专利名称：一种低衰减弯曲不敏感单模光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤通信系统中使用的低衰减弯曲不敏感单模光纤，该光纤具有改进的抗弯曲性能和较低的光纤损耗，属于光通信技术领域。
背景技术：
目前在光纤通信领域，主要使用两种类型的光纤，单模光纤和多模光纤。而单模光纤与多模光纤相比较，具有传输速率快，携帯信息容量大，传输距离远等优点，被广泛应用于光纤通信网络的建设之中，其中满足ITU-T G. 652标准的光纤又是单模光纤中使用最广泛的光纤。而随着近年来FTTx的不断发展，原有的G. 652光纤的性能已经不能满足用户要求，进而在G. 652光纤的基础上，开发出了新一代的弯曲不敏感光纤，G. 657光纤，其中ITU-T发布的最新的G. 657光纤标准中又对G. 657光纤进行了细分，分为能够兼容G. 652标准的G. 657. A类和不能兼容G. 652标准的G. 657. B类。其中G. 657. A类光纤因为可以兼容G. 652标准，并且又具有良好的弯曲性能，被认为是最有可能替代现有G. 652光纤的产品之一。另ー方面，随着光放大技术和波分复用技术的进一步发展，光纤通信系统向着更高传输功率和更长的传输距离的方向的发展。作为光纤通信系统中的重要传输媒质，单模光纤的相关性能指标也有待得到进ー步的改进，以满足光纤通信系统实际发展的需要。光纤的衰减系数和模场直径是单模光纤的两个重要的性能指标。光纤的衰减系数越小，则其携带的光信号的可传输距离就更长。光纤的模场直径越大，有效面积就越大，则其非线性效应就越弱。大有效面积可以有效地抑制自相位调制、四波混频、交叉相位调制等非线性效应，保证高功率光信号的传输质量。降低衰减系数和増大有效面积可以有效提高光纤通信系统中的光信噪比(OSNR: optical-signal-to-noise ratio),进ー步提高系统的传输质量和传输距离。 而目前大多数的商品化G. 657光纤，虽然拥有优良的弯曲性能，并且可以与G. 652光纤兼容，但是普遍存在模长直径较小的问题，并且G. 657光纤的衰减系数也基本和原有的G. 652光纤基本一致，没有较大的改善。发明ー种可以兼容G. 652标准，同时具有弯曲不敏感特性，并且具有较低衰减系数相对较大模场直径的新一代单模光纤成为光通信领域内的ー个新挑战。对单模光纤而言，光纤的衰减系数可以用公式(I)表示
Ct — R/ 入 +a aIM+a0H+a +B(I)
其中R为瑞利散射系数，aIK，aIM, a0H, a 分别代表红外吸收，缺陷衰减，OH吸收，以及紫外吸收。在光纤材料中，由于不均匀性所引起的光的散射构成光纤的散射损耗。其中光纤的瑞利散射为三种散射机理之一，为线性散射(即与光信号的频率无关)。瑞利散射的特点是其大小与波长的四次方成反比，同时由其引起的损耗与掺杂材料的种类与浓度有关。为了降低光纤衰減，在光纤预制棒的制造过程中一般可以采用以下几种方法，如 采用更高纯度的原材料，提高生产环境和设备密封性能降低外界杂质引入的几率，或采用更大外径的预制棒制造エ艺，通过大尺寸预制棒的稀释效应降低光纤的整体衰减。但是从成本控制和エ艺控制的角度，降低光纤的掺杂并优化光纤的剖面是最简单和有效的降低光纤衰减的方法。一般来说，掺杂材料的浓度越低，则瑞利散射所引起的损耗越小。降低原材料中杂质的含量，提高光纤制造过程中环境清洁度，降低外界引入杂质的含量也是ー种降低光纤衰减的方法，如专利CN201110178833. 3即采用提高光纤预制棒沉积过程中的气密性的方法，降低外界杂质的引入。在光纤制造过程中，裸光纤表面涂层的涂覆エ艺也是影响光纤衰减性能的ー个重要參数。但是，无论从理论上还是实际光纤制备エ艺上来讲，通过优化芯层直径和包层的掺氟浓度等參数，不仅可以增大单模光纤的有效面积，而且可以有效的降低光纤中瑞利散射等造成衰减，是ー种有效可靠的降低光纤衰减的方法。但是较大的有效面积会造成光纤的弯曲损耗的明显增加(包括光纤的宏弯损耗和微弯损耗)，特别是在长波长区域。在光纤 的成缆过程或者实际的铺设以及使用过程中，如果光纤的抗弯曲性能不能满足要求，则信号的损耗将会变大，信号的传输质量无法得到保证。所以在光纤具有大有效面积和低衰减特点的同时，保证光纤的宏弯和微弯性能，是光纤设计和制造的ー个难题。对于普通的G657光纤光纤，如中国专利CN101598834A中描述的ー种常规G657光纤剖面及制造方法，芯层中为Ge&F共掺，为了获得最优的宏弯性能，芯层的相对折射率一般都大于0. 35%，即芯层Ge掺杂较多，所以会造成更大的瑞利散射，从而增加光纤的衰減。为了优化光纤的衰减性能，各国研究人员做了一系列的研究，其中中国专利CN102156323A中，描述了ー种“纯硅芯”的大有效面积弯曲不敏感光纤的制造方法。其芯层部分无任何掺杂(即为纯ニ氧化硅石英玻璃)，采取下陷外包层的结构优化了光纤的宏弯性能。但是“纯硅芯”光纤因为在芯层部分没有任何掺杂，芯层折射率与纯石英接近，所光纤芯层部分玻璃粘度较大，从而在光纤拉丝张カ控制和光纤剖面设计中带来一系列的问题，并且因为其较高的光缆截止波长，以及非线性效应等问题，其同现有网络兼容上存在一定的困难。美国专利US6917740中，描述了ー种材料粘度失配得到改善的纯硅芯单模光纤及其制造方法。通过在芯层中掺氯(Cl)和氟(F)，使得芯层与包层的玻璃化转变温度Tg的差值缩小到200°C以内，优化光纤的衰减性能。该专利未涉及到对光纤的弯曲性能的研究和改进，未涉及光纤的光学传输性能。在美国专利US6449415中，公开了ー种芯层掺氯(Cl),其相对折射率为正值，包层掺氟(F)，其相对折射率为负值的光纤，并且该光纤具有内包层为下陷包层(depressed cladding)的结构。芯层掺氯的材料可以有效降低光纤芯包材料的失配，減少由拉丝过程产生的附加应力，同时内包层为下陷包层结构，可以改善光纤的弯曲性能，然而下陷包层的结构改善弯曲性能的能力有限，同时会影响光纤的其它光学參数，比如光纤的模场直径和截止波长等。而且在外包层參数设计不合理的情况下，内下陷包层结构有可能会引起LPOl模的泄漏问题(即单模光纤的衰减系数在长波长区域急剧地上升)。为优化单模光纤的弯曲性能，目前采用较多的是以下三种方法一是调整光纤的MAC值(即光纤模场直径与截止波长的比值)。MAC值越小，则光纤的抗弯曲性能越好。然而，模场直径的减小会造成有效面积的减小，并且更容易在拉丝时造成更多的缺陷而増加衰减，同时光纤的截止波长必须小于工作波长，以保证单模的工作特性，所以通过改变光纤的MAC值来改善光纤的弯曲性能的空间有限。ニ是可以通过内包层为下陷包层的双包层结构来改善弯曲性能，但是下陷包层有可能引起光纤的“LPOl模泄漏”现象。三是通过在光纤的内包层外增加一层类似于沟槽的下陷包层(trench)，在保证较大的模场直径的同时，改善光纤的弯曲性能，此方法在弯曲不敏感单模光纤(即G. 657光纤)中得到普遍的应用，如中国专利CN101598834A，美国专利US7450807以及欧洲专利EP1978383等。未发现相关专利或文献报道采用将低掺杂，大芯层直径和下陷包层(trench)相结合的结构，来进ー步改善该种光纤的性能，在衰减系数，有效面积，弯曲性能三者间达到有效的结合和统一。
发明内容
为方便介绍发明内容，定义部分术语
芯棒含有芯层和部分包层的预制件；
折射率剖面光纤或光纤预制棒(包括芯棒)玻璃折射率与其半径之间的关系；
相对折射率差A Hi= I Hi-Il0 I，Hi和Iltl分别为各对应光纤各部分折射率和纯ニ氧化硅 玻璃的折射率。氟(F)的贡献量掺氟(F)石英玻璃相对于纯石英玻璃的折射率差值的绝对值,即AF= I np-n^n I ,以此来表示掺氟(F)量；
锗(Ge)的贡献量掺锗(Ge)石英玻璃相对于纯石英玻璃的折射率差值的绝对值，即AGe= I nGe_n纯石英I ,以此来表示掺锗(Ge)量；
套管符合一定截面积要求的厚壁高纯石英玻璃管；
RITエ艺将芯棒插入套管中组成光纤预制棒；
OVD外包沉积エ艺用外部气相沉积和烧结エ艺在芯棒表面制备需要厚度的Si02玻
璃；
VAD外包沉积エ艺用轴向气相沉积和烧结エ艺在芯棒表面制备需要厚度的Si02玻
璃；
APVD外包エ艺用高频等离子体焰将天然或合成石英粉熔制于芯棒表面制备所需厚度的Si02玻璃；
0/Si比通入反应区的氧气(02)与四氯化硅(SiC14)的摩尔比。本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种折射率剖面设计合理、衰减低且抗弯曲性好的低衰减弯曲不敏感单模光纤。本发明单模光纤的技术方案为
包括有芯层和三个包层，其不同之处在于芯层的相对折射率差A I为0. 19T0. 30%，半径Rl为3. 5 ii nT4. 5 u m,芯层外有三个包层，第一包层为紧密围绕芯层的内包层，其相对折射率差A2为0. 19T-0. 1%，半径R2为8iinTl0iim，第二包层为下陷包层，紧密围绕内包层，其相对折射率差A 3为-0. 49T-0. 1%，且A 3小于A 2，半径R3为12 y nT20 u m,第三包层为外包层，紧密围绕下陷包层的所有分层，其与纯石英的折射率相比较，相对折射率差八4为-0. 20% 0. 1%。按上述方案，所述的芯层由同时掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃或掺有及其他掺杂剂的石英玻璃组成，芯层氟(F)的贡献量AF为-0. 089T-0. 02%。按上述方案，所述的第一包层由同时掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃或纯石英玻璃组成，第一包层的半径R2与芯层的半径Rl的比值R2/R1为I. 7 2. 9，第一包层与芯层的相对折射率差的差值A I- A 2为0. 2% 0. 40%。按上述方案，所述的第二包层由掺氟(F)的石英玻璃组成，其相对折射率差A3小于其它包层。按上述方案，所述的第三包层可以为纯石英玻璃层，或者为掺氟或其他掺杂剂的石央玻璃层。
本发明的光纤具有以下特性
光纤在1310nm波长处的模场直径为8. 6^9. 8微米，零色散波长为130(Tl324nm，光纤在零色散波长处的色散斜率不大于0. 092ps/nm2*km。光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0. 325dB/km, 1383nm波长处的衰减系数小于或等于0. 325dB/km, 1550nm波长处的衰减系数小于或等于0. 185dB/km。光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。光纤在1625纳米nm波长处，对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈弯曲附加损耗小于或等于IdB或甚至0. IdB ;对于围绕10毫米弯曲半径绕I圈弯曲附加损耗小于或等于
I.5dB 或甚至 0. 2dB。
本发明的有益效果在于1.在全面兼容现有G. 652标准的基础上，拥有远远优于常规G. 652. D光纤的衰减性能，从而可以在干线传输中，減少建设相关基站及其他系统设备的成本。2.相对普通的G. 652光纤，本光纤结构中最小相对折射率的第二包层，可有效地将光信号约束在纤芯中进行传播，同时在弯曲状态下，能有效阻止光信号向外的泄漏，使得光纤的抗弯曲性能，包括光纤的抗宏弯性能和抗微弯性能得到保证，可满足G. 657. Al标准的宏观弯曲要求，并保证光纤成缆后的衰减性能。3.同常规的G. 657光纤相比较，本发明的光纤模场直径更大，其有效面积也随之増大，从而可以获得更大入纤功率，有利于密集波分复用(DWDM)系统的应用。4.因为模长直径的相对增加，本发明的光纤在与常规的G. 652光纤熔接时，熔接损耗更小，兼容性更高。5.芯层中同时掺杂氟和锗，使得芯层材料的粘度得到降低，可以匹配芯层与包层的粘度，避免“纯硅芯”光纤的粘度失配情况，从而在拉丝后光纤内部的残余应カ将会进ー步减小，有利于改善光纤的衰减性能，并且第二包层的掺氟分层的掺氟(F)贡献量AF小于-0. 20%，在光纤剖面上形成“下陷包层”结构，以保证避免出现“LP01模泄漏”现象，并且由于其粘度大于第二包层，较高粘度的第三包层材料将在拉丝时承载较大比例的拉丝张力，这样就可以有效的阻止拉丝张力所造成的应カ集中在纤芯部分而造成光纤衰减的増加，提高光纤使用中的可靠性。
图I是本发明一个实施例的径向截面不意图。图中00对应光纤的芯层，10对应光纤的第一包层，20对应光纤的第二包层，30对应光纤的第三包层。图2是本发明一个实施例的折射率剖面示意图。
具体实施例方式下面将给出详细的实施例，对本发明作进ー步的说明。本实施例的裸光纤包括有芯层和包层，芯层00由掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃或掺有氟及其他掺杂剂的石英玻璃组成；围绕在芯层外有三个包层。第一包层10紧密围绕芯层，由PCVDエ艺制备的同时掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃组成；第ニ包层20紧密围绕第一包层，第二包层由掺氟(F)的石英玻璃组成，其相对折射率A3小于其它包层。第三包层30为紧密围绕第二包层的所有分层。所述的第三包层可为掺氟或其他掺杂剂的石英玻璃层，或者第三包层可为纯硅层，即相对折射率差为0%。本实施例光纤的涂覆层采用“weton wet (湿对湿)”涂覆エ艺，拉丝速度均为为1000-1500m/min。按照上述单模光纤的技术方案，在其所规定的范围内对光纤的參数进行设计，并通过已知的PCVDエ艺、MCVDエ艺、OVDエ艺或VADエ艺等芯棒制造エ艺根据光纤的设计要求制造芯棒，通过套管エ艺、OVDエ艺或VADエ艺等外包エ艺来完成整个预制棒的制造。PCVDエ艺在进行高浓度的掺氟(F)吋，具有一定的优势。所拉光纤的折射率剖面使用NR-9200设备(EXFO)进行测试，光纤的折射率剖面以及掺杂材料的主要參数如表I所示。宏弯附加损耗测试方法參照IEC 60793-1-47中规定的方法，由于波长越长对弯曲越敏感，所以主要测试光纤在1550nm和1625nm波长处的弯曲附加损耗，以准确评估光纤在全波段范围内(尤其是L波段)的弯曲敏感性。将光纤按一定直径绕成I圈或10圈，然后将圆圈放开，测试打圈前后光功率的变化，以此作为光纤的宏弯附加损耗。所拉光纤的主要性能參数如表2所示。实验表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，其在1310nm波长处的模场直径可以达到8. 7iim以上,光缆截止波长保证在126nm以下,在1550nm波长处的衰减系数保证在0. 185dB/km以下，且光纤具有良好的抗弯曲性能，包括良好的抗宏弯性能和抗微弯性能，光纤在1550nm波长处，对于围绕IOmm弯曲半径绕I圈弯曲附加损耗小于或等于0. 5dB ；对于围绕15mm弯曲半径绕10圈弯曲附加损耗小于或等于0. 2dB ;在1625nm波长处，对于围绕IOmm弯曲半径绕I圈弯曲附加损耗小于或等于I. OdB ;对于围绕15mm弯曲半径绕10圈弯曲附加损耗小于或等于0. 8dB。同时光纤在1700nm的微弯损耗小于I. 5dB/km。 表I :光纤的结构和材料组成
权利要求
1.ー种低衰减弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和三个包层，其特征在于芯层的相对折射率差A I为0. P/To. 30%,半径Rl为3. 5 i! nT4. 5 u m,芯层外有三个包层，第一包层为紧密围绕芯层的内包层，其相对折射率差A2为0. 19T-0. 1%，半径R2为8iinTl0iim，第二包层为下陷包层，紧密围绕内包层，其相对折射率差A3为-0.49T-0. 1%，且A 3小于A 2，半径R3为12 y nT20 y m，第三包层为外包层，紧密围绕下陷包层的所有分层，相对折射率差A 4 为-0. 20% 0. 1%。
2.按权利要求I所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的芯层由同时掺氟和锗的石英玻璃或掺有及其他掺杂剂的石英玻璃组成，芯层氟的贡献量AF为-0. 08% -0. 02%。
3.按权利要求I或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的第一包层由同时掺氟(F)和锗(Ge)的石英玻璃或纯石英玻璃组成，第一包层的半径R2与芯层的半径Rl的比值R2/R1为I. 7 2. 9，第一包层与芯层的相对折射率差的差值A1-A2为0.2% 0. 40%o
4.按权利要求I或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的第二包层由掺氟的石英玻璃组成，其相对折射率差A3小于其它包层。
5.按权利要求I或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在所述的第三包层为纯石英玻璃层，或者为掺氟或其他掺杂剂的石英玻璃层。
6.按权利要求I或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤在1310nm波长处的模场直径为8. 6^9. 8微米，零色散波长为1300 1324nm,光纤在零色散波长处的色散斜率不大于0. 092ps/nm2*km。
7.按权利要求I或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0. 325dB/km, 1383nm波长处的衰减系数小于或等于0. 325dB/km, 1550nm波长处的衰减系数小于或等于0. 185dB/km。
8.按权利要求I或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。
9.按权利要求I或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤在1625纳米nm波长处，对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈弯曲附加损耗小于或等于IdB ;对于围绕10毫米弯曲半径绕I圈弯曲附加损耗小于或等于I. 5dB。
全文摘要
本发明涉及一种光纤通信系统中使用的低衰减弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和三个包层，其特征在于芯层的相对折射率差Δ1为0.1%~0.30%，半径R1为3.5μm~4.5μm，芯层外有三个包层，第一包层为紧密围绕芯层的内包层，其相对折射率差Δ2为0.1%~-0.1%，半径R2为8μm~10μm，第二包层为下陷包层，紧密围绕内包层，其相对折射率差Δ3为-0.4%~-0.1%，且Δ3小于Δ2，半径R3为12μm~20μm，第三包层为外包层，紧密围绕下陷包层的所有分层，相对折射率差Δ4为-0.20%~0.1%。本发明在全面兼容现有G.652标准的基础上，拥有远远优于常规G.652.D光纤的衰减性能，可满足G.657.A1标准的宏观弯曲要求，有利于密集波分复用系统的应用。
文档编号G02B6/036GK102645699SQ201210131418
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月2日 优先权日2012年5月2日
发明者张磊, 拉吉·马泰, 杨晨, 王瑞春, 龙胜亚 申请人:长飞光纤光缆有限公司