CN110873925B - 一种细直径耦合器用980光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小直径耦合器用光纤，包括有芯层、包层、涂覆层，芯层为掺锗Ge的二氧化硅石英玻璃层，所述芯层的直径D1为3.5‑5μm，芯层与内包层的折射率差Δn1为0.014‑0.017；所述包层分为内包层和外包层，内包层紧密环绕芯层，为锗、氟、磷共掺的二氧化硅石英玻璃层，内包层与外包层纯石英的折射率差Δ2为‑0.0002‑0，直径D2为5‑15μm；外包层为纯石英层，厚度D3为79‑81μm；涂覆层的厚度为160‑190μm。本发明采用内包层和外包层的折射率基本一致的结构设计，光纤间的耦合为利用单模光纤间消逝场相互耦合的机理，熔融拉锥工艺使一根光纤内的一部分光耦合到另一根光纤中，实现特定分光比，从而减少信号光由于折射率波动造成的损失，达到降低光纤熔融拉制过程中附加损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种细直径耦合器用980光纤，用于制备小型耦合器，高温熔锥耦合过程中具有稳定优越的性能。属于光纤技术领域。
背景技术
近来，国内外一些专家提出了一个新的设想，即使用980nm波段作为通讯窗口，其优点是，980nm是最常用的波段，其光源及相关器件相当成熟且价格便宜，使用该波段可有效降低光网络的成本。与1310nm和1550nm窗口相比，在980nm窗口光的损耗增大了，信号可传输的距离受到了限制，因此无法用于长距离甚至是中距离的传输，但却可以满足耦合器制作的要求，光纤耦合器是光网络和光传感系统中实现光信号分路和合路的重要器件。在光纤通信、光纤传感和光纤测量中有着重要的应用。随着光纤通信技术的飞速发展，光纤器件在光通信领域的应用也越来越广泛，其中光纤耦合器已经成为应用最广泛的光纤无源器件。光纤耦合器对光信号的分、合路，插入和分配的实现起到了至关重要的作用，它是一种多功能、多用途的器件且是最重要的光无源器件之一。自1982年Jensen报道关于非线性定向耦合器的理论以来，光纤耦合器有了很大的发展。光纤耦合器件的制作方法主要有腐蚀法、磨抛法及熔融拉锥法。熔融拉锥方法是将两根光纤或以上去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体结构的特殊波导器件。当两根光纤融合时，输入光信号从一根光纤进入两根光纤。它具有损耗极低，稳定性较好适于批量生产等优点，在耦合器的规模化生产中普遍采用这种方法。随着器件的小型化，针对耦合器用光纤的尺寸的小型化和光纤抗弯曲性能提出更高的要求。
专利号为CN101639549国内发明专利一种980nm传输窗口用单模光纤，只适用于通信FTTH系统中最后一公里FTTH传输要求的单模光纤，不适合于耦合器用。申请号CN201710344555.1发明一种熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，适于光纤耦合器与光纤传感器的研发与应用，光纤的外径124-126um，不适合于器件的小型化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种小直径耦合器用光纤，通过调整光纤芯层、内包层掺杂摩尔百分比例，达到合适的光纤结构和成份设计，该光纤耦合过程中附加损耗小于0.1dB，弯曲性能良好。该光纤适用于熔融拉锥技术生产的各种波段(C波段和L波段)的耦合器和分路器，可应用于EDFA用泵浦/信号波分复用器，CATV光纤耦合器，Tap coupler抽头耦合器，超小封装光纤器件，双向合波器和分波器，低损耗耦合器/超短混合型耦合器。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种小直径耦合器用光纤，包括有芯层、包层、涂覆层。芯层为掺锗Ge的二氧化硅石英玻璃层，所述芯层的直径D1为3.5-5μm，芯层与内包层的折射率差Δn1为0.014-0.017；所述包层分为内包层和外包层，内包层紧密环绕芯层，为锗、氟、磷共掺的二氧化硅石英玻璃层，内包层与外包层纯石英的折射率差Δ2为-0.0002-0，直径D2为15-35μm，其厚度为b为5-15um；外包层为纯石英层，直径D3为79-81μm，其厚度为c为22.5-33.5um；涂覆层的厚度为160-190μm。
优选地，所述芯层中的SiCl4与GeCl4按照固定流量比例，其掺杂物质摩尔百分比分别为Si：86-88％；Ge:12-14％。
优选地，所述内包层的掺杂物质摩尔百分比分别为Si：95-98.5％；Ge:0.5-1.5％；F:0.5-2％；P:0.5-2％，SiCl4、GeCl4、SF6和POCL3的流量靠近芯层向内包层方向分别按照Y1＝a1X+b1、Y2＝a2X+b2、Y3＝b3-a3X、Y4＝a4X+b4进行分布，其中：Y1、Y2、Y3、Y4分别为第X次沉积最终SiCl4、GeCl4、SF6、POCL3的流量，b1、b2、b3、b4分别为靠近芯层起始SiCl4、GeCl4、SF6、POCL3的流量，a1、a2、a3、a4为递增系数。
其中：a1系数的影响因素跟起始四氯化硅的流量、管子的尺寸规格、跟四氯化硅的沉积效率、火焰喷灯的移动速度等有关；a2系数的影响因素跟起始四氯化锗的流量、管子的尺寸规格、跟四氯化锗的沉积效率、火焰喷灯的移动速度、四氯化锗反应生成物二氧化锗对折射率的贡献率等有关；a3系数的影响因素跟起始六氟化硫的流量、管子的尺寸规格、跟六氟化硫的沉积效率、火焰喷灯的移动速度、生成的氟化物对折射率的贡献率等有关；a4系数的影响因素起始三氯氧磷的流量、管子的尺寸规格、跟三氯氧磷的沉积效率、火焰喷灯的移动速度、生成的五氧化二磷对折射率的贡献率等有关。
优选地，所述光纤的截止波长为870-970nm。
优选地，所述光纤的MFD在980nm波长范围内为3.7-4.3μm。
优选地，所述光纤的MFD在1550nm波长范围内为5.8-6.6μm。
优选地，所述光纤的衰减在980nm波长范围内小于或等于2.5dB/km。
优选地，所述光纤的衰减在1550nm波长范围内小于或等于1dB/km。
优选地，所述光纤的宏弯损耗在1550nm波长范围内小于或等于0.01dB(Ф20mm-1圈)。
优选地，所述光纤的熔融拉锥过程附加损耗小于或等于0.1dB。
为方便介绍本发明的内容，部分定义如下：
氟掺杂的作用：在石英玻璃掺入氟，降低纯石英玻璃的折射率差
锗掺杂的作用：在石英玻璃掺入锗，提高纯石英玻璃的折射率差
磷掺杂的作用：在石英玻璃掺入磷，降低沉积过程中纯石英的粘度，提高石英玻璃的折射率差
光纤芯层：光纤中心部分，该部分是波导传输的主要载体；
光纤包层：包围在芯层外面的玻璃层，该部分主要起到保护芯层的作用；
光纤涂层：包围在包层外面树脂涂层，该部分主要起加强作用；
折射率剖面：光纤中各玻璃成份折射率与其半径之间的关系。
ni和n0分别为对应部分的折射率和纯二氧化硅石英玻璃的折射率。
芯层折射率差△n1：光纤芯层和内包层折射率的差值，如芯层折射率为n1,内包层折射率为n2,则芯层相对于内包层的折射率差△n1＝n1-n2；
包层折射率差△n2：光纤内包层和纯石英折射率的差值，如内包层折射率为n2,纯石英折射率为n0,则芯层相对于内包层的折射率差△n2-＝n2-n0。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.光纤芯层为高掺Ge石英，提高芯层与内包层折射率差，降低芯径的结构设计，提高光纤的弯曲性能。
2、采用内包层和外包层的折射率基本一致的结构设计，光纤间的耦合为利用单模光纤间消逝场相互耦合的机理，熔融拉锥工艺使一根光纤内的一部分光耦合到另一根光纤中，实现特定分光比，由于耦合器中信号光在包层中进行传输，如果减小包层之间的折射率差，达到内包层和外包层的折射率基本一致，从而减少信号光由于折射率波动造成的损失，达到降低光纤熔融拉制过程中附加损耗。
3、采用芯层高掺锗量、内包层低掺锗、磷、氟共掺技术，达到芯层和内包层材料粘度匹配，拉丝过程中，降低光纤芯层的应力，达到降低的光纤的衰减；
4、芯层高掺锗量、内包层低掺锗、磷、氟共掺技术适合于熔接过程中，高温下芯层的高掺锗区快速向内包层区扩散，达到模场直径增加，从而与其他光纤熔接时，降低的熔接损耗。
附图说明
图1是本发明一个实施例的光纤径向截面示意图。
图2是本发明一个实施例的光纤折射率剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例中的小直径耦合器用光纤，包括有芯层、包层、涂覆层，芯层为掺锗Ge的二氧化硅(SiO2)石英玻璃层，芯层的直径D1为3.5-5μm，芯层与内包层的折射率差Δn1为0.014-0.017；包层有2个分层，内包层紧密环绕芯层，为锗、氟、磷共掺的二氧化硅石英玻璃层，与外包层纯石英的折射率差Δ2为-0.0002-0，直径D2为15-35μm，其厚度为b为5-15um；外包层为纯石英层，直径D3为79-81μm，其厚度为c为22.5-33.5um；涂覆层的直径为160-190μm。
按照上述技术方案，在其所规定的范围内对光纤的参数进行设计，并通过我们熟知的MCVD工艺，PCVD工艺制造芯棒，通过套管工艺、OVD工艺或VAD工艺等外包工艺来完成整个拉丝棒的制造。预制棒制备完成后，在拉丝塔上进行光纤的拉丝。拉丝速度在800—1200m/min，裸光纤拉丝张力介于110～160g。
实施例1：
采用MCVD技术制造芯棒，OVD技术制造外包层的工艺制造光纤预制棒。在石英管中，在原料SiCl4中掺杂一量定的GeCl4，其中SiCl4与GeCl4按照固定流量的比例220：650，使芯层相对于内包层的折射率差Δn1为0.00152,其掺杂物质摩尔百分比分别为Si：86.8％；Ge:13.2％，芯层直径D1为3.8um；内包层为在原料SiCl4中掺杂一量定的GeCl4、POCL3、SF6,10次沉积，靠近芯层向内包层方向，SiCl4按照Y＝20X+500，GeCl4按照Y＝5X+200SF6按照Y＝10-0.3X POCL3按照Y＝6X+130。最终内包层与石英基管层的折射率差Δn2为0.0001，其掺杂物质摩尔百分比分别为Si：97.2％；Ge:0.8％；F:1.2％；P:0.8％，内包层的厚度b为5.1um。在石英基管的外层，使用纯SiCl4原料，得到纯SiO2石英层，石英基管和纯SiO2石英层为光纤的外包层13折射率为n0，厚度c为33um；在拉丝塔拉丝速度为1000m/min，裸光纤拉丝张力介于125g，制作成裸光纤直径为80um，涂覆直径为165um的光纤，光纤参数为截至波长λc为960nm、在980nm波长下的模场直径MFD为4.28μm；在1550nm波长的MFD范围内为6.1μm；在980nm波长的损耗为1.8 1dB/km，在1550nm波长的损耗为0.83dB/km。光纤的熔融拉锥过程附加损耗0.08dB。
实施例2：
采用MCVD技术制造芯棒，OVD技术制造外包层的工艺制造光纤预制棒。在石英管中，在原料SiCl4中掺杂一量定的GeCl4其中SiCl4与GeCl4按照固定的比例250：730，使芯层相对于内包层的折射率差Δn1的折射率差值为0.00143，其掺杂物质摩尔百分比分别为Si：87.5％；Ge：12.5％，芯层直径D1为4.0um；内包层为在原料SiCl4中掺杂一量定的GeCl4、POCL3、SF6,15次沉积，靠近芯层向内包层方向，SiCl4按照Y＝20X+600，GeCl4按照Y＝5X+230的流量，SF6按照Y＝8-0.3X的流量，POCL3按照Y＝6X+100的流量。最终内包层与石英基管层的折射率差Δn2为0.0000，其掺杂物质摩尔百分比分别为Si：96.9％；Ge:0.6％；F:1.4％；P:1.1％，内包层的厚度b为5.3um。在石英基管的外层，使用纯SiCl4原料，得到纯SiO2石英层，石英基管和纯SiO2石英层为光纤的外包层折射率为n0，厚度c为32.7um；在拉丝塔拉丝速度为1200m/min，裸光纤拉丝张力介于130g，制作成裸光纤直径为80um，涂覆直径为165um的光纤，光纤参数为截至波长λc为934nm、在980nm波长下的模场直径MFD为4.3μm；在1550nm波长的MFD范围内为6.26μm；在980nm波长的损耗为1.75dB/km，在1550nm波长的损耗为0.82dB/km。光纤的熔融拉锥过程附加损耗0.075dB。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1. 一种小直径耦合器用光纤，包括有芯层、包层、涂覆层，芯层为掺锗Ge的二氧化硅石英玻璃层，其特征在于：所述芯层的直径D1为3.5-5μm，芯层与内包层的折射率差Δn1为0.014-0.017；所述包层分为内包层和外包层，内包层紧密环绕芯层，为锗、氟、磷共掺的二氧化硅石英玻璃层，内包层与外包层纯石英的折射率差Δ2为-0.0002-0，直径D2为15-35μm，其厚度为b为5-15um；外包层为纯石英层，直径D3为79-81μm，其厚度为c为22.5-33.5um；涂覆层的直径为160-190μm；所述内包层的掺杂物质摩尔百分比分别为Si：95-98.5%；Ge:0.5-1.5%；F:0.5-2%；P:0.5-2%，SiCl4、GeCl4、SF6和POCL3的流量靠近芯层向内包层方向分别按照Y1=a1X+b1、Y2=a2X+b2、Y3= b3-a3X、Y4=a4X+b4进行分布，其中：Y1、Y2、Y3、Y4分别为第X次沉积最终SiCl4、GeCl4、SF6、POCL3的流量，b1、b2、b3、b4分别为靠近芯层起始SiCl4、GeCl4、SF6、POCL3的流量，a1、a2、a3、a4为递增系数。
2.根据权利要求1所述的一种小直径耦合器用光纤，其特征在于：所述芯层中的SiCl4与GeCl4按照固定流量比例，其掺杂物质摩尔百分比分别为Si：86-88%；Ge:12-14%。
3.根据权利要求1所述一种小直径耦合器用光纤，其特征在于：所述光纤的截止波长为870-970nm。
4.根据权利要求1所述一种小直径耦合器用光纤，其特征在于：所述光纤的MFD在980nm波长范围内为3.7-4.3μm。
5.根据权利要求1所述一种小直径耦合器用光纤，其特征在于：所述光纤的MFD在1550nm波长范围内为5.8-6.6μm。
6.根据权利要求1所述一种小直径耦合器用光纤，其特征在于：所述光纤的衰减在980nm波长范围内小于或等于2.5dB/km。
7.根据权利要求1所述一种小直径耦合器用光纤，其特征在于：所述光纤的衰减在1550nm波长范围内小于或等于1dB/km。
8. 根据权利要求1所述一种小直径耦合器用光纤，其特征在于：在1550nm波长范围内，对于围绕20mm弯曲直径绕1圈光纤的宏弯损耗小于或等于 0.01dB。
9.根据权利要求1所述一种小直径耦合器用光纤，其特征在于：所述光纤的熔融拉锥过程附加损耗小于或等于0.1dB。
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