CN105137535A - 一种单模光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单模光纤，芯层为掺锗(Ge)和氟(F)的二氧化硅(SiO₂)石英玻璃，芯层的直径Dcore为6.5μm至7.5μm，芯层的相对折射率Δ1的范围为0.70％至0.75％；包层有3个分层，由内到外依次为第一分层、第二分层，第三分层，其中第一分层和第二分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，且第二分层的相对折射率低于第一分层；所述包层的直径Dclad的范围为39μm至41μm。本发明光纤的截止波长为1300nm-1460nm，工作波长范围为1550nm，其MFD为7.0μm-7.6μm。本发明光纤具有较好的抗弯曲性能，其宏弯损耗小于0.02dB/(Φ10mm25圈)；绕成小尺寸器件时具有良好的抗弯曲性能，其宏弯损耗小于0.04dB/(Φ15mm400圈)。本发明还提供了上述光纤的制造方法。

Description

一种单模光纤及其制造方法

技术领域

本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种单模光纤及其制造方法。

背景技术

单模光纤具有质量轻、尺寸小、抗电磁干扰、传输速率快、信息容量大和传输距离远等优点。在世界范围内，G.652单模光纤已经大量地铺设并应用于光通信网络之中。随着特种光纤及其光纤应用技术的不断发展，光纤已经在常规通信以外的领域得到了越来越广泛的应用。在特殊的光纤器件中，为了达到使用目的，需要一种能够在此环境中具有稳定的传输性能的光纤，而普通的G.652单模光纤是无法在小尺寸特殊器件下长期正常工作的。

光纤的抗弯曲性能是与光纤的材料结构、制备工艺等技术密切相关的。普通抗弯曲光纤一般为了与普通的单模光纤相匹配，而在光纤的几何结构、掺杂浓度等方面尽量与普通光纤一致，从而导致光纤光学参数互相匹配，以适应光纤的通用性能。在水听器等特殊应用场合，光纤追求小弯曲半径和极多的缠绕圈数，而对模场直径等的要求并不追求与普通单模光纤的一致性。为了提高光纤的抗弯曲性能，芯层会掺杂较高浓度的锗(Ge)，为了减少芯层材料与包层材料在粘度、热膨胀系数等材料性能方面的差异，同时也为了调节光纤的光学指标范围，在芯层和包层增加了掺杂氟的有限区域，减少拉丝过程中的残余应力，优化传输性能。

在器件尺寸要求很小的情况下，为了容纳更多的光纤，需要把光纤直径减少而光学性能不变，因此通过特殊工艺修改光纤几何结构，把光纤的芯层结构维持不变而减少包层直径，并且涂层直径也相应减少，则可以满足器件小型化的需求，同时也不影响与相应正常包层光纤的对接应用。

在专利CN202256757U和CN102213791B中，提出来一系列细径的保偏光纤，但其致力于解决保偏光纤细径条件下的光学性能，对抗弯曲性能没有做出表述。在弯曲不敏感光纤中尚没有此种细径光纤提出。

一般的，掺杂剂会改变石英玻璃的相对折射率。锗(Ge)、氯(Cl)、磷(P)等掺杂剂可以使得掺杂后的石英玻璃的相对折射率为正值，我们称之为“正掺杂剂”，而氟(F)、硼(B)等掺杂剂可以使得掺杂后的石英玻璃的相对折射率为负值，我们称之为“负掺杂剂”。如果同时使用一种“正掺杂剂”和一种“负掺杂剂”对石英玻璃进行掺杂，则掺杂后的石英玻璃的相对折射率可以为正值或者负值，或者为0。

发明内容

为方便介绍本发明内容，定义以下术语：

折射率剖面：光纤中玻璃折射率与其半径之间的关系。

相对折射率差：

$\mathrm{\Δ}=\[({n_i}^2-{n_0}^2)/2{n_i}^2\]\×100\%\≈\frac{n_i-n_0}{n_0}\×100\%,$ n_i和n₀分别为各对应部分的折射率和纯二氧化硅石英玻璃的折射率。

氟(F)的贡献量：掺氟(F)石英玻璃相对于纯二氧化硅石英玻璃的相对折射率(ΔF)，以此来表示掺氟(F)量。

本发明所要解决的技术问题是提供一种在1550nm波长工作的，具有极好抗弯曲性能的单模光纤。该光纤具有较低的光纤损耗，较好的抗弯曲性能。

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：芯层为掺锗(Ge)和氟(F)二氧化硅(SiO₂)石英玻璃，芯层的直径Dcore为6.5μm至7.5μm，芯层的相对折射率Δ1的范围为0.70％至0.75％；包层有3个分层，由内到外依次为第一分层、第二分层，第三分层，其中第一分层和第二分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，且第二分层的相对折射率低于第一分层；所述包层的直径Dclad的范围为39μm至41μm。

本发明的一个实施例中，所述第一分层紧密环绕芯层，该分层的相对折射率Δ31与芯层的相对折射率Δ1的关系为：0.80％≦Δ1-Δ31≦0.85％，Δ31的范围为-0.09％至-0.12％，该分层的直径D31为15μm至17μm。

本发明的一个实施例中，所述第二分层紧密环绕第一分层，该分层的相对折射率Δ32的范围为-0.30％至-0.34％，该分层的直径D32为20μm至24μm。

本发明的一个实施例中，所述第三分层紧密环绕第二分层，该分层的相对折射率差为-0.05％至0.05％，该分层的直径D33为39μm至41μm。

本发明的一个实施例中，在包层外有一层紧密围绕包层的聚合物涂层，聚合物涂层的直径为76μm至84μm。

本发明的一个实施例中，该单模光纤的截止波长为1300nm至1460nm。

本发明的一个实施例中，该单模光纤的MFD在1550nm波长时7.0μm-7.6μm。

本发明的一个实施例中，该单模光纤衰减在1550nm波长时小于0.26dB/km。

本发明的一个实施例中，该单模光纤的宏弯损耗在1550nm波长时小于0.02dB/(Φ10mm25圈)。

本发明的一个实施例中，该单模光纤的宏弯损耗在1550nm波长时小于0.04dB/(Φ15mm400圈)。

按照本发明的另一方面，还提供了一种上述单模光纤的制造方法，在拉丝过程降低拉丝张力，将裸光纤在线拉丝张力控制在2到20克，拉丝速度为50到300m/min。

本发明的一个实施例中，所述拉丝张力为5到10克。

本发明的一个实施例中，在所述单模光纤的裸光纤表面在线涂覆聚合物涂层加以保护，聚合物涂层采用紫外光在线固化，其中紫外光的强度为0.5～3J/cm²。此功率范围内的光纤既能保证良好的涂层材料固化质量，又能减少光纤的应力集中带来的缺陷。

本发明的有益效果在于：1.芯层掺Ge，通过对光纤芯层材料结构的优化调整，可以提高光纤的数值孔径，提高对光的约束能力。同时光纤芯层掺F，可以降低芯层材料的粘度，与包层材料的粘度更加匹配，可以改善光纤的材料结构和应力分布，有利于光纤拉丝后缺陷的减少和光纤衰减的降低；2.光纤包层的分层中，含有一个近似于纯二氧化硅石英玻璃材料的分层，该分层可改变光纤整体的材料结构，使得光纤拉丝后的应力分布得到优化。该分层将承担拉丝过程中形成的张应力，芯层所承受的应力则为压应力，该应力分布将有利于降低芯层材料中的缺陷浓度，降低芯层材料的散射损耗，有利于光纤衰减的降低；3.光纤包层的分层中，含有一个深掺F二氧化硅石英玻璃材料的分层，其中的折射率下陷的分层，对于提高光纤的抗弯曲性能有积极的作用。该分层结构的设计，将有利于降低光纤在小弯曲半径状态下的宏弯附加损耗，即在包层厚度极小的前提下，能够抑制模式泄漏)。4.该光纤具有良好的抗弯曲性能，并且具有小型化的包层直径和涂层直径；包层直径和涂层直径都相应减少，降低了器件的尺寸，或者说在同样的器件尺寸情况下可以缠绕更多的光纤，提高器件的灵敏度。相对于普通125μm的光纤，同样器件尺寸下本发明光纤可以缠绕9倍于原来长度，从而可以提高水听器探测距离9倍。在水听器的系统设计中，在系统承载能力一定的情况下，这种灵敏度的提高是其他方式所力不能及的。5.器件集成化应用，小尺寸的光纤占用空间小，可以把光纤器件以及其他电源、光源、联接器件、分析电路等集成在一块光电复合板上，封装后可以做成集成器件，对应用环境恶劣的情况尤其适用。

附图说明

图1是本发明一个实施例的径向截面示意图；图中00对应光纤的芯层，31对应光纤包层的第一分层，32对应光纤包层的第二分层，33对应光纤包层的第三分层；

图2是是本发明一个实施例的中各层直径及其对应相对折射率的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，本发明实施例中的单模光纤，包括有芯层和包层，芯层00由掺锗(Ge)和氟(F)的石英玻璃组成；围绕在芯层的是包层，其包层有3个分层，第一分层紧密环绕芯层，该分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率Δ31与芯层的相对折射率Δ1的关系为：0.80％≦Δ1-Δ31≦0.85％，Δ31的范围为-0.09％至-0.12％，该分层的直径D21为15μm至17μm。第二分层紧密环绕第一分层，该分层为深掺氟二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率折射率低于第一分层；该分层的相对折射率Δ32的范围为-0.30％至-0.34％，该分层的直径D21为20μm至24μm。第三分层紧密环绕第二分层，该分层为纯二氧化硅石英玻璃，该分层的直径D22为39μm至41μm。涂层直径为76μm至84μm。本发明实施例中，芯层、包层的第一分层、第一分层以及第三分层的直径，以及各个分层的相对折射率如图2所示。

按照上述单模光纤的技术方案，在其所规定的范围内对光纤的参数进行设计，并通过我们熟知的PCVD工艺、MCVD工艺、OVD工艺或VAD工艺等芯棒制造工艺来根据光纤的设计要求制造芯棒，通过套管工艺、POD工艺(等离子体外喷工艺，plasmaoutsidedeposition)、OVD工艺或VAD工艺等外包工艺来完成整个预制棒的制造。PCVD工艺和POD工艺在进行高浓度的掺氟(F)时，具有一定的优势。

由于包层直径的减少会引起拉丝过程中的一系列问题，需要拉丝过程降低拉丝张力，通常需要将裸光纤在线拉丝张力控制在2到20克，更优地为5到10克。拉丝速度为50到300m/min。

裸光纤表面在线涂覆有聚合物涂层加以保护，光纤涂层采用紫外光在线固化，紫外光的强度为0.5～3J/cm²，此功率范围内的光纤既能保证良好的涂层材料固化质量，又能减少光纤的应力集中带来的缺陷。

所拉光纤的折射率剖面使用PK2400设备进行测试。光纤的折射率剖面的主要参数如表1所示。

表1：光纤的结构参数

所拉光纤的主要性能参数如表2所示，其中光纤、衰减、宏弯数据是在1550nm波长。

表2：光纤的主要性能

从实施例可以看出：1.芯层掺Ge浓度对光纤的抗弯曲能力和衰减会产生影响，适当提高芯层掺Ge的浓度，可以提高光纤的抗弯曲性能。然而，过高浓度的Ge掺杂，会引起芯层材散射损耗的增加，同时，对制造成本和工艺难度也有一定的影响；2.包层中的掺F二氧化硅石英玻璃分层，其宽度将改变光纤的材料结构和应力分布，同时，会对光纤的波导性能产生影响。折射率下陷的掺F分层对光纤的抗弯曲性能的提高有积极的作用。其宽度或者深度的增加都将进一步的改善光纤的弯曲性能，然而，宽度和深度的增加也意味着成本和工艺难度的增加。在满足一定弯曲要求的前提条件下，需要找到合适的宽度和深度的结构参数。

实验表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，截止波长在1300nm-1460nm，在155nm工作波长，其MFD为7.0μm-7.6μm，光纤衰减小于0.26dB/km，宏弯损耗小于0.03dB/(Φ10mm25圈)，宏弯损耗小于0.04dB/(Φ15mm400圈)。

本发明单模光纤具有较好的抗弯曲性能，可在水听器中使用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于，芯层为掺锗(Ge)和氟(F)的二氧化硅(SiO₂)石英玻璃，芯层的直径Dcore为6.5μm至7.5μm，芯层的相对折射率Δ1的范围为0.70％至0.75％；包层有3个分层，由内到外依次为第一分层、第二分层，第三分层，其中第一分层和第二分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，且第二分层的相对折射率低于第一分层；所述包层的直径Dclad的范围为39μm至41μm。

2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述第一分层紧密环绕芯层，该分层的相对折射率Δ31与芯层的相对折射率Δ1的关系为：0.80％≦Δ1-Δ31≦0.85％，Δ31的范围为-0.09％至-0.12％，该分层的直径D31为15μm至17μm。

3.如权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，所述第二分层紧密环绕第一分层，该分层的相对折射率Δ32的范围为-0.30％至-0.34％，该分层的直径D32为20μm至24μm。

4.如权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，所述第三分层紧密环绕第二分层，其相对折射率差为-0.05％至0.05％，该分层的直径D33为39μm至41μm。

5.如权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，在包层外有一层紧密围绕包层的聚合物涂层，聚合物涂层的直径为76μm至84μm。

6.如权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，该单模光纤的截止波长为1300nm至1460nm。

7.如权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，该单模光纤的MFD在1550nm波长时7.0μm-7.6μm。

8.如权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，该单模光纤的宏弯损耗在1550nm波长时小于0.02dB(Φ10mm25圈)，在1550nm波长时小于0.04dB(Φ15mm400圈)。

9.一种权利要求1-8任一项所述单模光纤的制造方法，其特征在于，在拉丝过程降低拉丝张力，将裸光纤在线拉丝张力控制在2到20克，拉丝速度为50到300m/min。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述单模光纤的裸光纤表面在线涂覆聚合物涂层加以保护，聚合物涂层采用紫外光在线固化，其中紫外光的强度为0.5～3J/cm²。