CN106094104B - 一种弯曲不敏感多模光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弯曲不敏感多模光纤及其制造方法，包括有芯层和包覆芯层的包层，芯层折射率剖面呈α幂指数函数分布，其特征在于所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层以及外包层，所述的芯层分布指数α为1.9～2.2，半径R₁为23～27μm，最大相对折射率差Δ_1max为0.9～1.2％，所述的内包层的半径为R₂，单边径向厚度为1～3μm，相对折射率差Δ₂为0～0.05％，所述的下陷包层的半径为R₃，单边径向宽度为10～20μm，沿直径方向靠近内包层处相对折射率差为Δ_3inner为‑0.29～‑0.42％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明不仅结构设计合理，具有优异的抗弯和带宽性能，而且工艺控制方便，易于制作生产。

Description

一种弯曲不敏感多模光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有优异抗弯曲性能的弯曲不敏感多模光纤及其制造方法，属于光通信技术领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展，中国已经进入了光纤宽带和多业务融合的信息高速发展时代。融合后的电信网、广电网和互联网都可以承载多种信息化业务，都可以为用户提供打电话、上网和看电视等多种服务。尤其是近年来云计算和物联网等概念的提出，都给现有网络带来了海啸般的数据冲击。这必将加快如数据中心、企业机房、存储区域网络(SAN)、网络附加存储(NAS)和高性能计算中心等应用的建设和普及，并对其中的网络基础设施的高带宽和灵活性提出更高的要求，以便能够支持更高性能的连接。弯曲不敏感多模光纤是广泛应用于数据中心和企业机房中的网络传输媒介，高性能传输网络的建设对弯曲不敏感多模光纤提出了更多苛刻的要求，其中以光纤的带宽性能和抗弯曲特性为最重要的两项参数。

多模光纤在数据中心、企业机房、SAN、NAS等应用场景中往往是铺设在狭窄的机柜、配线箱等集成系统中，光纤会经受很小的弯曲半径。常规多模光纤进行小角度弯曲时，靠近纤芯边缘传输的高阶模很容易泄漏出去，从而造成信号损失。降低光纤弯曲附加损耗的一个有效方法是在光纤包层增加低折射率区域来限制高阶模的泄漏，使信号损失最小化。如专利US8428410B2，在多模光纤折射率剖面的芯层外部引入3～5μm宽度的下陷包层结构，从而获得了显著降低的宏弯损耗。

目前主流的弯曲不敏感多模光纤可包含以下几部分：首先是由特定比例Ge/F共掺玻璃构成的芯层部分，这部分结构的折射率剖面必须进行精确控制，按照设计要求芯层呈现alpha抛物线形状，原则上剖面越光滑，对多模光纤的DMD和带宽性能越有益。相对于传统的VAD以及OVD工艺，往复多层沉积的管内法PCVD和MCVD工艺在剖面控制上的优势比较明显。其次是由氟掺杂玻璃构成的下陷包层结构，其宽度和折射率直接决定着光纤的弯曲性能。原则上其越宽，折射率越低，则光纤的弯曲性能越好。最外侧为纯石英构成的外包层，起到辅助光波导的作用。

目前典型的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)。

OVD和VAD为管外沉积法，其沉积效率高，但受制于工艺特点，其在制备多模光纤芯层alpha部分时剖面控制精度明显低于管内法。并且在沉积芯层和内包层过程中进行掺氟，不仅工艺控制上有难度，而且在烧结过程中由于氟的扩散将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厚度包层的芯棒，经脱水烧结后再在玻璃芯棒上沉积掺氟包层，可采用沉积过程直接掺氟或在烧结中掺氟，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/O₂)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(H₂/O₂)中，H₂/O₂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。

MCVD和PCVD的方法属于管内沉积法，以往的工艺多是在管内依次沉积下陷包层，中间包层等，最后沉积芯层。对于管内法而言，衬管内的空间是有限的，沉积的下陷包层越宽，虽然带来了更好的宏弯性能，但会限制芯层的沉积尺寸。芯棒的芯层直径做不大，则预制棒的尺寸也难做大。此外，衬管内的孔径过小时，沉积时管内诸如反应气体的压力和流速等工艺参数随着沉积的进行变化过快不易稳定控制，将导致产出芯棒的参数分布恶化，进而带来光纤的其它参数的恶化。因此，一种理想的弯曲不敏感多模光纤的制备方法是在确保管内沉积工艺在制造芯层区域精确控制的优势的同时，通过其它手段构成一个下陷包层区域。一种做法是，取具有一定低折射率的掺氟间隙套管与芯棒通过二次熔缩组成带下陷层的芯棒，该法的缺点是工艺流程变长，对芯棒和所谓的掺氟套管需要一定的预处理，比如在二次熔缩前需要对原始芯棒的衬管玻璃部分进行较大量的腐蚀。另一种改进的做法是，直接以具有一定低折射率的掺氟玻璃管为衬管直接沉积，由于氟掺杂的石英玻璃粘度低，在沉积时容易弯曲变形，所产光纤的几何参数极易恶化。因此，对于该方法，对掺氟玻璃衬管的掺杂量，衬管厚度必须精确的设计，此外还需要对相匹配的芯棒沉积工艺参数做适当的优化。

发明内容

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

预制棒：有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；

a：芯棒芯层alpha部分直径，单位为毫米(mm)；

b：芯棒中间包层直径，单位为毫米(mm)；

c：实心芯棒直径，即芯棒下陷包层直径，单位为毫米(mm)；

d：光纤预制棒的有效直径，对于实心预制棒即为其外径，对于RIT预制棒，位折算成实心预制棒后的外径，单位为毫米(mm)；

衬管：管状的基底管，符合一定的几何和掺杂要求；

壁厚：管状玻璃材料的单边的厚度，即壁厚＝(外径-内孔径)/2，单位为毫米(mm)；

CSA(Cross Section Area)：横截面积，单位为平方毫米(mm²)；

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；

RIT(Rod In Tube)工艺：将芯棒和套管经过处理：包括拉锥、延长、腐蚀、清洗和干燥等后，将芯棒插入套管中所组成的较大尺寸光纤预制棒的制造工艺。

折射率剖面：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)折射率与其半径之间的关系；

相对折射率差即Δ_i：

其中，n_i为距离纤芯中心i位置的折射率；n₀为光纤外包层的折射率，通常为纯二氧化硅折射率；

幂指数折射率分布：满足下面幂指数函数的折射率分布，其中，n₁为光纤轴心的折射率；r为离开光纤轴心的距离；a为光纤芯半径；α为分布指数；Δ为纤芯中心相对包层的折射率差。

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种弯曲不敏感多模光纤及其制造方法，它不仅结构设计合理，具有优异的抗弯和带宽性能，而且工艺控制方便，易于制作生产。

本发明光纤的技术方案为：包括有芯层和包覆芯层的包层，芯层折射率剖面呈α幂指数函数分布，其特征在于所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层以及外包层，所述的芯层分布指数α为1.9～2.2，半径R₁为23～27μm，最大相对折射率差Δ_1max为0.9～1.2％，所述的内包层的半径为R₂，单边径向厚度(R₂-R₁)为1～3μm，相对折射率差Δ₂为0～0.05％，所述的下陷包层的半径为R₃，单边径向宽度(R₃-R₂)为10～20μm，沿直径方向靠近内包层处相对折射率差为Δ_3inner为-0.29～-0.42％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的下陷包层的单边径向宽度(R₃-R₂)为13～17μm。

按上述方案，所述的下陷包层沿直径方向靠近内包层处相对折射率差Δ_3inner为-0.35～-0.39％。

按上述方案，所述的下陷包层的相对折射率差沿直径方向由内至外呈递减或递增分布，或呈U形分布。

按上述方案，所述光纤在850nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于或等于0.2dB；在1300nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于或等于0.5dB。

按上述方案，所述光纤在850nm波长具有1500MHz-km或1500MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。

按上述方案，所述光纤的差分模时延(DMD)满足以下标准：DMD Inner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于或等于0.33ps/m；DMD Interval Mask小于或等于0.25ps/m；优选条件下光纤的DMD的Inner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于或等于0.14ps/m，DMD Interval Mask小于或等于0.11ps/m。

按上述方案，所述光纤在850nm波长具有2000MHz-km或2000MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。

按上述方案，所述光纤的数值孔径为0.185～0.215。

本发明光纤制造方法的技术方案为：

用含氟石英玻璃管作为沉积衬管，使用管内沉积法进行掺杂沉积，所述含氟石英玻璃管的相对折射率差为光纤包层中下陷包层的相对折射率差，根据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，在沉积衬管内壁依次沉积内包层和芯层；

沉积完成后，用电加热炉将沉积后的衬管熔缩成实心芯棒，所述的实心芯棒包括有芯层、紧密包绕芯层的内包层和紧密包绕内包层的下陷包层；

以纯石英玻璃管为套管采用RIT工艺制得预制棒，或采用OVD或VAD或APVD外包沉积工艺沉积外包层制得预制棒；

将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤，在光纤表面涂覆固化的聚丙稀酸树脂层即成。

按上述方案，所述的含氟石英玻璃管外径为40～50mm，单边壁厚为3～8mm，相对折射率差为-0.29～-0.42％。

按上述方案，在沉积内包层时，将炉温控制在1000～1100℃，O/Si比为2.5～3.0，使Cl的含量大于或等于1600ppm；在沉积芯层时，将炉温控制在1080～1120℃，O/Si比为3.5～4.0，使Cl的含量小于或等于1300ppm；沉积衬管内混合气体压力为10～18mBar；所述的掺杂为掺锗、掺氟或氟锗共掺。

按上述方案，所述的光纤预制棒有效直径d为45～56mm，所述的芯层直径a为18～24mm。

按上述方案，所述的实心芯棒直径c与芯层直径a的比值c/a为1.4～1.8，光纤预制棒有效直径d与实心芯棒直径c的比值d/c为1.3～1.7。

本发明的有益效果在于：1、波导结构设计合理，具有优异的抗弯和带宽性能；2、采用掺氟石英玻璃管作为沉积衬管，制备下陷包层部分无需占用管内空间，管内空间释放，有助于工艺气体的参数控制，提高了所沉积芯棒的参数分布可控性，利于提高带宽等参数的合格率；3、掺氟石英玻璃衬管部分的厚度折算到光纤里，对应的下陷包层宽度较大，其宽度是管内直接沉积的下陷包层很难达到的，配合适当的折射率，获得的抗弯曲性能更好；4、用掺氟石英玻璃管作为衬管制备弯曲不敏感多模光纤，下陷包层部分由成品衬管组成，无需在衬管内沉积下陷包层，缩短了单根芯棒的沉积时间，提高了预制棒的生产效率和设备使用效率，且制作流程简单，工艺控制方便，适于规模化生产。

附图说明

图1是本发明弯曲不敏感多模光纤的横截面示意图。图中：10是PCVD工艺管内所沉积的部分，11为光纤的芯层，12为内包层；20是具有特定折射率的掺氟石英玻璃管所组成的部分，构成下陷包层；30为纯石英玻璃套管组成的部分，构成外包层。

图2是本发明一个实施例的折射率剖面示意图。

图3是本发明弯曲不敏感多模光纤的制备工艺流程图。

图4是本发明下陷包层的相对折射率差沿直径方向由内至外呈递减分布的折射率剖面示意图。

图5是本发明下陷包层的相对折射率差沿直径方向由内至外呈递增分布的折射率剖面示意图。

图6是本发明下陷包层的相对折射率差沿直径方向由内至外呈U形分布的折射率剖面示意图。

具体实施方式

下面给出几个详细的实施例，对本发明作进一步的说明。

所述光纤包括有芯层11和包覆芯层的包层，芯层折射率剖面呈α幂指数函数分布，所述的包层由内到外依次为内包层12、下陷包层20以及外包层30，所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层，外包层半径R4为62.5μm。

制备时采用外径为45～50mm，单边壁厚为5～8mm的含氟石英玻璃管20作为芯棒基底管，使用等离子体增强化学气相沉积(PCVD)工艺进行掺杂沉积；沉积过程中，沉积内包层时，炉温控制在1000-1100℃，沉积芯层时，将炉温控制在1080-1120℃；掺杂沉积时，在反应气体四氯化硅(SiCl₄)和氧气(O₂)中，通入含氟的气体，进行氟(F)掺杂，通入四氯化锗(GeCl₄)，进行锗(Ge)掺杂，混合气体压力控制在10～18mBar，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，在沉积衬管内壁依次沉积内包层12和芯层11，所述含氟石英玻璃管的相对折射率差为光纤包层中下陷包层的相对折射率差，沉积完成后，用电加热炉将沉积后的衬管熔缩成实心芯棒；如图3所示工艺流程图，再以纯石英玻璃管30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。

按上述方法制备了一组弯曲不敏感多模光纤预制棒并拉丝，所得光纤的结构参数和主要性能参数见表1。

表1：光纤的结构参数及主要性能参数

宏弯附加损耗根据IEC 60793-1-47方法测得，被测光纤按一定直径绕两圈，然后将圆圈放开，测试打圈前后的光功率变化，以此作为光纤的宏弯附加损耗。测试时，采用环形通量(Encircled Flux)光注入条件。Encircled Flux光注入条件可通过以下方法获得：在被测光纤前端熔接一段2m长的普通50μm芯径多模光纤，并在该光纤中间绕一个25mm直径的圈，当满注入光注入该光纤时，被测光纤即为环形通量光注入。

满注入带宽根据IEC 60793-1-41方法测得，测试采用满注入条件。

差分模时延(DMD)根据IEC 60793-1-49方法测得，被测光纤长度均为1000m±20％，在被测光纤与光源之间连接一根探针单模光纤，以限制入射被测光纤的光模式为单模，入射光脉宽小于等于100ps，光源垂直入射被测光纤端面，沿该端面径向扫描，测量到达被测光纤输出端最快光脉冲与最慢光脉冲之间的时间差，即为差分模时延。同时，利用这些DMD数据进行模拟一系列规定输入模式的计算，可得出有效模式带宽(EMB)。

Claims (9)

1.一种弯曲不敏感多模光纤，包括有芯层和包覆芯层的包层，芯层折射率剖面呈α幂指数函数分布，其特征在于所述的包层由内到外依次为内包层、下陷包层以及外包层，所述的芯层分布指数α为1.9～2.2，半径R₁为23～27μm，最大相对折射率差Δ_1max为0.9～1.2％，所述的内包层的半径为R₂，单边径向厚度为1～3μm，相对折射率差Δ₂为0～0.05％，所述的下陷包层的半径为R₃，单边径向宽度为10～20μm，沿直径方向靠近内包层处相对折射率差为Δ_3inner为-0.35～-0.384％；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。

2.按权利要求1所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的下陷包层的单边径向宽度为13～17μm。

3.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述的下陷包层的相对折射率差沿直径方向由内至外呈递减或递增分布，或呈U形分布。

4.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述光纤在850nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于或等于0.2dB；在1300nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于或等于0.5dB。

5.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述光纤在850nm波长具有1500MHz-km或1500MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。

6.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感多模光纤，其特征在于所述光纤的差分模时延满足以下标准：DMD Inner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于或等于0.33ps/m；DMD Interval Mask小于或等于0.25ps/m；所述光纤在850nm波长具有2000MHz-km或2000MHz-km以上的有效模式带宽。

7.一种按权利要求1-6中任一所述弯曲不敏感多模光纤的制造方法，其特征在于

用含氟石英玻璃管作为沉积衬管，使用管内沉积法进行掺杂沉积，所述含氟石英玻璃管的相对折射率差为光纤包层中下陷包层的相对折射率差，根据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，在沉积衬管内壁依次沉积内包层和芯层；

在沉积内包层时，将炉温控制在1000～1100℃，O/Si比为2.5～3.0，使Cl的含量大于或等于1600ppm；在沉积芯层时，将炉温控制在1080～1120℃，O/Si比为3.5～4.0，使Cl的含量小于或等于1300ppm；沉积衬管内混合气体压力为10～18mBar；

沉积完成后，用电加热炉将沉积后的衬管熔缩成实心芯棒，所述的实心芯棒包括有芯层、紧密包绕芯层的内包层和紧密包绕内包层的下陷包层；

以纯石英玻璃管为套管采用RIT工艺制得预制棒，或采用OVD或VAD或APVD外包沉积工艺沉积外包层制得预制棒；

将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤，在光纤表面涂覆固化的聚丙稀酸树脂层即成。

8.按权利要求7所述的弯曲不敏感多模光纤的制造方法，其特征在于所述的含氟石英玻璃管外径为40～50mm，单边壁厚为3～8mm，相对折射率差为-0.29～-0.42％。

9.按权利要求7所述的弯曲不敏感多模光纤的制造方法，其特征在于光纤预制棒有效直径d为45～56mm，所述的实心芯棒芯层直径a为18～24mm；实心芯棒直径c与实心芯棒芯层直径a的比值c/a为1.4～1.8，光纤预制棒有效直径d与实心芯棒直径c的比值d/c为1.3～1.7。