CN103345017A - 一种弯曲不敏感单模光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弯曲不敏感单模光纤，其特征在于芯层直径为7.6～8.4微米，芯层相对折射率差Δ1为4.66×10-3～6.12×10-3，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷外包层和外包层，内包层直径为17.4～20微米，内包层相对折射率差Δ2为-0.1×10-3～0.1×10-3，下陷外包层直径为28～32微米，下陷外包层相对折射率差Δ3为-4.37×10-3～-7.25×10-3。本发明通过优化光纤下陷外包层的深度和宽度，使光纤不仅具有更低的弯曲附加损耗，而且具有稳定的机械性能和均匀的材料组成；在保持有效模场直径和弯曲性能的基础上，降低了工艺控制难度，提高了光纤预制棒的加工效率；光纤在各项性能上远远优于ITU-TG.657.B3标准，可满足FTTH网络铺设和器件小型化的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于接入网的单模光纤，该光纤具有优异的抗弯曲性能，属于光纤通信传输领域。
背景技术
随着光纤传输技术的不断发展，光纤到户（FTTH）和光纤到桌面（FTTd）已成为通信接入网网络建设的重要发展方向。作为传输煤质的光纤在其中扮演者至关重要的角色。由于在实际FTTx光纤线路铺设和配置过程中，经常需要在室内及狭窄环境下对光纤进行各种操作（如，墙角90°拐角处安装、将光纤缠绕在越来越小型化的存储盒中来处理光纤冗长等），此时光纤在较小弯曲半径下需要经受较高的弯曲应力，因此需要设计开发具有优异抗弯曲性能的光纤，以满足FTTx网络铺设和器件小型化的要求。在2009年11月和2010年6月，ITU-T 先后2次修改弯曲不敏感的G.657光纤标准，并增加了在小弯曲半径下光纤寿命的性能的研究报告，（“Characteristics of a bending loss insensitive single mode optical fibre and cable for the access network” and Amendment 1：Revised Appendix 1-Lifetime expectation in case of small radius bending of single-mode fibre）。这两次修改基本明确了不同弯曲半径使用环境下，G.657A1/A2光纤和G.657.B3光纤不同应用目标，其中满足最小弯曲半径为10mm的G.657.A1光纤应用于长程网（Long-haul networks）；G.657.A2光纤满足最小7.5 mm弯曲半径条件下的应用，主要使用于城域网（Metro networks）和FTTH （光纤到户）；G.657.B3光纤满足最小5mm弯曲半径下的使用条件，主要在FTTd（光纤到桌面）和全光网络的应用，以室内光纤/光缆的方式使用，并强调了光纤在弯曲条件下使用寿命的问题。
按照ITU-T的规定和G.657.B3光纤具体的使用环境和条件，G.657.B3光纤基本使用于短距离的通信传输中，其更注重小弯曲半径下的宏观弯曲性能，不强制要求兼容G.652.D标准。2012年9月ITU-T G.657最新修订版中，B类光纤逐渐向兼容G.652光纤的方向发展。新标准的提出将更有利于G.657光纤的推广和使用。
经过多年的研究，各国科研人员发现光纤的模场直径和截止波长对光纤的宏观弯曲损耗起主要作用，MAC值可以定性的衡量光纤的弯曲性能，其中：MAC定义为模场直径与截止波长的比值。MAC越小，则光纤的弯曲性能越好，显然，降低模场直径，增大光纤截止波长能达到降低MAC的目的，从而得到较好的弯曲性能。专利US2007007016A1、CN1971321A和CN1942793A就是采用的此类方法。但是，光纤模场直径过小，则在它与常规单模光纤连接时会带来较大的接续损耗，并且限制了入纤功率。同时，考虑到FTTx的多业务特点，希望能使用全波段进行传输，光缆截止波长必须小于1260nm，因此光纤的截止波长增大的空间非常有限。如果单纯依靠降低光纤MAC数值的方法，并不能有效的得到优异的弯曲性能，从而满足G.657.B3标准要求。
相对于普通的单模光纤剖面结构，提高光纤弯曲性能的另一个有效方法是采用下陷内包层的设计，如US5032001、US7043125B2和CN176680就是采用的是下陷内包层设计，通过下陷内包层设计可在不增加芯层掺杂的情况下增加光纤的数值孔径（NA），可避免增加掺杂引起的衰减增加。但是下陷内包层的优化设计，只能在一定程度上改善光纤在大弯曲半径下的宏弯性能。当光纤的弯曲半径小于或等于10mm时，很难利用下陷内包层的方法制备出符合G.657.A2标准的弯曲不敏感光纤。
通过进一步研究发现，提高光纤抗弯曲性能最为有效的方法是采用下陷外包层结构设计光纤剖面，其基本波导结构在专利US4852968中已有所描述，专利US6535679B2及CN1982928A也采用了同类设计。但以上所有专利均只考虑如何降低弯曲附加损耗，均没有结合具体应用考虑小弯曲半径下光纤的长期使用寿命，也未明确说明根据其说明制造的光纤是否满足并优于G.657.B3标准中最小5mm弯曲半径的相关要求。在对下陷外包层结构光纤的研究发现，下陷外包层在光纤剖面中的深度和宽度也存在一定要求限制：下陷外包层过浅，过窄，不能带来良好的弯曲不敏感性能；过深，过宽，则可能影响光纤截止波长和色散性能。
在下陷外包层结构的弯曲不敏感光纤中，另一个影响光纤在弯曲条件下宏观弯曲性能的因素是光纤芯包层的直径比。光纤在弯曲状态时，因为内包层环形包裹着芯层，弯曲产生的应力首先作用在内包层，然后传到到芯层部分，如果不考虑芯层、包层掺杂以及折射率等因素，较小的芯层/包层直径比是有利于提高光纤弯曲性能。但是较小的芯层/包层直径比往往也会影响光纤的MFD和色散等性能，并且在拉丝过程中为匹配粘度和应力也更加困难，所以适宜的芯层/包层直径比也是G.657.B3光纤剖面研究的一个重要方向。最近的研究表明：在光纤链路尤其是FTTx链路中，由于多点弯曲和连接头的存在，光纤中会出现多径干扰扰的现象（MPI：Multi-Path Interference）, David .Zhen等人在 2009年的OFC/NFOEC（“Testing MPI Threshold in Bend Insensitive Fiber Using Coherent Peak-To-Peak Power Method”）中介绍了测试MPI的方法。尤其是在外下陷包层的光纤设计中，如下陷包层与芯层太近，一旦光纤接头处出现芯层的偏移就容易产生多径干扰，如下陷包层与芯层太远，又达不到降低光纤弯曲附加损耗的作用，因而需要对下陷包层进行精确定位。所以合理设计光纤剖面，在芯层，包层和下陷外包层折射率剖面结构中，取得一个良好的平衡，是G.657.B3光纤研究中的一个重点和难点。
美国专利US7623747中描述了一种减少弯曲和微弯损耗的光纤，其下陷外包层由氟锗共掺，掺杂锗可以增加下陷外包层的弹性光系数，减小当光纤经受弯曲或者微弯时应力对光纤折射率变化的影响,但其宏弯特性仍达不到G.657.B3标准。中国专利CN101680994A，申请人描述了一种具有小弯曲损耗，但未提及1550nm处5mm弯曲半径的损耗以及衰减性能，并且其下陷外包层的相对折射率差在-7.28×10-3～-2.62×10-2的范围，考虑到其较深的下陷会造成截止波长过高以及光纤传输过程中的MPI等问题，会影响光纤的兼容性。中国专利101893732 A中，申请人也提出了类似CN101680994A一种弯曲直径为20mm的抗弯曲单模光纤，但其弯曲性能未能达到G.657.B3光纤的标准。中国专利CN 102590933 A中提出的光纤下陷窄，宏弯较差。CN 102540327 A中涉及到的光纤其下陷较宽，宏弯性能好，但是截止波长高，不利于与G.652.D光纤兼容。在光波导设计中，由于氟掺杂的下陷外包层的位置变化，将导致光纤截止波长和MFD以及色散等一系列参数的变化，单纯增加外下陷外包层的体积，虽然会改善光纤的宏弯性能，但是会影响光纤的兼容性，不利于弯曲不敏感光纤在现有通信网络中的应用。相对于CN 102540327 A，本专利通过适当优化芯层直径，并调整氟掺杂下陷内包层的相对位置以及深度，在10mm弯曲直径1550nm的宏弯损耗均小于0.1dB/圈，1625nm波长宏弯损耗均小于等于0.2dB/圈，较CN 102540327 A获得了更优异的宏弯性能，更有利于光纤在FTTx中的配置。
FTTH网络建设的不断发展，要求G.657.B3光纤不仅要优于ITU-T G.657.B3标准，而且要求全面兼容G.652.D光纤标准，且大量的G.657.B3需求需要能够达到低成本、大规模生产的要求。
此外，在接入网的使用中，光纤连接除了采用熔接的方法外，还采用机械连接方式，如光纤冷接子，要求光纤切割后具有很好的端面质量，因而需要光纤具有很好的材料均匀性。
发明内容
为方便介绍发明内容，定义部分术语：
芯 棒：含有芯层和部分包层的预制件；
折射率剖面：光纤折射率与其半径之间的关系；
相对折射率差：Δni=ni-n0， ni和n0分别为各对应光纤各部分和纯二氧化硅玻璃折射率。
氟（F）的贡献量：掺氟（F）石英玻璃相对于纯石英玻璃的折射率差值的绝对值，即ΔF=｜nF-n0｜，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折射率差值的绝对值，即ΔGe=｜nGe-n0｜，以此来表示掺锗（Ge）量；
套 管：符合一定截面积要求的厚壁高纯石英玻璃管；
OVD外包沉积工艺：用外部气相沉积和烧结工艺在芯棒表面制备需要厚度的SiO2玻璃；
VAD外包沉积工艺：用轴向气相沉积和烧结工艺在芯棒表面制备需要厚度的SiO2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；
O/Si比：通入反应区的氧气（O2）与四氯化硅（SiCl4）的摩尔比。
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提供一种抗弯曲不敏感单模光纤，它通过优化光纤剖面，不仅具有更低的弯曲附加损耗，稳定的机械性能和均匀的材料组成，而且能保持有效模场直径和较低衰减性能，且制作低成本。
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，其特征在于芯层直径2R1为7.6～8.4微米，芯层相对折射率差Δ1为4.66×10-3～6.12×10-3，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷外包层和外包层，内包层直径2R2为17.4～20微米，内包层相对折射率差Δ2为-0.1×10-3～0.1×10-3，下陷外包层直径2R3为28～32微米，下陷外包层相对折射率差Δ3为-4.37×10-3～-7.25×10-3。
按上述方案，在下陷外包层外包覆外包层，外包层直径d为125微米，外包层的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率。
按上述方案，所述的芯层为掺锗（Ge）和氟（F）的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl，其中氟（F）的贡献量ΔF为1×10-3～1.6×10-3。
按上述方案，所述的内包层为掺锗（Ge）和氟（F）的石英玻璃层。
按上述方案，所述的下陷外包层为只掺氟（F）的石英玻璃层。
按上述方案，所述的光纤在1310纳米（nm）波长处的模场直径为8.2~9.2微米。
按上述方案，所述的光纤在1310纳米波长处的衰减系数小于或等于0.354dB/km，1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.354dB/km，1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.214dB/km，1625nm波长处的衰减系数小于或等于0.234dB/km。
按上述方案，所述的光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。
按上述方案，所述的光纤在1550nm波长处，对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.03dB；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.08dB；对于围绕5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.15dB。在1625nm波长处，对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.1dB；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.25dB；对于围绕5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.45dB。
按上述方案，所述光纤的动态疲劳参数为29~33。
本发明的有益效果在于：1、通过优化光纤剖面，尤其是适当的优化光纤下陷外包层的深度和宽度，构成特定的光纤剖面结构，使光纤不仅具有更低的弯曲附加损耗，而且具有稳定的机械性能和均匀的材料组成；2、光纤剖面结构的优化，在保持有效模场直径和弯曲性能的基础上，减少了下陷外包层在光纤截面中的比重，也就直接减少了光纤预制棒制造中最核心、精密和复杂部分的沉积加工量，由此降低了工艺控制难度，提高了光纤预制棒的加工效率，从而降低了光纤的制造成本；3、本发明的光纤在各项性能上远远优于ITU-T G.657.B3标准，尤其是其具有优异的宏弯性能，可满足FTTH网络铺设和器件小型化的要求。 4、本发明中优选的光纤能够全面兼容G.652.D光纤，与常规的G.652.D熔接时具有较低的熔接损耗。
附图说明
图1 是本发明光纤折射率剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图给出详细的实施例。
实施例一：
光纤包括有芯层和包层，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷外包层和外包层。芯层的直径为2R1，相对折射率差为Δ1，内包层和下陷外包层的直径分别为2R2、2R3，内包层和下陷外包层的相对折射率差依次分别为Δ2和Δ3。在下陷外包层外包覆外包层，外包层直径d为125微米，外包层的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率。
芯层和内包层为掺锗和氟的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl， 在本实施例中，通过合理优化光纤剖面结构，光纤性能参数在满足G.657.B3标准的基础上，兼容G.652.D标准，从而拥有更好的向上兼容性。
宏弯附加损耗测试方法参照IEC 60793-1-47中规定的方法，由于波长越长对弯曲越敏感，所以主要测试光纤在1625nm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。为了准确评价光纤的机械性能，必须用可靠的方法来测试光纤的强度分布。筛选测试筛查出了裂纹较大的光纤，通过筛选测试的光纤必须经过进一步分析测试以发现和评价光纤的可靠性。光纤的主要性能参数如表2所示。
表1 光纤的结构和材料的组成
表2 光纤的主要性能参数
Claims (10)
1.一种弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层直径2R1为7.6～8.4微米，芯层相对折射率差Δ1为4.66×10-3～6.12×10-3，芯层外的包层从内到外依次为内包层、下陷外包层和外包层，内包层直径2R2为17.4～20微米，内包层相对折射率差Δ2为-0.1×10-3～0.1×10-3，下陷外包层直径2R3为28～32微米，下陷外包层相对折射率差Δ3为-4.37×10-3～-7.25×10-3。
2.按权利要求1所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于下陷外包层外包覆外包层，外包层直径d为125微米，外包层的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率。
3.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的芯层为掺锗和氟的石英玻璃层，材料组分为SiO2-GeO2-F-Cl，其中氟的贡献量ΔF为1×10-3～1.6×10-3。
4.按权利要求3所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的内包层为掺锗和氟的石英玻璃层。
5.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的下陷外包层为只掺氟的石英玻璃层。
6.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤在1310纳米波长处的模场直径为8.2~9.2微米。
7.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤在1310纳米波长处的衰减系数小于或等于0.354dB/km，1383nm波长处的衰减系数小于或等于0.354dB/km，1550nm波长处的衰减系数小于或等于0.214dB/km，1625nm波长处的衰减系数小于或等于0.234dB/km。
8.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。
9.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤在1550nm波长处，对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.03dB；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.08dB；对于围绕5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.15dB；在1625nm波长处，对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.1dB；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.25dB；对于围绕5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.45dB。
10.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的动态疲劳参数为29~33。
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