一種單模光纖:專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域

《一種單模光纖》是長飛光纖光纜有限公司於2011年5月5日申請的發明專利，該專利申請號為201110114732X，公布號為CN102156323A，公布日為2011年8月17日，發明人是楊晨、曹蓓蓓、陳蘇、童維軍、倪先元、羅傑。

《一種單模光纖》涉及一種光纖通信系統中使用的低衰減單模光纖，包括有芯層和包層，芯層的相對摺射率差Δ1範圍為-0.1％至+0.1％，半徑R1的範圍是4.0微米至6.0微米，圍繞在芯層外有三個包層；第一包層相對摺射率差Δ2的範圍是-0.2％至-0.6％，半徑R2的範圍是10微米至22微米；第二包層相對摺射率差Δ3小於Δ2，並且第一包層的相對摺射率差、半徑與第二包層的相對摺射率差、半徑存在以下的數值關係：設V＝（Δ2-Δ3）×（R3-R2），則V值的範圍為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，其各個分層的相對摺射率差大於Δ3。該發明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。

2021年6月24日，《一種單模光纖》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種單模光纖》摘要附圖）

基本介紹

中文名：一種單模光纖
申請人：長飛光纖光纜有限公司
發明人：楊晨、曹蓓蓓、陳蘇、童維軍、倪先元、羅傑
申請號：201110114732X
申請日：2011年5月5日
公布號：CN102156323A
公布日：2011年8月17日
地址：湖北省武漢市武昌關山二路四號
代理機構：湖北武漢永嘉專利代理有限公司
代理人：胡建平
Int. Cl.：G02B6/036; G02B6/02; C03C13/04
類別：發明專利

專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,

專利背景

單模光纖因其具有傳輸速率快，攜帶信息容量大，傳輸距離遠等優點，已經大量套用於光纖通信網路的建設之中。隨著光放大技術和波分復用技術的進一步發展，光纖通信系統向著更高傳輸功率和更長的傳輸距離的方向持續向前發展。作為光纖通信系統中的重要傳輸媒質，單模光纖的相關性能指標也有待得到進一步的改進，以滿足光纖通信系統實際發展的需要。光纖的衰減係數和有效面積是單模光纖的兩個重要的性能指標。光纖的衰減係數越小，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製、四波混頻、交叉相位調製等非線性效應，保證高功率光信號的傳輸質量。降低的衰減係數和增大的有效面積可以有效提高光纖通信系統中的光信噪比（OSNR：optical-signal-to-noise ratio），進一步提高系統的傳輸質量和傳輸距離。

在光纖材料中，由於不均勻性所引起的光的散射構成光纖的散射損耗。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）。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。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。“純矽芯”光纖就是一種芯層部分無任何摻雜（即為純二氧化矽石英玻璃）的光纖。理論上認為純矽芯光纖的瑞利散射將非常接近於純石英玻璃材料的本徵瑞利散射，因而也將明顯地降低光纖的衰減係數。同時通過最佳化芯層直徑和包層的摻氟濃度等參數，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矽芯單模光纖及其製造方法。通過在芯層中摻氯（Cl）和氟（F），使得芯層與包層的玻璃化轉變溫度Tg的差值縮小到200℃以內，最佳化光纖的衰減性能。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），其相對摺射率差為正值，包層摻氟（F），其相對摺射率差為負值的光纖，並且該光纖具有內包層為下陷包層（depressed cladding）的結構。芯層摻氯的材料可以有效降低光纖芯包材料的失配，減少由拉絲過程產生的附加應力，同時內包層為下陷包層結構，可以改善光纖的彎曲性能，然而下陷包層的結構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，比如光纖的模場直徑和截止波長等。而且在外包層參數設計不合理的情況下，內下陷包層結構有可能會引起LP01模的泄漏問題（即單模光纖的衰減係數在長波長區域急劇地上升）。

在美國專利US6947650中，提出了一種具有摻氟下陷內包層的純矽芯光纖，其下陷包層的直徑D與芯層d的直徑之比D/d約為8.5，範圍為小於10。其光纖的工作波長入op與截止波長入cut的比值範圍在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於工作波長，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。二是可以通過內包層為下陷包層的雙包層結構來改善彎曲性能，但是下陷包層有可能引起光纖的“LP01模泄漏”現象。三是通過在光纖的內包層外增加一層類似於溝槽的下陷包層（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）中得到普遍的套用，如中國專利CN101598834A，美國專利US7450807以及歐洲專利EP1978383等。未發現相關專利或文獻報導在純矽芯光纖中採用類似於溝槽的下陷包層（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摺射率差。鍺（Ge）、氯（Cl）、磷（P）等摻雜劑可以使得摻雜後的石英玻璃的相對摺射率差為正值，稱之為“正摻雜劑”，而氟（F）、硼（B）等摻雜劑可以使得摻雜後的石英玻璃的相對摺射率差為負值，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，則摻雜後的石英玻璃的相對摺射率差可以為正值或者負值，或者為0。

發明內容

專利目的

《一種單模光纖》所要解決的技術問題是針對專利背景中相關技術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。

技術方案

《一種單模光纖》包括有芯層和包層，其不同之處在於芯層的相對摺射率差Δ1範圍為-0.1％至+0.1％，半徑R1的範圍是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，其相對摺射率差Δ2的範圍是-0.2％至-0.6％，半徑R2的範圍是10微米至22微米；第二包層緊密圍繞第一包層，其相對摺射率差Δ3小於Δ2，並且第一包層的相對摺射率差、半徑與第二包層的相對摺射率差、半徑存在以下的數值關係：設V＝（Δ2-Δ3）×（R3-R2），則V值的範圍為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，其各個分層的相對摺射率差大於Δ3。

按上述方案，所述的第二包層的相對摺射率差Δ3的範圍是-0.3％至-0.7％，半徑R3的範圍是13微米至27.5微米；第三包層最外層的分層半徑為R4，R4的範圍是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，其相對摺射率差Δ2與芯層的相對摺射率差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，其相對摺射率差Δ3小於其它包層。

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，其相對摺射率差Δ4的範圍是-0.25％至-0.45％；或者第三包層為兩個分層，內分層為摻氟分層，其相對摺射率差Δ4的範圍是-0.25％至-0.45％，半徑範圍是36微米至54微米，外分層為純矽分層，即相對摺射率差為0％。

按上述方案，所述光纖在1550納米波長處的衰減係數小於或等於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，所述光纖具有小於或等於1530納米的光纜截止波長；在1550納米波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.5分貝；對於圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小於或等於0.2分貝。在1625納米波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於1.0分貝；對於圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小於或等於0.8分貝。

按上述方案，所述光纖在1700納米的微彎損耗小於或等於0.8分貝/千米。

有益效果

1.具有最小相對摺射率差的第二包層，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後，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，使得成纜後光纖在實際套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，拉絲後光纖內部的殘餘應力將會減小，有利於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小於-0.25％，以保證避免出現“LP01模泄漏”現象，由於其粘度大於第二包層，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。

附圖說明

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摺射率差（即其值為0％）。

圖2是純矽芯光纖的折射率剖面示意圖。虛線表示光纖含有內包層為下陷包層（depressed cladding）的結構。

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的摻氟分層，302對應靠外的純矽分層。

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是純矽芯光纖的一個微彎損耗譜實例。

技術領域

《一種單模光纖》涉及一種光纖通信系統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，屬於光通信技術領域。

權利要求

1.一種單模光纖，包括有芯層和包層，其特徵在於芯層的相對摺射率差Δ1範圍為-0.1％至+0.1％，半徑R1的範圍是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，其相對摺射率差Δ2的範圍是-0.2％至-0.6％，半徑R2的範圍是10微米至22微米；第二包層緊密圍繞第一包層，其相對摺射率差Δ3小於Δ2，並且第一包層的相對摺射率差、半徑與第二包層的相對摺射率差、半徑存在以下的數值關係：設V＝（Δ2-Δ3）×（R3-R2），則V值的範圍為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，其各個分層的相對摺射率差大於Δ3。

2.如權利要求1所述的單模光纖，其特徵在於所述的第二包層的相對摺射率差Δ3的範圍是-0.3％至-0.7％，半徑R3的範圍是13微米至27.5微米；第三包層最外層的分層半徑為R4，R4的範圍是36微米至63微米。

3.如權利要求1或2所述的單模光纖，其特徵在於所述的芯層由摻氟（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.如權利要求1或2所述的單模光纖，其特徵在於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，其相對摺射率差Δ2與芯層的相對摺射率差Δ1的差值（Δ1-Δ2）為0.3％至0.45％。

5.如權利要求1或2所述的單模光纖，其特徵在於所述的第二包層由摻氟（F）的石英玻璃組成，其相對摺射率差Δ3小於其它包層。

6.如權利要求1或2所述的單模光纖，其特徵在於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，其相對摺射率差Δ4的範圍是-0.25％至-0.45％。

7.如權利要求1或2所述的單模光纖，其特徵在於第三包層為兩個分層，內分層為摻氟分層，其相對摺射率差Δ4的範圍是-0.25％至-0.45％，半徑範圍是36微米至54微米，外分層為純矽分層，即相對摺射率差為0％。

8.如權利要求1或2所述的單模光纖，其特徵在於所述光纖在1550納米波長處的衰減係數小於或等於0.180分貝/千米，模場直徑為10微米至13微米。

9.如權利要求1或2所述的單模光纖，其特徵在於所述光纖具有小於或等於1530納米的光纜截止波長；在1550納米波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.5分貝；對於圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小於或等於0.2分貝；在1625納米波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於1.0分貝；對於圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小於或等於0.8分貝。

10.如權利要求1或2所述的單模光纖，其特徵在於所述光纖在1700納米的微彎損耗小於或等於0.8分貝/千米。

實施方式

《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，其相對摺射率差Δ3小於其它包層。第三包層30為緊密圍繞第二包層的所有分層，其各個分層的相對摺射率差大於Δ3，第三包層最外層的分層半徑為R4，R4的範圍是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，內分層為摻氟分層301，半徑範圍是36微米至54微米，外分層為純矽分層302，即相對摺射率差為0％。

按照上述單模光纖的技術方案，在其所規定的範圍內對光纖的參數進行設計，並通過PCVD工藝、MCVD工藝、OVD工藝或VAD工藝等芯棒製造工藝來根據光纖的設計要求製造芯棒，通過套管工藝、OVD工藝或VAD工藝等外包工藝來完成整個預製棒的製造。PCVD工藝在進行高濃度的摻氟（F）時，具有一定的優勢。

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中規定的方法，由於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範圍內（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，然後將圓圈放開，測試打圈前後光功率的變化，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中規定Method B的方法，由於長波長對於彎曲更敏感，故測試波長範圍為1300納米至1700納米，並且重點關注光纖在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如表2所示。

從實施例可以看出，V值和（Δ1-Δ2）值對於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，有利於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對於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摺射率差更低，將有利於進一步的避免光纖的“LP01模泄漏”現象，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，這樣將不利於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，對於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的摻氟分層和靠外的純矽分層，則需要考慮靠外的純矽分層的定位，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的摻氟分層和靠外的純矽分層，從表2的數據來看，當靠外的純矽分層所在環的內徑D4足夠大時，在避免光纖的“LP01模泄漏”現象的同時，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於光纖的纖芯部分，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》的技術方案所製造的光纖，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納米處的衰減係數保證在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，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.5分貝；對於圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小於或等於0.2分貝；在1625納米波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於1.0分貝；對於圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小於或等於0.8分貝。同時光纖在1700納米的微彎損耗小於0.8分貝/千米。