CN111847869B - 一种超低损耗光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超低损耗光纤,其在1550nm的有效面积为110‑150μm2,截止波长小于1530nm,光纤从中心到外依次包括芯层,第一包层,第二包层,第三包层,芯层从中心向外延伸的半径是R1,R1的范围8~11μm,芯层折射率差△n0的范围是‑1x10‑4~1x10‑4,第一包层的厚度是R2,R2的范围是6~8μm,第一包层的相对折射率差△n1的范围是‑6.0x10‑3~‑6.5x10‑3;第二包层区的厚度是R3,R3的范围是7~9μm,第二包层区的相对折射率差△n2的范围是‑4.0x10‑3~‑5.5x10‑3,第三包层的厚度是R4,光纤的外径是R1+2R2+2R3+2R4它的值取决于光纤的设计,第三包层区的相对折射率差△n3的范围是‑2.5x10‑3~‑3.0x10‑3。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术的技术领域,具体为一种超低损耗光纤制备方法,本发明还提供了该超低损耗光纤。
背景技术
随着有线和无线接入带宽的不断提升,移动互联网、云计算、大数据等技术的飞速发展,全球带宽需求呈***式增长,400G将是未来下一代骨干网新建和升级的方向。在400G以及1T时代,光纤衰减和非线性效应成为制约***传输性能提升的主要因素,接收端采用相干接收及数字信号处理技术(DSP),能够在电域中数字补偿整个传输过程中累积的色散和偏振模色散(PMD)。然而高阶调制方式对非线性效应非常敏感,因此对光信噪比(OSNR)提出了更高的要求。当采用高功率密度***时,大功率***经常受到非线性光学效应的影响,包括自相位调制、四波混频、交叉相位调制和非线性散射过程,这些效应都会导致大功率***中的信号劣化。非线性系数是用于评估非线性效应造成的***性能优劣的参数,其定义为n2/Aeff。其中,n2是传输光纤的非线性折射率,Aeff是传输光纤的有效面积。开发新型的超低损耗、大有效面积光纤(ULA)成为业内的热点。
目前制备超低损耗光纤的常用方法为VAD(气相轴向沉积)、MCVD(改进化学气相沉积)和PCVD(等离子化学气相沉积)等。目前MCVD、PCVD具有掺杂均匀性好的特点,但难以去除制备过程中的羟基引入,导致水峰超过0.5dB,VAD可制备低水峰超低损耗光纤,但掺杂均匀性较差,易导致掺杂过程中出现析晶现象。
发明内容
针对上述问题,本发明提供了一种超低损耗光纤制备方法,其通过优化掺杂工艺,实现了碱金属的均匀掺杂;同时包层采用掺F技术降低折射率,优化拉丝工艺,最终实现了超低损耗低水峰大有效面积光纤产品的开发。
一种超低损耗光纤制备方法,其预先制作光纤预制棒,之后将光纤预制棒拉丝形成光纤,其特征在于:所述光纤预制棒的制作步骤如下,预先通过VAD法制备芯棒,将超低损耗掺碱金属光纤制备过程中需使用碱金属中性盐作为原料,由富氧载气带入烧结炉芯管内进行碱金属掺杂,掺杂过程温度控制在1000-1800℃范围内,掺杂时间控制在2-6h,制备得到掺碱金属芯层,通过氢氟酸洗5-24h,碱金属掺杂浓度为20ppm-200ppm;之后使用分段式渗氟及分段式烧结,制备重掺氟自制包层,保证纵向及轴向的掺氟浓度均匀,根据对应的折射率差布置,相对折射率波动控制在1.2%以内,实现超低损耗光纤波导结构所对应的芯棒;之后在所述芯棒外包覆包层,形成光纤预制棒,最后将光纤预制棒拉丝形成光纤。
其进一步特征在于:
上述光纤预制棒的制备方法,由于采用VAD掺碱金属工艺,控制掺杂温度及掺杂时间,降低掺杂过程中产生的碱金属聚集析晶,保证掺杂轴向及径向均匀性,浓度差值控制在±5ppm以内;
所述芯棒通过如下步骤制备:将碱金属掺杂到松散体内,然后将所述松散体烧结成实心棒,再将所述实心棒去除外表层,形成芯棒。
所述掺杂的碱金属源选自碱金属盐,包含但不限为NaCl、KCl,KBr。
一种超低损耗光纤,其特征在于,其在1550nm的有效面积为110-150μm2,截止波长小于1530nm,光纤从中心到外依次包括芯层,第一包层,第二包层,第三包层,所述芯层从中心向外延伸的半径是R1,R1的范围8~11μm,所述芯层折射率差△n0的范围是-1x10-4~1x10-4,所述第一包层区的厚度是R2,R2的范围是6~8μm,所述第一包层区的相对折射率差△n1的范围是-6.0x10-3~-6.5x10-3;所述第二包层区的厚度是R3,R3的范围是7~9μm,所述第二包层区的相对折射率差△n2的范围是-4.0x10-3~-5.5x10-3,所述第三包层区的厚度是R4,光纤的外径是R1+2R2+2R3+2R4,第三包层区的相对折射率差△n3的范围是-2.5x10-3~-3.0x10-3。
其进一步特征在于:
所述芯层掺碱金属,常见但不限于为KCl、KBr、NaCl碱金属,碱金属掺杂浓度为20ppm-200ppm;
光纤在1550nm的衰减不大于0.160dB/km,光纤在1383nm的衰减不大于0.35dB/km。
采用本发明后,光纤传输***的性能直接体现在对光信号的OSNR改善上,根据OSNR的计算公式:OSNRout=Pch/(S*Pph*NF*Nspans)。其中OSNRout为光信噪比,Pch为入纤光功率,S再生段的损耗,Pph为放大器自激发(ASE)噪声,NF为放大器的噪声系数,Nspans为***的跨度数目。从上述影响***OSNR的光纤参数分别为Pch和S,其中Pch∝Aeff/n2 n2是传输光纤的非线性折射率,Aeff是传输光纤的有效面积;S∝α,α为该段光纤的衰减系数。通过上述公式分析,光传输***的OSNR与光纤的有效面积Aeff成正比,与光纤的非线性系数及衰减系数α成反比。本发明所对应的超低损耗大有效面积光纤,从设计上一方面增加了光纤的有效面积,另一方面降低光纤的衰减和非线性系数,从而提升光传输***的OSNR,改善***的传输性能;其通过优化掺杂工艺,实现了碱金属的均匀掺杂;同时包层采用掺F技术降低折射率,优化拉丝工艺,最终实现了超低损耗低水峰大有效面积光纤产品的开发。
附图说明
图1为本发明的一实施例的光纤的横截面结构示意图;
图2为本发明的一实施例的光纤的剖面设计结构示意图;
图3为一实施例的纤芯层的纵向方向的钾浓度分布图;
图4为一实施例的光纤谱损图;
图5为一实施例的光纤的剖面折射率分布图。
具体实施方式
一种超低损耗光纤制备方法,其预先制作光纤预制棒,之后将光纤预制棒拉丝形成光纤,光纤预制棒的制作步骤如下,预先通过VAD法制备芯棒,将超低损耗掺碱金属光纤制备过程中需使用碱金属中性盐作为原料,由富氧载气带入烧结炉芯管内进行碱金属掺杂,掺杂过程温度控制在1000-1800℃范围内,掺杂时间控制在2-6h,制备得到掺碱金属芯层,通过氢氟酸洗5-24h,碱金属掺杂浓度为20ppm-200ppm;之后使用分段式渗氟及分段式烧结,制备重掺氟自制包层,保证纵向及轴向的掺氟浓度均匀,根据对应的折射率差布置,相对折射率波动控制在1.2%以内,实现超低损耗光纤波导结构所对应的芯棒;之后在芯棒外包覆包层,形成光纤预制棒,最后将光纤预制棒拉丝形成光纤。
上述光纤预制棒的制备方法,由于采用VAD掺碱金属工艺,控制掺杂温度及掺杂时间,降低掺杂过程中产生的碱金属聚集析晶,保证掺杂轴向及径向均匀性,浓度差值控制在±5ppm以内;
芯棒通过如下步骤制备:将碱金属掺杂到松散体内,然后将松散体烧结成实心棒,再将实心棒去除外表层,形成芯棒。
掺杂的碱金属源选自碱金属盐,包含但不限为NaCl、KCl,KBr。
具体实施方法,将芯层***到内包掺氟管中形成芯棒;内芯棒为掺杂有碱金属的石英棒;芯层中的碱金属浓度分布均匀;
在芯棒外包覆包层,内包层为重掺氟石英管材,外包层为相对浅掺氟石英管材,两者存在氟浓度差,与芯层形成折射率差,实现光纤波动结构,形成光纤预制棒。
具体地,芯层通过如下步骤制备:采用VAD法,将碱金属中性盐作为原料,由富氧载气带入烧结炉芯管内进行碱金属掺杂,制备掺碱金属芯层;
在本实施例中,松散体的尺寸为φ150mm*1000mm。当然,可以理解的是,不限于此种尺寸,还可以是本领域技术人员认为合适的其他尺寸。
在本实施例中,碱金属源选自溴化钾。当然,可以理解的是,除了溴化钾,可以选取其他碱金属盐作为碱金属源。具体实施时由富氧载气带入烧结炉芯管内进行碱金属掺杂,掺杂过程温度控制在1600℃范围内,掺杂时间控制在3h,制备得到掺碱金属芯层,通过氢氟酸洗12h,碱金属掺杂浓度为80ppm。
使用分段式渗氟及分段式烧结,渗氟浓度为,渗氟时间为12h,制备重掺氟自制包层,第一包层相对折射率差达到-0.006,第二包层相对折射率差达到-0.004,第三包层相对折射率差达到-0.003,纵向及轴向的掺氟浓度均匀,根据图1所示波导结构,相对折射率波动控制在1.2%以内,实现超低损耗光纤波导结构。
利用PK2200对本发明的光纤的光学参数进行测试,并测试光纤在1550nm和1625nm波长不同弯曲半径下的附加损耗。测试结果表明,本发明光纤的光学参数如模场直径、截止波长和光纤损耗等方面可以做到完全符合ITU-T G.654.E标准的要求,1550nm的有效面积为150μm2
利用OTDR对光纤衰减进行测量,测量结果见表1。从表1中可以看出,1550nm波长处的衰减值≤0.160db/km,具有优异的衰减性能。
表1
拉丝长度(KM) | 1550衰减dB/KM |
24.41 | 0.164 |
48.42 | 0.159 |
72.43 | 0.157 |
96.44 | 0.158 |
120.45 | 0.153 |
144.46 | 0.153 |
168.47 | 0.152 |
192.48 | 0.153 |
216.49 | 0.153 |
240.5 | 0.154 |
264.51 | 0.152 |
288.52 | 0.151 |
312.53 | 0.153 |
336.54 | 0.154 |
360.55 | 0.152 |
384.56 | 0.153 |
408.57 | 0.152 |
432.58 | 0.155 |
456.59 | 0.158 |
480.6 | 0.157 |
504.61 | 0.162 |
一种超低损耗光纤,其在1550nm的有效面积为110-150μm2,截止波长小于1530nm,光纤从中心到外依次包括芯层,第一包层,第二包层,第三包层,芯层从中心向外延伸的半径是R1,R1的范围8~11μm,芯层折射率差差△n0的范围是-1x10-4~1x10-4,第一包层的厚度是R2,R2的范围是6~8μm,第一包层的相对折射率差△n1的范围是-6.0x10-3~-6.5x10-3;第二包层区的厚度是R3,R3的范围是7~9μm,第二包层区的相对折射率差△n2的范围是-4.0x10-3~-5.5x10-3,第三包层的厚度是R4,光纤的外径是R1+2R2+2R3+2R4它的值取决于光纤的设计,第三包层区的相对折射率差△n3的范围是-2.5x10-3~-3.0x10-3。
芯层掺碱金属,常见但不限于为KCl、KBr、NaCl碱金属,碱金属掺杂浓度为20ppm-200ppm;
光纤在1550nm的衰减不大于0.160dB/km,光纤在1383nm的衰减不大于0.35dB/km。
具体实施例中(见图1),芯棒包括内芯层1、以及包覆在芯层1外的第一包层2、第二包层3、第三包层4;芯层1为掺杂有碱金属的石英棒;第一包层2为重掺氟石英管;第二包层3及第三包层4同样为重掺氟石英管,光纤预制棒具有第一端、以及与第一端相对的第二端;从第一端到第二端,芯层的碱金属浓度递减,包层的掺氟浓度也递减。
碱金属是指IA族金属元素。碱金属优选选自Ru、CS、K、Na中一种。在本实施例中,碱金属选自钾。这样可以更进一步提高光纤的性能。
光纤预制棒采用单层芯层结构,碱金属在芯层径向及轴向均分布均匀,不易出现结晶,进一步降低光纤的瑞利散射,降低光纤损耗。
其原理如下:光纤传输***的性能直接体现在对光信号的OSNR改善上,根据OSNR的计算公式:OSNRout=Pch/(S*Pph*NF*Nspans)。其中OSNRout为光信噪比,Pch为入纤光功率,S再生段的损耗,Pph为放大器自激发(ASE)噪声,NF为放大器的噪声系数,Nspans为***的跨度数目。从上述影响***OSNR的光纤参数分别为Pch和S,其中Pch∝Aeff/n2 n2是传输光纤的非线性折射率,Aeff是传输光纤的有效面积;S∝α,α为该段光纤的衰减系数。通过上述公式分析,光传输***的OSNR与光纤的有效面积Aeff成正比,与光纤的非线性系数及衰减系数α成反比。本发明所对应的超低损耗大有效面积光纤,从设计上一方面增加了光纤的有效面积,另一方面降低光纤的衰减和非线性系数,从而提升光传输***的OSNR,改善***的传输性能;其通过优化掺杂工艺,实现了碱金属的均匀掺杂;同时包层采用掺F技术降低折射率,优化拉丝工艺,最终实现了超低损耗低水峰大有效面积光纤产品的开发。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种超低损耗光纤,其特征在于,其在1550nm的有效面积为110-150μm2,截止波长小于1530nm,光纤从中心到外依次包括芯层,第一包层,第二包层,第三包层,所述芯层从中心向外延伸的半径是R1,R1的范围8~11μm,所述芯层折射率差△n0的范围是-1x10-4~1x10-4,所述第一包层区的厚度是R2,R2的范围是6~8μm,所述第一包层区的相对折射率差△n1的范围是-6.0x10-3~-6.5x10-3;所述第二包层区的厚度是R3,R3的范围是7~9μm,所述第二包层区的相对折射率差△n2的范围是-4.00x10-3~-5.5x10-3,所述第三包层区的厚度是R4,光纤的外径是R1+2R2+2R3+2R4,第三包层区的相对折射率差△n3的范围是-2.5x10-3~-3.0x10-3;
在芯棒外包覆包层,内包层为重掺氟石英管材,外包层为相对浅掺氟石英管材,两者存在氟浓度差,与芯层形成折射率差、即为相对折射率差。
2.如权利要求1所述的一种超低损耗光纤,其特征在于:所述芯层掺碱金属具体为KCl、KBr、NaCl碱金属,碱金属掺杂浓度为20ppm-200ppm。
3.如权利要求1所述的一种超低损耗光纤,其特征在于:光纤在1550nm的衰减不大于0.160dB/km,光纤在1383nm的衰减不大于0.35dB/km。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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