一種超低衰減單模光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光纖傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種超低衰減單模光纖，其可支持100G 及超100G長(zhǎng)距離大容量傳輸。
【背景技術(shù)】
[0002] 大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云管端、4GLTE等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸容量提 出了更高的需求。2013年，100抓it/s高速通信已經(jīng)進(jìn)入商用時(shí)代，不斷提高傳輸速率及傳 輸容量和頻譜效率是業(yè)內(nèi)一直不斷追求的目標(biāo)。
[0003] 在100G高速傳輸系統(tǒng)中，相干接收系統(tǒng)及數(shù)字信號(hào)處理DSP得到普遍應(yīng)用，由于 色散和偏振模色散可W在輸出端的電域中進(jìn)行線性補(bǔ)償，其二者可W認(rèn)為不再是長(zhǎng)距離高 速傳輸系統(tǒng)性能的主要限制因素，現(xiàn)在更多的難點(diǎn)和熱點(diǎn)集中在如何降低光纖的衰減和非 線性效應(yīng)，該兩個(gè)難W用信號(hào)處理補(bǔ)償?shù)囊蛩亍?br>[0004] 在同樣的輸入端OSNR情況下，光纖鏈路中衰減的降低可W轉(zhuǎn)換到接收端的光信 噪比OSNR，從而提高輸出端的OSNRW及提高系統(tǒng)的OSNR的冗余量。在長(zhǎng)距離通信中，利用 光纖構(gòu)筑數(shù)千公里的長(zhǎng)距離鏈路，光信號(hào)的傳輸是靠中繼站完成的。如果將光纖鏈路中累 積的信號(hào)衰減控制到最小，就可W增大相鄰兩個(gè)中繼站之間的距離，從而可W減小中繼站 的數(shù)量，最終可W大大減小中繼站的運(yùn)營(yíng)建設(shè)及維護(hù)的成本。尤其對(duì)于一些環(huán)境艱苦、人煙 稀少的地方，其優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商，低損耗帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益不言而喻：
[0005] -100G速率下；S種光纖（普通光纖，低損耗光纖，超低損耗光纖）均能達(dá)到 1000kmW上。
[0006] -400G速率；化光纖減少約20%的再生站數(shù)；而化L減少約40%的再生站數(shù)。
[0007] 因此，優(yōu)化光纖衰減性能后的超低衰減光纖對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，不論從優(yōu)化系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)還是降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，都具有很重要的意義。
[000引對(duì)于光纖制造企業(yè)，具體而言，如何降低光纖的衰減：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aC可由下式計(jì)算：
[0009]
[0010] 式中，A為波長(zhǎng)（ym)，R為瑞利散射系數(shù)（地/km/ym4) ;P為光強(qiáng)；當(dāng)瑞利散射系 數(shù)確定時(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ag(地/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：
[0011] R = Rd+Rc
[001引上式中，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滲雜濃度的影響，理論上采用越少的Ge 和F或者其他滲雜，R。越小，該也是目前國(guó)外某些企業(yè)采用純娃巧設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)超低衰減性能 的原因。
[0013] 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Tp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TP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Tp=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Tp〉r;當(dāng)Tg<r<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'。
[0014] 在使用純娃巧設(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滲 雜內(nèi)包層進(jìn)行匹配，W保證巧層和內(nèi)包層之間保持足夠的折射率差異。該樣純娃巧的巧層 部分粘度相對(duì)較高，而同時(shí)大量F滲雜的內(nèi)包層部分粘度較低，造成光纖結(jié)構(gòu)粘度匹配失 衡，從而使純娃巧結(jié)構(gòu)的光纖虛擬溫度迅速增加，造成光纖的Rd增加。該樣就不僅抵消掉 R。降低帶來(lái)的好處，更可能造成光纖衰減反向異常增加。
[0015] 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)，其采用純娃巧的設(shè)計(jì)，在巧層中沒(méi)有進(jìn)行錯(cuò)和氣的共滲雜，并且其設(shè)計(jì)采用滲氣的二氧 化娃作為外包層。對(duì)于該種純娃巧的設(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(guò)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 造工藝極其復(fù)雜。
[0016] 文獻(xiàn)EP2312350提出了一種非純娃巧設(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)采用純二氧化娃外包層結(jié)構(gòu)。按照其設(shè)計(jì)，R2/R1大 于6,且其設(shè)計(jì)中氣滲雜的包層部分最大半徑為36ym，可W保證光纖的截止波長(zhǎng)小于等于 1530nm，兼容G654標(biāo)準(zhǔn)。但其M抑較大，不能兼容G652標(biāo)準(zhǔn)，且受到其較小氣滲雜半徑的 影響，光纖的微觀和宏觀彎曲性能變差，所W在光纖成纜過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致衰減增加，在其文 獻(xiàn)中也未提及相關(guān)彎曲性能。
[0017] 文獻(xiàn)US2008031582A1，US6449415和US4690504都提出了一種采用二氧化娃作為 外包層材料的剖面設(shè)計(jì)，其均為純二氧化娃巧層或F滲雜的二氧化娃巧層，沒(méi)有進(jìn)行Ge滲 雜，所W其在拉絲過(guò)程中需要較精密的控制，W減少缺陷的產(chǎn)生。且其巧層和內(nèi)包層部分均 采用簡(jiǎn)單的階躍剖面設(shè)計(jì)，沒(méi)有采用相關(guān)下陷結(jié)構(gòu)優(yōu)化光纖的彎曲性能，在陸地干線上使 用時(shí)可能出現(xiàn)宏彎損耗過(guò)大的問(wèn)題。
[0018] 文獻(xiàn)CN10232392A描述了一種光纖。該發(fā)明所述光纖采用了常規(guī)錯(cuò)氣共滲方式的 巧層設(shè)計(jì)，且通過(guò)犧牲了截止波長(zhǎng)的性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的。其允許光纜截止波長(zhǎng)在1450nmW 上，在其所述實(shí)施例中，成纜截止波長(zhǎng)甚至達(dá)到了ISOOnmW上。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，過(guò)高的截 止波長(zhǎng)難W保證光纖在應(yīng)用波段中得到截止，便無(wú)法保證光信號(hào)在傳輸時(shí)呈單模狀態(tài)。因 此，該類(lèi)光纖在應(yīng)用中可能面臨一系列實(shí)際問(wèn)題。此外，該發(fā)明所列舉的實(shí)施例中，下陷包 層外徑Rs最小為16. 3um，同樣有所偏大。該發(fā)明沒(méi)有能夠在光纖參數(shù)（如，有效面積、截止 波長(zhǎng)等）和光纖制造成本中得到最優(yōu)組合。
[0019] 從上面的分析我們可W發(fā)現(xiàn)，存在使用非純娃巧和部分氣滲雜包層進(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，如果使用純二氧化娃作 為外包層材料的話，如何在該樣的設(shè)計(jì)下，控制光纖的光學(xué)參數(shù)，是我們面臨的挑戰(zhàn)。
[0020] 因?yàn)槿绻褂脹](méi)有氣滲雜的純二氧化娃作為外包層材料，會(huì)面臨3個(gè)問(wèn)題。
[0021] 第一，抑制基模截止；在光纖波導(dǎo)設(shè)計(jì)中，外包層材料和巧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W采用非滲F外包層材料設(shè)計(jì)的超低衰 減光纖，就必須在外包層和巧層中間位置，通過(guò)合理的光纖剖面設(shè)計(jì)，抑制基模泄露。
[0022] 單一下陷包層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造相對(duì)簡(jiǎn)單，所W在普通的，尤其常規(guī)衰減系數(shù)的大 有效面積光纖和抗彎曲單模光纖設(shè)計(jì)中非常常見(jiàn)。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娃材料作為外包層的超低衰減光纖中，因?yàn)榍蓪拥恼凵渎释?二氧化娃外包層的折射率差值不大，就更容易造成光纖波導(dǎo)設(shè)計(jì)中最頭痛的基模泄露，弓I 起光纖長(zhǎng)波長(zhǎng)衰減異常。傳統(tǒng)方法，可W使用下陷內(nèi)包層的結(jié)構(gòu)來(lái)抑制光纖的基模泄露截 止，但在設(shè)計(jì)和使用下陷內(nèi)包層結(jié)構(gòu)時(shí)，也會(huì)存在矛盾。從抑制基模泄露的角度，我們希望 使用較大，較深的下陷結(jié)構(gòu)，但該樣就會(huì)造成光纖的截止波長(zhǎng)過(guò)高。對(duì)于截止波長(zhǎng)較高光 纖，如G654光纖，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的截止波長(zhǎng)為1530nm，所W使用單一的大體積的下陷內(nèi)包層 結(jié)構(gòu)，雖然會(huì)造成截止波長(zhǎng)偏高，但其截止波長(zhǎng)仍然小于1530nm規(guī)定。但對(duì)于傳統(tǒng)的G652 光纖，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其截止波長(zhǎng)最高值為1260nm，此時(shí)仍采用該樣的下陷內(nèi)包層設(shè)計(jì)就會(huì)有很 大的問(wèn)題。我們從理論計(jì)算和實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果采用兩個(gè)下陷結(jié)構(gòu)，不僅可W有效的利 用高階模在通過(guò)兩個(gè)下陷時(shí)發(fā)生的高階模禪合效應(yīng)降低光纖的截止波長(zhǎng)，又可W利用雙下 陷包層結(jié)構(gòu)限制光纖基模泄露。
[0023] 第二，考慮粘度匹配；如果外包層材料中沒(méi)有做任何的粘度優(yōu)化設(shè)計(jì)，其粘度與內(nèi) 包層和巧層粘度梯度失配，也會(huì)造成界面位置的缺陷W及虛擬溫度升高等問(wèn)題，從而增加 光纖衰減。利用單下下陷包層結(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(shí)，利用不 同下陷結(jié)構(gòu)滲雜的不同，更有利于光纖剖面粘度匹配設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)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(gè)梯度；采用單一下陷包層結(jié)構(gòu)，就可W增加一 個(gè)梯度；采用雙下陷包層結(jié)構(gòu)，就相當(dāng)于增加=個(gè)梯度（兩個(gè)下陷包層位置滲雜不一樣，下 陷包層與下陷包層之間的位置也可W使用特殊粘度設(shè)計(jì)）。
[0024] 第=，考慮光學(xué)剖面匹配；如果使用純二氧化娃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)部分滲雜的濃度，而為了證光纖的光學(xué)參數(shù)滿足G652光纖 的參數(shù)要求，即保證