CN108519640A - 一种多包层弯曲损耗不敏感单模光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，包括芯层和包层，芯层的折射率呈中心低外侧高的凹陷形分布，设置在芯层外部的包层由内而外依次是内包层、下陷包层和外包层，芯层的折射率高于内包层、下陷包层和外包层的折射率，所述内包层的折射率沿着径向由内向外逐渐降低，下陷包层为掺氟层，下陷包层的折射率低于内包层和外包层。本发明通过优化光纤的折射率剖面结构，使光纤不仅具有更低的弯曲附加损耗，而且具有稳定的机械性能和均匀的材料组成，保持有效模场直径和弯曲性能，减小下陷包层的厚度和下陷深度，从而有效减少掺氟量，降低工艺控制难度和制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及用于光纤技术领域，尤其涉及一种多包层弯曲损耗不敏感单模光纤。
背景技术
随着光纤到户的逐渐普及，弯曲不敏感光纤受到了越来越多的关注，按照是否与G.652光纤兼容的原则，将G.657光纤划分成了A大类和B大类光纤，同时按照最小可弯曲半径的原则，将弯曲等级分为1，2，3三个等级，其中1对应10mm最小弯曲半径，2对应7.5mm最小弯曲半径，3对应5mm最小弯曲半径。结合这两个原则，将G.657光纤分为了四个子类，G.657.A1、G.657.A2、G.657.B2和G.657.B3光纤。弯曲损耗不敏感单模光纤能够有效抑制由在长波长区的宏弯损耗引起的附加衰减，不仅支持L波段的传输应用，同时易于在诸如光纤接续盒等小尺寸光器件内进行布线安装，能完全满足弯曲半径较小的光缆和小尺寸的光器件对于弯曲性能的特殊需求。
现有具有下陷外包层的4层结构弯曲损耗不敏感单模光纤在得到符合标准的模场直径、截止波长等参数的情况下，其折射率剖面结构需要很低的下陷包层折射率来控制弯曲损耗，从而导致掺氟量较大，增加了工艺控制难度，制造成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，解决目前技术中的弯曲损耗不敏感单模光纤的折射率剖面结构需要很低的下陷外包层折射率，掺氟量大，工艺控制难度大，制作成本高的问题。
为了便于理解，定义如下术语：
折射率剖面：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)玻璃折射率与其半径之间的关系；
相对折射率差值：Δi＝(ni-n0)/n0*100％，ni对应光纤各部分的折射率，n0为纯二氧化硅玻璃折射率。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：
一种多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，包括芯层和包层，其特征在于，所述芯层的折射率呈中心低外侧高的凹陷形分布，设置在芯层外部的包层由内而外依次是内包层、下陷包层和外包层，所述芯层的折射率高于内包层、下陷包层和外包层的折射率，所述内包层的折射率沿着径向由内向外逐渐降低，下陷包层为掺氟层，下陷包层的折射率低于内包层和外包层。本发明所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤通过优化光纤的折射率剖面结构，使光纤不仅具有更低的弯曲附加损耗，而且具有稳定的机械性能和均匀的材料组成，保持有效模场直径和弯曲性能。芯层的折射率呈凹陷结构，并且内包层采用沿着径向由内向外折射率逐渐降低的结构，通过调整内包层折射率的变化倾斜度和内包层的厚度来改变光纤的模场直径与截止波长，使光纤满足ITU-T G.657.B3标准，从而使得下陷包层下陷深度可以减小(下陷包层的相对折射率差值向零靠近)、下陷包层的厚度减薄，也就是可以减少下陷包层的掺氟量，减少了下陷包层在光纤截面中的比重，减少下陷包层的沉积加工量，由此降低了工艺控制难度，提高了光纤预制棒的加工效率，降低了光纤的制造成本。
进一步的，所述内包层的直径与芯层直径的比值为4～5，所述下陷包层直径与芯层直径的比值为4～8。控制内包层、下陷包层与芯层的厚度相对关系，在满足光纤性能的前提下加宽了内包层的厚度，减小下陷包层的厚度和下陷深度，从而有效减少掺氟量，降低工艺控制难度和生产制造成本。
进一步的，所述的芯层直径为7.5μm～8.5μm，内包层的直径为30μm～42.5μm，下陷包层直径为30μm～68μm。
进一步的，所述芯层的相对折射率差值为0.3～0.4％，内包层的相对折射率差值为-0.2％～0.2％。
进一步的，所述的内包层沿径向最内界面处的相对折射率差值为0％～0.2％，内包层沿径向最外界面处的相对折射率差值为-0.2％～0％，通过调整内包层折射率的变化倾斜度和内包层的厚度来改变光纤的模场直径与截止波长，使光纤的性能满足ITU-TG.657.B3标准。
进一步的，所述下陷包层的相对折射率差值为-0.5～-0.3％，下陷包层下陷深度相对较小，从而减小了掺氟量，降低工艺控制难度和制造成本。
进一步的，所述的芯层直径为8μm，内包层的直径为37.7μm～42μm，下陷包层直径为53～54.9μm，芯层的相对折射率差值为0.39％，内包层的相对折射率差值为-0.05％～0.06％，下陷包层的相对折射率差值为-0.36～-0.35％。
制作上述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、沉积加工芯层和内包层形成芯棒松散体，将芯棒松散体玻璃化得到芯棒后将芯棒进行第一次延伸；
B、在芯棒的内包层表面外包沉积加工出下陷包层松散体，然后将下陷包层松散体玻璃化形成下陷包层后进行第二次延伸，其中在沉积下陷包层松散体时，芯棒的牵引速度大于200mm/h来控制下陷包层松散体的沉积厚度，在将下陷包层松散体玻璃化时，通入CF4气体进行掺氟，CF4气体流量为2～3L/min；
C、在下陷包层的表面外包沉积加工出外包层松散体，然后将外包层松散体玻璃化后得到预制棒；
D、将预制棒拉制成光纤。
本发明所述的制作多包层弯曲损耗不敏感单模光纤的工艺方法通过控制芯棒的牵引速度来控制下陷包层松散体的沉积厚度，在将松散体烧结成玻璃体时，厚度会收缩50％左右，精确控制后续拉制成光纤时光纤的下陷包层厚度，同时控制含氟气体的流量来控制下陷包层的掺氟量，CF4与SiO2发生反应生成氟氧化硅，实现掺氟，精确控制下陷包层的折射率，在保障光纤性能满足需求的情况下减小下陷包层的下陷深度和厚度，减小掺氟量，从而降低生产成本，降了工艺控制难度，提高光纤预制棒的加工效率。
进一步的，所述的步骤B中，在沉积下陷包层松散体时，控制喷灯的气体参数，采用十二层喷灯，从里到外的气体构成为：
层一，气体为燃烧气体H2和原料气体SiCl4的混合气体，其中H2的流量为7.5～8.5L/min,原料气体的流量为56～80L/min；
层二：气体为燃烧气体H2，流量为5～6L/min；
层三：气体为隔离气体Ar，流量为2.5～4L/min；
层四：气体为助燃气体O2，流量为39～41L/min；
层五：气体为隔离气体Ar，流量为4～6L/min；
层六：气体为燃烧气体H2，流量为40～60L/min；
层七：气体为隔离气体Ar，流量为5～6L/min；
层八：气体为助燃气体O2，流量为65～75L/min；
层九：气体为隔离气体Ar，流量为6～7L/min；
层十：气体为燃烧气体H2，流量为85～108L/min；
层十一：气体为隔离气体Ar，流量为7～8L/min；
层十二：气体为助燃气体O2，流量为90～105L/min。
由于下陷包层的厚度较薄，在玻璃化是容易出现开裂的状况，难以形成致密玻璃体，这是由于松散体在玻璃化时，疏松的SiO2颗粒收缩会产生一个收缩力，同时，芯棒会产生一个相对应的支撑力。当松散体的收缩力大于芯棒的支撑力时，预制棒保持完好。当松散体收缩力小于芯棒支撑力时，松散体自身会被撑破导致表面开裂，难以形成完好的预制棒，松散体的密度大小直接影响玻璃化时松散体收缩力的大小，密度越大，收缩形变越小，本发明通过控制喷灯的气体来增大下陷包层松散体沉积的密度，避免下陷包层开裂，得到完好的玻璃体。
进一步的，所述的步骤B中，在将下陷包层松散体玻璃化时，烧结温度控制在1450～1650℃，烧结速度控制在1.5～3mm/min。烧结温度和烧结速度能有效平衡下陷包层松散体产生的收缩力和芯棒产生的支撑力，避免下陷包层开裂，保障得到完好的玻璃体。
与现有技术相比，本发明优点在于：
本发明所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤通过优化光纤的折射率剖面结构，使光纤不仅具有更低的弯曲附加损耗，而且具有稳定的机械性能和均匀的材料组成，保持有效模场直径和弯曲性能，芯层折射率剖面呈凹陷结构，并且内包层采用沿着径向由内向外折射率逐渐降低的结构，通过调整内包层折射率的变化倾斜度和内包层的厚度来改变光纤的模场直径与截止波长，使光纤满足ITU-T G.657.B3标准，加宽了内包层的厚度，减小下陷包层的厚度和下陷深度，减少了下陷包层在光纤截面中的比重，减少下陷包层的沉积加工量，从而有效减少掺氟量，降低了工艺控制难度，提高了光纤预制棒的加工效率，降低了光纤的制造成本。
附图说明
图1为光纤折射率剖面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开的一种多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，改变折射率剖面结构，优化光纤模场直径与截止波长等参数，减少掺氟量，降低工艺控制难度，降低制作成本。
如图1所示，一种多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，包括芯层和包层，所述芯层的折射率呈中心低外侧高的凹陷形分布，降低光纤对弯曲的敏感性，设置在芯层外部的包层由内而外依次是内包层、下陷包层和外包层，芯层的折射率高于内包层、下陷包层和外包层的折射率，内包层的折射率沿着径向由内向外逐渐降低，调整内包层折射率剖面的倾斜度和内包层厚度改变光纤的模场直径与截止波长，使其满足ITU-T G.657.B3标准，下陷包层为掺氟层，下陷包层的折射率低于内包层和外包层。
芯层直径a1为7.5μm～8.5μm，芯层的相对折射率差值Δ1为0.3～0.4％；
内包层的直径a2与芯层直径a1的比值a2/a1为4～5，内包层的直径a2为30μm～42.5μm，增大了内包层的厚度，内包层的相对折射率差值为-0.2％～0.2％，并且内包层沿径向最内界面处的相对折射率差值Δ21为0％～0.2％，内包层沿径向最外界面处的相对折射率差值Δ22为-0.2％～0％；
下陷包层直径a3与芯层直径a1的比值a3/a1为4～8，下陷包层直径a3为30μm～68μm，下陷包层的相对折射率差值Δ3为-0.5～-0.3％，减小下陷包层的厚度和下陷深度(下陷包层的相对折射率差值向零靠近)，从而可以减少掺氟量，降低工艺控制难度和制造成本；
外包层为纯SiO2层，其相对折射率差值为0％，外包层的直径为125±1μm。
优选的，芯层直径a1为8μm，内包层的直径a2为37.7μm～42μm，下陷包层直径a3为53～54.9μm，芯层的相对折射率差值Δ1为0.39％，内包层的相对折射率差值为-0.05％～0.06％，下陷包层的相对折射率差值Δ3为-0.36～-0.35％，外包层的直径a4为125μm。
采用上述折射率剖面结构的光纤的性能参数如表1所示，光纤的性能满足ITU-TG.657.B3标准，下陷包层的厚度较薄和下陷深度较小，掺氟量小，降低工艺控制难度和制造成本。
表1光纤性能参数
制作上述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤的工艺方法，主要步骤如下：
A、沉积加工芯层和内包层形成芯棒松散体，将芯棒松散体玻璃化得到芯棒后将芯棒进行第一次延伸；
B、在芯棒的内包层表面外包沉积加工出下陷包层松散体，然后将下陷包层松散体玻璃化形成下陷包层后进行第二次延伸；
C、在下陷包层的表面外包沉积加工出外包层松散体，然后将外包层松散体玻璃化后得到预制棒；
D、将预制棒拉制成光纤。
传统方式外包沉积的松散体厚度大于50mm，松散体烧结为玻璃体时，厚度收缩50％左右，为了使得拉制成的光纤中的下陷包层直径控制在30μm～68μm，需要将玻璃化后的下陷包层厚度控制在小于5mm，也就是下陷包层松散体厚度需要控制在10mm左右，则需要控制芯棒牵引速度大于200mm/h。
由于下陷包层松散体的厚度较薄，在玻璃化时容易出现开裂的状况，这是由于松散体在玻璃化时，疏松的SiO2颗粒收缩会产生一个收缩力，同时，芯棒会产生一个相对应的支撑力。当松散体的收缩力大于芯棒的支撑力时，预制棒保持完好。当松散体收缩力小于芯棒支撑力时，松散体自身会被撑破导致表面开裂，松散体的密度大小直接影响玻璃化时松散体收缩力的大小，密度越大，收缩形变越小，越容易得到完好的预制棒，通过调整喷灯的气体组成来增大下陷包层松散体沉积的密度，避免下陷包层开裂，得到完好的玻璃体。
为了精确控制喷灯的气体组成，采用十二层同心圆结构的喷灯，从里到外的气体构成为：
层一，气体为燃烧气体H2和原料气体SiCl4的混合气体，其中H2的流量为7.5～8.5L/min,原料气体的流量为56～80L/min；
层二：气体为燃烧气体H2，流量为5～6L/min；
层三：气体为隔离气体Ar，流量为2.5～4L/min；
层四：气体为助燃气体O2，流量为39～41L/min；
层五：气体为隔离气体Ar，流量为4～6L/min；
层六：气体为燃烧气体H2，流量为40～60L/min；
层七：气体为隔离气体Ar，流量为5～6L/min；
层八：气体为助燃气体O2，流量为65～75L/min；
层九：气体为隔离气体Ar，流量为6～7L/min；
层十：气体为燃烧气体H2，流量为85～108L/min；
层十一：气体为隔离气体Ar，流量为7～8L/min；
层十二：气体为助燃气体O2，流量为90～105L/min。
烧结的温度和烧结速度也是控制烧结状况、避免开裂的关键，烧结时最重要的是平衡包层松散体产生的收缩力和芯棒产生的支撑力。在制作下陷包层时需要进行掺氟来降低下陷包层的折射率，烧结时，在烧结炉内通入掺氟源CF4气体，CF4与SiO2发生反应生成氟氧化硅，实现氟掺杂，掺氟量越大，下陷包层的折射率越低，但工艺控制难度更大，制造成本更高，根据光纤折射率剖面结构的需求，控制CF4的流量来控制掺氟量，确保下陷包层的折射率满足设计需求。烧结时的工艺参数如表2所示。
表2烧结工艺参数
实施例一
下陷包层沉积过程中的喷灯工艺参数如表3所示，下陷包层松散体玻璃化时的烧结工艺参数如表4所示。
表3沉积过程的喷灯工艺参数
表4烧结工艺参数
最终得到的预制棒成品中的下陷包层厚度为2.8mm。
实施例二
下陷包层沉积过程中的喷灯工艺参数如表5所示，下陷包层松散体玻璃化时的烧结工艺参数如表6所示。
表5沉积过程的喷灯工艺参数
表6烧结工艺参数
最终得到的预制棒成品中的下陷包层厚度为3.5mm。
实施例三
下陷包层沉积过程中的喷灯工艺参数如表7所示，下陷包层松散体玻璃化时的烧结工艺参数如表8所示。
表7沉积过程的喷灯工艺参数
表8烧结工艺参数
最终得到的预制棒成品中的下陷包层厚度为3.7mm。
实施例四
下陷包层沉积过程中的喷灯工艺参数如表9所示，下陷包层松散体玻璃化时的烧结工艺参数如表10所示。
表9沉积过程的喷灯工艺参数
表10烧结工艺参数
最终得到的预制棒成品中的下陷包层厚度为4.1mm。
实施例五
下陷包层沉积过程中的喷灯工艺参数如表11所示，下陷包层松散体玻璃化时的烧结工艺参数如表12所示。
表11沉积过程的喷灯工艺参数
表12烧结工艺参数
最终得到的预制棒成品中的下陷包层厚度为2.55mm。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，包括芯层和包层，其特征在于，所述芯层的折射率呈中心低外侧高的凹陷形分布，设置在芯层外部的包层由内而外依次是内包层、下陷包层和外包层，所述芯层的折射率高于内包层、下陷包层和外包层的折射率，所述内包层的折射率沿着径向由内向外逐渐降低，下陷包层为掺氟层，下陷包层的折射率低于内包层和外包层。
2.根据权利要求1所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，其特征在于，所述内包层的直径(a2)与芯层直径(a1)的比值(a2/a1)为4～5，所述下陷包层直径(a3)与芯层直径(a1)的比值(a3/a1)为4～8。
3.根据权利要求2所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，其特征在于，所述的芯层直径(a1)为7.5μm～8.5μm，内包层的直径(a2)为30μm～42.5μm，下陷包层直径(a3)为30μm～68μm。
4.根据权利要求1所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，其特征在于，所述芯层的相对折射率差值(Δ1)为0.3～0.4％，内包层的相对折射率差值为-0.2％～0.2％。
5.根据权利要求4所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，其特征在于，所述的内包层沿径向最内界面处的相对折射率差值(Δ21)为0％～0.2％，内包层沿径向最外界面处的相对折射率差值(Δ22)为-0.2％～0％。
6.根据权利要求1所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，其特征在于，所述下陷包层的相对折射率差值(Δ3)为-0.5～-0.3％。
7.根据权利要求1所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，其特征在于，所述的芯层直径(a1)为8μm，内包层的直径(a2)为37.7μm～42μm，下陷包层直径(a3)为53～54.9μm，芯层的相对折射率差值(Δ1)为0.39％，内包层的相对折射率差值为-0.05％～0.06％，下陷包层的相对折射率差值(Δ3)为-0.36～-0.35％。
8.制作权利要求1至7任一项所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、沉积加工芯层和内包层形成芯棒松散体，将芯棒松散体玻璃化得到芯棒后将芯棒进行第一次延伸；
B、在芯棒的内包层表面外包沉积加工出下陷包层松散体，然后将下陷包层松散体玻璃化形成下陷包层后进行第二次延伸，其中在沉积下陷包层松散体时，芯棒的牵引速度大于200mm/h来控制下陷包层松散体的沉积厚度，在将下陷包层松散体玻璃化时，通入CF4气体进行掺氟，CF4气体流量为2～3L/min；
C、在下陷包层的表面外包沉积加工出外包层松散体，然后将外包层松散体玻璃化后得到预制棒；
D、将预制棒拉制成光纤。
9.根据权利要求8所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，其特征在于，所述的步骤B中，在沉积下陷包层松散体时，控制喷灯的气体参数，采用十二层喷灯，从里到外的气体构成为：
层一，气体为燃烧气体H2和原料气体SiCl4的混合气体，其中H2的流量为7.5～8.5L/min,原料气体的流量为56～80L/min；
层二：气体为燃烧气体H2，流量为5～6L/min；
层三：气体为隔离气体Ar，流量为2.5～4L/min；
层四：气体为助燃气体O2，流量为39～41L/min；
层五：气体为隔离气体Ar，流量为4～6L/min；
层六：气体为燃烧气体H2，流量为40～60L/min；
层七：气体为隔离气体Ar，流量为5～6L/min；
层八：气体为助燃气体O2，流量为65～75L/min；
层九：气体为隔离气体Ar，流量为6～7L/min；
层十：气体为燃烧气体H2，流量为85～108L/min；
层十一：气体为隔离气体Ar，流量为7～8L/min；
层十二：气体为助燃气体O2，流量为90～105L/min。
10.根据权利要求8所述的多包层弯曲损耗不敏感单模光纤，其特征在于，所述的步骤B中，在将下陷包层松散体玻璃化时，烧结温度控制在1450～1650℃，烧结速度控制在1.5～3mm/min。
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