一种低弯曲损耗的超细低水峰光纤的制作方法

专利名称：一种低弯曲损耗的超细低水峰光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤，特别是低弯曲损耗的超细的低水峰光纤，其在1285～1625nm整个波段内适用于波分复用(WDM)传输。
背景技术：
1.1光纤发展现状光纤作为一种通讯材料，由于其容量大、成本低、稳定性好等诸多优点而广泛应用于通讯网络以及民事和国防等领域中。
光纤一般由石英玻璃芯、石英玻璃保层和内外双层紫外光固化丙烯酸树脂涂层组成，石英层用于传输信号，而树脂层则起到保护的作用。光纤在传输过程中会遇到许多与传播特性相关的问题，其中最重要的就是光纤损耗。光纤损耗主要包括固有损耗、非固有损耗、弯曲损耗和连接损耗等。其中固有损耗和非固有损耗分别是由光纤材料本身和光纤材料的纯度决定的，而连接损耗则与连接工艺有关。随着光纤材料的改进和连接工艺的不断完善，目前这三种损耗已经很小，可进一步降低的空间极为有限。而光纤的材料损耗则非常严重，在1550nm窗口，材料损耗占据传输总损耗的一半以上，因此只有减小这种损耗才能从根本上改善光纤的传输质量。
目前，世界上多数国家的骨干网建设已近尾声，因此光纤网建设的重点也逐渐向城域网、用户接入网等支线网络过渡，特别是随着3G手机等新型通讯产品的实施和发展，人们对光纤到户(FTTH)的需求越来越大，世界上多数发达和部分发展中国家已经开始大力建设FTTH网络。这些网络的显著特点是，链路不长，但线路走向复杂，线缆经常被迫弯曲和缠绕，因此对光纤的抗弯损性能要求严格。
此外，光纤材料在军事和国防上的应用也更加深入和广泛，特别是在制导技术上，正逐渐采用光纤制导取代原先的机械制导。光纤的弯曲性能对制导光纤具有非常特别的意义，因为在导弹发射时，光纤离开绕包受到非常急剧的弯曲，脱离点的弯曲半径只有几毫米，这就要求该光纤有非常优异的抗弯损性能，以确保信号的传输。随着射程的增加，要求绕包能容纳更多、更长的光纤，而增加绕包的尺寸会带来更多的其他问题，因此只能考虑进一步减小光纤本身的尺寸。为适应实战的需要，一种小直径的且弯曲损耗低的光纤就显得非常迫切。事实上，抗弯损光纤一直就是光纤材料开发和研究的重要内容之一。早在上个世纪80年代，美国AT&T和日本的NTT公司就分别推出了压低包层和凸型折射率光纤，该光纤在1.3μm波长下工作的截至波长可做到1.35μm。通过几十年的努力，当今已有不少公司都相继推出了抗弯损光纤，且其抗弯性能也得到了很大的改善。例如，藤仓公司的FutureGuide-SR15和FutureGuide-SR15E抗弯损光纤，其分别对应于ITU-T G.652.B光纤和ITU-T G.652.D光纤，这些光纤的最小允许弯曲半径达到15mm，相对于普通单模光纤的30mm的弯曲半径，缩小了一半。住友电工推出的PureAccess-Ultra光纤的最小允许弯曲半径从常规的30mm减小到7.5mm。康宁公司的抗弯损光纤，当弯曲半径为32mm时，其在1550nm下的损耗不超过1dB，对应的截至波长在870nm～970nm之间。烽火的抗弯光纤(Bend Insensitive Fiber)在10mm30圈的弯曲情况下，其在1550nm下的损耗不大于0.5dB，且相应的截至波长在1290nm以下。这些光纤在几何尺寸上与常规的光纤相同，裸光纤直径都是约125μm，涂覆树脂后直径约245μm，可以和常规光纤很好的相容，但他们却无法满足光纤陀螺用等制导光纤对光纤小尺寸的要求。
1.2光纤弯曲特性光纤的弯曲分为宏观弯曲和微观弯曲两类。宏观弯曲是指光纤轴心弯成环形，其直径远大于光纤本身的直径，约几个毫米。光功率就在环形弯曲处从光纤内部向外辐射，以致光纤信号发生损耗。微观弯曲是指光纤轴心发生偏移，其弯曲直径小于光纤本身的直径，他们沿着光纤的长轴随机分布，各偏转的间隔约几个微米，光功率就沿光纤长度间断地从光纤内部向外辐射，引起微弯损耗。此外，光纤弯曲还会引起模场、传播常数、模斑、有效截至模角、数值孔径、色散、零色散波长、偏震等一系列传输参数的变化。
光纤弯曲损耗的通式可用式(1)表示。
2αb=4|I1|2π3/2r1/2R3/2I2|Hμ2(ξ)|2]]>式中I1和I2是两个积分，Hμ2(ξ)为Hankel函数。由该式可见，弯曲损耗在很大程度上取决于弯曲半径R。
宏弯损耗，即在恒定曲率半径中的损耗，是弯曲光纤最低阶模的本征损耗，可用式(2)表示。
αpm＝AcR-1/2exp(-μR)(2)式中，Ac=12(πav3)1/2[μvk1(v)]]]>μ=4Δnv33av2n3]]>而微弯损耗则可用式(3)表示αmm=K4(kn1ω0)2(kn1ω0)2p---(3)]]>式中，K为常数，k为自由空间波数，P为弯曲功率光谱因子。由式(3)可见，微弯损耗基本取决于模场直径，与折射率的分布无关。
除以上两种最为重要的损耗外，光纤弯曲时还会产生一定的过渡损耗，也即由直光纤到弯曲的光纤之间存在一个过渡区，少量信号由低阶模耦合到较高阶辐射模而损耗，其大小可用式(4)表示α=(R/a)-2v432Δ2×(0.65+1.62v-1.5+2.88v-6)6---(4)]]>光纤弯曲时的传输效率则可用式(5)来描述Tc=PoutPinT0=exp(-αbLb)---(5)]]>式中，T0表示长度为L的光纤在直光纤状况下的透过率，而Pout/Pin是光纤弯曲状态下的透过率，αb为弯曲损耗，Lb为弯曲光纤长。研究表明，传输效率随光纤弯曲半径R的减小而下降，而且R越小Tc下降的速度就越快。而对于同一型号光纤，芯径越大Tc对弯曲半径就越敏感。
1.3影响光纤弯曲损耗的因素1.3.1MAC值当前，MAC值被用来表示光纤弯曲性能的特征参量，无论是宏弯损耗还是微弯损耗都随着MAC值的增加而增加[2]。所以，尽可能的减小MAC值，是提高光纤抗弯性能的途径之一。而MAC值又是模场直径(MFD)和截至波长(λc)的比值，如式(6)所示MAC＝MFD/λc(6)所以，减小MAC值就是设法减小光纤的MFD或(和)增加光纤的λc。
1.3.2相对折射率差一般说来，大的折射率差有利于减小弯曲损耗。如果两根光纤的λc相同，而相对折射率差相差一倍，则在弯曲损耗相同时，折射率差较大的弯曲半径R为折射率差较小的R的1/3。
1.3.3折射率凹陷光纤芯中心折射率凹陷对光纤的折射率有一定的影响。研究表明，当中心凹陷宽度δ不大于(nm-no)/(nm-nc)时，凹陷的作用很小，但当δ较大时则非常明显，且中心凹陷宽度的增加能适当增加基模的允许弯曲半径，也即提高光纤的抗弯损性能。
1.3.4内包层厚度研究分析表明，在内包层低于外包层的光纤中，增加内包层厚度或减小其深度(其芯层和内包层折射率差不变)其信号的LP01模式泄漏损耗减小。也即内包层越厚越有利于减小光纤的弯曲损耗。
1.3.5涂层的机械参数一般来说，模量越高，透水气性越低。因此，通常第一涂层是软的低模量缓冲涂层，第二层是坚韧的较高模量的保护材料。光纤涂层的增厚可以改善微弯，所以可增大第一层厚度，适当调节第一、二层厚度也可改善光纤的抗弯损性能。
由以上分析可知，小尺寸的低弯曲损耗的光纤将在国民生活，特别是军事领域中有着广泛而重要的应用，而目前市场上尚未能提供相应的让人满意的光纤。另一方面，低水峰光纤的出现，使得光纤的应用波段扩大到1285～1625nm整个窗口，目前已经逐步取代了普通G.652.B光纤。

发明内容
本发明的目的在于推出一种能同时满足低弯损、小尺寸和低水峰的符合G.652.D传输要求的新型光纤。研究表明，可以从光纤的折射率剖面、涂层等多方面来提高光纤的抗弯性能。
本发明旨在根据光纤弯曲理论和实践经验，在富通独特的全合成预制棒制造技术的基础上，对光纤的折射率剖面进行设计和优化，并制造出低弯曲损耗的小直径光纤。总之，本发明公开了一种低弯曲损耗的超细的低水峰单模光纤，该光纤由掺杂的石英玻璃芯、石英玻璃包层和内外两层树脂构成，其中光纤的芯层和包层具有独特的组成和结构，裸光纤的外径具有独特的尺寸。光纤的芯层折射率可在1.4629～1.4664之间，芯层厚度可在2.3～3.2μm之间；第一包层的折射率可在1.4562～1.4582之间，厚度可在2.5～6.5μm之间；第二包层为纯石英玻璃，其厚度可在8.5～12.3μm之间。芯层和第一包层的折射率可通过掺杂不同的组分获得。裸光纤的外径为80±5μm。成品光纤的直径为140±5μm。
制造这种光纤时，先根据设计的折射率剖面，即芯层的折射率、厚度，第一包层的折射率、厚度，第二包层的折射率、厚度等参数，确定各层掺杂的组分，并采用VAD+OVD预制棒制造工艺(或其他同等的制造工艺)制造成光纤预制棒；再将该预制棒在拉丝塔上拉制成特定直径的光纤，该光纤经两次紫外光固化树脂涂覆达设计的尺寸；最后经一些列机械、光学和化学筛选后卷盘成为光纤成品。
本发明的光纤具有独特的折射率剖面和外观尺寸，其截至波长不超过1324nm，模场直径在5.5～6.5mm之间，MAC值不超过6.0。与常规单模光纤相比其抗弯损性能得到了极大的提高，最小允许弯曲半径可达7.5mm，仅为常规光纤的1/4，达到目前市场上光纤的最佳水平。当弯曲半径为10mm时，其在1310nm下的损耗不超过0.4dB；而当弯曲半径为50mm时，其在1310nm下的损耗则不超过0.2dB。与现有的其他抗弯损光纤相比，本发明的光纤除具备优异的抗弯性能外，更具有超细尺寸的显著特点，其裸光纤的直径约80μm，仅为常规抗弯损光纤(裸光纤直径为125μm)的64％左右，涂覆树脂后光纤约为140μm，仅为常规抗弯损光纤(涂覆后光纤直径为245μm)的49％左右，每公里成品光纤的体积尚不到常规光纤的25％，石英玻璃的用量约为常规光纤的41％，树脂用量约为常规光纤的18％，单位长度的光纤成本不到常规光纤的1/2。相同尺寸的绕包可容纳的光纤长度增加了4倍以上，特别适用于光纤制导，特别是远程导弹的光纤制导。


图1是根据本发明实施方案制造的光纤的剖面图。
图2是图1中裸光纤16的折射率分布示意图。
图3、4用于示意图1中裸光纤16折射率分布的其它例子。
图5所示为本发明光纤芯径a与光纤MAC值之间的关系。
图6所示为本发明光纤第一包层厚度b与光纤MAC值之间的关系。
图7所示为本发明光纤的Δ1值与光纤MAC值之间的关系。
图8所示为本发明光纤的Δ2值与光纤MAC值之间的关系。
图9所示为本发明光纤的MAC值和光纤弯曲损耗之间的关系。
具体实施方式
参照图1，光纤通常定义为10，本发明光纤10的结构和常规光纤类似，主要包括分布在光纤10中心的玻璃裸光纤16，以及包围在16周边的第一涂层14和第二涂层15。裸光纤16包括光纤的芯层区11，第一包层区12和第二包层区13。涂层14和15通常为聚丙烯酸树脂，可通过紫外线固化或其它方法固化制得。
本发明采用富通集团拥有自主知识产权的全合成工艺制造光纤预制棒，然后再在拉丝塔上拉制成纤维，同时涂覆保护树脂层，即制得所需光纤。全合成工艺简单描述如下首先采用三喷灯VAD工艺制造芯棒，其中在第一喷灯的SiCl4原料中掺杂GeCl4以适当的提高芯层11的折射率；在第二喷灯SiCl4原料中掺杂F(也可是S等其它可使SiO2折射率下降的元素)或者不掺杂以制造第一包层12；第三喷灯为纯的SiCl4，用于制造第二包层13。为确保所得光纤满足低水峰预制棒的要求，应适当的调节喷灯流量使得c满足式(7)。然后再采用OVD技术在该芯棒外包上一层纯SiO2外包，通过烧结，使该外包和第二包层融为一体，以形成完整的光纤预制棒。
c≥2.3a-b(7)参照图2，本发明光纤具有独特的折射率剖面结构。通常抗弯损光纤的折射率分布为阶跃型分布，但本全合成工艺生产的光纤的纤芯折射率有一定的凹陷，如1.3.3所述，这种凹陷对有利于提高光纤的抗弯性能。同时，本光纤的芯层区11和第一包层区12的折射率分布都是个变化的函数。靠近纤芯部分的芯层折射率可用直线方程来模拟，斜率在0.0003～0.0005之间，靠近第一包层部分的芯层区折射率可用幂函数来模拟，幂指数在-8～-7之间，其最大值用n1表示；第一包层折射率也可以用幂函数来模拟，其幂指数在-0.03～-0.01之间，其最小值用n2表示；而第二包层为纯SiO2层，其折射率恒定不变，用n0表示。芯层和第一包层最大折射率差用Δ1表示，第一包层和第二包层的折射率差用Δ2表示。Δ1和Δ2分别用以下公式计算得到Δ1=n1-n0n1×100%---(8)]]>Δ2=n2-n0n2×100%---(9)]]>图2中a表示芯层的直径，b为第一包层的厚度。图2中，第一包层的折射率低于第二包层，Δ2为负值。本发明中，光纤折射率剖面的特殊设计，一方面是结合了全合成工艺本身的特点，另一方面也是提高光纤抗弯性能所需。因为，全合成工艺生产的光纤的纤芯本身就呈一定的凹陷，因此可方便的加以利用；全合成工艺中的VAD部分，采用了3喷灯结构，可通过原料的掺杂，喷灯喷射角度、喷灯距离和喷射流量的调节，方便的按本发明设计要求来改变光纤的剖面结构，利于生产的实施。
参照图3和4，它们代表光纤折射率分布不同于图2的其它例子。图3和4中Δ2值分别为0和正值。
图5-图8为生产试验数据的分析图，他们分别描述了光纤结构的几个重要参数即芯径a，第一包层厚度b，芯层折射率差Δ1和第一包层折射率差Δ2对光纤MAC值，也即光纤的抗弯性能的影响。因为MAC值通常被视为光纤弯曲性能的表征量，MAC值越小，光纤的抗弯性能越好，如图9所示。
实施例1通过在芯层SiO2中掺杂Ge的方法使在632.8nm波长下Δ1在0.39％～0.50％之间；在第一包层的SiO2中掺杂F使在632.8nm波长下Δ2在-0.070％～-0.014％之间；通过控制VAD喷灯流量来控制芯层和第一包层的厚度，分别在2.8～3.2μm之间和2.5～6.0μm之间；第二包层的厚度在8.5～13.0μm之间；通过控制拉丝速度、滴头温度等将光纤直径控制在80±5μm；保证两层涂覆树脂的厚度分别约为20和10μm；最终成品光纤直径在140±5μm；通过树脂和固化条件的控制使得第一涂层14和第二涂层15的杨氏模量分别约为1.2MPa和760MPa，弹性模量分别为1.1MPa和1400MPa。此光纤的剖面形状可用图2表示。
本实施例得到的几种典型光纤的几何参数及其性能见表1-1和表1-2。
表1-1实施例1中几种典型光纤的几何参数和光学性能

表1-2实施例1中几种典型光纤在不同波长下的弯曲损耗

*为采用IEC标准G650光纤弯曲性能测量法测得，弯曲半径取7.5mm。
实施例2
通过在芯层SiO2中掺杂Ge的方法使在632.8nm波长下Δ1在0.55％～0.63％之间；第一包层不特别掺杂，其折射率分布在第一喷灯的影响下自由分布；通过控制VAD喷灯流量来控制芯层和第一包层的厚度，分别在2.3～3.0μm之间和3.5～5.6μm之间；第二包层的厚度在9.4～12.3μm之间；通过控制拉丝速度、滴头温度等将光纤直径控制在80μm±5μm；保证两层涂覆树脂的厚度分别约为20和10μm；最终成品光纤直径在140±5μm；通过树脂和固化条件的控制使得第一涂层14和第二涂层15的杨氏模量分别约为1.2MPa和760MPa，弹性模量分别为1.1MPa和1400MPa。此光纤的剖面形状可用图3表示。本实施例得到的几种典型光纤的几何参数及其性能见表2-1和表2-2。
表2-1实施例2中几种典型光纤的几何参数和光学性能

表2-2实施例2中几种典型光纤在不同波长下的弯曲损耗

*为采用IEC标准G650光纤弯曲性能测量法测得，弯曲半径取7.5mm。
实施例3通过在芯层SiO2中掺杂Ge的方法使在632.8nm波长下Δ1在0.43％～0.63％之间，使Δ2在0.03％～0.07％之间；通过控制VAD喷灯流量来控制芯层和第一包层的厚度分别在2.5～2.7μm之间和4.0～6.5μm之间；第二包层的厚度在8.8～11.5μm之间；通过控制拉丝速度、滴头温度等将光纤直径控制在80μm±5μm；保证两层涂覆树脂的厚度分别约为20和10μm；最终成品光纤直径在140±5μm；通过树脂和固化条件的控制使得第一涂层14和第二涂层15的杨氏模量分别约为1.2MPa和760MPa，弹性模量分别为1.1MPa和1400MPa。此光纤的剖面形状可用图4表示。本实施例得到的几种典型光纤的几何参数及其性能见表3-1和表3-2。
表3-1实施例3中几种典型光纤的几何参数和光学性能

表3-2实施例3中几种典型光纤在不同波长下的弯曲损耗

*为采用IEC标准G650光纤弯曲性能测量法测得，弯曲半径取7.5mm。
由上可知，本实施例中光纤在弯曲半径为7.5mm时，其附加损耗远远小于标准上限0.05dB/km，也即本实施例光纤的允许弯曲半径可达7.5mm，在目前市场上处于领先地位(见表4)。
表4几家抗弯光纤的允许弯曲半径对比

此外，除满足低弯损性能外，为确保制造的光纤为低水峰光纤，必须保证工艺参数满足公式(7)，同时，应在制造过程中尽可能的避免OH基团的混入。
测试表明，本实施例中提及的光纤，除符合上述性能外，光纤的其它参数如下所示，也即本发明光纤完全适用于1260～1625nm整个波段的WMD传输。
本发明光纤的其它特性衰减不均匀性在光纤后向散射曲线上，任意500m长度上的实测衰减值与全长上平均500m的衰减值之差的最大值不大于0.05dB波长附加衰减1285-1330nm波长附加衰减系数≤0.05dB/km1525-1575nm波长附加衰减系数≤0.05dB/km衰减两端差双向测试取平均值≤0.05dB/km色散特性零色散波长范围(λ。)1300-1324nm零色散斜率(S。)≤0.092ps/nm2.km1285-1330nm波长范围色散系数绝对值 ≤3.4ps/nm.km1550nm波长范围色散系数绝对值≤17.5ps/nm.km偏振模色散(PMD)≤0.15ps/km1/2@1550nm截止波长光纤截止波长(λc)1180-1330nm成缆光纤截止波长(λcc)≤1260nm使用工作波长1310-1625nm需要特别指出的是，上述实施例的方式仅限于描述实施例，但本发明不只局限于上述方式，且本领域的技术人员据此可在不脱离本发明的范围内，容易的进行各种修饰。
权利要求1.一种低弯曲损耗的超细低水峰光纤，该光纤由折射率相对较高的芯层石英玻璃区，分布在芯层区周边折射率相对较低的第一和第二石英玻璃包层区，以及包围在以上玻璃区外的内外两个树脂涂层构成，所述的光纤具有以下特征零色散波长在1300～1324nm之间；通过2米法测量的光纤截至波长在1180～1330nm之间；通过22米法测量的光缆截至波长小于1260nm；在1550nm波长下的色散系数小于17.5ps/nm/km；在1285～1625nm波长范围内的传输损耗不超过0.40dB；在1383nm波长下的传输损耗不超过在1310nm下的传输损耗；在1550nm波长下的偏振模色散(PMD)不超过0.15ps/km1/2；零色散斜率系数不超过0.092ps/(nm2·km)；其特征在于芯层和第二包层石英玻璃折射率差在0.39％～0.63％之间；第一包层和第二包层石英玻璃的折射率差在-0.07％～0.07％之间；在1310nm波长下模场直径为5.5～6.5μm；按照IEC G.650光纤弯曲性能标准测量法进行测量，当弯曲半径7.5mm时，附加弯曲损耗不超过0.05dB/km。
2.如权利要求1所述的一种低弯曲损耗的超细低水峰光纤，其特征在于裸光纤的直径在75～85μm之间，第一层涂覆树脂的厚度约20μm，杨氏模量为1.2MPa，弹性模量为1400MPa；第二层树脂的厚度约10μm之间，杨氏模量为760MPa，弹性模量为1.1MPa；成品光纤的直径为140±5μm。
3.如权利要求1所述的一种低弯曲损耗的超细低水峰光纤，其特征在于芯层区和第一包层区的折射率分布呈特定的函数分布；靠近纤芯部分的芯层折射率可用直线方程来模拟，斜率在0.0003～0.0005之间，靠近第一包层部分的芯层区折射率可用幂函数来模拟，幂指数在-8～-7之间；第-包层折射率也可以用幂函数来模拟，其幂指数在-0.03～-0.01之间；芯层厚度在2.3～3.2μm之间；第一包层厚度在2.5～6.5μm之间；第二包层厚度在8.5～12.3μm之间；第一包层和第二包层的厚度之和不小于芯层厚度的3.7倍。
专利摘要一种低弯曲损耗的超细低水峰光纤，涉及一种光纤，特别是低弯曲损耗的超细的低水峰光纤，其在1285～1625nm整个波段内适用于波分复用(WDM)传输。本实用新型公开了一种低弯曲损耗的超细的低水峰单模光纤，该光纤由掺杂的石英玻璃芯、石英玻璃包层和内外两层树脂构成，光纤的芯层折射率可在1.4629～1.4664之间，芯层厚度可在2.3～3.2μm之间；第一包层的折射率可在1.4562～1.4582之间，厚度可在2.5～6.5μm之间；第二包层为纯石英玻璃，其厚度可在8.5～12.3μm之间。本实用新型的光纤除具备优异的抗弯性能外，更具有超细尺寸的显著特点，其裸光纤的直径约80μm，涂覆树脂后光纤约为140μm。
文档编号G02B6/02GK2927080SQ20062010459
公开日2007年7月25日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者张立永, 李群星, 黄晓鹏, 卢卫民, 吴兴坤 申请人:杭州富通通信技术股份有限公司