专利名称：：一种单模光纤及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于接入网或长波长可用的单模光纤及其制造方法，该光纤具有优异的抗弯曲性能和适中的有效面积，属于光通信
技术领域：
。
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。由于目前接入网用得较多的是单模光纤，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。常规的低水峰光纤(符合ITU-TG.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，光纤经受较高的弯曲应力，特别是在应用中过长的光纤通常缠绕在越来越小型化的存储盒中，光纤将承受极大的弯曲应力。因此需要设计开发具有抗弯曲性能的光纤，以满足FTTx网络铺设和器件小型化的要求。此外，2006年12月，ITU-T通过了新的光纤标准(G.657光纤)《接入网使用的弯曲损耗不敏感的单模光纤和光缆的特性》("Characteristicsofabendinglossinsensitivesinglemodeopticalfibreandcablefortheaccessnetwork")。因而开发抗弯曲单模光纤对推动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，已经知道光纤的模场直径和截止波长对光纤的宏弯损耗起主要作用，MAC值可以衡量光纤的弯曲性能，其中MAC值定义为1550纳米波长处模场直径与截止波长的比值。MAC值越小，则光纤的弯曲性能越好。显然，降低模场直径，增大截止波长能达到降低MAC值的目的。实现该方法的措施是微调当前匹配包层单模光纤参数设计(见图1)，专利US2007/007016A1、CN1971321A和CN1942793A就是采用的此类方法。但模场直径如果过小，在它与常规单模光纤连接时会带来较大的接续损耗，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或等于1260nm，因此光纤的截止波长增大的空间非常有限。此外，增加数值孔径(NA)是通过提高掺杂实现的，高掺杂会引起衰减的增加，因而该方法存在一定的局限性。提高光纤弯曲性能的另一个有效方法是采用下陷包层的设计(见图2)，如US5032001、US7043125B2和CN176680就是采用的该设计，通过下陷包层设计可在不增加芯子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。但增加光纤抗弯曲性能最为有效的方法是采用外下陷包层设计(见图3)，其基本波导结构在专利US4852968中已有4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。此外，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，会出现多径干扰扰的现象(MPI:Multi-PathInterference),DavidZ.hen等人在2009年的OFC/NFOEC("TestingMPIThresholdinBendInsensitiveFiberUsingCoherentPeak-To-PeakPowerMethod")中介绍了观!l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。当光纤弯曲时，光纤外侧必然受到张应力的作用，其应力大小可用下列公式表示—五.,式中，E为石英玻璃的扬氏模量、R为弯曲半径、r为光纤的半径、Cth为涂覆层厚度。对于玻璃包层直径为125微米和外径为250微米的光纤，根据公式(1)可以计算光纤在不同的弯曲半径下所承受的应力如图4所示。由图4可知，当弯曲半径减小至6.5mm时，光纤弯曲外侧将承受0.69GPa(100kpsi)的张应力，已达到光纤的常用筛选张力。光纤弯曲引起的断裂一方面会发生在敷设过程中，将引起敷设成本的增加；更严重的是发生在使用过程中，这是因为光纤在张应力作用下，微裂纹会扩张并最终导致光纤的断裂，特别是在FTTx的应用中将大大增加维护成本和影响系统的可靠性。在光纤或预制棒中，为了实现所要求的折射率剖面，在折射率发生变化时，要求材料的组成作相应改变，因而其物理性质也将会有所不同，从而各层间将具有不同的热膨胀系数、热容和玻璃的转变温度。在拉丝工艺中，由于加热和冷却速度的不同，在光纤中势必会产生残余应力。对于因各层玻璃的软化温度的不同而在拉丝过程中所产生的应力相当于机械应力，该应力与拉丝张力成正比且属于暂时应力，通过调整拉丝工艺即可消除，如采用在拉丝塔上加保温炉和适当控制拉丝速度即可达到退火的目的。但由于各层的热膨胀系数不同所引起的热应力属于永久应力，却很难仅仅通过调整工艺优化退火来消除，必须从材料组成和结构设计方面来解决。对于光纤的寿命预测，在ITU-TG.657光纤标准的附录中已有简要介绍，光纤的使用寿命与光纤的抗疲劳参数有关，抗疲劳参数越高，在同等弯曲半径和存放长度下，光纤的机械可靠性就越高。因而，需要一种满足G.652和G.657标准规范的全固传输光纤，该光纤不仅需要具有较低的弯曲附加损耗，还应该具有稳定的机械性能和均匀的材料组成，以满足接入网的应用需要。
发明内容为方便介绍本
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-rii和nc分别为各对应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相对折射率差值(AF)，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以此来表示掺锗(Ge)量；套管符合一定几何和截面积要求的纯石英玻璃管；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Si02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Si02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Si02玻璃；0/Si比PCVD沉积过程中通入反应区的氧气(02)与四氯化硅(SiCl4)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材料组成和结构设计合理、光纤的机械可靠性高、使用寿命长的抗弯曲单模光纤及其制造方法。本发明单模光纤的技术方案为光纤包括有芯层、内包层、下陷包层和纯Si02玻璃外包层，其特征在于在芯层外依次设置内包层和下陷包层，所述的芯层由掺锗(Ge)和氟(F)的石英玻璃组成，芯层直径a为8.08.8微米，相对折射率差为0.350.38%，氟(F)的贡献量AF为-0.09±0.02%;所述的内包层由掺锗(Ge)和氟(F)的石英玻璃组成，内包层直径b为1821微米，相对折射率差&为0±0.02%，所述的下陷包层由掺氟(F)的石英玻璃组成，下陷包层直径c为2636微米，相对折射率差在下陷包层外界面(32)(外下陷包层沉积开始点)的厶32为-0.22%至-0.35%，在下陷包层内界面(31)(外下陷包层沉积结束点)的A31为-0.20%至-0.35%，且A32SA31。按上述方案，所述的惨锗(Ge)和氟(F)石英玻璃的材料组分为Si02-Ge02-F-Cl;所述的掺氟(F)石英玻璃的材料组分为Si02-F-Cl。氯(Cl)是由四氯化硅(SiCl4)、四氯化锗(GeCU)与氧气(02)发生反应生成Cl2所引入的，其含量的波动对光纤的性能影响不大，且在稳定的工艺条件下其含量的波动也不大，可不作要求和控制。按上述方案，所述的内包层从内包层外界面至内界面，掺氟和掺锗逐渐连续增加，呈梯度变化；所述的内包层外界面氟的贡献量AF为-0.10±0.01%，内包层内界面氟的贡献量AF为-0.16±0.01%。按上述方案，所述的内包层外界面(31)(内包层沉积开始点)氟(F)的贡献量厶F为-0.10±0.01%，内包层内界面(21)(内包层沉积结束点)氟(F)的贡献量&为-0.16±0.01%。按上述方案，所述的外包层直径d为78-126微米。按上述方案，光纤在1310纳米(nm)波长处的模场直径为8.59.3微米，零色散波长为13021322nm，光纤在零色散波长处的色散斜率小于或等于0.090ps/nm2.km。按上述方案，光纤在1310nm处的衰减系数小于或等于0.344dB/km，1383nm处的衰减系数(氢老化后)小于或等于0.334dB/km，1550nm处的衰减系数小于或等于0.214dB/km，1625nm处的衰减系数小于或等于0.224dB/km，在1675nm处的衰减系数小于或等于0.284dB/km。按上述方案，光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长；在1625纳米波长处，对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.2dB或甚至达到O.ldB及以下；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.5dB或甚至达到0.2dB及以下；对于围绕5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于l.OdB或甚至达到0.5dB及以下。本发明所述单模光纤制造方法的技术方案为将纯石英玻璃衬管固定在等离子体增强化学气相沉积(PCVD)车床上进行掺杂沉积，在反应气体四氯化硅(SiCU)和氧气(02)中，通入含氟的气体，引进氟(F)掺杂，通入四氯化锗(GeCU)以引入锗(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；根据所述光纤波导结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积下陷包层、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；以合成的石英玻璃为套管采用RIT工艺制得光纤预制棒，或采用OVD或VAD或APVD外包沉积工艺在实心芯棒外沉积外包层制得光纤预制棒；将光纤预制棒置于拉丝塔上拉丝成纤，在光纤表面涂覆内外两层紫外固化的聚丙稀酸树脂即成。按上述方案，所述的含氟气体为C2F6、CF4、SiF4、QF8和SF6的任意一种或多种。按上述方案，在沉积下陷包层时，将炉温控制在1080-1120。C，O/Si比为3.03.5，使Cl的含量小于2500ppm。按上述方案，在沉积内包层和芯层时，将炉温控制在1000-1050°C，O/Si比为2.22.6,使Cl的含量为3500-4200ppm。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，因而希望在光纤的芯层和内包层中具有较高的C1含量，从而可减少掺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希望降低Cl含量以减少掺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0/Si比确定的Cl含量随炉温的升高而降低，随0/Si的增大而降低。本发明的有益效果在于1、提出了一种具有功能梯度的材料组成和结构的光纤(如图5所示)，包括芯层、功能梯度结构的内包层、下陷包层以及外包层，其特点为下陷包层为掺氟的石英玻璃，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和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，从而有效提高光纤的机械性能和使用寿命；2、内包层和芯层为掺氟和掺锗的石英玻璃，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，从外至内，掺氟和掺锗逐渐连续增加，呈梯度变化(见图6)，使其膨胀系数逐渐增大以避免拉丝过程中产生残余应力，进一步增强光纤的机械性能3、本发明的光纤在满足&657.^标准的同时，各项指标仍满足G.652.D标准，与普通G.652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U625-1675nm)。图l是匹配包层光纤的折射率剖面示意图。图2是下陷包层光纤的折射率剖面示意图。图3是外下陷包层光纤的折射率剖面示意图。图4是光纤弯曲半径和引起的张应力的关系曲线图。图5是本发明光纤的截面和折射率剖面示意图。图6是本发明一个实施例的光纤折射率剖面及掺杂剖面示意图。具体实施例方式下面将给出详细的实施例，对本发明作进一步的说明。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三倍。经系统研究(参见QingrongHanetal.，"MaterialCompositionandStructureDesigninPCVDSilica-basedSingle-Modefiber",Proc.OfSP正Vol.6352635236-l8)，要使芯层/包层粘度匹配，需满足△F2"n-0.205*t。，其中Am和AF2分别为芯层和内包层中氟(F)的贡献量，AT。tal为芯层相对于内包层的相对折射率差。对于掺氟(F)和掺锗(Ge)石英玻璃的热膨胀系数，掺氟(F)降低石英玻璃的热膨胀系数，掺锗(Ge)增加石英玻璃的热膨胀系数。其热膨胀系数aSi02.Ge02.F(/°C)可以用以下公式计算aSi02.Ge02f(5+8.3AGe+2.3AF)xl(T7采用外下陷包层的结构设计，根据以上研究结果设计掺氟(F)量，在确定掺氟(F)量后，即可根据折射率剖面设计确定各部分的掺锗(Ge)量。按本发明中所述方法，制备外径为80mm的预制棒，采用单模光纤的双层涂覆材料和1300米/分钟的拉丝速度，光纤的结构和材料组成如表一所示。宏弯附加损耗测试方法参照IEC60793-1-47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1625nm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1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。为了准确评价光纤的机械性能，必须用可靠的方法来测试光纤的强度分布。筛选测试筛查出了裂纹较大的光纤，通过筛选测试的光纤必须经过进一步分析测试以发现和评价光纤的可靠性。按IEC60793-1-33，采用两点弯曲的方法测光纤的抗疲劳参数nd值。其中，两点弯曲的方法接近于实际应用，其结果有利于分析判断光纤的可弯曲半径。光纤的主要性能参数如表二所示。在表一所列实施例中，9和10相对于8的区别仅在于没有采用功能梯度的材料组成和结构的内包层设计。实验表明，采用功能梯度的材料组成和结构设计后，不仅光纤的衰减系数有所降低，光纤的抗疲劳参数也会增加。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表二光纤的主要性能参数<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>权利要求1、一种单模光纤，包括有芯层、内包层、下陷包层和纯SiO2玻璃外包层，其特征在于在芯层外依次设置内包层和下陷包层，所述的芯层由掺锗和氟的石英玻璃组成，芯层直径a为8.0～8.8微米，相对折射率差Δ1为0.35～0.38％，氟的贡献量ΔF为-0.09±0.02％；所述的内包层由掺锗和氟的石英玻璃组成，内包层直径b为18～21微米，相对折射率差Δ2为0±0.02％，所述的下陷包层由掺氟的石英玻璃组成，下陷包层直径c为26～36微米，相对折射率差在下陷包层外界面的Δ32为-0.22％至-0.35％，在下陷包层内界面的Δ31为-0.20％至-0.35％，且Δ32≤Δ31。2、按权利要求1所述的单模光纤，其特征在于所述的内包层从内包层外界面至内界面，掺氟和掺锗逐渐连续增加，呈梯度变化；所述的内包层外界面氟的贡献量/^为-0.10±0.01%，内包层内界面氟的贡献量^为-0.16±0.01%。3、按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述的掺锗和氟石英玻璃的材料组成为Si02-Ge02-F-Cl;所述的掺氟石英玻璃的材料组成为Si02-F-Cl。4、按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述的外包层直径d为78-126微米。5、按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于光纤在1310纳米波长处的模场直径为8.59.3微米，零色散波长为13021322nm，光纤在零色散波长处的色散斜率小于或等于0.090ps/nm2.km。6、按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于光纤在1310nm处的衰减系数小于或等于0.344dB/km，1383nm处的衰减系数小于或等于0.334dB/km，1550nm处的衰减系数小于或等于0.214dB/km，1625nm处的衰减系数低于0.224dB/km，在1675nm处的衰减系数小于或等于0.284dB/km。7、按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长；在1625nm波长处，对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.2dB;对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.5dB;对于围绕5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于l.OdB。8、一种按权利要求1所述单模光纤的制造方法，其特征在于将纯石英玻璃衬管固定在等离子体增强化学气相沉积车床上进行掺杂沉积，在反应气体四氯化硅和氧气中，通入含氟的气体，引进氟掺杂，通入四氯化锗以引入锗掺杂，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；根据所述光纤波导结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积下陷包层、内包层和芯层；沉积完成后，用电加热炉将沉积管熔縮成实心芯棒；以合成的石英玻璃为套管采用RIT工艺制得光纤预制棒，或采用OVD或VAD或APVD外包沉积工艺在实心芯棒外沉积外包层制得光纤预制棒；将光纤预制棒置于拉丝塔上拉丝成纤，在光纤表面涂覆内外两层紫外固化的聚丙稀酸树脂即成。9、按权利要求8所述的单模光纤的制造方法，其特征在于所述的含氟气体为C2F6、CF4、C4F8、SiF4和SF6的任意一种或多种。10、按权利要求8或9所述的单模光纤的制造方法，其特征在于在沉积下陷包层时，将炉温控制在10801120°C，O/Si比为3.0~3.5，使Cl的含量小于2500ppm。11、按权利要求8或9所述的单模光纤的制造方法，其特征在于在沉积内包层和芯层时，将炉温控制在10001050°C，O/Si比为2.2~2.6，使Cl的含量为35004200ppm。全文摘要本发明涉及一种单模光纤及其制造方法，包括有芯层、内包层、下陷包层和纯SiO<sub>2</sub>玻璃外包层，其特征在于所述的芯层由掺锗和氟的石英玻璃组成，芯层直径a为8.0～8.8微米，Δ<sub>1</sub>为0.35～0.38％，Δ<sub>F</sub>为-0.09±0.02％；所述的内包层由掺锗和氟的石英玻璃组成，内包层直径b为18～21微米，Δ<sub>2</sub>为0±0.02％，所述的下陷包层由掺氟的石英玻璃组成，下陷包层直径c为26～36微米，在下陷包层外界面的Δ<sub>32</sub>为-0.22％至-0.35％，在下陷包层内界面的Δ<sub>31</sub>为-0.20％至-0.35％，且Δ<sub>32</sub>≤Δ<sub>31</sub>。本发明在提高光纤抗弯曲性能的同时，可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，从而有效提高光纤的机械性能和使用寿命。文档编号C23C16/30GK101598834SQ20091006285公开日2009年12月9日申请日期2009年6月26日优先权日2009年6月26日发明者婧李,晨杨,杰罗,韩庆荣申请人:长飞光纤光缆有限公司