一種超低衰耗彎曲不敏感單模光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于光通信傳輸系統(tǒng)的超低衰減彎曲不敏感單模光纖，該光纖具 有超低衰耗，優(yōu)異的彎曲不敏感特性，且模場(chǎng)直徑兼容G. 657. A2標(biāo)準(zhǔn)，屬于光通信技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖通信因其具有容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用 于長途干線網(wǎng)到城域網(wǎng)以及接入網(wǎng)。光纖通信技術(shù)的發(fā)展，一直以來都是以更快的傳輸速 率、更大的容量以及更遠(yuǎn)的傳輸距離為目標(biāo)，從而不斷提升和改進(jìn)光纖的性能指標(biāo)以及光 纖的通信技術(shù)。特別是近幾年來，隨著IP業(yè)務(wù)量的爆炸式增長，通信網(wǎng)絡(luò)正開始向下一代 可持續(xù)發(fā)展的方向邁進(jìn)，而構(gòu)筑具有巨大傳輸容量的光纖基礎(chǔ)設(shè)施是下一代網(wǎng)絡(luò)的物理基 礎(chǔ)。為了滿足光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展需要，作為光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸媒質(zhì)的光纖的相關(guān)性能指 標(biāo)也需要進(jìn)一步改進(jìn)。
[0003] 光纖的衰減系數(shù)是光纖最重要的性能指標(biāo)之一，在很大程度上決定了光纖通信的 中繼距離。光纖的衰減系數(shù)越小，則其攜帶的光信號(hào)可傳輸距離就越遠(yuǎn)，而在同樣的傳輸距 離下，其攜帶的光信號(hào)衰減幅度就越小。降低衰減系數(shù)可以有效提高光纖通信中的光信噪 比OSNR，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量和傳輸距離。在長距離的光纖通信中，光信號(hào)是通過中 繼站來完成傳輸?shù)模绻饫w的衰減系數(shù)越小，光信號(hào)的無中繼傳輸距離就越遠(yuǎn)，那么就可 以增加中繼站之間的距離，從而大大減少中繼站的設(shè)置，降低運(yùn)營成本。因此，降低光纖的 衰減系數(shù)無論是從優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還是降低運(yùn)營成本方面，都具有非常重要的意義。而另一 方面，隨著近年來FTTX的不斷發(fā)展，原有G. 652光纖的性能已經(jīng)難以滿足用戶要求，實(shí)際應(yīng) 用環(huán)境要求光纖具有一定的抗彎曲性能，于是在G. 652光纖的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了新一代的 彎曲不敏感單模光纖--G. 657光纖，其中包含能夠兼容G. 652標(biāo)準(zhǔn)的G. 657. A類光纖和 不能兼容G. 652標(biāo)準(zhǔn)的G. 657. B類光纖。G. 657. A類光纖和G. 652. D光纖有很好的兼容性， 且其相對(duì)于普通G. 652. D光纖具有更好的抗彎曲性能，因此它被認(rèn)為是最有可能替代現(xiàn)有 G. 652光纖的產(chǎn)品之一。所以發(fā)明一種和G. 652標(biāo)準(zhǔn)兼容，并且具有更低衰減、相對(duì)較大模 場(chǎng)直徑同時(shí)還具有彎曲不敏感特性的新一代單模光纖成為通信光纖領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研宄熱 點(diǎn)。
[0004] 在光纖預(yù)制棒的制造過程中一般可以采用以下幾種方法來降低光纖衰減。比如， 采用更高純度的原材料，提高生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備密封性能降低外界雜質(zhì)引入的幾率，如專利 CN201110178833. 3即采用提高光纖預(yù)制棒沉積過程中的氣密性的方法，降低外界雜質(zhì)的引 入。或者采用更大外徑的預(yù)制棒制造工藝，通過大尺寸預(yù)制棒的稀釋效應(yīng)降低光纖的整體 衰減。另外，在光纖制造過程中，裸光纖表面涂層的涂覆工藝也是影響光纖衰減性能的一個(gè) 重要因素。但是，無論從理論上還是實(shí)際光纖制備中的成本和工藝控制上來講，降低光纖的 摻雜并優(yōu)化光纖的剖面是較簡單且有效的降低光纖衰減的方法。一般來說，摻雜材料的濃 度越低，則瑞利散射所引起的損耗越小。在傳統(tǒng)的單模光纖中，為了保證光纖中的全反射， 芯層和內(nèi)包層之間必須保證足夠的折射率差值，芯層的相對(duì)折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖的內(nèi)包 層；為了保證這樣的設(shè)計(jì)，必須在芯層中進(jìn)行大量的Ge或者Ge/F共摻形式的摻雜，而傳統(tǒng) 的光纖剖面設(shè)計(jì)中，激光能量在光纖剖面中成高斯分布形式分布，光纖激光能量有70%左 右在相對(duì)摻雜較多的芯層部分傳播，即高能量密度的激光傳輸集中在瑞利系數(shù)較大的高濃 度摻雜芯層中傳播。如果通過合理的光學(xué)剖面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一種能量非高斯分布的剖面，減少 高濃度摻雜芯層中能量的損失，就可以顯著降低光纖的衰減性能。
[0005] 但在這些常規(guī)G. 657光纖的剖面設(shè)計(jì)及制造方法中，芯層使用較大量的Ge/F共 摻，為了獲得最優(yōu)的宏彎性能，芯層的相對(duì)折射率一般都大于〇. 35%，即芯層Ge摻雜較多， 因此會(huì)帶來較大的瑞利散射從而增加光纖的衰減。
[0006] 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，且其芯層沒有使用Ge進(jìn)行摻雜，因此可能造成預(yù)制棒制備時(shí)出現(xiàn)粘度失配，可以發(fā) 現(xiàn)其衰減和彎曲水平，相對(duì)較差。
[0007] 對(duì)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(jì)算：
[0008]
[0009] 式中，X為波長（ym)，R為瑞利散射系數(shù)（dB/km/ ym4) ;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a K(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：
[0010] R = Rd+Rc
[0011] 上式中，Rd和R。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R。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，R。越小，這也是目前國外某些企業(yè)采用純硅芯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)超低衰減性能 的原因。
[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(gè)參數(shù)Rd。Rd與玻璃的假想 溫度T F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T F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'>T F(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' <T g(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T F>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'或以!'，。
[0013] 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。這樣純硅芯的芯層 部分粘度相對(duì)較高，而同時(shí)大量F摻雜的內(nèi)包層部分粘度較低，從而造成光纖結(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] 文獻(xiàn)US6917740中提出了一種利用粘度變化獲得性能改進(jìn)的純硅芯光纖。其在芯 層中摻雜大量的F和C1，利用了 F和C1摻雜對(duì)芯層粘度的貢獻(xiàn)，降低光纖瑞利系數(shù)，文中所 述光纖沒有涉及剖面設(shè)計(jì)，且芯層中沒有Ge摻雜。
[0015]文獻(xiàn)US2010022533提出了一種光纖的設(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(duì)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。
[0016] 對(duì)于常見的超低衰減單模光纖設(shè)計(jì)，其使用的全F摻雜的外包層設(shè)計(jì)。從光纖光 學(xué)的角度上來說，這樣的設(shè)計(jì)相對(duì)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兩個(gè)：第一，采用純 摻F設(shè)計(jì)的預(yù)制棒尺寸較小，拉絲工藝復(fù)雜；第二，采用純F摻雜設(shè)計(jì)的光纖，因?yàn)槭褂肍摻 雜工藝，制造成本非常高。按照目前市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行初步估算，摻F套管價(jià)格是純二氧化硅套 管價(jià)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(guān)系計(jì)算，如果通過 合理的工藝設(shè)計(jì)，適當(dāng)減少F摻雜層的厚度，光纖制造成本將顯著降低。假設(shè)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(shè)計(jì) 相對(duì)于傳統(tǒng)使用全F摻雜材料的超低衰減光纖設(shè)計(jì)，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%。
[0017] 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。但是受到前面兩個(gè)限制因素的影響，如何在這樣的設(shè)計(jì)下，控制光 纖的光學(xué)參數(shù)，是我們面臨的的一個(gè)挑戰(zhàn)。
[0018] 因?yàn)槿绻褂脹]有氟摻雜的純二氧化硅作為外包層材料，會(huì)面臨3個(gè)問題。
[0019] 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(huì)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(shè)計(jì)，抑制基模泄露。
[0020] 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。
[0021] 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(shí)，就限定了各個(gè)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，即保證光纖的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?cè)谶M(jìn)行粘度設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮光纖的光學(xué)設(shè)計(jì)，增加了工 藝