专利名称：一种弯曲不敏感单模光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种接入网用的单模光纤，该光纤具有优异的抗弯曲性能和适中的有效面积，属于光纤通信传输领域。
背景技术：
近年来光纤到户和光纤到路边(FTTx)已逐渐成为光纤网络建设的热点，人们对各种可能用于FTTx领域的光纤进行了深入的研究。目前在接入网使用较广的是单模光纤， 且随着低水峰单模光纤的广泛使用，具备弯曲不敏感性能的低水峰光纤逐渐受到重视。现有常规的低水峰光纤(符合ITU-T G.652C/D)弯曲半径一般为30mm，在室内及狭窄环境下的布线受到很大限制。与长距离传输应用相比，室内及狭窄环境下的光纤将经受较高的弯曲应力，特别是在使用时光纤常常缠绕在越来越小型化的存储盒中，将承受更大的弯曲应力，因此需要设计开发具有优异抗弯曲性能的光纤，以满足FTTx网络铺设和器件小型化的要求。2009年11月和2010年6月，ITU-T先后2次修改弯曲不敏感的G. 657光纤标准并增加了在小弯曲半径下光纤寿命性能的研究报告，(“Characteristics of a bending loss insensitive single mode optical fibre and cable for the access network，，and Amendment I Revised Appendix I-Lifetime expectation in case of smal I radius bending of single-mode fibre)。这两次修改基本明确了不同弯曲半径使用环境下， G. 657A1/A2光纤和G. 657. B3光纤不同应用目标，其中满足最小弯曲半径为IOmm的G. 657. Al光纤应用于长程网(Long-haul networks) ；G. 657. A2光纤满足最小7. 5mm弯曲半径条件下的应用，主要使用于城域网(Metro networks)和FTTH(光纤到户)；G. 657. B3光纤满足最小5_弯曲半径下的使用条件，主要在FTTd(光纤到桌面)和全光网络的应用，以室内光纤/光缆的方式使用，并强调了光纤在弯曲条件下使用寿命的问题。从技术角度来讲，G. 657光纤完全兼容G. 652光纤,其具有优异宏观弯曲和微观弯曲性能，可以完全取代现在大量使用的G. 652光纤。目前G. 657光纤的应用主要受限于较高的光纤成本和更好的弯曲性能以及其对G. 652光纤兼容性的矛盾。因此，在能够完全向下兼容G. 652光纤标准的条件下，开发具有更好弯曲性能的G. 657光纤和降低G. 657光纤生产制造成本对推动G. 657光纤以及光纤接入技术的发展具有十分重要的意义。经过多年的研究，各国科研人员发现光纤的模场直径和截止波长对光纤的宏观弯曲损耗起主要作用，MAC值可以定性的衡量光纤的弯曲性能，其中MAC定义为模场直径与截止波长的比值。MAC越小，则光纤的弯曲性能越好，显然，降低模场直径，增大光纤截止波长能达到降低MAC的目的，从而得到较好的弯曲性能。专利US2007007016A1、CN1971321A 和CN1942793A就是采用的此类方法。但是，光纤模场直径过小，则在它与常规单模光纤连接时会带来较大的接续损耗，并且限制了入纤功率。同时，考虑到FTTx的多业务特点，希望能使用全波段进行传输，光缆截止波长必须小于1260nm，因此光纤的截止波长增大的空间非常有限。从光纤总体设计的角度考虑，合理优化光纤剖面结构，在保证光纤基本参数符合 ITU-T和IEC相关标准，光纤接入性能稳定的基础上，得到一个合适的MAC值，达到光纤最佳的弯曲不敏感性能，是G. 657光纤研究发展的一个重要方向。相对于普通的单模光纤剖面结构，提高光纤弯曲性能的另一个有效方法是采用下陷内包层的设计，如US5032001、US7043125B2和CN176680就是采用的是下陷内包层设计， 通过下陷内包层设计可在不增加芯层掺杂的情况下增加光纤的数值孔径(NA)，可避免增加掺杂引起的衰减增加。但是下陷内包层的优化设计，只能一定程度上的改善光纤在大弯曲半径下的宏弯性能。当光纤的弯曲半径小于或等于IOmm时，很难利用下陷内包层的方法制备出符合G. 657. A2标准的弯曲不敏感光纤。通过进一步研究发现，提高光纤抗弯曲性能最为有效的方法是采用下陷外包层结构设计光纤剖面(见图I)，其基本波导结构在专利 US4852968中已有所描述，专利US6535679B2及CN1982928A也采用了同类设计。但以上所有专利均只考虑如何降低弯曲附加损耗，均没有结合具体应用考虑小弯曲半径下光纤的长期使用寿命，也未明确说明根据其说明制造的光纤是否满足并优于G. 657. B3标准中最小 5mm弯曲半径的相关要求。在对下陷外包层结构光纤的研究发现，下陷外包层在光纤剖面中的深度和宽度也存在一定要求限制下陷外包层过浅，过窄，不能带来良好的弯曲不敏感性能；过深，过宽，则可能影响光纤截止波长和色散性能。需要注意的是，最近的研究表明在光纤链路尤其是FTTx链路中，由于多点弯曲和连接头的存在，光纤中会出现多径干扰的现象(MPI :Multi_Path Interference),David. Zhen 等人在 2009 年的 0FC/NF0EC( “Testing MPI Threshold in Bend Insensitive Fiber Using Coherent Peak-To-Peak Power Method”)中介绍了测试MPI的方法。尤其是在外下陷包层的光纤设计中，如下陷包层与芯层太近，一旦光纤接头处出现芯层的偏移就容易产生多径干扰，如下陷包层与芯层太远， 又达不到降低光纤弯曲附加损耗的作用，因而需要对下陷包层进行精确定位。所以合理设计光纤剖面，在芯层，包层和下陷外包层折射率剖面结构中，取得一个良好的平衡，是G. 657 光纤研究中的一个重点和难点。G. 657光纤的制造成本主要受原材料价格和设备制造效率影响，而目前典型的 G. 657光纤预制棒制造方法有四种改进的化学气相沉积法(MCVD)、等离子体化学气相沉积法(PCVD)、管外气相沉积法(OVD)和轴向气相沉积法(VAD)。其中MCVD和PCVD的方法属于管内沉积法，在沉积下陷外包层时，因为受到衬管尺寸的限制，预制棒的尺寸一般很难做到直径大于100mm，中国公开专利CN 101585658A就是通过增加一个小套管才能实现大尺寸的预制棒，同时管内法的沉积速率较低，沉积厚度过大，则明显会影响设备效率，提高光纤成本。另一方面，PCVD和MCVD等管内法工艺与OVD和VAD等管外沉积法相比较而言，其优势在于可以实现较深的掺氟，同时掺氟深度的径向及轴向均匀性好。对于OVD和VAD工艺，因为其属于外部沉积法，相比而言，其优势在于沉积速率较高，尺寸不受管材的限制。但是如果要在沉积芯层和内包层过程中制造掺氟包层，不仅工艺控制上有难度，而且在烧结过程中由于氟的扩散，很难对折射率剖面进行有效控制，能用于实际生产的方法是先沉积具有一定包层厚度的芯棒，经脱水烧结后再在玻璃芯棒上沉积掺氟包层。也可采用沉积过程直接掺氟或在烧结中掺氟，如美国专利5895515和美国专利4579571中就分别介绍了这两种方法，但由于OVD和VAD均属于火焰(H2/02)水解方法,在玻璃芯棒上沉积掺氟层时,将不得不直接暴露在氢/氧焰(H2A)2)中，&/02焰产生的大量羟基会向芯层中扩散致使所拉光纤水峰衰减的增加，因而需要玻璃芯棒中的包层足够厚以阻挡羟基向内的扩散。但一旦沉积的包层过厚，形成的掺氟包层因为远离芯层又起不到提高所拉光纤弯曲性能的作用。而且OVD和VAD工艺较难实现较深的掺氟，同时掺氟深度的径向和轴向均匀性都相对较差。 在以上四种光纤预制棒的制造中，对芯层部分的沉积要求是最严格的，需要精密的控制芯层折射率剖面和材料的均匀性；对下陷外包层部分的沉积，较其他部分需要更多的氟掺杂， 从工艺控制和成本角度上也较正常的内包层或外包层更加严格和昂贵。
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Λ ni = Iii-Iv Iii和nQ分别为各对应光纤各部分和纯二氧化硅玻璃折射率。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 ΔΡ = nF-n0 ,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nGe-n0，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工艺将芯棒插入套管中组成光纤预制棒；OVD外包沉积工艺用外部气相沉积和烧结工艺在芯棒表面制备需要厚度的SiO2 玻璃；VAD外包沉积工艺用轴向气相沉积和烧结工艺在芯棒表面制备需要厚度的SiO2 玻璃；APVD外包工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SiO2玻璃；Ο/Si比通入反应区的氧气(O2)与四氯化硅(SiCl4)的摩尔比。本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种弯曲不敏感单模光纤，它通过优化光纤剖面，不仅具有更低的弯曲附加损耗，稳定的机械性能和均匀的材料组成，而且能在保持有效模场直径和弯曲性能的基础上，适当的减小光纤内包层和下陷外包层的直径，从而降低光纤预制棒及光纤的制造成本。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，其特征在于芯层直径a为7. O 7. 9微米，芯层相对折射率差 Δ i为4. 6X 10 3 6. OX 10 3，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷外包层和外包层， 内包层直径b为15 17微米，内包层相对折射率差八2为-3父10_4 3父10_4，下陷外包层直径c为24 33微米，下陷外包层相对折射率差Λ 3为-2. 9Χ 10_3 -7. 3Χ 10_3，且相对折射率差A3呈梯度变化，从外至内逐渐增大，最外界面处相对折射率差A32小于最内界面处相对折射率差八31。按上述方案，在下陷外包层外包覆外包层，外包层直径d为125±0. 7微米，外包层的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率。按上述方案，所述的芯层为掺锗(Ge)和氟(F)的石英玻璃层，材料组分为 SiO2-GeO2-F-Cl,其中氟(F)的贡献量 AF 为 1Χ1(Γ3 1.6X10_3。
按上述方案，所述的内包层为掺锗(Ge)和氟(F)的石英玻璃层，材料组分为 SiO2-GeO2-F-Cl,内包层从最外界面31至最内界面21，掺氟F和掺锗逐渐连续增加，呈梯度变化，在最外界面31处(内包层沉积开始点)氟(F)的贡献量AF为1.2X10_3 1·6Χ10_3，在最内界面21处(内包层沉积结束点)氟(F)的贡献量AF为2·1Χ10_3 2. 4Χ1(Γ3。按上述方案，所述的光纤在1310纳米(nm)波长处的模场直径为8. 2 9. 2微米，零色散波长为1302 1324nm，光纤在零色散波长处的色散斜率小于或等于O. 092ps/
nm2 氺 km。按上述方案，所述的光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于O. 354dB/km, 1383nm波长处的衰减系数(氢老化后)小于或等于O. 354dB/km，1550nm波长处的衰减系数小于或等于O. 224dB/km, 1625nm波长处的衰减系数低于O. 234dB/km,在1675nm波长处的衰减系数小于或等于O. 284dB/km。按上述方案，所述的光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。按上述方案，在1625nm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O. 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O. 2dB ;对于围绕7. 5毫米弯曲半径绕I圈弯曲附加损耗小于或等于I. OdB ;在150nm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O. 03dB ;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O. IdB ;对于围绕7. 5毫米弯曲半径绕I圈弯曲附加损耗小于或等于O. 5dB。本发明的制造方法包括以下步骤将纯石英玻璃衬管安装在等离子体增强化学气相沉积(PCVD)车床上，通入反应气体进行加工；在反应气体四氯化硅(SiCl4)和氧气(O2)中，通入含氟气体，含氟气体为C2F6、CF4、 SiF4, SF6的任意一种或多种，以进行氟(F)掺杂，通入四氯化锗(GeCl4)以进行锗(Ge)掺杂；通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁；根据上述掺杂的要求，适时改变混合气体中掺杂气体的流量,依次沉积下陷外包层、内包层和芯层；沉积完成后，用电加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒，以纯石英玻璃为套管采用RIT 工艺制得预制棒，或采用OVD或VAD或APVD外包沉积工艺制备外包层制得预制棒；将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤，在光纤表面涂覆内外两层紫外固化的聚丙稀酸树脂涂层即成。本发明提出了一种具有功能梯度材料组成和结构的光纤，包括芯层、功能梯度结构的内包层、下陷外包层以及外包层，其特点为下陷外包层为掺氟(F)的石英玻璃，具有最低的折射率和最低的模量，在提高光纤抗弯曲性能的同时，可缓冲因掺锗(Ge)芯层具有高的热膨胀系数而导致在光纤表面产生张应力而影响光纤的机械性能，以使光纤芯层区域形成压应力，使光纤在弯曲过程中因弯曲所引起的附加应力不会轻易传递到芯层区域而引起衰减的增加；内包层和芯层为掺氟F和掺锗(Ge)的石英玻璃，确保光纤具有G. 652. D光纤的光学性能，其中芯层和内包层的界面上粘度相近，以避免拉丝过程中在芯层/包层的界面上产生缺陷，且在内包层中，从外界面31至内界面21，掺氟(F)和掺锗(Ge)逐渐连续增加，呈梯度变化，使其膨胀系数逐渐增大以避免拉丝过程中产生残余应力。具体实现是通过掺氟(F)和掺锗(Ge)对石英玻璃在粘度和热膨胀系数上的差异来实现的。由于掺Cl 对石英玻璃的瑞利散射的影响甚弱，但Cl掺杂可增加石英玻璃的折射率和降低其粘度，因而在光纤的芯层和内包层中具有较高的Cl含量，可减少掺Ge量来降低光纤的衰减系数， 但其含量又不能太高，否则易形成气泡；而在外下陷包层中则低Cl含量可减少掺F量以避免该部分的粘度过低。对于PCVD工艺，Cl含量主要由炉温和反应气体的Ο/Si比确定的 Cl含量随炉温的升高而降低，随Ο/Si的增大而降低。在沉积外下陷包层时，将炉温控制在 1080-1150。。，Ο/Si比为3. 0-3. 5，使Cl的含量小于2000ppm ;在沉积内包层和芯层时，将炉温控制在 1000-1050°C, Ο/Si 比为 2. 2-2. 6，使 Cl 的含量为 3500_4200ppm。本发明的有益效果在于1、通过优化光纤剖面，使光纤不仅具有更低的弯曲附加损耗，而且具有稳定的机械性能和均匀的材料组成；2、光纤剖面结构的优化，在保持有效模场直径和弯曲性能的基础上，减少了芯层以及下陷外包层在光纤截面中的比重，也就直接减少了光纤预制棒制造中最核心、精密和复杂部分的沉积加工量，由此降低了工艺控制难度，提高了光纤预制棒的加工效率，从而降低了光纤的制造成本；3、本发明的光纤在满足 G. 657. A2/B3标准的同时，各项指标仍满足G. 652. D标准，与普通G. 652. D光纤具有很好的兼容性，可满足接入网网络铺设和器件小型化的要求，同时，还可确保光纤在长波长的使用 (1625-1675nm)。从而为G. 657光纤的大规模应用打下一个良好的基础，以满足接入网的应用需要。
图I是本发明光纤的截面及折射率剖面示意图。图2为200微米外径G. 657. A2光纤与250微米外径G. 652. D光纤的微弯性能比较。
具体实施例方式下面将结合附图给出详细的实施例。实施例一包括有芯层和包层，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷外包层和外包层， 下陷外包层相对折射率差A3呈梯度变化，从外至内逐渐增大，最外界面32处相对折射率差A32小于最内界面31处相对折射率差Λ31。在下陷外包层外包覆外包层，外包层直径d 为125微米，外包层的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率。芯层和内包层为掺锗(Ge)和氟(F)的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl, 内包层从最外界面31至最内界面21，掺氟F和掺锗逐渐连续增加，呈梯度变化，在最外界面 31处(内包层沉积开始点)氟(F)的贡献量AF为1.2父10_3 1.6父10_3，在最内界面21 处(内包层沉积结束点)氟(F)的贡献量AF为2· IX 10_3 2· 4X 10_3。对于掺氟(F)和掺锗(Ge)石英玻璃，氟和锗均降低石英玻璃的粘度，但影响的幅度有差异，即在引起相同折射率差时，氟对粘度的影响是锗的3倍。经系统研究，要使芯/包粘度匹配，需要满足
权利要求
1.一种弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层直径a为7. O 7.9微米，芯层相对折射率差A1S 4. 6X 10_3 6.0X 10_3，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷外包层和外包层，内包层直径b为15 17微米，内包层相对折射率差A2 为-3X 10_4 3 X 10_4，下陷外包层直径c为24 33微米，下陷外包层相对折射率差Λ 3 为-2. 9 X 10_3 -7. 3 X 10_3，且相对折射率差Λ 3呈梯度变化，从外至内逐渐增大，最外界面处相对折射率差A32小于最内界面处相对折射率差八31。
2.按权利要求I所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于在下陷外包层外包覆外包层，外包层直径d为125 ± O. 7微米，外包层的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率。
3.按权利要求I或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的芯层为掺锗和氟的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl,其中氟的贡献量AF为1X10-3 I. 6X10-3。
4.按权利要求3所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的内包层为掺锗和氟的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl,内包层从最外界面至最内界面，掺氟和掺锗逐渐连续增加，呈梯度变化，在最外界面处氟的贡献量Λ F为I. 2 X 10_3 I. 6 X 10_3，在最内界面处氟的贡献量AF为2. I X Kr3 2.4Χ10-3。
5.按权利要求I或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤在1310纳米波长处的模场直径为8. 2 9. 2微米，零色散波长为1302 1324nm，光纤在零色散波长处的色散斜率小于或等于O. 092ps/nm2*km。
6.按权利要求I或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于O. 354dB/km, 1383nm波长处的衰减系数小于或等于O. 354dB/ km, 1550nm波长处的衰减系数小于或等于O. 224dB/km, 1625nm波长处的衰减系数低于O.234dB/km,在1675nm波长处的衰减系数小于或等于O. 284dB/km。
7.按权利要求I或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。
8.按权利要求I或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤在1625nm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O. 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O. 2dB ;对于围绕7. 5毫米弯曲半径绕I圈弯曲附加损耗小于或等于I. OdB ;在150nm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O. 03dB ;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O. IdB ； 对于围绕7. 5毫米弯曲半径绕I圈弯曲附加损耗小于或等于O. 5dB。
9.按权利要求I或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤表面涂覆内外两层紫外固化的聚丙稀酸树脂，光纤涂覆第一层涂层后直径为153 165微米，第二层涂覆后光纤直径为190-210微米。
全文摘要
本发明涉及一种弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，芯层直径为7.0～7.9微米，芯层相对折射率差Δ1为4.6×10-3～6.0×10-3，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷外包层和外包层，内包层直径为15～17微米，内包层相对折射率差Δ2为-3×10-4～3×10-4，下陷外包层直径为24～33微米，下陷外包层相对折射率差Δ3为-2.9×10-3～-7.3×10-3，且相对折射率差Δ3呈梯度变化，从外至内逐渐增大，最外界面处相对折射率差Δ32小于最内界面处相对折射率差Δ31。本发明通过优化光纤剖面，不仅具有更低的弯曲附加损耗，稳定的机械性能和均匀的材料组成，而且能在保持有效模场直径和弯曲性能的基础上，减小光纤内包层和下陷外包层的直径，从而降低光纤的制造成本。
文档编号G02B6/036GK102590933SQ20121000678
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者吴仪温, 张磊, 张金燕, 拉吉·马泰, 王瑞春, 郭浩林 申请人:长飞光纤光缆有限公司