一种掺杂优化的超低衰减单模光纤

摘要

本发明涉及一种掺杂优化的超低衰减单模光纤，包括芯层和包层，所述的包层从内向外包括有内包层、下陷包层和外包层，其特征在于所述的芯层为多元掺杂二氧化硅芯层，掺杂物包括锗、氟、碱金属和磷，其中，锗对芯层的折射率贡献量为0～0.2％，氟对芯层的折射率贡献量为‑0.2％～0，碱金属的含量设为M11，则0

权利要求

1.一种掺杂优化的超低衰减单模光纤，包括芯层和包层，所述的包层从内向外包括有内包层、下陷包层和外包层，其特征在于所述的芯层为多元掺杂二氧化硅芯层，掺杂物包括锗、氟、碱金属和磷，其中，锗对芯层的折射率贡献量为0～0.2％，氟对芯层的折射率贡献量为-0.2％～0，碱金属的含量设为M11，则0

0.2％，芯层半径R1为3～7μm；所述的内包层为多元掺杂二氧化硅内包层，掺杂物包括锗、氟、碱金属和磷，其中，锗对内包层的折射率贡献量为0～0.1％，氟对内包层的折射率贡献量为-0.5％～-0.01％，碱金属的含量设为M21，则0

0.04％，内包层半径R2为6～17μm。

2.按权利要求1所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的芯层中碱金属的含量为0

3.按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述芯层中磷含量大于或等于内包层中磷含量，即M12/M22≥1，芯层中碱金属含量大于或等于内包层中碱金属含量，即M11/M21≥1。

4.按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的包层中包括有过渡外包层，所述的过渡外包层位于下陷包层和外包层之间。

5.按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的碱金属为Li、Na、K、Rb、Cs、Ca中的一种或多种。

6.按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的磷为P 2O 

5，通过POCl 3原料引入。

7.按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的光纤在

1550nm波长处的衰减小于或等于0.185dB/km。

8.按权利要求1或2所述的掺杂优化的超低衰减单模光纤，其特征在于所述的光纤在70℃、0.01％H 2体积浓度中反应至少16H，光纤在1550nm波长处衰减变化值小于或等于

0.02dB/km。

说明书

一种掺杂优化的超低衰减单模光纤

技术领域

[0001] 本发明涉及一种掺杂优化的超低衰减单模光纤，属于光通信传输技术领域。

背景技术

[0002] 光通信具有传输容量大、传输距离远、传输速度快等特点，被广泛应用于长途干线、城域网、以及接入网等光通讯系统。近几年，随着IP业务量的爆炸式增长，通信网络正向
下一代系统迈进，构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的基础。

[0003] 现在最热的新型单模光纤产品主要有两种，一是超低衰减的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，另一种是大有效面积的G654光纤，
大的有效面积能够抑制光纤传输时的非线性效应，从而更适合长距离大容量传输系统。

[0004] 光纤的衰减系数是光纤最重要的性能指数指标之一，在很大程度上决定了光纤通信的中继距离，光纤的衰减系数越小，则其携带的光信号可传输距离就越远，而在同样的传
输距离下，其携带的光信号衰减幅度就越小，降低衰减系数可以有效提高光纤通信中的光
信噪比OSNR，进一步提高系统的传输距离和传输距离。在长距离的光纤通讯中，光信号是通
过中继站来完成传输的，如果光纤的衰减系数越小，中继站之间的距离就可以越远，从而大
大较少中继站的设置，极大的降低运营成本。因此在光纤制造中，降低光纤的衰减系数是难
点也是热点。

[0005] 现有降低衰减系数的技术主要由以下几种：1黏度匹配和热膨胀系数匹配。优化光纤剖面设计和材料组分，改善光纤的芯层和包层的黏度匹配和热膨胀系数，可以减少拉丝
应力造成的光纤衰减。2.减少芯层掺杂剂的浓度，芯层掺杂剂Ge和F的浓度增大，将会增加
浓度波动因子引起的瑞拉散射损耗，例如目前普遍采用纯硅芯技术来制造超低衰减光纤。
3.掺杂碱金属、碱土金属或者氯元素，碱金属、碱土金属或者氯元素可以降低玻璃的温度和
虚拟温度，利于玻璃网络结构的调整，降低密度波动因子引起的瑞利散射损耗。

[0006] 光纤中的衰耗由宏弯损耗、微弯损耗、红外吸收、瑞利散射等多方面组成，随着光纤中的损耗越来越低，在1550nm光纤中的损耗已经达到0.165dB/km，甚至已经达到
0.155dB/km以下，虽然瑞利散射带来的影响较小，但是想要再进一步降低衰耗的情况下，瑞
利散射损耗就要尽可能降到最低。

[0007] 石英光纤由瑞利散射所引起的衰减αR可由下式计算：

[0008]

[0009] 式中，λ为波长(μm)，R为瑞利散射系数(dB/km/μm4),P为光强，当瑞利散射系数确定时，B为相对应的常数。因此重要确定了瑞利散射系数R，就可以得到由瑞利散射所引起的
衰减αR(dB/km)。瑞利散射系数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，因此可表示为:

[0010] R＝Rd+Rc.............................(2)

[0011] 上式中Rd和Rc分别代表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Rc为浓度波动因子，其只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，Rc越小，这也是国外某些企业采用的纯硅芯设计，实现超低衰减性能的原
因。

[0012] 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Rd，Rd与玻璃的假想温度TF相关，且伴随玻璃的结构变化和温度变化而变化。玻璃的假想温度是表征玻璃结构
的一个物理参数，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'>TF(玻璃的软化温度)，由于玻璃的黏度较小，玻璃结构易于调
整，因而每一瞬间玻璃均处于平衡状态，故TF＝T'；当T'＜Tg(玻璃的转化温度)，由于玻璃
的黏度较大，玻璃结构难于调整，玻璃的结构调整滞后于温度变化，故TF>T'；当Tg＜T'＜TF
(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TF>T'或TF＜T'。

[0013] 在调整玻璃的网络结构的物质中，碱金属、碱土金属属于玻璃网络修饰体，能够破坏玻璃的硅氧键，有效降低玻璃的黏度，被广泛应用于普通的玻璃生产中，是良好的玻璃助
熔剂。因此当在预制棒的制造过程中引入少量的碱金属或者碱土金属氧化物时，能有效破
坏石英玻璃的网络结构，降低玻璃的黏度，在光纤高温拉丝过程能够增加光纤玻璃的粘性
流动、减小退火过程中光纤玻璃的结构松弛时间，使得光纤玻璃的密度趋于均匀，降低了虚
拟温度，从而有利于降低由密度波动引起的瑞利散射损耗。

[0014] 由于玻璃的特殊结构，玻璃光纤被置于含氢的环境中，因光纤中的缺陷与氢发生反应，在某些特定波长上会出现附加衰减的现象。光纤需要具备良好的抗氢损老化能力，以
确保光纤光缆在使用寿命(25年)内衰减具有良好的稳定性。

[0015] 专利CN106458696中，利用热扩散的方法，将碱金属元素扩散进入光纤，得到较低衰减的光纤。

发明内容

[0016] 以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：

[0017] ppm：百万分之一的重量比。

[0018] 从光纤最中心的轴线开始算起，根据折射率的变化，定义为最靠近轴线的那层为纤芯层，光纤的最外层即纯二氧化硅层定义为光纤外包层。

[0019] 光纤各层相对折射率差Δni由以下方程式定义：

[0020]

[0021] 其中ni为纤芯的折射率，而nc为纯二氧化硅的折射率。

[0022] 光纤芯层Ge掺杂的相对折射率差贡献量△Ge由以下方程式定义，

[0023]

[0024] 其中nGe为假设纤芯的Ge掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅中，引起二氧化硅玻璃折射率的变化量，其中nc为最外包层折射率，即纯二氧化硅的折射率。

[0025] 光纤芯层和内包层F掺杂的相对折射率贡献量ΔFi由以下方程式定义，

[0026]

[0027] 其中nF为假设芯层或内包层位置的F掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅玻璃中，引起二氧化硅玻璃折射率的变化量，其中nc为最外包层折射率，即纯二氧化硅
的折射率。

[0028] 本发明要解决的技术问题旨在提供一种掺杂优化的超低衰减单模光纤，它不仅衰减低，而且性能稳定，使用寿命长。

[0029] 本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括芯层和包层，所述的包层从内向外包括有内包层、下陷包层和外包层，其特征在于所述的芯层为多元掺杂二氧化
硅芯层，掺杂物包括锗、氟、碱金属和磷，其中，锗对芯层的折射率贡献量为0～0.2％，氟对
芯层的折射率贡献量为-0.2％～0，碱金属的含量设为M11，则0布，磷的含量设为M12，则0为-0.15％～0.2％，芯层半径R1为3～7μm。

[0030] 按上述方案，所述的芯层中碱金属的含量为0

[0031] 按上述方案，所述的内包层为多元掺杂二氧化硅内包层，掺杂物包括锗、氟、碱金属和磷，其中，锗对内包层的折射率贡献量为0～0.1％，氟对内包层的折射率贡献量为-
0.5％～-0.01％，碱金属的含量设为M21，则0连续分布，磷的含量设为M22，则0为-0.5％～-0.04％，内包层半径R2为6～17μm。

[0032] 按上述方案，所述芯层中磷含量大于或等于内包层中磷含量，即M12/M22≥1，芯层中碱金属含量大于或等于内包层中碱金属含量，即M11/M21≥1。

[0033] 按上述方案，所述的包层中包括有过渡外包层，所述的过渡外包层位于下陷包层和外包层之间。

[0034] 按上述方案，所述的碱金属为Li、Na、K、Rb、Cs、Ca中的一种或多种。

[0035] 按上述方案，所述的磷为P2O5，通过POCl3原料引入。

[0036] 按上述方案，所述的光纤在1550nm波长处的衰减小于或等于0.185dB/km，较优情况下小于或等于0.170dB/km，更优情况下小于或等于0.160dB/km。

[0037] 按上述方案，所述的光纤在70℃、0.01％H2(指H2与He的混合气体中，H2的体积浓度为0.01％体积)，中反应至少16H(小时)，光纤在1550nm波长处衰减变化值小于或等于
0.02dB/km，更优的小于或等于0.005dB/km。

[0038] 本发明的有益效果在于：1、采用碱金属与磷共掺在芯层和内包层中形成了良好的粘度匹配，减少光纤制备过程中的缺陷，减少了光纤的轴向应力，从而进一步降低光纤的衰
减参数。2、碱金属掺杂可以降低玻璃的粘度，降低光纤的虚拟温度，从而降低光纤的衰减。
3、磷掺杂不仅可以降低玻璃的粘度，从而降低光纤的虚拟温度，同时可以减少由于碱金属
掺杂带来的氢气处理下的衰减增加，P2O5可以限制碱金属离子的移动，起相互限制作用，使
光纤的衰减更低，并使光纤性能稳定，具备更长的使用寿命。

附图说明

[0039] 图1为本发明实施例中掺杂的分布图。

[0040] 图2为本发明一个实施例1的光纤折射率剖面示意图。

[0041] 图3为本发明一个实施例2的光纤折射率剖面示意图。

[0042] 图4、图5为适用于本发明的其它光纤折射率剖面示意图。

具体实施方式

[0043] 以下结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

[0044] 在实施例1及对比例1，2中，本发明的单模光纤包括芯层和包层，芯层半径为R1，芯层相对折射率差为△n1芯层从内向外依次包覆内包层、下陷包层、辅助外包层和外包层，所
述的内包层半径围R2，相对折射率差为△n2，所述的下陷包层半径为R3，相对折射率差为△
n3，所述的过渡外包层半径为R4，相对折射率差为△n4，所述外包层半径为R5，相对折射率差
为△n5，最外包层为纯二氧化硅玻璃层。

[0045] 实施例1.

[0046] 光纤芯层包含锗、氟、二氧化硅、碱金属氧化物及P2O5，其中碱金属氧化物的含量为100ppm,且呈连续分布,P2O5含量为100ppm，在芯层中呈连续分布。紧邻芯层的内包层中，包
含锗、氟、二氧化硅、碱金属氧化物，其中碱金属氧化物(K2O)的含量为5ppm,且呈连续分布，
P2O5含量为20ppm，呈连续分布。该光纤在1550nm处衰减为0.155dB/km，光纤在70℃，0.01％
H2中反应至少16H后，光纤在1550nm衰减变化值＝0.004dB/km。

[0047] 对比例1

[0048] 光纤芯层包含锗、氟、二氧化硅及P2O5，其中P2O5含量为100ppm，在芯层中呈连续均匀分布。紧邻芯层的内包层中，包含锗、氟、二氧化硅，其中P2O5含量为50ppm,且呈连续均匀
分布。该光纤在1550nm处衰减为0.161dB/km，光纤在70℃，0.01％H2中反应至少16H后，光纤
在1550nm衰减变化值＝0.004dB/km。

[0049] 对比例2

[0050] 光纤芯层包含锗、氟、二氧化硅、碱金属氧化物，其中碱金属氧化物(K2O)的峰值含量为100ppm,且呈连续分布。紧邻芯层的内包层中，包含锗、氟、二氧化硅、碱金属氧化物，其
中碱金属氧化物(K2O)的平均含量为5ppm,且呈连续分布。该光纤在1550nm处衰减为
0.158dB/km，光纤在70℃，0.01％H2中反应至少16H后，光纤在1550nm衰减变化值＝0.01dB/
km。

[0051] 对比例3

[0052] 光纤芯层包含锗、氟、二氧化硅。紧邻芯层的内包层中，包含锗、氟、二氧化硅。该光纤在1550nm处衰减为0.17dB/km，光纤在70℃，0.01％H2中反应至少16H后，光纤在1550nm衰
减变化值＝0.005dB/km。

[0053] 实施例2

[0054] 光纤包括芯层和包层，光纤芯层半径R1为3.9μm，芯层相对折射率差Δn1为0.01％，芯层从内向外依次包覆第一包层、下陷内包层和外包层，所述的内包层半径r2为9μ
m，相对折射率差为-0.27％，所述的下陷包层半径r3为13.5μm，相对折射率差Δn3为-
0.47％，所述外包层半径62.5μm，相对折射率差为-0.31％。其中芯层中碱金属氧化物的含
量为100ppm,且呈连续分布,P2O5含量为100ppm，在芯层中呈连续分布。紧邻芯层的第一包层
中，包含锗、氟、二氧化硅、碱金属氧化物，其中碱金属氧化物(K2O)的含量为5ppm,且呈连续
分布，P2O5含量为20ppm，呈连续分布。该光纤在1550nm处衰减为0.159dB/km，光纤在70℃，
0.01％H2中反应至少16H后，光纤在1550nm衰减变化值＝0.003dB/km。

[0055] 表一 本发明实施例的光纤剖面及掺杂参数

[0056] 序号 Δn1[％] P[ppm] K[ppm] R1[μm] Δn2[％] P[ppm] K[ppm] R2[μm] Δn3[％] R3[μm] Δn4[％] R4[μm] Δn5[％] R5[μm]实施例1 0 100 100 5 -0.2 20 5 13 -0.5 20 -0.2 50 0 62.5实施例2 0.01 100 100 3.9 -0.27 20 5 9 -0.47 13.5 -0.31 62.5 / /
对比例1 0 100 0 5 -0.2 50 0 13 -0.5 20 -0.2 50 0 62.5
对比例2 0 0 100 5 -0.2 0 5 13 -0.5 20 -0.25 50 0 62.5
对比例3 0 0 0 5 -0.2 0 0 13 -0.5 20 -0.25 50 0 62.5

[0057] 表二 本发明实施例的光纤参数

[0058]

[0059] 从表二中，与对比例相比，实施例1和2中，在芯层中加入P2O5和碱金属氧化物，使得光纤的各项性能都得到优化，衰减降低，且在氢气气氛下的衰减增加维持在较小的水平。对
比例1中在光纤的芯层和内包层中加入了P2O5，使得光纤的衰减降低，但高于实施例1中光纤
衰减，但在氢气气氛下的衰减增加值也较低。对比例2中在光纤的芯层和内包层中加入了碱
金属氧化物，由于碱金属氧化物具有降低粘度，降低虚拟温度，改善光纤的衰减，但是碱金
属氧化物的加入，会使光纤在氢气气氛下的衰减增加变大。光纤在氢气气氛下的耐受性与
光纤的寿命有关，耐受性能越好，代表光纤的稳定性越好，寿命越长，更能保证光纤在使用
的过程中不会应该衰减增加超过设定值而报废。