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CN102540327A - 弯曲不敏感单模光纤 - Google Patents

弯曲不敏感单模光纤 Download PDF

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CN102540327A
CN102540327A CN2012100067924A CN201210006792A CN102540327A CN 102540327 A CN102540327 A CN 102540327A CN 2012100067924 A CN2012100067924 A CN 2012100067924A CN 201210006792 A CN201210006792 A CN 201210006792A CN 102540327 A CN102540327 A CN 102540327A
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吴仪温
叶铭
毛明峰
王智勇
王瑞春
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Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
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Abstract

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7～7.9微米，芯层相对折射率差Δ1为4.6×10-3～6.5×10-3，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16.5～20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33～40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。

Description

弯曲不敏感单模光纤
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(FTTh)和光纤到桌面(FTTd)已逐渐成为通信网络建设以及未来光纤网络建设一个发展方向。目前在光纤接入网使用较广的是常规的低水峰光纤(符合ITU-TG.652C/D)，其弯曲半径一般为30mm。而FTTx光纤配置过程中，光纤经常需要在室内及狭窄环境下的进行布线，光纤在较小弯曲半径下需要经受较高的弯曲应力，特别是在实际应用中，光纤通常缠绕在越来越小型化的存储盒中，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。在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的性能的研究报告，(“Characteristics of a bending loss insensitive single mode optical fibre and cablefor the access network”and Amendment 1：Revised Appendix 1-Lifetime expectationin case of small 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10mm的G.657.A1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。
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下的宏观弯曲性能，不强制要求兼容G.652.D标准。但是因为G.652.D已经在光通信领域广泛使用了几十年的时间，大多数客户的使用习惯，以及光纤布线习惯、对接等设备等多是基于G.652光纤设计的，所以如果能够开发一种可以兼容G.652光纤标准的G.657.B3光纤，更易于光通信的推广和使用。
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。如果单纯依靠降低光纤MAC数值的方法，并不能有效的得到优异的弯曲性能，从而满足G.657.B3标准要求。
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1)，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。
在下陷外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。光纤在弯曲状态时，因为内包层环形包裹着芯层，弯曲产生的应力首先作用在内包层，然后传到到芯层部分，如果不考虑芯层、包层掺杂以及折射率等因素，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和色散等性能，并且在拉丝过程中为匹配粘度和应力也更加困难，所以适宜的芯层/包层直径比也是G.657.B3光纤剖面研究的一个重要方向。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扰的现象(MPI：Multi-Path Interference)，David.Zhen等人在2009年的OFC/NFOEC(“TestingMPI 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.B3光纤研究中的一个重点和难点。
此外，在接入网的使用中，光纤连接除了采用熔接的方法外，还采用机械连接方式，如光纤冷接子，要求光纤切割后具有很好的端面质量，因而需要光纤具有很好的材料均匀性。
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：Δni＝ni-n0，ni和n0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ΔF＝|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ΔGe＝|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；
O/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7.0～7.9微米，芯层相对折射率差Δ1为4.6×10-3～6.5×10-3，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16.5～20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c为33～40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。
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ΔF为1×10-3～1.6×10-3。
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ΔF为1.2×10-3～1.6×10-3，在最内界面21处(内包层沉积结束点)氟(F)的贡献量ΔF为2.1×10-3～2.4×10-3。
按上述方案，所述的光纤在1310纳米(nm)波长处的模场直径为7-9.2微米。
按上述方案，所述的光纤在1310纳米波长处的衰减系数小于或等于0.4dB/km，1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.4dB/km，1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.25dB/km，1625nm波长处的衰减系数小于或等于0.3dB/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，所述的光纤在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0.1dB；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0.25dB；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0.45dB；在1550nm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0.03dB；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0.08dB；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0.15dB。
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和掺锗的石英玻璃，确保光纤具有满足G.657.B3标准的光学性能，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31至内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O/Si比确定的：Cl含量随炉温的升高而降低，随O/Si的增大而降低。在沉积外下陷包层时，将炉温控制在1080-1150℃，O/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℃，O/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，尤其是适当的增加光纤下陷外包层的深度和宽度，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、本发明的光纤在各项性能上满足或者优于ITU-T G.657.B3标准，尤其是其具有优异的宏弯性能，可满足FTTh网络铺设和器件小型化的要求。
附图说明
图1是本发明光纤折射率剖面示意图。
具体实施方式
下面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Δ3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Δ32小于最内界面31处相对折射率差Δ31。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31至最内界面21，掺氟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ΔF为1.2×10-3～1.6×10-3，在最内界面21处(内包层沉积结束点)氟(F)的贡献量ΔF为2.1×10-3～2.4×10-3。
对于掺氟(F)和掺锗(Ge)石英玻璃层，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：
ΔF2＝ΔF1-0.205*ΔTotal
其中ΔF1和ΔF2分别为芯层和内包层中氟(F)的贡献量，ΔTotal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αSiO2-GeO2-F(/℃)可以用以下公式计算：
αSiO2-GeO2-F＝(5+8.3ΔGe+2.3ΔF)×10-7
采用下陷外包层的结构设计，根据以上研究结果设计掺氟(F)量，在确定氟(F)量后，即可确定折射率剖面设计各部分的掺锗(Ge)量。按本发明中所述方法，制备外径为150mm～205mm的预制棒，在1500～2000米/分钟的拉丝速度下，采用双层紫外固化丙烯酸酯涂层，涂覆制备外径为250μm光纤，光纤结构如表1所示(表1中所述折射率参数为实际光纤参数的算术平均值)。
在本实施例中，通过合理优化光纤剖面结构，光纤性能参数在满足G.657.B3标准的基础上，兼容G.657.A2标准，从而拥有更好的向上兼容性。
宏弯附加损耗测试方法参照IEC 60793-1-47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。光纤的主要性能参数如表2所示。
表1：光纤的结构和材料的组成
表2：光纤的主要性能参数
Figure BDA0000129845920000072
实施例二：
本实施例中，在光纤的剖面设计中适当缩小光纤的MFD，从而降低MAC，进一步优化光纤的宏观弯曲性能。因为MAC的降低，色散和模长直径发生了一些变化，所以本实施例中的光纤可以满足G.657.B3标准，但不兼容G.652.D标准。
本实施例仍然采用PCVD+OVD工艺制备G.657光纤预制棒，拉丝速度为1500m/min，裸光纤的丝径为125±0.7μm，采用双层紫外固化丙烯酸酯涂层，涂覆后光纤外径在245±7μm。
光纤的结构和材料组成如表3所示(表3中所述折射率参数为实际光纤参数的算术平均值)，表4为光纤性能数据。根据这些试验的结果，在适当优化光纤剖面，减小芯层和内包层直径后，光纤的模场直径保持在一个合理的范围，5mm弯曲半径条件下的弯曲性能弯曲满足并优于G.657.B3标准，按照这种技术方案的总体构想，因为在G.657.B3标准中，对模场直径的范围比较宽，且对色散没有严格要求按照，所以如果不考虑色散，可以进一步的减小芯层直径，提高芯层折射率，从而得到更好的宏观弯曲性能。
表3：光纤的结构和材料组成
Figure BDA0000129845920000081
表4：光纤的主要性能参数
Figure BDA0000129845920000082
Figure BDA0000129845920000091

Claims (8)

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7～7.9微米，芯层相对折射率差Δ1为4.6×10-3～6.5×10-3，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16.5～20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c为33～40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。
2.按权利要求1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，外包层直径为125±0.7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1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ΔF为1×10-3～1.6×10-3。
4.按权利要求1或2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ΔF为1.2×10-3～1.6×10-3，在最内界面处氟的贡献量ΔF为2.1×10-3～2.4×10-3。
5.按权利要求1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7-9.2微米。
6.按权利要求1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纳米波长处的衰减系数小于或等于0.4dB/km，1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.4dB/km，1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.25dB/km，1625nm波长处的衰减系数小于或等于0.3dB/km。
7.按权利要求1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1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10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.1dB；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0.25dB；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0.45dB；在1550nm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0.03dB；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0.08dB；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0.15dB。
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