CN107085263A - 一种熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层为氟锗共掺的二氧化硅石英玻璃层，芯层的直径Dcore为7μm～10μm，芯层的相对折射率差Δ1为0.20％～0.40％，其中ΔGe的范围为0.30％～0.60％，ΔF的范围为‑0.05％～‑0.15％；包层有3个分层，第一分层为氟锗共掺的二氧化硅石英玻璃层，相对折射率差Δ31为‑0.02％～‑0.10％，直径D31为15μm～30μm；第二分层为掺氟二氧化硅石英玻璃层，Δ32为‑0.01％～‑0.05％，D32为30μm至50μm；第三分层为纯二氧化硅石英玻璃层，直径D33为124μm～126μm。本发明光纤适合熔融拉锥，表现为较低的传输损耗、弯曲损耗、熔接损耗和拉锥过程损耗，因而适于光纤耦合器与光纤传感器的研发与应用。

Description

一种熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤
技术领域
本发明涉及一种熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，该光纤在熔接、拉锥等高温处理时具有更稳定优越的性能，适用于光纤耦合器与光纤传感器的研发与应用，属于光纤技术领域。
背景技术
在当代通信网络中，面向客户端的接入技术始终是限制高带宽业务快速发展的难点问题。海量的信息在在经由传输设备到达接入网后必须分割成涓涓溪流才能与终端客户互联互通。弯曲不敏感技术是光纤接入技术关键的一环，它是光纤接入网络的基础传输媒介，它能穿过复杂多变的区域将信息送到终端用户，稳定地实现高带宽的互联互通，国际电信联盟将其归类为ITU-T G.657。G.657弯曲不敏感单模光纤主要用于狭小空间或者转角，配线箱和分光器等复杂环境及光电子器件领域，其在10mm及以下弯曲半径仍然能具有较低的弯曲附加损耗。
随着光纤通信技术的飞速发展，光纤器件在光通信领域的应用也越来越广泛，其中光纤耦合器已经成为应用最广泛的光纤无源器件。光纤耦合器对光信号的分、合路，插入和分配的实现起到了至关重要的作用，它是一种多功能、多用途的器件且是最重要的光无源器件之一。在光纤耦合器的发展过程中，其制作方法主要有三种：腐蚀法，抛磨法和熔融拉锥法。三种方法中熔融拉锥法因其操作简单、制作成本低、器件的损耗小，因此使用最为广泛，就各项特性指标而言熔融拉锥型光纤耦合器是最具有代表性的光器件。
传统的G.657单模光纤因为芯层和包层材料设计不同，两者折射率差异大，为追求良好的宏弯性能，通常在外包层设计中增加了含氟比例大，△下陷深的trench结构。因此在熔融拉锥过程中，由于芯包材料特性不匹配(表现为粘度和热膨胀系数不匹配)，光纤波导结构变化不同步，导致无论怎么优化熔融拉锥工艺条件都达不到要求的分光比，过程损耗很大。
普通的G.652单模光纤尽管在熔融拉锥性能方面可以满足，但由于其在小弯曲半径(小于30mm)下弯曲损耗很高，不适合用于有特殊弯曲要求的小尺寸器件上。
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：△＝(ni-n0)/n0*100％
ni和n0分别为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差(ΔF)，以此来表示掺氟(F)量。
锗(Ge)的贡献量：掺锗(Ge)石英玻璃相对于纯二氧化硅石英玻璃的相对折射率差(ΔGe)，以此来表示掺锗(Ge)量。
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足提供一种熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，该光纤适合熔融拉锥，表现为较低的传输损耗、弯曲损耗、熔接损耗和拉锥过程损耗，因而适于光纤耦合器与光纤传感器的研发与应用。
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：芯层为氟锗共掺(F/Ge)的二氧化硅(SiO2)石英玻璃层，芯层的直径Dcore为7μm～10μm，芯层的相对折射率差Δ1为0.20％～0.40％，其中ΔGe的范围为0.30％～0.60％，ΔF的范围为 -0.05％～-0.15％；包层有3个分层，第一分层紧密环绕芯层，第一分层为氟锗共掺的二氧化硅石英玻璃层，相对折射率差Δ31为-0.02％～-0.10％，直径D31为15μm～30μm；第二分层紧密环绕第一分层，为掺氟二氧化硅石英玻璃层，相对折射率差Δ32为-0.01％～-0.05％，直径D32为30μm～50μm；第三分层紧密环绕第二分层，为纯二氧化硅石英玻璃层，第三分层直径D33为124μm～126μm。
按上述方案，所述的第一分层中ΔGe的范围为0.05％～0.25％，ΔF的范围为-0.05％～ -0.30％。
按上述方案，所述光纤的截止波长为1180nm～1360nm。
按上述方案，所述光纤的MFD在1310nm～1550nm波长范围内为8μm～11μm。
按上述方案，所述光纤的衰减在1310nm～1550nm波长范围内小于或等于0.35dB/km。
按上述方案，所述光纤的宏弯损耗在1310nm～1550nm波长范围内小于或等于0.5dB/(Ф 20mm-1圈)。
按上述方案，所述光纤的熔融拉锥过程损耗小于或等于0.1dB，器件隔离度大于或等于 20dB。
本发明的有益效果在于：1.光纤芯层F和Ge共掺，同单独掺Ge相比可以优化光纤的材料结构，降低纯掺Ge形成的缺陷浓度和改善应力分布，同时能消除中心凹陷，易于熔融拉锥，且熔融拉锥过程损耗小；2.光纤包层的分层中，含有一个纯二氧化硅石英玻璃分层，该分层全部由套衬管石英材料组成，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，有利于光纤的机械保护；3.光纤包层的分层中，含有一个较薄的掺F二氧化硅石英玻璃分层，为缓冲层，可阻挡衬管材料的OH根和重金属离子，降低这两个方面对光纤衰减尤其水峰的影响；4.光纤包层的内分层中，设置有一个F和Ge共掺的二氧化硅石英玻璃分层，可以降低内包层材料的粘度，与芯层材料的粘度更加匹配，同时提高了光纤的抗弯曲性能，有利于降低光纤在小弯曲半径状态下的宏弯附加损耗，符合ITU-T对G.657.A1光纤规定的指标要求；5.本发明在熔接、拉锥等高温处理时具有更稳定优越的性能，表现为较低的传输损耗、弯曲损耗、熔接损耗和拉锥过程损耗，因而适于光纤耦合器与光纤传感器的研发与应用。
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是本发明一个实施例的折射率剖面示意图。
具体实施方式
下面将给出详细的实施例，对本发明作进一步的说明。
本发明实施例中的熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，芯层00由氟(F) 锗(Ge)共掺的石英玻璃组成；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，也是由氟(F)锗(Ge)共掺的石英玻璃组成；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，其相对折射率差Δ32大于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％。
按照上述技术方案，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，VAD工艺或OVD工艺制造芯棒，通过套管工艺、POD工艺(等离子体外喷工艺，plasma outside deposition)、OVD工艺或VAD工艺等外包工艺来完成整个拉丝棒的制造。PCVD工艺和POD工艺在进行精确剖面设计，沉积高浓度的掺氟(F)以及消除中心凹陷方面，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。拉丝速度不高于800m/min，拉丝涂覆张力介于200～260g。
所拉光纤的折射率剖面使用IFA-100设备(Inerfiber Analysis.LLC)进行测试。光纤的折射率剖面实施例的主要参数如表1所示。
所拉光纤是用平行法熔融型光纤拉锥机(山东富硕)进行拉锥测试评估的。其中过程损耗(插入损耗)和隔离度(回波损耗)是光纤耦合器的两个重要参数。前者描述的是正向光纤耦合能力，损耗越低耦合越好；后者描述的是阻止光波向其它方向尤其反方向传输能力，其值越大越好。
所拉光纤的主要性能参数如表2所示。光纤实施例在设定的指标和制造工艺条件下进行相关测试，均能满足本发明的所述权利要求。
从实施例可以看出：
1.如果芯层直径做小，要保证光纤1310nm工作波长使用，则根据截止波长计算公式λc＝πDcoren0(2△)0.5/Vc(n0为SiO2折射率，Vc为归一化频率)，则△必须做大，相应就需要提高Ge及F掺杂量，不利于光纤缺陷及衰耗控制。从实际测试结果看，尽管宏弯性能很好，但光纤衰耗明显偏高，不能满足G.657.A1指标要求，如实施例1。说明芯径减小太多，会迫使增加△，从而导致掺杂提高，光纤衰减增加。
如果增大芯径过多，尽管MFD有增加，利于拉锥，而且△相应减少，光纤衰耗很好，但单模截止条件很难满足，需要大幅提高拉丝温度，减小拉丝张力，不利于光纤强度控制，同时即使截止波长控制到要求范围内，光纤测试宏弯大，不能满足G.657.A1指标要求，因此光纤抗弯曲能力明显减弱，如实施例8。说明芯径过大，掺杂过低也不能满足光纤设计要求。
3.如果紧密围绕芯层的内包层过宽，在弯曲时尽管传输信号不会泄露出包层，利于宏弯性能的提升，但如果其宽度过大，会造成光纤应力分布不均，导致芯层中的功率泄露到包层过多，造成光纤散射衰减增加，同时检测到拉锥过程损耗也偏高，如实施例7。
4.如果紧密围绕芯层的内包层过窄，光传输信号弯曲时泄露出包层较容易，而且由于包芯比很小，制造工艺难度增加。不过通过增加包层下陷深度可以防止波导泄露，提高弯曲性能，但拉锥性能又会大幅减弱。这是由于增加了掺F浓度，因为F离子几何尺寸小，熔融时其游离速度快，改变了波导结构，不利于拉锥成型。如实施例2和3。
5.如果芯包层直径及△设计合理，不仅衰减，宏弯符合G.657.A1指标要求，而且拉锥性能也很好，如实施例4,5和6。
综上表明，按照本发明的技术方案所制造的光纤，截止波长在1180nm-1360nm，在1310nm～1550nm工作波长范围内，其MFD为8μm-11μm，光纤衰减小于0.35dB/km，宏弯损耗小于0.5dB/(Φ20mm一圈)，其拉锥过程损耗小于0.1dB，器件隔离度大于20dB。
表1光纤的结构参数
表2光纤的主要性能

Claims (10)

1.一种熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层为氟锗共掺的二氧化硅石英玻璃层，芯层的直径Dcore为7μm～10μm，芯层的相对折射率差Δ1为0.20％～0.40％，其中ΔGe的范围为0.30％～0.60％，ΔF的范围为-0.05％～-0.15％；包层有3个分层，第一分层紧密环绕芯层，第一分层为氟锗共掺的二氧化硅石英玻璃层，相对折射率差Δ31为-0.02％～-0.10％，其中ΔGe的范围为0.05％至0.25％，ΔF的范围为-0.05％至-0.30％，第一分层的直径D31为15μm～30μm；第二分层紧密环绕第一分层，为掺氟二氧化硅石英玻璃层，相对折射率差Δ32为-0.01％～-0.05％，直径D32为30μm～50μm；第三分层紧密环绕第二分层，为纯二氧化硅石英玻璃层，第三分层的直径D33为124μm～126μm。
2.按权利要求1所述的熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的第一分层中ΔGe的范围为0.05％～0.25％，ΔF的范围为-0.05％～-0.30％。
3.按权利要求1或2所述的熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的第二分层相对折射率差Δ32大于第一分层相对折射率差Δ31。
4.按权利要求1或2所述的熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的截止波长为1180nm～1360nm。
5.按权利要求1或2所述的熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的MFD在1310nm～1550nm波长范围内为8μm～11μm。
6.按权利要求1或2所述的熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的衰减在1310nm～1550nm波长范围内小于或等于0.35dB/km。
7.按权利要求1或2所述的熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的宏弯损耗在1310nm～1550nm波长范围内小于或等于0.5dB/(Ф20mm-1圈)。
8.按权利要求1或2所述的熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的熔融拉锥过程损耗小于或等于0.1dB。
9.按权利要求8所述的熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的器件隔离度大于或等于20dB。
10.按权利要求1或2所述的熔融拉锥型弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤经熔融拉丝而成，拉丝速度不高于800m/min，拉丝涂覆张力为200～260g。
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