一種單模光纖

《一種單模光纖》涉及一種光纖通信系統(tǒng)中使用的低衰減單模光纖，該光纖具有改進的抗彎曲性能和低的光纖損耗，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。

單模光纖因其具有傳輸速率快，攜帶信息容量大，傳輸距離遠等優(yōu)點，已經(jīng)大量應用于光纖通信網(wǎng)絡的建設之中。隨著光放大技術(shù)和波分復用技術(shù)的進一步發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)向著更高傳輸功率和更長的傳輸距離的方向持續(xù)向前發(fā)展。作為光纖通信系統(tǒng)中的重要傳輸媒質(zhì)，單模光纖的相關(guān)性能指標也有待得到進一步的改進，以滿足光纖通信系統(tǒng)實際發(fā)展的需要。光纖的衰減系數(shù)和有效面積是單模光纖的兩個重要的性能指標。光纖的衰減系數(shù)越小，則其攜帶的光信號的可傳輸距離就更長。光纖的有效面積越大，則其非線性效應越弱。大有效面積可以有效地抑制自相位調(diào)制、四波混頻、交叉相位調(diào)制等非線性效應，保證高功率光信號的傳輸質(zhì)量。降低的衰減系數(shù)和增大的有效面積可以有效提高光纖通信系統(tǒng)中的光信噪比（OSNR：optical-signal-to-noise ratio），進一步提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量和傳輸距離。

在光纖材料中，由于不均勻性所引起的光的散射構(gòu)成光纖的散射損耗。其中光纖的瑞利散射為三種散射機理之一，為線性散射（即與光信號的頻率無關(guān)）。瑞利散射的特點是其大小與波長的四次方成反比，同時由其引起的損耗與摻雜材料的種類與濃度有關(guān)。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?！凹児栊尽惫饫w就是一種芯層部分無任何摻雜（即為純二氧化硅石英玻璃）的光纖。理論上認為純硅芯光纖的瑞利散射將非常接近于純石英玻璃材料的本征瑞利散射，因而也將明顯地降低光纖的衰減系數(shù)。同時通過優(yōu)化芯層直徑和包層的摻氟濃度等參數(shù)，使得光纖具有更大的有效面積。然而，一般而言，較大的有效面積會造成光纖的彎曲損耗的明顯增加（包括光纖的宏彎損耗和微彎損耗），特別是在長波長區(qū)域。在光纖的成纜過程或者實際的鋪設以及使用過程中，如果光纖的抗彎曲性能不能滿足要求，則信號的損耗將會變大，信號的傳輸質(zhì)量無法得到保證。

在美國專利US6917740中，描述了一種材料粘度失配得到改善的純硅芯單模光纖及其制造方法。通過在芯層中摻氯（Cl）和氟（F），使得芯層與包層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的差值縮小到200℃以內(nèi)，優(yōu)化光纖的衰減性能。該專利未涉及到對光纖的彎曲性能的研究和改進，未涉及光纖的光學傳輸性能。

在美國專利US6449415中，公開了一種芯層摻氯（Cl），其相對折射率差為正值，包層摻氟（F），其相對折射率差為負值的光纖，并且該光纖具有內(nèi)包層為下陷包層（depressed cladding）的結(jié)構(gòu)。芯層摻氯的材料可以有效降低光纖芯包材料的失配，減少由拉絲過程產(chǎn)生的附加應力，同時內(nèi)包層為下陷包層結(jié)構(gòu)，可以改善光纖的彎曲性能，然而下陷包層的結(jié)構(gòu)改善彎曲性能的能力有限，同時會影響光纖的其它光學參數(shù)，比如光纖的模場直徑和截止波長等。而且在外包層參數(shù)設計不合理的情況下，內(nèi)下陷包層結(jié)構(gòu)有可能會引起LP01模的泄漏問題（即單模光纖的衰減系數(shù)在長波長區(qū)域急劇地上升）。

在美國專利US6947650中，提出了一種具有摻氟下陷內(nèi)包層的純硅芯光纖，其下陷包層的直徑D與芯層d的直徑之比D/d約為8.5，范圍為小于10。其光纖的工作波長入op與截止波長入cut的比值范圍在1.0和1.2之間。該專利未描述光纖的衰減和彎曲等性能。

一般的，通過下述方法可以改善光纖的彎曲性能，一是通過改變光纖的MAC值（即光纖模場直徑與截止波長的比值）。MAC值越小，則光纖的抗彎曲性能越好。然而，模場直徑的減小會造成有效面積的減小，同時光纖的截止波長必須小于工作波長，以保證單模的工作特性，所以通過改變光纖的MAC值來改善光纖的彎曲性能的空間有限。二是可以通過內(nèi)包層為下陷包層的雙包層結(jié)構(gòu)來改善彎曲性能，但是下陷包層有可能引起光纖的“LP01模泄漏”現(xiàn)象。三是通過在光纖的內(nèi)包層外增加一層類似于溝槽的下陷包層（trench），在保證較大的模場直徑的同時，改善光纖的彎曲性能，此方法在彎曲不敏感單模光纖（即G.657光纖）中得到普遍的應用，如中國專利CN101598834A，美國專利US7450807以及歐洲專利EP1978383等。未發(fā)現(xiàn)相關(guān)專利或文獻報道在純硅芯光纖中采用類似于溝槽的下陷包層（trench）來進一步改善該種光纖的彎曲性能。

一般的，摻雜劑會改變石英玻璃的相對折射率差。鍺（Ge）、氯（Cl）、磷（P）等摻雜劑可以使得摻雜后的石英玻璃的相對折射率差為正值，稱之為“正摻雜劑”，而氟（F）、硼（B）等摻雜劑可以使得摻雜后的石英玻璃的相對折射率差為負值，稱之為“負摻雜劑”。如果同時使用一種“正摻雜劑”和一種“負摻雜劑”對石英玻璃進行摻雜，則摻雜后的石英玻璃的相對折射率差可以為正值或者負值，或者為0。

圖1是普通芯層摻鍺的匹配包層單模光纖的折射率剖面示意圖。其中01所對應的虛線為純石英玻璃的相對折射率差（即其值為0％）。

圖2是純硅芯光纖的折射率剖面示意圖。虛線表示光纖含有內(nèi)包層為下陷包層（depressed cladding）的結(jié)構(gòu)。

圖3是《一種單模光纖》一個實施例的徑向截面示意圖。圖中00對應光纖的芯層，10對應光纖的第一包層，20對應光纖的第二包層，30對應光纖的第三包層。

圖4是《一種單模光纖》另一個實施例的徑向截面示意圖。圖中301對應第三包層中靠內(nèi)的摻氟分層，302對應靠外的純硅分層。

圖5是《一種單模光纖》一個實施例的折射率剖面示意圖。

圖6是《一種單模光纖》另一個實施例的折射率剖面示意圖。

圖7、圖8分別是《一種單模光纖》第十一個實施例的折射率剖面圖及其氟（F）摻雜剖面圖。

圖9是《一種單模光纖》一個實施例的光纖的微彎損耗譜。

圖10是純硅芯光纖的一個微彎損耗譜實例。

2021年6月24日，《一種單模光纖》獲得第二十二屆中國專利優(yōu)秀獎。

《一種單模光纖》包括有芯層和包層，芯層00由摻氟（F）的石英玻璃或摻有氟及其他摻雜劑的石英玻璃組成；圍繞在芯層外有三個包層。第一包層10緊密圍繞芯層，由摻氟（F）的石英玻璃組成；第二包層20緊密圍繞第一包層，第二包層由摻氟（F）的石英玻璃組成，其相對折射率差Δ3小于其它包層。第三包層30為緊密圍繞第二包層的所有分層，其各個分層的相對折射率差大于Δ3，第三包層最外層的分層半徑為R4，R4的范圍是36微米至63微米。所述的第三包層可為一個分層，為摻氟或其他摻雜劑的石英玻璃層，或者第三包層可為兩個分層，內(nèi)分層為摻氟分層301，半徑范圍是36微米至54微米，外分層為純硅分層302，即相對折射率差為0％。

按照上述單模光纖的技術(shù)方案，在其所規(guī)定的范圍內(nèi)對光纖的參數(shù)進行設計，并通過PCVD工藝、MCVD工藝、OVD工藝或VAD工藝等芯棒制造工藝來根據(jù)光纖的設計要求制造芯棒，通過套管工藝、OVD工藝或VAD工藝等外包工藝來完成整個預制棒的制造。PCVD工藝在進行高濃度的摻氟（F）時，具有一定的優(yōu)勢。

所拉光纖的折射率剖面使用NR-9200設備（EXFO）進行測試，光纖的折射率剖面以及摻雜材料的主要參數(shù)如表1-a和表1-b所示。

宏彎附加損耗測試方法參照IEC 60793-1-47中規(guī)定的方法，由于波長越長對彎曲越敏感，所以主要測試光纖在1550納米和1625納米波長處的彎曲附加損耗，以準確評估光纖在全波段范圍內(nèi)（尤其是L波段）的彎曲敏感性。將光纖按一定直徑繞成1圈或10圈，然后將圓圈放開，測試打圈前后光功率的變化，以此作為光纖的宏彎附加損耗。

微彎損耗測試方法參照IEC TR 62221-2001中規(guī)定Method B的方法，由于長波長對于彎曲更敏感，故測試波長范圍為1300納米至1700納米，并且重點關(guān)注光纖在1550納米以上波長的微彎損耗的大小。

所拉光纖的主要性能參數(shù)如表2所示。

從實施例可以看出，V值和（Δ1-Δ2）值對于光纖的彎曲性能有明顯的影響，如序號為5和6以及序號3和4的實施例所反映的情況，更大的V值和（Δ1-Δ2）值意味著光纖具有更好的抗彎曲性能。而芯層中氟（F）的貢獻量會影響光纖的衰減性能，在Δ1為一定值的情況下，芯層中氟（F）的貢獻量如果增加，則意味著芯層中“正摻雜劑”的濃度需要相應的增加以維持Δ1不變，摻雜劑濃度的增加將進一步降低芯層材料的粘度，使得芯層和包層材料的粘度匹配程度提高，有利于對光纖衰減性能的改善，如序號為1和2的實施例所反映的情況。第三包層的氟（F）的貢獻量ΔF對于光纖的衰減性能也有影響，如序號為7、8、9的實施例所反映的情況。更大的摻氟濃度會使得摻氟分層的相對折射率差更低，將有利于進一步的避免光纖的“LP01模泄漏”現(xiàn)象，然而更大的摻氟濃度也意味著該包層的粘度會進一步降低，這樣將不利于該包層在拉絲過程中承載拉絲張力，會使得光纖纖芯部分集中更多的應力，對于衰減會有不利的影響，所以需要綜合考慮第三包層的摻氟量的大小。同時，如果第三包層包含靠內(nèi)的摻氟分層和靠外的純硅分層，則需要考慮靠外的純硅分層的定位，使得該分層不會引起光纖的“LP01模泄漏”，同時又要維持足夠的厚度使得其在拉絲過程中承載部分拉絲張力，避免應力集中在光纖纖芯部分。序號為10、11、12的實施例中，光纖的第三包層分成靠內(nèi)的摻氟分層和靠外的純硅分層，從表2的數(shù)據(jù)來看，當靠外的純硅分層所在環(huán)的內(nèi)徑D4^＊足夠大時，在避免光纖的“LP01模泄漏”現(xiàn)象的同時，該層材料可有效承載部分拉絲張力，這樣應力將不會明顯集中于光纖的纖芯部分，光纖的衰減性能就得到了改善。

實驗表明，按照《一種單模光纖》的技術(shù)方案所制造的光纖，其1550納米處的模場直徑可以達到10微米以上，光纜截止波長保證在1530納米以下，1550納米處的衰減系數(shù)保證在0.180分貝/千米以下，且光纖具有良好的抗彎曲性能，包括良好的抗宏彎性能和抗微彎性能，光纖在1550納米波長處，對于圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小于或等于0.5分貝；對于圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小于或等于0.2分貝；在1625納米波長處，對于圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小于或等于1.0分貝；對于圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小于或等于0.8分貝。同時光纖在1700納米的微彎損耗小于0.8分貝/千米。

注1：D4^＊表示第三包層靠內(nèi)的摻氟分層的直徑，D4表示第三包層最外層的純硅分層的直徑。

注2：Δ4^＊表示第三包層靠內(nèi)的摻氟分層的相對折射率差。

一種單模光纖專利目的

《一種單模光纖》所要解決的技術(shù)問題是針對專利背景中相關(guān)技術(shù)存在的不足而提供一種折射率剖面設計合理、光纖的抗彎曲性能得到進一步提高的低衰減單模光纖。

一種單模光纖技術(shù)方案

《一種單模光纖》包括有芯層和包層，其不同之處在于芯層的相對折射率差Δ1范圍為-0.1％至 0.1％，半徑R1的范圍是4.0微米至6.0微米，圍繞在芯層外有三個包層；第一包層緊密圍繞芯層，其相對折射率差Δ2的范圍是-0.2％至-0.6％，半徑R2的范圍是10微米至22微米；第二包層緊密圍繞第一包層，其相對折射率差Δ3小于Δ2，并且第一包層的相對折射率差、半徑與第二包層的相對折射率差、半徑存在以下的數(shù)值關(guān)系：設V＝（Δ2-Δ3）×（R3-R2），則V值的范圍為0.15％微米至0.8％微米；第三包層為緊密圍繞第二包層的所有分層，其各個分層的相對折射率差大于Δ3。

按上述方案，所述的第二包層的相對折射率差Δ3的范圍是-0.3％至-0.7％，半徑R3的范圍是13微米至27.5微米；第三包層最外層的分層半徑為R4，R4的范圍是36微米至63微米。

按上述方案，所述的芯層由摻氟（F）的石英玻璃或摻有氟及其他摻雜劑的石英玻璃組成，芯層氟（F）的貢獻量ΔF為-0.1％至0％。

按上述方案，所述的第一包層由摻氟（F）的石英玻璃組成，第一包層的半徑R2與芯層的半徑R1的比值R2/R1為2至4，其相對折射率差Δ2與芯層的相對折射率差Δ1的差值（Δ1-Δ2）為0.3％至0.45％；所述的第二包層由摻氟（F）的石英玻璃組成，其相對折射率差Δ3小于其它包層。

按上述方案，所述的第三包層為一個分層，為摻氟或其他摻雜劑的石英玻璃層，其相對折射率差Δ4的范圍是-0.25％至-0.45％；或者第三包層為兩個分層，內(nèi)分層為摻氟分層，其相對折射率差Δ4的范圍是-0.25％至-0.45％，半徑范圍是36微米至54微米，外分層為純硅分層，即相對折射率差為0％。

按上述方案，所述光纖在1550納米波長處的衰減系數(shù)小于或等于0.180分貝/千米。

按上述方案，所述光纖在1550納米波長處的模場直徑為10微米至13微米。

按上述方案，所述光纖具有小于或等于1530納米的光纜截止波長；在1550納米波長處，對于圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小于或等于0.5分貝；對于圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小于或等于0.2分貝。在1625納米波長處，對于圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小于或等于1.0分貝；對于圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小于或等于0.8分貝。

按上述方案，所述光纖在1700納米的微彎損耗小于或等于0.8分貝/千米。

一種單模光纖有益效果

1.具有最小相對折射率差的第二包層，可有效地將光信號約束在纖芯中進行傳播，同時在彎曲狀態(tài)下，能有效阻止光信號向外的泄漏，使得光纖的抗彎曲性能，包括光纖的抗宏彎性能和抗微彎性能得到保證。光纖的模場直徑增大后，其有效面積也隨之增大，然而隨著MAC值的增大，其抗彎曲性能惡化。第二包層將使得光纖具有較大有效面積的同時，依然能夠保持良好的彎曲性能，使得成纜后光纖在實際應用中的性能得到保障；

2.芯層中至少摻有氟，使得芯層材料的粘度得到降低，芯層與包層的粘度失配情況隨之得到改善，拉絲后光纖內(nèi)部的殘余應力將會減小，有利于改善光纖的衰減性能；

3.第三包層的摻氟分層的摻氟（F）貢獻量ΔF小于-0.25％，以保證避免出現(xiàn)“LP01模泄漏”現(xiàn)象，由于其粘度大于第二包層，較高粘度的第三包層材料將在拉絲時承載較大比例的拉絲張力，這樣就可以有效的阻止拉絲張力所造成的應力集中在纖芯部分而造成光纖衰減的增加。

1.一種單模光纖，包括有芯層和包層，其特征在于芯層的相對折射率差Δ1范圍為-0.1％至 0.1％，半徑R1的范圍是4.0微米至6.0微米，圍繞在芯層外有三個包層；第一包層緊密圍繞芯層，其相對折射率差Δ2的范圍是-0.2％至-0.6％，半徑R2的范圍是10微米至22微米；第二包層緊密圍繞第一包層，其相對折射率差Δ3小于Δ2，并且第一包層的相對折射率差、半徑與第二包層的相對折射率差、半徑存在以下的數(shù)值關(guān)系：設V＝（Δ2-Δ3）×（R3-R2），則V值的范圍為0.15％微米至0.8％微米；第三包層為緊密圍繞第二包層的所有分層，其各個分層的相對折射率差大于Δ3。

2.如權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于所述的第二包層的相對折射率差Δ3的范圍是-0.3％至-0.7％，半徑R3的范圍是13微米至27.5微米；第三包層最外層的分層半徑為R4，R4的范圍是36微米至63微米。

3.如權(quán)利要求1或2所述的單模光纖，其特征在于所述的芯層由摻氟（F）的石英玻璃或摻有氟及其他摻雜劑的石英玻璃組成，芯層氟（F）的貢獻量ΔF為-0.1％至0％。

4.如權(quán)利要求1或2所述的單模光纖，其特征在于所述的第一包層由摻氟（F）的石英玻璃組成，第一包層的半徑R2與芯層的半徑R1的比值R2/R1為2至4，其相對折射率差Δ2與芯層的相對折射率差Δ1的差值（Δ1-Δ2）為0.3％至0.45％。

5.如權(quán)利要求1或2所述的單模光纖，其特征在于所述的第二包層由摻氟（F）的石英玻璃組成，其相對折射率差Δ3小于其它包層。

6.如權(quán)利要求1或2所述的單模光纖，其特征在于所述的第三包層為一個分層，為摻氟或其他摻雜劑的石英玻璃層，其相對折射率差Δ4的范圍是-0.25％至-0.45％。

7.如權(quán)利要求1或2所述的單模光纖，其特征在于第三包層為兩個分層，內(nèi)分層為摻氟分層，其相對折射率差Δ4的范圍是-0.25％至-0.45％，半徑范圍是36微米至54微米，外分層為純硅分層，即相對折射率差為0％。

8.如權(quán)利要求1或2所述的單模光纖，其特征在于所述光纖在1550納米波長處的衰減系數(shù)小于或等于0.180分貝/千米，模場直徑為10微米至13微米。

9.如權(quán)利要求1或2所述的單模光纖，其特征在于所述光纖具有小于或等于1530納米的光纜截止波長；在1550納米波長處，對于圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小于或等于0.5分貝；對于圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小于或等于0.2分貝；在1625納米波長處，對于圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小于或等于1.0分貝；對于圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小于或等于0.8分貝。

10.如權(quán)利要求1或2所述的單模光纖，其特征在于所述光纖在1700納米的微彎損耗小于或等于0.8分貝/千米。

常規(guī)單模光纖是指中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光纖。常規(guī)單模光纖于1983年開始商用。其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。因為這種光纖只能傳輸一個模式(兩個偏振態(tài)簡并)，所以稱為單模光纖，其信號畸變小。

常規(guī)單模光纖的性能特點是：

①在1310nm波長的色散為零；

②在波長為1550nm附近衰減系數(shù)最小約為0.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系數(shù)，為18ps/（nm·km)；

③這種光纖的工作波長可選在1310nm波長區(qū)域，又可選在1550nm波長區(qū)域，它的最佳工作波長在1310nm區(qū)域。這種光纖常稱為“常規(guī)”或“標準”單模光纖。它是當前最為廣泛使用的光纖。迄今為止，其在全世界各地累計敷設數(shù)量已高達8000萬千米。