高性能色散補償光纖及其製造方法
2023-05-06 09:46:56
專利名稱：高性能色散補償光纖及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種色散補償光纖和色散補償模塊以及色散補償光纖的製造方法，具體地說是採用等離子體化學氣相沉積法製造光纖預製棒，通過對光纖折射率剖面和摻雜材料的控制，以製備高性能色散補償光纖的方法。該光纖具有更低的衰減特性和更高的品質因數。
背景技術：
傳輸光纖的色散會導致信號波形畸變，是長途傳輸的制約因素。理論分析表明，傳輸系統速率越高，允許的色散越小。為減小色散的影響，目前解決光纖色散對系統性能影響的有效辦法是採用色散補償技術，即採用色散補償光纖進行色散補償。同時需要色散補償光纖具有與通信光纖相反的色散分布，即負的色散斜率。
作為傳輸線路上的色散補償模塊，由於其實現色散補償的功能，而付出的代價是引入插入損耗。降低色散補償模塊的插入損耗將從多方面提高光通信系統的傳輸性能降低傳輸系統的信噪比；簡化光放大模塊的設計；減少注入功率，降低非線性效應對傳輸的影響。因此，降低色散補償模塊的插入損耗是優化傳輸性能，降低通訊成本，簡化系統設計的重要環節。色散補償模塊的插入損耗包括色散補償光纖的衰減和熔接損耗兩部分。在熔接損耗確定的情況下，模塊的插入損耗由光纖的衰減決定。光纖的衰減Afiber為Afiber=AttL=AttDtotalD=DtotalFOM]]>其中，Att是光纖的衰減係數，L是光纖長度，Dtotal是模塊的總的色散，D是光纖的色散係數，FOM是光纖的品質因數，並且FOM=DAtt]]>因此，用於色散補償模塊的色散補償光纖不僅應具有較低的衰減係數，更要有較高的品質因數。目前，品質因數能達到的水平是200ps/nm.dB，個別的可以到300ps/nm.dB。
在相關專利中，美國專利5361319介紹了用於色散補償光纖的一般折射率剖面，但其衰減(小於1dB/km)和色散(小於-20ps/nm.km)指標不能滿足目前通信傳輸的應用，並且品質因數只有120ps/nm.dB。美國公開專利20020159731A1通過優化光纖折射率剖面和在改進的化學氣相沉積工藝制棒過程中摻磷材料的方法，品質因數可以達到300ps/nm.dB。但是，這是以光纖具有較低的負色散(小於-180ps/nm.km)，工作波長臨近截止波長，從而光纖具有較敏感的彎曲損耗，工作不穩定為代價的。光纖的衰減也不易降低(大於0.5dB/km)。中國專利CN1100273C介紹了色散補償光纖的折射率剖面及其能達到的指標，但是該專利沒有涉及衰減和品質因數，不能全面的評介色散補償光纖。中國專利CN1087432C介紹了摻二氧化鍺和氟的色散補償光纖預製棒製造工藝，但是同樣存在衰減(小於1dB/km)和色散(小於-50ps/nm.km)指標較差的問題，並且沒有涉及品質因數這一重要參數。
本發明一些術語的定義折射率剖面光纖或光纖預製棒(包括芯棒)玻璃折射率與其半徑之間的關係。
套管符合一定截面積要求的厚壁高純石英玻璃管。
RIT工藝將芯棒插入套管中組成光纖預製棒。
氧矽比(O/Si值)定義為沉積時導入襯底管的全部氧氣與(SiCl4+GeCl4)的比值。
相對摺射率 Δ％＝[(ni2-n02)/2ni2]×100％，其中ni為第i層的光纖折射率，n0為純二氧化矽玻璃層的折射率。除非另作說明，ni是用Δ％表徵的纖芯區中的最大折射率。每個分層的半徑是從光纖的中心線至該分層離中心線最遠的點。分層的折射率分布是該分層在各徑向點處的折射率值。
總色散定義為光纖波導色散和材料色散的代數和，在光纖通信領域，總色散被稱為光纖的色散，其單位為ps/nm·km。
色散斜率表示色散值對波長的依賴性，是在橫軸取為波長、縱軸取為色散值進行描繪時的曲線的斜率，其單位為ps/nm2·km。在波分復用系統中，如果傳輸線路的色散斜率大，則各波長之間的色散值的差值變大，整個傳輸特性會惡化。
有效面積Aeff為Aeff＝2π(∫E2rdr)2/(∫E4rdr)其中積分限為O到∞，並且E為與傳播有關的電場PMD是光纖偏振模色散的縮寫MCVD改進的化學氣相沉積法PCVD等離子體化學氣相沉積法OVD管外氣相沉積法VAD軸向氣相沉積法發明內容本發明所要解決的技術問題是在於針對上述現有技術存在的不足而提供一種色散補償光纖和色散補償模塊以及色散補償光纖的製造方法，涉及的色散補償光纖及模塊在C波段是單模傳輸形式，具有負的色散和色散斜率，對在C波段傳輸的光纖色散的補償率可以達到80％以上。在C波段，具有更低的衰減特性和更高的品質因數，有利於提高傳輸系統的信噪比。
本發明色散補償光纖的技術方案為包括有芯層和包繞芯層的包層，芯層包括有五個纖芯分層，第一纖芯分層的Δ％為正，並且至少有另一纖芯分層的Δ％為負，各纖芯分層的半徑範圍從第一纖芯分層開始向外分別約為0.6至0.8微米、1.0至1.2微米、1.6至2.0微米、5.0至6.0微米以及7.0至8.0微米；各分層的Δ％範圍從第一纖芯分層開始向外分別約為1.8至2.1％、1.2至1.4％、0.6至1％、-0.4至-0.6％以及0.2至0.4％，包層為純二氧化矽玻璃層或摻雜氟裡昂C2F6的氧化矽包層。
按上述方案，可在五個纖芯分層外設置第六纖芯分層，第六纖芯分層的半徑範圍約為9.0至10.0微米，第六纖芯分層的Δ％範圍約為-0.2至-0.4％。第六纖芯分層外為包層。
優化的光波導結構可以在改進的光纖製造工藝中，獲得更佳的光學特性。
本發明的色散補償光纖具有較低的衰減，在1545nm處的衰減不大於0.4dB/km，在1525nm～1565nm波長範圍內衰減不大於0.5dB/km；更理想的是在1525nm～1565nm波長範圍內衰減不大於0.45dB/km；本發明的色散補償光纖具有較高的品質因數，在1545nm處的品質因數為大於350ps/nm.dB，更理想的可以大於400ps/nm.dB；本發明的色散補償光纖在C波段(1525m～1565nm)具有較低的負色散，色散係數為-90～-200ps/nm km；更理想的色散係數為-120～-180ps/nm km；本發明的色散補償光纖在C波段(1525nm～1565nm)具有負的色散斜率，在1545nm的色散斜率為-0.4～-1.0ps/nm km；本發明的色散補償光纖的相對色散斜率同標準單模光纖相似。標準單模光纖在1545nm的相對色散斜率RDS(色散斜率同色散的比值)為0.0037nm-1；本發明的色散補償光纖的相對色散斜率為0.0030nm-1～0.0044nm-1；更理想的相對色散斜率為0.0034nm-1～0.0040nm-1；這樣就可以在C波段對G.652光纖的補償率達到100％±10％。
由於在纖芯分層上的特殊設計，採用了第二、三層的過渡結構，偏振模色散將大大降低，可達到0.1ps/km1/2。
本發明的色散補償光纖在1545nm的有效面積大於15μm2，更理想的是18μm2。
本發明的色散補償模塊中色散補償光纖採用本發明的色散補償光纖構成，以用于波分復用通信系統中色散的補償。
本發明色散補償光纖製造方法的技術方案為採用PCVD工藝對襯底管進行沉積，在襯底管內壁沉積一定結構設計的沉積層，按熔縮工藝將襯底管熔縮成實心的芯棒，用RIT工藝將芯棒與低羥基套管組合成光纖預製棒，或通過OVD工藝在芯棒外表面沉積外包層製成光纖預製棒，將光纖預製棒送入拉絲爐拉絲成纖，其不同之處在於在芯棒沉積過程中，通過摻入氟裡昂(C2F6)實現光纖芯層周圍的下陷分層的沉積，並採用大尺寸的光纖預製棒製造技術，光纖預製棒的直徑達到80mm～160mm，然後通過拉伸工藝將較大直徑的預製棒拉伸成較小直徑的預製棒再送入拉絲爐進行拉絲。
按上述方案，光纖預製棒的直徑通常為80mm～120mm，拉伸後的較小直徑預製棒的直徑為60mm～30mm，以利於降低預製棒內雜質及缺陷含量。
光纖的折射率結構中，下陷纖芯分層摻雜氟裡昂的折射率貢獻值在-0.4％至-0.9％。
本發明的製造方法中，還可在部分包層摻雜氟裡昂(C2F6)，以降低光纖預製棒的粘度，從而降低拉絲的張力，以減小光纖的衰減，提高品質因數。
本發明的有益效果在於以下幾個方面色散補償光纖的色散特性主要由波導色散決定。因此，在補償光纖的設計過程中選擇合適的波導結構至關重要。光纖的波導結構由光纖的折射率剖面分布及相應的結構參數決定。色散補償光纖的設計，首先要確定適當的折射率剖面和最佳的結構參數，使其具有大的負色散。此外，光纖的衰減、彎曲損耗、色散斜率、非線性係數等特性也應綜合考慮。本發明的色散補償光纖，第一纖芯分層的Δ％為正，並且至少有另一纖芯分層的Δ％為負，通過選擇各纖芯分層的半徑和Δ％，以便能夠在1545nm處得到合適的負色散和負的色散斜率。由於色散補償光纖具有較高的芯折射率，較深的下陷層，即折射率變化梯度大，必然造成較大的幾何不圓度和材料應力的不均勻性，從而導致較大的偏振模色散。第二、三纖芯分層的設計，解決了芯包層折射率變化過大的問題。在最高的芯層折射率和最低的纖芯分層折射率之間構成一個緩衝區，即減少了材料應力的不均勻性，又避免了製造設備對摺射率陡變不能精確控制導致的折射率圓度變差。可以使分布曲線的角圓滑，分布曲線中心的形狀可以為三角形或拋物線形，該變化基本上不改變光纖的性能。
本發明所涉及的色散補償模塊，由本發明的色散補償光纖構成，封裝在240mm×240mm×40mm的殼體中。該模塊可以對光通信線路中工作在C波段的系統累積色散進行補償，同時對C波段的色散斜率進行補償，補償率可以達到100％±20％，更好的補償率可以達到100％±10％。
PCVD工藝是製造光纖預製棒的四種工藝之一。典型的PCVD工藝製備光纖的方法是這樣的沿諧振腔的圓筒軸放置襯管，並且在管內通入(例如)包含O2、SiCl4和GeCl4等的原料氣體混合物；在諧振腔內同時產生局部等離子體，引起Si、Ge和O等的反應，從而在襯底管內側表面上直接沉積形成以摻Ge為主的SiOx。諧振腔沿襯管的圓筒軸往復運動，以均勻塗覆其整個長度。當沉積結束後，襯管被熱縮成一根實心芯棒，芯棒具有高摻Ge的氧化矽芯層和環繞的未摻雜或摻雜氟裡昂(C2F6)的氧化矽包層部分。這樣的芯棒通過外加套管或OVD沉積外包層，製成光纖預製棒，可以拉製成用作通信傳輸介質的光纖。在PCVD工藝中，較多的分層易於實現，並且受控。這些多纖芯的分布可以增加高折射率材料與低折射率材料應力差異的過渡，改善材料應力在徑向的不均勻性，降低偏振模色散。
在本發明的製造方法中，通過摻氟裡昂來有效的獲得下陷分層。由於氟裡昂的高揮發性，目前四種光纖預製棒製造方法中只有PCVD方法可以有效地摻雜氟裡昂。相比其他的含氟材料，氟裡昂更易於在PCVD中沉積，並且獲得更大的相對摺射率差，相對摺射率差可以達到-1.0％，甚至-1.3％。
在本發明中，摻氟裡昂還可以使不同芯層和包層材料粘度更匹配，降低材料應力以降低光纖的瑞利散射，也能有效降低光纖的本徵衰耗。通過摻氟裡昂優化材料應力的分布，以降低偏振模色散。
在本發明的製造方法中，採用大直徑光纖預製棒的技術來降低光纖的衰減。其原理可以從以下幾個方面說明。首先，大直徑光纖預製棒的製造可以提高預製棒的幾何與光學參數在軸向和徑向上的均勻性。和普通G.652光纖相比，色散補償光纖的芯徑細，一般小於4微米，而相對摺射率高，一般高於1％，光纖中不易做到芯徑與相對摺射率沿軸向分布的均勻與穩定，光纖芯圓度和芯層與包層的同心度也很難保證。這將導致光纖色散特性不穩定，增加由界面散射和微彎引起的光纖衰耗，同時影響光纖截止波長的穩定性，其中芯圓度的因素還直接決定光纖的PMD水平。製造大直徑光纖預製棒可很好的解決上述問題。如本發明所指出的色散補償光纖中，相對於40mm光纖預製棒的芯徑僅約為1mm，而120mm光纖預製棒的芯徑約為3mm，160mm的光纖預製棒的芯徑可約為4mm，對PCVD工藝的管內沉積，製做大芯徑的光纖預製棒可重複性更高，預製棒的芯徑與相對摺射率在軸向和徑向上的參數更穩定，配合使用高精度，高穩定性的拉絲機，可確保光纖幾何尺寸的均勻，尤其可以改善芯圓度和芯層與包層的同心度，降低由於光纖波導結構的不完善引起的散射衰減。
其次，大直徑光纖預製棒可以有效的降低光纖的衰減，除上述所提及的原因外，更在於其對降低光纖材料散射的作用。光纖預製棒在沉積過程中，化學反應產生的SiO2、GeO2等材料的粒子濃度必然存在不均勻性，折射率因此也具有不均勻性，從而造成光纖的本徵損耗------瑞利散射損耗。無論在密度上還是在幾何尺寸上，而這種材料不均勻性的分布水平在不同直徑預製棒中是一致的，僅與PCVD管內法的沉積工藝相關。大直徑光纖預製棒拉成光纖後其不均勻缺陷將在單位長度光纖上的分布大為降低，從而大大減小光纖的瑞利散射衰減水平。
另一方面，大直徑光纖預製棒可有效地對光纖材料中的雜質離子進行「稀釋」，降低光纖的材料吸收衰減。在原材料純度一定的條件下，由外界引入的雜質與襯底管中的各個界面(襯底管內表面與沉積層之間，沉積層與大氣等)大小有關，而與工藝時間關係不明顯。在PCVD工藝中，採用相同的襯底管制備更大直徑的芯棒，因此具有相近的雜質吸附量。對於雜質吸附量相近的雜質源------芯棒來說，使用大橫截面積的套管制成更大直徑的光纖預製棒，其單位體積內的雜質含量比用小橫截面積的套管制成小直徑的光纖預製棒的單位體積內的雜質含量小，並可提供更大的包層空間供雜質離子的稀釋擴散。造成吸收衰減的雜質離子主要有銅(Cu2+)，鐵(Fe2+)，鉻Cr3+)，鈷(Co2+)，錳(Mn2+)，鎳(Ni2+)，釩(V)等和羥基離子(OH-)。
在本發明的製造方法中，配合大直徑光纖預製棒製造，採用的拉伸技術可進一步降低光纖的衰耗水平。在拉伸過程中，高溫條件下(約1600℃)，摻雜材料粒子通過擴散再分布，粒子濃度趨於均勻，進一步降低瑞利散射損耗；高溫下也可以使預製棒中的劃痕、氣泡等缺陷消除，減少由此引入的散射衰減；另一方面，拉伸也使局部粒子顆粒的體積減小，從而降低瑞利散射損耗。
由此原理製造的大直徑的預製棒，直徑為80mm～120mm，甚至達到160mm。拉伸成較小直徑的預製棒，直徑小於60mm，最小的達到30mm。然後直接拉絲。通過優化PCVD工藝，控制芯棒參數可以降低光纖的本徵衰耗，同時提高光纖製造效率，降低製造成本。
圖1是本發明第一個實施例的纖芯折射率剖面結構分布圖。
圖2是本發明第四個實施例的纖芯折射率剖面結構分布圖。
圖3是按本發明拉制出的光纖的色散分布曲線。
圖4是按本發明拉制出的光纖的衰減分布曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步描述本發明的實施例。
在實例1中，各纖芯分層的半徑從第一纖芯分層開始向外分別為大約0.6微米、1.0微米、1.6微米、5.0微米以及7微米；各纖芯分層的Δ％從第一纖芯分層開始向外分別為大約1.8％、1.2％、0.6％、-0.6％以及0.2％，包層為純二氧化矽玻璃層。製作時採用PCVD工藝對襯底管進行沉積，在襯底管內壁沉積一定結構設計的沉積層，按熔縮工藝將襯底管熔縮成實心的芯棒，用RIT工藝將芯棒與低羥基套管組合成光纖預製棒，預製棒直徑為80mm，拉伸後預製棒直徑為40mm，再送入拉絲爐進行拉絲。光纖在1545nm處色散為-160ps/nm km，色散斜率為-0.61ps/nm km，在1545nm的衰減為0.38dB/km，品質因數達到421ps/nm.dB，RDS是0.0038nm-1，偏振模色散達到0.081ps/km1/2。
在實例2中，各分層的半徑從第一分層開始向外分別為大約0.7微米、1.1微米、1.8微米、5.5微米，8微米；各分層的Δ％從第一分層開始向外分別為大約2.0％、1.2％、0.7％、-0.6％、0.3％。預製棒直徑為120mm，拉伸後預製棒直徑為30mm。在1545nm處色散為-142 ps/nm km，色散斜率為-0.52ps/nm，光纖在1545nm的衰減為0.37dB/km，品質因數達到383ps/nm.dB，RDS是0.0037nm-1，偏振模色散達到0.06ps/km1/2。
在實例3中，各分層的半徑從第一分層開始向外分別為大約0.8微米、1.2微米、2.0微米、6.0微米、8微米；各分層的Δ％從第一分層開始向外分別為大約2.1％、1.4％、1.0％、-0.4％、0.4％。預製棒直徑為160mm，拉伸後預製棒直徑為60mm。在1545nm處色散為-140ps/nm km，色散斜率為-0.55ps/nm，光纖在1545nm的衰減為0.35dB/km，品質因數達到400ps/nm.dB，RDS是0.0040nm-1，偏振模色散達到0.095ps/km1/2。
在實例4中，各分層的半徑從第一分層開始向外分別為大約0.7微米、1.1微米、1.8微米、5.5微米、8微米、9微米；各分層的Δ％從第一分層開始向外分別為大約2.0％、1.2％、0.7％、-0.6％、0.3％、-0.3％。預製棒直徑為120mm，拉伸後預製棒直徑為40mm。在1545nm處色散為-151ps/nm km，色散斜率為-0.56ps/nm，光纖在1545nm的衰減為0.38dB/km，品質因數達到397ps/nm.dB，RDS是0.0037nm-1，偏振模色散達到0.10ps/km1/2。
按本發明折射率分布拉制的光纖的色散曲線如圖3所示，可以看到，在1545nm窗口色散很低，並且是負的色散斜率。在C波段(1525nm～1565nm)的色散保持遞減的。
按本發明折射率分布拉制的光纖的衰減曲線如圖4所示，可以看到，在C波段，光纖具有較低的衰減，在1545nm處的衰減不大於0.4dB/km，在1525nm～1565nm波長範圍內衰減不大於0.5dB/km。
權利要求
1.一種高性能色散補償光纖，包括有芯層和包繞芯層的包層，芯層包括有五個纖芯分層，其特徵在於第一纖芯分層的Δ％為正，並且至少有另一纖芯分層的Δ％為負，各纖芯分層的半徑範圍從第一纖芯分層開始向外分別約為0.6至0.8微米、1.0至1.2微米、1.6至2.0微米、5.0至6.0微米以及7.0至8.0微米；各分層的Δ％範圍從第一纖芯分層開始向外分別約為1.8至2.1％、1.2至1.4％、0.6至1％、-0.4至-0.6％以及0.2至0.4％，包層為純二氧化矽玻璃層。
2.按權利要求1所述的高性能色散補償光纖，其特徵在於在五個纖芯分層外設置第六纖芯分層，第六纖芯分層的半徑範圍約為9.0至10.0微米，第六纖芯分層的Δ％範圍約為-0.2至-0.4％。
3.按權利要求1或2所述的高性能色散補償光纖，其特徵在於在1545nm處的衰減不大於0.4dB/km，在1525nm～1565nm波長範圍內衰減不大於0.5dB/km，在1545nm處的品質因數為大於350ps/nm.dB，在C波段(1525m～1565nm)色散係數為-90～-200ps/nm km。
4.按權利要求1或2所述的高性能色散補償光纖，其特徵在於在C波段(1525nm～1565nm)具有負的色散斜率，在1545nm的色散斜率為-0.4～-1.0ps/nm km。
5.按權利要求1或2所述的高性能色散補償光纖，其特徵在於相對色散斜率為0.0030nm-1～0.0044nm-1。
6.按權利要求1或2所述的高性能色散補償光纖，其特徵在於偏振模色散達到0.1ps/km1/2。
7.一種高性能色散補償模塊，其特徵在於色散補償模塊中色散補償光纖由權利要求1所述的色散補償光纖構成。
8.一種高性能色散補償光纖的製造方法，採用PCVD工藝對襯底管進行沉積，在襯底管內壁沉積一定結構設計的沉積層，按熔縮工藝將襯底管熔縮成實心的芯棒，用RIT工藝將芯棒與低羥基套管組合成光纖預製棒，或通過OVD工藝在芯棒外表面沉積外包層製成光纖預製棒，將光纖預製棒送入拉絲爐拉絲成纖，其特徵在於在芯棒沉積過程中，通過摻入氟裡昂(C2F6)實現光纖芯層周圍的下陷分層的沉積，並採用大尺寸的光纖預製棒製造技術，光纖預製棒的直徑達到80mm～160mm，然後通過拉伸工藝將較大直徑的預製棒拉伸成較小直徑的預製棒再送入拉絲爐進行拉絲。
9.按權利要求8所述的高性能色散補償光纖的製造方法，其特徵在於拉伸後的較小直徑預製棒的直徑為60mm～30mm。
10.按權利要求8或9所述的高性能色散補償光纖的製造方法，其特徵在於光纖的折射率結構中，下陷纖芯分層摻雜氟裡昂的折射率貢獻值在-0.4％至-0.9％。
11.按權利要求8或9所述的高性能色散補償光纖的製造方法，其特徵在於在部分包層摻雜氟裡昂C2F6。
全文摘要
本發明涉及一種色散補償光纖和色散補償模塊以及色散補償光纖的製造方法，該光纖包括有芯層和包繞芯層的包層，芯層包括有五個纖芯分層，第一纖芯分層的Δ％為正，並且至少有另一纖芯分層的Δ％為負；本發明採用PCVD工藝對襯底管進行沉積，在芯棒沉積過程中，通過摻入氟裡昂(C
文檔編號C03B23/047GK1492246SQ03125339
公開日2004年4月28日 申請日期2003年10月28日 優先權日2003年10月28日
發明者王鐵軍, 曹宇青, 羅傑 申請人:長飛光纖光纜有限公司