阅读说明：本技术 一种包层组分优化的大有效模面积低损耗光纤 (Large effective mode area low-loss optical fiber with optimized cladding components ) 是由 王龙飞 李凡 眭立洪 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种包层组分优化的大有效模面积低损耗光纤,包括芯层和包层,所述包层从内向外包括第一下陷层,第二下陷层,任选的第三下陷层,和外包层。本发明通过在光纤包层中进行磷和铝共掺,在玻璃中形成[AlPO<Sub>4</Sub>]四面体,在有效降低包层折射率的同时,可优化包层粘度,且不会导致氢损的增加,工艺简单,可重复性强。(The invention provides a large effective mode area low-loss optical fiber with optimized cladding components, which comprises a core layer and a cladding layer, wherein the cladding layer comprises a first sunken layer, a second sunken layer, an optional third sunken layer and an outer cladding layer from inside to outside. The invention forms [ AlPO ] in glass by co-doping phosphorus and aluminum in the cladding of the optical fiber 4 ]The tetrahedron can optimize the viscosity of the cladding while effectively reducing the refractive index of the cladding, does not cause the increase of hydrogen loss, and has simple process and strong repeatability.)

一种包层组分优化的大有效模面积低损耗光纤

技术领域

本申请属于通信传输技术领域，尤其是涉及一种包层组分优化的大有效模面积低损耗光纤。

背景技术

长距离通信具有大容量、高速率的特点，其要求光纤具有更高的非线性阈值和更低的传输损耗，而大模场低损耗光纤的提出满足了这一要求，从而引起了全球光通信研发机构和公司的广泛关注和研究。

提高非线性阈值和信噪比的最直接的方式是增大光纤的有效面积，而有效模场面积的增大会导致光纤的抗弯曲能力变差，因此一般需要在光纤包层中添加低折射率包层，以提高其抗弯曲性能。所谓的低折射率包层，通常是指该包层的折射率比纯石英的折射率低，可以通过掺入氟或硼实现，但由于硼的掺入会导致光纤的色散变差和损耗增大等问题，因此目前业界基本通过掺氟实现低折射率包层。但是氟的掺入会导致低折射率包层与纤芯的高温粘度、软化温度和膨胀不匹配，一方面会在预制棒和光纤中产生残余应力，另一方面会在拉丝过程中导致低折射率层中断键的增多，最终导致光纤的传输损耗增大，机械强度变差。因此需要对纤芯和(或)低折射率包层进行玻璃组分优化，降低纤芯和低折射率包层的高温粘度、软化温度和膨胀差异，降低光纤的传输损耗。

专利CN106458696A公开了利用热扩散的方法，将碱金属元素扩散进入光纤，得到较低衰减的光纤，但是单掺碱金属会导致氢损的增加，不利于光纤的长期工作稳定性。

专利CN109445023A公开了通过在纤芯和包层中进行磷、氟和碱金属共掺，实现芯包的粘度匹配，避免单掺金属带来的氢气处理下的衰减增加，但是该方法需要掺入磷、氟和碱金属三种元素，组分较多，工艺复杂，制备难度大，可重复性较低，且不利于成本的降低。

发明内容

以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：

mol％：摩尔百分比；

wt.％：质量百分比；

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。

光纤各层相对折射率差△n_i由以下方程式定义：

其中n_i为纤芯或包层折射率，n_s为纯二氧化硅折射率。

光纤芯层锗掺杂的折射率差贡献量△Ge由以下方程式定义：

其中nGe为单独将锗掺入石英玻璃时，引起的玻璃折射率变化量。

光纤包层中氟掺杂的折射率差贡献量△F定义如下：

其中nF为单独氟掺入石英玻璃时，引起的玻璃折射率变化量。

光纤包层中[AlPO₄]的折射率差贡献量△AlP定义如下：

其中nAlP为石英玻璃中单独存在[AlPO₄]四面体时引起的玻璃折射率变化量。

本发明要解决的技术问题是，为解决现有技术中单掺碱金属元素会导致光纤的氢损增加，劣化光纤的长期工作稳定性，而在纤芯和包层中进行磷、氟和碱金属共掺导致所涉及的元素较多，工艺复杂，制备难度大，可重复性低，且不利于成本的降低的不足，从而提供了一种包层组分优化的大有效面积的低损耗光纤。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：提供了一种包层组分优化的大有效模面积低损耗光纤，包括芯层和包层，所述包层从内向外包括第一下陷层，第二下陷层和外包层，其中，

第二下陷层为多元掺杂石英内包层，掺杂物包括氟，铝和磷，其中，铝和磷的掺杂量为0～10mol.％，且成连续分布，铝和磷的摩尔比为0.7～1.3:1，铝和磷的共掺在玻璃中形成[AlPO4]四面体，[AlPO₄]四面体对第二下陷层的折射率贡献量为-0.8％～0，氟对第二下陷层的折射率贡献量为-0.05％～0，第二下陷层的相对折射率差△n2为-0.85％～0，第二下陷层半径R2为8～35μm。

上述方案中，优选地，所述第一下陷层为纯石英层或多元掺杂石英内包层，当第一下陷层为多元掺杂石英内包层时，掺杂物包括氟，铝和磷，其中，铝和磷的掺杂量为0～5mol％，且成连续分布，铝和磷的摩尔比为0.8～1.2:1，铝和磷的共掺在玻璃中形成[AlPO₄]四面体，[AlPO₄]四面体对第一下陷层的折射率贡献量为-0.4％～0，氟对第一下陷层的折射率贡献量为-0.05％～0，第一下陷层的相对折射率差△n1为-0.55％～0，第一下陷层半径R1为6～20μm。

进一步优选地，所述外包层为纯石英包层或多元掺杂石英包层，当外包层为多元掺杂石英包层时，掺杂元素为氟、铝和磷，其中铝和磷的掺杂量为0～5mol％，呈连续分布，铝和磷的摩尔比为0.9～1.1:1，氟对外包层的折射率贡献量为-0.02％～0，[AlPO₄]四面体对外包层的折射率贡献量为-0.4％～0，外包层的相对折射率差△n4为-0.42％～0，外包层半径R4为62.5μm。

进一步的，所述芯层为多元掺杂二氧化硅芯层，掺杂物包括锗和氟，其中，锗对芯层的折射率贡献量为0～0.3％，氟对芯层的折射率贡献量为-0.05％～0，在芯层中呈连续分布，芯层的相对折射率差△n0为0～0.25％，芯层半径R0为5～8μm。

上述方法中，所述第一下陷层和第二下陷层中的掺杂物分别包括氟，铝和磷，优选地，其中，第一下陷层和第二下陷层中铝掺杂量不能同时为0mol％，并且其中磷的掺杂量不同时为0mol％。

进一步的，上述方案中，优选地，氟通过氟利昂或四氟化硅引入，磷为过五氧化二磷，通过三氯化磷原料引入，铝为氧化铝，通过氯化铝原料引入。

在本发明的另一个优选实施方式中，上述包层组分优化的低损耗光纤，其中，所述包层还包括第三下陷层，所述第三下陷层位于第二下陷层和外包层之间。

进一步的优选，第三下陷层为多元掺杂石英内包层，掺杂物包括氟，铝和磷，其中，铝和磷的掺杂量为0～5mol％，且成连续分布，铝和磷的摩尔比为0.7～1.3:1，氟对第三下陷层的折射率贡献量为-0.05％～0，[AlPO₄]四面体对第三下陷层的折射率贡献量为-0.4％～0，第三下陷层的相对折射率差△n3为-0.45％～0，第三下陷层半径R3为8～62.5μm。

进一步的，所述光纤在1550nm波长处的衰减小于或等于0.18dB/km，优选地，小于或等于0.17dB/km，更优选地，小于或等于0.16dB/km。

进一步的，所述光纤在70℃、0.01％H2体积浓度中反应至少16小时，光纤在1550nm波长处衰减变化值小于或等于0.01dB/km，更优地，小于或等于0.002dB/km；其中，所述0.01％H2是指H2与He的混合气体中，H2的体积浓度为0.01％。

在本发明的另一个更具体的实施方式中，提供了一种包层组分优化的大有效模面积低损耗光纤，包括芯层和包层，所述包层从内向外包括第一下陷层，第二下陷层，任选的包括或不包括第三下陷层，和外包层，其中，

芯层为多元掺杂二氧化硅芯层，掺杂物包括锗、氟等，其中，锗对芯层的折射率贡献量为0～0.3％，氟对芯层的折射率贡献量为-0.05％～0，在芯层中呈连续分布，芯层的相对折射率差△n0为0～0.25％，芯层半径R0为5～8μm；

第一下陷层为纯石英层，也可为多元掺杂石英内包层，当第一下陷层为多元掺杂石英内包层时，掺杂物包括氟，铝和磷，其中，铝和磷的掺杂量为0～10mol％，且成连续分布，铝和磷的摩尔比为0.8～1.2:1，铝和磷的共掺可在玻璃中形成[AlPO₄]四面体，该[AlPO4]四面体可有效降低玻璃折射率，氟对第一下陷层的折射率贡献量为-0.05％～0,[AlPO₄]四面体对第一下陷层的折射率贡献量为-0.8％～0，第一下陷层的相对折射率差△n1为-0.85％～0，第一下陷层半径R1为6～20μm；

第二下陷层为多元掺杂石英内包层，掺杂物包括氟，铝和磷，其中，铝和磷的掺杂量为0～10mol％，且成连续分布，铝和磷的摩尔比为0.7～1.3:1，氟对第二下陷层的折射率贡献量为-0.05％～0，[AlPO₄]四面体对第二下陷层的折射率贡献量为-0.8％～0，第二下陷层的相对折射率差△n2为-0.85％～0，第二下陷包层半径R2为8～35μm；

任选的，第三下陷层为多元掺杂石英内包层，掺杂物包括氟，铝和磷，其中，铝和磷的掺杂量为0～5mol％，且成连续分布，铝和磷的摩尔比为0.7～1.3:1，氟对第三下陷层的折射率贡献量为-0.05％～0，[AlPO4]四面体对第三下陷层的折射率贡献量为-0.4％～0，第三下陷层的相对折射率差△n3为-0.45％～0，第三下陷层半径R3为8～62.5μm；

外包层为纯石英包层或为多元掺杂石英包层，当外包层为多元掺杂石英包层时，掺杂元素为氟、铝和磷，其中铝和磷的掺杂量为0～5mol％，呈连续分布，铝和磷的摩尔比为0.9～1.1:1，氟对外包层的折射率贡献量为-0.02％～0，[AlPO₄]四面体对外包层的折射率贡献量为-0.4％～0，外包层的相对折射率差△n4为-0.42％～0，外包层半径R4为62.5μm；

其中，氟通过氟利昂或四氟化硅等引入，磷为五氧化二磷，通过三氯化磷原料引入，铝为氧化铝，通过氯化铝原料引入。

本发明的有益效果是：

第一，本发明所提供的光纤其包层主要采用铝和磷共掺，同时掺入少量的氟，铝和磷在玻璃中形成[AlPO₄]四面体，在有效降低包层折射率的同时，可优化包层粘度，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；

第二、无碱金属掺杂，避免了氢损带来的额外损耗，保证了光纤长期工作稳定性。

第三、本发明提供的纤维芯层和包层中氟的掺杂量可低于0.15wt.％，大幅度降低了氟的掺杂量，在保证了光纤更好的稳定性的同时，降低了制造成本，同时有利于环境保护，并且工艺简单，可重复性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1为典型的光纤中铝和磷含量分布图。

图2为实施例1中的光纤折射率剖面示意图。

图3为实施例2中的光纤折射率剖面示意图。

图4为适用于本发明的其他折射率剖面示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的内容做进一步的阐释和说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在以下实施例1及对比例1～3中，所述的光纤包括芯层和包层，芯层半径为R0，芯层相对折射率差为△n0，包层从内向外依次包覆第一下陷层、第二下陷层，第三下陷层和外包层，所述的第一下陷层半径为R1，相对折射率差为△n1，所述的第二下陷层半径为R2，相对折射率差为△n2，所述的第三下陷层半径为R3，相对折射率差为△n3，所述外包层半径为R4，为纯石英包层。

实施例1

光纤芯层包含锗、氟和二氧化硅，在芯层中呈连续分布。第一下陷层中，包含氟，P₂O₅，Al₂O₃和二氧化硅，其中F含量为0.2mol％，且呈连续分布，P₂O₅含量为2.3mol％，Al₂O₃含量为2.3mol％。第二下陷层中包含P₂O₅，Al₂O₃和二氧化硅，P₂O₅含量为6.2mol％，Al₂O₃含量为6.5mol％，第三下陷层中，包含氟，P₂O₅，Al₂O₃和二氧化硅，其中F含量为0.2mol％，且呈连续分布，P₂O₅含量为2.3mol％，Al₂O₃含量为2.3mol％，该光纤在1550nm处衰减为0.152dB/km，光纤在70℃，0.01％H₂中反应至少16H后，光纤在1550nm衰减变化值为0.001dB/km。

对比例1

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。紧邻芯层的第一下陷层中，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。具体参数见表1。

对比例2

光纤芯层包含锗、钠和二氧化硅，在芯层中连续分布。第一下陷层中，包含氟和二氧化硅，其中氟含量2mol％，且呈连续分布。第二下陷层中包含氟和二氧化硅，其中F含量为3.8mol％,且呈连续分布。第三下陷层中，包含氟和二氧化硅，其中氟含量2mol％，且呈连续分布该光纤在1550nm处衰减为0.156dB/km，光纤在70℃，0.01％H₂中反应至少16H后，光纤在1550nm衰减变化值为0.008dB/km。

对比例3

光纤芯层包含锗、氟、钾和二氧化硅，其中K含量0.1mol％，F含量1.8mol％。第一下陷层中，包含氟和二氧化硅，其中氟含量1.8mol％，且呈连续分布。第二下陷层中包含氟和二氧化硅，其中F含量为3.8mol％,且呈连续分布。该光纤在1550nm处衰减为0.160dB/km，光纤在70℃，0.01％H₂中反应至少16H后，光纤在1550nm衰减变化值为0.01dB/km。

实施例2

光纤包括芯层和包层，光纤芯层掺锗，半径R0为8μm，芯层相对折射率差Δn0为0.15％，芯层从内向外依次为第一下陷层、第二下陷层和外包层，所述的第一下陷层半径R1为14μm，相对折射率差Δn1为-0.8％，所述的第二下陷层半径R2为26μm，相对折射率差Δn2为-0.14％，所述外包层半径62.5μm，相对折射率差为-0.07％。第一下陷层中，包含P₂O₅，Al₂O₃和二氧化硅，其中，P₂O₅含量为10mol％，呈连续分布其中Al₂O₃的含量为11mol％，且呈连续分布，第二下陷层中，包含P₂O₅，Al₂O₃和二氧化硅，其中，P₂O₅含量为1.8mol％，呈连续分布其中Al₂O₃的含量为1.75mol％,且呈连续分布，外包层中包含0.7mol％的氟，该光纤在1550nm处衰减为0.154dB/km，光纤在70℃，0.01％H₂中反应至少16H后，光纤在1550nm衰减变化值＝0.0015dB/km。

上述实施例1～2以及对比例1～3制备的光纤掺杂参数见表1。

表1：本发明实施例制备的光纤掺杂参数

上述实施例1，实施例2，以及对比例1，2和3制备的光纤，其中第一下陷层半径R1，相对折射率差△n1，第二下陷层半径R2，相对折射率差△n2，第三下陷层半为R3，相对折射率差△n3，外包层半径R4，所述芯层半径R0，相对折射率差△n0的数值见表2。

表2：本发明实施例制备的光纤芯层和包层半径及相对折射率差参数

可以参照本发明实施例1～2类似方法制备本发明所述的含有其他设定的掺杂参数的光纤。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容和实施例相关内容，本领域相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。