一种大有效面积低损耗单模光纤制造技术

本发明专利技术提供了一种大有效面积低损耗单模光纤，其特征在于，由中心至外周依次包括：芯层、第一渐变层、第一内包层、第二内包层、第二渐变层、凹陷层、过渡层与外包层。与现有技术相比，本发明专利技术在芯层与凹陷层之间设计双渐变层及双内包层，一方面可减少芯层与凹陷层之间的应力突变，降低衰减；另一方面可以消除凹陷层对光纤关键性能，尤其是模场直径和光缆截止波长的影响，增加光纤模场直径，提供了一种新的大有效面积低损耗单模光纤的设计方法。

A large effective area and low loss single-mode fiber

【技术实现步骤摘要】
一种大有效面积低损耗单模光纤
本专利技术属于光通信
，尤其涉及一种大有效面积低损耗单模光纤。
技术介绍
光纤通信网络不断地向超长距离、超大容量、超高速率的“三超”方向发展。近年来，400Gbs高速光纤通信技术已逐步成熟，并开始进入实用领域。400Gbs传输技术不仅可以增加网络带宽，而且通过高阶调制技术，可实现单位比特的传输成本大幅降低。100Gbs及其以上的传输系统利用高阶调制模式和相干数字检测。在该系统中，色散和PMD可在电域数字化补偿，但这些系统受光纤非线性和光纤损耗的限制。主流的400Gbs技术采用16QAM调制方式，系统OSNR比100Gbs要求增加～6dB。计算和实验表明，如果采用传统的G.652光纤，400Gbs通信系统的无中继传输距离将只有100Gbs系统的四分之一(约600～800km)。由于中继再生站设备的价格非常昂贵，继续采用G.652光纤铺设400Gbs骨干网，网络和系统建设的成本将非常高昂，现有的G.652光纤已完全不能满足400Gbs技术的要求。为了适应和促进光纤通信系统快速发展的需求，作为光纤通信网络传输媒质的光纤的相关性能指标需进一步改进和优化。从光纤角度需要从以下两个方面改进，一方面是降低光纤衰减，从而降低整个链路的光功率损耗；另一方面是增加光纤有效面积，减小光纤非线性效应的影响并增加入纤光功率，从而提高系统光信噪比(OSNR)。2015年9月，IEC已通过了用于陆地通信的低损耗大有效面积G.654E光纤的新标准，其将成为400Gbs长途通信系统中的主要传输光纤。通信光纤的主要成分是SiO2。在传统的光纤预制棒制造过程中，通过掺入GeO2来提高芯层的折射率，掺入氟元素降低包层折射率。经过40年的努力，预制棒和光纤的制造工艺已经达到了极致。除SiO2的本征吸收外，掺杂GeO2的吸收和散射是通信光纤衰减的最主要来源，减少芯层GeO2含量是降低光纤衰减的主要方向。在采用低GeO2芯层或者纯二氧化硅芯层(纯硅芯)光纤设计中，为保证芯层与包层之间的折射率差值，包层通常使用氟掺杂来降低折射率。这样在预制棒热加工和拉丝过程中，芯层与包层之间的粘度/热膨胀系数出现倒置，造成光纤结构粘度/热膨胀系数匹配失衡，导致芯层和包层界面会产生较大应力，造成光纤衰减增加。并且，传统的纯硅芯光纤设计中(US8315495B2，WO2012/003120A1)，全部包层都采用深掺氟石英(折射率差小于-0.2％)。近期的实验和研究发现(CN104777553A)，只需要紧靠芯层的部分包层采用深掺氟石英，而外部包层可采用普通的高纯石英材料。采用高粘度的外包层材料设计不仅可以大幅度降低制造成本，还有利于降低拉丝过程中其它层(尤其是芯层))粘度，减小各个层之间的应力，提高拉丝速度(US20150370010A1)。但是如果深掺氟包层没有足够的厚度，波导损耗较大，在传输过程中，光信号将泄漏到外包层中，导致非常高的光纤衰减。多个发表的专利建议，纯硅芯G.654设计中，最小的深掺氟包层的半径是35μm。然而光信号的泄漏不仅取决于深掺氟厚度，也受到芯层折射率和截止波长等多种因素的影响。现有低损耗大有效面积光纤剖面设计一般采用阶跃状，但芯层和下陷层间由于掺杂浓度的迅速变化存在应力突变，容易引起附加衰减。公开号为CN103454719A的中国专利提出一种低损耗单模光纤的设计，其芯层无GeO2掺杂，但剖面为典型的阶跃型结构，没有采用相关过渡层或凹陷包层设计来优化芯包界面粘度/热膨胀系数及光纤的弯曲性能，导致该结构设计的光纤衰减和弯曲损耗性能相对较差。公开号为CN104749691A的中国专利介绍了一种芯层为Ge/F共掺的低损耗单模光纤，其剖面采用多层阶梯状下陷包层结构，但该结构对光纤弯曲损耗性能的改善不是很明显。尤其是当模场直径的要求较大时(>12.0μm)，不能同时满足IEEE标准中G.654E的截止波长和弯曲损耗的指标。另外，现有低损耗大有效面积光纤芯层一般采用Ge/F共掺，在芯层折射率差不变的情况下，可以通过平衡掺杂量和石英粘度实现最低的衰减。近几年，为了进一步减小或完全消除芯层中的掺Ge量，同时减小芯层和掺氟层之间的粘度差，在芯层中掺入微量碱金属(通常是K2O)已被广泛研究，微量的K2O虽可显著地降低石英玻璃的粘度，并在拉丝过程中通过K2O气化扩散，消除石英玻璃中存在的结构缺陷，有利于降低瑞利散射，但是由于K2O的易吸潮不稳定性，浓度过高将导致光纤的抗氢老损和抗辐射性能的迅速恶化。而且由于KCl极易水解，光纤材料中即使含有微量KCl结晶都将使光纤强度变差。为了防止KCl的生成，在掺K2O过程中要求所有原料的氯元素含量都必须小于50PPm，所以K2O掺杂过程非常复杂，且浓度控制困难，难以实现规模化重复性生产。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种大有效面积低损耗单模光纤，该单模光纤可实现物理性能和掺杂浓度的渐变，进而减少应力突变，降低衰减。本专利技术提供了一种大有效面积低损耗单模光纤，由中心至外周依次包括：芯层、第一渐变层、第一内包层、第二内包层、第二渐变层、凹陷层、过渡层与外包层；所述芯层的半径R1为5～7μm；芯层与外包层的相对折射率差△1为0～0.2％；所述第一渐变层的半径为R2，其厚度R2-R1为0.3～1.5μm；第一渐变层与外包层的相对折射率差△2沿中心外延方向逐渐减小，以中位线计，△2为0～0.15％；所述第一内包层的半径为R3，其厚度R3-R2为1～3μm；第一内包层与外包层的相对折射率差△3为-0.04％～0.04％；所述第二内包层的半径为R4，其厚度R4-R3为3～6μm；第二内包层与外包层的相对折射率差△4为-0.15％～-0.25％；所述第二渐变层的半径为R5，其厚度R5-R4为1～6μm；第二渐变层与外包层的相对折射率差△5沿中心外延方向逐渐减小，以中位线计，△5为-0.2％～-0.3％；所述凹陷层的半径为R6，其厚度R6-R5为2～6μm；凹陷层与外包层的相对折射率差△6为-0.3％～-0.4％；所述过渡层的半径为R7，其厚度R7-R6为5～15μm；过渡层与外包层的相对折射率差△7为-0.1％～0％；所述外包层的半径为R8，R8为60～65μm。优选的，所述所述第一渐变层中距离光纤中心半径为r处与外包层的相对折射率差为△2(r)；其中，R1＜r＜R2；0.2≤β＜3。优选的，所述第二渐变层中距离光纤中心半径为r′处与外包层的相对折射率差为△5(r′)；其中，R4＜r′＜R5；0.5≤γ≤2。优选的，所述芯层为掺杂有元素F、P与GeO2的二氧化硅玻璃层；芯层中F的摩尔掺杂浓度为0.01％～0.3％；P的摩尔掺杂浓度为0.01％～0.3％；GeO2的摩尔掺杂浓度为0.1％～1％；所述第一渐变层中F的摩尔掺杂浓度为0.1％～0.5％；P的摩尔掺杂浓度为0.01％～0.3％；GeO2的摩尔掺杂浓度为0.1％～1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大有效面积低损耗单模光纤，其特征在于，由中心至外周依次包括：芯层、第一渐变层、第一内包层、第二内包层、第二渐变层、凹陷层、过渡层与外包层；/n所述芯层的半径R1为5～7μm；芯层与外包层的相对折射率差△1为0～0.2％；/n所述第一渐变层的半径为R2，其厚度R2-R1为0.3～1.5μm；第一渐变层与外包层的相对折射率差△2沿中心外延方向逐渐减小，以中位线计，△2为0～0.15％；/n所述第一内包层的半径为R3，其厚度R3-R2为1～3μm；第一内包层与外包层的相对折射率差△3为-0.04％～0.04％；/n所述第二内包层的半径为R4，其厚度R4-R3为3～6μm；第二内包层与外包层的相对折射率差△4为-0.15％～-0.25％；/n所述第二渐变层的半径为R5，其厚度R5-R4为1～6μm；第二渐变层与外包层的相对折射率差△5沿中心外延方向逐渐减小，以中位线计，△5为-0.2％～-0.3％；/n所述凹陷层的半径为R6，其厚度R6-R5为2～6μm；凹陷层与外包层的相对折射率差△6为-0.3％～-0.4％；/n所述过渡层的半径为R7，其厚度R7-R6为5～15μm；过渡层与外包层的相对折射率差△7为-0.1％～0％；/n所述外包层的半径为R8，R8为60～65μm。/n...

【技术特征摘要】
1.一种大有效面积低损耗单模光纤，其特征在于，由中心至外周依次包括：芯层、第一渐变层、第一内包层、第二内包层、第二渐变层、凹陷层、过渡层与外包层；
所述芯层的半径R1为5～7μm；芯层与外包层的相对折射率差△1为0～0.2％；
所述第一渐变层的半径为R2，其厚度R2-R1为0.3～1.5μm；第一渐变层与外包层的相对折射率差△2沿中心外延方向逐渐减小，以中位线计，△2为0～0.15％；
所述第一内包层的半径为R3，其厚度R3-R2为1～3μm；第一内包层与外包层的相对折射率差△3为-0.04％～0.04％；
所述第二内包层的半径为R4，其厚度R4-R3为3～6μm；第二内包层与外包层的相对折射率差△4为-0.15％～-0.25％；
所述第二渐变层的半径为R5，其厚度R5-R4为1～6μm；第二渐变层与外包层的相对折射率差△5沿中心外延方向逐渐减小，以中位线计，△5为-0.2％～-0.3％；
所述凹陷层的半径为R6，其厚度R6-R5为2～6μm；凹陷层与外包层的相对折射率差△6为-0.3％～-0.4％；
所述过渡层的半径为R7，其厚度R7-R6为5～15μm；过渡层与外包层的相对折射率差△7为-0.1％～0％；
所述外包层的半径为R8，R8为60～65μm。


2.根据权利要求1所述的大有效面积低损耗单模光纤，其特征在于，所述所述第一渐变层中距离光纤中心半径为r处与外包层的相对折射率差为△2(r)；



其中，R1＜r＜R2；0.2≤β＜3。


3.根据权利要求1所述的大有效面积低损耗单模光纤，其特征在于，所述第二渐变层中距离光纤中心半径为r′处与外包层的相对折射率差为△5(r′)；



其中，R4＜r′＜R5；0.5≤γ≤2。


4.根据权利要求1所述的大有效面积低损耗单模光纤，其特征在于，所述芯层为掺杂有元素F、P与GeO2的二氧化硅玻璃层；芯层中F的摩尔掺杂浓度为0.01...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋新力，王见青，沈一春，许维维，徐希凯，丁松，唐江，
申请(专利权)人：中天科技精密材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32