CN102354019B - 弯曲不敏感微结构光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯曲不敏感微结构光纤及其制造方法，弯曲不敏感微结构光纤包括掺锗的纤芯和覆盖在纤芯外围的石英包层，纤芯周围均匀分布有12个空气孔。方法包括步骤：利用制棒设备制备掺锗的纤芯；将12根石英管沿纤芯外围的圆周方向均匀排列，12根石英管的尾端固定，形成聚束的纤芯加石英管结合的一体棒；在一体棒的外围套上石英套管，形成弯曲不敏感微结构光纤预制棒；利用光纤拉丝塔，将弯曲不敏感微结构光纤预制棒拉制成弯曲不敏感微结构光纤。本发明能够有效克服实际制造过程中微孔不对称性带来的弯曲损耗效果不佳的问题，并且能提供更好的小弯曲半径低损耗特性。

Description

弯曲不敏感微结构光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及光通信领域中的微结构光纤，特别是涉及一种弯曲不敏感微结构光纤及其制造方法。

背景技术

为了便于理解本发明的内容，首先简要介绍本发明所涉及术语的定义：

沉积：光纤原材料在一定的环境下发生化学反应生成掺杂的石英玻璃的工艺过程。

熔缩：将沉积后的空心玻璃管在一定的热源下逐渐烧成实心玻璃棒的工艺过程。

套管：满足一定截面积和尺寸均匀性的高纯石英玻璃管。

基管：用于沉积的高纯石英玻璃管。

折射率剖面(RIP)：光纤或光纤预制棒(包括光纤芯棒)的折射率与其半径之间的关系曲线。

绝对折射率差(δn)：光纤预制棒中各个部分的折射率与纯石英玻璃折射率的差。

相对折射率(Δ％)：

其中n_i为第i层光纤材料的折射率，n₀为纯石英玻璃的折射率。

有效面积：

E为与传播有关的电场，r为光纤半径。

总色散：光纤波导色散与材料色散的代数和。

色散斜率：色散对波长的依赖性。

PMD：光纤的偏振模色散。

PCVD：等离子化学气相沉积。

MCVD：改进的化学气相沉积。

VAD：轴向气相沉积。

宽带光纤接入技术是公认的最为理想的宽带综合接入技术，具有带宽大、传输距离远、不受干扰、容易维护、可靠性高等诸多显著优点，因此近年来越来越受到整个电信业的普遍关注，在关键技术的突破和推广应用等方面均取得长足进展，成为当前光纤通信领域发展的热点。各国电信运营商纷纷把关注的目光投向了光纤到户(FTTH)，都计划利用光纤这一迄今为止最好的传输媒质来突破接入的“瓶颈”。

小弯曲环境下的光纤弯曲损耗增大是制约光纤到户市场发展的技术问题。常规通信光纤无法实现现有高速光纤通信系统下的小弯曲损耗的光信号的信息传输；常规G.657光纤在极小弯曲直径(5mm以下)损耗较大，不能够任意弯曲，在复杂而狭小的终端用户环境中的应用受到限制，因此，迫切需要开发出新型的超高抗弯能力的前沿光纤技术。

微结构光纤具备各种新颖而杰出的光学特性，并且具备设计灵活、制备方便的优点，因此，微结构光纤备受国内外科学界与技术界的广泛关注，并制备出各种结构与优良功能的微结构光纤，在40G高速光通信与光纤到桌面(FTTD)等领域已经获得初步应用。

常规单模光纤为了提高光纤抗弯能力，一般都是采用纤芯高掺锗，从而提高光纤纤芯与光纤包层的折射率差，从而将基模的光场严格地限制在光纤纤芯中，降低单模光纤的弯曲损耗。微结构光纤则是在光纤的包层中引入折射率较低的空气微孔，光纤包层的有效折射率降低，并且调整空气孔的分布达到调整各种模式在光纤中的分布，最终限制基模，抑制高阶模，达到提高微结构光纤的抗弯曲损耗能力。

目前常见的弯曲不敏感微结构光纤有两种，参见图1所示，一种为三孔结构的弯曲不敏感微结构光纤，参见图2所示，另一种为六孔结构的弯曲不敏感微结构光纤。这两种微结构光纤的最优性能体现在其弯曲损耗较低。其在1550nm的弯曲损耗仅为常规单模光纤的1/500，可用于制造室内缆。但是，由于孔状结构在实际制备过程中存在不均匀分布的实际问题，因此，这两种结构的微结构光纤都面临着光纤的偏振模色散特性难以有效控制的问题。

图1所示的三孔结构的弯曲不敏感微结构光纤，包含一个掺锗的纤芯1，和在纤芯1周围呈三角形分布的三个空气孔2，以及包裹纤芯1和三个空气孔2的石英包层3，从而将基模严格限制在光纤纤芯中，而高阶模则处于空气孔之外。这种结构很简单，容易实现，但是带来的问题就是空气孔2在制造过程中，三孔中有任一孔偏差一个微小的角度，都将造成芯周围约束不一致对称的问题，难以实现良好的一致性和对称性，从而不仅影响光纤的弯曲损耗特性的效果和稳定，而且会造成光纤的偏振模色散特性的不良，不利于在高速光纤通信系统中应用。

图2所示的六孔结构的弯曲不敏感微结构光纤，在掺锗的纤芯1的外围适当位置引入一圈正六边形分布的6个空气孔2，再由石英包层3包围，从而降低光纤包层的有效折射率，提高光纤的抗弯能力。这种结构大幅改善了空气孔不一致和不对称形带来的光纤弯曲损耗特性效果不好以及弯曲损耗不稳定的问题，当有一孔偏差微小角度时，其所产生的不一致对称问题得到了减轻。

但是，由于6孔间每两孔间以纤芯1中心原点为顶点的间隔角度仍达到60°，此时任何一孔相对自身10％的偏差就将带来相邻两孔间接近12°的偏差，而这12°的偏差占到整个圆周360度的约3.3％。而常规通信光纤的偏差通常在2％以内，因此这将会影响光纤的弯曲损耗和偏振模特性。因此，两孔间的不一致对称问题仍将对光纤的模式约束产生影响。这种因实际制造过程中产生的孔分布不一致对称问题会影响对光纤中光的基模传输的有效约束，造成某一方向的约束不够，形成偏振损耗，严重的将对光纤的弯曲损耗特性造成不良影响，从而限制了光纤的应用效果。由于微孔通常由毛细管拉制而成，10％的偏差在毛细管制备过程中是很可能出现的。这也是这种微结构光纤难以实现3mm以下的良好弯曲特性以及难以在高速光纤通信系统中得到广泛应用的关键原因之一。

综上所述，弯曲不敏感光纤不仅需满足常规通信单模光纤的各项技术指标，而且还要满足小弯曲半径条件下的低损耗特性指标的要求，因此，微结构光纤中因微孔不一致问题带来的光纤PMD特性难以达到高速光纤通信要求的问题、因微孔圆周方向上的难以实现理想对称造成的基模约束不对称，而带来的小弯曲损耗特性不够好以及不够稳定的问题、及多孔结构下的微结构光纤的制造问题，即如何降低因微结构光纤制造过程中难以保持良好一致性的现实问题带来的不良影响，从而有效提高弯曲不敏感微结构光纤的整体光学传输性能，成为亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种弯曲不敏感微结构光纤及其制造方法，能够有效克服实际制造过程中微孔不对称性带来的弯曲损耗效果不佳的问题，并且能提供更好的小弯曲半径低损耗特性。

本发明提供的弯曲不敏感微结构光纤，它包括掺锗的纤芯和覆盖在所述纤芯外围的石英包层，所述纤芯周围均匀分布有12个空气孔，所述12个空气孔中心的连线构成正十二边形，所述12个空气孔的孔径相同，为15.0μm；所述12个空气孔中心与纤芯中心的距离相同，为40.0μm；所述纤芯采用VAD工艺制备，所述纤芯直径为20.0μm，相对折射率差为1.0％；所述石英包层的外围涂有涂层，所述涂层为紫外光固化的丙烯酸树脂涂层或热固化的聚酰亚胺涂层；采用”芯棒制备+毛细管聚束+套管法”的三步法工艺来制造弯曲不敏感微结构光纤预制棒，并将之在拉丝塔上拉制成弯曲不敏感微结构光纤，该弯曲不敏感微结构光纤以3mm直径弯曲一圈情况下的1550nm波长的附加损耗为0.11dB，1625nm波长的附加损耗为0.15dB，以5mm直径弯曲一圈情况下的1550nm波长的附加损耗为0.098dB，1625nm波长的附加损耗为0.102dB，1550nm波长的衰减为0.291dB/km，1625nm波长的衰减为0.285dB/km，该弯曲不敏感微结构光纤的偏振模色散为0.042ps/km^1/2。

本发明提供的弯曲不敏感微结构光纤的制造方法，包括以下步骤：

A、利用制棒设备、采用VAD工艺制备掺锗的纤芯：将直径为40mm的靶棒安置在VAD沉积车床上，四氯化硅和四氯化锗与高纯氧气的混合气体，在氢氧焰高温下，生成掺锗的纤芯，混合气体的总流量为12000ml/min，芯棒的沉积速率为8g/min，形成掺锗芯棒，芯棒的直径为30mm，其中掺锗的芯层直径为10mm，掺锗芯层与纯石英玻璃的相对折射率差为1.0％；

B、将12根外径为10mm、内孔直径为7.5mm的石英管沿纤芯外围的圆周方向均匀排列一周，形成12个空气孔，12个空气孔中心的连线构成正十二边形，12根石英管的尾端固定，形成聚束的纤芯加12根石英管结合的一体棒；

C、在所述一体棒的外围套上外径为63mm、内径为51mm的石英套管，形成石英包层，制成弯曲不敏感微结构光纤预制棒；所述石英包层的外围涂有涂层，所述涂层为紫外光固化的丙烯酸树脂涂层或热固化的聚酰亚胺涂层；

D、利用光纤拉丝塔，将所述弯曲不敏感微结构光纤预制棒拉制成弯曲不敏感微结构光纤：将弯曲不敏感微结构光纤预制棒放置到拉丝塔上，在2200℃的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层直径为192微米、外涂层直径为245微米、掺锗纤芯直径为20微米、微孔直径为15微米、孔与纤芯距40微米的弯曲不敏感微结构光纤；

采用”芯棒制备+毛细管聚束+套管法”的三步法工艺来制造弯曲不敏感微结构光纤预制棒，并将之在拉丝塔上拉制成弯曲不敏感微结构光纤，该弯曲不敏感微结构光纤以3mm直径弯曲一圈情况下的1550nm波长的附加损耗为0.11dB，1625nm波长的附加损耗为0.15dB，以5mm直径弯曲一圈情况下的1550nm波长的附加损耗为0.098dB，1625nm波长的附加损耗为0.102dB，1550nm波长的衰减为0.291dB/km，1625nm波长的衰减为0.285dB/km，该弯曲不敏感微结构光纤的偏振模色散为0.042ps/km^1/2。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明在掺锗纤芯周围的适当位置呈正十二边形分布有12个空气孔，可以实现光纤的PMD在0.042ps/km^1/2，实现了一种良好的可以克服制造过程带来的微孔不一致性造成的光纤偏振模色散特性问题的微结构光纤结构。

(2)本发明通过12孔结构的协调有效克服实际制造过程中微孔不对称性带来的弯曲损耗效果不佳的问题，并且能提供更好的小弯曲半径低损耗特性。

(3)本发明通过将传统光纤制棒工艺与微结构光纤拉制的毛细管聚束工艺有机结合，实现了弯曲不敏感微结构光纤预制棒的可靠制备，并利用拉丝塔可靠的拉制出弯曲不敏感微结构光纤，形成了一种简便可靠的微结构光纤制造方法。

(4)本发明方法制备的弯曲不敏感微结构光纤，具备极强的抗弯曲能力，光纤以3mm直径弯曲一圈情况下的1550nm波长的附加损耗小于0.15dB，1625nm波长的附加损耗小于0.2dB，光纤的偏振模色散小于0.1ps/km^1/2。

(5)本发明方法制备的弯曲不敏感微结构光纤，具有很小的弯曲损耗，同时具有良好的常规光纤的光传输特性和机械特性，可以在对光纤的弯曲损耗要求很高的FTTH等光纤到户上具有良好的应用前景。

附图说明

图1为三孔微结构光纤的主视图。

图2为六孔微结构光纤的主视图。

图3为本发明实施例中十二孔微结构光纤的主视图。

图4为本发明实施例中十二孔微结构光纤预制棒的立体结构示意图。

图中：1-纤芯，2-空气孔，3-石英包层，4-石英管，5-石英套管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图3所示，本发明实施例提供的弯曲不敏感微结构光纤，包括掺锗的纤芯1和覆盖在纤芯1外围的石英包层3，纤芯1直径的长度在5.0～20.0μm之间，相对折射率差在0.25％～1.0％之间。石英包层3的外围涂有紫外光固化的丙烯酸树脂涂层或热固化的聚酰亚胺涂层。纤芯1周围均匀分布有12个空气孔2，12个空气孔2中心的连线构成正十二边形。12个空气孔2的孔径相同，且在5.0～15.0μm之间。12个空气孔2中心与纤芯1中心的距离相同，在20.0～40.0μm之间。12个空气孔2任意两孔的中心与纤芯1中心连线的夹角在20～40度之间，最好是30度。

本发明实施例提供的弯曲不敏感微结构光纤的制造方法，包括以下步骤：

A、采用轴向气相沉积VAD工艺、等离子化学气相沉积PCVD工艺或者改进的化学气相沉积MCVD工艺，利用制棒设备制备掺锗的纤芯1；

B、将12根石英管4沿纤芯1外围的圆周方向均匀排列，12根石英管4中心的连线构成正十二边形，12根石英管4的尾端固定，形成聚束的纤芯1加12根石英管4结合的一体棒；

C、在一体棒的外围套上石英套管，形成弯曲不敏感微结构光纤预制棒；

D、利用光纤拉丝塔，将弯曲不敏感微结构光纤预制棒拉制成弯曲不敏感微结构光纤。

本发明实施例的设计原理详细阐述如下：

本发明实施例在掺锗的纤芯周围引入一圈以其为中心的呈圆形分布的12个空气孔，然后由石英包层包围。这样，两孔间隔角度不到30°，任一微孔自身不超过10％的偏差，将带来相邻两孔间接近6°的偏差，而这6°的偏差占到整个圆周360度的约1.7％，已经优于常规通信光纤的一般制造偏差。因此，本发明实施例能有效克服制造过程中带来的不一致和不对称等不良影响，充分保障光纤的弯曲损耗特性及其稳定性，并可以提供良好的光纤偏振模特性。

由于本发明实施例设计了一种12孔结构的微结构光纤，较常用的6孔结构微结构光纤多出了6个孔，因此本发明实施例面临多孔结构下的微结构光纤的制造问题。

本发明实施例采用”芯棒制备+毛细管聚束+套管法”的三步法工艺来制造弯曲不敏感微结构光纤预制棒，并将之在拉丝塔上拉制成弯曲不敏感微结构光纤。首先利用制棒设备制备掺锗的纤芯，在其周围聚束12根石英管，这些石英管的尺寸与纤芯相匹配，这样正好可以完整的呈圆周方向将纤芯的外圆全部包围，然后在由纤芯和12根石英管组成的整体外套上一个与之相匹配的石英套管，从而构成需要的弯曲不敏感微结构光纤预制棒，然后将该预制棒利用光纤拉丝塔拉制成弯曲不敏感微结构光纤。

下面通过3个具体实施例说明12孔结构的微结构光纤的制造方法。

实施例1

将直径为40mm的靶棒安置在VAD沉积车床上，四氯化硅和四氯化锗与高纯氧气的混合气体，在氢氧焰高温下，生成掺锗的石英玻璃芯层，即图4中的纤芯1，混合气体的总流量为12000ml/min，芯棒的沉积速率为8g/min，形成掺锗芯棒，芯棒的直径为30mm，其中掺锗的芯层直径为10mm，掺锗芯层与纯石英玻璃的相对折射率差为1.0％。

参见图4所示，将12根外径为10mm、内孔直径为7.5mm的高纯石英管4沿芯棒(即图4中的纤芯1)外沿均匀排列一周，形成图3中12个的空气孔2，尾端固定，形成聚束的纤芯加12根石英管结合的一体棒。为拉制成掺锗纤芯直径为20微米，微孔直径为15微米，孔与纤芯距40微米的弯曲不敏感光纤，在一体棒外围套上一个外径为63mm、内径为51mm的石英套管5，形成图3中的石英包层3，制成弯曲不敏感微结构光纤预制棒。

将弯曲不敏感微结构光纤预制棒放置到拉丝塔上，在2200℃左右的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层直径为192微米、外涂层直径为245微米的弯曲不敏感微结构光纤，经过测试其主要指标参见表1。

表1、实例1制造的弯曲不敏感微结构光纤的关键技术指标

实施例2

将外直径为35mm、内直径31mm纯石英玻璃基管安置在PCVD沉积车床上，通入四氯化硅和四氯化锗与高纯氧气的混合气体，混合气体的总流量为9200ml/min，在12.1kW微波的作用下在石英基管的内部沉积掺锗的石英芯层，石英管内压力为10.5mbar，沉积速率为4.8g/min，沉积5mm厚的掺锗二氧化硅芯区，然后在PCVD成棒车床上，熔缩形成掺锗芯棒，形成图4中的纤芯1，芯棒的直径为32mm，其中掺锗的芯层直径为12.2mm，掺锗芯层与纯石英玻璃的相对折射率差为0.61％。

参见图4所示，将12根外径为12.5mm、内孔直径为9.5mm的高纯石英管沿芯棒外沿均匀排列一周，形成图3中的12个的空气孔2，尾端固定，形成聚束的芯棒加石英管结合的一体棒。为拉制成掺锗纤芯直径为12.5微米，微孔直径在10微米，微孔距纤芯30微米的弯曲不敏感微结构光纤，在一体棒外围套上一个外径为120mm、内径为58mm的石英套管5，形成图3中的石英包层3，制成弯曲不敏感微结构光纤预制棒。

将其放置到拉丝塔上，在2200℃左右的高温下，拉丝成外径为125微米、内涂层直径为192微米、外涂层直径为245微米的弯曲不敏感微结构光纤，经过测试其主要指标参见表2。

表2、实例2制造的弯曲不敏感微结构光纤的关键技术指标

实施例三：

将外直径为25mm、内直径21mm纯石英玻璃基管安置在MCVD沉积车床上，通入四氯化硅和四氯化锗与高纯氧气的混合气体，混合气体的总流量为10200ml/min，在氢氧焰高温下在石英基管的内部沉积掺锗的石英芯层，沉积速率为1.8g/min，沉积2.5mm厚的掺锗二氧化硅芯区，然后熔缩形成掺锗芯棒，形成图4中的纤芯1，芯棒的直径为21mm，其中掺锗的芯层直径为5mm，掺锗芯层与纯石英玻璃的相对折射率差为0.25％。

参见图4所示，将12根外径为7mm、内孔直径为5mm的高纯石英管沿芯棒外沿均匀排列一周，形成图3中的12个的空气孔2，尾端固定，形成聚束的芯棒加石英管结合的一体棒。为形成掺锗纤芯直径在5微米，微孔直径在5微米，微孔与纤芯距离在20微米的弯曲不敏感微结构光纤，在一体棒外围套上一个外径为125mm、内径为36mm的石英套管5，形成图3中的石英包层3，制成弯曲不敏感微结构光纤预制棒。

将其放置到拉丝塔上，在2200℃左右的高温下，拉丝成外径为125微米、内涂层直径为192微米、外涂层直径为245微米的弯曲不敏感微结构光纤，经过测试其主要指标参见表3。

表3、实例3制造的弯曲不敏感微结构光纤的关键技术指标

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种弯曲不敏感微结构光纤，它包括掺锗的纤芯(1)和覆盖在所述纤芯(1)外围的石英包层(3)，其特征在于：所述纤芯(1)周围均匀分布有12个空气孔(2)，所述12个空气孔(2)中心的连线构成正十二边形，所述12个空气孔(2)的孔径相同，为15.0μm；所述12个空气孔(2)中心与纤芯(1)中心的距离相同，为40.0μm；所述纤芯(1)采用VAD工艺制备，所述纤芯(1)直径为20.0μm，相对折射率差为1.0％；所述石英包层(3)的外围涂有涂层，所述涂层为紫外光固化的丙烯酸树脂涂层或热固化的聚酰亚胺涂层；采用”芯棒制备+毛细管聚束+套管法”的三步法工艺来制造弯曲不敏感微结构光纤预制棒，并将之在拉丝塔上拉制成弯曲不敏感微结构光纤，该弯曲不敏感微结构光纤以3mm直径弯曲一圈情况下的1550nm波长的附加损耗为0.11dB，1625nm波长的附加损耗为0.15dB，以5mm直径弯曲一圈情况下的1550nm波长的附加损耗为0.098dB，1625nm波长的附加损耗为0.102dB，1550nm波长的衰减为0.291dB/km，1625nm波长的衰减为0.285dB/km，该弯曲不敏感微结构光纤的偏振模色散为0.042ps/km^1/2。

2.如权利要求1所述的弯曲不敏感微结构光纤的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

A、利用制棒设备、采用VAD工艺制备掺锗的纤芯(1)：将直径为40mm的靶棒安置在VAD沉积车床上，四氯化硅和四氯化锗与高纯氧气的混合气体，在氢氧焰高温下，生成掺锗的纤芯(1)，混合气体的总流量为12000ml/min，芯棒的沉积速率为8g/min，形成掺锗芯棒，芯棒的直径为30mm，其中掺锗的芯层直径为10mm，掺锗芯层与纯石英玻璃的相对折射率差为1.0％；

B、将12根外径为10mm、内孔直径为7.5mm的石英管(4)沿纤芯(1)外围的圆周方向均匀排列一周，形成12个空气孔(2)，12个空气孔(2)中心的连线构成正十二边形，12根石英管(4)的尾端固定，形成聚束的纤芯(1)加12根石英管(4)结合的一体棒；

C、在所述一体棒的外围套上外径为63mm、内径为51mm的石英套管(5)，形成石英包层(3)，制成弯曲不敏感微结构光纤预制棒；所述石英包层(3)的外围涂有涂层，所述涂层为紫外光固化的丙烯酸树脂涂层或热固化的聚酰亚胺涂层；

D、利用光纤拉丝塔，将所述弯曲不敏感微结构光纤预制棒拉制成弯曲不敏感微结构光纤：将弯曲不敏感微结构光纤预制棒放置到拉丝塔上，在2200℃的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层直径为192微米、外涂层直径为245微米、掺锗纤芯直径为20微米、微孔直径为15微米、孔与纤芯距40微米的弯曲不敏感微结构光纤；

采用”芯棒制备+毛细管聚束+套管法”的三步法工艺来制造弯曲不敏感微结构光纤预制棒，并将之在拉丝塔上拉制成弯曲不敏感微结构光纤，该弯曲不敏感微结构光纤以3mm直径弯曲一圈情况下的1550nm波长的附加损耗为0.11dB，1625nm波长的附加损耗为0.15dB，以5mm直径弯曲一圈情况下的1550nm波长的附加损耗为0.098dB，1625nm波长的附加损耗为0.102dB，1550nm波长的衰减为0.291dB/km，1625nm波长的衰减为0.285dB/km，该弯曲不敏感微结构光纤的偏振模色散为0.042ps/km^1/2。

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