CN107632338A - 抗弯曲单模光纤及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗弯曲单模光纤，其包括芯层和包层，所述包层由内向外依次分布的内包层、下陷包层和外包层组成，所述芯层采用掺锗石英玻璃或者锗氟共掺石英玻璃，所述内包层采用掺氟石英玻璃，所述下陷包层采用掺氟石英玻璃，所述芯层的相对折射率差与所述内包层的相对折射率差的差值为0.5％至0.7％，与所述下陷包层的相对折射率差的差值为0.7％至1.1％。本发明还涉及设有上述光纤的制备方法，其采用轴向气相沉积法制备芯棒，将芯棒、掺氟薄石英管和高纯石英管相互套接在一起，组装成用于制备光纤的光棒，进行高温拉丝，制备出抗弯曲单模光纤。本发明的光纤具有良好的抗弯曲性能，且便于制造，成品率高，因弯曲带来的附加损耗小。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗弯曲单模光纤,还涉及这种光纤的制备方法，这种光纤光纤具有极小的弯曲附加损耗，可用于光纤器件，导弹制导、水听器等，属于光通信技术领域。
背景技术
随着光通信技术的快速发展，单模光纤取代铜线已经大量应用于中短距离的控制系统中，在系统集成过程中人们对于器件小型化提出越来越高的要求，因此光纤的弯曲半径也要求越来越小，在很小的弯曲半径下，极低的弯曲附加损耗是非常重要的要求，或者为追求光路弯曲半径的减小而带来其他方面的问题。例如，CN102998742A 号发明专利申请说明书公开了一种小模场抗弯曲单模光纤，其包括芯层和包层，所述芯层的相对折射率差Δ1为0.9％-1.1％，半径R1为2.4-3.0μm，内包层相对折射率差Δ2为0％--0.1％，半径R2为9-12μm，内包层外为外包层，这种光纤能在最小弯曲半径达到3mm的极小弯曲半径情况下使用，有效将光信号约束在芯层中进行传播，同时在弯曲状态下，能有效阻止光信号向外层传播，从光信号约束角度方面讲，能够使抗弯曲性能得到极大提高，但是，这种光纤由于芯层中锗的掺杂浓度非常高，制造过程中非常容易出现芯层开裂，成品率极低，难以在实践中推广应用，同时高掺杂还带来了光纤1550nm窗口的衰减接近0.3dB/km，远高于普通G.652D光纤的衰减水平。因此，要提高光纤的抗弯性能，不仅要考虑光纤的光传送性能，而且还需要光纤的机械性能和制造工艺特性，将材料对工艺等的多方面影响进行全面和综合考虑，才能够形成真正抗弯曲的光纤。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种抗弯曲单模光纤，还提供了这种光纤的制备方法，这种抗弯曲单模光纤具有良好的抗弯曲性能，且便于制造，成品率高，因弯曲带来的附加损耗小。
本发明的技术方案是：一种抗弯曲单模光纤，包括芯层和包层，其特征在于所述包层由由内向外依次分布的内包层、下陷包层和外包层组成，所述芯层采用掺锗石英玻璃或者锗氟共掺石英玻璃，所述内包层采用掺氟石英玻璃，所述下陷包层采用掺氟石英玻璃，所述外包层通常可以采用纯石英玻璃，也可以采用其他适宜材料，所述芯层的相对折射率差△1与所述内包层的相对折射率差△2的差值（△1－△2）为0.5％至0.7％（包括两端值，下同），与所述下陷包层的相对折射率差△3的差值（△1－△3）为0.7％至1.1％。
所述内包层的半径R2与所述芯层的半径R1的比值R2/R1优选为2至5。
所述下陷包层的半径R3与所述芯层的半径R1的比值R3/R1优选为2至4。
所述芯层的半径R1可以为2.0~3.5μm。
所述内包层的半径R2可以为6~12μm。
所述下陷包层的半径R3可以为10~20μm。
所述芯层的相对折射率差△1可以为0.4％至0.6％。
所述内包层的相对折射率差Δ2可以为0％至-0.1％。
所述下陷包层的相对折射率差Δ3可以为-0.3%至-0.5％。
所述芯层中，掺杂锗对相对折射率的贡献量ΔGe优选为0.4％至0.65％，掺杂氟对相对折射率的贡献量ΔF优选为0至-0.1％（当为0时，对应于不掺杂氟或者说氟的掺杂量为0），依此确定和控制锗的掺杂量和/或氟的掺杂量。
这种抗弯曲单模光纤的截止波长可以为小于或等于1260 nm。
在1310 nm波长处，这种抗弯曲单模光纤的衰减系数可以小于或等于0.35 dB/km，模场直径可以为5至6.5μm。
在1550 nm波长处，这种抗弯曲单模光纤的衰减系数可以小于或等于0.25 dB/km，模场直径可以为6.2至7.7μm。
这种抗弯曲单模光纤，在1550 nm波长处，围绕3 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.1 dB，围绕5 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.05d B，围绕7.5 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.01dB，围绕10mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.005 dB，围绕15 mm弯曲半径饶十圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.002 dB；在1625 nm波长处，围绕3 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.2 dB，围绕5 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.1 dB，围绕7.5 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.02 dB，围绕10 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.005 dB，围绕15 mm弯曲半径饶十圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.005 dB。
一种抗弯曲单模光纤的制备方法，包括下列步骤：
1）采用轴向气相沉积（VAD）法，根据光芯层和内包层的材料和构造要求，将用于制备芯层和内包层的粉末沉积靶棒上，形成粉棒，对粉棒进行烧结，制备出用于形成芯层和内包层的芯棒；
2）依据下陷包层和外包层的材料要求，并依据芯层、内包层、下陷包层和外包层的构造要求，将用于形成芯层和内包层的芯棒、用于形成下陷包层的掺氟石英管和用于形成外包层的高纯石英管相互套接在一起，组装成用于制备光纤的光棒；
3）对光棒进行高温拉丝，制备出的光纤即为抗弯曲单模光纤，
所述抗弯曲单模光纤为本发明公开的任意一种抗弯曲单模光纤。
可以通过拉丝的涂覆工艺增加光纤产品的杨氏模量值。
本发明的有益效果是：1）芯层掺杂锗浓度较G.652D增加20%-30%，同时在内包层和外包层之间设置深掺氟折射率下陷区，保证将光信号约束在芯层中进行传播，同时在弯曲状态下，有效阻止光信号向外层传播，使光纤的抗弯曲性能得到极大提高，能在最小弯曲半径达到3mm的极小弯曲半径情况下使用，且其衰减性能较常规的小模场光纤优越；2）光纤内包层掺杂有氟，使得芯层与包层材料的粘度匹配性改善，拉丝后光纤内部残余应力减少，可以改善光纤的衰减性能；3）可在光纤器件、微导光缆中使用，增强光纤器件的运行能力；4）这种光纤制造方便，易于控制，控制精度要求和控制难度与现有光纤制备的同类工艺相仿，产品的成品率高，可达90%以上；5） 相较于采用高掺杂Ge方式获取的折射率剖面，缩短了VAD制备芯棒的调试周期（高掺Ge需调整VAD工艺才能实现正常芯棒生产，调试周期长），同时避免了高掺杂芯棒在流转过程中因应力大导致的芯棒开裂问题，芯棒的综合利用率明显高于高掺Ge芯棒。
附图说明
图1是本发明涉及的抗弯曲单模光纤的横截面构造示意图；
图2是本发明涉及的光纤制备方法的工艺流程图；
图3是本发明涉及的抗弯曲单模光纤的实测光纤折射率剖面图（采用S14光纤折射率剖面测试仪测得）；
图4是组装光棒的构造示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1-4所示，本发明涉及的抗弯曲单模光纤包括芯层1和包层，所述芯层1的相对折射率差大于包层的相对折射率差，所述包层包括内包层2、下陷包层3 和外包层4 三部分，其中下陷包层的相对折射率差明显低于内包层和外包层的相对折射率差，所述芯层的半径R1为2.6um,相对折射率差Δ1为0.532%,所述内包层的半径R2为7.6um，相对折射率差Δ2为-0.08%，所述下陷包层的半径R3为15.6um，相对折射率差Δ3为-0.45%，所述外包层的半径R4为62.4um,相对折射率差Δ4为0%。
所述芯层和内包层采用VAD（轴向气相沉积）法制造，采用火焰氢化反应，生产SiO2和GeO2粉末等，在预定的靶棒上进行沉积，具体沉积方式可以依据现有技术，并最终制备出的光纤的各部分符合光纤的构造要求。在稳定可控的腔体气流条件下，通过控制火焰喷灯的位置，调整各反应气体用量，可沉积得到外径均匀的二氧化硅粉棒。粉棒经过烧结，可得到大尺寸芯棒。在沉积的过程中，通过控制通入GeCl4的用量，可调整折射率分布。
制备好芯棒后，将芯棒、高掺氟石英管（薄皮管，F520材质,可从“Heraeus HoldingGmbH”或贺氏集团购买）与高纯石英套管（F300材质,可从“Heraeus Holding GmbH”或贺氏集团购买）组装后可以不进行芯管和套管的熔缩，直接进行高温拉丝（俗称“在线RIC法”），依据相应的现有技术制备出所需的光纤。用于高温拉丝的光棒头部呈锥形，尾部设有大尾管5和套在大尾管内的石英顶棒6。
对本发明的抗弯曲单模光纤进行了如下测试：利用PK2200型光纤特性分析仪进行光纤的光学参数测试和确认，并测试光纤在1550 nm 和1625 nm 波长不同弯曲半径下的附加损耗；利用OTDR（光时域反射计）对光纤衰减进行测量；利用S14（光纤折射率剖面测试仪）对光纤折射率剖面进行测试。从以上实施例，试验表明，按照本发明的技术方案制造的光纤，其1550 nm处的模场直径约在6μm左右，光缆截止波长在1260 nm以下，1550 nm处的衰耗在0.25 dB/km以下，典型值在0.22 dB/km,且光纤具有极好的抗弯曲特性，1550nm波长处，对于围绕3 mm弯曲半径饶一圈弯曲附加损耗小于或等于0.1 dB，对于围绕5 mm弯曲半径饶一圈弯曲附加损耗小于或等于0.05 dB，对于围绕7.5 mm弯曲半径饶一圈弯曲附加损耗小于或等于0.01dB，对于围绕10mm弯曲半径饶一圈弯曲附加损耗小于或等于0.005 dB，对于围绕15 mm弯曲半径饶十圈弯曲附加损耗小于或等于0.002 dB；在1625 nm波长处，对于围绕3mm弯曲半径饶一圈弯曲附加损耗小于或等于0.2 dB，对于围绕5 mm弯曲半径饶一圈弯曲附加损耗小于或等于0.1 dB，对于围绕7.5 mm弯曲半径饶一圈弯曲附加损耗小于或等于0.02 dB，对于围绕10 mm弯曲半径饶一圈弯曲附加损耗小于或等于0.005 dB，对于围绕15mm弯曲半径饶十圈弯曲附加损耗小于或等于0.005 dB。
本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。
Claims (10)
1.一种抗弯曲单模光纤，包括芯层和包层，其特征在于所述包层由由内向外依次分布的内包层、下陷包层和外包层组成，所述芯层采用掺锗石英玻璃或者锗氟共掺石英玻璃，所述内包层采用掺氟石英玻璃，所述下陷包层采用掺氟石英玻璃，所述芯层的相对折射率差与所述内包层的相对折射率差的差值为0.5％至0.7％，与所述下陷包层的相对折射率差的差值为0.7％至1.1％。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于所述内包层的半径R2与所述芯层的半径R1的比值R2/R1为2至5。
3.如权利要求2所述的光纤，其特征在于所述下陷包层的半径R3与所述芯层的半径R1的比值R3/R1为2至4。
4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于所述芯层的半径R1为2.0~3.5μm，所述内包层的半径R2为6~12μm，所述下陷包层的半径R3为10~20μm。
5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于所述芯层的相对折射率差△1为0.4％至0.6％，所述内包层的相对折射率差Δ2为0％至-0.1％，所述下陷包层的相对折射率差Δ3为-0.3%至-0.5％。
6.如权利要求5所述的光纤，其特征在于所述芯层中，掺杂锗对相对折射率的贡献量ΔGe为0.4％至0.65％，掺杂氟对相对折射率的贡献量ΔF为0至-0.1％，依此确定和控制锗的掺杂量和氟的掺杂量。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的光纤，其特征在于其在1310 nm波长处的衰减系数小于或等于0.35 dB/km，在1310 nm波长处的模场直径为5至6.5μm，在1550 nm波长处的衰减系数小于或等于0.25 dB/km，在1550 nm波长处的模场直径为6.2 至7.7μm。
8.如权利要求7所述的光纤，其特征在于其在1550 nm波长处，围绕3 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.1 dB，围绕5 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.05d B，围绕7.5 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.01dB，围绕10mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.005 dB，围绕15 mm弯曲半径饶十圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.002 dB；在1625 nm波长处，围绕3 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.2 dB，围绕5 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.1 dB，围绕7.5 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.02 dB，围绕10 mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.005 dB，围绕15 mm弯曲半径饶十圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.005 dB。
9.一种抗弯曲单模光纤的制备方法，包括下列步骤：
采用轴向气相沉积法，根据光芯层和内包层的材料和构造要求，将用于制备芯层和内包层的粉末沉积靶棒上，形成粉棒，对粉棒进行烧结，制备出用于形成芯层和内包层的芯棒；
依据下陷包层和外包层的材料要求，并依据芯层、内包层、下陷包层和外包层的构造要求，将用于形成芯层和内包层的芯棒、用于形成下陷包层的掺氟石英管和用于形成外包层的高纯石英管相互套接在一起，组装成用于制备光纤的光棒；
对光棒进行高温拉丝，制备出的光纤即为抗弯曲单模光纤，
所述抗弯曲单模光纤为权利要求1-8中任意一项权利要求所述的抗弯曲单模光纤。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于通过拉丝的涂覆工艺增加光纤产品的杨氏模量值。
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