[发明专利]一种掺杂优化的超低衰减单模光纤

说明书

技术领域

本发明涉及光通信领域，具体涉及到一种掺杂优化的超低衰减单模光纤。

背景技术

目前光纤制造领域非常热点的新型单模光纤产品主要有2种：一种是超低衰减G652光纤，因为其衰减系数低，兼容性能好，成为未来新型光纤的代表之一；另外一种是大有效面积G654光纤，其通过增加光纤的有效面积，抑制光纤传输时的非线性效应，从而更适于长距离大容量传输系统。

但不论对超低衰减G652还是大有效面积G654光纤，找到一种有效的方法降低光纤衰减系数，控制制造成本，对于光纤制造企业来说，都是非常巨大的挑战。其主要困难在于以下三点：

1.如何降低衰减：目前主要的方法是降低光纤的瑞利散射系数，方法是在制备过程中对玻璃材料组分控制和玻璃热力学变化过程进行控制；

2.光纤制造工艺简单可控，不显著增加光纤制造成本：因为目前超低衰减工艺控制复杂，尤其是目前常见的超低衰减纯硅芯设计，为了保证光纤的全反射，包层采用全氟掺杂外包层材料，制备工艺复杂，对光纤的成本影响非常大；

3.在获得超低衰减系数的同时，需要保证光纤各个光学参数满足ITU-T标准，主要指MFD，色散，截止波长和弯曲性能控制在标准要求范围内：即在保证光纤超低衰减性能的同时，其他光学参数必须控制在相应范围内。

对于以上三个困难，具体而言，我们首先从如何降低光纤的衰减来说。对于石英光纤在600nm-1600nm的衰减主要来自于瑞利散射，由瑞利散射所引起的衰减α_R可由下式计算：

式中，λ为波长(μm)，R为瑞利散射系数(dB/km/μm⁴)；P为光强；当瑞利散射系数确认时，B为相对应的常数。因而只要确定了瑞利散射系数R就可得到因瑞利散射所引起的衰减α_R(dB/km)。瑞利散射一方面是由于密度波动引起的，另一方面是由于浓度波动引起的。因而瑞利散射系数R可表示为：

R＝R_d+R_c

上式中，R_d和R_c分别表示由于密度波动和浓度波动所引起的瑞利散射系数变化。其中R_c为浓度波动因子，其主要受到光纤玻璃部分掺杂浓度的影响，理论上采用越少的Ge和F或者其他掺杂，R_c越小，这也是目前国外某些企业采用纯硅芯设计，实现超低衰减性能的原因。

但是我们需要注意到，瑞利散射系数中还包括另外一个参数R_d。R_d与玻璃的假想温度T_F相关，且伴随玻璃的结构变化和温度变化而变化。玻璃的假想温度T_F是表征玻璃结构一个物理参数，定义为从某温度T’将玻璃迅速冷却到室温玻璃的结构不再调整而达到某平衡状态对应的温度。当T’>T_f(玻璃的软化温度)，由于玻璃的粘度较小，玻璃结构易于调整，因而每一瞬间玻璃均处于平衡状态，故T_F＝T’；当T’<T_g(玻璃的转变温度)，由于玻璃的粘度较大，玻璃结构难于调整，玻璃的结构调整滞后于温度变化，故T_F>T’；当T_g<T’<T_f(玻璃的软化温度)，玻璃趋向于平衡所需要的时间较短一些，具体与玻璃的组分和冷却速度有关，故T_F>T’或T_F<T’。

在使用纯硅芯设计时，为了保证光纤的全反射，必须使用相对较低折射率的F掺杂内包层进行匹配，以保证芯层和内包层之间保持足够的折射率差异。这样纯硅芯的芯层部分粘度相对较高，而同时大量F掺杂的内包层部分粘度较低，从而造成光纤结构粘度匹配失衡，从而使纯硅芯结构的光纤虚拟温度迅速增加，造成光纤的R_d增加。这样就不仅抵消掉R_c降低带来的好处，更可能造成光纤衰减反向异常。