基于外部氣相沉積的S+C+L 波段低色散斜率大有效面積非零色散位移光纖的設計與制備

查健江，王元達，何學榮，侯偉，王敬勝，文建湘

（1 山東富通光導科技有限公司，濟南 250119）（2 上海大學 特種光纖與光接入網省部共建國家重點實驗室培育基地/特種光纖與先進通信國際合作聯合實驗室，上海 200444）

0 引言

隨著城域網業務的飛速發展，系統要求傳輸數據量呈爆炸式增長，在傳輸網上需要利用光纖波分復用（Wavelength Division Multiplexing， WDM）傳輸方式［1］。和骨干網不同的是，光纖波分復用傳輸的主要方式是采用廉價的粗波分復用（Coarse Wavelength Division Multiplexing， CWDM），而不是骨干網上的密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing， DWDM）［2］。CWDM 的信道間隔較為松散，可以減少DWDM 信道密集引起的四波混頻等非線性效應［3-4］。城域網的傳輸距離不遠，一般不采用光放大器及色散補償模塊等元器件，因此需要在S+C+L 寬波長范圍內具有低色散斜率的非零色散位移光纖（None Zero Dispersion Shifted Fiber， NZDSF），而不是骨干網上在C+L 波段內使用的大有效面積非零色散位移光纖。

現有商用光纖種類中，G.652 光纖的零色散波長在1 310 nm 附近，在L 波段的色散系數偏大，色散斜率也偏大，增加了色散補償成本。G.654.E 光纖截止波長比S 波段長，且L 波段色散比G.652.D 還要大，彎曲損耗大。因此，2010 年國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）修訂了G.656 光纖標準，明確G.656 光纖在1 460～1 625 nm 波長范圍內具有相對中等的色散斜率和寬帶傳輸波長下的正色散，且斜率更低，可以滿足城域網傳輸系統使用要求［5］。目前國際上較知名的非零色散位移光纖有Corning 的LEAF 光纖、OFS 的TrueWave-REACH 光纖和Prysmian 的TeraLight-Ultra 光纖等。2016 年土耳其的KARLIK S E教授研究了各種NZDSF 光纖的不同信道輸入功率對四波混頻串擾功率的影響，以及不同信道間距、光纖鏈路長度和信道波長對信噪比的影響［6］。研究發現在各種輸入功率、信道數量和信道間隔的條件下，Teralight光纖的四波混頻最小，LEAF 光纖次之，TrueWave-RS 光纖最大。KARLIK S E 認為DWDM 系統中以1 550 nm 為中心的信道數量增加過多會引起四波混頻對信號的極大干擾，因此需要一定的色散系數、較大的有效面積以及適宜的信道間隔，以抑制各種非線性效應。幾種光纖中TeraLight 光纖的1 550 nm 色散系數達到7～8 ps·nm-1·km-1，LEAF 光纖的有效面積達到72 μm2。雖然國內一直有研究寬帶波長范圍內適度色散、低偏振模色散（Polarization Mode Dispersion， PMD）和低衰減等特性的光纖［7］，但目前市場上商用G.656 光纖仍主要依賴于進口，國內除采用等離子化學氣相沉積（Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD）工藝制備的G.656 光纖外［8］，尚未有其他工藝制備的G.656 光纖。此外，業內曾開發出雙包層型色散平坦光纖［9-10］，該光纖兩個零色散點位于1 210 nm 和1 550 nm，在1 210～1 550 nm 波長范圍內色散呈平坦分布。雙包層型色散平坦光纖有內外兩個包層，內包層要比外包層的折射率低，從而形成一個折射率下凹的深溝，限制了色散的擴展，但缺點是彎曲損耗較大且色散系數普遍較低［11］。另有公司開發了三包層型和四包層型光纖［12］，該結構特點是在雙包層型的內外包層加入一層凸起的折射率，其色散性能和抗彎曲能力優于雙包層型，但是三包層型和四包層型結構復雜，有效面積Aeff偏小，色散系數偏低，制造難度大，成本較高［13］。

然而無論是多包層的色散平坦光纖，還是如LEAF 光纖的大有效面積G.655.D，因其模場直徑（Mode Field Diameter， MFD）沒有和普通G.652.D 兼容且差異很大，在地面光纜系統的安裝中存在熔接損耗大的問題，同時大有效面積G.655.D 光纖在S 波段（1 460～1 530 nm）沒有足夠的色散用以有效抑制四波混頻［14］。因此，大有效面積的寬帶非零色散位移光纖被認為是下一代城域網高速率、大容量通信的理想選擇。其零色散波長位于S 波段以外，色散斜率相對較低，使C 和L 波段的色散不會增加太多。在設計制造寬帶用低色散斜率、大有效面積非零色散位移光纖時，截止波長λcc和優化彎曲損耗性能是關鍵技術。為了實現ITU-T建議的G.656 光纖的要求，首先光纖在1 550 nm 波段的色散系數約大于8 ps·nm-1·km-1以抑制四波混頻，其次零色散波長λ0應小于1 460 nm 以便在S 波段進行WDM 應用，第三是光纖的有效面積Aeff必須盡可能大以減小非線性效應。

為此本文提出一種具有中心凹陷的三角形芯+雙包層的折射率剖面設計的光纖，在S+C+L 波段具有低色散斜率的正色散和較大的有效面積，在抑制光纖非線性效應的同時，還可以降低光纖的制作難度，徹底去除光纖中的水峰，保證光纖的質量和性能。

1 光纖結構設計與基本理論

1.1 光纖色散的構成

業內普遍認為城域網用光纖需要具有寬波長的低衰減和適合的色散系數特點，有利于抑制光纖的非線性效應等問題［15］。石英玻璃單模光纖的總色散主要由材料色散和波導色散構成［16］，總色散為

式中，D（λ）為總色散，Dm為材料色散，Dw為波導色散，Dp為折射率剖面色散。具體表達式為

式中，λ為傳輸光波長，c為光速度，n1、n2為光纖芯層和包層的折射率，H為光傳播分數，Δ為相對折射率差，b為歸一化傳播常數，V為歸一化介質頻率，ng1為芯區群折射率。由于Dp≈0，n1≈n2，總色散可簡化為

已知常規G.652 光纖的材料色散Dm在1 270 nm 附近為零，摻雜濃度越高，材料色散Dm越向長波長方向移動。在寬帶波長范圍內，波導色散Dw和材料色散Dm具有相反的符號，在1 310 nm 附近材料色散Dm與波導色散Dw相互抵消為零。通常情況下，波導色散Dw的大小由光纖纖芯n1的半徑R、相對折射率差Δ及剖面圖形狀決定，半徑R越小，相對折射率差Δ越大，波導色散Dw就越負。改變光纖的折射率分布和剖面圖結構，就可以改變波導色散Dw，從而在工作波長范圍內得到合適的色散系數。

圖1 給出了幾種常用的單模光纖的色散系數曲線。在ITU-T 標準中，相比于普通G.652光纖，大有效面積G.655.D 光纖的零色散波長λ0從1 310 nm 移動到1 500 nm 處，1 550 nm 處的色散系數D1550從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。而超低損耗G.654.E 光纖的λ0在1 200 μm附近，D1550在18～23 ps·nm-1·km-1范圍，比普通G.652.D 光纖增加約20%。而相比于G.655 光纖，低色散斜率的G.656 光纖的λ0移至1 420 nm 附近，1 500 nm 處的色散系數D1500達5 ps·nm-1·km-1，可以較好地抑制四波混頻等非線性效應，D1550達到8 ps·nm-1·km-1左右，可以使信號傳輸足夠遠并且不需要色散補償，零色散斜率S0降低至0.059 ps·nm-2·km-1，隨波長的變化幅度要小35%～55%，因而在S+C+L 三個波段均可以實現低成本的色散管理和波分復用。

此外，色散斜率是波長范圍內色散曲線的斜率，用來描述隨波長不同而引起的色散變化，其公式為

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用S0表示零色散波長處的色散斜率，有

1.2 光纖中的模場直徑、有效面積和波長關系

單模光纖是光學的弱波導介質，光纖中傳播的光能量一部分在包層傳輸，其傳播特性不能用纖芯的幾何尺寸簡單描述，因此用MFD 來衡量光傳輸的能量集中特征。根據國標［17］，MFD 可在遠場用遠場光強分布PF（θ）、互補孔徑功率傳輸函數α（θ）和在近場用近場光強分布f2（r）來測定，且不同試驗方法之間可以進行數學等效變換。目前的試驗方法一般是由遠場光強分布確定MFD 的彼得曼第二定義（Peterman Ⅱ），MFD 的計算公式為

式中，w是MFD 的半徑，E（r）是電場分布，r是半徑方向的距離，θ是光纖遠場側視角，單位為弧度（rad）。根據光纖傳播理論，MFD 不僅依賴折射率剖面圖，也依賴于傳輸波長。同一種光纖中的傳輸波長越短，MFD越小，其原因是光的波長越短，頻率越高，光子的能量越大，光強分布在芯層周圍更加集中，光纖的波導結構對光的限制作用也會變得越不明顯。不同的光纖設計雖然影響特定波長的MFD，但不會改變對波長依賴的趨勢。

有效面積Aeff是一個與光纖非線性緊密相關的參數，它會影響光纖系統的傳輸質量，特別是在長距離光放大系統中的傳輸質量。有效面積越大，光纖內部的功率密度就越低。光纖非線性很大程度上取決于光纖內部的功率密度，因此有效面積的增加會導致光纖非線性及其對信號傳輸的影響的減少。有效面積定義為

式中，r是距離光纖中心的距離。研究發現，Aeff是MFD 的幾何變換（有時稱為模場面積［MFA=（π/4）·MFD2］），可以理解為光傳輸面積的數學表示。每種類型的光纖的有效面積不同，主要決定于該光纖的折射率剖面圖和輸入波長λ。Aeff經驗典型值的范圍在95%～104%的MFA。根據經驗確定Aeff和MFA 之間一般關系為

式中，k（λ）是和λ相關的修正因子。在非線性效應對系統性能有重大限制的應用中，Aeff是光纖中載光區域的更合適的表示。因此，Aeff和MFD 一樣，其依賴于傳輸波長λ，且隨著λ的縮小而減小。

1.3 光纖波導結構設計

光纖的波導結構決定光纖性能，其主要參數是芯層及包層結構（折射率高度和寬度），進而調整其色散特性。相對于G.655.D 光纖，G.656 需要增加Δn1、減小光纖芯徑R1，以得到合適的波導色散Dw，進而使零色散波長λ0平移至1 460 nm 以下。如圖2 所示，業內G.656 光纖有三角形芯+環型、基座型、梯型+環型、三包層型、四包層型和五包層型的結構［18］。

圖2 幾種S+C+L 非零色散位移光纖的折射率剖面示意圖Fig.2 Refractive index profile schematic diagrams of several S+C+L non-zero dispersion shifted fibers

與類似的階躍型光纖相比，在不損害其他傳輸參數的情況下，三角形芯（a）、基座型（b）及梯型芯（c）光纖的芯部折射率采用三角型或梯型設計，可以降低由于芯/包層邊界造成的較低的吸收、散射損耗和熔接損耗，較小的色散系數和色散斜率值［19-21］。選擇合適的芯部的相對折射率和三角形折射率剖面斜率，光纖在1.3～1.5 μm 波長范圍內可以獲得相比于階躍型光纖較低的損耗和較大的光纖芯徑，而剖面圖中心形成的凹陷并不會對傳輸過程產生不利影響，也可以避免中央的光強分布過于集中而導致的非線性效應［22-24］。采用三包層型（d）、四包層型（e）和五包層型（f）的折射率剖面圖，雖然可以獲得100～150 μm2的有效面積［25-26］，但截止波長達到1.4～1.6 μm，工藝上需要制作較深的凹陷層才能控制宏彎損耗，增加了工藝難度［27］。圖3 顯示了階躍型光纖與三角形芯型光纖在有效面積和色散系數兩個參數方面的變化。當光在短波長上傳輸時，三角形芯光纖的有效面積略低于階躍型光纖，而當光在長波長上傳輸時，三角形芯光纖的有效面積和階躍型光纖的差異更大。在整個傳輸波段，三角形芯光纖的色散斜率要低于階躍型光纖。因此，為了實現更低的色散斜率，采用中央三角形芯之外，在外部增加一個上凸的環形結構，可以將光從中心尖峰處吸收出來，以達到較大的光場分布，從而增大光纖的有效面積。該三角形芯+環型結構的重要作用是可通過降低中央纖芯功率而增大有效面積，防止光泄露到包層進而改善彎曲損耗，同時可以降低光纖色散斜率，起到移動零色散波長到S 波段以外的作用。

圖3 三角形芯和階躍型芯光纖的有效面積和色散系數對比Fig.3 Affective area and dispersion contrast of triangular index fiber and step index fiber

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

實驗通過調整芯部摻雜量，改變第一芯層的相對折射率Δn1和半徑R1，使剖面圖為三角形結構，同時調節第三芯層的相對折射率Δn3和厚度R3-R2，從而形成不同的折射率波導結構，實現低衰減、大有效面積、低色散斜率和適宜的零色散波長之間的平衡。圖4 中，Ⅰ的設計結構具有最高的第一芯層、第三芯層的相對折射率Δn3和最寬的第三芯層厚度R3-R2，其余Ⅱ-Ⅳ的設計結構中，上述參數逐漸降低。表1 列出了根據圖4中Ⅰ-Ⅳ所設計波導結構制成的4 種光纖樣品的折射率剖面參數。

表1 設計光纖的剖面圖參數Table 1 Profile parameters of designed fibers

2 實驗部分

光纖預制棒的制作工藝主要有改進化學氣相沉積（Modified Chemical Vapor Deposition， MCVD）工藝、PCVD 工藝、OVD 工藝和軸向氣相沉積（Vapor Axial Deposition， VAD）工藝，并且采用“兩步法”混合工藝技術，即先制作決定光纖光學性能的芯棒，再制作決定光纖成本的外包層。MCVD 和PCVD 等管內法均可以制作較復雜的折射率剖面圖的光纖，如G.655 和G.656 光纖。但由于管內法的入口錐度效應（沉積厚度和折射率分布不均勻），影響了芯棒的縱向均勻性，減少了有效長度，不利于大規模低成本地生產光纖。雖然通過優化參數可以減少錐度效應，但對于必須精確控制的折射率剖面圖的G.656 光纖來說，不僅增大了工藝難度，而且降低了成品的合格率。而OVD 法也可以制作精細的剖面圖且縱向更加均勻，如圖5 所示，其原理是將SiCl4等反應物蒸發后通入氫氧火焰后發生水解反應，生成細微的混合顆粒，再經過數千層的往復運動，將混合顆粒沉積到靶棒上逐漸形成松散體，再經過脫水、燒結等工序制成芯棒，每根芯棒重量可以達到15 kg，延伸后得到若干根出發棒（外徑Φ40 mm，X長度1.5 m），最后經過外沉積和燒結后，得到成品的光纖預制棒［28］。

圖5 外部氣相沉積工藝Fig.5 Outside vapor deposition process

在OVD 工藝制備中，通過加入Ge 等摻雜劑來提高纖芯的折射率，在燒結過程中GeO2由于易反應為GeO 而揮發和擴散，造成芯部折射率凹陷，以及原設計中的階躍結構形成弧形結構。其次由于GeO2摻雜量遠大于普通的G.652 光纖，在預制棒拉絲過程中需要控制溫度、速度、張力等參數，避免折射率剖面圖發生其他變化。本實驗光纖拉絲時采用1 800 ℃的溫度、800 m/min 的速度以及100 g 左右的拉絲張力，盡量保證實際光纖的纖芯折射率剖面圖與理論設計的剖面圖一致。圖6 為設計的折射率剖面圖結構通過OVD 工藝制備預制棒及拉絲后得到的實際光纖纖芯折射率剖面圖結構。經過優化預制棒制備和拉絲工藝，得到的光纖剖面圖與設計的剖面圖具有較高的匹配性，第一芯層的三角型結構具有較筆直的斜率，且Δn1在0.52%～0.57%，而第三芯層中因GeO2擴散而形成略有弧形結構的上凸型結構，且Δn3在0.13%～0.17%，第二芯層因GeO2擴散而形成略有弧形的下凹型結構，且Δn2在0.04%～0.05%。

圖6 制備的非零色散位移光纖的實際折射率剖面圖Fig.6 The real refractive index profile of fabricated NZDSF

3 結果與討論

3.1 折射率剖面結構對光纖參數的影響

將實驗所設計的光纖預制棒進行拉絲和測試，結果見表2。對比結果可見，隨著纖芯部分第一芯層的相對折射率Δn1逐步降低，光纖的1 383 nm、1 550 nm 和1 625 nm 的衰減系數α逐漸降低，這主要是由于減少了芯層中Ge 的摻雜，從而降低了瑞利散射引起的衰減。

表2 設計光纖的參數Table 2 Parameters of designed fibers

圖7 顯示了樣品1 至樣品4 的色散系數隨波長變化的曲線。當相對折射率差由0.57%逐步下降至0.52%，模場直徑MFD 由9.18 μm 逐步增加至9.35 μm，同時1 530 nm 的色散系數由7.78 ps·nm-1·km-1降低至5.9 ps·nm-1·km-1。這主要是通過降低相對折射率Δn1和Δn3，逐步降低了光纖的色散系數，零色散波長λ0逐步從1 400 nm 增長至1 432 nm，同時截止波長λccf逐步由1 341 nm 縮短至1 222 nm。

圖7 制備的非零色散位移光纖（樣品1～4）的色散曲線Fig 7 Dispersion of fabricated NZDSF （Sample 1～4）

圖8 顯示光纖的第一芯層的相對折射率Δn1及第二芯層與第一芯層的半徑比R2/R1對零色散波長λ0有效面積Aeff產生的影響。根據實驗結果可發現，若第一芯層半徑R1、第三芯層R3和第二芯層相對折射率Δn2相對固定，當Δn1逐漸增大和R2/R1逐漸減小時，零色散波長λ0逐漸減小，有效面積Aeff也逐漸減小。實驗的目標零色散波長λ0小于1460 nm，甚至接近1 420 nm，同時具有較大的有效面積Aeff，因此稍微降低Δn1到0.52%～0.53%，調整R2/R1到2.6～2.7，以便達到有效面積Aeff和零色散波長λ0之間的平衡。

圖8 不同Δn1和R2/R1時的零色散波長λ0和有效面積AeffFig.8 Zero dispersion wavelength λ0 and effective area Aeff with various Δn1 and R2/R1

3.2 光纖性能測試與對比分析

表3 顯示了制備的非零色散位移光纖在S+C+L 三波段的光纖參數，圖9 展示了制備的非零色散位移光纖的色散特性和衰減圖譜。其零色散波長為1 411 nm，尤其是三個典型波長1 500 nm、1 550 nm 和1 600 nm的色散系數是5.3 ps·nm-1·km-1、8.2 ps·nm-1·km-1和11.2 ps·nm-1·km-1，可以較好地抑制S 波段四波混頻的影響。制備的光纖在S、C 和L 波段具有65 μm2左右的較大的有效面積。該光纖在1 500 nm、1 550 nm 和1 600 nm 波長的衰減值是0.211 dB·km-1、0.195 dB·km-1和0.193 dB·km-1，優于業內其它G.656 光纖水平。圖10顯示了光纖繞半徑為25 mm 的圓柱體100圈時1 550 nm 和1 625 nm 波長處的宏彎損耗值分別為0.022 dB和0.047 dB。

表3 制備的非零色散位移光纖的S+C+L 三波段的特性Table 3 The S+C+L characteristics of fabricated NZDSFs

圖9 制備的非零色散位移光纖的色散特性和衰減圖譜Fig.9 Dispersion characteristics and loss spectrum of fabricated NZDSF

圖10 制備的非零色散位移光纖的宏彎損耗（半徑25 mm， 100 圈）Fig.10 The macrobending loss parameters of fabricated NZDSF （R=25 mm， 100 turns）

表4 列出了實驗制備的光纖和其他G.656 光纖的對比?？梢园l現，實驗設計的光纖的模場直徑MFD 達到9.35 μm，有效面積Aeff達到68 μm2，優于其余光纖。其次，其1 460 nm 波長的色散系數超過1.5 ps·nm-1·km-1，可以較好地滿足S 波段WDM 應用，并抑制S 波段的四波混頻，同時色散斜率僅0.059 ps·nm-2·km-1，在C 和L 波段具有相對適宜的色散系數。再次，1 383 nm 的衰減系數優于其余光纖，僅有0.276 dB·km-1，較好地解決水峰影響的問題，同時1 550 nm 和1 625 nm 波長的衰減系數分別是0.195 dB·km-1和0.205 dB·km-1，有助于傳輸距離的延長。經過對比，證實了這種新型S+C+L 三波段的低色散斜率大有效面積NZDSF 可以用于高速率、大容量和長距離的新一代光纖通信系統。

表4 制備的光纖和其他寬帶用非零色散位移光纖指標對比Table 4 Fabricated fiber parameters compared with other NZDSFs for wideband

4 結論

本文設計了一種具有中心凹陷的芯+環形結構的低色散斜率非零色散位移光纖，并采用外部氣相沉積工藝進行制備。該結構對有效面積、色散和色散斜率的適度優化能夠減少色散惡化，適用于S+C+L 波段的波分復用。經檢測設計的光纖在1 460～1 625 nm 波長范圍內的色散為1.5～13.4 ps·nm-1·km-1，零色散波長為1 420 nm 附近，在1 550 nm 和1 625 nm 波長處的衰減分別是0.195 dB/km 和0.205 dB/km，為長距離應用進行了最佳化設計。此外該光纖有效面積達到68 μm2，可以較好地抑制非線性效應，同時宏彎損耗達到并超過了ITU-T G.656 的標準要求，是一種新型的S+C+L 低斜率非零色散位移光纖。此剖面圖結構實現了寬帶范圍內適度的正色散，較低的宏彎損耗，適合的有效面積和極低的PMD，適用于S+C+L 波段的CWDM 和DWDM 應用，具有較好非線性效應抑制作用。