一种抗弯曲单模光纤的制作方法

本发明涉及一种用于光通信传输系统的抗弯曲单模光纤，该光纤具有优异的抗弯曲性能，属于光通信接入网技术领域。

背景技术：

随着光纤传输技术的不断发展，光纤到户和光纤到桌面已经成通信接入网网络建设的重要发展方向。作为传输媒介的光纤在其中扮演至关重要的角色。由于在实际fttx光纤线路铺设和配置过程中，经常需要在室内及狭窄环境下对光纤进行各种操作,如墙角直角拐角处安装，将光纤缠绕在越来越小型化的存储盒中来处理光纤冗长，因此需要设计开发具有优异抗弯曲性能的光纤，以满足fttx网络敷设和器件小型化的要求，在抗弯曲g.657系列光纤中，满足最小弯曲半径为10mm的g.657.a1光纤应用于长程网(long-haulnetworks)；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(metronetworks)和ftth(光纤到户)；g.657.b3光纤满足最小5mm弯曲半径下的使用条件，主要在fttd(光纤到桌面)和全光网络的使用。

按照itu-t的规定和g.657.b3光纤具体的使用环境和条件，g.657.b3光纤基本使用于短距离的通信传输中，其更注重小弯曲半径(最小弯曲半径5.0mm)下的宏观弯曲性能，不强制要求兼容g.652.d标准。2012年9月itu-tg.657最新修订版本中，b类光纤逐渐向兼容g.652光纤的方向发展，这将更有利于g.657光纤的推广和使用。因此在设计抗弯曲光纤的同时，必须考虑与传统g.652兼容。

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值定义为模场直径与截止波长的比值，mac值越小，则光纤的弯曲性能就越好，显然，降低模场直径，增加光纤截止波长能达到降低mac值的目的，从而得到较好的弯曲性能。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，并且限制到了入纤功率。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。因此仅仅依靠降低光纤mac值的方法提高弯曲性能效果有限，特别是很难降低小弯曲半径下的弯曲损耗。

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的方法是采用下陷内包层的设计，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。但是下陷包层的优化设计，只能在一定程度上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10mm时，很难利用下陷内包层的方法制备出具有较低弯曲损耗的光纤。

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。在对下陷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，而过浅，过宽不能降低小的弯曲半径下的弯曲损耗；过深，过宽，则可能影响光纤的截止波长和色散性能。为了使得光纤在小和大的弯曲半径下均有较低的损耗，下陷包层的宽度和深度合理设计非常重要。

在下陷包层结构的弯曲不敏感光纤中，另一个影响光纤在弯曲条件下宏观弯曲性能的因素是光纤芯包层的直径比，较小的芯层/包层直径比是有利于提高光纤弯曲性能。但是较小的芯层/包层直径比往往也会影响光纤的mfd和色散性能，并且在拉丝过程中为匹配黏度和应力也更加困难，所以适宜芯层/包层直径比也是抗弯曲光纤剖面设计需要考虑的一个重点。

中国专利cn105334570描述了一种弯曲不敏感单模光纤，芯层采用α分布，并设置了下陷包层。但是可以发现其芯层直径较大，下陷包层深度较浅，只能支持最小10mm的弯曲半径下应用需求，1550nm波长处10mm弯曲半径下典型的损耗为0.3db，可以预见在更小的弯曲半径下将会产生大的弯曲损耗，这限制了其应用场景，不能满足室内复杂条件下的布线及其小型化器件需求。

中国专利cn200710096317.x描述了一种弯曲不敏感单模光纤，设置有两层下陷包层，第一下陷包层掺氟较深，第二下陷包层掺氟较浅，这两层下陷包层之间设置有中间包层。利用该结构以降低弯曲损耗，同时制备的光纤也符合g.652标准，但是其典型的只适合7.5mm弯曲半径下使用需求，该专利中并没有给出5.0mm弯曲半径的弯曲损耗实施例和具体参数。同时可以看到折射率剖面的中间包层的半径在18um-20um，而掺氟的第二下陷包层更宽，达到25um-40um，掺氟层在光纤中的占比明显较高，设计的多层下陷包层和中间包层结构复杂，不利于其大规模生产和实际应用。

随着fttx不断发展，未来接入网系统对光纤提出了新的挑战，入户环境复杂，不同大小的半径的弯曲情况都会出现，因此在设计光纤时需同时考虑到小弯曲半径和大的弯曲半径下的损耗问题。下一代pon长波长窗口使用不可避免(1570nm，甚至1610nm)，需保证在小的弯曲半径光纤网络畅通，因此光纤在长波长出的抗弯曲性能也很重要。

技术实现要素：

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

预制棒：是由芯层和包层组成的径向折射率分布符合光纤设计要求可直接拉制成所设计光纤的玻璃棒或组合体；

芯棒：含有芯层和部分包层的实心玻璃预制件；

半径：该层外边界与中心点之间的距离；

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：ni和n0分别为各对应光纤各部分的折射率和外包层纯二氧化硅玻璃的折射率；

芯层折射率满足幂指数分布：

其中，n0为芯层中心位置的折射率，r为距离中心位置的距离，a为光纤芯层的半径，δ0为纤芯中心位置与外包层纯二氧化硅的玻璃的折射率；

氟(f)的贡献量：掺氟(f)石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值(δf)，以此来表示掺氟(f)量；

锗(ge)的贡献量：掺锗(ge)石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差值(δge)，以此来表示掺锗(ge)量；

掺锗可以提高二氧化硅的折射率，掺氟可以降低二氧化硅的折射率；

衬管(tube)：管状的基底管，符合一定几何要求的纯石英玻璃管；

pcvd工艺：用等离子体化学气相沉积工艺制备所需要厚度的石英玻璃；

ovd工艺：用外部气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；

vad工艺：用轴向气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；

apvd外包工艺：用高频等离子体火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；

光纤的玻璃部分指光纤中不含涂覆层的玻璃丝；

光纤的色散指的材料色散和波导色散的总和；

宏弯附加损耗测试方法参考iec60793-1-47中规定的方法。

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提出了一种剖面结构优化的抗弯曲单模光纤，该光纤在较小的弯曲半径下具有很低的弯曲损耗，同时也增强了长波长处光纤的抗弯性能。

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，其特征在于所述的芯层折射率为抛物线分布，分布指数α在2.2～2.5，芯层直径2r1为7.2μm～8.2μm，芯层最高点相对折射率差δ1max为0.360％～0.450％，所述的包层从内至外包括内包层、下陷包层、辅助下陷包层和外包层，其中内包层包绕芯层，下陷包层包绕内包层，辅助下陷包层包绕下陷包层，外包层包绕辅助下陷包层，所述的内包层直径2r2为16.0μm～19.0μm，相对折射率差δ2为-0.06％～0.00％，所述的下陷包层直径2r3为29.0μm～34.0μm，相对折射率差δ3为-0.30％～-0.50％，所述的辅助下陷包层直径2r4为34.0～48.0um，相对折射率差δ4为-0.14％～-0.08％，所述的外包层为纯二氧化硅外包层。

按上述方案，所述的芯层为锗和氟共掺的二氧化硅玻璃层，其中氟掺杂浓度不变，锗掺杂浓度随半径增大而递减获得抛物线分布的折射率。

按上述方案，所述的光纤内包层为锗和氟共掺的二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的下陷包层和辅助下陷包层为掺氟的二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述光纤在1310nm波长处的模场直径为8.2～9.0um。

按上述方案，所述光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。

按上述方案，所述光纤具有1300～1324nm的零色散波长。

按上述方案，所述光纤在1550nm波长处，对于围绕10mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.02db；对于围7.5mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.06db；对于围绕5.0mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.13db。

按上述方案，所述光纤在1625nm波长处，对于围绕10mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.05db；对于围绕7.5mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.17db；对于围绕5.0mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.30db。

按上述方案，所述光纤在10mm、7.5mm、5.0mm弯曲半径下绕1圈，1625nm与1550nm波长处附加损耗比值小于等于2.8，优选条件小于等于2.5。

本发明的有益效果在于：1.设计了双下陷包层结构的光纤，一个较深的下陷包层匹配一个较浅的下陷包层，通过优化两层下陷包层折射率深度和宽度，在保证光纤截止波长和色散特性的情况下，较好的限制了弯曲状态下基模泄露情况，使得光纤在小弯曲半径和大弯曲半径下均有较好的弯曲性能，且光纤在长波长处的抗弯曲性能也较好，满足下一代pon向长波长演进的升级需求；2.芯层折射率剖面采用抛物线分布，降低了弯曲状态下折射率剖面畸变程度，进一步增加了光纤的抗弯曲性能；3.芯层和内包层为锗和氟共掺的二氧化硅玻璃，且芯层掺锗浓度呈现抛物线渐变，进一步优化了芯包粘度匹配，减小了拉丝过程中缺陷的产生，增强了光纤的机械可靠性；4.本发明的光纤在5mm，7.5mm以及10.0mm的弯曲半径下均具有较低的弯曲损耗，兼顾了小弯曲半径和大弯曲半径使用条件，满足接入网复杂的布线环境和一些小型化光器件的需求；5.本发明优选光纤在满足g.657.a/b的同时，兼容g.652光纤。

附图说明

图1为本发明一个实施例的光纤折射率剖面示意图。

图2为本发明一个实施例的光纤径向截面结构示意图。

图3是本发明的光纤不同波长处的弯曲损耗曲线图。

具体实施方式

下面将给出详细的实施例，对本发明作进一步说明。

光纤包括纤芯层、内包层、下陷包层、辅助下陷包层以及外包层，所述的芯层折射率为抛物线分布，分布指数为α，芯层直径为2r1，芯层最高点相对折射率差为δ1max，所述的内包层直径为2r2，相对折射率差为δ2，所述的下陷包层直径为2r3，相对折射率差为δ3，所述的辅助下陷包层直径为2r4，相对折射率差为δ4，所述的外包层100为纯二氧化硅外包层，直径为125μm。

按照上述抗弯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，通过气相沉积等芯棒制造工艺来制造芯棒，通过ovd等外包工艺来完成整个预制棒的制造。在实施例中分布指数α为2.4，光纤的折射率剖面结构的主要参数如表1所示，所制备光纤的部分主要性能参数如表2所示。

表1：光纤折射率剖面参数

表2：光纤的主要性能参数