CN107422414A - 一种低衰减弯曲不敏感单模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低衰减弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层半径r1为3.6～4.4μm，芯层相对折射率Δn1为0.32％～0.42％，芯层外从内向外依次包覆内包层，纯二氧化硅内包层，下陷包层和外包层，所述内包层半径r2为6.5～8.5μm，相对折射率Δn2为‑0.05％～0.05％；所述纯二氧化硅内包层，半径r3为8～10μm，相对折射率Δn3为‑0.03％～0.03％；所述下陷包层半径r4为12～17.5μm，相对折射率Δn4为‑0.50％～‑0.25％；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。本发明通过采用掺锗、氟及碱金属的共掺杂的芯层和内包层设计，对芯层粘度进行优化，使光纤衰减性能降低；在纯二氧化硅内包层两侧，设计合理的掺杂层，减少光纤内部缺陷，以降低衰减。

Description

一种低衰减弯曲不敏感单模光纤
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和较低的衰减系数，属于光纤通信传输领域。
背景技术
伴随着通信业的快速发展，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 opticalfibre 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-haulnetworks)；G.657.A2光纤满足最小7.5mm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-PeakPower 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.A2和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。
光纤的另外一种重要特性就是衰减，目前常规光纤的衰减一般在0.20-0.22dB/km，激光能量在经过长距离传输后逐渐减小，所以需要采用中继的形式对信号再次放大。而相对与光纤光缆的成本，中继站相关设备和维护成本在整个链路系统的70％以上，所以如果涉及一种低衰减或者超低衰减光纤，就可以有效的延长传输距离，减少建设和维护成本。经过相关计算，如果将光纤的衰减从0.20降低到0.18dB/km，整个链路的建设成本将总体降低10％左右。
文献CN201410633787.5公布了一种超低衰减光纤的设计，由于为了实现超低衰减性能，光纤剖面设计中芯层中采用了较少的锗掺杂，且芯层和内包层中没有进行碱金属掺杂，光纤剖面采用了多层设计，制作工艺复杂。
文献CN201510464355.0公布了一种超低衰减大有效面积光纤的设计，其只在芯层位置进行了碱金属掺杂，内包层内没有碱金属掺杂；其内包层中没有公布相关成分组成，不涉及锗氟共掺杂设计；并且其剖面设计以及各个包层组成部分成分没有公布。
而目前常用的几种制备低衰减光纤的技术方案主要有两种。第一种是在光纤拉丝退火工艺上，采用的方法主要是降低光纤拉丝速度，或者在光纤拉丝中通过增加保温炉以调节光纤的冷却速度，起到降低光纤衰减系数的作用。但是该方法受限于较低拉丝速度，影响光纤制造效率，不利于成本降低。第二种方法是降低光纤芯层位置的Ge和F掺杂，降低光纤的瑞利散射系数，起到降低光纤衰减的作用。但是为了保证光纤波导设计要求，芯包层必须保证一定的折射率差异，这样芯层的掺杂浓度有对应的最小值，不可能无限制的继续降低光纤芯层的Ge掺杂浓度；同理，如果在内包层位置掺杂F降低内包层的折射率，虽然保证了波导设计，但也会增加光纤的衰减。所以目前的实践中很难通过降低光纤芯包掺杂的方法使得光纤衰减降低到0.180dB/km以下。
从上面的分析我们可以发现，存在使用非纯硅芯和部分氟掺杂包层制备低衰减弯曲不敏感的可行性，但是受到前面所述因素的影响，如何在这样的设计下，控制光纤的光学参数，是我们面临的的又一个挑战。
发明内容
以下为本发明中涉及的一些术语的定义和说明：
相对折射率Δni：
从光纤纤芯轴线开始算起，根据折射率的变化，定义为最靠近轴线的那层为光纤芯层，光纤的最外层即纯二氧化硅层定义为光纤外包层。
光纤各层相对折射率Δni由以下方程式定义，
其中ni为光纤各位置玻璃的折射率，而nc为外包层折射率，即纯二氧化硅的折射率。
光纤芯层和内包层F掺杂的相对折射率贡献量ΔFi由以下方程式定义，
其中nF为假设芯层或内包层位置的F掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅玻璃中，引起二氧化硅玻璃折射率的变化量，其中nc为最外包层折射率，即纯二氧化硅的折射率。
光缆截止波长λcc：
IEC(国际电工委员会)标准60793-1-44中定义：光缆截止波长λcc是光信号在光纤中传播了22米之后不再作为单模信号进行传播的波长。在测试时需通过对光纤绕一个半径14cm的圈，两个半径4cm的圈来获取数据。
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低衰减弯曲不敏感单模光纤，它衰减低，弯曲性能优，且制作成本较低。
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，其特征在于所述的芯层半径r1为3.6～4.4μm，芯层相对折射率Δn1为0.32％～0.42％，芯层外从内向外依次包覆内包层，纯二氧化硅内包层，下陷包层和外包层，所述内包层半径r2为6.5～8.5μm，相对折射率Δn2为-0.05％～0.05％；所述纯二氧化硅内包层，半径r3为8～10μm，相对折射率Δn3为-0.03％～0.03％；所述下陷包层半径r4为12～17.5μm，相对折射率Δn4为-0.50％～-0.25％；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述的芯层为锗和氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，氟在芯层的相对折射率贡献量ΔFcore为-0.12％～-0.04％，碱金属含量为100～2000ppm。
按上述方案，所述的内包层为锗和氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，氟在内包层的相对折射率贡献量ΔFcore为-0.15％～-0.06％，碱金属含量为50～1500ppm。
按上述方案，所述芯层和内包层中的碱金属为锂、钠、钾、铷、铯、钫碱金属离子中的一种或多种。
按上述方案，所述的纯二氧化硅内包层为不含有锗或氟的纯二氧化硅玻璃；所述的纯二氧化硅内包层单边厚度大于或等于0.7μm。
按上述方案，所述光纤的成缆截止波长等于或小于1260nm。
按上述方案，所述光纤在波长1310nm处的衰耗等于或小于0.324dB/km；在波长1550nm处的衰耗等于或小于0.184dB/km；在波长1625nm处的衰耗等于或小于0.204dB/km。
按上述方案，所述光纤的R15mm-10圈1550nm窗口宏弯损耗小于等于0.03dB，1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.1dB；R10mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于等于0.1dB，1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.2dB。
按上述方案，所述光纤的MAC值(MAC值＝模场直径/光缆截至波长)小于等于7.9。
按上述方案，所述光纤的拉丝速度大于等于2000m/min。
按上述方案，所述的外包层半径r5为62.5μm。所述的光纤拉丝制备是的预制棒直径大于或等于150mm。
本发明的有益效果在于：1、通过采用掺锗、氟及碱金属的共掺杂的芯层和内包层设计，对芯层粘度进行优化，使光纤衰减性能降低；2、内包层和下陷内包层中间位置设计了合理宽度的纯二氧化硅内包层，目的在于防止碱金属扩散到氟掺杂浓度较高的下陷内包层区域，形成金属氟化物结晶，影响衰减；3、在纯二氧化硅内包层两侧，设计合理的掺杂层，并通过纯二氧化硅玻璃平衡光纤内部粘度匹配和应力匹配，减少光纤内部缺陷，进一步降低衰减；3、采用了合理的氟掺杂下陷包层结构优化光纤的弯曲性能；4、最外层的外包层结构采用了纯二氧化硅的设计，降低了氟掺杂玻璃在光纤中比重，从而降低了光纤制造生产成本。
附图说明
图1本发明一个实施例的折射率剖面结构分布图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行进一步详细描述。
包括有芯层和多包层结构，芯层外从内向外依次包覆内包层，纯二氧化硅内包层，下陷包层，纯二氧化硅外包层，所述的芯层和内包层为锗氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。所述的芯层半径为r1，芯层相对折射率为Δn1，所述内包层半径为r2，相对折射率为Δn2；所述纯二氧化硅内包层半径为r3，相对折射率为Δn3；所述下陷包层半径为r4，相对折射率为Δn4；外包层的直径为125μm，光纤外涂覆双层高分子紫外固化涂层。制作时光纤预制棒直径为200mm，拉丝速度为2400m/min。
表一所列为本发明优选的实施例的折射率剖面参数，ΔFcore为芯层中F掺杂的折射率贡献量；ΔFclad为内包层中F掺杂的折射率贡献量；表二为表一所述光纤所对应的光传输特性。
表一、本发明实施例的光纤剖面参数
表二、本发明实施例的光纤参数

Claims (10)

1.一种低衰减弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层半径r1为3.6～4.4μm，芯层相对折射率Δn1为0.32％～0.42％，芯层外从内向外依次包覆内包层，纯二氧化硅内包层，下陷包层和外包层，所述内包层半径r2为6.5～8.5μm，相对折射率Δn2为-0.05％～0.05％；所述纯二氧化硅内包层，半径r3为8～10μm，相对折射率Δn3为-0.03％～0.03％；所述下陷包层半径r4为12～17.5μm，相对折射率Δn4为-0.50％～-0.25％；所述外包层为纯二氧化硅玻璃层。
2.按权利要求1所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的芯层为锗和氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，氟在芯层的相对折射率贡献量ΔFcore为-0.12％～-0.04％，碱金属含量为100～2000ppm。
3.按权利要求2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的内包层为锗和氟及碱金属共掺的二氧化硅玻璃层，氟在内包层的相对折射率贡献量ΔFcore为-0.15％～-0.06％，碱金属含量为50～1500ppm。
4.按权利要求2或3所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的碱金属为锂、钠、钾、铷、铯、钫碱金属离子中的一种或多种。
5.按权利要求1或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的纯二氧化硅内包层单边厚度大于或等于0.7μm。
6.按权利要求1或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的成缆截止波长等于或小于1260nm。
7.按权利要求1或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤在波长1310nm处的衰耗等于或小于0.324dB/km；在波长1550nm处的衰耗等于或小于0.184dB/km；在波长1625nm处的衰耗等于或小于0.204dB/km。
8.按权利要求1或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的R15mm-10圈1550nm窗口宏弯损耗小于等于0.03dB，1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.1dB；R10mm-1圈1550nm窗口宏弯损耗小于等于0.1dB，1625nm窗口宏弯损耗小于等于0.2dB。
9.按权利要求1或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的MAC值小于或等于7.9。
10.按权利要求1或2所述的低衰减弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的拉丝速度大于等于2000m/min。
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