一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种低损耗大有效面积单模光纤及其制造方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]在lOOG/s以及更高速的长距离光通信系统中，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，现代长距离光通信系统通常运行在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83 μ m2;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。
[0003]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(MCVDjFCVD)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。
[0004]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-2.5xl0_3。MCVD和PCVD虽然能制造折射率差低于_5xl0_3的掺氟石英，由于其低沉积速率(I?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。
[0005]自从上世纪80年代提出纯娃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娃芯光纤仅用于无中继海底传输系统。
[0006]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。[0007]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(IOmm-半径I圈)大大高于ldB。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。
[0008]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5μπι左右。而折射率差低于_4.6Χ10_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】
[0009]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100~185 μ m2 ;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, IOmm半径-1圈的宏弯损耗小于5dB或小于ldB、30mm半径-100圈的宏弯损耗小于0.1dB或小于0.05dB。
[0010]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100~185 μ m2,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R115 R1的范围4~9μπι，其典型值是5.7~8.2μπι。纤芯区折射率差的和光纤的半径r有以下关系:
【权利要求】
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100~185 μ m2，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4~9μπι，其典型值是5.7~8.2 μ m，纤芯区折射率差的和光纤的半径r有以下关系:
2.根据权利要求1所述的单模光纤，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:
3.根据权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，纤芯区最高折射率差低于4xlCT3,光纤在1550nm的衰减不大于0.185dB/km。
4.根据权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，纤芯区最高折射率差低于3xlCT3,光纤在1550nm的衰减不大于0.175dB/km。
5.根据权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，光纤内包层的有效折射率:
6.根据权利要求1或5所述的单模光纤，其特征在于，波导有效折射率差石μ>3.8x10 3,在波长1625nm, 30mm半径-100圈的宏弯损耗不大于0.05dB, IOmm半径-1圈的宏弯损耗不大于ldB。
7.根据权利要求1或5所述的单模光纤，其特征在于，波导有效折射率差系^>3.25x10 3,在波长1625nm, 30mm半径-100圈的宏弯损耗不大于0.1dB, IOmm半径-1圈的宏弯损耗不大于5dB。
8.权利要求1-7中任一项所述的单模光纤，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Sn(O)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1-7中任一项所述的单模光纤，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1-7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SiO2的原料，GeCl4作为掺锗GeO2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1-7中任一项所述的单模光纤，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I个喷灯制作，沟渠区由2个原料喷灯制作，采用SiCl4作为石英SiO2的原料，GeCl4作为掺锗GeO2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。
【文档编号】G02B6/02GK103955020SQ201410155052
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】蒋新力, 周慧, 陈金文, 徐希凯, 钱本华 申请人:中天科技精密材料有限公司