CN103399376B - 一种弯曲不敏感单模光纤及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弯曲不敏感单模光纤及其制造方法。包括有芯区和包绕芯区的包层，其特征在于所述的包层包括内包层、空气包层和外包层，空气包层设置在内、外包层之间，所述的芯区相对于内包层的相对折射率差Δ1为0.31%~0.41%，芯区的半径为rc为4.3~6.4μm，内包层为掺氟包层，内包层半径rF为10.3~20.4μm，归一化半径rF/rc满足2.4≤rF/rc≤4.7。本发明的光纤具有极为优异的弯曲性能，因此特别适合于光纤在小弯曲半径下的使用，光纤可以获得较大的有效面积，以及更大的模场直径，从而制造成具有更大有效面积的弯曲不敏感单模光纤。本发明制作工艺简便，制作成本低，可以设计成纯石英的芯区，适合规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种弯曲不敏感单模光纤及其制造方法。
背景技术
随着接入网对信息传输带宽需求的快速增长，光纤到户（FTTH，Fibertothehome）得到了巨大的推动和发展，光纤铺设越来越接近终端用户。而光纤在家庭及大楼等办公场所内的铺设时，对光纤提出了更高的要求，尤其是要求接入光纤具有优异的抗弯曲性能。因为光纤在室内的铺设过程中会遇到各种小半径弯曲的状态，例如弯曲半径小至5m，甚至2.5mm半径这种极端小的弯曲，光纤要能像普通家用金属导线那样适应复杂的接入环境。所以光纤必须满足在极小的弯曲半径的情况下，仍然保持很低的传输损耗，也就是附加损耗很小。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，以降低光纤所占用的空间资源。
目前市场上的弯曲不敏感单模光纤，可分为两大类：一是基于大规模应用的G.652光纤设计，通过优化设计实现更好的弯曲性能；二是设计完全不同于常规G.652光纤的结构，用新的光纤结构来满足实际需求。基于前者，要使光纤达到优异的抗弯曲性能，通常的解决方法就是提高光纤的数值孔径和降低光纤的模场直径（MFD），这种降低MAC值（模场直径与截止波长之比）的做法可以实现一定的弯曲性能改善，例如弯曲半径至7.5mm，相应地在1550nm波长的附加损耗小于0.1dB,已公开的美国US2007/007016A1、US7995889、US7899293、US7889960以及中国专利CN1971321A、CN1942793A就是采用的此类方法。但是这类方法的改进空间依然非常有限，无法满足更小的弯曲半径要求。因为如果模场直径偏小较多，则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。如果增加光纤的数值孔径，进而提高截止波长这种办法也是受到很大的限制，因为通信标准要求光缆截止波长必须小于1260nm，相应地光纤的截止波长一般就在1300nm左右，不可能再有大幅度的增加。况且增加光纤的数值孔径会直接导致光纤的损耗基底增加，也会增加一定的成本。
近年来关于利用空气辅助包层来设计制造的弯曲不敏感光纤具有非常优异的弯曲性能，最小弯曲半径可以达到5mm，而相应的附加损耗小于0.1dB.相关参考文献见：
[1]KazuhideNakajima,et.al,“Hole-AssistedFiberDesignforSmallBendingandSpliceLosses”IEEEPhoton.Technol.Lett,vol.15,pp.1737-1739,2003.
[2]KojiIeda,et.al,“Characteristicsofbendinglossoptimizedholeassistedfiber”,OpticalFiberTechnology14,pp.1–9,2008.
[3]KazuhideNakajima,et.al“Single-modehole-assistedfiberasabending-lossinsensitivefiber”OpticalFiberTechnology16,pp.392–398,2010.
[4]Young-GeunHan,et.al,“FabricationoflowOHlossholeyfiberswithvaryingairholesizesandtheiropticalproperties”,Opt.Com.282,pp.1780-1784,2009.
[5]TakashiMatsui,et.al,“Single-ModePhotonicCrystalFiberDesignWithUltralargeEffectiveAreaandLowBendingLossforUltrahigh-SpeedWDMTransmission”,J.Lightw.Technol.,vol.29,NO.4,pp.511-515,2011。
以上研究表明，采用空气辅助的结构设计，可提高光纤的抗弯曲性能，并且当纤芯使用了与普通G.652光纤相同的芯棒及其技术，还可实现与普通光纤的良好兼容。但是以上文献研究都是采用的单包层结构，即掺锗的芯区和空气孔辅助的空气包层，这种结构设计直接限制了其弯曲性能的进一步改善。
美国专利US2008/0131066A1也描述了一种基于纳米气孔辅助的弯曲不敏感光纤，但由于该类光纤涉及新工艺的开发、制造成本也偏高，因此不利于实际推广使用。美国专利US7292762B2描述了一种空气孔辅助的弯曲不敏感光纤，但是由于其采用的是复合纤芯结构，限制了其弯曲性能的提升。
发明内容
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，提供了一种弯曲不敏感单模光纤及其制造方法，它不仅使光纤具有非常优异的抗弯曲性能，而且制造工艺简便、制造成本低，适合大规模生产。
为方便介绍发明内容，定义和解释相关术语如下：
PCVD：等离子体化学气相沉积（Plasmachemicalvapordeposition）；
芯棒：指含有芯层和部分包层（指内包层，也即掺氟包层）的预制件；
空气包层：指在芯棒的外边紧紧包裹的一圈若干数目的气孔，这一圈气孔产生等效的折射率下限环的作用，称其为空气包层（准确的指由RO和Ri两个半径的同心圆围成的环形区域，Ro和Ri的定义见下文。其圆心即是芯棒的最中心点）；
微结构中间体：由芯棒和空气包层组成；
外套管：符合一定尺寸要求的高纯石英玻璃管；
预制棒：指最终制备好的预制棒，由微结构中间体和外套管组成，可以由此经过拉
丝而直接得到所设计光纤；
rc：芯区半径，单位为毫米（mm）；
rF：芯棒半径，在本发明中即为掺氟包层半径，也即内包层半径，单位为毫米（mm）；
d：气孔的直径；
c：微结构中间体半径，即空气包层外切圆半径，与芯棒半径b的关系为：c=rF+d；
相对折射率差：，nc和nF分别为芯区玻璃折射率和
掺氟包层玻璃材料的折射率；
nair：空气包层的有效折射率；
N：空气包层包含气孔的个数；
Ro：空气包层外切圆半径；
Ri：空气包层内切圆半径；
气孔填充率f：f=N×（d/2）2/（Ro 2-Ri 2）。
本发明光纤的技术方案为：包括有芯区和包绕芯区的包层，其特征在于所述的包层包括内包层、空气包层和外包层，空气包层设置在内、外包层之间，所述的芯区相对于内包层的相对折射率差Δ1为0.31%~0.41%，芯区的半径为rc为4.3~6.4μm，内包层为掺氟包层，内包层半径rF为10.3~20.4μm，相应地，归一化半径rF/rc满足2.4≤rF/rc≤4.7。
按上述方案，所述的光纤芯区为纯石英玻璃或者掺锗石英玻璃或者锗氟共掺的石英玻璃材料。
按上述方案，所述的内包层相对纯石英玻璃的相对折射率差ΔF为：-0.6%≤ΔF<0%。
按上述方案，所述的空气包层由包绕内包层的环形微气孔构成，环形微气孔组成的内切圆半径ri=rF为10.3~20.4μm,环形微气孔的外切圆半径ro为12.3~25.4μm，微气孔直径d为2～5μm。
按上述方案，空气包层的气孔填充率f为0.55~0.85范围，其有效折射率nair为1.4264～1.4101，相对纯石英玻璃层的相对折射率差Δ2为-3.17%~-2.08%。相对内包层而言，空气包层的有效折射率大大降低至该区间。
按上述方案，外包层为纯石英玻璃层，绝对折射率为1.457，相对纤芯的相对折射率差Δ3为-0.35%~0，外包层半径为62.5±0.5μm。这些设计和普通光纤保持一致，以实现有效的兼容。
按上述方案，所述光纤在1310nm波长处的模场直径为9.2~13.2μm；光纤截止波长小于等于1280nm。
按上述方案，在1550nm波长处，光纤在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5mm弯曲半径一圈的情况下，弯曲附加损耗≤0.15dB；在1550nm波长处，光纤在2.5mm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2.5mm弯曲半径一圈的情况下，弯曲附加损耗≤0.1dB。
本发明的制造方法的步骤如下：
按预设波导结构制备出芯棒，芯棒包括芯区和部分包层，并使得芯棒直径2rF与芯区直径2rc之比值rF/rc满足2.4～4.7，
根据所制备的芯棒的具体外直径参数，根据公式：N=π(2rF+d)/d计算出所需的毛细
管的根数N，N取值上式计算结果的整数部分，毛细管直径d的选择需要满足：c/rc在2.4～4.7之间或者更大，c=rF+d，
利用常用的光子晶体光纤制造工艺所采用的管棒堆积法，把数目为N的毛细管紧紧围绕芯棒，均匀分布地堆积在芯棒的周围，并在尾端进行固定，然后将以上制作好的包绕毛细管芯棒结构套入一个尺寸合适的薄壁套管内，薄壁套管的壁厚为2～5mm，
紧接着将该套装有包绕毛细管芯棒结构的薄壁套管在拉伸塔上拉制成预制棒中间体，之后进行清洗和干燥处理，
将干燥处理好的预制棒中间体套入一个外套管内，形成最终的预制棒，在常规的拉丝塔上拉制成目标光纤，在拉丝塔上拉丝时，控制预制棒气孔内的压力，从而保证预制棒在拉制成光纤后其微气孔结构保持近似等比例的变化，且不出现坍塌或鼓胀现象。所拉丝的光纤与预制棒相比，基本上按等比例缩小，除了气孔尺寸在按比例变化的基础上有1.1～1.15倍的增大，且该增大比例非常稳定，因此是可控的。
所述的芯棒采用PCVD工艺制备，使得rF/rc满足范围2.2～4.5，因为PCVD工艺是管内法沉积工艺，因此所用的纯石英沉积管需要通过酸腐蚀或者打磨工艺去掉，最终使得rF/rc满足2.4～4.7。
本发明的有益效果在于：1、通过设置空气包层是光纤具有极为优异的弯曲性能，因此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，同时该光纤可保持了与G.652光纤的兼容；2、光纤可以获得较大的有效面积，以及更大的模场直径，从而制造成具有更大有效面积的弯曲不敏感单模光纤；同时可以通过简单的改进设计使得光纤拥有更大的有效面积；3、本发明制作工艺简便，制作成本低，可以设计成纯石英的芯区，使得制作工艺更趋简便，适合规模化生产。
附图说明
图1为本发明的光纤端面结构示意图。
图2为本发明的光纤端面实际的扫描电镜照片。
图3为本发明的光纤的等效折射率剖面示意图。
图4为本发明的光纤的空气包层有效折射率neff和气孔填充率f之间的关系曲线图。
图5为本发明的制造各过程结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明：
首先利用PCVD工艺制备出芯棒，其外径在21.2mm，其中芯区直径2rc为5.6mm，掺氟包层也就是内包层直径为18.8mm，然后通过酸腐蚀的方法腐蚀芯棒外径至18.75mm；
然后选择毛细管的直径为2.8mm，内直径为1.97mm，根据以上描述计算出所需毛细管的根数为24根；之后将这24根毛细管和芯棒都进行严格的清洗、干燥处理；
接下来把这24根毛细管紧密围绕芯棒堆积成一圈均匀分布的圆环形，形成带空气包层的芯棒结构，之后将其套入外周直径为28mm，内孔直径为24.5mm的纯石英玻璃套管，然后在拉伸塔上拉伸该管棒组合体，使之成为一个带微气孔结构（也就是空气包层）的预制棒中间体，其外直径由拉伸前的28mm变为24mm。
将预制棒中间体根据需要分切、清洗、干燥。将干燥好的微结构中间体套入一个外直径80mm或者其它合适尺寸，内直径24.5mm的纯石英玻璃外套管内，形成最终的预制棒。紧接着在一个普通的光纤拉丝塔上拉制成光纤。拉丝时，采用单模光纤生产用光纤涂覆材料，拉丝炉温设定为2050℃，拉丝速度为820米/分钟，光纤的丝径为125±0.5μm。
最后用扫描电子显微镜或者光学显微镜对光纤的端面几何尺寸进行测试确认，再利用NR9200设备测试光纤的折射率剖面。由于测试折射率剖面时，匹配油回进入光纤的气孔内而导致测试的空气包层折射率为假，因此对于空气包层折射率的表征可通过测试光纤空气包层相对于内包层的数值孔径加以确定，也可利用空气包层的空气填充率来直接计算其有效折射率。图3列示的折射率剖面中，空气包层部分的折射率通过计算获得。采用有限元分析的方法计算获得该类光纤结构的包层有效折射率和填充率的关系，如图4所示。
所制备三批光纤的结构和主要性能参数分别如下表1、表2所示：
表1.所制造光纤的结构参数
表2.所制造光纤的主要性能
从以上表2，可以说明本发明所述光纤的光学参数如模场直径、色散、截止波长和弯曲性能等方面可以做到完全符合ITU-TG.657A2标准的要求。相比本发明所述方法，通常所采用的掺氟下陷包层结构的弯曲不敏感单模光纤，由于技术本身的限制，不能制备出折射率下限很深的掺氟包层，这直接导致用这类方法制造的光纤弯曲性能改善有限，如果考虑到光纤的色散特性的要求，又要增大光纤模场直径，那么就更难兼顾了。而根据本发明的技术方案，不但可以保证光纤在极为优异的弯曲性能，而且还能保证其色散特性、截止波长满足G.657A2标准，同时也可以把光纤的模场直径做大至13μm附近。这不但对接入网应用有很大价值，而且对长距离传输网所用的光纤设计也具借鉴意义。本发明的制造工艺简单易行，适合规模化生产。
Claims (7)
1.一种弯曲不敏感单模光纤，包括有芯区和包绕芯区的包层，其特征在于所述的包层包括内包层、空气包层和外包层，空气包层设置在内、外包层之间，所述的芯区相对于内包层的相对折射率差Δ1为0.31%~0.41%，芯区的半径为rc为4.3~6.4μm，内包层为掺氟包层，内包层半径rF为10.3~20.4μm，相应地，归一化半径rF/rc满足2.4≤rF/rc≤4.7；所述的内包层相对纯石英玻璃层的相对折射率差ΔF为：-0.6%≤ΔF<0%；所述的空气包层由包绕内包层的环形微气孔构成，环形微气孔的内切圆半径ri=rF为10.3~20.4μm,环形微气孔的外切圆半径ro为12.3~25.4μm，微气孔直径d为2～5μm；空气包层的气孔填充率f为0.55~0.85范围，其有效折射率nair为1.4264～1.4101，相对纯石英玻璃层的相对折射率差Δ2为-3.17%~-2.08%。
2.按权利要求1所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤芯区为纯石英玻璃层或者掺锗石英玻璃层或者锗氟共掺的石英玻璃层。
3.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于外包层为纯石英玻璃层，绝对折射率为1.457，相对纤芯的相对折射率差Δ3为-0.35%~0；外包层半径为62.5±0.5μm。
4.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在1310nm波长处的模场直径为9.2~13.2μm；光纤截止波长小于等于1280nm。
5.按权利要求1或2所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于在1550nm波长处，光纤在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5mm弯曲半径一圈的情况下，弯曲附加损耗≤0.15dB；在1550nm波长处，光纤在2.5mm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2.5mm弯曲半径一圈的情况下，弯曲附加损耗≤0.1dB。
6.一种按权利要求1或2所述的弯曲不敏感单模光纤的制造方法，其特征在于制造方法的步骤如下：
按预设波导结构制备出芯棒，芯棒包括芯区和部分包层，并使得芯棒直径2rF与芯区直径2rc之比值rF/rc满足2.4～4.7，
根据所制备的芯棒的具体外直径参数，根据公式：N=π(2rF+d)/d计算出所需的毛细
管的根数N，N取值上式计算结果的整数部分，毛细管直径d的选择需要满足：c/rc在2.4～4.7之间或者更大，c=rF+d，
利用常用的光子晶体光纤制造工艺所采用的管棒堆积法，把数目为N的毛细管紧紧围绕芯棒，均匀分布地堆积在芯棒的周围，并在尾端进行固定，然后将以上制作好的包绕毛细管芯棒结构套入一个尺寸合适的薄壁套管内，薄壁套管的壁厚为2～5mm，
紧接着将该套装有包绕毛细管芯棒结构的薄壁套管在拉伸塔上拉制成预制棒中间体，之后进行清洗和干燥处理，
将干燥处理好的预制棒中间体套入一个外套管内，形成最终的预制棒，在常规的拉丝塔上拉制成目标光纤。
7.按权利要求6所述的弯曲不敏感单模光纤的制造方法，其特征在于所述的芯棒采用PCVD工艺制备，使得rF/rc满足范围2.2～4.5，通过酸腐蚀或者打磨工艺去掉，最终使得rF/rc满足2.4～4.7。
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