一种超低衰减单模光纤的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种超低衰减单模光纤，包括有芯层和包绕芯层的包层，其特征在于所述的芯层半径r1为3.5～4.5μm，相对折射率Δn1为0.02～0.14％，所述的芯层为掺氯的二氧化硅玻璃层，芯层中氯的含量为0.4?2wt％，所述的包层为由内向外依次包绕芯层的内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2为8～10μm，相对折射率Δn2小于或等于?0.23％，所述的下陷内包层半径r3为10.5～17μm，相对折射率Δn3小于或等于?0.40％，所述的辅助外包包层半径r4为35～50μm，相对折射率Δn4小于或等于?0.23％，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃外包层。本发明不仅衰减低，而且芯包层设置合理，粘度匹配优，制作工艺简便。
【专利说明】
-种超低衰减单模光纤
技术领域
[0001 ]本发明设及到光通信领域，具体设及到一种超低衰减单模光纤。
【背景技术】
[0002] 目前光纤制造领域热点的是制备超低衰减新型单模光纤产品，所W找到一种有效 的方法降低光纤衰减系数，控制制造成本，对于光纤制造企业来说，都是非常巨大的挑战。 其主要困难在于W下=点:其一，如何降低衰减：目前主要的方法是降低光纤的瑞利散射系 数;其二，在获得超低衰减系数的同时，需要保证光纤各个光学参数满足口 U-T标准，主要指 MFD，色散，截止波长和弯曲性能控制在标准要求范围内：即在保证光纤超低衰减性能的同 时，其他光学参数必须控制在相应范围内；其=，光纤制造工艺简单可控，不显著增加光纤 制造成本。
[0003] 对于W上S个困难，首先从如何降低光纤的衰减来说。对于石英光纤，在600nm- ieOOnm的衰减主要来自于瑞利散射，由瑞利散射所引起的衰减QR可由下式计算：
[0004]
[0005] 式中，A为波长(皿），R为瑞利散射系数(dB/km/皿4) ;P为光强；当瑞利散射系数确 认时，B为相对应的常数。因而只要确定了瑞利散射系数R就可得到因瑞利散射所引起的衰 减aR(dB/km)。瑞利散射一方面是由于密度波动引起的，另一方面是由于浓度波动引起的。 因而瑞利散射系数R可表示为：
[0006] R = Rd+Rc
[0007] 上式中，Rd和Re分别表示由于密度波动和浓度波动所引起的瑞利散射系数变化。其 中Re为浓度波动因子，其主要受到光纤玻璃部分渗杂浓度的影响，理论上采用越少的Ge和F 或者其他渗杂，1?。越小，运也是采用纯娃忍设计，实现超低衰减性能的原因。
[000引但是需要注意到，瑞利散射系数中还包括另外一个参数RdnRd与玻璃的假想溫度Tf 相关，且伴随玻璃的结构变化和溫度变化而变化。玻璃的假想溫度Tf是表征玻璃结构一个 物理参数，定义为从某溫度T'将玻璃迅速冷却到室溫玻璃的结构不再调整而达到某平衡状 态对应的溫度。当T'〉Tf (玻璃的软化溫度），由于玻璃的粘度较小，玻璃结构易于调整，因而 每一瞬间玻璃均处于平衡状态，故Tf = T' ；当T'<Tg(玻璃的转变溫度），由于玻璃的粘度较 大，玻璃结构难于调整，玻璃的结构调整滞后于溫度变化，故Tf〉T ' ；当Tg<T' <Tf (玻璃的软化 溫度），玻璃趋向于平衡所需要的时间较短一些，具体与玻璃的组分和冷却速度有关，故Tf〉 1''或1。<1''。
[0009]虚拟溫度除了与光纤制备过程的热历史有关系外，光纤玻璃材料的组分对虚拟溫 度有着明显和直接的影响。具体而言，材料组分对光纤玻璃材料的粘度，热膨胀系数，冷却 过程的弛豫时间的影响，直接决定着光纤的虚拟溫度。需要注意的是，因为超低衰减光纤玻 璃部分一般分为几个部分，如典型的忍层，内包层和外包层，或更复杂的结构。所W对多个 部分之间材料的组分差异需要进行合理的匹配:第一保证光纤的光学波导，第二保证玻璃 在拉丝应力作用下被拉丝成光纤后，各层之间没有明显的缺陷，造成光纤衰减异常。
[0010] 如上所述，从光纤制备工艺来讲，降低光纤衰减系数有；种方法:第一种是尽量减 少忍层部分的渗杂，降低光纤瑞利散射的浓度因子。第二种是降低拉丝速度，增加光纤退火 过程，保证光纤预制棒在拉丝成光纤的过程中，缓慢降低溫度，从而降低光纤的虚拟溫度， 降低衰减。但是运种方法显著提高光纤制造成本，且缓慢退火过程对光纤衰减的贡献也很 大程度上受到光纤玻璃材料组分和预制棒制备热历史制约，所W使用运种方法降低衰减的 效果有限。第=种是合理设计光纤内部的材料组分匹配，即在少渗杂的基础上，需对光纤忍 层，内包层W及其他位置的玻璃材料进行合理的配比不仅保证在拉丝过程中，光纤各个位 置有合理的光学剖面匹配，也要保证光纤各个位置有合理的粘度，热膨胀，应力匹配。目前 在制造超低衰减光纤时，更多的是将注意力放在第一种和=种方法上。
[0011] 目前业内使用第=种方法制造超低衰减光纤时，一种主要的方法是使用纯娃忍设 计。纯娃忍设计是指忍层中没有进行错或者氣的渗杂。如上所述，没有错氣渗杂可W有效的 降低光纤的浓度因子，有利于降低光纤瑞利系数。但是使用纯娃忍设计也给光纤的光学波 导设计W及材料剖面设计带来很多挑战。在使用纯娃忍设计时，为了保证光纤的全反射，必 须使用相对较低折射率的F渗杂内包层进行匹配，W保证忍层和内包层之间保持足够的折 射率差异。但运种情况下，纯娃忍的忍层如果没有进行合理的材料设计，其粘度将相对较 高，而同时大量F渗杂的内包层部分粘度较低，造成光纤结构粘度匹配失衡，从而使纯娃忍 结构的光纤虚拟溫度迅速增加，造成光纤的Rd增加。运样就不仅抵消掉Rc降低带来的好处， 更可能造成光纤衰减反向异常。
[0012] 为解决运个问题，提出了在光纤的忍层中添加碱金属物质，利用碱金属离子对玻 璃材料的改性，优化了光纤的粘度W及热膨胀系数，使光纤忍层和内包层的玻璃材料相互 匹配，从而有效的降低了光纤的瑞利系数。如文献US20100195999A1中采用在忍层中添加碱 金属的方法，在保持光纤忍层纯娃忍的情况下，通过改变光纤忍层部分的粘度W及忍层结 构弛豫的时间，来解决粘度失配造成的Rd增加，从而整体降低光纤的瑞利散射系数。该种方 法虽然可W有效的降低光纤衰减，但相对工艺制备复杂，需要分多批次对忍棒进行处理，且 对碱金属渗杂浓度控制要求极高，且使用纯娃忍设计时，为了匹配纯娃忍的折射率，必须使 用氣渗杂玻璃作为外包层。氣渗杂玻璃的粘度非常小，且制造成本高昂，不利于制备大尺寸 的光纤预制棒和高速拉丝，所W不便于大规模制备。
[0013] 由于纯娃忍+纯氣外包层的设计存在种种不便，是否可W开发一种纯二氧化娃作 为外包层材料的超低衰减成为光纤制造领域的一个重要课题。但使用纯二氧化娃作为外包 层材料，对于超低衰减光纤的实现有两个重要的挑战需要解决。第一是光纤的波导设计。为 了保证光纤的波导传输，我们必须保证光纤的单模传输模式没有发生泄漏。如果参考常规 光纤的设计，在忍层进行折射率向上高渗杂，那么高渗杂剂会导致光纤的瑞利系数增加，无 法实现超低衰减。如果在忍层不使用高渗杂剂，或者少使用渗杂剂，如何保证光纤的波导和 其他光学参数就成为一个重要挑战。如文献CN201310394404提出一种超低衰减光纤的设 计，其使用了纯二氧化娃的外包层设计，但因为其使用的是典型的阶跃剖面结构，没有使用 下陷内包层设计优化光纤的弯曲，且其忍层和内包层没有进行材料组分优化，所W可能造 成预制棒制备时出现粘度失配，所W可W发现其衰减均大于0.170地Am且弯曲水平相对较 差D
[0014] 文献CN201510359450.4提出了一种非纯娃忍的超低衰减光纤剖面和材料设计。其 利用忍层少量的错氣共渗匹配内包层的氣渗杂玻璃，优化了材料的组分设计，一定程度上 降低了光纤的瑞利散射系数;利用相对较低的下陷内包层和辅助内包层材料，实现了光纤 的单模传输;利用了忍层同光纤各个部分之间的粘度和热应力，膨胀系数的差异，实现了较 低的密度波动，减少了界面之间的缺陷。需要注意的是，该设计的外包层材料中含有一定量 的金属离子，从而整体提高了外包层的粘度，降低了外包层材料的折射率，运一定程度上有 助于实现材料粘度和应力的匹配设计，但也增加了光纤整体材料的密度波动系数。我们注 意到该设计的衰减水平均大于0.162地Am,如不能解决忍层的错氣共渗杂引起的浓度因子 增加 W及继续降低忍层的粘度;并解决外包层较高粘度同辅助内包层粘度的失配，该方案 很难继续降低光纤的衰减。
【发明内容】
[0015] W下为本发明中设及的一些术语的定义和说明：
[0016] ppm:百万分之一的重量比；
[0017] 相对折射率Ani:
[0018] 光纤各层相对折射率A m由W下方程式定义，
[0019]
[0020] 其中m为光纤特定位置的绝对折射率，而n。为合成纯石英玻璃外包层的绝对折射 率，即没有进行Ge或F渗杂的合成纯二氧化娃绝对折射率。
[0021] 光缆截止波长入CC:
[0022] IEC(国际电工委员会)标准60793-1-44中定义:光缆截止波长Acc是光信号在光纤 中传播了 22米之后不再作为单模信号进行传播的波长。在测试时需通过对光纤绕一个半径 14cm的圈，两个半径4cm的圈来获取数据。
[0023] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种超低衰 减单模光纤，它不仅衰减低，而且忍包层设置合理，粘度匹配优，制作工艺简便。
[0024] 本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为:包括有忍层和包绕忍层的包 层，其特征在于所述的忍层半径rl为3.5~4.5凹1，相对折射率A nl为0.02~0.14%，所述的 忍层为渗氯的二氧化娃玻璃层，忍层中氯的含量为〇.4-2wt% (重量百分比），所述的包层为 由内向外依次包绕忍层的内包层、下陷内包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2 为8~10皿，相对折射率A n2小于或等于-0.23%，所述的下陷内包层半径r3为10.5~17皿， 相对折射率A n3小于或等于-0.40%，所述的辅助外包包层半径r4为35~50曲1，相对折射率 A n4小于或等于-0.23%，所述的外包层为纯二氧化娃玻璃外包层。
[00巧]按上述方案，所述的内包层相对折射率A n2为-0.23~-0.38 %。
[0026] 按上述方案，所述的下陷内包层为渗氣的二氧化娃玻璃层，相对折射率A扣为- 0.40 ~-0.58%。
[0027] 按上述方案，所述的辅助外包层为渗氣的二氧化娃玻璃层，相对折射率A 114为- 0.23 ~-0.52%。
[00%] 按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.165dB/km，优选 条件下，小于或等于0.160地/km。
[00巧]按上述方案，所述光纤在1310nm波长处的模场直径为8.7~9.5皿。
[0030] 按上述方案，所述光纤的成缆截止波长等于或小于1260nm。
[0031] 按上述方案，所述光纤的零色散点为1300~1324nm。
[0032] 本发明基于W下的研究:在忍层部分进行高浓度的氯渗杂可W实现类似于碱金属 离子对玻璃材料的改性。在光纤忍层位置渗杂大于SOOOppm的氯离子，可W提高光纤的折射 率，降低光纤的粘度，加速玻璃的结构弛豫。更需要注意的是，氯离子浓度对光纤的浓度因 子贡献不明显，所W适当的提高忍层玻璃材料的氯离子浓度，结合匹配设计的内包层材料 组分设计，可W有效的降低光纤的衰减系数;从而使外包层材料组分的优化，更加容易控 审IJ，不必采用Al和其他金属离子增加外包层材料的粘度。即：采用氯渗杂的纯娃忍设计，降 低光纤忍层的粘度;设计合理的内包层渗杂，匹配忍层的弛豫时间；利用下陷内包层设计， 优化光学波导;设计合理的忍层，内包层，下陷内包层W及辅助内包层氣渗杂浓度解决光纤 内部粘度匹配;最后利用较硬的纯二氧化娃外包层结构承担光纤主要拉丝张力，减少光纤 拉丝张力引起的应力缺陷。
[0033] 本发明的有益效果在于：1、通过对忍层，W及内包层和下陷内包层，辅助外包层， 外包层进行不同材料组分设计，优化光纤各个部分粘度设计和光纤应力剖面，来实现单模 光纤的超低衰减性能;2、使用氯渗杂的纯娃忍层匹配纯二氧化娃玻璃外包层减少了渗杂工 艺控制难度，降低了光纤制作成本;3、忍层为氯渗杂的纯娃忍层，降低了忍层粘度;通过合 理设计忍层和内包层材料，降低忍层和内包层玻璃材料在光纤制备过程中结构弛豫时间失 配，减少了界面缺陷；4、在忍层和外包层中间位置，通过下陷外包层设计，抑制基模截止问 题，改善光纤波导传输条件;5、用纯二氧化娃外包层结构承担光纤拉丝张力，减少因应力引 起的界面位置缺陷。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明的光纤折射率剖面示意图。
【具体实施方式】
[0035] W下结合具体实施例对本发明进行详细描述。
[0036] 光纤包括忍层、内包层、下陷内包层、辅助内包层和外包层组成。忍层由渗氯的二 氧化娃石英玻璃组成；内包层紧密围绕忍层;下陷内包层紧密围绕内包层，由渗氣二氧化娃 石英玻璃组成;下陷内包层外包绕辅助外包层，辅助外包层为渗氣的二氧化娃玻璃层;光纤 预制棒最外层由纯二氧化娃玻璃组成，外包层半径为62.5]im。
[0037] 表1所列为本发明优选实施例的忍层材料组分、各部分折射率剖面参数和对应的 衰减系数。
[00；3引 表1
【主权项】
1. 一种超低衰减单模光纤，包括有芯层和包绕芯层的包层，其特征在于所述的芯层半 径rl为3.5~4.5μπι，相对折射率Δ nl为〇. 02~0.14%，所述的芯层为掺氯的二氧化硅玻璃 层，芯层中氯的含量为〇.4-2wt%，所述的包层为由内向外依次包绕芯层的内包层、下陷内 包层、辅助外包层和外包层，所述的内包层半径r2为8~ΙΟμπι，相对折射率△ n2小于或等于-0.23%，所述的下陷内包层半径r3为10.5~17μπι，相对折射率Δ n3小于或等于-0.40%，所 述的辅助外包包层半径r4为35~50μηι，相对折射率△ η4小于或等于-0.23%，所述的外包层 为纯二氧化硅玻璃外包层。2. 按权利要求1所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的内包层相对折射率Δη2 为-0.23 ~-0.38 %。3. 按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的下陷内包层为掺氟的 二氧化硅玻璃层，相对折射率A η3为-0.40~-0.58 %。4. 按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的辅助外包层为掺氟的 二氧化硅玻璃层，相对折射率A η4为-0.23~-0.52 %。5. 按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的 衰减系数小于或等于〇. 165dB/km。6. 按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的 衰减系数小于或等于〇. 160dB/km。7. 按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述光纤在1310nm波长处的 模场直径为8.7~9.5μηι。8. 按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述光纤的成缆截止波长等 于或小于1260nm〇9. 按权利要求1或2所述的超低衰减单模光纤，其特征在于所述光纤的零色散点为1300 ~1324nm〇
【文档编号】G02B6/036GK106019470SQ201610415510
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】张磊, 朱继红, 吴俊 , 李鹏, 汪洪海, 王瑞春
【申请人】长飞光纤光缆股份有限公司