基于外部气相沉积的S+C+L 波段低色散斜率大有效面积非零色散位移光纤的设计与制备

查健江，王元达，何学荣，侯伟，王敬胜，文建湘

（1 山东富通光导科技有限公司，济南 250119）（2 上海大学 特种光纤与光接入网省部共建国家重点实验室培育基地/特种光纤与先进通信国际合作联合实验室，上海 200444）

0 引言

随着城域网业务的飞速发展，系统要求传输数据量呈爆炸式增长，在传输网上需要利用光纤波分复用（Wavelength Division Multiplexing， WDM）传输方式［1］。和骨干网不同的是，光纤波分复用传输的主要方式是采用廉价的粗波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexing， CWDM），而不是骨干网上的密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing， DWDM）［2］。CWDM 的信道间隔较为松散，可以减少DWDM 信道密集引起的四波混频等非线性效应［3-4］。城域网的传输距离不远，一般不采用光放大器及色散补偿模块等元器件，因此需要在S+C+L 宽波长范围内具有低色散斜率的非零色散位移光纤（None Zero Dispersion Shifted Fiber， NZDSF），而不是骨干网上在C+L 波段内使用的大有效面积非零色散位移光纤。

现有商用光纤种类中，G.652 光纤的零色散波长在1 310 nm 附近，在L 波段的色散系数偏大，色散斜率也偏大，增加了色散补偿成本。G.654.E 光纤截止波长比S 波段长，且L 波段色散比G.652.D 还要大，弯曲损耗大。因此，2010 年国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）修订了G.656 光纤标准，明确G.656 光纤在1 460～1 625 nm 波长范围内具有相对中等的色散斜率和宽带传输波长下的正色散，且斜率更低，可以满足城域网传输系统使用要求［5］。目前国际上较知名的非零色散位移光纤有Corning 的LEAF 光纤、OFS 的TrueWave-REACH 光纤和Prysmian 的TeraLight-Ultra 光纤等。2016 年土耳其的KARLIK S E教授研究了各种NZDSF 光纤的不同信道输入功率对四波混频串扰功率的影响，以及不同信道间距、光纤链路长度和信道波长对信噪比的影响［6］。研究发现在各种输入功率、信道数量和信道间隔的条件下，Teralight光纤的四波混频最小，LEAF 光纤次之，TrueWave-RS 光纤最大。KARLIK S E 认为DWDM 系统中以1 550 nm 为中心的信道数量增加过多会引起四波混频对信号的极大干扰，因此需要一定的色散系数、较大的有效面积以及适宜的信道间隔，以抑制各种非线性效应。几种光纤中TeraLight 光纤的1 550 nm 色散系数达到7～8 ps·nm-1·km-1，LEAF 光纤的有效面积达到72 μm2。虽然国内一直有研究宽带波长范围内适度色散、低偏振模色散（Polarization Mode Dispersion， PMD）和低衰减等特性的光纤［7］，但目前市场上商用G.656 光纤仍主要依赖于进口，国内除采用等离子化学气相沉积（Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD）工艺制备的G.656 光纤外［8］，尚未有其他工艺制备的G.656 光纤。此外，业内曾开发出双包层型色散平坦光纤［9-10］，该光纤两个零色散点位于1 210 nm 和1 550 nm，在1 210～1 550 nm 波长范围内色散呈平坦分布。双包层型色散平坦光纤有内外两个包层，内包层要比外包层的折射率低，从而形成一个折射率下凹的深沟，限制了色散的扩展，但缺点是弯曲损耗较大且色散系数普遍较低［11］。另有公司开发了三包层型和四包层型光纤［12］，该结构特点是在双包层型的内外包层加入一层凸起的折射率，其色散性能和抗弯曲能力优于双包层型，但是三包层型和四包层型结构复杂，有效面积Aeff偏小，色散系数偏低，制造难度大，成本较高［13］。

然而无论是多包层的色散平坦光纤，还是如LEAF 光纤的大有效面积G.655.D，因其模场直径（Mode Field Diameter， MFD）没有和普通G.652.D 兼容且差异很大，在地面光缆系统的安装中存在熔接损耗大的问题，同时大有效面积G.655.D 光纤在S 波段（1 460～1 530 nm）没有足够的色散用以有效抑制四波混频［14］。因此，大有效面积的宽带非零色散位移光纤被认为是下一代城域网高速率、大容量通信的理想选择。其零色散波长位于S 波段以外，色散斜率相对较低，使C 和L 波段的色散不会增加太多。在设计制造宽带用低色散斜率、大有效面积非零色散位移光纤时，截止波长λcc和优化弯曲损耗性能是关键技术。为了实现ITU-T建议的G.656 光纤的要求，首先光纤在1 550 nm 波段的色散系数约大于8 ps·nm-1·km-1以抑制四波混频，其次零色散波长λ0应小于1 460 nm 以便在S 波段进行WDM 应用，第三是光纤的有效面积Aeff必须尽可能大以减小非线性效应。

为此本文提出一种具有中心凹陷的三角形芯+双包层的折射率剖面设计的光纤，在S+C+L 波段具有低色散斜率的正色散和较大的有效面积，在抑制光纤非线性效应的同时，还可以降低光纤的制作难度，彻底去除光纤中的水峰，保证光纤的质量和性能。

1 光纤结构设计与基本理论

1.1 光纤色散的构成

业内普遍认为城域网用光纤需要具有宽波长的低衰减和适合的色散系数特点，有利于抑制光纤的非线性效应等问题［15］。石英玻璃单模光纤的总色散主要由材料色散和波导色散构成［16］，总色散为

式中，D（λ）为总色散，Dm为材料色散，Dw为波导色散，Dp为折射率剖面色散。具体表达式为

式中，λ为传输光波长，c为光速度，n1、n2为光纤芯层和包层的折射率，H为光传播分数，Δ为相对折射率差，b为归一化传播常数，V为归一化介质频率，ng1为芯区群折射率。由于Dp≈0，n1≈n2，总色散可简化为

已知常规G.652 光纤的材料色散Dm在1 270 nm 附近为零，掺杂浓度越高，材料色散Dm越向长波长方向移动。在宽带波长范围内，波导色散Dw和材料色散Dm具有相反的符号，在1 310 nm 附近材料色散Dm与波导色散Dw相互抵消为零。通常情况下，波导色散Dw的大小由光纤纤芯n1的半径R、相对折射率差Δ及剖面图形状决定，半径R越小，相对折射率差Δ越大，波导色散Dw就越负。改变光纤的折射率分布和剖面图结构，就可以改变波导色散Dw，从而在工作波长范围内得到合适的色散系数。

图1 给出了几种常用的单模光纤的色散系数曲线。在ITU-T 标准中，相比于普通G.652光纤，大有效面积G.655.D 光纤的零色散波长λ0从1 310 nm 移动到1 500 nm 处，1 550 nm 处的色散系数D1550从17 ps·nm-1·km-1降低到4 ps·nm-1·km-1，零色散斜率S0略低于0.078 ps·nm-2·km-1。而超低损耗G.654.E 光纤的λ0在1 200 μm附近，D1550在18～23 ps·nm-1·km-1范围，比普通G.652.D 光纤增加约20%。而相比于G.655 光纤，低色散斜率的G.656 光纤的λ0移至1 420 nm 附近，1 500 nm 处的色散系数D1500达5 ps·nm-1·km-1，可以较好地抑制四波混频等非线性效应，D1550达到8 ps·nm-1·km-1左右，可以使信号传输足够远并且不需要色散补偿，零色散斜率S0降低至0.059 ps·nm-2·km-1，随波长的变化幅度要小35%～55%，因而在S+C+L 三个波段均可以实现低成本的色散管理和波分复用。

此外，色散斜率是波长范围内色散曲线的斜率，用来描述随波长不同而引起的色散变化，其公式为

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用S0表示零色散波长处的色散斜率，有

1.2 光纤中的模场直径、有效面积和波长关系

单模光纤是光学的弱波导介质，光纤中传播的光能量一部分在包层传输，其传播特性不能用纤芯的几何尺寸简单描述，因此用MFD 来衡量光传输的能量集中特征。根据国标［17］，MFD 可在远场用远场光强分布PF（θ）、互补孔径功率传输函数α（θ）和在近场用近场光强分布f2（r）来测定，且不同试验方法之间可以进行数学等效变换。目前的试验方法一般是由远场光强分布确定MFD 的彼得曼第二定义（Peterman Ⅱ），MFD 的计算公式为

式中，w是MFD 的半径，E（r）是电场分布，r是半径方向的距离，θ是光纤远场侧视角，单位为弧度（rad）。根据光纤传播理论，MFD 不仅依赖折射率剖面图，也依赖于传输波长。同一种光纤中的传输波长越短，MFD越小，其原因是光的波长越短，频率越高，光子的能量越大，光强分布在芯层周围更加集中，光纤的波导结构对光的限制作用也会变得越不明显。不同的光纤设计虽然影响特定波长的MFD，但不会改变对波长依赖的趋势。

有效面积Aeff是一个与光纤非线性紧密相关的参数，它会影响光纤系统的传输质量，特别是在长距离光放大系统中的传输质量。有效面积越大，光纤内部的功率密度就越低。光纤非线性很大程度上取决于光纤内部的功率密度，因此有效面积的增加会导致光纤非线性及其对信号传输的影响的减少。有效面积定义为

式中，r是距离光纤中心的距离。研究发现，Aeff是MFD 的几何变换（有时称为模场面积［MFA=（π/4）·MFD2］），可以理解为光传输面积的数学表示。每种类型的光纤的有效面积不同，主要决定于该光纤的折射率剖面图和输入波长λ。Aeff经验典型值的范围在95%～104%的MFA。根据经验确定Aeff和MFA 之间一般关系为

式中，k（λ）是和λ相关的修正因子。在非线性效应对系统性能有重大限制的应用中，Aeff是光纤中载光区域的更合适的表示。因此，Aeff和MFD 一样，其依赖于传输波长λ，且随着λ的缩小而减小。

1.3 光纤波导结构设计

光纤的波导结构决定光纤性能，其主要参数是芯层及包层结构（折射率高度和宽度），进而调整其色散特性。相对于G.655.D 光纤，G.656 需要增加Δn1、减小光纤芯径R1，以得到合适的波导色散Dw，进而使零色散波长λ0平移至1 460 nm 以下。如图2 所示，业内G.656 光纤有三角形芯+环型、基座型、梯型+环型、三包层型、四包层型和五包层型的结构［18］。

图2 几种S+C+L 非零色散位移光纤的折射率剖面示意图Fig.2 Refractive index profile schematic diagrams of several S+C+L non-zero dispersion shifted fibers

与类似的阶跃型光纤相比，在不损害其他传输参数的情况下，三角形芯（a）、基座型（b）及梯型芯（c）光纤的芯部折射率采用三角型或梯型设计，可以降低由于芯/包层边界造成的较低的吸收、散射损耗和熔接损耗，较小的色散系数和色散斜率值［19-21］。选择合适的芯部的相对折射率和三角形折射率剖面斜率，光纤在1.3～1.5 μm 波长范围内可以获得相比于阶跃型光纤较低的损耗和较大的光纤芯径，而剖面图中心形成的凹陷并不会对传输过程产生不利影响，也可以避免中央的光强分布过于集中而导致的非线性效应［22-24］。采用三包层型（d）、四包层型（e）和五包层型（f）的折射率剖面图，虽然可以获得100～150 μm2的有效面积［25-26］，但截止波长达到1.4～1.6 μm，工艺上需要制作较深的凹陷层才能控制宏弯损耗，增加了工艺难度［27］。图3 显示了阶跃型光纤与三角形芯型光纤在有效面积和色散系数两个参数方面的变化。当光在短波长上传输时，三角形芯光纤的有效面积略低于阶跃型光纤，而当光在长波长上传输时，三角形芯光纤的有效面积和阶跃型光纤的差异更大。在整个传输波段，三角形芯光纤的色散斜率要低于阶跃型光纤。因此，为了实现更低的色散斜率，采用中央三角形芯之外，在外部增加一个上凸的环形结构，可以将光从中心尖峰处吸收出来，以达到较大的光场分布，从而增大光纤的有效面积。该三角形芯+环型结构的重要作用是可通过降低中央纤芯功率而增大有效面积，防止光泄露到包层进而改善弯曲损耗，同时可以降低光纤色散斜率，起到移动零色散波长到S 波段以外的作用。

图3 三角形芯和阶跃型芯光纤的有效面积和色散系数对比Fig.3 Affective area and dispersion contrast of triangular index fiber and step index fiber

图4 不同折射率剖面示意图Fig.4 Different refractive index profile schematic diagram

实验通过调整芯部掺杂量，改变第一芯层的相对折射率Δn1和半径R1，使剖面图为三角形结构，同时调节第三芯层的相对折射率Δn3和厚度R3-R2，从而形成不同的折射率波导结构，实现低衰减、大有效面积、低色散斜率和适宜的零色散波长之间的平衡。图4 中，Ⅰ的设计结构具有最高的第一芯层、第三芯层的相对折射率Δn3和最宽的第三芯层厚度R3-R2，其余Ⅱ-Ⅳ的设计结构中，上述参数逐渐降低。表1 列出了根据图4中Ⅰ-Ⅳ所设计波导结构制成的4 种光纤样品的折射率剖面参数。

表1 设计光纤的剖面图参数Table 1 Profile parameters of designed fibers

2 实验部分

光纤预制棒的制作工艺主要有改进化学气相沉积（Modified Chemical Vapor Deposition， MCVD）工艺、PCVD 工艺、OVD 工艺和轴向气相沉积（Vapor Axial Deposition， VAD）工艺，并且采用“两步法”混合工艺技术，即先制作决定光纤光学性能的芯棒，再制作决定光纤成本的外包层。MCVD 和PCVD 等管内法均可以制作较复杂的折射率剖面图的光纤，如G.655 和G.656 光纤。但由于管内法的入口锥度效应（沉积厚度和折射率分布不均匀），影响了芯棒的纵向均匀性，减少了有效长度，不利于大规模低成本地生产光纤。虽然通过优化参数可以减少锥度效应，但对于必须精确控制的折射率剖面图的G.656 光纤来说，不仅增大了工艺难度，而且降低了成品的合格率。而OVD 法也可以制作精细的剖面图且纵向更加均匀，如图5 所示，其原理是将SiCl4等反应物蒸发后通入氢氧火焰后发生水解反应，生成细微的混合颗粒，再经过数千层的往复运动，将混合颗粒沉积到靶棒上逐渐形成松散体，再经过脱水、烧结等工序制成芯棒，每根芯棒重量可以达到15 kg，延伸后得到若干根出发棒（外径Φ40 mm，X长度1.5 m），最后经过外沉积和烧结后，得到成品的光纤预制棒［28］。

图5 外部气相沉积工艺Fig.5 Outside vapor deposition process

在OVD 工艺制备中，通过加入Ge 等掺杂剂来提高纤芯的折射率，在烧结过程中GeO2由于易反应为GeO 而挥发和扩散，造成芯部折射率凹陷，以及原设计中的阶跃结构形成弧形结构。其次由于GeO2掺杂量远大于普通的G.652 光纤，在预制棒拉丝过程中需要控制温度、速度、张力等参数，避免折射率剖面图发生其他变化。本实验光纤拉丝时采用1 800 ℃的温度、800 m/min 的速度以及100 g 左右的拉丝张力，尽量保证实际光纤的纤芯折射率剖面图与理论设计的剖面图一致。图6 为设计的折射率剖面图结构通过OVD 工艺制备预制棒及拉丝后得到的实际光纤纤芯折射率剖面图结构。经过优化预制棒制备和拉丝工艺，得到的光纤剖面图与设计的剖面图具有较高的匹配性，第一芯层的三角型结构具有较笔直的斜率，且Δn1在0.52%～0.57%，而第三芯层中因GeO2扩散而形成略有弧形结构的上凸型结构，且Δn3在0.13%～0.17%，第二芯层因GeO2扩散而形成略有弧形的下凹型结构，且Δn2在0.04%～0.05%。

图6 制备的非零色散位移光纤的实际折射率剖面图Fig.6 The real refractive index profile of fabricated NZDSF

3 结果与讨论

3.1 折射率剖面结构对光纤参数的影响

将实验所设计的光纤预制棒进行拉丝和测试，结果见表2。对比结果可见，随着纤芯部分第一芯层的相对折射率Δn1逐步降低，光纤的1 383 nm、1 550 nm 和1 625 nm 的衰减系数α逐渐降低，这主要是由于减少了芯层中Ge 的掺杂，从而降低了瑞利散射引起的衰减。

表2 设计光纤的参数Table 2 Parameters of designed fibers

图7 显示了样品1 至样品4 的色散系数随波长变化的曲线。当相对折射率差由0.57%逐步下降至0.52%，模场直径MFD 由9.18 μm 逐步增加至9.35 μm，同时1 530 nm 的色散系数由7.78 ps·nm-1·km-1降低至5.9 ps·nm-1·km-1。这主要是通过降低相对折射率Δn1和Δn3，逐步降低了光纤的色散系数，零色散波长λ0逐步从1 400 nm 增长至1 432 nm，同时截止波长λccf逐步由1 341 nm 缩短至1 222 nm。

图7 制备的非零色散位移光纤（样品1～4）的色散曲线Fig 7 Dispersion of fabricated NZDSF （Sample 1～4）

图8 显示光纤的第一芯层的相对折射率Δn1及第二芯层与第一芯层的半径比R2/R1对零色散波长λ0有效面积Aeff产生的影响。根据实验结果可发现，若第一芯层半径R1、第三芯层R3和第二芯层相对折射率Δn2相对固定，当Δn1逐渐增大和R2/R1逐渐减小时，零色散波长λ0逐渐减小，有效面积Aeff也逐渐减小。实验的目标零色散波长λ0小于1460 nm，甚至接近1 420 nm，同时具有较大的有效面积Aeff，因此稍微降低Δn1到0.52%～0.53%，调整R2/R1到2.6～2.7，以便达到有效面积Aeff和零色散波长λ0之间的平衡。

图8 不同Δn1和R2/R1时的零色散波长λ0和有效面积AeffFig.8 Zero dispersion wavelength λ0 and effective area Aeff with various Δn1 and R2/R1

3.2 光纤性能测试与对比分析

表3 显示了制备的非零色散位移光纤在S+C+L 三波段的光纤参数，图9 展示了制备的非零色散位移光纤的色散特性和衰减图谱。其零色散波长为1 411 nm，尤其是三个典型波长1 500 nm、1 550 nm 和1 600 nm的色散系数是5.3 ps·nm-1·km-1、8.2 ps·nm-1·km-1和11.2 ps·nm-1·km-1，可以较好地抑制S 波段四波混频的影响。制备的光纤在S、C 和L 波段具有65 μm2左右的较大的有效面积。该光纤在1 500 nm、1 550 nm 和1 600 nm 波长的衰减值是0.211 dB·km-1、0.195 dB·km-1和0.193 dB·km-1，优于业内其它G.656 光纤水平。图10显示了光纤绕半径为25 mm 的圆柱体100圈时1 550 nm 和1 625 nm 波长处的宏弯损耗值分别为0.022 dB和0.047 dB。

表3 制备的非零色散位移光纤的S+C+L 三波段的特性Table 3 The S+C+L characteristics of fabricated NZDSFs

图9 制备的非零色散位移光纤的色散特性和衰减图谱Fig.9 Dispersion characteristics and loss spectrum of fabricated NZDSF

图10 制备的非零色散位移光纤的宏弯损耗（半径25 mm， 100 圈）Fig.10 The macrobending loss parameters of fabricated NZDSF （R=25 mm， 100 turns）

表4 列出了实验制备的光纤和其他G.656 光纤的对比。可以发现，实验设计的光纤的模场直径MFD 达到9.35 μm，有效面积Aeff达到68 μm²，优于其余光纤。其次，其1 460 nm 波长的色散系数超过1.5 ps·nm-1·km-1，可以较好地满足S 波段WDM 应用，并抑制S 波段的四波混频，同时色散斜率仅0.059 ps·nm-2·km-1，在C 和L 波段具有相对适宜的色散系数。再次，1 383 nm 的衰减系数优于其余光纤，仅有0.276 dB·km-1，较好地解决水峰影响的问题，同时1 550 nm 和1 625 nm 波长的衰减系数分别是0.195 dB·km-1和0.205 dB·km-1，有助于传输距离的延长。经过对比，证实了这种新型S+C+L 三波段的低色散斜率大有效面积NZDSF 可以用于高速率、大容量和长距离的新一代光纤通信系统。

表4 制备的光纤和其他宽带用非零色散位移光纤指标对比Table 4 Fabricated fiber parameters compared with other NZDSFs for wideband

4 结论

本文设计了一种具有中心凹陷的芯+环形结构的低色散斜率非零色散位移光纤，并采用外部气相沉积工艺进行制备。该结构对有效面积、色散和色散斜率的适度优化能够减少色散恶化，适用于S+C+L 波段的波分复用。经检测设计的光纤在1 460～1 625 nm 波长范围内的色散为1.5～13.4 ps·nm-1·km-1，零色散波长为1 420 nm 附近，在1 550 nm 和1 625 nm 波长处的衰减分别是0.195 dB/km 和0.205 dB/km，为长距离应用进行了最佳化设计。此外该光纤有效面积达到68 μm2，可以较好地抑制非线性效应，同时宏弯损耗达到并超过了ITU-T G.656 的标准要求，是一种新型的S+C+L 低斜率非零色散位移光纤。此剖面图结构实现了宽带范围内适度的正色散，较低的宏弯损耗，适合的有效面积和极低的PMD，适用于S+C+L 波段的CWDM 和DWDM 应用，具有较好非线性效应抑制作用。