CN110456446A - 一种单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低弯曲损耗单模光纤，包括有芯层和包层，所述的包层从内至外包括内包层、下陷包层和外包层，其特征在于芯层直径2R1为8.2μm～9.4μm，相对折射率差Δ1为0.360％～0.420％，内包层直径2R2为16.0μm～19.0μm，内包层具有从内边缘到外边缘渐变的相对折射率差，其中最大相对折射率差Δ2max为0.02％～0.10％，外边缘即内包层和下陷包层交界处相对折射率差为0.0％，下陷包层直径2R3为28.0μm～35.0um，相对折射率差Δ3为‑0.40％～‑0.65％，所述的外包层为纯二氧化硅外包层。本发明通过折射率剖面的合理配置，在保证光纤具有较大的模场直径的条件下，具有较低的弯曲损耗，提高了光纤的弯曲性能；光纤的弯曲性能超过G.657.B3标准，满足接入网和一些小型化光器件的需求。

Description

一种单模光纤

技术领域

本发明涉及一种用于光通信传输系统的具有低弯曲损耗的单模光纤，该光纤在较小的弯曲半径下具有低的弯曲损耗，属于接入网光通信技术领域。

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(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-T G.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。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。

中国专利CN101680994A，申请人描述了一种具有小弯曲损耗光纤，但是未提及1550nm处5mm弯曲半径的损耗以及衰减特性，并且其下陷包层的相对折射率差在-7.28×10^-3～-2.62×10^-2的范围，考虑到其较深的下陷会造成截止弯波长过高和高色散，且在光纤传输过程中容易出现多径串扰(MPI)问题，会影响光纤的兼容性，不利于弯曲不敏感光纤在现有通信网络中的应用。且较深的下陷包层也增加了光纤的制造成本，不利于该类型光纤大规模的生产和应用。

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。

发明内容

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：n_i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；

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；

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单模光纤，该光纤在较小的弯曲半径下具有较低的弯曲损耗。

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，所述的包层从内至外包括内包层、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，外包层包绕下陷包层，其特征在于所述的芯层直径2R1为8.20μm～9.40μm，相对折射率差Δ1为0.360％～0.420％，所述的内包层直径2R2为16.0μm～19.0μm，内包层具有从内边缘到外边缘渐变的相对折射率差，其中内边缘具有最大相对折射率差Δ2max为0.02％～0.10％，外边缘即内包层和下陷包层交界处相对折射率差为0.0％，所述的下陷包层直径2R3为28.0μm～35.0μm，相对折射率差Δ3为-0.40％～-0.65％，所述的外包层为纯二氧化硅外包层。

按上述方案，所述的内包层相对折射率差的突变处为内包层与芯层的交界处。

按上述方案，所述的内包层从内边缘(内包层与芯层的交界处)到外边缘的相对折射率差呈递减状。

按上述方案，所述的芯层为锗氯共掺二氧化硅玻璃层，所述的内包层也为锗氯共掺二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的下陷包层为掺氟的二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的光纤在1310nm波长处的模场直径为8.2～9.0μm。

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10毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.02dB；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.06dB；对于围绕5.0毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.10dB。

按上述方案，所述光纤在1625nm波长处，对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.07dB；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.20dB；对于围绕5.0毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.30dB。

本发明光纤所采用制造方法为：VAD+PCVD+OVD组合的工艺制备预制棒。VAD方法制备芯棒包含芯层和内包层，PCVD方法具有深掺氟优点，其用来制备掺氟套管，将VAD方法制备的芯棒与PCVD沉积的掺氟管进行融缩成更大的芯棒，该更大的芯棒包含芯层，内包层和下陷包层，然后再通过OVD工艺对融缩成的芯棒进行外包形成预制棒，或者将融缩的芯棒插入到纯二氧化硅的中空套管中形成预制棒，将组合好的预制棒在拉丝塔上进行拉丝，即可拉出超低弯曲损耗光纤。

本发明的有益效果在于：1.设计了一种内包层渐变的折射率分布单模光纤，通过折射率剖面的合理配置，在保证光纤具有较大的模场直径的条件下，具有较低的弯曲损耗，提高了光纤的弯曲性能；2.在芯层和包层掺有锗，掺锗的二氧化硅玻璃具有较大的弹性光系数，从而减小弯曲状态下产生的应力对折射率变化的影响，剖面畸变小；而下陷包层深掺氟，具有最低的折射率和最低的模量，可缓冲弯曲状态下应力对芯层和包层影响，从而有效的提高了光纤的抗弯曲性能；3.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；4.本发明优选光纤在满足G.657.A/B的同时，完美兼容G.652光纤；5.本发明的光纤采用组合的制造工艺完成预制棒的制备，结合各个工艺的优点，提高了光纤折射率剖面精度，光纤的制造效率高，性能稳定。

附图说明

图1为本发明一个实施例的光纤折射率剖面图。

图2为本发明一个实施例的光纤径向截面结构示意图。

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。

光纤包括有芯层、内包层、下陷包层和外包层。所述的芯层直径为2R1，相对折射率差为Δ1，所述的内包层直径为2R2，内包层具有从内边缘到外边缘递减的相对折射率差，其中最大相对折射率差为Δ2max，外边缘即内包层和下陷包层交界处相对折射率差为0.0％，所述的下陷包层直径为2R3，相对折射率差为Δ3，所述的外包层100为纯二氧化硅外包层。所述的芯层和内包层由掺杂有锗或锗氯共掺的二氧化硅玻璃层组成，下陷包层为掺杂有氟的二氧化硅玻璃层，外包层为纯二氧化硅玻璃层。如图1和图2所示，其中内包层掺杂有渐变的锗，其中外包层为OVD制备的纯二氧化硅外包层，外包层直径为125μm。

按照上述低弯曲损耗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VAD方法制备的芯棒与PCVD沉积的掺氟管进行融缩成芯棒，通过OVD等外包工艺来完成整个预制棒的制造。所制备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。其中1-6为本发明的实施例，7-8为对比实施例(内包层折射率差恒定)。可发现本发明的光纤在较大的模场直径下也有较为优异的弯曲性能。

表1：光纤的折射率剖面结构参数

表2：光纤的主要性能参数

Claims (10)

1.一种单模光纤，包括有芯层和包层，所述的包层从内至外包括内包层、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，外包层包绕下陷包层，其特征在于所述的芯层直径2R1为8.2μm～9.4μm，相对折射率差Δ1为0.360％～0.420％，所述的内包层直径2R2为16.0μm～19.0μm，内包层具有从内边缘到外边缘渐变的相对折射率差，其中最大相对折射率差Δ2max为0.02％～0.10％，外边缘即内包层和下陷包层交界处相对折射率差为0.0％，所述的下陷包层直径2R3为28.0μm～35.0μm，相对折射率差Δ3为-0.40％～-0.65％，所述的外包层为纯二氧化硅外包层。

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相对折射率差的突变处为内包层与芯层的交界处。

3.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述的内包层从内边缘到外边缘的相对折射率差呈递减状。

4.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述的芯层为锗氯共掺二氧化硅玻璃层，所述的内包层也为锗氯共掺二氧化硅玻璃层。

5.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述的下陷包层为掺氟的二氧化硅玻璃层。

6.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述的光纤在1310nm波长处的模场直径为8.2～9.0μm。

7.按权利要求1或2所述的单模光纤，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所述的单模光纤，其特征在于所述的光纤具有1300～1324nm的零色散波长。

9.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处，对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.02dB；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.06dB；对于围绕5.0毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.10dB。

10.按权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于所述光纤在1625nm波长处，对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.07dB；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.20dB；对于围绕5.0毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.30dB。