CN104316994A - 一种低衰减弯曲不敏感单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低衰减弯曲不明感单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层的相对折射率差Δ1为0.30%~0.38%，半径R1为3.5μm~4.5μm，芯层外有四个包层，第一包层为紧密围绕芯层的第一内包层，其相对折射率差Δ2为-0.02%~0.02%，半径R2为6.5μm~8.5μm，第二包层为紧密围绕第一内包层的第二内包层，其相对折射率差Δ3为-0.02%~0.02%，半径R3为8μm~11μm，第三包层为下陷包层，紧密围绕第二内包层，其相对折射率差Δ4为-0.5%~-0.2%，半径R4为12μm~20μm，第四包层为紧密围绕下陷包层的外包层，为纯石英玻璃层。本发明能与G.652.D光纤完全匹配，从而实现低衰减、大有效面积、抗弯曲性能更好的统一。

Description

一种低衰减弯曲不敏感单模光纤

技术领域

本发明涉及一种光纤通信系统中使用的单模光纤，该光纤具有和G.652.D完全匹配的模场直径、优于G.657.A1的抗弯曲性能和较低的衰减，属于光纤通信技术领域。

背景技术

单模光纤由于其传输速率快，携带信息容量大，传输距离远等优点，被广泛地应用于光纤通信网络之中，其中满足ITU-T G.652标准的光纤是单模光纤中使用最多的光纤，被大量应用于主干网、城域网中。而随着近年来FTTX的不断发展，原有G.652光纤的性能已经无法满足用户要求，实际应用环境要求光纤具有一定的抗弯曲性能，于是在G.652光纤的基础上，开发出了新一代的弯曲不敏感单模光纤——G.657光纤，其中包含能够兼容G.652标准的G.657.A类光纤和不能兼容G.652标准的G.657.B类光纤。G.657.A类光纤和G.652.D光纤有很好的兼容性，且其相对于普通G.652.D光纤具有更好的抗弯曲性能，因此它被认为是最有可能替代现有G.652光纤的产品之一。另一方面，随着光放大技术和波分复用技术的进一步发展，光纤通信系统向着更高传输功率和更长传输距离的方向发展。作为光纤通信系统中的重要传输媒质，单模光纤的相关性能也必须有进一步的提升，以满足光纤通信系统实际发展的需要。衰减和模场直径是单模光纤的两个重要的性能指标。光纤的衰减越小，光信号在这种媒质中的传输距离就越长；光纤的模场直径越大，有效面积就越大，则其非线性效应就越弱。大有效面积可以有效地抑制自相位调制、四波混频、交叉相位调制等非线性效应，保证高功率光信号的传输质量。降低衰减和增大有效面积可以有效提高光纤通信系统中的光信噪比，进一步提高系统的传输距离和传输质量。而目前多数商品化的G.657光纤，虽然拥有较好的抗弯曲性能，且与G.652.D光纤兼容，但普遍存在模场直径较小的问题，且其衰减系数也和G.652光纤基本一致。发明一种和G.652标准兼容，并且具有更低衰减、相对较大模场直径同时还具有弯曲不敏感特性的新一代单模光纤成为通信光纤领域内的一个研究热点。

对单模光纤而言，光纤的衰减系数可以用公式(1)表示：

                                                                     (1)

其中R为瑞利散射系数, ,,,分别代表红外吸收，缺陷衰减，OH吸收，以及紫外吸收。在光纤材料中，由于某种远小于波长的不均匀性引起光的散射构成光纤的散射损耗。其中瑞利散射为三种散射机理之一，为线性散射（不产生频率的变化）。瑞利散射的特点是与波长的四次方成反比，由其引起的损耗与掺杂材料的种类与浓度有关。

在光纤预制棒的制造过程中一般可以采用以下几种方法来降低光纤衰减。比如，采用更高纯度的原材料，提高生产环境和设备密封性能降低外界杂质引入的几率，如专利CN201110178833.3即采用提高光纤预制棒沉积过程中的气密性的方法，降低外界杂质的引入。或者，采用更大外径的预制棒制造工艺，通过大尺寸预制棒的稀释效应降低光纤的整体衰减。另外，在光纤制造过程中，裸光纤表面涂层的涂覆工艺也是影响光纤衰减性能的一个重要因素。但是，无论从理论上还是实际光纤制备中的成本和工艺控制上来讲，降低光纤的掺杂并优化光纤的剖面是最简单且有效的降低光纤衰减的方法。一般来说，掺杂材料的浓度越低，则瑞利散射所引起的损耗越小。通过优化芯层直径和芯包层的掺氟浓度等参数，不仅可以增大单模光纤的有效面积，而且可以有效的降低光纤中瑞利散射等造成损耗，是一种有效可靠的降低光纤衰减的方法。如专利CN102645699A即采用优化芯层直径和减少包层的掺氟浓度来达到降低衰减的目的。

另一方面，较大的有效面积会造成光纤的弯曲损耗的明显增加（包括光纤的宏弯损耗和微弯损耗），特别是在长波长区域。在光纤的成缆、实际铺设以及使用的过程中，如果光纤的抗弯曲性能不能满足要求，则信号的损耗将会变大，信号的传输质量无法得到保证。所以在光纤具有大有效面积和低衰减特点的同时，保证光纤的宏弯和微弯性能，是光纤设计和制造的一个难题。

目前,优化单模光纤的抗弯曲性能采用较多的是以下三种方法：一是调整光纤的MAC值（即光纤模场直径与截止波长的比值）。MAC值越小，则光纤的抗弯曲性能越好。然而，模场直径的减小会造成有效面积的减小，并且容易在拉丝时造成更多的缺陷而增加衰减，同时光纤的截止波长必须小于工作波长，以保证单模的工作特性，所以通过改变光纤的MAC值来改善光纤的弯曲性能的空间有限。二是可以通过内包层为下陷包层的双包层结构来改善弯曲性能，但是下陷包层有可能引起光纤的“LP01模泄漏”现象。三是通过在光纤的内包层外增加一层类似于沟槽的下陷包层（trench），在保证较大的模场直径的同时，改善光纤的弯曲性能。此方法在弯曲不敏感单模光纤（即G.657光纤）中得到普遍的应用。但在这些常规G.657光纤的剖面设计及制造方法中，芯层为Ge/F共掺，为了获得最优的宏弯性能，芯层的相对折射率一般都大于0.35%，即芯层Ge掺杂较多，因此会带来较大的瑞利散射从而增加光纤的衰减。

中国专利CN101598834B提出了一种单模光纤及其制作方法，该光纤包括芯层、功能梯度结构的内包层、下陷层和纯SiO₂玻璃包层，前三部分均使用PCVD沉积。下陷层提高了光纤的抗弯曲性能，功能梯度结构的内包层使膨胀系数逐渐增大以避免拉丝过程中产生残余应力，增强光纤的机械性能。该光纤的模场和G.657.A类光纤相同。

以上所提及的弯曲不敏感单模光纤的芯层均采用Ge或者Ge/F共掺形式进行制备。由于掺杂量较大，芯层部分粘度非常小，使得光纤容易在拉丝张力的作用下受到拉应力而造成光纤芯层剖面的畸变，也使得光纤在弯曲的状态下产生的应力分布梯度较大，从而影响抗弯曲性能。所以从光纤粘度匹配设计的机理上考虑，如果在光纤内包层部分采取两种不同粘度的材料进行组合的方式，将有利于提高抗弯曲性能和减少剖面畸变。即在靠近光纤芯层部分，设计适当宽度的Ge/F共掺第一内包层，适当提高此层的粘度，形成缓冲，承担部分拉丝张力，减少芯包层界面效应对光纤芯层的影响；然后在第一内包层和下陷包层中间，设计适当宽度的纯二氧化硅第二内包层，此层结构可以承担大部分拉丝张力，从而进一步减少光纤拉丝时的拉丝张力对光纤芯层部分的影响，并改变光纤弯曲时内部的应力分布，从而提高抗弯曲性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于在克服上述现有技术存在的不足提供一种低衰减弯曲不敏感单模光纤，进一步降低光纤衰减、提高抗弯曲性能（宏弯性能优于G.657.A1标准）并增大模场，使之与G.652.D光纤完全匹配，从而实现低衰减、大有效面积、抗弯曲性能更好的统一。

为方便介绍发明内容，定义如下术语：

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；

衬管（Tube）：管状的基底管，符合一定几何要求的纯石英玻璃管；

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；

裸光纤：指光纤中不含涂覆层的玻璃丝。

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，其特征在于所述芯层的相对折射率差Δ1为0.30%~0.38%，半径R1为3.5μm~4.5μm，芯层外有四个包层，第一包层为紧密围绕芯层的第一内包层，其相对折射率差Δ2为-0.02%~0.02%，半径R2为6.5μm~8.5μm，第二包层为紧密围绕第一内包层的第二内包层，其相对折射率差Δ3为-0.02%~0.02%，半径R3为8μm~11μm，第三包层为下陷包层，紧密围绕第二内包层，其相对折射率差Δ4为-0.5%~-0.2%，半径R4为12μm~20μm，第四包层为紧密围绕下陷包层的外包层，为纯石英玻璃层。

按上述方案，所述的芯层由掺氟（F）和锗（Ge）的石英玻璃，或掺有氟（F）及其他掺杂剂的石英玻璃组成，芯层氟（F）的贡献量ΔF为-0.06%±0.02%。

按上述方案，所述的第一内包层由掺氟（F）和锗（Ge）的石英玻璃，或纯石英玻璃组成。

按上述方案，所述的第二内包层为纯石英玻璃层，由纯石英玻璃衬管构成。

按上述方案，所述的下陷包层由掺氟（F）的石英玻璃组成。

按上述方案，所述外包层的相对折射率差Δ5为0%。

按上述方案，光纤在1310nm波长处的模场直径为8.4~9.6微米；零色散波长为1300~1324nm；光纤在零色散波长处的色散斜率小于0.092ps/nm²*km。

按上述方案，光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.335dB/km，优选条件下小于或等于0.324dB/km，在1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.335dB/km，优选条件下小于或等于0.324dB/km，1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.195dB/km，优选条件下小于或等于0.184dB/km。

按上述方案，光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。

按上述方案，光纤在1550nm波长处，对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈的弯曲附加损耗小于0.25dB，优选条件下小于或等于0.04dB/km；对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于0.75dB，优选条件下小于或等于0.075dB/km。

本发明的有益效果在于：1. 相对于常规G.652.D的光纤衰减（0.34 dB/km 1310nm；0.20 dB/km 1550nm），本发明中的光纤拥有更优的衰减性能，从而可以在干线传输中，减少建设相关基站及其他系统设备的成本。更低的衰减性能有赖于以下三个方面的因素：第一由于芯层掺F量较少，从而达到同等Δ1的掺Ge量也减少，杂质的减少使得衰减有效降低；第二，由于内包层由Ge/F共掺第一内包层和纯二氧化硅第二内包层组成，拉丝时第二内包层承担了大部分拉丝张力，减小了拉丝张力对光纤芯层和第一内包层的影响而产生的剖面畸变和界面缺陷，有效降低衰减； 第三，光信号在该光纤中传输时，有一部分模场会分布在纯二氧化硅第二内包层上，这部分光的衰减相对于内包层均为Ge/F共掺的光纤要低的多，有助于降低衰减。因此，采用匹配粘度双内包层结构的弯曲不敏感单模光纤相对于单粘度内包层结构的光纤有着更低的衰减。如图3所示，中心波长为1550nm的光信号在该光纤中传输时，其模场的一部分分布于第二内包层即高纯度二氧化硅玻璃上，相当于有14%的光能量分布于第二内包层中，如图3的阴影部分所示。这部分光信号在双内包层光纤中的衰减相比于内包层均为Ge/F共掺的光纤要低的多，使得光信号在该匹配粘度双内包层结构光纤中传输的总损耗相比于单粘度包层的光纤低0.002dB/km左右。2. 可满足甚至远优于G.657.A1标准的宏观弯曲要求，并保证光纤成缆后的衰减性能。除了光纤结构中最小相对折射率的下陷包层可在弯曲状态下有效阻止光信号的向外泄漏，使得光纤的抗弯性能包括抗宏弯性能和抗微弯性能得到保证外，粘度匹配双内包层结构通过不同粘度结构的第一内包层和第二内包层，有效的分担了光纤拉丝张力，减少了光纤拉丝张力对光纤剖面结构的影响，并且改变了光纤弯曲时的内部应力结构，使得应力梯度分布变平缓，从而有效优化了抗弯曲性能。3.同常规的G.657光纤相比较，本发明的光纤模场直径更大，其有效面积也随之增大，有利于密集波分复用（DWDM）系统的应用以及降低和常规G.652.D光纤的熔接损耗。该光纤较小的芯层相对折射率和较大的芯层半径是增大模场直径的原因。本发明能与G.652.D光纤完全匹配，从而实现低衰减、大有效面积、抗弯曲性能更好的统一。

附图说明

图1为本发明双内包层粘度匹配光纤和单粘度内包层光纤的应力剖面示意图。

图2为本发明双内包层粘度匹配光纤和单粘度内包层光纤在弯曲状态下的应力剖面示意图。

图3为本发明的大模场直径低衰减弯曲不敏感单模光纤的归一化场分布图。

图4为本发明一个实施例的径向截面示意图。图中00对应光纤的芯层，10对应光纤的第一包层，20对应光纤的第二包层，30对应光纤的第三包层，40对应光纤的第四包层。

图5为本发明的大模场直径低衰减弯曲不敏感单模光纤剖面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例的裸光纤包括有芯层和包层，芯层00由掺氟（F）和锗（Ge）的石英玻璃，或掺有氟及其他掺杂剂的石英玻璃组成，由PCVD工艺制备；围绕在芯层外有四个包层。第一内包层10紧密围绕芯层，由PCVD工艺制备的氟（F）和锗（Ge）共掺的石英玻璃组成；第二内包层20紧密围绕第一包层，为纯石英玻璃层，由高纯度石英玻璃衬管构成。下陷包层30紧密围绕第二包层，由掺氟（F）的石英玻璃组成，其相对折射率Δ4小于其它包层。第四包层40为紧密围绕第三包层的外包层。该包层为纯石英玻璃层，即相对折射率差为0%。

本实施例光纤的涂覆层采用双层涂覆工艺，拉丝速度均为1000-2000m/min，光纤的丝径为125±0.7μm。

按照上述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，并通过已知的PCVD工艺、MCVD工艺、OVD工艺或VAD工艺等芯棒制造工艺根据光纤的设计要求制造芯棒，通过套管工艺、OVD工艺或VAD工艺等外包工艺来完成整个预制棒的制造。

所拉光纤的折射率剖面使用NR-9200设备（EXFO）进行测试，光纤的折射率剖面以及掺杂材料的主要参数如表1所示。

宏弯附加损耗测试方法参照IEC 60793-1-47中规定的方法，由于长波长对弯曲更敏感，所以主要测试光纤在1550nm和1625nm波长处的弯曲附加损耗，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。

所拉光纤的主要性能参数如表2所示。

实验表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，其在1310nm波长处的模场直径可以达到9.0微米以上，为9.0~9.6微米，零色散波长在1300~1324nm范围内，零色散波长处的色散斜率保证在0.092ps/nm²*km以下，光缆截止波长保证在1260nm以下，在1550nm波长处的衰减保证在0.195dB/km以下，且光纤具有良好的抗弯曲性能，在1550nm波长处，对于围绕10mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于0.75dB；对于围绕15mm弯曲半径绕10圈的弯曲附加损耗小于0.25dB。

表1：光纤的结构和材料组成

  表2：光纤的主要性能参数

Claims (10)

1.一种低衰减弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层的相对折射率差Δ1为0.30%~0.38%，半径R1为3.5μm~4.5μm，芯层外有四个包层，第一包层为紧密围绕芯层的第一内包层，其相对折射率差Δ2为-0.02%~0.02%，半径R2为6.5μm~8.5μm，第二包层为紧密围绕第一内包层的第二内包层，其相对折射率差Δ3为-0.02%~0.02%，半径R3为8μm~11μm，第三包层为下陷包层，紧密围绕第二内包层，其相对折射率差Δ4为-0.5%~-0.2%，半径R4为12μm~20μm，第四包层为紧密围绕下陷包层的外包层，为纯石英玻璃层。

2.按权利要求1所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的芯层由掺氟（F）和锗（Ge）的石英玻璃，或掺有氟（F）及其他掺杂剂的石英玻璃组成，芯层氟（F）的贡献量ΔF为-0.06%±0.02%。

3.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的第一内包层由掺氟（F）和锗（Ge）的石英玻璃，或纯石英玻璃组成。

4.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的第二内包层为纯石英玻璃层，由纯石英玻璃衬管构成。

5.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的下陷包层由掺氟（F）的石英玻璃组成。

6.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤在1310nm波长处的模场直径为8.4~9.6微米。

7.按权利要求6所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于零色散波长为1300~1324nm；光纤在零色散波长处的色散斜率小于0.092ps/nm²*km。

8.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤在1310nm波长处的衰减系数小于或等于0.335dB/km，在1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.335dB/km，1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.195dB/km。

9.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。

10.按权利要求1或2所述的低衰耗弯曲不敏感单模光纤，其特征在于光纤在1550nm波长处，对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈的弯曲附加损耗小于0.25dB；对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于0.75dB。