一种低损耗光纤及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤领域，具体涉及一种低损耗光纤及其制作方法。

背景技术

光纤的结构一般包括芯层和包层。芯层由掺杂(如掺锗)的硅基石英玻璃制成；包层由未掺杂的纯硅基石英玻璃制成，芯层折射率比包层折射率高，且两者之间必须达到一定的数值，用相对折射率进行表示，如Δ＝0.35％。

如图1所示(上图为光纤横截面图，下图为与光纤各层相对应的折射率分布线)，为进一步降低光纤衰减，制作低损耗光纤一般采用的方式为：通过降低芯层1折射率，从而降低芯层1的掺杂量。为了让芯层1和包层折射率差达到一定数值，采用第一包层2掺氟的结构，以降低第一包层2折射率值，确保芯层1和第一包层2之间折射率差值不变(如：仍为0.35％)。第二包层3由未掺杂的纯硅基玻璃制成，包围芯层1的第一包层2具有比芯层1的折射率低的折射率，包围第一包层2的第二包层3的折射率低于芯层1的折射率但高于第一包层2的折射率。

这样结构改进，实现了损耗一定程度的降低。但由于芯层1和第一包层2之间引入了两种折射率相反的杂质(比如芯层是使折射率升高的锗元素，第一包层是使折射率降低的氟元素)。从而导致芯层1和第一包层2之间存在了较大的结构应力，芯层1和第一包层2之间存在芯包应力区，该芯包应力区的存在使得芯层1受到了向外的拉应力，导致光纤衰减增加，从而限制了光纤损耗的进一步降低。所以一般这类结构光纤的衰减最低仅停留在0.170dB/Km以上，无法再继续降低。

公开号为CN114994830A的专利文献公开了一种低损耗抗弯曲单模光纤及制造方法。该文献中，芯层相对折射率差由内而外由Δ1下降为Δ2，降低了弯曲状态下折射率剖面的畸变程度，进一步优化了芯包粘度匹配，减小了拉丝过程中缺陷的产生，以降低光纤的损耗值，增加光纤的抗弯曲性能，内包层的相对折射率差自内而外由Δ2上升为Δ3，使光纤的芯层、包层粘度到达较好的匹配，降低芯包间应力。

上述方法的缺点在于，通过在芯层和包层之间增加折射率过渡层，导致了光纤折射率结构复杂，同时会影响光纤的其它性能指标，如宏弯损耗、模场直径等。所以需要在光纤结构设计上进行改变来弥补其它指标差异，会导致光纤结构越来越复杂，制造工艺越来越繁琐，质量控制更加困难，成本也相应增加。

发明内容

本发明针对上述问题，克服至少一个不足，提出了低损耗光纤及其制作方法，通过调整光纤结构应力分布的方法实现降低衰减的目的。

本发明采取的技术方案如下：

一种低损耗光纤，包括：

芯层；

第一包层，包覆在所述芯层的外侧，所述芯层和所述第一包层之间形成有芯包应力区；

第二包层，包覆在所述第一包层的外侧，所述第一包层具有位于第一包层外侧的第二包层应力层以及位于第二包层应力层外侧的第二包层本体层，所述第二包层应力层用于对第一包层施加向内的压应力来抵消或部分抵消芯包应力区对所述芯层的影响，从而降低损耗。

应力按其存在的特点分为暂时应力和永久应力两种：

1.暂时应力。玻璃在应变点温度以下加热或冷却时，由于其导热性较差，各部位将形成温度梯度，从而产生一定的热应力。这种热应力，随着温差的存在而存在，温差越大，暂时应力也越大，并随着温差的消失而消失。这种热应力称为暂时应力。

2.结构应力。结构应力是玻璃中两部分区域，化学组成不均匀导致结构不均匀产生不同的膨胀系数，因而产生的应力。如掺杂质性质不同、粘度不同、折射率差异等。其特点是，结构应力，无法通过退火等措施消除。第二包层应力层所形成的应力为结构应力。

本申请在制作第二包层时增加一个第二包层应力层，通过该第二包层应力层能够对第一包层施加向内的压应力来抵消或部分抵消芯包应力层对芯层的影响，从而减少结构应力对光纤损耗的影响。

本申请增加的第二包层应力层位于第二包层，其不参与光信号直接传输，所以不会对光纤的传输性能产生直接影响，所以该区域的材料纯度和尺寸精度要求更低，实现起来制造工艺更加简单，成本更低。

现有技术中降低光纤损耗主要是通过降低光纤芯层的瑞利散射，使其损耗尽可能接近材料的本征损耗。目前国内主要通过降低光纤芯层掺杂量的方式来实现。本申请在芯层折射率结构和掺杂量不发生变化的情况下，通过改变光纤包层的结构应力的方式，以降低和抵消芯层应力的方式来降低光纤的瑞利散射，从而达到降低光纤损耗的目的。

于本发明其中一实施例中，所述芯层的相对折射率差为Δ

本申请相对折射率差是指该层折射率与纯二氧化硅的相对差值，如纯硅折射率为n

第二包层应力层的相对折射率差和第二包层本体层的相对折射率差相同，这样设置能够不改变芯棒和光棒折射率分布结构。对光纤的其它传输指标几乎不产生影响，无需用更加复杂的光纤结构来优化。

于本发明其中一实施例中，所述芯层的相对折射率差Δ

于本发明其中一实施例中，所述芯层的厚度为t

于本发明其中一实施例中，所述第一包层的厚度是芯层的半径的的2倍至5倍；所述第二包层应力层的厚度是芯层的半径的1倍至3倍。

本申请中应力表述均采用双折射方法测试进行表述，用光程差的大小来表示应力的大小。于本发明其中一实施例中，所述芯层的应力光程差为R

实际运用时，应力分布可以呈梯度分布，也可以呈渐变分布。

于本发明其中一实施例中，所述芯层由掺有提高折射率元素的硅基玻璃制成，能保证80％以上的光信号在光纤里传输；所述第一包层为纯二氧化硅层或者由掺有降低折射率元素的硅基玻璃制成，与芯层形成一定的折射率差，满足光纤芯的传输条件，厚度大约是芯层半径的2倍-5倍。起到保护芯层的作用，同时约20％的光信号能够在此层传输；所述第二包层通过掺铝、硼锗共掺或提高密度的方式形成所述第二包层应力层，第二包层应力层主要作用为抵消芯层和第一包层芯之间的结构应力，厚度为芯层半径的1倍到3倍，不直接参与光信号的传输，第二包层本体层，折射率与第一包层相同，也可与第一包层有一个微小的折射率差，主要作用为保护第一包层和芯层，不直接参与光信号的传输。

提高折射率元素可以为多种，比如为锗；降低折射率元素可以为多种，比如为氟。

本申请还公开了一种低损耗光纤的制作方法，包括以下步骤：

S1、制备得到芯棒，所述芯棒包括芯层以及包覆在芯层外侧的第一包层；

S2、在第一包层外侧加工出第二包层，得到光纤预制棒，所述第一包层具有位于第一包层外侧的第二包层应力层以及位于第二包层应力层外侧的第二包层本体层，所述第二包层应力层用于对第一包层施加向内的压应力；

S3、通过拉丝炉对光纤预制棒进行加热，光纤预制棒的下端熔融，形成丝线；

S4、下垂的丝线先通过定型管降温定型，然后通过冷却管进一步冷却；

S5、对冷却后的光纤进行涂覆以及固化工序操作，然后收卷得到光纤。

实际运用时，芯层和第一包层可利用MCVD、PCVD、OVD、VAD等工艺沉积完成，最终形成芯棒。无论是上述哪种工艺制得的芯棒，由于芯层掺入的是使折射率提高的元素，第一包层为纯二氧化硅或掺入的是使折射率降低的元素，所以在芯层和第一包层的芯包界面上会形成一个应力层(也就是芯包应力区)。

实际运用时，步骤S3的丝线直径通常为125μm。在收卷得到光纤后，将直径符合要求的光纤进行张力强度筛选、氘处理等步骤，然后送到检测工序，完成各项指标测试，合格的产品入库。

于本发明其中一实施例中，所述第二包层应力层的加工方式为：将掺有10到30ppm的Al元素的石英砂熔融沉积到芯棒上；

所述第二包层本体层的加工方式为：利用化学沉积法外沉积出第二包层本体层，或者是，通过石英砂熔融工艺沉积得到第二包层本体层。

于本发明其中一实施例中，所述第二包层应力层的加工方式为：通过化学沉积法沉积得到，沉积时，掺入摩尔浓度10％的硼元素和摩尔浓度4％的锗元素；

所述第二包层本体层的加工方式为：通过化学沉积法沉积得到。

本发明的有益效果是：本申请在制作第二包层时增加一个第二包层应力层，通过该第二包层应力层能够对第一包层施加向内的压应力来抵消或部分抵消芯包应力层对芯层的影响，从而减少结构应力对光纤损耗的影响。

附图说明

图1是光纤横截面以及光纤各层折射率分布组合图；

图2是未设置有第二包层应力层的光纤各层折射率和应力分布组合图；

图3是本申请光纤横截面的示意图；

图4是本申请光纤各层折射率分布和应力分布组合图；

图5是光程差原理的示意图；

图6是补偿器测量法基本原理图。

图中各附图标记为：

1、芯层；2、第一包层；100、芯包应力区；3、第二包层；31、第二包层应力层；32、第二包层本体层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

如图3所示，一种低损耗光纤，包括：

芯层1；

第一包层2，包覆在芯层1的外侧，芯层1和第一包层2之间形成有芯包应力区100；

第二包层3，包覆在第一包层2的外侧，第一包层2具有位于第一包层2外侧的第二包层应力层31以及位于第二包层应力层31外侧的第二包层本体层32，第二包层应力层31用于对第一包层2施加向内的压应力来抵消或部分抵消芯包应力区100对芯层1的影响，从而降低损耗。

应力按其存在的特点分为暂时应力和永久应力两种：

1.暂时应力。玻璃在应变点温度以下加热或冷却时，由于其导热性较差，各部位将形成温度梯度，从而产生一定的热应力。这种热应力，随着温差的存在而存在，温差越大，暂时应力也越大，并随着温差的消失而消失。这种热应力称为暂时应力。

2.结构应力。结构应力是玻璃中两部分区域，化学组成不均匀导致结构不均匀产生不同的膨胀系数，因而产生的应力。如掺杂质性质不同、粘度不同、折射率差异等。其特点是，结构应力，无法通过退火等措施消除。第二包层应力层31所形成的应力为结构应力。

如图2所示，为未设置有第二包层应力层31的光纤各层折射率和应力分布组合图，实线线条为光纤折射率结构分布，虚线为该结构的正常的结构应力分布图，位置越靠上说明数值越大，由于芯层1和第一包层2掺杂量不同导致边界存在较大的结构应力，使其向芯层1产生压迫从而增加光传输的瑞利散射，增加光的损耗。见图4，为本申请光纤各层折射率分布和应力分布组合图，图中实线线条为光纤折射率结构分布，虚线为该结构的正常的结构应力分布图，本申请在制作第二包层3时增加一个第二包层应力层31，通过该第二包层应力层31能够对第一包层2施加向内的压应力来抵消或部分抵消芯包应力层对芯层1的影响，从而减少结构应力对光纤损耗的影响。

本申请增加的第二包层应力层31位于第二包层3，其不参与光信号直接传输，所以不会对光纤的传输性能产生直接影响，所以该区域的材料纯度和尺寸精度要求更低，实现起来制造工艺更加简单，成本更低。

现有技术中降低光纤损耗主要是通过降低光纤芯层1的瑞利散射，使其损耗尽可能接近材料的本征损耗。目前国内主要通过降低光纤芯层1掺杂量的方式来实现。本申请在芯层1折射率结构和掺杂量不发生变化的情况下，通过改变光纤包层的结构应力的方式，以降低和抵消芯层1应力的方式来降低光纤的瑞利散射，从而达到降低光纤损耗的目的。

光纤中，芯层1的相对折射率差为Δ

本申请相对折射率差是指该层折射率与纯二氧化硅的相对差值，如纯硅折射率为n

第二包层应力层31的相对折射率差和第二包层本体层32的相对折射率差相同，这样设置能够不改变芯棒和光棒折射率分布结构。对光纤的其它传输指标几乎不产生影响，无需用更加复杂的光纤结构来优化。

实际运用时，芯层1的相对折射率差Δ

实际运用时，芯层1的厚度为t

实际运用时，第一包层2的厚度是芯层1的半径的的2倍至5倍；第二包层应力层31的厚度是芯层1的半径的1倍至3倍。

本申请中应力表述均采用双折射方法测试进行表述，用光程差的大小来表示应力的大小。实际运用时，芯层1的应力光程差为R

实际运用时，应力分布可以呈梯度分布，也可以呈渐变分布。

光程差用于计算玻璃的内应力，如图5所示，玻璃是一种均质体，具有各向同性的性质，当单色管通过其中时，光速与其传播方向和光波的偏振面无关，不会发生双折射现象。但是，由于外部的机械作用或者玻璃具有残余应力时，各向同性的玻璃在光学上就成为各向异性体，单色光通过玻璃时就会分离为两束光，如图5的右侧图所示，此时O光在玻璃内的光速与其传播方向、光波的偏振面都不变，所以仍沿原来的入射方向前进，到达第二个表面时所需的时间较少，所经过的路程较短；E光在玻璃内的光速与其传播方向、光波的偏振面都发生变化，因此偏离原来的入射方向，到达第二个表面时所需的时间较多，所经过的路程较长。O光和E光的这种路程之差称为光程差。测出这种光程差的大小，就可以计算玻璃的内应力。

光程差的测量方法有偏光仪观测法、干涉色法和补偿器测量法等几种。第一种方法可以粗略地估计光程差的大小，不便于定量测定。第二种能进行定量测定，但精度不高。第三种能进行比较精密的测量。补偿器测量法基本原理如图6所示，其中，用到光源4、起偏器5、有应力的玻璃样品6、1/4波片7、检偏镜8以及眼睛9，由理论推导可知，玻璃试样的光程差与偏转角度成正比，即

R＝λθ/π

式中R为玻璃的光程差，单位为nm.cm

实际运用时，芯层1由掺有提高折射率元素的硅基玻璃制成，能保证80％以上的光信号在光纤里传输；第一包层2为纯二氧化硅层或者由掺有降低折射率元素的硅基玻璃制成，与芯层1形成一定的折射率差，满足光纤芯的传输条件，起到保护芯层1的作用，同时约20％的光信号能够在此层传输；第二包层3通过掺铝、硼锗共掺或提高密度的方式形成第二包层应力层31，第二包层应力层31主要作用为抵消芯层1和第一包层2芯之间的结构应力，不直接参与光信号的传输，第二包层本体层32，折射率与第一包层2相同，也可与第一包层2有一个微小的折射率差，主要作用为保护第一包层2和芯层1，不直接参与光信号的传输。提高折射率元素可以为多种，比如为锗；降低折射率元素可以为多种，比如为氟。

本申请还公开了一种低损耗光纤的制作方法，包括以下步骤：

S1、制备得到芯棒，芯棒包括芯层1以及包覆在芯层1外侧的第一包层2；

S2、在第一包层2外侧加工出第二包层3，得到光纤预制棒，第一包层2具有位于第一包层2外侧的第二包层应力层31以及位于第二包层应力层31外侧的第二包层本体层32，第二包层应力层31用于对第一包层2施加向内的压应力；

S3、通过拉丝炉对光纤预制棒进行加热，光纤预制棒的下端熔融，形成丝线；

S4、下垂的丝线先通过定型管降温定型，然后通过冷却管进一步冷却；

S5、对冷却后的光纤进行涂覆以及固化工序操作，然后收卷得到光纤。

实际运用时，芯层1和第一包层2可利用MCVD、PCVD、OVD、VAD等工艺沉积完成，最终形成芯棒。无论是上述哪种工艺制得的芯棒，由于芯层1掺入的是使折射率提高的元素，第一包层2为纯二氧化硅或掺入的是使折射率降低的元素，所以在芯层1和第一包层2的芯包界面上会形成一个应力层(也就是芯包应力区100)，本申请加工得到的光纤，其结构保护第二包层应力层31，通过第二包层应力层31能够对第一包层2施加向内的压应力来抵消或部分抵消芯包应力层对芯层1的影响，从而减少结构应力对光纤损耗的影响。

实际运用时，步骤S3的丝线直径通常为125μm。在收卷得到光纤后，将直径符合要求的光纤进行张力强度筛选、氘处理等步骤，然后送到检测工序，完成各项指标测试，合格的产品入库。

实际运用时，可以通过多种工艺方式加工形成具有第二包层应力层31的第二包层3，下面以三个实施例进行描述，三个实施例中，仅第二包层3的加工工艺不同。

实施例1

第二包层应力层的加工方式为：将掺有10到30ppm的Al元素的石英砂熔融沉积到芯棒上；

第二包层本体层的加工方式为：利用化学沉积法外沉积出第二包层本体层。

实施例2

第二包层应力层的加工方式为：将掺有10到30ppm的Al元素的石英砂熔融沉积到芯棒上；

第二包层本体层的加工方式为：通过石英砂熔融工艺沉积得到第二包层本体层。

实施例3

第二包层应力层的加工方式为：通过化学沉积法沉积得到，沉积时，掺入摩尔浓度10％的硼元素和摩尔浓度4％的锗元素；

第二包层本体层的加工方式为：通过化学沉积法沉积得到。

如下表所示，为三个实施例对应光纤的数据参数以及衰减测试结果表：

由上表可知，本申请通过形成第二包层应力层能够有效降低光纤的损耗。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。