CN105182471A

CN105182471A - 一种单模光纤

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Publication number: CN105182471A
Application number: CN201510512775.1A
Authority: CN
Inventors: 杨晨; 汪洪海; 韦会峰; 王忠太; 陈苏; 曹蓓蓓
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: CN105182471B

Abstract

本发明涉及一种在特殊波段使用的具有较好的抗弯曲性能的抗辐射单模光纤，该光纤由掺氟的芯层以及包层组成，包层有3个或4个分层，其中一个分层为纯二氧化硅石英玻璃，其它分层为掺氟二氧化硅石英玻璃分层。本发明光纤的截止波长为700nm-1000nm，工作波长范围为750nm～1080nm，其MFD为3μm-7μm，光纤衰减小于3dB/km。本发明光纤具有较好的抗弯曲性能，其宏弯损耗小于0.5dB/(Φ10mm一圈)。同时，本发明光纤具有抗辐射性能，其辐照后的附加衰减小于5dB/100m(100rad/s剂量率，9×10⁹rad总剂量)。

Description

一种单模光纤

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，是一种特殊辐射环境中使用的抗辐射单模光纤，该光纤具有良好的抗辐射性能、良好的抗弯曲性能。

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。在特殊的辐射环境中，为了达到通信的目的，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单模光纤是无法在辐射环境下长期正常工作的。

光纤的抗辐射性能是与光纤的材料结构、制备工艺等技术密切相关的。普通单模光纤一般在芯层具有较高浓度的锗(Ge)掺杂，在拉丝过程中，因为受到拉丝张力以及光纤热历史的影响，在芯层会形成较多的材料缺陷或其前驱体，这些缺陷或前驱体在辐照环境下，会进一步的恶化，形成断键或材料微观结构的变化，造成很大的由辐照引起的附加吸收损耗。随着损耗的不断迅速增加，光纤将失去传输光信号的功能。为了满足辐射环境下使用光纤进行通信的需求，必需一种具有抗辐射性能的单模光纤。一般的，采用纯硅的芯层材料，相比较于掺锗光纤，光纤具有更为良好的抗辐射性能。同时，为了形成光波导，必须在纯硅芯外沉积掺氟的包层。然而，纯硅芯材料与掺氟包层材料在粘度、热膨胀系数等材料性能方面的差异较大，造成光纤拉丝过程中光纤的芯包材料失配严重，拉丝张力集中于光纤纤芯部分，光纤的残留应力和拉丝缺陷增加，这会造成光纤的传输性能的恶化。

在辐射环境中，出于某些特殊用途的需要，会使用非通信波段的光源，比如700nm-1100nm，同时对光纤的弯曲性能会提出一定的要求。

在美国专利US4669821中，提出了一种芯层掺钙(Ga)的单模光纤，以改进光纤的抗辐射性能。然而，在当前的预制棒制备技术中，Ga并不属于一种常用的掺杂剂。该设计与当前工艺适应性较差。

在美国专利US4988162中，提出了一种具有掺氟芯层的多芯光纤束。该发明针对480nm工作波长进行了辐照测试，证明了发明在可见光波段(400nm-700nm)具有一定的抗辐射性能。

在美国专利US7526177B2中，提出了一种具有下陷芯层的抗辐射G.652.B单模光纤。该下陷芯层的氟(F)含量至少在0.41wt％。该光纤主要应用在1310nm和1550nm两个通信窗口。

在美国专利US7440673B2中，提出了一种具有下陷芯层的抗辐射单模光纤。该下陷芯层的氟(F)含量在0.1Δ％～0.3Δ％。该光纤主要应用在1310nm和1550nm两个通信窗口，在工作波长范围内的最小弯曲直径为20mm。

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：

Δ = [({n_{i}}^{2} - {n_{0}}^{2}) / 2 {n_{i}}^{2}] \times 100 % \approx \frac{n_{i} - n_{0}}{n_{0}} \times 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750nm-1080nm波长范围内工作的，具有抗辐射性能和抗弯曲性能的单模光纤。该光纤具有较低的光纤损耗，较好的抗弯曲性能和抗辐射性能。

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：芯层为掺氟(F)二氧化硅(SiO₂)石英玻璃，芯层的直径Dcore为3μm至6μm，芯层的相对折射率Δ1的范围为-0.3％至-0.1％；包层有3个或4个分层，其中有一个分层为纯二氧化硅石英玻璃，其它分层为掺氟二氧化硅石英玻璃分层。包层的直径Dclad为124μm至126μm。该光纤的截止波长为700nm至1000nm。

按上述方案，其包层有3个分层，第一个分层紧密环绕芯层，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：0.4％≦Δ1-Δ31≦0.6％，Δ31的范围为-0.9％至-0.5％，该分层的直径D31为20μm至65μm。第二个分层紧密环绕第一个分层，该分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率Δ32与第一个分层的相对折射率Δ31的关系为：0％<Δ31-Δ32≦0.05％，Δ32的范围为-1.0％至-0.5％，该分层的直径D32为80μm至110μm。第三个分层紧密环绕第二个分层，其相对折射率Δ33为0％，该分层的直径D33为124μm至126μm

或者，按上述方案，其包层有4个分层，第一个分层紧密环绕芯层，该分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率Δ41与芯层的相对折射率Δ1的关系为：0.4％≦Δ1-Δ41≦0.6％，Δ41的范围为-0.9％至-0.5％，该分层的直径D41为20μm至30μm。第二个分层紧密环绕第一个分层，该分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率Δ42与第一个分层的相对折射率Δ41的关系为：0％<Δ41-Δ42≦0.25％，Δ42的范围为-1.2％至-0.7％，该分层的直径D42为25μm至40μm。第三个分层紧密环绕第二个分层，该分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率Δ43的范围为0％≦Δ43-Δ41≦0.05％，该分层的直径D43为80μm至110μm。第四个分层紧密环绕第三个分层，该分层为纯二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率Δ44为0％，该分层的直径D44为124μm至126μm。

按上述方案，发明光纤的模场直径(ModeFieldDiameter，MFD)在750nm～1080nm波长范围内为3μm-7μm。

按上述方案，发明光纤的衰减在750nm～1080nm波长范围内小于3dB/km。

按上述方案，发明光纤的宏弯损耗在750nm～1080nm波长范围内小于0.5dB/(Φ10mm一圈)。

按上述方案，发明光纤的辐照后的附加衰减小于5dB/100m(100rad/s剂量率，9×10⁹rad总剂量)。

本发明的有益效果在于：1.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。同时，芯层掺F，通过对光纤芯层材料结构的优化调整，可以提高光纤的抗辐射性能；2.光纤包层的分层中，含有一个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2个或3个掺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，更有利于光纤在实际环境中的使用。

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是本发明另一个实施例的径向截面示意图；图中00对应光纤的芯层，41对应光纤包层的第一分层，42对应光纤包层的第二分层，43对应光纤包层的第三分层，44对应光纤包层的第四分层；

图3是本发明一个实施例的折射率剖面示意图；

图4是本发明另一个实施例的折射率剖面示意图。

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1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由掺氟(F)的石英玻璃组成；围绕在芯层的是包层。包层有三个分层，第一分层31紧密围绕芯层，由掺氟(F)的石英玻璃组成；第二分层32紧密围绕第一分层31，由掺氟(F)的石英玻璃组成，其相对折射率Δ32小于第一分层31的相对折射率Δ31；第三分层33紧密围绕第二分层32，第三分层的直径D33为124μm～126μm，第三分层为纯二氧化硅石英玻璃层，即其相对折射率Δ33为0％。各个分层的相对折射率如图3所示。

如图2所示，在另一个实施例中，包层有四个分层，第一分层41紧密围绕芯层，由掺氟(F)的石英玻璃组成；第二分层42紧密围绕第一分层41，由掺氟(F)的石英玻璃组成，其相对折射率Δ42小于第一分层41的相对折射率Δ41；第三分层43紧密围绕第二分层42，由掺氟(F)的石英玻璃组成，其相对折射率Δ43不小于第一分层41的相对折射率Δ41；第四分层44紧密围绕第三分层43，第四分层的直径D44为124μm～126μm，第四分层为纯二氧化硅石英玻璃层，即其相对折射率Δ44为0％。各个分层的相对折射率如图4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，并通过我们熟知的等离子体化学气相沉积(PlasmaChemicalVaporDeposition，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。

预制棒制备完成后，在拉丝塔上进行光纤的拉丝。一般的，该类型光纤预制棒的拉丝速度不高于800m/min，拉丝张力不高于60g。

所拉光纤的折射率剖面使用NR-9200设备(EXFO公司)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。光纤在设定的剂量率与总剂量下进行辐照，使用OTDR设备测试其光纤衰减的变化。

表2：光纤的主要性能

从实施例可以看出：1.芯层掺F浓度对光纤的抗辐射性能及衰减会产生影响，适当提高芯层掺F的浓度，可以提高光纤的抗辐射性能，例如实施例4和实施例3。然而，过高浓度的F掺杂，会引起芯层材散射损耗的增加，如实施5和实施例4，同时，对制造成本和工艺难度也有一定的影响；2.包层中的纯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。当该分层宽度增加时，该分层会承担更多的拉丝过程中形成的张应力，降低光纤芯层中缺陷的产生，对降低光纤的衰减和提高其抗辐射性能有积极的作用，例如实施例1和实施例2，然而，因为该分层折射率最大，如果其宽度过大，则该分层就越靠近芯层，这会对光纤的波导产生不利的影响，光纤芯层中的功率会泄露到该包层中，造成光纤衰减的增加，例如实施例2和实施例6；3.包层中的其它分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，其中的折射率下陷的最深的掺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，例如实施例1和实施例2，实施例2和实施例7，实施例2和实施例8。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。4个分层的结构相比较于3个分层的结构而言，多了一个结构参数设计上的维度，更有利于改进光纤的抗弯曲性能，同时兼顾成本和工艺。例如实施例9和实施例10。

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700nm-1000nm，在750nm～1080nm工作波长范围内，其MFD为3μm-7μm，光纤衰减小于3dB/km，宏弯损耗小于0.5dB/(Φ10mm一圈)，其辐照后的附加衰减小于5dB/100m(100rad/s剂量率，9×109rad总剂量)。

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

1.一种单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于，芯层为掺氟二氧化硅石英玻璃，芯层的直径Dcore为3μm至6μm，芯层的相对折射率Δ1的范围为-0.3％至-0.1％，围绕在芯层外有包层。

2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，该包层含3个以上分层，其中有一个分层为纯二氧化硅石英玻璃分层，其它分层为掺氟二氧化硅石英玻璃分层。

3.如权利要求1或2所述的单模光纤，其特征在于，包层的直径Dclad为124μm至126μm。

4.如权利要求3所述的单模光纤，其特征在于，该光纤的截止波长为700nm至1000nm。

5.如权利要求1或4所述的单模光纤，其特征在于，包层有3个分层，第一个分层紧密环绕芯层，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之差为0.4％≦Δ1-Δ31≦0.6％，Δ31的范围为-0.9％至-0.5％，该分层的直径D31为20μm至65μm；第二个分层紧密环绕第一个分层，该分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率Δ32与第一个分层的相对折射率Δ31之差为0％<Δ31-Δ32≦0.05％，Δ32的范围为-1.0％至-0.5％，该分层的直径D32为80μm至110μm；第三个分层紧密环绕第二个分层，其相对折射率Δ33为0％，该分层的直径D33为124μm至126μm。

6.如权利要求1或4所述的单模光纤，其特征在于，包层有4个分层，第一个分层紧密环绕芯层，该分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率Δ41与芯层的相对折射率Δ1满足0.4％≦Δ1-Δ41≦0.6％，Δ41的范围为-0.9％至-0.5％，该分层的直径D41为20μm至30μm；第二个分层紧密环绕第一个分层，该分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率Δ42与第一个分层的相对折射率Δ41之差为0％<Δ41-Δ42≦0.25％，Δ42的范围为-1.2％至-0.7％，该分层的直径D42为25μm至40μm；第三个分层紧密环绕第二个分层，该分层为掺氟二氧化硅石英玻璃，该分层与第一分层相对折射率之差为0％≦Δ43-Δ41≦0.05％，该分层的直径D43为80μm至110μm；第四个分层紧密环绕第三个分层，该分层为纯二氧化硅石英玻璃，该分层的相对折射率Δ44为0％，该分层的直径D44为124μm至126μm。

7.如权利要求1或2所述的单模光纤，其在750nm～1080nm波长范围内的MFD为3μm～7μm。

8.如权利要求1或2所述的单模光纤，其光纤衰减在750nm～1080nm波长范围内小于3dB/km。

9.如权利要求1或2所述的单模光纤，其在Φ10mm直径绕一圈的条件下，宏弯损耗在750nm～1080nm波长范围内小于0.5dB。

10.如权利要求1或2所述的单模光纤，其在100rad/s剂量率，9×10⁹rad总剂量的条件下辐照后的附加衰减小于5dB/100m。