CN108983351A - 一种抗弯曲单模光纤及其制备方法 - Google Patents

一种抗弯曲单模光纤及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗弯曲单模光纤及其制备方法，主要解决的技术问题是现有技术中单模光纤弯曲附加损耗大，并且在室内的断裂概率高的问题，本发明通过一种抗弯曲单模光纤，包括由内而外依次设置的芯层、内包层、环沟层和外包层，所述芯层采用掺锗的二氧化硅，所述内包层采用纯二氧化硅，所述环沟层采用掺氟的二氧化硅，所述外包层采用纯二氧化硅的技术方案，较好地解决了该问题，可用于单模光纤。

Description

一种抗弯曲单模光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗弯曲单模光纤及其制备方法。
背景技术
随着接入网和FTTH不断发展，对于光纤也提出了新的要求，传统的、大量使用的G.652单模光纤在某些场合已经不能完全满足使用需求。特别是在FTTH的多住户单元(MDU，Multi-Dwelling Unit)和室内布线(In-HomeWiring)系统中，对弯曲损耗的指标提出越来越高的要求，制造商和客户已经考虑到了弯曲半径需要降到5mm的要求。因此考虑光纤弯曲性能时，必须要考虑两点，一是低的弯曲附加损耗，二是考虑很小的弯曲半径下的机械可靠性。
单模光纤中传输的HE11模在直光纤中的光场呈以轴线为中心的对称的高斯分布。当光纤弯曲时，光场的中心线向外侧包层方向迁移，光场不再呈高斯型分布，而是在包层外侧形成较长的尾部。当光波行进时，外侧的尾场比中心场行进的路径要长，为了整个模场同步，尾场须以较高的速度行进，愈是外侧的尾场速度高，这样，最外侧尾场的速度将超过光速，这部分尾场就损耗掉，造成弯曲损耗。单模光纤的弯曲损耗很大程度上与光场的集中度有关。场的集中度定义为光纤纤芯部分光强与光纤整个截面上光强的比值。由此可见，模场直径(MFD)越小，场的集中度就越高，弯曲损耗也就越小。新型抗弯曲光纤的开发通常有两个目标，一是千方百计将光场尽可能地限制在纤芯区，光的工作波长越大，模场直径也越大，弯曲损耗就越大，当工作波长越接近截止波长，弯曲损耗就越小，所以常用MAC来表征光纤的弯曲性能：
MAC＝MFD/λc；
式中λc是光纤理论截止波长，MAC值越低则光纤弯曲性能越好；二是当光纤弯曲时，要设法防止尾场向外侧扩散，在光纤结构(折射率剖面)上设置壁垒，截留尾场，减小弯曲损耗。
光纤的机械可靠性，即其承受拉伸应力的能力及其使用寿命的考量，对于不同使用场合的光纤是不同的。对用于室外通信的大长度光纤，应在一定的使用寿命内，保证零断裂概率的原则来确定其允许的受力条件；而对于FTTH的室内短长度光纤，应在一定的使用寿命内，保证低断裂概率的原则下来确定其允许的受力条件。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一是现有技术中的单模光纤弯曲附加损耗大，并且在室内的断裂概率高的问题，提出了一种新的抗弯曲单模光纤，该光纤具有附加损耗小，并且在室内的断裂概率低的特点。本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的抗弯曲单模光纤的制备方法。
为了解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种抗弯曲单模光纤，包括由内而外依次设置的芯层、内包层、环沟层和外包层，所述芯层采用掺锗的二氧化硅，所述内包层采用纯二氧化硅，所述环沟层采用掺氟的二氧化硅，所述外包层采用纯二氧化硅。
优选地，所述芯层中掺锗的质量分数为0.04wt％～0.06wt％。
优选地，所述环沟层中掺氟的质量分数为0.01wt％～0.02wt％。
进一步的，优选地，所述芯层的折射率为n1，所述内包层的折射率为n2，所述环沟层的折射率为n3，所述外包层的折射率为n4，n1＞n2＝n4＞n3。
更优选地，所述芯层与所述内包层的相对折射率差为0.3％～0.6％，所述内包层与所述环沟层的相对折射率差为0.4％～0.5％。
更优选地，所述单模光纤围绕的弯曲半径为5mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为3ppm，围绕的弯曲半径为7.5mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为1ppm，围绕的弯曲半径为10mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为0.5ppm，围绕的弯曲半径为15mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为0.1ppm。
更优选地，所述单模光纤在1550nm波长处，围绕15mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.013dB，围绕10mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.055dB，围绕7.5mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.133dB。
更优选地，所述单模光纤在1625nm波长处，围绕15mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.082dB，围绕10mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.156dB，围绕7.5mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.232dB。
为解决上述技术问题之二本发明采用的技术方案如下：
一种抗弯曲单模光纤的制备方法，包括以下步骤：
步骤①：采用MCVD法，以石英基管作为外包层，再向内依次沉积环沟层、内包层和芯层，逐层沉积，折射率剖面则通过用质量流量控制器(MFC)调节各原料组成的载气的流量来精确控制；
步骤②：当沉积完成后，中心还留有小孔，然后进入预制棒的烧结阶段，即停止原料气流进入，火焰温度升高到1800℃左右，将石英管烧结形成实心的光纤预制棒；
步骤③：预制棒烧结后再经过酸洗后，挂装进入拉丝炉内加热熔融拉制成裸光纤，拉丝炉根据工艺设定的拉丝速度匹配适当的功率；
步骤④：光纤出炉子后进入退火保温装置，在此退火保温区域可以很好的释放光纤内部的残留应力，改善光纤的损耗系数；
步骤⑤：裸光纤再经过涂覆器内进行内外层涂覆，固化炉内固化，成为抗弯曲单模光纤。
本发明的有益效果在于：本发明结构简单、性能全面，具有较小的弯曲附加损耗，机械可靠性高，且与常规通信光纤兼容性好。
附图说明
图1是本发明一种抗弯曲单模光纤的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参见图1，本实施例公开了一种抗弯曲单模光纤，包括由内而外依次设置的芯层1、内包层2、环沟层3和外包层3，所述芯层1采用掺锗的二氧化硅，所述芯层1中掺锗的质量分数为0.04wt％～0.06wt％，所述内包层2采用纯二氧化硅，所述环沟层3采用掺氟的二氧化硅，所述环沟层3中掺氟的质量分数为0.01wt％～0.02wt％，所述外包层3采用纯二氧化硅，所述芯层1的折射率为n1，所述内包层2的折射率为n2，所述环沟层3的折射率为n3，所述外包层3的折射率为n4，n1＞n2＝n4＞n3，所述芯层1与所述内包层2的相对折射率差为0.3％～0.6％，所述内包层2与所述环沟层3的相对折射率差为0.4％～0.5％；
芯层1的折射率大于内包层2的折射率，芯层1与内包层2之间形成第一个可实现全内反射的导光界面，由于单模光纤中的基模光强呈高斯型分布，故而此导光界面是单模光纤的主要导光界面，将光场内的绝大部分光功率限制在芯层1内；
内包层2的折射率大于环沟层3的折射率，内包层2与环沟层3之间形成了第二个可实现全内反射的导光界面，这个界面有效地限制单模光纤中HE11基模的光场尾场，减小模场直径。尤其是在单模光纤弯曲时，环沟层3形成了一个阻碍尾场逸出光纤的壁垒，它能够有效地阻碍尾场逸出内包层2，从而大大地减小弯曲损耗；
另外，环沟层3的折射率小于外包层3的折射率，从而构成了折光界面；在这一界面上，一部分光被反射回来，一个部分光则被折射出去，造成损耗；但到达这一界面的光功率不到总功率的十万分之一，影响甚微；但因环沟层3折射率差较大，因此在与G.652光纤熔接时，只需适当调整熔接机的工艺参数，即可确保不增加因模场失配引起的熔接附加损耗；
对抗弯曲单模光纤在弯曲工作状态下的机械可靠性，采用了以“圈”为基本单位来评估由静态疲劳所产生的断裂概率。
在FTTH工程中，室内光缆经常会遇到严酷的弯曲条件，光缆有时会有90°的弯曲以及在固定销钉处的变形的敷设使用环境。光纤在弯曲时，外侧受到拉伸应力，内侧受到压缩应力，压缩应力对光纤强度无不利影响。光纤弯曲时，外侧受到的拉伸应力为σ：σ＝Ef(df/2r)
式中，Ef为光纤的杨氏模量，df为光纤直径，r为光纤弯曲半径。当光缆有90°的弯曲，弯曲半径为5mm时，其外侧将受到的拉伸应力约为100kpsi。
每圈为360°，90°弯曲相当于1/4圈，而在固定销钉处的变形相当于15°。给定筛选张力为100kpsi，在不同弯曲半径下，在25年寿命周期内，每圈光纤的断裂概率如下：
所述单模光纤围绕的弯曲半径为5mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为3ppm，围绕的弯曲半径为7.5mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为1ppm，围绕的弯曲半径为10mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为0.5ppm，围绕的弯曲半径为15mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为0.1ppm；
室内敷设的单模光纤，有20个转角敷设情况，转角处光纤弯曲半径为5mm，20个转角相当于5圈，光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为15ppm；
单模光纤在室内敷设中，留有以弯曲半径为15mm打圈的20圈的备用光纤，光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为2ppm(20*0.1)；
单模光纤在敷设中，有70个光缆固定销钉的安装点，约相当于弯曲半径为5mm的三个整圈，故光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为9ppm(3*3)；
所述单模光纤在1550nm波长处，围绕15mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.013dB，围绕10mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.055dB，围绕7.5mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.133dB；
所述单模光纤在1625nm波长处，围绕15mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.082dB，围绕10mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.156dB，围绕7.5mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.232dB；
表1弯曲附加损耗测试数据对比
表2各项特性参数测试数据对比
一种抗弯曲单模光纤的制备方法，包括以下步骤：
步骤①：采用MCVD法，以石英基管作为外包层3，再向内依次沉积环沟层3、内包层2和芯层1，逐层沉积，折射率剖面则通过用质量流量控制器(MFC)调节各原料组成的载气的流量来精确控制；
步骤②：当沉积完成后，中心还留有小孔，然后进入预制棒的烧结阶段，即停止原料气流进入，火焰温度升高到1800℃左右，将石英管烧结形成实心的光纤预制棒；
步骤③：预制棒烧结后再经过酸洗后，挂装进入拉丝炉内加热熔融拉制成裸光纤，拉丝炉根据工艺设定的拉丝速度匹配适当的功率；
步骤④：光纤出炉子后进入退火保温装置，在此退火保温区域可以很好的释放光纤内部的残留应力，改善光纤的损耗系数；
步骤⑤：裸光纤再经过涂覆器内进行内外层涂覆，固化炉内固化，成为抗弯曲单模光纤，通过使用高性能的内、外层涂覆树脂，内层涂覆树脂可以提高光纤的柔软性和弯曲性能，外层涂覆树脂可以更好的确保光纤的机械可靠性。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种抗弯曲单模光纤，其特征在于，包括由内而外依次设置的芯层、内包层、环沟层和外包层，所述芯层采用掺锗的二氧化硅，所述内包层采用纯二氧化硅，所述环沟层采用掺氟的二氧化硅，所述外包层采用纯二氧化硅。
2.如权利要求1所述的一种抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述芯层中掺锗的质量分数为0.04wt％～0.06wt％。
3.如权利要求1所述的一种抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述环沟层中掺氟的质量分数为0.01wt％～0.02wt％。
4.如权利要求1所述的一种抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述芯层的折射率为n1，所述内包层的折射率为n2，所述环沟层的折射率为n3，所述外包层的折射率为n4，n1＞n2＝n4＞n3。
5.如权利要求4所述的一种抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述芯层与所述内包层的相对折射率差为0.3％～0.6％，所述内包层与所述环沟层的相对折射率差为0.4％～0.5％。
6.如权利要求1-3中任一项所述的一种抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述单模光纤围绕的弯曲半径为5mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为3ppm，围绕的弯曲半径为7.5mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为1ppm，围绕的弯曲半径为10mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为0.5ppm，围绕的弯曲半径为15mm时，每圈所述单模光纤在25年的使用寿命期内的断裂概率为0.1ppm。
7.如权利要求1-3中任一项所述的一种抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述单模光纤在1550nm波长处，围绕15mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.013dB，围绕10mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.055dB，围绕7.5mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.133dB。
8.如权利要求1-3中任一项所述的一种抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述单模光纤在1625nm波长处，围绕15mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.082dB，围绕10mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.156dB，围绕7.5mm弯曲半径饶一圈弯曲时，附加损耗小于或等于0.232dB。
9.一种抗弯曲单模光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤①：采用MCVD法，以石英基管作为外包层，再向内依次沉积环沟层、内包层和芯层，逐层沉积，折射率剖面则通过用质量流量控制器(MFC)调节各原料组成的载气的流量来精确控制；
步骤②：当沉积完成后，中心还留有小孔，然后进入预制棒的烧结阶段，即停止原料气流进入，火焰温度升高到1800℃左右，将石英管烧结形成实心的光纤预制棒；
步骤③：预制棒烧结后再经过酸洗后，挂装进入拉丝炉内加热熔融拉制成裸光纤，拉丝炉根据工艺设定的拉丝速度匹配适当的功率；
步骤④：光纤出炉子后进入退火保温装置，在此退火保温区域可以很好的释放光纤内部的残留应力，改善光纤的损耗系数；
步骤⑤：裸光纤再经过涂覆器内进行内外层涂覆，固化炉内固化，成为抗弯曲单模光纤。
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