CN104216044A - 一种低衰耗弯曲不敏感单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光通信传输***的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，包括有纤芯层、下陷内包层、内包层、下陷外包层和纯二氧化硅玻璃外包层，其特征在于纤芯层从内向外由折射率从高到低的第一芯层、第二芯层以及第三芯层所组成，所述的第一芯层半径R1为2.5μm~3.3μm，相对折射率差Δ1为0.25%~0.38%；所述的第二芯层半径R2为4μm~5μm，相对折射率差Δ2为0.15%~0.25%；所述的第三芯层半径R3为5.3μm~6.3μm，相对折射率差Δ3为-0.03%~0.15%。本发明芯包层涉及实现了低衰减、大有效面积、抗弯曲性能更好地结合和统一，光纤拥有远远优于常规G.652.D光纤的衰减性能，从而可以在干线传输中，减少建设相关基站及其他***设备的成本，并相对常规的G.652.D光纤具有更优异的宏观弯曲性能，以满足更苛刻的布线环境或FTTx使用环境。

Description

一种低衰耗弯曲不敏感单模光纤

技术领域

本发明涉及一种用于光通信传输***的低衰减弯曲不敏感单模光纤，该光纤具有较低的衰耗，优秀的弯曲不敏感特性，且模场直径兼容G.652.D标准，属于光通信技术领域。

背景技术

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，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***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距离积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***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。

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***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***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究热点。

对单模光纤而言，光纤的衰减系数可以用公式(1)表示：

                (1)

其中R为瑞利散射系数，分别代表红外吸收，缺陷衰减，OH吸收，以及紫外吸收。在光纤材料中，由于某种远小于波长的不均匀性引起光的散射构成光纤的散射损耗。其中瑞利散射为三种散射机理之一，为线性散射（不产生频率的变化）。瑞利散射的特点是与波长的四次方成反比，由其引起的损耗与掺杂材料的种类与浓度有关，其中参数B反应光纤制备过程的缺陷和杂质污染有关。

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最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。

另一方面，较大的有效面积会造成光纤的弯曲损耗的明显增加（包括光纤的宏弯损耗和微弯损耗），特别是在长波长区域。在光纤的成缆、实际铺设以及使用的过程中，如果光纤的抗弯曲性能不能满足要求，则信号的损耗将会变大，信号的传输质量无法得到保证。所以在光纤具有大有效面积和低衰减特点的同时，保证光纤的宏弯和微弯性能，是光纤设计和制造的一个难题。

目前,优化单模光纤的抗弯曲性能采用较多的是以下三种方法：一是调整光纤的MAC值（即光纤模场直径与截止波长的比值）。MAC值越小，则光纤的抗弯曲性能越好。然而，模场直径的减小会造成有效面积的减小，并且容易在拉丝时造成更多的缺陷而增加衰减，同时光纤的截止波长必须小于工作波长，以保证单模的工作特性，所以通过改变光纤的MAC值来改善光纤的弯曲性能的空间有限。二是可以通过内包层为下陷包层的双包层结构来改善弯曲性能，但是下陷包层有可能引起光纤的“LP01模泄漏”现象。三是通过在光纤的内包层外增加一层类似于沟槽的下陷包层（trench），在保证较大的模场直径的同时，改善光纤的弯曲性能。此方法在弯曲不敏感单模光纤（即G.657光纤）中得到普遍的应用，如中国专利CN101523259B、CN103345017A、美国专利US7450807以及欧洲专利EP1978383等。但在这些常规G.657光纤的剖面设计及制造方法中，芯层为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0.35%，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。

发明内容

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足提供一种低衰耗弯曲不敏感单模光纤，它能进一步降低光纤衰减、提高抗弯曲性能（宏弯性能优于G.657.A1标准）并增大模场，使之与G.652.D光纤完全匹配。

为方便介绍发明内容，定义如下术语：

预制棒：是由芯层和包层组成的径向折射率分布符合光纤设计要求可直接拉制成所设计光纤的玻璃棒或组合体；

芯棒：含有芯层和部分包层的实心玻璃预制件；

半径：该层外边界与中心点之间的距离；

折射率剖面：光纤或光纤预制棒（包括芯棒）玻璃折射率与其半径之间的关系；

相对折射率差：

 n_i和n₀分别为各对应光纤各部分

的折射率和纯二氧化硅玻璃的折射率；

 氟（F）的贡献量：掺氟（F）石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值（ΔF），以此来表示掺氟（F）量；

锗（Ge）的贡献量：掺锗（Ge）石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值（ΔGe），以此来表示掺锗（Ge）量；

衬管（Tube）：管状的基底管，符合一定几何要求的纯石英玻璃管；

OVD工艺：用外部气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；

VAD工艺：用轴向气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；

APVD外包工艺：用高频等离子体焰将天然或合成石英粉熔制于芯棒表面制备所需厚度的SiO₂玻璃；

裸光纤：指光纤中不含涂覆层的玻璃丝。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

包括有纤芯层、下陷内包层、内包层、下陷外包层和纯二氧化硅玻璃外包层，其特征在于纤芯层从内向外由折射率从高到低的第一芯层、第二芯层以及第三芯层所组成，所述的第一芯层半径 R1为2.5μm ~3.3μm，相对折射率差Δ1为0.25%~0.38%；所述的第二芯层半径 R2为4μm~5μm，相对折射率差Δ2为0.15%~0.25%；所述的第三芯层半径 R3为5.3μm~6.3μm，相对折射率差Δ3为-0.03%~0.15%。

按上述方案，所述的下陷内包层半径 R4 为7μm ~8μm，相对折射率差Δ4为-0.15%~0%；所述内包层为纯二氧化硅玻璃层，R5为8μm~10μm。

按上述方案，所述的下陷外包层为F掺杂的二氧化硅玻璃层，R6为12μm~18μm；Δ6为-0.35%~ -0.20%；外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的的纤芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，其中氟的贡献量为-0.04%~-0.10%。

按上述方案，光纤在1310nm波长处的模场直径为8.4~9.6微米。

按上述方案，光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.335 dB/km，优选条件下小于或等于0.324dB/km，在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.195dB/km，优选条件下小于或等于0.184dB/km。

按上述方案，光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。

按上述方案，光纤在1550nm波长处，对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈的弯曲附加损耗小于或等于0.15dB；对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.5dB。在最优方案情况下，1550nm波长处，对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈的弯曲附加损耗小于或等于0.05dB；对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.15dB。

本发明的有益效果在于：1. 提出了一种纤芯层折射率梯度变化的三芯层结构，使得纤芯层的掺锗量降低，从而通过减少瑞利散射来降低光纤的衰减系数；2. 本发明纤芯层和包层中同时掺杂氟和锗，通过纤芯层折射率梯度变化的三芯层结构设计，使得三个芯层以及下陷包层在各界面上的粘度更加相近，可缓冲在拉丝过程中光纤表面产生张应力而影响光纤芯层区域形成的压应力，通过减少应力来进一步降低光纤的衰减系数，从而实现低衰减、大有效面积、抗弯曲性能更好地结合和统一；3. 相对于常规G.652.D的光纤衰减（0.34 dB/km 1310nm；0.20 dB/km 1550nm），本发明中的光纤拥有远远优于常规G.652.D光纤的衰减性能，从而可以在干线传输中，减少建设相关基站及其他***设备的成本，并相对常规的G.652.D光纤具有更优异的宏观弯曲性能，以满足更苛刻的布线环境或FTTx使用环境。

附图说明

图1 是本发明一个实施例的光纤折射率剖面示意图。

具体实施方式

下面将给出详细的实施例，对本发明作进一步说明。

光纤包括纤芯层和包层，纤芯层从内向外由折射率从高到低的第一芯层、第二芯层以及第三芯层组成，包层包括有下陷内包层、内包层、下陷外包层和纯二氧化硅玻璃外包层，纤芯层和下陷包层由掺有氟及其他掺杂剂的石英玻璃组成，同为气相沉积法制得，外包层为OVD工艺制备的纯二氧化硅玻璃层，直径为125μm。

按照上述单模光纤的技术方案，在其所规定的范围内对光纤的各个参数进行设计，根据光纤的设计要求通过气相沉积工艺等芯棒制造工艺来制造芯棒，然后通过 OVD 等外包工艺来完成整个光纤预制棒的制造。所制备光纤的折射率剖面结构和材料组成的主要参数如表 1 所示，所制备光纤的主要性能参数如表 2 所示。

表1：光纤的结构和材料组成

表2：光纤的主要性能参数 

Claims (8)

1.一种低衰耗弯曲不敏感单模光纤，包括有纤芯层、下陷内包层、内包层、下陷外包层和纯二氧化硅玻璃外包层，其特征在于纤芯层从内向外由折射率从高到低的第一芯层、第二芯层以及第三芯层所组成，所述的第一芯层半径 R1为2.5μm ~3.3μm，相对折射率差Δ1为0.25%~0.38%；所述的第二芯层半径 R2为4μm~5μm，相对折射率差Δ2为0.15%~0.25%；所述的第三芯层半径 R3为5.3μm~6.3μm，相对折射率差Δ3为-0.03%~0.15%。

2.按权利要求1所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的下陷内包层半径 R4 为7μm ~8μm，相对折射率差Δ4为-0.15%~0%；所述内包层为纯二氧化硅玻璃层，R5 为8μm~10μm。

3.按权利要求2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的下陷外包层为F掺杂的二氧化硅玻璃层，R6为12μm~18μm；Δ6为-0.35%~ -0.20%；外包层为纯二氧化硅玻璃层。

4.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的的纤芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，其中氟的贡献量为-0.05%~-0.12%。

5.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤在1310nm波长处的模场直径为8.4~9.6微米。

6.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.335 dB/km，优选条件下小于或等于0.324dB/km，在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.195dB/km，优选条件下小于或等于0.184dB/km。

7.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。

8.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤在1550nm波长处，对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈的弯曲附加损耗小于或等于0.15dB；对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.5dB。