一種摻雜優(yōu)化的超低衰減單模光纖的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光通信領域，具體涉及到一種摻雜優(yōu)化的超低衰減單模光纖。
【背景技術】
[0002] 目前光纖制造領域非常熱點的新型單模光纖產(chǎn)品主要有2種：一種是超低衰減 G652光纖，因為其衰減系數(shù)低，兼容性能好，成為未來新型光纖的代表之一；另外一種是大 有效面積G654光纖，其通過增加光纖的有效面積，抑制光纖傳輸時的非線性效應，從而更 適于長距離大容量傳輸系統(tǒng)。
[0003] 但不論對超低衰減G652還是大有效面積G654光纖，找到一種有效的方法降低光 纖衰減系數(shù)，控制制造成本，對于光纖制造企業(yè)來說，都是非常巨大的挑戰(zhàn)。其主要困難在 于以下三點：
[0004] 1.如何降低衰減：目前主要的方法是降低光纖的瑞利散射系數(shù)，方法是在制備過 程中對玻璃材料組分控制和玻璃熱力學變化過程進行控制；
[0005] 2.光纖制造工藝簡單可控，不顯著增加光纖制造成本：因為目前超低衰減工藝控 制復雜，尤其是目前常見的超低衰減純硅芯設計，為了保證光纖的全反射，包層采用全氟摻 雜外包層材料，制備工藝復雜，對光纖的成本影響非常大；
[0006] 3.在獲得超低衰減系數(shù)的同時，需要保證光纖各個光學參數(shù)滿足ITU-T標準，主 要指MFD，色散，截止波長和彎曲性能控制在標準要求范圍內(nèi)：即在保證光纖超低衰減性能 的同時，其他光學參數(shù)必須控制在相應范圍內(nèi)。
[0007] 對于以上三個困難，具體而言，我們首先從如何降低光纖的衰減來說。對于石英光 纖在600nm-1600nm的衰減主要來自于瑞利散射，由瑞利散射所引起的衰減a K可由下式計 算：
[0009] 式中，X為波長（ym)，R為瑞利散射系數(shù)（dB/km/ ym4) ;P為光強；當瑞利散射系 數(shù)確認時，B為相對應的常數(shù)。因而只要確定了瑞利散射系數(shù)R就可得到因瑞利散射所引 起的衰減a K(dB/km)。瑞利散射一方面是由于密度波動引起的，另一方面是由于濃度波動 引起的。因而瑞利散射系數(shù)R可表示為：
[0010] R = Rd+Rc
[0011] 上式中，Rd和R。分別表示由于密度波動和濃度波動所引起的瑞利散射系數(shù)變化。 其中R。為濃度波動因子，其主要受到光纖玻璃部分摻雜濃度的影響，理論上采用越少的Ge 和F或者其他摻雜，R。越小，這也是目前國外某些企業(yè)采用純硅芯設計，實現(xiàn)超低衰減性能 的原因。
[0012] 但是我們需要注意到，瑞利散射系數(shù)中還包括另外一個參數(shù)Rd。Rd與玻璃的假想 溫度T F相關，且伴隨玻璃的結構變化和溫度變化而變化。玻璃的假想溫度T F是表征玻璃結 構一個物理參數(shù)，定義為從某溫度T'將玻璃迅速冷卻到室溫玻璃的結構不再調(diào)整而達到某 平衡狀態(tài)對應的溫度。當T'>Tf (玻璃的軟化溫度），由于玻璃的粘度較小，玻璃結構易于調(diào) 整，因而每一瞬間玻璃均處于平衡狀態(tài)，故TF= T' ；當T' <T g(玻璃的轉變溫度），由于玻璃 的粘度較大，玻璃結構難于調(diào)整，玻璃的結構調(diào)整滯后于溫度變化，故T F>T' ；當Tg〈T' <Tf (玻 璃的軟化溫度），玻璃趨向于平衡所需要的時間較短一些，具體與玻璃的組分和冷卻速度有 關，故TF>T'或以!'，。
[0013] 在使用純硅芯設計時，為了保證光纖的全反射，必須使用相對較低折射率的F摻 雜內(nèi)包層進行匹配，以保證芯層和內(nèi)包層之間保持足夠的折射率差異。這樣純硅芯的芯層 部分粘度相對較高，而同時大量F摻雜的內(nèi)包層部分粘度較低，從而造成光纖結構粘度匹 配失衡，從而使純硅芯結構的光纖虛擬溫度迅速增加，造成光纖的R d增加。這樣就不僅抵 消掉R。降低帶來的好處，更可能造成光纖衰減反向異常。
[0014] 從以上說明我們可以理解，為什么從理論上，不能單純利用降低芯層摻雜獲得超 低衰減系數(shù)。為了解決這種問題，文獻US20100195999A1中采用在芯層中添加堿金屬的方 法，在保持光纖芯層純硅芯的情況下，通過改變光纖芯層部分的粘度以及芯層結構弛豫的 時間，來解決粘度失配造成的R d增加，從而整體降低光纖的瑞利散射系數(shù)。但是該種方法 雖然可以有效的降低光纖衰減，但相對工藝制備復雜，需要分多批次對芯棒進行處理，且對 堿金屬摻雜濃度控制要求極高，不利于光纖大規(guī)模制備。
[0015] 文獻CN201310394404提出一種超低衰減光纖的設計，其使用了純二氧化硅的外 包層設計，但因為其使用的是典型的階躍剖面結構，沒有使用下陷內(nèi)包層設計優(yōu)化光纖的 彎曲，且其芯層沒有使用Ge進行摻雜，所以可能造成預制棒制備時出現(xiàn)粘度失配，并可發(fā) 現(xiàn)其衰減和彎曲水平相對較差。
[0016] 文獻US2010022533提出了一種光纖的設計，為了得到更低的瑞利系數(shù)，其采用純 硅芯的設計，在芯層中沒有進行鍺和氟的共摻雜，并且其設計采用摻氟的二氧化硅作為外 包層。對于這種純硅芯的設計，其要求光纖內(nèi)部必須進行復雜的粘度匹配，并要求在拉絲過 程中采用極低的速度，避免高速拉絲造成光纖內(nèi)部的缺陷引起的衰減增加，制造工藝及其 復雜。
[0017] 從以上的說明中我們可以發(fā)現(xiàn)，為了獲得降低衰減系數(shù)，如果使用純硅芯設計，或 者不摻雜Ge的芯層設計，必須嚴格控制芯層材料的組分，從而使其匹配外包層材料的粘 度，以減少光纖的R d增加。
[0018] 但眾所周知，控制芯層材料的組分，尤其是在內(nèi)部添加堿金屬或者其他降低光纖 虛擬溫度的元素，從工藝實現(xiàn)角度都非常復雜，從而造成光纖制造成本增加。除了在純硅芯 的芯層進行堿金屬摻雜外，是否可以通過外包層和內(nèi)包層的粘度設計，達到同樣的效果？ 我們知道，光纖芯層的虛擬溫度，會受到外包層材料組分的影響，所以通過外包層和內(nèi)包層 的粘度設計，尤其是通過對光纖玻璃部分的最外層，即外包層部分，進行金屬離子摻雜，可 以明顯的改變光纖材料各個部分的材料弛豫時間，從而改變光纖的虛擬溫度。所以在工藝 上可以使用非純硅芯概念，通過對光纖各個部分進行合理的粘度設計，可以找到一種簡單 芯層制備方法，從而實現(xiàn)超低衰減光纖。
[0019] 實現(xiàn)超低衰減光纖的第二個難題是控制成本。對于常見的超低衰減單模光纖設 計，其使用的全F摻雜的外包層設計。從光纖光學的角度上來說，這樣的設計相對簡單，只 要保證了外包層和芯層的折射率差值，就能滿足光纖的全反射要求。但是目前限制超低衰 減光纖制造成本的主要因素有三個：第一，目前主流的堿金屬工藝制造成本高，效率低；第 二，采用純摻F設計的預制棒尺寸較小，拉絲工藝復雜；第三，采用純F摻雜設計的光纖，因 為使用F摻雜工藝，制造成本非常高。按照目前市場價格進行初步估算，摻F套管價格是 純二氧化硅套管價格的5-8倍。按照F摻雜材料是純二氧化硅材料成本6倍的初步關系計 算，如果通過合理的工藝設計，適當減少F摻雜層的厚度，光纖制造成本將顯著降低。假設 只是從光纖直徑30微米到80微米位置使用F摻雜材料，80到125微米使用普通純二氧化 硅，則這種設計相對于傳統(tǒng)使用全F摻雜材料的超低衰減光纖設計，材料成本降低40% ;如 果從30微米到60微米使用F摻雜材料，60到125微米使用普通純二氧化硅，則材料成本降 低 65%。
[0020] 從上面的分析我們可以發(fā)現(xiàn)，存在使用非純硅芯和部分氟摻雜包層進行超低衰減 光纖工藝設計的可行性。但是受到前面兩個限制因素的影響，如何在這樣的設計下，控制光 纖的光學參數(shù)，是我們面臨的最后一個挑戰(zhàn)。
[0021] 因為如果使用沒有氟摻雜的純二氧化硅作為外包層材料，會面臨3個問題。
[0022] 第一，抑制基模截止：外包層材料和芯層材料折射率差值太小，會造成光纖基模泄 露，從而影響光纖的衰減。所以采用非摻F外包層材料設計的超低衰減光纖，必須在外包層 和芯層中間位置，通過合理的光纖剖面設計，抑制基模泄露。
[0023] 第二，考慮粘度匹配：如果外包層材料中沒有做任何的粘度優(yōu)化設計，其粘度與內(nèi) 包層和芯層粘度梯度失配，也會造成界面位置的缺陷以及虛擬溫度升高等問題，從而增加 光纖衰減。
[0024] 第三，考慮光學剖面匹配：如果使用純二氧化硅玻璃作為外包層材料，在考慮負 責粘度匹配設計時，就限定了各個部分摻雜的濃度，而為了證光纖的光學參數(shù)滿足G652或 G654光纖的參數(shù)要求，即保證光纖的MFD，色散和彎曲性能符合標準要求，又要求我們必須 考慮光學剖面設計。這就要求我們在進行粘度設計時，綜合考慮光纖的光學設計，增加了工 藝實現(xiàn)的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025] 以下為本發(fā)明中涉及的一些術語的定義和說明：
[0026] ppm :為百萬分之一的重量比；
[0027] 從光纖纖芯軸線開始算起，根據(jù)折射率的變化，定義為最靠近軸線的那層為光纖 的芯層，光纖的最外層即純二氧化硅層定義為光纖外包層。
[0028] 光纖各層相對折射率A ni由