CN101840023B - 一种抗弯曲多模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于接入网或小型化光器件中的抗弯曲多模光纤，包括光纤和包覆在光纤外表面的涂层，所述的光纤由具有抛物线形或阶跃形折射率剖面结构的石英玻璃芯层和围绕芯层的石英玻璃包层组成，其特征在于所述的芯层直径为20～200μm，由掺锗和氟石英玻璃材料组成，所述的包层外覆有双层固化的聚合物涂层，包覆在包层外表面的内涂层为低折射率柔性聚合物涂层，外涂层为高杨氏模量的聚合物涂层。本发明低折射率内涂层的设计避免了光纤内部应力，大大提高了光纤的机械性能，保证光纤工作在小半径弯曲状态下的使用性能和使用寿命，具有优异的抗弯曲性能，在850nm波长处，以10mm弯曲半径绕1圈导致的弯曲附加衰减小于或等于0.15dB。本发明制造方法简便有效，适用于大规模生产。

Description

一种抗弯曲多模光纤
技术领域
本发明涉及一种用于接入网或小型化光器件中的抗弯曲多模光纤，特别涉及一种具有较低弯曲附加衰减的光纤，属于光通信技术领域。
背景技术
近年来通信技术的发展和集成小型化光器件的兴起，使得应用中的多模光纤常常布设在越来越小的弯折通道并缠绕在空间越来越小的小型存储盒中，例如电讯配线箱、数据中心机柜等，这种情况下光纤就会经常遇到小角度弯曲。传统的光纤进行小角度弯曲时，靠近多模光纤芯子边界传输的高阶模很容易在光纤弯曲时从芯子泄露出去，从而造成信号损失，导致成本较高的传输中断。
抗弯曲多模光纤在弯曲性能上得到了大幅改善，可以使信号损失最小化，实现更快更高效的光缆路径、布线与安装。狭窄环境下的布线要求抗弯曲多模光纤能经受半径等于甚至小于10mm的小角度弯曲而其信号损失却远远小于传统的多模光纤。新型的抗弯曲多模光纤比铜缆更易操作与安装，从而得以在更多的地方部署光纤。
现有技术中，降低光纤弯曲附加衰减的一个有效方法是采用下陷包层的设计，即在包层中添加具有较低折射率的分层来实现约束光功率的效果。其折射率剖面主要有“壕沟型”(图1和图3所示)和“双包层型”(图2所示)等。美国专利US20080166094A1，US20090169163A1和US20090154888A1就是采用的此类设计。其设计原理为：当光纤受到小的弯曲时，从芯子泄露出去的光易被限制在内包层并返回到芯子中，从而降低了光纤宏弯附加衰减。但是，在包层中添加具有低折射率的分层，缺点是分层折射率范围受限制即难以实现低于-1.5％的分层折射率，且工艺复杂成本高昂产品均匀性差。如何保证此类光纤的光学性能一致性及长期工作在小半径弯曲状态下的使用寿命，仍然有待进一步的研究。现有的多模光纤难以满足小弯曲半径下的苛刻的光学性能和可靠性能的要求。
发明内容
为方便介绍本发明内容，定义部分术语：
芯棒：含有芯层或芯层及部分包层的石英玻璃件；
预制棒：具有合理几何及光学参数的可以熔融拉丝成为光纤的石英玻璃组件；
折射率：光从真空射入介质发生折射时，入射角的正弦值与折射角的正弦值的比值叫做介质的“绝对折射率”，简称折射率；
相对折射率差：
Figure BSA00000142494500021
ni和n0分别为各对应部分和纯石英玻璃折射率，除非另做说明，ni为各对应部分的最大折射率；
折射率剖面：用曲线图表示的光纤或光纤预制棒(包括芯棒)玻璃折射率与其半径之间的关系；
低折射率：物质折射率小于纯石英玻璃折射率的特性，称为低折射率；纯石英玻璃在589nm折射率为1.458，在630nm折射率为1.457，同一波长下折射率比纯石英玻璃低的涂料称为低折射率涂料；
半径：该层外边界与中心点之间的距离；
幂指数律折射率剖面：满足下面幂指数函数的折射率剖面，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为芯/包相对折射率差；
n 2 ( r ) = n 1 2 [ 1 - 2 &Delta; ( r a ) &alpha; ] , r < a
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种具有更低弯曲附加衰减的抗弯曲多模光纤。
本发明提出的多模光纤的技术方案为：包括光纤和包覆在光纤外表面的涂层，所述的光纤由具有抛物线形或阶跃形折射率剖面结构的石英玻璃芯层和围绕芯层的石英玻璃包层组成，其不同之处在于所述的芯层直径2R1为20～200μm，由掺锗(Ge)和氟(F)石英玻璃材料组成，所述的包层外覆有双层固化的聚合物涂层，包覆在包层外表面的内涂层为低折射率柔性聚合物涂层，外涂层为高杨氏模量的聚合物涂层。
按上述方案，所述的包层为围绕在芯层外的纯石英玻璃包层，或纯石英与掺杂石英玻璃包层的总和，最外层的石英玻璃包层直径为80μm～230μm。
按上述方案，所述的内涂层在-65℃～85℃范围内杨氏模量小于或等于10MPa，典型的杨氏模量范围是0.5MPa～2MPa，折射率(589nm波长钠黄光)范围是1.37至1.455；外涂层在-65℃～55℃范围内杨氏模量范围是500MPa～1500MPa，典型的范围是700MPa～1000MPa，折射率范围为1.47至1.78，外涂层折射率对光纤性能无明显影响。
按上述方案，所述的内涂层为紫外光固化或热固化的柔性硅橡胶涂层，内涂层的单边厚度为10μm～40μm；所述的外涂层为紫外光固化或热固化的聚丙烯酸脂涂层，外涂层的直径为160μm～260μm。
按上述方案，所述的多模光纤在850nm波长处，以10mm弯曲半径绕1圈导致的弯曲附加衰减典型值小于或等于0.15dB，甚至小于或等于0.05dB。
按上述方案，所述的芯层折射率剖面结构为抛物线形，α为1.9～2.2，相对折射率差Δ1为0.9％至1.2％，内涂层折射率范围是1.40至1.43，芯层直径为47μm～53μm。动态疲劳参数Nd等于或大于26；在850nm波长和1300nm波长具有500MHz-km以上的带宽，通过调整幂指数律折射率剖面分布，可以使优化的850nm波长窗口达到2000MHz-km甚至5000MHz-km以上的带宽。
按上述方案，所述的芯层折射率剖面结构为抛物线形，α为1.9～2.2，相对折射率差Δ1为1.8％至2.3％，芯层直径为60μm～65μm。
按上述方案，所述的芯层折射率剖面结构为阶跃形，相对折射率差Δ1为0.3％至2.2％。
本发明采用的双涂层复合结构结合了两种涂料的优点，可以提高光纤的机械性能并且最大程度地降低微弯损耗：柔性内涂层可以缓解外界对玻璃包层的压力降低微观弯曲损耗引起的光功率损失，高杨氏模量的外涂层可以承受较大的机械力，使光纤免受加工、运输、使用过程中的机械损伤。
本发明多模光纤制造方法为：将纯石英玻璃衬管固定在等离子体增强化学气相沉积(PCVD)车床上进行掺杂沉积，在反应气体SiCl4和O2中，通入含F的气体，引进F掺杂，通入GeCl4以引入Ge掺杂，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；根据所述光纤波导结构的掺杂要求，将波导结构曲线细分成数千至一万多层薄层分步沉积，通过程序控制每步混合气体中掺杂气体的流量和比例来实现具有精确折射率分布的芯层；沉积完成后，用电加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒。
将实心芯棒套入具有适宜尺寸参数的纯石英玻璃空管内即可组成制备光纤用的预制棒，或者在芯棒表面用OVD工艺沉积纯石英玻璃层作为包层再烧实成预制棒。将预制棒置于拉丝塔拉成纤维，在纤维表面涂覆内外两层聚合物涂层即成光纤。
光纤的弯曲附加衰减由宏弯附加衰减和微弯附加衰减两者组成，增加光纤的抗弯曲能力可通过减少结构引起的这两种衰减来实现。内涂层材料采用低折射率的聚合物弹性体，其低折射率的特性可以将从芯子泄露出去的光限制在石英玻璃包层并返回到芯子中，从而降低了光纤宏弯附加衰减。另一方面，其在-65℃～85℃范围内杨氏模量小于10MPa，典型的杨氏模量范围是0.5MPa～2MPa，这种特性最大限度地减小了玻璃包层与内涂层处的应力与不规则形变导致的光功率损失，降低了微弯附加衰减，从而提高了光纤的抗弯曲能力。
本发明的有益效果在于：1、低折射率内涂层的设计避免了在石英玻璃包层和芯层中引入附加应力，其低折射率的特性可以将从芯子泄露出去的光限制在石英玻璃包层并返回到芯子中，从而降低了光纤宏弯附加衰减，避免了附加应力造成的衰减和带宽损失；2、低折射率内涂层的设计避免了光纤内部应力，大大提高了光纤的机械性能，保证光纤工作在小半径弯曲状态下的使用性能和使用寿命，具有优异的抗弯曲性能；3、低折射率内涂层的设计相当于在石英玻璃包层外部引入“下陷层”，这样可以通过灵活调整涂层性质来改变“下陷层”的参数，如下陷层的直径和深度等，在拉丝工序可以实现参数的调整而不必在复杂的预制棒设计中增加不稳定因素，从而提高了拉丝制造工艺的可靠性；4、本发明制造方法简便有效，适用于大规模生产。
附图说明
图1是本发明实施例1的折射率剖面结构示意图。
图2是本发明实施例2的折射率剖面结构示意图。
图3是本发明实施例3的折射率剖面结构示意图。
图4是本发明实施例4的折射率剖面结构示意图。
图5是本发明实施例5的折射率剖面结构示意图。
图6是本发明实施例6的折射率剖面结构示意图。
图7是本发明实施例7和8的阶跃型能量传输光纤折射率剖面结构示意图。
通常涂层的折射率参数用绝对折射率来表示，附图中为了对比涂层折射率与芯层及包层的关系，标示出了涂层相对折射率差δ。附图用Δ表示石英玻璃光纤芯层或包层分层的相对折射率差。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
图1是本发明实施例1的双涂层弯曲不敏感多模光纤折射率剖面结构示意图。图中的实线部分表示石英玻璃纤芯和包层的折射率结构，虚线部分表示内、外两层涂层在光纤中的折射率结构。Δ1表示掺杂石英玻璃纤芯中心相对折射率差，该结构中石英玻璃包层的相对折射率差为0；δ1和δ2分别表示内外两层涂层的相对折射率。R1和R2分别表示光纤芯层和包层的半径，r1和r2分别表示内外两层涂层的半径。
图2是实施例2的折射率剖面结构示意图。该结构中石英玻璃包层分为3层，其中第1和第3分层为纯石英层，第2分层为下陷包层。Δ1和Δ3分别表示纤芯和下陷包层的相对折射率差；δ1和δ2分别表示内外两层涂层的相对折射率。R1、R2、R3、R4分别表示纤芯、第1包层分层纯石英层、第2包层分层即下陷包层、第3包层分层的半径，第2分层半径R3为28μm～58μm；相对折射率差Δ3为-0.50％至-0.90％。r1和r2分别表示内外两层涂层的半径。
图3是实施例3的折射率剖面结构示意图。该结构中石英玻璃包层分为2层，其中第1分层为纯石英层，第2分层为低折射率下陷包层。Δ1和Δ3分别表示纤芯和下陷包层的相对折射率；δ1和δ2分别表示内外两层涂层的相对折射率。R1、R2、R3分别表示纤芯、第1包层分层纯石英层、第2包层分层即下陷包层的半径，第2分层半径R3为28μm～63μm；相对折射率差Δ3为-0.40％至-1.00％。r1和r2分别表示内外两层涂层的半径。
图4是实施例4的折射率剖面结构示意图。该结构中石英玻璃包层分为2层，其中第1分层为低折射率下陷包层，第2分层为纯石英层。Δ1和Δ2分别表示纤芯和下陷包层的相对折射率；δ1和δ2分别表示内外两层涂层的相对折射率。R1、R2、R3分别表示纤芯、第1包层分层即下陷包层、第2包层分层的半径，第1分层半径R2为21μm～58μm；相对折射率差Δ2为-0.40％至-0.80％。r1和r2分别表示内外两层涂层的半径。
图5是实施例5的折射率剖面结构示意图。该结构中石英玻璃包层分为4层，其中第1分层为纯石英层，第2分层为低折射率下陷包层，第3分层为掺杂高折射率石英层，第4分层为纯石英层。Δ1、Δ3和Δ4分别表示纤芯、下陷包层和高折射率掺杂石英层的相对折射率，第2分层半径R3为28μm～55μm，相对折射率差Δ3为-0.40％至-1.10％，第3分层半径R4为31μm～58μm，相对折射率差Δ4为0.1％至0.8％。δ1和δ2分别表示内外两层涂层的相对折射率。R1、R2、R3、R4、R5分别表示纤芯、第1包层分层、第2包层分层即下陷包层、第3包层分层即高折射率掺杂石英层、第4包层分层即纯石英层的半径。r1和r2分别表示内外两层涂层的半径。
图6是本发明实施例6的双涂层弯曲不敏感多模光纤折射率剖面结构示意图。图中的实线部分表示石英玻璃纤芯和包层的折射率结构，虚线部分表示内、外两层涂层在光纤中的折射率结构。Δ1表示掺杂石英玻璃纤芯中心相对折射率差，该结构中石英玻璃包层的相对折射率差为0；δ1和δ2分别表示内外两层涂层的相对折射率。R1和R2分别表示光纤芯层和包层的半径，r1和r2分别表示内外两层涂层的半径。
图7是本发明实施例7和8的阶跃型能量传输光纤折射率剖面结构示意图。图中的实线部分表示石英玻璃纤芯和包层的折射率结构，虚线部分表示内、外两层涂层在光纤中的折射率结构。掺杂石英玻璃纤芯相对折射率差Δ1为0.3％至1.2％，，该结构中包层为具有低折射率的掺杂石英玻璃包层，包层为一层石英玻璃包层，包层相对折射率差Δ2为-0.1％至-1.1％。δ1和δ2分别表示内外两层涂层的相对折射率。R1和R2分别表示光纤芯层和包层的半径，r1和r2分别表示内外两层涂层的半径。
下表为上述实施例具体参数：
表1
  实施例编号   1   2   3   4   5   6   7   8
 芯层直径(μm)   50   50   50   50   50   62.5   105   200
 芯层α   1.90   2.03   2.02   2.03   2.19   1.92   -   -
  芯层折射率Δ1(％)   1.04   1.10   0.90   0.96   1.02   1.97   0.58   0.46
  包层分层数   1   3   2   2   4   1   1
  包层直径(μm) 80.5   125.4   127.0   125.0   123..0   125.9   124.8   230.5
  下陷包层相对折射率(％) 0 -0.59 -0.52 -0.44 -0.45 0 -0.57 -0.69
  内涂层直径(μm)   123   185   190   195   192   210   185   325
  外涂层直径(μm)   165   240   250   249   251   250   250   500
  内涂层折射率   1.45   1.42   1.44   1.45   1.45   1.40   1.37   1.41
  满注入带宽850nm(MHz-km) 4328 6218 2850 2296 5336 350 - -
  满注入带宽1300nm(MHz-km) 640 637 521 489 631 553 - -
  1圈10mm弯曲半径宏弯附加衰减850nm(dB) 0.02 0.03 0.01 0.02 0.01 0.02 0.02 0.01
  1圈5mm弯曲半径宏弯附加衰减850nm(dB) 0.10 0.07 0.03 0.07 0.09 0.04 0.05 0.03

Claims (11)

1.一种抗弯曲多模光纤，包括光纤和包覆在光纤外表面的涂层，所述的光纤由具有抛物线形或阶跃形折射率剖面结构的石英玻璃芯层和围绕芯层的石英玻璃包层组成，其特征在于所述的芯层直径2R1为20～200μm，由掺锗和氟石英玻璃材料组成，所述的包层外覆有双层固化的聚合物涂层，包覆在包层外表面的内涂层为低折射率柔性聚合物涂层，外涂层为高杨氏模量的聚合物涂层；所述的内涂层在-65℃～85℃范围内杨氏模量小于或等于10MPa，在589nm波长的钠黄光下折射率范围是1.37至1.455；外涂层在-65℃～55℃范围内杨氏模量范围是500MPa～1500MPa，在589nm波长的钠黄光下折射率范围为1.47至1.78。
2.按权利要求1所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的包层为围绕在芯层外的纯石英玻璃包层，或纯石英与掺杂石英玻璃包层的总和，最外层的石英玻璃包层直径为80μm～230μm。
3.按权利要求1或2所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的内涂层为紫外光固化或热固化的柔性硅橡胶涂层，内涂层的单边厚度为10μm～40μm；所述的外涂层为紫外光固化或热固化的聚丙烯酸脂涂层，外涂层的直径为160μm～260μm。
4.按权利要求1所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的芯层折射率剖面结构为抛物线形，分布指数a为1.9～2.2，相对折射率差Δ1为0.9％至1.2％，内涂层折射率范围是1.40至1.43，芯层直径为47μm～53μm；动态疲劳参数Nd等于或大于26；在850nm波长和1300nm波长具有500MHz-km以上的带宽。
5.按权利要求1所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的芯层折射率剖面结构为抛物线形，分布指数a为1.9～2.2，相对折射率差Δ1为1.8％至2.3％，芯层直径为60μm～65μm。
6.按权利要求4所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于包层分为3层，其中第1和第3分层为纯石英玻璃层，第2分层为下陷包层，第2分层半径R3为28μm～58μm，相对折射率差Δ3为-0.50％至-0.90％。
7.按权利要求4所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于包层分为2层，其中第1分层为纯石英玻璃层，第2分层为低折射率下陷包层，第2分层半径R3为28μm～63μm，相对折射率差Δ3为-0.40％至-1.00％。
8.按权利要求4所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于包层分为2层，其中第1分层为低折射率下陷包层，第2分层为纯石英玻璃层，第1分层半径R2为21μm～58μm，相对折射率差Δ2为-0.40％至-0.80％。
9.按权利要求4所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于包层分为4层，其中第1、第4分层为纯石英玻璃层，第2分层为低折射率下陷包层，第3分层为掺杂高折射率石英层，第2分层半径R3为28μm～55μm，相对折射率差Δ3为-0.40％至-1.10％，第3分层半径R4为31μm～58μm，相对折射率差Δ4为0.1％至0.8％。
10.按权利要求1所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于芯层结构为阶跃形，包层为一层石英玻璃包层，芯层相对折射率差Δ1为0.3％至1.2％，包层为具有低折射率的掺杂石英玻璃包层，包层相对折射率差Δ2为-0.1％至-1.1％。
11.按权利要求1所述的抗弯曲多模光纤，其特征在于所述的多模光纤在850nm波长处，以10mm弯曲半径绕1圈导致的弯曲附加衰减小于或等于0.15dB。
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