一種超低衰減大有效面積的單模光纖的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光纖傳輸技術領域，具體涉及一種具有超低衰減大有效面積的單模光 纖。
【背景技術】
[0002] 隨著IP網絡數據業務的迅速增長，運營商對于傳輸容量的需求不斷提高，現網中 單纖容量已逐漸在逼近極限值lOOTbps。100G傳輸系統已開始進入商用元年。如何在100G 傳輸信號的基礎上進一步增加傳輸容量，是各系統設備商和運營商關注的焦點。
[0003] 在100G和超100G系統中，接收端采用相干接收及數字信號處理技術（DSP)，能夠 在電域中數字補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 復用和各種高階調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。然而高階調制方式對非線性效應非常敏感，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，能為系統帶來提高0SNR和降低非線性效 應的效果當采用高功率密度系統時，非線性系數是用于評估非線性效應造成的系統性能優 劣的參數，其定義為n2/A rff。其中，n2是傳輸光纖的非線性折射指數，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。
[0004] 目前，用于陸地傳輸系統線路的普通單模光纖，其有效面積僅約80 y m2左右。而在 陸地長距離傳輸系統中，對光纖的有效面積要求更高，一般的有效面積在100 ym2以上。為 了降低鋪設成本，盡可能的減少中繼器的使用，在無中繼傳輸系統，如海底傳輸系統，傳輸 光纖的有效面積最好在130 ym2以上。然而，目前大有效面積光纖的折射率剖面的設計中， 往往通過增大用于傳輸光信號的光學芯層的直徑來獲得大的有效面積。該類方案存在著一 定的設計難點。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 造的成本中占據較大的比重，如果設計的徑向尺寸過大，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；此外，光纖折射率剖面如果設計不當，還 會導致彎曲性能、色散等參數的惡化。
[0005] 另一種限制長距離大容量傳輸的光纖特性就是衰減，目前常規的G. 652. D光纖的 衰減一般在〇. 20dB/km，激光能量在經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，中繼站相關設備和維護成本在整個鏈路系統 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 少建設和維護成本。經過相關計算，如果將光纖的衰減從〇. 20降低到0. 16dB/km，整個鏈路 的建設成本將總體降低30%左右。
[0006] 綜上所述，開發設計一種超低衰減大有效面積光纖成為光纖制造領域的一個重要 課題。文獻US2010022533提出了一種大有效面積光纖的設計，為了得到更低的瑞利系數， 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部的缺陷引起的衰減增加，制造 工藝極其復雜。
[0007] 文獻EP2312350提出了一種非純硅芯設計的大有效面積光纖設計，其采用階梯狀 下陷包層結構設計，且有一種設計采用純二氧化硅外包層結構，相關性能能夠達到大有效 面積光纖G. 654. B和D的要求。但在其設計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，會導致衰減增加，在其文獻中也未提及相關彎 曲性能。
[0008] 文獻CN10232392A描述了一種具有更大有效面積的光纖。該發明所述光纖的有效 面積雖然達到了 150 ym2以上，但卻因為采用了常規的鍺氟共摻方式的芯層設計，且通過犧 牲了截止波長的性能指標實現的。其允許光纜截止波長在1450nm以上，在其所述實施例 中，成纜截止波長甚至達到了 1800nm以上。在實際應用當中，過高的截止波長難以保證光 纖在應用波段中得到截止，便無法保證光信號在傳輸時呈單模狀態。因此，該類光纖在應 用中可能面臨一系列實際問題。此外，該發明所列舉的實施例中，下陷包層外徑1~ 3最小為 16. 3 ym，同樣有所偏大。該發明沒有能夠在光纖參數（如，有效面積、截止波長等）和光纖 制造成本中得到最優組合。
[0009] 在常規光纖的剖面設計及制造方法中，芯層使用較大量的Ge/F共摻，為了獲得最 優的宏彎性能，芯層的相對折射率一般都大于〇. 35%，即芯層Ge摻雜較多，因此會帶來較 大的瑞利散射從而增加光纖的衰減。
[0010] 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，沒有使用下陷內包層設計優化光纖的 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粘度失配，所以可 以發現其衰減和彎曲水平，相對較差。
[0011] 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：
[0012]
[0013] 式中，入為波長（U m)，R為瑞利散射系數（dB/km/ ym4) ;P為光強；當瑞利散射系 數確認時，B為相對應的常數。因而只要確定了瑞利散射系數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R可表示為：
[0014] R=Rd+Rc
[0015] 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采用純硅芯設計，實現超低衰減性能 的原因。
[0016] 但是我們需要注意到，瑞利散射系數中還包括另外一個參數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，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整而達到某 平衡狀態對應的溫度。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 整，因而每一瞬間玻璃均處于平衡狀態，故TF= T' ；當T' <T g(玻璃的轉變溫度），由于玻璃 的粘度較大，玻璃結構難于調整，玻璃的結構調整滯后于溫度變化，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!'，。
[0017] 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 雜內包層進行匹配，以保證芯層和內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。
[0018] 為了保證純硅芯光纖的芯層粘度與外包層粘度匹配，我們可以利用在芯層中進行 堿金屬摻雜的方法對芯層粘度進行優化。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。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，不利于光纖大規模制備。
[0019] 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，沒有使用下陷內包層設計優化光纖的 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粘度失陪，所以可 以發現其衰減和彎曲水平，相對較差。
[0020] 文獻US6917740中提出了一種利用粘度變化獲得性能改進的純硅芯光纖。其在芯 層中摻雜大量的F和C1，利用了 F和C1摻雜對芯層粘度的貢獻，降低光纖瑞利系數，文中所 述光纖沒有涉及剖面設計，且芯層中沒有Ge摻雜。
[0021] 文獻US2010022533提出了一種光纖的設計，為了得到更低的瑞利系數，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部的缺陷引起的衰減增加，制造工藝及其 復雜。
[0022] 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，芯層的 堿金屬摻雜工藝要求對金屬離子的種類和濃度進行精確控制，所以工藝制造成本高；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%。
[0023] 從上面的分析我們可以發現，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，是我們面臨的的最后一個挑戰。
[0024] 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。
[0025] 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