本發(fā)明涉及到光通信領(lǐng)域，具體涉及到一種超低衰減單模光纖。
背景技術(shù)：
：目前光纖制造領(lǐng)域熱點(diǎn)的是制備超低衰減新型單模光纖產(chǎn)品，所以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(duì)于光纖制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，都是非常巨大的挑戰(zhàn)。其主要困難在于以下三點(diǎn)：其一，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)；其二，在獲得超低衰減系數(shù)的同時(shí)，需要保證光纖各個(gè)光學(xué)參數(shù)滿足ITU-T標(biāo)準(zhǔn)，主要指MFD，色散，截止波長(zhǎng)和彎曲性能控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)：即在保證光纖超低衰減性能的同時(shí)，其他光學(xué)參數(shù)必須控制在相應(yīng)范圍內(nèi)；其三，光纖制造工藝簡(jiǎn)單可控，不顯著增加光纖制造成本。對(duì)于以上三個(gè)困難，我們首先從如何降低光纖的衰減來(lái)說(shuō)。對(duì)于石英光纖，在600nm-1600nm的衰減主要來(lái)自于瑞利散射，由瑞利散射所引起的衰減αR可由下式計(jì)算：式中，λ為波長(zhǎng)(μm)，R為瑞利散射系數(shù)(dB/km/μm4)；P為光強(qiáng)；當(dāng)瑞利散射系數(shù)確認(rèn)時(shí)，B為相對(duì)應(yīng)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αR(dB/km)。瑞利散射一方面是由于密度波動(dòng)引起的，另一方面是由于濃度波動(dòng)引起的。因而瑞利散射系數(shù)R可表示為：R＝Rd+Rc上式中，Rd和Rc分別表示由于密度波動(dòng)和濃度波動(dòng)所引起的瑞利散射系數(shù)變化。其中Rc為濃度波動(dòng)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，Rc越小，這也是目前國(guó)外某些企業(yè)采用純硅芯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)超低衰減性能的原因。但是我們需要注意到，瑞利散射系數(shù)中還包括另外一個(gè)參數(shù)Rd。Rd與玻璃的假想溫度TF相關(guān)，且伴隨玻璃的結(jié)構(gòu)變化和溫度變化而變化。玻璃的假想溫度TF是表征玻璃結(jié)構(gòu)一個(gè)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(jié)構(gòu)不再調(diào)整而達(dá)到某平衡狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度。當(dāng)T’>Tf(玻璃的軟化溫度)，由于玻璃的粘度較小，玻璃結(jié)構(gòu)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(dāng)T’<Tg(玻璃的轉(zhuǎn)變溫度)，由于玻璃的粘度較大，玻璃結(jié)構(gòu)難于調(diào)整，玻璃的結(jié)構(gòu)調(diào)整滯后于溫度變化，故TF>T’；當(dāng)Tg<T’<Tf(玻璃的軟化溫度)，玻璃趨向于平衡所需要的時(shí)間較短一些，具體與玻璃的組分和冷卻速度有關(guān)，故TF>T’或TF<T’。虛擬溫度除了與光纖制備過(guò)程的熱歷史有關(guān)系外，光纖玻璃材料的組分對(duì)虛擬溫度有著明顯和直接的影響。具體而言，材料組分對(duì)光纖玻璃材料的粘度，熱膨脹系數(shù)，冷卻過(guò)程的弛豫時(shí)間的影響，直接決定著光纖的虛擬溫度。需要注意的是，因?yàn)槌退p光纖玻璃部分一般分為幾個(gè)部分，如典型的芯層，內(nèi)包層和外包層，或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。所以對(duì)多個(gè)部分之間材料的組分差異需要進(jìn)行合理的匹配：第一保證光纖的光學(xué)波導(dǎo)，第二保證玻璃在拉絲應(yīng)力作用下被拉絲成光纖后，各層之間沒(méi)有明顯的缺陷，造成光纖衰減異常。如上所述，從光纖制備工藝來(lái)講，降低光纖衰減系數(shù)有三種方法：第一種是盡量減少芯層部分的摻雜，降低光纖瑞利散射的濃度因子。第二種是降低拉絲速度，增加光纖退火過(guò)程，保證光纖預(yù)制棒在拉絲成光纖的過(guò)程中，緩慢降低溫度，從而降低光纖的虛擬溫度，降低衰減。但是這種方法顯著提高光纖制造成本，且緩慢退火過(guò)程對(duì)光纖衰減的貢獻(xiàn)也很大程度上受到光纖玻璃材料組分和預(yù)制棒制備熱歷史制約，所以使用這種方法降低衰減的效果有限。第三種是合理設(shè)計(jì)光纖內(nèi)部的材料組分匹配，即但在少摻雜的基礎(chǔ)上，需對(duì)光纖芯層，內(nèi)包層以及其他位置的玻璃材料進(jìn)行合理的配比不僅保證在拉絲過(guò)程中，光纖各個(gè)位置有合理的光學(xué)剖面匹配，也要保證光纖各個(gè)位置有合理的粘度，熱膨脹，應(yīng)力匹配。目前業(yè)內(nèi)使用第三種方法制造超低衰減光纖時(shí)，一種主要的方法是使用純硅芯設(shè)計(jì)。純硅芯設(shè)計(jì)是指芯層中沒(méi)有進(jìn)行鍺或者氟的摻雜。如上所述，沒(méi)有鍺氟摻雜可以有效的降低光纖的濃度因子，有利于降低光纖瑞利系數(shù)。但是使用純硅芯設(shè)計(jì)也給光纖的光學(xué)波導(dǎo)設(shè)計(jì)以及材料剖面設(shè)計(jì)帶來(lái)很多挑戰(zhàn)。在使用純硅芯設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證光纖的全反射，必須使用相對(duì)較低折射率的F摻雜內(nèi)包層進(jìn)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。但這種情況下，純硅芯的芯層如果沒(méi)有進(jìn)行合理的材料設(shè)計(jì)，其粘度將相對(duì)較高，而同時(shí)大量F摻雜的內(nèi)包層部分粘度較低，造成光纖結(jié)構(gòu)粘度匹配失衡，從而使純硅芯結(jié)構(gòu)的光纖虛擬溫度迅速增加，造成光纖的Rd增加。這樣就不僅抵消掉Rc降低帶來(lái)的好處，更可能造成光纖衰減反向異常。從以上說(shuō)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(wèn)題，文獻(xiàn)US20100195966A1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(guò)改變光纖芯層部分的粘度以及芯層結(jié)構(gòu)弛豫的時(shí)間，來(lái)解決粘度失配造成的Rd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(duì)工藝制備復(fù)雜，需要分多批次對(duì)芯棒進(jìn)行處理，且對(duì)堿金屬摻雜濃度控制要求極高，不利于光纖大規(guī)模制備。文獻(xiàn)CN201310394404提出一種超低衰減光纖的設(shè)計(jì)，其使用了純二氧化硅的外包層設(shè)計(jì)，但因?yàn)槠涫褂玫氖堑湫偷碾A躍剖面結(jié)構(gòu)，沒(méi)有使用下陷內(nèi)包層設(shè)計(jì)優(yōu)化光纖的彎曲，且其芯層沒(méi)有使用Ge進(jìn)行摻雜，所以可能造成預(yù)制棒制備時(shí)出現(xiàn)粘度失配，所以可以發(fā)現(xiàn)其衰減和彎曲水平，相對(duì)較差。文獻(xiàn)CN104991306A提出了一種光纖設(shè)計(jì)，其使用的是典型的階躍剖面結(jié)構(gòu)，芯層進(jìn)行了鍺和氟的共摻，使用下陷內(nèi)包層設(shè)計(jì)優(yōu)化光纖的彎曲，外包層使用的是純二氧化硅的設(shè)計(jì)。該剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)光纖參數(shù)影響因素較多，尤其是對(duì)于光纖的色散較難以控制，并且其文中所述光纖沒(méi)有涉及到光纖在各波段的色散系數(shù)以及光纖微彎性能。且由于其采用雙外包層概念，在純二氧化硅外包材和氟摻雜外包層的界面，在拉絲或制備過(guò)程中，不可避免摻雜界面缺陷，將會(huì)影響光纖衰減性能的降低。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：以下為本發(fā)明中涉及的一些術(shù)語(yǔ)的定義和說(shuō)明：ppm：百萬(wàn)分之一的重量比；從光纖纖芯中軸線開(kāi)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，光纖的最外層定義為光纖外包層。相對(duì)折射率Δni：光纖各層相對(duì)折射率Δni由以下方程式定義，其中ni為光纖某特定位置的絕對(duì)折射率，而nc為純二氧化硅的絕對(duì)折射率。光纜截止波長(zhǎng)λcc：IEC(國(guó)際電工委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)60793-1-44中定義：光纜截止波長(zhǎng)λcc是光信號(hào)在光纖中傳播了22米之后不再作為單模信號(hào)進(jìn)行傳播的波長(zhǎng)。在測(cè)試時(shí)需通過(guò)對(duì)光纖繞一個(gè)半徑14cm的圈，兩個(gè)半徑4cm的圈來(lái)獲取數(shù)據(jù)。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足提供一種超低衰減單模光纖，它通過(guò)對(duì)芯包層進(jìn)行不同材料組分設(shè)計(jì)，優(yōu)化光纖各個(gè)部分粘度和光纖應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)單模光纖的超低衰減性能。本發(fā)明為解決上述提出的問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：包括有芯層和包層，其特征在于所述的芯層半徑r1為3～5μm，芯層的相對(duì)折射率Δn1為0～0.20％，芯層外從內(nèi)向外依次包覆內(nèi)包層，下陷內(nèi)包層和外包層，所述的內(nèi)包層半徑r2為6～10μm，相對(duì)折射率Δn2小于或等于-0.23％，所述的下陷內(nèi)包層半徑r3為10.5～20μm，相對(duì)折射率Δn3小于或等于-0.40％，所述外包層為全摻氟二氧化硅玻璃層，相對(duì)折射率Δn4小于或等于-0.23％。按上述方案，所述的芯層為鍺氟及堿金屬共摻的二氧化硅玻璃層，或鍺與堿金屬共摻的二氧化硅玻璃層，其中鍺的摻雜貢獻(xiàn)量為0.04％～0.08％，堿金屬的摻雜量按重量計(jì)為5～3000ppm；所述的下陷內(nèi)包層為氟摻雜二氧化硅玻璃層。按上述方案，所述芯層中摻入堿金屬的元素為鋰、鈉、鉀、銣、鈁中的一種或幾種。按上述方案，所述的內(nèi)包層相對(duì)折射率Δn2大于外包層相對(duì)折射率Δn4，外包層相對(duì)折射率Δn4大于下陷包層相對(duì)折射率Δn3，即Δn2>Δn4>Δn3。按上述方案，所述的內(nèi)包層的相對(duì)折射率Δn2為-0.23～-0.45％，下陷內(nèi)包層的相對(duì)折射率Δn3為-0.40～-0.65％，外包層的相對(duì)折射率Δn4為-0.25～-0.53％。按上述方案，所述光纖在1310nm波長(zhǎng)處的模場(chǎng)直徑為8.7-9.5μm。按上述方案，所述光纖的成纜截止波長(zhǎng)等于或小于1260nm。按上述方案，所述光纖的零色散點(diǎn)為1300-1324nm。按上述方案，所述光纖在1550nm波長(zhǎng)處的衰減系數(shù)小于或等于0.165dB/km，優(yōu)選條件下，小于或等于0.160dB/km。按上述方案，所述光纖外涂覆樹(shù)脂涂料層，包括有內(nèi)涂覆層和外涂覆層，所述的內(nèi)涂覆層外徑為150～220μm，內(nèi)涂覆層的楊氏模量為0.2～0.5MPa，外涂覆層外徑等于或大于230μm。按上述方案，所述光纖在1700nm波長(zhǎng)處的微彎損耗小于或等于4dB/km，優(yōu)選條件下，小于或等于2dB/km。本發(fā)明的有益效果在于：1、特有的粘度匹配設(shè)計(jì)：芯層為非純硅芯，具有鍺和氟共摻的特點(diǎn)，通過(guò)控制摻雜濃度從而優(yōu)化芯層粘度匹配；優(yōu)化光纖各個(gè)部分粘度和光纖應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)單模光纖的超低衰減性能；2、芯層進(jìn)行堿金屬摻雜工藝設(shè)計(jì)，有效降低芯層虛擬溫度；3、合理設(shè)計(jì)芯層和內(nèi)包層材料，降低芯層和內(nèi)包層玻璃材料在光纖制備過(guò)程中結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)間失配，減少界面缺陷；4、在芯層和外包層中間位置，通過(guò)下陷外包層設(shè)計(jì)，抑制基模截止問(wèn)題，改善光纖波導(dǎo)傳輸條件；5、使用摻氟二氧化硅外包層結(jié)構(gòu)，改變光纖材料各個(gè)部分的材料弛豫時(shí)間，從而改變光纖的虛擬溫度，并簡(jiǎn)化光纖剖面，實(shí)現(xiàn)光纖參數(shù)的穩(wěn)定控制；6、本發(fā)明的截止波長(zhǎng)、模場(chǎng)、衰耗、色散等綜合性能參數(shù)在應(yīng)用波段良好，滿足G.652.B光纖標(biāo)準(zhǔn)，并具有足夠小的微彎損耗，以保證該類光纖在成纜、敷設(shè)等條件下引起的附加損耗足夠小。附圖說(shuō)明圖1是一種本發(fā)明光纖玻璃部分的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。實(shí)施例中描述的預(yù)制棒主要包括兩部分：光纖芯棒以及中空合成的摻氟二氧化硅玻璃的大套管，光纖芯棒和大套管進(jìn)行組裝為光纖預(yù)制棒。光纖預(yù)制棒的芯棒包括纖芯層、內(nèi)包層和下陷內(nèi)包層。光纖芯層由鍺氟共摻，并摻有堿金屬材料的石英玻璃組成：內(nèi)包層緊密圍繞纖芯層；下陷內(nèi)包層由摻氟二氧化硅石英玻璃組成；光纖預(yù)制棒最外層由合成的摻氟二氧化硅玻璃組成。表1所列為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例的折射率剖面參數(shù)，K為芯層中鉀元素的含量。表2所示為所述光纖對(duì)應(yīng)的光纖參數(shù)。表1、本發(fā)明實(shí)施例的光纖剖面參數(shù)序號(hào)Δn1[％]K[ppm]r1[um]Δn2[％]r2[um]Δn3[％]r3[um]Δn4[％]10.01303.5-0.256.7-0.4911.5-0.2820.032003.7-0.298.1-0.413.5-0.3330.087603.9-0.338.8-0.4514.0-0.4240.069504.4-0.278.4-0.5813.0-0.2950.106504.1-0.279.2-0.4216.3-0.3360.1221003.7-0.238.4-0.5612.5-0.2670.091504.2-0.3810.0-0.4814.6-0.4580.0411004.1-0.409.2-0.5513.8-0.5190.037703.8-0.448.9-0.6112.9-0.47100.088904.0-0.316.6-0.512.1-0.32表2、本發(fā)明實(shí)施例的光纖參數(shù)當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3