CN101625438B - 具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤及其制备方法，由侧面均匀开槽的中心芯棒与大套管组成的预制棒通过在拉丝塔上进行拉丝，得到孔洞的占空比η为40％到60％的弯曲不敏感的单模光纤。该光纤相对于常规G.652光纤而言，这种光纤的光缆截止波长≤1260nm，模场直径(MFD)在9.0到10.0μm之间。光纤在7.5mm和5.0mm弯曲半径下，在1625nm分别具有0.1dB/圈和0.2dB/圈甚至更小的弯曲附加损耗。该光纤因具有极低的因弯曲而引起的光损耗，特别适合于光纤在小弯曲半径下的使用，如应用于光纤到户(FTTH)工程或者小型化的光器件中。

Description

具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在光纤通信领域，特别是“光纤到户”或小型化光器件中使用的一种具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤及其制造方法。
背景技术
随着光纤到户(FTTH)的发展，光纤的铺设越来越接近终端的用户。在考虑到光纤在家庭及办公室内的铺设时，要求光纤具有与普通G.652光纤不同的传输特性，特别是要求光纤具有良好的抗弯曲性能。因为光纤在室内的铺设过程中会遇到10mm、7.5mm甚至5mm这种非常小的弯曲半径，所以光纤必须具有在极小的弯曲半径的情况下，产生的附加损耗很低的性能。在小型化的光器件中，同样要求光纤在小弯曲半径下具有低的附加损耗值，以降低光纤所占的空间。
目前出现的弯曲不敏感单模光纤，主要通过设计不同于G.652光纤的波导结构或者在G.652光纤的波导结构上进行改进，来达到降低弯曲损耗的目的。
要使光纤达到优异的抗弯曲性能，通常的解决方法是提高光纤的数值孔径和降低光纤的模场直径(MFD)。如专利US2007/007016A1、CN1971321A和CN1942793A就是采用的此类方法，但模场直径如果过小，在它与常规单模光纤连接时会带来较大的接续损耗，且限制了入纤功率。再如中国专利(公开号：CN1971321)描述了申请人浙江富通提出的一种低弯曲损耗的超细低水峰单模光纤。该光纤具有与G.652光纤相似的简单的阶跃型光纤波导结构，同时可以保证光纤在7.5mm弯曲半径下具有低的弯曲损耗，可以保证光纤在小弯曲半径下的使用性能。然而该光纤的模场直径与G.652光纤的差异较大，并且光纤的玻璃部分外径为80μm，不同于常规的G.652光纤的125μm外径，这样就会造成与G.652光纤严重的不匹配的问题，造成与G.652光纤的连接损耗的增大。
研究表明，采用空气包层的结构设计，可提高光纤的抗弯曲性能，美国专利US6771865描述了申请人美国康宁提出的一种具有改进了的弯曲性能的光纤，但由于该类光纤的制造成本偏高，不利于推广使用。
发明内容
本发明的目的为了克服上述现有技术存在的问题及缺点，提供一种具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤及其制造方法，解决空气包层的规模化生产问题，在保持光纤大有效面积的同时，使其具有优异的抗弯曲性能，且本发明具有低的制造成本，适合大规模生产。
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预制件；
a：光纤芯棒芯层直径，单位为毫米(mm)；
b：光纤芯棒直径，单位为毫米(mm)；
套管：符合一定几何要求的高纯石英玻璃管；
中心芯棒：可放入套管内，与套管组成组合体作为预制棒用以拉丝的芯棒；
开槽工艺：使用用于开槽的机械设备，在玻璃件上实现侧面槽沟结构的一种工艺；
槽深：开槽中心芯棒所开槽沟底部离顶端的距离，用h表示，单位为mm；
低水峰光纤芯棒：匹配纯石英外包层后可拉制成水峰1383±3nm处衰减不大于0.4dB/km的光纤的芯棒；
相对折射率差：Δn＝[(n1 2-n0 2/2n1 2]×100％，n1和n0分别为两种玻璃材料的折射率；
CSA(Cross Section Area)：横截面积，单位为平方毫米(mm2)；
孔洞的占空比η：η＝CSA_孔洞/CSA_第二包层环*100％，其中CSA_孔洞，即所有孔洞的横截面积的和，即CSA_孔洞＝单个孔洞的横截面积*孔洞个数，而CSA_第二包层环＝π*(第二包层外径2-第二包层内径2)/4；
RIC(Rod In Cylinder)工艺：将中心芯棒和大套管经过处理：包括拉锥、延长、腐蚀、清洗和干燥等后，将组合芯棒插入大套管中所组成的大尺寸光纤预制棒的制造工艺。
本发明的目的可通过下述技术方案来实现：
具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤由匹配包层结构的光纤芯层及第一包层、具有孔洞结构的光纤第二包层和外包层组成，所述的匹配包层结构的光纤芯层及光纤第一包层的掺杂材料为锗和氟，光纤芯层的半径r1为4.2到4.7μm，与所述光纤第一包层的相对折射率差Δ为0.33％到0.36％，光纤第一包层的半径r2为9.5到13μm，2.1≤r2/r1≤2.8；具有孔洞结构的光纤第二包层所在的环状结构的外径r3为14到18μm，环内含空气的孔洞，空气的绝对折射率等于1，孔洞的占空比η为40％到60％；外包层为高纯石英玻璃，绝对折射率为1.4575，且该包层半径为62-63μm。
光纤在1310nm处的模场直径为9.0到10.0μm。
光纤的光缆截止波长≤1260nm。
在1625nm波长处，光纤在7.5mm弯曲半径一圈的情况下，弯曲附加损耗≤0.1dB。
在1625nm波长处，光纤在5.0mm弯曲半径一圈的情况下，弯曲附加损耗≤0.2dB。
具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、先制备低水峰光纤芯棒，使得光纤芯棒的直径减去2倍的槽深与芯层直径比值(b-2h)/a为2.1～2.8，低水峰光纤芯棒可由等离子体气相管内沉积法PCVD工艺、改进的管内化学气相沉积法MCVD工艺、轴向化学气相沉积法VAD工艺和外部化学沉积气相法OVD中的任意一种方法制得；(2)、利用机械加工设备，将上述得到的低水峰光纤芯棒的表面沿其轴向开槽，各槽在周向上均匀分布，使得槽的个数与槽的槽深h满足以下关系：槽的个数*h/[π*(b-h)]为40％～60％，即槽的个数为η*π*(b-h)/h，得到具有芯层以及含槽沟结构的部分包层的中心芯棒；(3)、将中心芯棒和作为外包层的大套管组合成预制棒，中心芯棒和大套管的配合间隙控制在0.3mm-0.5mm；(4)、在拉丝塔上将预制棒进行拉丝，且控制预制棒管内的压力为800-950mbar，来保证组合芯棒的侧面的槽沟结构在拉丝后成为光纤的第二包层中的孔洞，允许其适当收缩并且保证其形状，避免出现孔洞坍塌或膨胀的情况。拉丝的光纤与预制棒相比，基本上按等比例缩小，光纤的折射率剖面相同或相似于预制棒的折射率剖面。为便于沿芯棒表面沿其轴向开槽的机械加工，光纤芯棒的外径b为20-60mm，开槽后再延伸成和套管匹配的中心芯棒。
本发明的光纤因为具有极低的因弯曲而引起的光损耗，特别适合于光纤在小弯曲半径下的使用，如应用于光纤到户(FTTH)工程或者小型化的光器件中，同时该光纤保持了与G.652光纤的兼容。
附图说明
图1为本发明的光纤的截面示意图。
图2为本发明的光纤的等效折射率剖面的示意图
图3为本发明的芯棒、开槽后的中心芯棒、大套管以及三者组装后的预制棒的截面示意图。
图4为本发明的预制棒的示意图。
图中：1为光纤的芯层，2为匹配型的第一包层，3为第二包层，4为第二包层中的孔洞，5为外包层，6为芯棒，7为芯棒的芯层，8为侧面开槽后的中心芯棒，9为大套管，10为中心芯棒与大套管的组合体，11为大套管的延长管，12为中心芯棒的延长棒，13为RIC预制棒的堵头，14为气压控制口。
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。
以PCVD工艺制备G.652低水峰光纤芯棒，在其表面沿其轴向方向开近似正方形(由于芯棒为圆柱形，因此槽的外沿一边为弧形，)槽得到侧面开槽的中心芯棒，各槽在周向上呈均匀分布；经清洗、干燥后采用RIC工艺与高纯石英管组装成RIC工艺预制棒，预制棒的主要参数如表1所示；将RIC预制棒直接拉丝，采用单模光纤生产用光纤涂覆材料，拉丝速度为800米/分钟，光纤的丝径为125±0.7μm，控制RIC内压力为800-950mbar。用显微镜分析光纤的端面确认光纤中空气包层的位置和占空比，利用NR9200分析光纤的折射率剖面。所拉光纤的结构和主要性能参数分别如表2和表3所示。
表1.RIC预制棒的基本参数
表2.所拉光纤的结构
  序号   Δ(％)   芯径2r1(μm)   第一包层直径2r2(μm)   第二包层直径2r3(μm)   孔洞的占空比η
  1   0.332   8.4   21.0   30   56.2％
  2   0.345   8.6   19.8   28   54.8％
  3   0.351   8.8   18.5   32   51.2％
  4   0.352   9.0   21.6   29   41.9％
  5   0.357   9.2   20.2   28   61.4％
  6   0.362   9.4   26.3   36   44.5％
表3.所拉光纤的主要性能
Figure G2009100635846D00051
表3说明按发明内容所制造的光纤在模场直径、截止波长和色散等方面完全符合ITU-TG.652标准的要求，发明光纤与G.652光纤是兼容的。光纤的模场直径主要由r1的大小控制。根据现有的专利和论文，采用掺氟下陷包层结构的弯曲不敏感单模光纤，在增大光纤模场直径的同时，很难进一步的保持或优化光纤的抗弯曲性能，同时考虑到要兼顾光纤的色散特性，更难达到三者间的一个理想的平衡。而根据本发明的技术方案，光纤在保持大模场直径的同时，可以具有优异的抗弯曲性能，同时保证光纤的色散性能在G.652光纤的标准要求的范围内。尤其是采用本发明的制造方法，侧面开槽工艺简单易行，适合规模化生产。

Claims (7)

1.具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于：由匹配包层结构的光纤芯层及第一包层、具有孔洞结构的光纤第二包层和外包层组成，所述的匹配包层结构的光纤芯层及光纤第一包层的掺杂材料为锗和氟，光纤芯层的半径r1为4.2到4.7μm，与所述光纤第一包层的相对折射率差Δ为0.33％到0.36％，光纤第一包层的半径r2为9.5到13μm，2.1≤r2/r1≤2.8；具有孔洞结构的光纤第二包层，光纤第二包层所在的环状结构的外径r3为14到18μm，环内含空气孔洞，孔洞的形状为不规则的闭合曲线，孔洞的占空比η为40％到60％；外包层为高纯石英玻璃，绝对折射率为1.4575，且该包层半径为62-63μm，所述的相对折射率差Δ：Δn＝[(n1 2-n0 2)/2n1 2]×100％，n1和n0分别为两种玻璃材料的折射率；所述的孔洞的占空比η∶η＝CSA_孔洞/CSA_第二包层环*100％，其中CSA_孔洞，即所有孔洞的横截面积的和，即CSA_孔洞＝单个孔洞的横截面积*孔洞个数，而CSA_第二包层环＝π*(第二包层外径2-第二包层内径2)/4。
2.根据权利要求1所述的具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于：光纤在1310nm处的模场直径为9.0到10.0μm。
3.根据权利要求1所述的具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于：光纤的光缆截止波长≤1260nm。
4.根据权利要求1所述的具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于：在1625nm波长处，光纤在7.5mm弯曲半径一圈的情况下，弯曲附加损耗≤0.1dB。
5.根据权利要求1所述的具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于：在1625nm波长处，光纤在5.0mm弯曲半径一圈的情况下，弯曲附加损耗≤0.2dB。
6.具有大有效面积的弯曲不敏感单模光纤的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、先制备外径b为20-60mm的低水峰光纤芯棒，使得光纤芯棒的外径b减去2倍的槽深h与芯层直径a比值(b-2h)/a为2.1～2.8，低水峰光纤芯棒由等离子体气相管内沉积法PCVD工艺、改进的管内化学气相沉积法MCVD工艺、轴向化学气相沉积法VAD工艺和外部化学沉积气相法OVD中的任意一种方法制得；(2)、利用机械加工设备，将上述得到的低水峰光纤芯棒的表面沿其轴向开槽，各槽在周向上均匀分布，使第二空气包层的占空比η为40％～60％，槽的个数为η*π*(b-h)/h，得到具有芯层以及含槽沟结构的部分包层的中心芯棒；(3)、将中心芯棒和作为外包层的大套管组合成预制棒，中心芯棒和大套管的配合间隙控制在0.3mm-0.5mm；(4)、在拉丝塔上将预制棒进行拉丝，且控制预制棒管内的压力为800-950mbar。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：采用芯棒外径b为20-30mm，开槽后再延伸成和套管匹配的中心芯棒。
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