低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖的製作方法

2023-08-02 10:08:51 2

專利名稱：低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖，屬於光通信技術，特別是滿足G.656光纖標準的、低彎曲損耗 的、低非線性效應的、適用於高速率傳輸系統和波分復用系統(WDM)的單模光纖。
背景技術：
目前常用於傳輸網建設的主要光纖有兩種，即G. 652常規單模光纖和G. 655非零色散 位移光纖。通常G. 652單模光纖在C波段1530nm 1565nm和L波段1565nm 1625nm的色 散較大， 一般為17 22ps/nm km。在開通高速率系統如10Gb/s和40Gb/s及基於單通路 高速率的WDM系統時，必須採用色散補償光纖(DCF)來進行色散補償，使整個線路上1550nm 處的色散減小。但DCF同時會引入較大的衰減，因此又必須在線路中添置光放大器，這樣 的構造方式大大增加了系統的成本。此外，隨著光纖放大器的應用，超過+ 18dB以上的光 信號被耦合進一根光纖，波分復用技術使一根光纖中有了數十條甚至上百條光波道。這時, 較高的光能量聚集在很小的截面上，光纖開始呈現出非線性特性，並成為最終限制傳輸系 統性能的關鍵因素。特別是當波道波長接近光纖零色散點時，這一現象更加突出。為避開零色散點附近的非線性影響，G.655光纖的零色散點不在1550nm附近，而是向 長波長或短波長方向位移，使得1550nm附近呈現一定大小的色散(ITU—T規範為0. 1-6ps /nm*km)。這樣，可大幅減輕四波混合的影響，有利於密集波分復用系統的傳輸。同時， 通過1550nm附近的色散值的控制，可保證速率超過10Gbit / s的信號可以不受色散限制 地傳輸300km以上，並可在1530nm 1565nm波長範圍內適用於WDM。為進一步擴展WDM，特別是密集波分復用系統(DWDM)的傳輸帶寬，將其應用波長拓 展到更廣的範圍內，很有必要對光纖的折射率剖面進行改善，降低光纖的色散斜率係數， 以使光纖在更廣的範圍內都有較小(非零)的色散。在此背景下，色散平坦光纖得到了廣 泛的研究，如S. K. Mondal等在"Effect of optical Kerr effect nonlinearity on LP11 mode cutoff frequency of single-mode dispersion-shifted and dispersion-flattened fibers, Optics Communications, Volume 127, Issues l-3 , 1 June 1996, Pages 25-30" 中探討了色散平坦光纖中科爾效應對單模光纖的截至波長的影響；S. K. Mondal等在 "Interesting effect of optical Kerr nonlinearity in expanding single-mode regime of optical fibers using dispersion-flattened profiles, Optics Communications,Volume 150, Issues 1-6, 1 May 1998, Pages 81-84"中提出了一種具有W型包層結構 的色散平坦光纖，與G.655相比，該光纖能更有效的抑制光纖的非線性效應；A. V. Belov 在"Profile structure of single-mode fibers with low nonlinear properties for long-haul communication lines, Optics Communications, Volume 161, Issues 4-6, 15 March 1999, Pages 212-216"介紹了一種在1.53 - 1.56 um範圍內光纖色散不超過 ±0. 4 ps nm一'knf1的光纖；閂本住友的T. Kato等在"Dispersion flattened transmission line consisting of wide-band non-zero dispersion shifted fiber and dispersion compensating fiber module, Optical Fiber Technology, Volume 8, Issue 3, July 2002， Pages 231-239"中報導一種具有複雜剖面結構的色散平坦的非零色散位移光纖，該光纖 的有效面積約60!i m2，在C波段的色散斜率係數在0. 08 Ps/nmVkm以下，在1500 1600 nm 範圍內光纖的色散在5 11 ps/nm/km;我國長飛公司也推出一種被稱為"大保實"的大有 效面積的G. 655光纖(郵電設計技術，2002年第9期)。這些研究在一定程度上都推動了 WDM應用技術向更寬的波長範圍發展。在此前提下，為進一步規範這類光纖的標準，並使 之真正廣泛的應用到實際的傳輸線路中，2002年5月日本NTT和CLPAJ在日內瓦ITU-TSG15 會議上聯合提出研究一種新型的被稱為G.656的光纖。與G.655光纖相比，該光纖的色散 曲線更加平坦，色散係數更小(在1460 1625nm範圍內在2 14 ps/nm/km之間)，能夠 更好的抑制受激散射和克爾效應。此外，為使G.656光纖和已經敷設的單模光纖進行有效 的熔接，規定G.656光纖的模場直徑在7 11ym之間。該光纖有望把DWDM傳輸擴展到 1460nm 1625nm的整個波長範圍內，被認為是繼G. 652和G. 655後的又一應用廣泛的光纖7iV 口 廣叩o近來，關於G.656的標準初步達成一致，也相繼有關於G.656光纖的專利問世。如日 本住友的"色散平坦光纖"(國際申請號PCT/JP98/03383 )，該光纖色散係數在 0. 03ps/nm7km，在1550nm處的色散絕對值小於5ps/nm/km，光纖的有效面積可控制在約 45um2，但該光纖的有效面積偏小，較高的光能量聚集在較小的截面上，容易導致光纖呈 現出非線性特性，從而限制了光纖的帶寬；又如國內專利"三波長窗口負色散的色散平坦 單模光纖"(申請號200410016712.9)，該光纖的色散斜率在-0. 03 0. 03 ps/咖7km，在 1500nm 1600nm範圍內色散係數在-4, 0 -6. 9 ps/nm/km，雖然該光纖的色散曲線比較平 坦，色散係數的絕對值較小，但該光纖並不完全滿足當前G.656光纖的標準。通常情況下，對於G.655光纖和色散平坦光纖，包括住友和汪業衡申請的兩種色散平 坦光纖，其折射率剖面結構中，包層的折射率均略低於光纖的芯層折射率，這樣有利於將 光約束在芯層傳輸。而Bartolomeo等貝帖"Optical fiber having low non-linearity for WDM transmission"的專利申請稿中(申請號US 2003/0128948 Al)提出了一種光纖的外包層的折射率略高於光纖芯層的設計思想，通過芯、包層幾何尺寸及其折射率的適當調 配，能得到完全滿足G.650或G.655傳輸性能標準的光纖，且具有該種結構的光纖對製造公差的要求較為寬鬆，成品率相對較高，光纖的製造成本也相對降低。但該發明中述及的 光纖的芯層和包層折射率均呈拋物線分布，且該拋物線的形狀指數對光纖色散、戒指波長 和零色散波長等性能的影響較大，從而這種外包高於芯層的設計對提高合格率、降低成本 有好處，但拋物線的形狀則又在一定程度上限制了這種設計思想優越性的發揮，即導致制 造工藝較為複雜，並使得進一步提高光纖製造合格率受到限制。發明內容本發明要解決的技術問題和提出的技術任務是克服現有技術存在的光纖的帶寬受到 限制、不能完全滿足當前G. 656光纖的標準以及因拋物線的形狀導致的製造工藝較為複雜、 並使得進一步提高光纖製造合格率受到限制的缺陷，提供一種在工藝上可行、製造公差要 求較為寬鬆、製造成本較為低廉並能完全滿足當今有關G.656光纖標準的低彎曲損耗、低 非線性效應的單模光纖。為此，本發明採用以下技術方案-低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，包括裸玻璃光纖以及包圍在所述裸玻璃光纖 外周的樹脂保護層，其特徵是所述裸玻璃光纖由一個芯層區和三個包層區組成，且芯層區 由折射率較低的凹陷區和折射率較高的非凹陷區組成，第一包層區和第三包層區為純Si02 層，第二包層區的折射率差高於芯層區的折射率差，所述芯層區和三個包層區的折射率剖 面都是階梯型剖面。作為對上述技術方案的進一步完善和補充，本發明還包括以下附加技術特徵 芯層凹陷區折射率差(Ac)在0.0035 0.0072之間，允許誤差為±2.6%;芯層凹陷 區厚度在0. 9 2. 1 U m之間，允許誤差為士3. 8%;芯層非凹陷區折射率差(△ l)在0. 0081 0.0095之間，允許誤差為土2. 1%;芯層非凹陷區厚度即在0.6 2. 3 um之間，允許誤差 為±2.2%;第一包層厚度在0.8 2.3um之間，允許誤差為±4.2%;第二包層的折射率差 (A2)在0.0089 0.0107之間，允許誤差為±2.7%;第二包層厚度在0. 76 1. 78 u m之 間，允許誤差為±3.5%;第三包層厚度在57.2 58.8ura之間，允許誤差為±0.85%。 第二包層的折射率差(A2)比芯層非凹陷區折射率差(Al)高9% 14%。 芯層凹陷區折射率差(Ac)在0.0037 0.0039之間，芯層非凹陷區折射率差(Al) 在0.0092 0.0096之間，第二包層的折射率差(A2)在0. 0097 0. 0100之間，芯層凹 陷區直徑(a0)在4.04 4.36nm之間，芯層非凹陷區直徑(a)在6. 19 6. 61 y m之間， 第一包層直徑(cl)在7. 15 7.65um之間，第二包層直徑(c2)在8. 96 9. 60 u m之間， 第三包層之間(c3)在124.00~126.00um之間。有效面積(乂,,)大於80um、非線性波導係數")小於1. 102 W—在1550nm下的模場直徑(MFD服。)在10. 10 10. 30um之間。芯層凹陷區折射率差(Ac)在0.0034 0.0036之間，芯層非凹陷區折射率差 在0. 0086 0. OO恥之間，第二包層的折射率差(A2)在0. 0094 0. 0100之間，芯層凹 陷區直徑(a0)在3.85 4. 15um之間，芯層非凹陷區直徑(a)在5. 22 5. 58 n m之間， 第一包層直徑(cl)在5.98 6.42ym之間，第二包層直徑(c2)在7. 72 8. 28 u m之間， 第三包層之間(c3)在124.26 125.92um之間。抗彎損特徵參量(MAC)小於5.9;當彎 曲半徑為30畫，彎曲圈數為100圈時，在1625nm波長下的最大宏彎損耗〈0. 15dB;在1550nm 下的模場直徑畫冊))為8.30 8.50um。芯層凹陷區折射率差(Ac)在0.0071 0.0075之間，芯層非凹陷區折射率差(Al) 在0. 0086 0.0090之間，第二包層的折射率差(A2)在0. 0097 0. 0100之間，芯層凹 陷區直徑(a0)在1.92 2.08um之間，芯層非凹陷區直徑(a)在5. 44 5. 76u m之間， 第一包層直徑(cl)在6.40 6.80um之間，第二包層直徑(c2)在8. 80 9. 36 y m之間， 第三包層之間(c3)在124.31 125.94um之間。有效面積(^,,)大於65ura2;抗彎損 特徵參量(MAC)小於7. 1;當彎曲半徑為30誦，彎曲圈數為100圈時，在1625nm波長下 的最大宏彎損耗小於0.25dB;在1550nm下的模場直徑(MFD冊。)為9. 70 9. 90 y m。本發明的單模光纖可由摻雜的石英玻璃芯、石英玻璃包層和內外兩層樹脂構成，其中 光纖的芯層和包層具有獨特的結構。光纖的芯層帶有一定的凹陷區域非凹陷區；第一包層 為純Si(X,層；第二包層折射率略高於芯層；第三包層即光纖的外包層為純Si02層。芯層和 第一包層的折射率可通過摻雜不同的組分獲得。裸光纖的外徑為125土lum。成品光纖的 直徑為245士:Um。製造這種光纖時，先根據設計的折射率剖面，即芯層中凹陷區和非凹陷區的折射率、 厚度，第一包層的厚度，第二、三包層的折射率、厚度等參數，確定各層摻雜的組分，再 分別以改良的氣相沉積法(MCVD)(或等離子化學氣相沉積法，PCVD)製造符合設計要求 的光纖預製棒的芯棒，以外部氣相沉積(OVD)或套管法(RIC)製造包圍在芯棒外周的外 包層從而得到光纖預製棒，最後再在拉絲塔上將該預製棒拉製成光纖，該光纖經兩次紫外 光固化樹脂塗覆達設計的尺寸；最後經一些列機械、光學和化學篩選後巻盤成為光纖成品。本發明的有益效果是通過對光纖的芯層和包層進行合理的設計，實現了在工藝上可 行、製造公差要求較為寬鬆、製造成本較為低廉並能完全滿足當今有關G.656光纖標準且 適用於高速率傳輸系統和WDM系統的低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖根據光纖標準，G. 656光纖主要是在抑制光纖的非線性效應的不利影響方面優於G. 655 光纖，且前者的色散斜率更小，可使用的波長更廣闊。光纖的非線性效應的大小可用非線性係數^來衡量，y越小越理想。通常情況下，單模光纖的^可簡化表示為式(1) -
式中"'為光纖的非線性折射率係數。J,為在波長A下的有效面積，即光纖中傳輸光 功率的平均面積。4,根據式(2)確定
式中^及)為光纖中傳輸光的波導方程。
由式(1)和(2)可知，減小非線性係數y可通過調整光纖折射率剖面結構以改變光 纖的"'或4#的大小來實現。
另一方面，隨著光纖通信業務的進一步推廣，特別是光纖到戶(FTTH)等工程的即將 實施，光纖的抗彎曲性能得到了越來越廣泛的重視，它是當今和未來考察光纖性能的重要
指標之一。Jingyuan Wang等在"Properties of index-guided PCF with air-core， Optics & Laser Technology, Volume 39， Issue 2, March 2007， Pages 317-321"和Unger C 等在"Investigation of the microbending sensitivity of fibers. J. Light wave
technology, 1994， 14 (4): 591 596,，論文中均指出，光纖中空對光纖的抗彎曲性能較 為有利。但對於剖面複雜的非零色散位移光纖如G.655光纖和G.656光纖，光纖的中空在 工藝上難以實現，同時，光纖中空亦會導致光纖的模場直徑和色散之間的性能難以協調。 本發明據此對光纖的芯層進行了關鍵性的設計，使光纖的芯層不完全中空而是具有一定程 度的凹陷，從而使本發明的光纖獲得了優異的抗彎曲損耗性能的同時還能滿足G.656光纖 標準的其他要求。
己知的研究表明，無論是宏彎損耗還是微彎損耗都隨著光纖MAC值的增加而增加。MAC 值是模場直徑(MFD)和截至波長(/lt.)的比值，其定義如式(3)所示
據此，本發明中通過對光纖芯層、包層的尺寸和折射率分布的特殊設計，降低了光纖 的MFD並增加了光纖的夂，從而實現了光纖抗彎曲損耗性能的提高。
本發明的光纖具有獨特的折射率剖面、波導性能和抗彎性能MAC值不超過7.5;在 1550nm下的宏彎曲損耗係數50u m2; 非線性波導係數y〈2W—'K—'。與G.655光纖相比，其抗彎曲性能和抗光波導的非線性效應性 能均有了較大的提高，可在1460nm 1625nm的整個波長範圍內使用DWDM技術。
M4C = MFD/A,


圖1A和IB分別是根據本發明實施方案製造的光纖的剖面示意圖和裸光纖的剖面示意圖。
圖2是圖1中裸光纖11的折射率剖面結構示意圖。
圖3A， 3B用於示意圖1中裸光纖11折射率分布的其它例子。
圖4所示為本發明光纖芯層凹陷區直徑a0與1550nm下光纖有效面積^4"之間的關係 曲線。
圖5所示為本發明光纖芯層凹陷區直徑a0與1550nm下光纖的色散斜率係數S服。之間 的關係曲線。
圖6所示為本發明光纖芯層凹陷區直徑a0與1550nm下光纖色散係數D腳之間的關係 曲線。
圖7所示為本發明光纖芯層凹陷區直徑a0與1550nm下光纖抗彎特徵量MAC值之間的 關係曲線。
圖8所示為本發明光纖芯層凹陷區直徑a0與1550nm下光纖非線性波導係數Y之間的 關係曲線。
圖9所示為本發明光纖芯層凹陷區折射率差Ac與1550nm下光纖有效面積<#之間的 關係曲線。
圖lO所示為本發明光纖芯層凹陷區折射率差Ac與1550nm下光纖的色散斜率係數S戰。 之間的關係曲線。
圖ll所示為本發明光纖芯層凹陷區折射率差Ac與光纖1550nm下的色散係數D，,之間 的關係。
圖12所示為本發明光纖芯層凹陷區折射率差Ac與1550nm下光纖抗彎特徵量MAC值之 間的關係曲線。
圖13所示為本發明光纖芯層凹陷區折射率差Ac與1550nm下光纖非線性波導係數Y之 間的關係曲線。
圖14所示為本發明光纖芯層直徑a與1550nm下光纖有效面積4-之間的關係曲線。 圖15所示為本發明光纖芯層直徑a與1550rmi下光纖的色散斜率係數S自之間的關係 曲線。
圖16所示為本發明光纖芯層直徑a與1550nm下光纖色散係數D服(,之間的關係曲線。 圖17所示為本發明光纖芯層直徑a與1550nm下光纖抗彎特徵量MAC值之間的關係曲線。圖18所示為本發明光纖芯層直徑a與1550nm下光纖非線性波導係數Y之間的關係曲線。
圖19所示為本發明光纖芯層非凹陷去折射率差A1與1550nm下光纖有效面積4-之間 的關係曲線。
圖20所示為本發明光纖芯層非凹陷去折射率差A1與1550ran下光纖的色散斜率係數 Sw之間的關係曲線。
圖21所示為本發明光纖芯層非凹陷區折射率差A1與光纖1550nm下的色散係數D,55。之 間的關係。
圖22所示為本發明光纖芯層非凹陷區折射率差Al與1550nm下光纖抗彎特徵量MAC值 之間的關係曲線。
圖23所示為本發明光纖芯層非凹陷區折射率差Al與1550nm下光纖非線性波導係數Y 之間的關係曲線。
圖24所示為本發明光纖不同實施例的色散曲線。
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參照圖1A，光纖定義為IO。其結構包括分布在光纖10中心的玻璃裸光纖11，以及 包圍在11周邊的第一塗層12和第二塗層13，第一塗層12和第二塗層13為聚丙烯酸樹脂 材料，可通過紫外線固化或其它方法固化製得。參照圖1B，裸光纖11包括光纖的芯層的 折射率凹陷區111、芯層的非折射率凹陷區112、純Si02的第一包層區113、折射率高於芯 層的第二包層區114和純Si02的第三包層區115， 115也可稱為外包層。
本發明可以採用MCVD (也可用PCVD或其他類似方法代替)法製備得到具有圖2所示 折射率剖面結構的光纖預製棒芯棒，然後再以OVD技術製造純Si02的外包層，或採用RIC 技術在芯棒周邊包上外包層，從而製備得到光纖預製棒。具體工藝如下所述
利用MCVD (或PCVD)結合OVD的方法製造光纖預製棒在MCVD或PCVD工藝中，通 過在噴燈的SiCl4原料中摻雜GeCL以適當的提高芯層凹陷區111的折射率差Ac，並通過 沉積時間和原料流量等參數控制芯層凹陷區111的沉積層尺寸(具體為直徑aO);通過調 整GeCL的摻雜量以調整芯層非凹陷區112的折射率差A1的大小，並通過沉積時間和原料 流量等參數控制芯層非凹陷區112的沉積層尺寸(具體為直徑a);停止GeCl4供料，以純 SiCl,為原料對沉積層繼續噴塗以製造第一包層113，並通過沉積時間和原料流量等參數控 制第一包層113的沉積層尺寸(具體為直徑cl);再在原料中摻雜GeCl,，並通過調整GeCL 的摻雜量以調整第二包層114的折射率差A2的大小，通過沉積時間和原料流量等參數控 制第二包層114的沉積層尺寸(具體為直徑c2);停止Ge"4供料，以純SiCL為原料對沉積層繼續噴塗以製得第三包層115的部分厚度，並通過沉積時間和原料流量等參數控制第 三包層115該部分的沉積層的尺寸(具體為直徑c3)，以製備得到芯棒。然後，根據上述 所得芯棒的尺寸推算光纖第三包層115另一部分的厚度，再採用0VD技術，以SiCL為原 料在芯棒外周沉積一層Si(^粉塵，經玻璃化爐燒結成透明的玻璃體，即得到光纖預製棒。 採用MCVD (或PCVD)結合RIC法製造光纖預製棒的工藝是根據選用套管的尺寸計 算所需芯棒的尺寸，並計算出芯包折射率剖面結構中各層的幾何尺寸和折射率；採用上述 MCVD或PCVD相同的方法製造芯棒；採用RIC技術，將芯棒的外表面和套管的內表面用一 定濃度(如35%)的氫氟酸(或其他可替代的化學試劑)清洗乾淨；再將芯棒一端在切割 機上加工2 4個導氣槽並將芯棒插入與之匹配的外套管中；將帶有芯棒的套管的兩端接 上石英結尾管，然後安置在MCVD或PCVD工具機上加熱使套管收縮到芯棒上形成光纖預製棒。 收縮過程中使套管和芯包之間的空間保持負壓，收縮時內部的空氣隨芯棒一端的導氣槽排 出。
將上述不同工藝製備得到的光纖預製棒在紡絲機上進行紡絲，同時塗覆兩層不同硬度 的聚丙烯酸樹脂即得光纖。
參照圖2和圖3，本發明光纖具有獨特的折射率剖面結構。通常，零色散位移光纖的 折射率剖面結構中，包層的折射率均略低於光纖的芯層折射率，但本發明光纖的折射率剖 面中，第二包層114的折射率略高於芯層的折射率，這種設計提高了光纖剖面結構中各重 要參數的容差範圍，使得生產製造的控制更加容易，並提高了產品的合格率。在本發明中， 具有此種結構的G.656光纖，要求芯層凹陷區111折射率差Ac在0.0035 0.0072之間， 允許誤差為±2.6%;芯層凹陷區111的厚度即a0/2在0.9 2. lum之間，允許誤差為土 3. 8%。芯層非凹陷區112折射率差△ 1在0. 0081 0. 0095之間，允許誤差為土2. 1%;芯 層非凹陷區112的厚度即(a-a0) /2在0.6 2.3 um之間，允許誤差為±2.2%。第一包 層113為純Si02層，其折射率差為0;第一包層113的厚度即(cl-a) /2，在0.8 2.3u m之間，允許誤差為±4.2%。第二包層114的折射率差A2在0.0089 0.0107之間，允許 誤差為±2.7%;第二包層114的厚度即(c2-cl)/2在0.76 1.78um之間，允許誤差為士 3.5%;第三包層115即外包層亦為純Si02層，其厚度即(c3-c2)/2在57.2 58.8nm之間， 允許誤差為±0.85%。第三包層115厚度可在預製棒製造完成後通過拋光等適當修正，因 此對產品的合格率無太大影響。芯層凹陷區111折射率差Ac、芯層非凹陷區112折射率 差△ 1和第二包層114的折射率差A2分別用以下公式計算得到
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11"2式中n0為純Si02的折射率，nc為芯層凹陷區的折射率，nl為芯層非凹陷區的折射率， n2為第二包層的折射率。採用上述工藝製備的光纖的結構和性能的關係曲線如圖4 圖23所示。圖4所示的曲線呈近似線性形狀，顯示出本發明光纖芯層凹陷區直徑aO與1550mn下 光纖有效面積<#之間呈較好的正比例關係。圖5所示的曲線呈近似線性形狀，顯示出本發明光纖芯層凹陷區直徑aO與1550nm下 光纖的色散斜率係數S,之間的近似反比例關係。圖6所示的曲線呈近似線性形狀，顯示出本發明光纖芯層凹陷區直徑aO與1550nin下 的色散係數D，之間呈較好的正比例關係。圖7所示的曲線呈近似拋物線形狀，顯示出本發明光纖MAC值隨光纖芯層凹陷區直徑 a0的增大而減小的關係。圖8所示的曲線呈近似線性形狀，顯示出本發明光纖非線性波導係數Y隨光纖芯層凹 陷區直徑aO的增大而減小的關係。圖9所示的曲線呈近似指數函數的曲線形狀，顯示出本發明光纖在1550nm下的有效 面積4w隨芯層凹陷區折射率差Ac的增大而減小的變化關係。圖IO所示的曲線呈近似拋物線的曲線形狀，顯示出本發明光纖在1550nm下的色散斜 率係數S^隨芯層凹陷區折射率差Ac的增大而增大的變化關係。圖11所示的曲線呈近似直線形狀，顯示出本發明光纖芯層凹陷區折射率差Ac與 1550nm下的色散係數D成(,之間呈較好的正比例關係。圖12所示的曲線呈近似拋物線的曲線形狀，顯示出本發明光纖在1550nm下的MAC隨 芯層凹陷區折射率差Ac的增大而增大的變化關係。圖13所示的曲線呈近似拋物線的曲線形狀，顯示出本發明光纖的非線性波導係數Y 隨芯層凹陷區折射率差Ac的增大而增大的變化關係。圖14所示的曲線呈近似拋物線的曲線形狀，顯示出本發明光纖在1550nm下的有效面 積4〃隨光纖芯層直徑a增大而增大的變化關係。圖15所示的曲線呈不規則曲線形狀，顯示出本發明光纖在1550nm下的色散斜率係數 Sl55 隨光纖芯層直徑a增大而先減小後增大的變化關係。圖16所示的曲線呈近似拋物線形狀，顯示出本發明光纖在1550nm下的色散係數D鵬, 隨光纖芯層直徑a增大而增大的變化關係。圖17所示的曲線呈不規則曲線形狀，顯示出本發明光纖MAC值隨光纖芯層直徑a增大而減小的變化關係。圖18所示的曲線呈近似對數的曲線形狀，顯示出本發明光纖非線性波導係數Y隨光 纖芯層直徑a增大而減小的變化關係。圖19所示的曲線呈近似拋物線形狀，顯示出本發明光纖在1550nm下的有效面積4y隨 光纖芯層非凹陷去折射率差A1的增大而增大的變化關係。圖20所示的曲線呈近似對數函數的曲線形狀，顯示出本發明光纖在1550nm下的色散 斜率係數S,隨光纖芯層非凹陷去折射率差A1的增大而先減小的變化關係。圖21所示的曲線呈不規則曲線形狀，顯示出本發明光纖在1550nm下的色散係數D,55 隨芯層非凹陷去折射率差Al增加而增加的關係。圖22所示的曲線呈不規則的曲線形狀，顯示出本發明光纖在1550nm下的MAC隨光纖 芯層非凹陷去折射率差A1的增大而先減小後增大的變化關係。圖23所示的曲線呈近似直線形狀，顯示出本發明光纖非線性波導係數Y隨光纖芯層 非凹陷去折射率差A1的增大而減小的變化關係。 實施例1:採用MCVD (或PCVD)製造芯棒，OVD (或RIC)技術製造外包層的工藝製造光纖預製 棒。在沉積芯層凹陷區111時，在原料SiCl,中摻雜一量定的GeCl.,使芯層凹陷區折射率差 Ac在632. 8nm波長下的值為0. 0038;在沉積芯層非凹陷區112時，調節GeCl,的摻雜量 使芯層非凹陷區折射率差A 1在632. 8nm波長下的值為0. 0094;在沉積第一包層區113時， 使用純SiCl4原料；在沉積第二包層區114時，在原料SiCl4中摻雜一定的GeCl4使第二包 層折射率差A2在632. 8mn波長下的值為0.010;在沉積第三包層區115時，使用純SiCl4 原料。通過控制噴燈流量和沉積時間將各層厚度控制為芯層凹陷區111層厚度為2. 10 y m; 芯層非凹陷區112層厚度為l.lnm;第一包層區113層厚度為0.50nm;第二包層區114 層厚度在0.94um;第三包層區115層厚度為57.86um。通過控制拉絲速度、滴頭溫度等 將裸光纖直徑控制在125 ym;保證第一塗層12和第二塗層13塗覆樹脂的厚度均約為 30um;最終成品光纖直徑為245um;通過樹脂和固化條件的控制使得第一塗層12和第二 塗層13的楊氏模量分別約為1.2MPa和760MPa，彈性模量分別為1. lMPa和1400MPa。本 實施例光纖的各性能參數如下有效面積為Slum2;在1550nm波長下，非線性係數y為 1.03\f'km—';零色散波長入 為1.35lim;截至波長人c為1.362nm;在1550nm波長下的 色散斜率係數S園為0. 04485ps/nm7km;在1550nm波長下的模場直徑MFD,刷為10. 21 " m; 在1460nm 1625nm的波長範圍內，色散係數在6. 19 13. 17 ps/nm/km之間；在1550咖下的抗彎損特徵參量(MAC)值為7.49;當彎曲半徑為30mm，彎曲圈數為100圈時，在1625nm 波長下的最大宏彎損耗為0. 29dB。本實施例光纖的色散曲線如圖24中實施例1光纖所示。 本實施例光纖的有效面積是同類光纖有效面積的2倍左右，可更有效的降低光纖中光的傳 輸密度，而從有效的抑制非線性光學現象的發生，因此這種光纖特別適用於高功率、長距 離傳輸的DWDM系統或波長復用的Mi傳輸系統。 實施例2採用MCVD (或PCVD)製造芯棒，OVD (或RIC)技術製造外包層的工藝製造光纖預製 棒。在沉積芯層凹陷區lll時，在原料SiCl4中摻雜一量定的GeCl4使芯層凹陷區折射率差 Ac在632. 8nm波長下的值為0.0035;在沉積芯層非凹陷區112時，調節GeCl4的摻雜量 使芯層非凹陷區折射率差A 1在632. 8nm波長下的值為0. 0088;在沉積第一包層區113時， 使用純SiCl,原料；在沉積第二包層區114時，在原料SiCl4中摻雜一定的GeCL使第二包 層折射率差A 2在632. 8nm波長下的值在0. 0097;在沉積第三包層區115時，使用純SiCl4 原料。通過控制噴燈流量和沉積時間將各層厚度控制為芯層凹陷區111層厚度為2. OOu m; 芯層非凹陷區112層厚度為0.70nm;第一包層區113層厚度為0.40ym;第二包層區114 層厚度在0.9nm;第三包層區115層厚度在58. 50ura。通過控制拉絲速度、滴頭溫度等 將裸光纖直徑控制在125 um;保證第一塗層12和第二塗層13塗覆樹脂的厚度均約為 30um;最終成品光纖直徑為245um;通過樹脂和固化條件的控制使得第一塗層12和第二 塗層13的楊氏模量分別約為1.2MPa和760MPa，彈性模量分別為1. lMPa和1400MPa。本 實施例光纖的各性能參數如下有效面積為53lim、在1550nm波長下，非線性係數y為 1.76W—'km—';零色散波長入,,為1.36"m;截至波長入c為1.437線在1550nm波長下的 色散斜率係數S155。為0. 04534ps/nm7km;在1550nm波長下的模場直徑MFD版。為8. 34 y m; 在1460nm 1625nm的波長範圍內，色散係數在4. 26 12. 71 ps/nm/km之間；在1550nrn 下的抗彎損特徵參量(MAC)值為5.81;當彎曲半徑為30mm，彎曲圈數為100圈時，在1625nm 波長下的最大宏彎損耗為0. 14dB。本實施例光纖的色散曲線如圖24中實施例2光纖所示。 本實施例光纖除具備常規G.656光纖的性能外，還具有小MAC值的顯著特點，其抗彎曲損 耗性能亦相應的顯著優於其他可得的G. 656光纖，因此本實施例光纖特別適用於光纖布線 相對複雜或需要光纖彎曲的其他特殊場所。 實施例3採用MCVD (或PCVD)製造芯棒，OVD (或RIC)技術製造外包層的工藝製造光纖預製 棒。在沉積芯層凹陷區111時，在原料SiCL中摻雜一量定的GeCl4使芯層凹陷區折射率差 Ac在632.8nm波長下的值為0.0073;在沉積芯層非凹陷區112時，調節GeCL的摻雜量 使芯層非凹陷區折射率差A 1在632. 8nm波長下的值為0. 0088;在沉積第一包層區113時，使用純SiCL原料；在沉積第二包層區114時，在原料SiCl4中摻雜一定的GeCL使第二包 層折射率差△ 2在632. 8rw波長下的值在0. 0010;在沉積第三包層區115時，使用純SiCl4 原料。通過控制噴燈流量和沉積時間將各層厚度控制為芯層凹陷區lll層厚度為1.00txm; 芯層非凹陷區112層厚度為1.80um;第一包層區113層厚度為0.50nm;第二包層區114 層厚度在1.24um;第三包層區115層厚度在58.02ym。通過控制拉絲速度、滴頭溫度等 將裸光纖直徑控制在125 nm;保證第一塗層12和第二塗層13塗覆樹脂的厚度均約為 30um;最終成品光纖直徑為245um;通過樹脂和固化條件的控制使得第一塗層12和第二 塗層13的楊氏模量分別約為1. 2MPa和760MPa，彈性模量分別為1. lMPa和1400MPa。本 實施例光纖的各性能參數如下有效面積為68ym2;非線性係數y為1.37W—^nf';零色散 波長人。為1.39um;截至波長入c為1.40um;在1550nm波長下的色散斜率係數S,為 0. 05207ps/nm7km;在1550nm波長下的模場直徑MFD吸。為9. 76um;在1460nm 1625nm 的波長範圍內，色散係數在2.43 11.51 ps/nm/km之間；在1550nm下的抗彎損特徵參量 (MAC)值為7.02;當彎曲半徑為30mm,彎曲圈數為100圈時，在1625nm波長下的最大 宏彎損耗為0.23dB。本實施例光纖的色散曲線如圖24中實施例3光纖所示。本實施例光 纖是實施例1和實施例2所述光纖的折中結果，其既具有相對較大的有效面積又有相對較 小的MAC值，因此其抗非線性效應的性能和抗彎曲損耗性能亦介於上述兩種光纖之間，其 綜合性能較佳，因此更具有被廣泛使用的潛能。除上述特殊性能外，本發明光纖均具有以下共同的性徵-衰減不均勻性在光纖後向散射曲線上，任意500m長度上的實測衰減值與全長上平 均500m的衰減值之差的最大值不大於0.05dB;包層直徑125土lym;芯同心度誤差 《O力m;包層不圓度《0.2%;篩選應力》0. 69GPa;衰減係數《0. 4dB/km 01460nm; 《0. 35dB/km@1550nm;《0. 4dB/km @1625nm:衰減兩端差雙向測試取平均值《0. 05dB/km; 偏振模色散函《):《0.15 ps/km1"錢1550nm;成纜光纖截止波長(入cc):《1450nm; 使用工作波長1460nm 1625nm。需要特別指出的是，上述實施例的方式僅限於描述實施例，但本發明不只局限於上述 方式，且本領域的技術人員據此可在不脫離本發明的範圍內方便的進行修飾，因此本發明 的範圍應包括本發明所揭示的原理和新特徵的最大範圍。
權利要求
1. 低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，包括裸玻璃光纖(11)以及包圍在所述裸玻璃光纖外周的樹脂保護層(12、13)，其特徵是所述裸玻璃光纖(11)由一個芯層區和三個包層區(113、114、115)組成，且芯層區由折射率較低的凹陷區(111)和折射率較高的非凹陷區(112)組成，第一包層區(113)和第三包層區(115)為純SiO2層，第二包層區(114)的折射率差(Δ2)高於芯層區的折射率差，所述芯層區和三個包層區的折射率剖面都是階梯型剖面。
2、 根據權利要求1所述的低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，其特徵是芯層凹 陷區折射率差(Ac)在0.0035 0.0072之間；芯層凹陷區厚度在0.9 2.1jim之間；芯層非 凹陷區折射率差(Al)在0.0081 0.0095之間；芯層非凹陷區厚度即在0.6 2.3 nm之間； 第一包層厚度在0.8 2.3pm之間；第二包層的折射率差(A2)在0.0089 0.0107之間；第 二包層厚度在0.76 1.78pm之間；第三包層厚度在57.2 58.8nm之間。
3、 根據權利要求1或2所述的低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，其特徵是第 二包層的折射率差(A2)比芯層非凹陷區折射率差(Al)高9% 14%。
4、 根據權利要求3所述的低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，其特徵是芯層凹 陷區折射率差(Ac)在0.0037 0.0039之間，芯層非凹陷區折射率差(Al)在0.0092 0.0096 之間，第二包層的折射率差(A2)在0.0097 0.0100之間，芯層凹陷區直徑(aO)在4.04 4.36pm之間，芯層非凹陷區直徑(a)在6.19 6.61pm之間，第一包層直徑(cl)在7.15 7.65pm之間，第二包層直徑(c2)在8.96 9.60pm之間，第三包層之間(c3)在124.00 126.00nm之間。
5、 根據權利要求4所述的低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，其特徵是有效面 積(4)大於8(Vm、非線性波導係數小於1.102 WD在1550nm下的模場直 徑(MFD園)在10.10 10.30pm之間。
6、 根據權利要求3所述的低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，其特徵是芯層凹 陷區折射率差(Ac)在0.0034 0.0036之間，芯層非凹陷區折射率差(A1 )在0.0086 0.0090 之間，第二包層的折射率差(A2)在0.0094 0.0100之間，芯層凹陷區直徑(a0)在3.85 4.15pm之間，芯層非凹陷區直徑(a)在5.22 5.58pm之間，第一包層直徑(cl )在5.98 6.42nm之間，第二包層直徑(c2)在7.72 8.28|im之間，第三包層之間(c3)在124.26 125.92pm之間。
7、 根據權利要求6所述的低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，其特徵是抗彎損 特徵參量(MAC)小於5.9;當彎曲半徑為30mm，彎曲圈數為100圈時，在1625nm波長下的最大宏彎損耗0.15dB;在1550nm下的模場直徑(MFD服。)為8.30 8.5(Him。
8、 根據權利要求3所述的低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，其特徵是芯層凹 陷區折射率差(Ac)在0.0071 0.0075之間，芯層非凹陷區折射率差(A1)在0.0086 0.0090 之間，第二包層的折射率差(A2)在0.0097 0.0100之間，芯層凹陷區直徑(a0)在1.92 2.08pm之間，芯層非凹陷區直徑(a)在5.44 5.76pm之間，第一包層直徑(cl)在6.40 6.8(Him之間，第二包層直徑(c2)在8.80 9.36pm之間，第三包層之間(c3)在124.31 125.94pm之間。
9、 根據權利要求8所述的低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，其特徵是有效面 積(^#)大於65pm2！抗彎損特徵參量(MAC)小於7.1;當彎曲半徑為30mm，彎曲圏 數為100圏時，在1625mn波長下的最大宏彎損耗小於0.25dB;在1550nm下的模場直徑(MFD,,)為9.70 9.90拜。
全文摘要
低彎曲損耗、低非線性效應的單模光纖，屬於光通信技術，現有光纖存在帶寬受到限制、不能完全滿足當前G.656光纖的標準的缺陷，本發明包括裸玻璃光纖以及包圍在所述裸玻璃光纖外周的樹脂保護層，其特徵是所述裸玻璃光纖由一個芯層區和三個包層區組成，且芯層區由折射率較低的凹陷區和折射率較高的非凹陷區組成，第一包層區和第三包層區為純SiO2層，第二包層區的折射率差高於芯層區的折射率差，所述芯層區和三個包層區的折射率剖面都是階梯型剖面。本發明通過對光纖的芯層和包層進行合理的設計，實現了完全滿足當今有關G.656光纖標準且適用於高速率傳輸系統和WDM系統的低彎曲損耗、低非線性效應要求。
文檔編號G02B6/02GK101226258SQ200710066730
公開日2008年7月23日 申請日期2007年1月16日 優先權日2007年1月16日
發明者盧衛民, 吳興坤, 張立永, 楊軍勇 申請人:富通集團有限公司