一种细径小弯曲半径单模光纤的制作方法

本发明涉及一种细径小弯曲半径单模光纤，该光纤可适于5mm及以下弯曲半径的光器件和光传感器件制作使用，属于光纤技术领域。

背景技术：

光纤的出现不仅引起了通信技术的革命，同样为传感技术提供了新的实现途径。光纤传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为衡量一个国家科学技术水平发展的重要标志。光纤传感技术应用广泛，军事、国防、航天航空、工业控制、医疗、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。

光纤传感器是实现光纤传感技术的核心光器件，与传统的各类传感器相比，它是用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，作为被测量信号载体的光波和作为光波传输媒质的光纤，具有一系列独特的、其它载体和媒质难以相比的优点，其中径细、质软，耐弯曲是其显著优点之一。随着光纤传感技术的深入发展，光纤传感器追求灵敏、精确、小巧和智能化。如应用于海防和海洋勘探的光纤水听器，以前是将光纤绕在直径15mm轴上，绕纤圈数约400圈，现在封装要求是将光纤绕在直径约6mm轴上，绕纤圈数高达几百圈。由此对光纤的几何尺寸，小弯曲半径下的光纤寿命以及弯曲不敏感性提出了更高要求。

石英光纤尽管本征强度很高，但在制造过程中不可避免会自身形成或被动引入不同尺寸的微裂纹，这些微裂纹在后期一旦受到较大应力就会迅速扩展直至断裂，因此影响光纤寿命的主要因素是光纤受到的应力腐蚀。为提高光纤寿命，可以通过减小光纤承载的应力来实现。弯曲状态下的光纤受到的应力可用如下公式表示：

式中，e为石英玻璃的扬氏模量、r为光纤的弯曲半径、r为裸纤的半径、cth为涂覆层厚度。由上述公式可知，在目标弯曲半径一定的情况下，要减少光纤抵御弯曲受到的应力，可以通过减少光纤的裸纤直径来达到减少光纤受力的目的。

除了通过减少光纤直径来降低弯曲状态下光纤受力，还可以通过对石英光纤表面进行密封处理。如在光纤表面采用的密封碳、金属涂覆技术。但是这些涂覆技术工艺复杂，制造成本昂贵，较难实现量产。

技术实现要素：

为方便介绍本发明内容，定义以下术语：

折射率剖面：光纤中玻璃折射率与其半径之间的关系。

相对折射率差：△＝(ni-n0)/n0*100％

ni和n0分别为对应部分的折射率和纯二氧化硅石英玻璃的折射率。

氟(f)的贡献量：掺氟(f)石英玻璃相对于纯二氧化硅石英玻璃的相对折射率差(δf)，以此来表示掺氟(f)量。

锗(ge)的贡献量：掺锗(ge)石英玻璃相对于纯二氧化硅石英玻璃的相对折射率差(δge)，以此来表示掺锗(ge)量。

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提供一种细径小弯曲半径单模光纤，它不仅耐弯曲和防断裂性能好，而且光纤宏弯损耗低，符合光纤传感在1550nm窗口对链路损耗的要求。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层的直径dcore为4μm～7μm，芯层的相对折射率差δ1为0.85％～1.20％，所述的芯层为氟锗共掺的二氧化硅石英玻璃层，所述的包层由内向外分为3个包层，包括有内包层、中间包层和外包层，所述的内包层紧密包绕芯层，内包层的直径d31为10μm～30μm，相对折射率差δ31为-0.10％～0，所述的内包层为氟锗共掺的二氧化硅石英玻璃层，所述中间包层的直径d32为40μm～60μm，中间包层为纯二氧化硅石英玻璃层，所述的外包层直径d33为60μm～80μm，为树脂涂覆层。

按上述方案，所述芯层的掺锗贡献量δge为0.90％～1.35％，掺氟贡献量δf为-0.01％至-0.15％。

按上述方案，所述内包层的掺锗贡献量δge为0.10％～0.30％，掺氟贡献量δf为-0.10％至-0.40％

按上述方案，所述外包层的相对折射率差δ33为1.5％～1.6％。

按上述方案，所述光纤的mfd在1550nm波长范围内为5μm～7μm。

按上述方案，所述光纤的截止波长(2m)范围内为1380nm～1520nm。

按上述方案，所述光纤的衰减在1550nm波段小于或等于0.4db/km。

按上述方案，所述光纤的宏弯损耗5mm半径*25圈在1550nm波段小于或等于0.02db，2.5mm半径*1圈在1550nm波段小于或等于0.5db。

本发明的有益效果在于：1.光纤芯层掺f和ge，同单独掺ge比可以优化光纤的材料结构，降低纯掺ge形成的缺陷浓度和改善应力分布，同时能消除中心凹陷；2.光纤的内包层为f和ge共掺的二氧化硅石英玻璃层，该分层紧靠芯层，这种设计可以降低内包层材料的粘度，实现芯层与玻璃包层间粘度梯度变化。该包层相对折射率差△偏负的设计，相比单纯通过增加纤芯na来提高光纤宏弯性能的设计，可以降低高na引起的光纤本征损耗；3.光纤外包层为一种树脂涂覆构成的“塑料”外包层，由于其与石英玻璃粘附力极强，可以有效抑制石英玻璃表面微裂纹扩展，增强弯曲光纤的机械可靠性，同时相比传统的石英玻璃外包层，塑料的韧性特点可以让光纤更适合小半径弯曲；4.光纤“塑料”外包层直径典型值设计为80μm，既可以与当前很多光器件系统使用的80μm玻璃包层直径细径光纤几何兼容，又可以相比同样包层直径下本发明光纤具有更优的耐弯曲性能(玻璃部分直径减小了)，尤其体现在很多光器件加工在剥除了光纤涂覆层后，很容易在裸露部分发生断裂。带“塑料”包层这种设计则可以很好的在剥除涂覆层后仍然对光纤裸露部分起到机械弯曲保护作用。5.本发明具有弯曲半径小，宏弯损耗低，可靠性高的特点，符合光纤传感在1550nm窗口对链路损耗的要求，满足小弯曲半径多层密绕光器件的应用要求。

附图说明

图1是本发明一个实施例的径向截面示意图。图中00对应光纤的芯层，31对应光纤包层的内包层，32对应光纤包层的中间包层，33对应光纤包层的外包层。

图2是本发明一个实施例的折射率剖面示意图。

具体实施方式

下面将给出详细的实施例和比较例，对本发明作进一步的说明。

本发明的单模光纤包括有芯层和包层，芯层00由氟(f)锗(ge)共掺的石英玻璃组成；包绕芯层的是包层。包层有三个分层，内包层31紧密围绕芯层，也是由氟(f)锗(ge)共掺的石英玻璃组成；中间包层32紧密围绕内包层31，由纯石英玻璃组成，其相对折射率δ32为0；外包层33紧密围绕中间包层32，外包层的直径d33为60μm～80μm，外包层为树脂材料构成的“塑料”外包层，其相对折射率δ33为1.5％～1.6％。所述的树脂材料包括由环氧树脂、乙烯基醚类单体和阳离子光引发剂构成，其拉伸模量可达1800mpa。该树脂主要来源于武汉联大慧通代理的美国3m公司生产，国内武汉长飞普利科技有限公司也可以提供。

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参数进行设计，并通过pcvd工艺，mcvd工艺，vad工艺或ovd工艺制造芯棒，通过套管工艺、pod工艺(等离子体外喷工艺，plasmaoutsidedeposition)、ovd工艺或vad工艺等外包工艺来完成整个预制棒的制造。pcvd工艺和pod工艺在进行精确剖面设计，沉积高浓度的掺氟(f)以及消除中心凹陷方面，具有一定的优势。

预制棒制备完成后，在拉丝塔上进行光纤的拉丝。对树脂外包层紫外固化和热固化同时进行，拉丝速度不高于300m/min，拉丝涂覆张力不高于200g。

“塑料”外包层的外端仍然涂覆常规丙烯酸树脂，涂覆后光纤外径100μm～140μm。

所拉光纤的折射率剖面使用ifa-100设备(inerfiberanalysis.llc)进行测试。光纤的折射率剖面实施例的主要参数如表一所示。

所拉光纤的主要性能参数如表二所示。光纤实施例在设定的指标和制造工艺条件下进行相关测试。

从实施例可以看出：

1.芯层直径过小，要保证光纤1550nm工作波长使用，根据光纤截止波长计算公式λc＝πdcore*n(2△)^0.5/vc(n为芯包层平均折射率，vc为归一化频率)，则相应的芯包相对折射率差△要增加。从实际测试结果看，尽管纤芯小，△大带来的宏弯损耗很低，但过高△设计会导致光纤本征衰耗也非常高，综合效应是本征损耗对光器件带来的负面影响更大，如实施例1。另外小纤芯，高△设计，会给制棒工艺带来很大难度，预制棒由于高掺杂会很容易炸裂。

2.如果芯径过大，尽管△相应减少，光纤本征衰耗很好，但光纤宏弯损耗偏大，无法满足多层密绕光器件整体损耗要求，如实施例10。说明芯径过大也不能满足光纤设计要求。

3.如果紧密围绕芯层的内包层△偏正，则在弯曲时第一道防止光功率泄露的“屏障”作用尽失，这相当于芯包之间相对折射率差△变小，因此光纤截至波长会降低，宏弯损耗也会增加，不利于多圈小半径弯曲光纤不敏感性的提高，如实施例6。

4.如果紧密围绕芯层的内包层△偏负过多，光纤宏弯损耗会改善，针对多层密绕的弯曲应用没有问题，但是有些光器件不仅涉及到小半径弯曲，还需要进行拉锥耦合，如果过多增加了掺f浓度，因为f离子几何尺寸小，熔融时其游离速度快，改变了波导结构，不利于光纤耦合成型。如按实施例9参数设计，拉锥检验发现过程损耗高，1550nm窗口达0.3db，而目标拉锥损耗是要求小于0.1db。另外分光比也不稳定，拉锥一致性较差。

5.如果树脂构成的“塑料”外包层与中间的纯石英玻璃包层直径差过小，则单边涂覆厚度很小，这要求涂覆模具内径与裸纤直径差很小，对拉丝塔准直以及拉丝操作控制要求十分严格，如实施例5参数设计，尽管光纤可以做出来，但筛选发现光纤强度很糟糕，没有1km以上段长产出。

6.如果树脂构成的“塑料”外包层与中间的纯石英玻璃包层直径差过大，则表现为树脂单边涂覆厚度很大，由于树脂模量大，与石英玻璃粘附很强，因此对光纤宏弯损耗有一定负面影响，同时客户在使用这种光纤进行熔接时，不可避免要剥掉光纤头“塑料”包覆，剥纤难度很大，容易将光纤直接剥断，不利于规模化生产操作，如按实施例3设计出的光纤。

7.如果芯层直径及芯包△设计合理，“塑料”层厚度均匀适中，则光纤筛选强度，本征损耗以及小弯曲半径宏弯损耗，均能达到综合最佳性能，完全可以满足现有光纤传感器件对极小弯曲半径，多层密绕使用的要求，如实施例2，4，7和8。

综上表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，截止波长在1380nm-1520nm，在1550工作波长，其mfd为4μm-7μm，光纤衰减@1550nm波段小于等于0.4db/km，宏弯损耗5mm半径*25圈@1550nm≤0.02db，宏弯损耗2.5mm半径*1圈@1550nm≤0.5db，能满足多层密绕光器件的应用需求。

表一光纤的结构参数

表二光纤的主要性能