一種超低衰減大有效面積的單模光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有超低衰減且大有效面積的單模 光纖。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速增長，運(yùn)營商對于傳輸容量的需求不斷提高，現(xiàn)網(wǎng)中 單纖容量已逐漸在逼近極限值lOOTbps。100G傳輸系統(tǒng)已開始進(jìn)入商用元年。如何在100G 傳輸信號的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加傳輸容量，是各系統(tǒng)設(shè)備商和運(yùn)營商關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0003] 在100G和超100G系統(tǒng)中，接收端采用相干接收及數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP)，能夠 在電域中數(shù)字補(bǔ)償整個傳輸過程中累積的色散和偏振模色散（PMD);信號通過采用偏振模 復(fù)用和各種高階調(diào)制方式來降低信號的波特率，例如PM-QPSK、PDM-16QAM、PDM-32QAM，甚至 PDM-64QAM和C0-0FDM。然而高階調(diào)制方式對非線性效應(yīng)非常敏感，因此對光信噪比（0SNR) 提出了更高的要求。引入低損耗大有效面積光纖，能為系統(tǒng)帶來提高0SNR和降低非線性效 應(yīng)的效果當(dāng)采用高功率密度系統(tǒng)時，非線性系數(shù)是用于評估非線性效應(yīng)造成的系統(tǒng)性能優(yōu) 劣的參數(shù)，其定義為n2/A rff。其中，n2是傳輸光纖的非線性折射指數(shù)，Arff是傳輸光纖的有 效面積。增加傳輸光纖的有效面積，能夠降低光纖中的非線性效應(yīng)。
[0004] 目前，用于陸地傳輸系統(tǒng)線路的普通單模光纖，其有效面積僅約80um2左右。而在 陸地長距離傳輸系統(tǒng)中，對光纖的有效面積要求更高，一般的有效面積在l〇〇um 2以上。為 了降低鋪設(shè)成本，盡可能的減少中繼器的使用，在無中繼傳輸系統(tǒng)，如海底傳輸系統(tǒng)，傳輸 光纖的有效面積最好在130um 2以上。然而，目前大有效面積光纖的折射率剖面的設(shè)計(jì)中， 往往通過增大用于傳輸光信號的光學(xué)芯層的直徑來獲得大的有效面積。該類方案存在著一 定的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。一方面，光纖的芯層和靠近它的包層主要決定光纖的基本性能，并在光纖制 造的成本中占據(jù)較大的比重，如果設(shè)計(jì)的徑向尺寸過大，必然會提高光纖的制造成本，抬高 光纖價格，將成為此類光纖普遍應(yīng)用的障礙。另一方面，相比普通單模光纖，光纖有效面積 的增大，會帶來光纖其它一些參數(shù)的惡化：比如，光纖截止波長會增大，如果截止波長過大 則難以保證光纖在傳輸波段中光信號的單模狀態(tài)；此外，光纖折射率剖面如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，還 會導(dǎo)致彎曲性能、色散等參數(shù)的惡化。
[0005] 另一種限制長距離大容量傳輸?shù)墓饫w特性就是衰減，目前常規(guī)的G. 652. D光纖的 衰減一般在〇. 20dB/km，激光能量在經(jīng)過長距離傳輸后逐漸減小，所以需要采用中繼的形式 對信號再次放大。而相對與光纖光纜的成本，中繼站相關(guān)設(shè)備和維護(hù)成本在整個鏈路系統(tǒng) 的70%以上，所以如果涉及一種低衰減或者超低衰減光纖，就可以有效的延長傳輸距離，減 少建設(shè)和維護(hù)成本。經(jīng)過相關(guān)計(jì)算，如果將光纖的衰減從〇. 20降低到0. 16dB/km，整個鏈 路的建設(shè)成本將總體降低30%左右。
[0006] 綜上所述，開發(fā)設(shè)計(jì)一種超低衰減大有效面積光纖成為光纖制造領(lǐng)域的一個重要 課題。文獻(xiàn)US2010022533提出了一種大有效面積光纖的設(shè)計(jì)，為了得到更低的瑞利系數(shù)， 其采用純硅芯的設(shè)計(jì)，在芯層中沒有進(jìn)行鍺和氟的共摻雜，并且其設(shè)計(jì)采用摻氟的二氧化 硅作為外包層。對于這種純硅芯的設(shè)計(jì)，其要求光纖內(nèi)部必須進(jìn)行復(fù)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(fù)雜。
[0007] 文獻(xiàn)EP2312350提出了一種非純硅芯設(shè)計(jì)的大有效面積光纖設(shè)計(jì)，其采用階梯狀 下陷包層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且有一種設(shè)計(jì)采用純二氧化硅外包層結(jié)構(gòu)，相關(guān)性能能夠達(dá)到大有效 面積光纖G. 654. B和D的要求。但在其設(shè)計(jì)中氟摻雜的包層部分最大半徑為36 y m，雖然可 以保證光纖的截止波長小于等于1530nm，但受到其較小氟摻雜半徑的影響，光纖的微觀和 宏觀彎曲性能變差，所以在光纖成纜過程中，會導(dǎo)致衰減增加，在其文獻(xiàn)中也未提及相關(guān)彎 曲性能。
[0008] 文獻(xiàn)CN10232392A描述了一種具有更大有效面積的光纖。該發(fā)明所述光纖的有效 面積雖然達(dá)到了 150 ym2以上，但卻因?yàn)椴捎昧顺Ｒ?guī)的鍺和氟共摻方式的芯層設(shè)計(jì)，且通過 犧牲了截止波長的性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的。其允許光纜截止波長在1450nm以上，在其所述實(shí)施例 中，成纜截止波長甚至達(dá)到了 1800nm以上。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，過高的截止波長難以保證光 纖在應(yīng)用波段中得到截止，便無法保證光信號在傳輸時呈單模狀態(tài)。因此，該類光纖在應(yīng) 用中可能面臨一系列實(shí)際問題。此外，該發(fā)明所列舉的實(shí)施例中，下陷包層外徑&最小為 16. 3 ym，同樣有所偏大。該發(fā)明沒有能夠在光纖參數(shù)（如，有效面積、截止波長等）和光纖 制造成本中得到最優(yōu)組合。
[0009] 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(jìn)行超低衰減 光纖工藝設(shè)計(jì)的可行性。但是受到光纖波導(dǎo)設(shè)計(jì)限制因素的影響，如果使用純二氧化硅作 為外包層材料的話，如何在這樣的設(shè)計(jì)下，控制光纖的光學(xué)參數(shù)，是我們面臨的挑戰(zhàn)。
[0010] 因?yàn)槿绻褂脹]有氟摻雜的純二氧化硅作為外包層材料，會面臨3個問題。
[0011] 第一，抑制基模截止：在光纖波導(dǎo)設(shè)計(jì)中，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(shè)計(jì)的超低 衰減大有效面積光纖，因?yàn)橄鄬τ趥鹘y(tǒng)光纖，芯層直徑更大，就必須在外包層和芯層中間位 置，通過合理的光纖剖面設(shè)計(jì)，抑制基模泄露。
[0012] 一般傳統(tǒng)的大有效面積光纖均采用單一下陷包層結(jié)構(gòu)來優(yōu)化光纖玻璃部分的波 導(dǎo)。主要目的是，首先是利用下陷結(jié)構(gòu)來優(yōu)化MFD，獲得較大的有效面積，這是光學(xué)設(shè)計(jì)上最 常用的方法；其次就是因?yàn)榇笥行娣e光纖的芯層直徑一般比較大，從而造成光纖的彎曲 性能較差，所以利用下陷包層結(jié)構(gòu)優(yōu)化光纖的彎曲性能。
[0013] 單一下陷包層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造相對簡單，所以在普通的，尤其常規(guī)衰減系數(shù)的大 有效面積光纖設(shè)計(jì)中非常常見。但是如果在超低衰減大有效面積光纖設(shè)計(jì)中，尤其是采用 純二氧化硅材料作為外包層的超低衰減大有效面積光纖中，因?yàn)樾緦拥恼凵渎释兌趸?硅外包層的折射率差值不大，且大有效面積光纖設(shè)計(jì)的芯層直徑一般都非常大，就更容易 造成光纖波導(dǎo)設(shè)計(jì)中最頭痛的基模泄露，引起光纖長波長衰減異常。而常規(guī)解決手段，如增 加單一下陷包層的體積等方法又會造成光纖的截止波長超標(biāo)，所以找到一種更好的下陷包 層設(shè)計(jì)方法，也是實(shí)現(xiàn)超低衰減大有效面積光纖設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
[0014] 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(shè)計(jì)，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。利用單一下陷包層結(jié)構(gòu)或雙下陷包層結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)光纖波導(dǎo)優(yōu)化的同時，利用不 同下陷結(jié)構(gòu)摻雜的不同，更有利于光纖剖面粘度匹配設(shè)計(jì)。簡而言之，如果不采用下陷包層 設(shè)計(jì)，那么內(nèi)包層部分的粘度設(shè)計(jì)就只有一個梯度；采用單一下陷包層結(jié)構(gòu)，就可以增加一 個梯度；采用雙下陷包層結(jié)構(gòu)，就相當(dāng)于增加三個梯度（兩個下陷包層位置摻雜不一樣，下 陷包層與下陷包層之間的位置也可以使用特殊粘度設(shè)計(jì)）。
[0015] 第三，考慮光學(xué)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(fù) 責(zé)粘度匹配設(shè)計(jì)時，就限定了各個部分摻雜的濃度，而為了證光纖的光學(xué)參數(shù)滿足G652或 G654光纖的參數(shù)要求，既保證光纖的MFD，色散和彎曲性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，又要求我們必須 考慮光學(xué)剖面設(shè)計(jì)。這就要求我們在進(jìn)行粘度設(shè)計(jì)時，綜合考慮光纖的光學(xué)設(shè)計(jì)，增加了工 藝實(shí)現(xiàn)的難度。
[0016] 文獻(xiàn)US8515231B2提出一種雙下陷包層結(jié)構(gòu)的單模光纖，但是其采用的芯棒高 濃度Ge摻雜的設(shè)計(jì)，芯層直徑較小，所以不能達(dá)到超低衰減性能，且有效面積明顯小于 100 y m2,不能抑制光纖的非線性效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 以下為本發(fā)明中涉及的一些術(shù)語的定義和說明：
[0018] 相對折射率A ni:
[0019] 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纖芯 層，光纖的最外層即純二氧化硅層定義為光纖外包層。
[0020] 光纖各層相對折射率ai由以下方程式定義：
[0022] 其中叫為纖芯的折射率，而n。為最外包層折射率，即沒有進(jìn)行Ge或F摻雜的純二 氧化硅的折射率。
[0023] 光纖芯層Ge摻雜的相對折射率貢獻(xiàn)量A Ge由以下方程式定義，
[0025] 其中l(wèi)為假設(shè)纖芯的Ge摻雜物，在摻雜到?jīng)]有其他摻雜物的純二氧化硅中，引起 二氧化硅玻璃折射率的變化量，其中n。為最外包層折射率，即沒有進(jìn)行Ge