包，等离子外包（POD）以及石英套管。石英套管通常也是由OVD或POD方法制造的材料加工而成的。第三步是拉丝制造光纤。

主流的通信用石英光纤是由掺锗石英纤芯和纯石英外包层或掺氟石英外包层两部分组成。在石英光纤的设计中，减少纤芯中锗的含量是降低光纤1550nm以及更高波长衰减的主要途径。减少锗的含量必将降低纤芯的折射率。为了满足纤芯和外包之间的折射率差并保证足够低的宏弯损耗，在减少纤芯中锗含量的同时必须降低部分或全部外包层的折射率。在石英光纤制造工艺中，掺氟是降低石英折射率的主要手段。VAD和OVD工艺有很高沉积速率。VAD沉积速率通常大于10g/min。外包OVD工艺单喷灯的沉积速率可以超过10g/min。但是这两种工艺制造的掺氟石英的折射率差通常不低于-2.5x10^-3。MCVD和PCVD虽然能制造折射率差低于-5x10^-3的掺氟石英，由于其低沉积速率（1～3g/min）和工艺的限制，不适合于大规模预制棒外包层的制造。目前在外包层制造技术中能实现深度掺氟的实用工艺只有POD工艺。但是POD工艺的沉积速率和生产成本无法和OVD工艺比拟。

自从上世纪80年代提出纯硅芯超低损耗光纤的概念后，各光纤制造商在超低损耗光纤的制造工艺方面开展了大量的研究工作。目前商品化的G.652超低损耗光纤由未掺锗的纤芯和深度掺氟外包两部分组成。值得提到的是，前述4种芯棒工艺都能制造纯硅的芯棒，由于受到深度掺氟外包层工艺的制约，纯硅芯光纤的产能低，价格高，短期内还无法替代传统的G.652光纤。目前大有效面积的纯硅芯光纤仅用于无中继海底传输***。

参考文献CN102959438A和CN102313924A所提供的大有效面积的设计是针对纯硅芯的光纤设计，在VAD和OVD工艺上无法简单地实现。

参考文献CN1550508A所描述的大有效面积光纤的预制棒芯棒可以采用VAD和OVD工艺制造。但是在设计中为了兼顾1310nm和1550nm两个波长的应用，光纤截止波长小于1340nm，同时在1625nm的宏弯损耗（10mm-半径1圈）大大高于1dB。在其几种主要的设计中，纤芯和沟渠相邻。这些设计的主要缺陷是光纤沟渠区参数的波动将会造成光纤主要参数较大的变化，使得在大规模生产中难以控制光纤参数的分布范围。

参考文献CN102313924A和US8467649B2所描述的大有效面积光纤采用窄而深的沟渠设计。沟渠区域的宽带大约在5μm左右。而折射率差低于-4.6X10^-3（-0.31%）。这种设计在OVD或VAD设备上直接实现有非常大的难度，通常采用PCVD，POD外包或掺氟的套管工艺，从而大大增加了工艺复杂性和制造成本。

发明内容

本发明目的是针对上述不足之处提供一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法，是一种损耗低、有效面积大，光纤参数稳定的单模光纤设计和制造方法。它的制造成本低、适合于各种工艺，特别是VAD工艺的大规模制造。这种光纤的应用波长范围是1550nm以及更长的波长。它在1550nm的有效面积是 100～185μm²；在1550nm的色散大于18ps/nm/km。在1550nm的衰减可以低于0.185dB/km；截止波长（光缆）小于1530 nm。在1625nm，10mm半径1圈的宏弯损耗小于5dB或小于1dB、30mm半径100圈的宏弯损耗小于0.1dB或小于0.05dB。

一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法是采用以下技术方案实现：

一种低损耗大有效面积单模光纤，它在1550nm的有效面积为100～185μm²，截止波长小于1530nm。光纤从中心到外周依次包括纤芯区，隔离区，沟渠区和外包区4个区域。其中：

a)纤芯区（11）；从中心向外延伸的半径是R₁。R₁的范围4～9μm，其典型值是5.7～8.2μm。纤芯区折射率差和光纤的半径r有以下关系：

其中：0≤r<R₁。

光纤中心的折射率差δn(0)的范围是2.2x10^-3～5.8x10^-3，典型值是2.6x10^-3～5.3x10^-3。纤芯区边缘折射率差δn(R₁)的范围是δn(R₁)<δn(0)，典型值是-0.5x10^-3～0.5x10^-3。纤芯分布幂数α的范围是α≥1.5。

制造工艺缺陷造成的纤芯中心凹陷区（15）的折射率通常低于设计值。中心实际的折射率和设计的中心折射率之差是δn₅，它的范围是0.005～-δn(0)。它的半径是R₅，R₅/R₁的范围是0～0.5。

b)隔离区（12）：从R₁向外延伸，厚度是R₂。R₂的范围是2~21μm，典型值是3~12μm。该区域折射率差通常是常数。折射率差δn₂的范围是-0.5x10^-3～0.5x10^-3。

c)沟渠区（13）：从R₁+R₂向外延伸。厚度是R₃，折射率差δn₃的范围是δn₃≤-0.7x10^-3，典型值是-1.0x10^-3～-2.2x10^-3。

d)外包区（14）：从R₁+R₂+R₃ 向外延伸到光纤边缘，厚度是R₄，光纤的外径是R₁+R₂+R₃+ R₄，它的值取决于光纤的设计。典型值是62.5μm。

所述的一种低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，光纤隔离区折射率沿径向变化。隔离区的折射率差和光纤半径的关系可以表达成：

其中：R₁≤r≤R₁+R₂，β是隔离区分布幂数，它的范围是β>0.0。典型值是β>0.5。

所述的一种低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，纤芯区最高折射率差低于4x10^-3。光纤在1550nm的衰减不大于0.185dB/km。

所述的一种低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，纤芯区最高折射率差低于3x10^-3。光纤在1550nm的衰减不大于0.175dB/km。

所述的一种低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，光纤内包层的有效折射率：。其中n(r)是光纤折射率剖面；R_c=R₀+15*λ，λ是宏弯损耗的测试波长；R₀是零点半径，它满足条件：n(R₀)-n_c=0和n(r<R₀)-n_c>0，n_c是外包层折射率。

波导有效折射率：，其中MFD是光纤的模场直径。

波导有效折射率差：。

所述的一种低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，波导有效折射率差>3.8x10^-3。在波长1625nm，30mm半径100圈的宏弯损耗不大于0.05dB，10mm半径1圈的宏弯损耗不大于1dB。

所述的一种低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，波导有效折射率差>3.25x10^-3。在波长1625nm，30mm半径100圈的宏弯损耗不大于0.1dB，10mm半径1圈的宏弯损耗不大于5dB。

所述的一种低损耗大有效面积单模光纤，采用管内沉积法制造芯棒的方法如下：

采用掺氟的石英管作为沉积基管，采用SiCl₄作为SiO₂的原料，GeCl₄作为GeO₂的原料，SiF₄、SF₆或C₂F₆作为掺氟的原料。沉积过程分3步骤完成，首先在基管内表面中沉积掺氟的石英作为部分沟渠区，然后沉积隔离区，最后沉积纤芯区。在纤芯区沉积过程中，逐层地改变锗的掺杂浓度精准地实现设计的δn(0)和α值。最后在高温下将管子熔缩成芯棒。沉积管将成为沟渠区或沟渠区的一部分。如果沉积管的截面积小于设计所要求的沟渠区的截面积，可在芯棒外面加掺氟套管。芯棒和掺氟套管可以采用套管融缩法合成一体。这种制作方法适合于MCVD，PCVD和FCVD工艺。

所述的一种低损耗大有效面积单模光纤，采用2个源料喷灯的VAD芯棒制制作的方法如下：

采用SiCl₄作为石英SiO₂的原料，GeCl₄作为掺锗GeO₂的原料，纤芯区喷灯的原料是SiCl₄和GeCl₄，隔离区喷灯的原料是SiCl₄。沉积结束后，粉末棒通过烧结，去羟基等工艺，最后制成芯棒。沟渠区由掺氟套管实现。芯棒和套管可以采用套管融缩方法制作成一体。

所述的一种低损耗大有效面积单模光纤，采用3个原料喷灯的VAD芯棒制作的方法如下：

采用SiCl₄作为石英的原料，GeCl₄作为掺锗的原料，SiF₄作为掺氟的原料。纤芯区喷灯的原料是SiCl₄和GeCl₄，隔离区喷灯的原料是SiCl₄,沟渠区喷灯的原料是SiCl₄和SiF₄。沉积结束后，粉末棒通过烧结，去羟基等工艺，最后制成芯棒。

所述的一种低损耗大有效面积单模光纤, 采用4个原料喷灯的VAD芯棒制作的方法如下：

纤芯区和隔离区分别由1个喷灯制作，沟渠区由2个原料喷灯制作。采用SiCl₄作为石英的原料，GeCl₄作为掺锗的原料,SiF₄作为掺氟的原料。纤芯区喷灯的原料是SiCl₄和GeCl₄,隔离区喷灯的原料是SiCl₄,沟渠区喷灯的原料是SiCl₄和SiF₄。沉积结束后，粉末棒通过烧结，去羟基等工艺，最后制成芯棒。

术语定义：

折射率差：其中n_c是外包层折射率。

光纤半径和组成部分的厚度的单位是：μm；

折射率差剖面：n(r)是折射率与光纤半径之间的关系。图1是典型折射率剖面的示意图。

零点半径R₀：满足条件：n(R₀)-n_c=0同时n(r< R₀)-n_c>0。

光纤有效面积（A_eff）：它的定义为：其中φ(r)是光纤截面上LP01模电场的径向分布。本文中光纤有效面积均指1550nm波长的有效面积。

内包层有效折射率：。其中R_c=R₀+15*λ。λ是宏弯损耗的测试波长。在本说明书中λ=1.625(μm)。

波导有效折射率：，其中MFD是光纤的模场直径。

波导有效折射率差：。

1625BL10R-1：光纤在10mm半径的圆柱上绕1圈前后，在1625nm波长测试的损耗改变。

1625BL30R-100：光纤在30mm半径的圆柱上绕100圈前后，在1625nm波长测试的的损耗改变。

掺杂：光纤的主要成分是石英（SiO₂）。为了改变石英的特性（折射率，材料色散等），需要在石英中掺加少量的其它物质。单模石英光纤中主要的两种掺杂物质是锗（GeO₂）和氟（F）。锗可以增加石英的折射率，氟可以降低石英的折射率。主流的光纤预制芯棒制造工艺采用SiCl₄作为原料，OVD和VAD工艺在去除羟基和烧结过程中一般会通入大量氯气，所以芯棒中不可避免地含有一定量的氯。

光纤设计是在综合考虑光纤的指标，预制棒的生产工艺和制造成本等基础上对光纤的各种参数进行优化的过程，在大有效面积光纤的设计中，降低纤芯区折射率可以增加光纤有效面积并减小光纤衰减，但同时又将使光纤的宏弯损耗特性变差，而增大纤芯区的半径也可以增加光纤的有效面积，而对光纤衰减和宏弯损耗特性的影响很小。加深和（或）加宽沟渠区可以有效地降低光纤的宏弯损耗，但是将增加制造难度和生产成本。

本发明与现有技术，设计和产品相比较，具有的显著特点是：光纤宏弯损耗低；沟渠区特性的变化对光纤的主要参量影响很小；纤芯区有较低的折射率和锗的含量，能实现较低的光纤损耗；制造成本低，不需要深度掺氟设备，适合于各种工艺，特别是VAD工艺的大规模生产。

该光纤适合于工作窗口在1550nm以及更高波长范围的长距离光通信。该光纤在1550nm波长的有效面积是100～185μm²；它在1550nm的色散大于18ps/km/nm；它在1625nm的宏弯损耗（10mm半径-1圈）可低于1dB。

该光纤具有损耗低，有效面积大，其主要参量对于沟渠区域的几何尺寸和折射率的变化不敏感等特性。它适合于多种工艺的大规模生产。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1A：本发明光纤设计端面示意图。

图1B：本发明光纤设计折射率剖面示意图。

图中：11纤芯区；12隔离区；13沟渠区;14外包区；15中心凹陷。

图2：一种用MCVD芯棒+掺氟石英管+石英套管制作的光纤实例。

图3：一种VAD芯棒制作的示意图。

图中：31纤芯区喷灯；32隔离区喷灯；33沟渠区喷灯；34粉末棒；35靶棒；36吊杆；37石英腔体；38机械部分。

图4：一种用VAD芯棒+OVD外包制作的光纤的实例。

具体实施方式

参照图1A和图1B,光纤从中心向外包括4个部分：

1)纤芯区11：从中心向外延伸的半径是R₁。主要掺杂成分是锗，也可以有少量的氟。R₁的范围是4μm~9μm；其典型值是5.7μm～8.2μm。纤芯区折射率差和光纤半径r有以下关系：

。（0≤r < R₁）

其中δn(0)是光纤中心的折射率差，它的范围是2.2x10^-3～5.8x10^-3，典型值是2.6x10^-3～5.3x10^-3。为了使光纤在1550nm衰减低于0.185dB/km, δn(0)必须低于4.5x10^-3，最好需要低于4.0x10^-3 。δn(R₁)是纤芯区边缘的折射率差，δn(R₁)<δn(0)，典型值是0.5x10^-3～-0.5x10^-3。α是纤芯分布幂数，它的范围是α≥1.5。

中心凹陷区（15）：由于制造工艺的缺陷，光纤中心实际折射率和设计值之间有一定偏差。中心凹陷区的折射率通常低于设计值。中心实际的折射率和设计的折射率之差是δn₅，它的范围是0.005～-δn(0)。它的半径是R₅，R₅/R₁的范围是0～0.5。

2)隔离区12：从R₁向外延伸，它的厚度是R₂。R₂的范围是2～21，典型值是3～12。掺杂成分有极少量的锗和（或）氟。隔离层的折射率差通常是常数δn₂,范围是-0.5x10^-3～0.5x10^-3，如果隔离区和沟渠区由同一工艺（如OVD或VAD）制作，由于掺杂材料的扩散，折射率也可以沿径向变化。隔离区的折射率差和半径的关系有可以表达成：

其中：R₁≤r≤R₁+R₂，δn₃是沟渠区折射率。β是隔离区分布幂数，它的范围是β>0.0，典型值是β>0.5。

3)沟渠区13：从R₁+R₂向外延伸。它的厚度是R₃，掺杂成分是氟。在本发明中沟渠区的作用是减小光纤的宏弯损耗。它的效果取决沟渠区折射率差和截面积。折射率差δn₃≤0,典型值是-0.6 x10^-3～-2.2x10^-3。

4.)外包区14：从R₁+R₂+R₃向外延伸到光纤边缘，它的厚度是R₄，通常是未掺杂的纯石英。光纤的外径是R₁+R₂+R₃+R₄，它的值取决于光纤的设计。典型值是62.5μm。

虽然受到诸多因素例如拉丝过程中张力、涂覆材料等影响，光纤的宏弯损耗主要取决于光纤折射率剖面的设计。为了保证1625BL10R-1小于5dB同时1625BL30R-100小于0.1dB，波导有效折射率差必须满足条件：>3.25x10^-3。为了保证1625BL10R-1小于1dB同时1625BL30R-100小于0.05dB，波导有效折射率差必须满足条件: > 3.8x10^-3。

氟元素的分子较量小。在高温下，掺入石英(特别是未烧结的石英粉末)结构中的氟元素极易扩散。其结果将对光纤特性产生两个负面影响。由于氟可以降低石英的折射率，如果大量的氟从沟渠区扩散到纤芯区，将降低纤芯的折射率。为了到达设计所需的折射率差，必须在纤芯区掺入更多的锗以抵消氟对纤芯折射率的影响。增加纤芯区的锗含量必然导致光纤衰减的增加。氟的扩散也将降低沟渠区中氟的浓度从而改变沟渠区折射率分布。由于氟的扩散，在沟渠区的制造过程中通常无法精准地控制折射率及其剖面分布。

选择适当宽度的隔离区是本发明和其他发明主要的区别之一。隔离区有三个重要功能：1）防止或减小沟渠区域的氟扩散和渗透到纤芯区。2）减小沟渠区折射率的波动对光纤特性的影响。在表格I中，Ex1和Ex2是有隔离区的设计，Ex3和Ex4是无隔离区的设计。当沟渠区折射率从-1.0x10^-3变为-1.2x10^-3时，对于无隔离区的设计（Ex3和Ex4），有效面积减小量是2.1μm²，截止波长的变化是22nm。同样的沟渠折射率变化发生在有隔离区的设计时（Ex1和Ex2），有效面积减小量仅0.3μm²，截止波长变化仅7nm。）当隔离区足够宽时，光纤的主要特性将基本不受隔离区宽度，沟渠区的宽度和深度的影响而由纤芯的折射率剖面以及隔离区的折射率决定。

本发明的光纤预制棒芯棒的纤芯区，隔离区和沟渠区可以用下面两种方法制造：

管内沉积制造方法：这种制作方法适合于MCVD，PCVD和FCVD工艺。虽然管内法工艺能够制造掺氟浓度较高的石英，但是它们的沉积率较低（<5g/min）。由于本发明的光纤的沟渠区截面积大，在大规模生产中，使用掺氟的石英管制作沟渠区成本较低。在预制棒芯棒制作中采用掺氟的石英管作为沉积管，采用SiCl₄作为石英的原料，GeCl₄作为掺锗的原料，SiF₄、C₂F₆或SF₆作为掺氟的原料。在管中先沉积隔离区然后沉积纤芯区。在纤芯区沉积过程中，逐层地改变锗的掺杂浓度实现设计的δn(0)和α值。最后在高温下将管子熔缩成芯棒。沉积管将成为沟渠区或沟渠区的一部分。如果沉积管的截面积小于设计所要沟渠区的面积，可在芯棒外面加掺氟套管。芯棒和掺氟套管可以采用套管融缩法合成一体。具体的方法可以参考（CN203033890U）。

直接沉积法（VAD）：VAD是目前使用最广泛的单模光纤预制棒芯棒的制造技术。图3是VAD技术的基本原理。3个不同的区域分别由3或4个原料喷灯同时沉积制成。纤芯区喷灯的原料是SiCl₄和GeCl₄,隔离区喷灯的原料是SiCl₄，沟渠区喷灯的原料是SiCl₄和SiF₄。对于沟渠区截面积较大的光纤设计，沟渠区可由2个原料喷灯实现。沉积结束后，粉末棒通过烧结，去羟基等工艺，最后制成芯棒。只有两个原料喷灯的VAD设备所制作的芯棒只包含芯层区和隔离区。沟渠区可以由掺氟套管实现。芯棒和套管可以采用套管融缩方法制作成一体。具体方法可参考（CN203033890U）。

值得提到，在VAD工艺中对纤芯折射率剖面的幂数α值进行细微调节有较大难度，所以VAD工艺在调整光纤参数特别是截止波长上有一定的局限性。这种局限可以通过改变光纤拉丝时的张力得到一定弥补。

由以上两种方法制造的预制棒芯棒在经过延伸，外表面清洁等必要的工艺步骤后进行外包，使光纤几何尺寸到达设计要求。然后进行拉丝制成单模光纤。

参照图1，根据上述技术方案中的要求实现低损耗大有效面积单模光纤设计。表格II列出了符合本发明的多种光纤设计实例的尺寸和折射率差。这些实例都具有以下特性：光纤有效面积≥100μm²，截止波长范围1340～1530nm。实例EX5–EX14，波导有效折射率差满足条件：>3.8x10^-3，它们的1625BL10R-1≤1dB，1625BL30R-100≤0.05dB。实例EX15–EX17，波导有效折射率差满足条件：> 3.25x10^-3，它们的1625BL10R-1≤5dB，1625BL30R-100≤0.1dB，Ex5是有效面积最小的实例。它的纤芯半径是各种实例中最小。由于其较高的纤芯折射率，该实例不需要沟渠区就能满足：> 3.8x10^-3。Ex6是有效面积最大的实例，有效面积达到184.5μm²。由于其非常低的纤芯折射率差，光纤衰减(1550nm)可以达到0.175dB/km。但是为了满足宏弯损耗的要求，该实例采用了较深的沟渠区。Ex7的纤芯折射率和有效折射率都是各实例中最高的，具有非常低的宏弯损耗。虽然其纤芯半径较大，由于高纤芯折射率和低纤芯幂指数，它的有效面积只有103μm²。EX8具有和EX7相同的设计但是存在中心凹陷区，它们光纤的特性具有非常大的差别。Ex8-Ex12的有效面积都在125μm²左右。通过这五个实例演示和说明如何采用不同纤芯参数（半径，折射率，幂指数）来实现非常类似的光纤特性。在这五个实例中，Ex9具有最大的纤芯区半径和最低的幂数，而Ex8具有中心凹陷。EX12，EX13和EX14有相同的纤芯和沟渠区参数，但是不同的隔离区参数。当隔离区折射率差接近0时，降低隔离区折射率比增加隔离区折射率对光纤的特性据有更大的影响。

EX15，EX16，EX17分别和EX6，EX9，EX12具有相同的纤芯和隔离区光纤设计参数，但是较窄或没有沟渠区。它们的制造成本低，但是光纤的宏弯损耗较高。

表格I所列各种光纤设计可以由MCVD工艺实现。以下结合实例对采用MCVD工艺制作芯棒的光纤制造方法作进一步说明：

1.选用Heraeus F320-08石英管作为沉积基管。石英基管的外径31.7mm，内径26.3mm，长度1200mm。将石英基管安置于MCVD车床卡盘上。

2.将氧气、SF₆、氯气通入石英基管中。在正向移动中，在氢氧焰喷灯（1850℃）作用下与石英基管内壁发生反应，喷灯正向移动速度100mm/min。往返一次，进行火焰抛光及腐蚀。

3. 将SiCl₄、GeCl₄、POCl₃、氧气、氦气、氯气与SF₆按照一定比例和流量通入基管。正向移动中，1885℃温度下发生反应，喷灯正向移动速度145mm/min，往返20次。石英基管34内壁上沉积并玻璃化形成折射率凹陷区。沉积速率0.82g/min。

4.将SiCl₄、GeCl₄、氧气、氦气、氯气与SF₆体按照一定比例和流量通入石英基管。正向移动中，在1990℃温度下发生反应，喷灯正向移动速度145mm/min, 往返13次。石英基管内壁上沉积并玻璃化形成隔离区。沉积速率0.6g/min。

5. 将SiCl₄、GeCl₄、氧气、氦气、氯气按照一定比例和流量通入石英基管，在2040℃温度下发生反应，喷灯正向移动速度145mm/min，往返14次。石英基管内壁上沉积并玻璃化形成纤芯区。沉积速率0.3g/min。

6. 沉积过程完成后，在石英基管中通入一定量的氧气与氯气，在高温2200～2450℃下进行熔缩处理。为了防止基管不圆度恶化，熔缩过程分5次往返完成，同时控制氮气流量保证适当的管压（0～0.2Torr）。为了减小芯层中心由于锗的挥发而形成的中心凹陷，需要在预制芯棒中心孔径收缩到很小时（2mm），通入一定量的氧气与SF₆，对中心孔壁进行腐蚀2次，最终在高温2450℃下进行熔缩成实心的光纤预制芯棒。

7. 芯棒制作完成后，将芯棒在氢氟酸中腐蚀8小时去除表面高羟层。

8. 选用Heraeus F300套管为外包区，将芯棒和套管装配成光纤预制棒后安置在拉丝设备上，在2050℃左右的高温下，将其拉丝成玻璃包层直径为125μm，内涂层直径为190μm，外涂层直径为245μm的光纤。

图2是由MCVD工艺和掺氟石英管制作的光纤的例子。该例子制作的光纤的典型参数列在表格III中EX-MCVD一行，光纤在1550nm波长的衰减在0.180～0.185dB/km

图3是本发明由VAD工艺（4喷灯）实施的例子。以下结合实例采用VAD工艺制作芯棒的光纤制造方法作进一步说明：

1. 芯棒制作装置由反应腔体37，机械机构38，吊杆36组成。装置配有用于纤芯区的原料喷灯31，用于隔离区的原料喷灯32和用于沟渠区的一对原料喷灯33。

2. 在吊杆上安装长450mm的石英靶棒35并置于反应腔体内。将氢气和氧气通入4个喷灯并在反应腔内点燃，产生温度为900～1000^oC的火焰。

3. 将流量为2.0g/min的SiCl₄，0.2g/min的GeCl₄原料和6slm氩气，2.5slm氧气混合, 通过喷灯31送入火焰中，令其发生水解反应。氧化生成SiO₂和GeO₂粉末，沉积于靶棒下端，形成纤芯区。

4. 将流量为4.0g/min的SiCl₄原料和5slm氩气混合，通过喷灯32送入火焰中。令其发生水解反应，氧化生成SiO₂粉末，沉积于纤芯区外面，形成隔离区。

5. 将流量为33.0g/min的SiCl₄，600ml/min的SiF₄原料和13slm氩气混合，通入喷灯组33，令其发生水解反应，氧化生成含氟的SiO₂粉末，沉积于隔离区外面，形成沟渠区。

6. 在沉积过程中靶棒的提升速度是0.75 mm/min，靶棒的旋转速度是15RPM。

7. 沉积完成后，将粉末棒放入烧结炉中，烧结温度是1100度。在烧结过程中首先通入400sccmCl₂去除粉末棒中的羟基，然后通入5slmHe去除粉末棒中所有气泡使其透明化，玻璃化。

8. 通过两次延伸将芯棒延伸到外径38.5毫米较细的芯棒。

9. 采用OVD工艺在芯棒外面加上外包。最后的预制棒的外径是80毫米。

10.将预制棒安置在拉丝设备上，在2050℃左右的高温下，将其拉丝成玻璃包层直径为125μm，内涂层直径为190μm，外涂层直径为245μm的光纤。

该实施例子制作的光纤的典型参数列在表格III的EX-VAD一行，光纤在1550nm波长衰减在0.177～0.183dB/km。

Claims (11)

1.一种低损耗大有效面积单模光纤，其特征在于，它在1550nm的有效面积为100～185μm²，截止波长小于1530nm，光纤从中心到外周依次包括纤芯区，隔离区，沟渠区和外包区4个区域，其中：

a) 纤芯区：从中心向外延伸的半径是R₁，R₁的范围4～9μm，纤芯区折射率差和光纤的半径r有以下关系：

，（0≤r<R₁）

光纤中心的折射率差δn(0)的范围是2.2x10^-3～5.8x10^-3，纤芯区边缘折射率差δn(R₁)的范围是δn(R₁) <δn(0)，纤芯分布幂数α的范围是α≥1.5；

制造工艺缺陷造成的纤芯中心凹陷区的折射率通常低于设计值，中心实际的折射率和设计的中心折射率之差是δn₅，它的范围是-δn(0) ～ 0.005，它的半径是R₅，R₅/R₁的范围是0～0.5；

b) 隔离区：从R₁向外延伸，厚度是R₂，R₂的范围是2～21μm，该区域折射率差通常是常数，折射率差δn₂的范围是-0.5x10^-3～0.5x10^-3；

c沟渠区：从R₁+R₂向外延伸，厚度是R₃，折射率差δn₃的范围是δn₃≤-0.7x10^-3；

d）外包区：从R₁+R₂+R₃向外延伸到光纤边缘，厚度是R₄，光纤的外径是R₁+R₂+R₃+R₄，它的值取决于光纤的设计。

2.根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，如果隔离区和沟渠区由同一工艺制作，由于掺杂材料的扩散，此时折射率沿径向变化；

隔离区的折射率差和半径的关系表达成：

；

其中：R₁≤r≤R₁+R₂，δn₃是沟渠区折射率差；β是隔离区分布幂数，它的范围是β>0.0。

3.根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，纤芯区最高折射率差低于 4x10^-3，光纤在1550nm 的衰减不大于0.185dB/km。

4.根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，纤芯区最高折射率差低于3x10^-3，光纤在1550nm 的衰减不大于0.175dB/km。

5.根据权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，光纤隔离区的有效折射率：

，其中n(r)是光纤折射率剖面；R_c=R₀+15*λ，λ是宏弯损耗的测试波长；R₀是零点半径，它满足条件：n(R₀)-n_c=0和n(r<R₀)-n_c>0，n_c是外包区折射率；

波导有效折射率：，其中MFD是光纤的模场直径；

波导有效折射率差：。

6.根据权利要求5所述的单模光纤，其特征在于，波导有效折射率差 >3.8x10^-3，在波长1625nm，30mm半径100圈的宏弯损耗不大于 0.05dB，10mm半径1圈的宏弯损耗不大于1dB。

7.根据权利要求5所述的单模光纤，其特征在于，波导有效折射率差>3.25x10^-3，在波长1625nm，30mm半径100圈的宏弯损耗不大于0.1dB，10mm半径1圈的宏弯损耗不大于5dB。

8.权利要求1所述的单模光纤，采用管内沉积法制造芯棒的方法如下：

采用掺氟的石英管作为沉积基管，采用SiCl₄作为石英的原料，GeCl₄作为掺锗的原料，SiF₄、SF₆或C₂F₆作为掺氟的原料，沉积过程分3步骤完成，首先在基管内表面中沉积掺氟的石英作为部分沟渠区，然后沉积隔离区，最后沉积纤芯区，在纤芯区沉积过程中，逐层地改变锗的掺杂浓度精准地实现设计的δn(0)和α值，最后在高温下将管子熔缩成芯棒，沉积管将成为沟渠区或沟渠区的一部分，如果沉积管的截面积小于设计所要求的沟渠区的截面积，可在芯棒外面加掺氟套管，芯棒和掺氟套管可以采用套管融缩法合成一体，这种制作方法适合于MCVD，PCVD和FCVD工艺。

9.权利要求1所述的单模光纤，采用2个源料喷灯的VAD芯棒制作的方法如下：

采用SiCl₄作为石英的原料，GeCl₄作为掺锗的原料，纤芯区喷灯的原料是SiCl₄和GeCl₄,隔离区喷灯的原料是SiCl₄，沉积结束后，粉末棒通过烧结，去羟基工艺，最后制成芯棒，沟渠区由掺氟套管实现，芯棒和套管可以采用套管融缩方法制作成一体。

10.权利要求1所述的单模光纤，采用3个源料喷灯的VAD芯棒制作的方法如下：

采用SiCl₄作为石英的原料，GeCl₄作为掺锗的原料，SiF₄作为掺氟的原料，纤芯区喷灯的原料是SiCl₄和GeCl₄，隔离区喷灯的原料是SiCl₄，沟渠区喷灯的原料是SiCl₄和SiF₄，沉积结束后，粉末棒通过烧结，去羟基工艺，最后制成芯棒。

11.权利要求1所述的单模光纤，采用4个原料喷灯的VAD芯棒制作的方法如下：

纤芯区和隔离区分别由1个喷灯制作，沟渠区由2个原料喷灯制作，采用 SiCl₄ 作为石英的原料，GeCl₄作为掺锗的原料，SiF₄作为掺氟的原料，纤芯区喷灯的原料是 SiCl₄ 和GeCl₄，隔离区喷灯的原料是SiCl₄，沟渠区喷灯的原料是SiCl₄和SiF₄，沉积结束后，粉末棒通过烧结，去羟基工艺，最后制成芯棒。