CN109358391B - 一种低宏弯损耗的单模耦合光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低宏弯损耗的单模耦合光纤，自内至外依次包括：内芯层、外芯层、内包层、过渡包层、以及外包层；所述外芯层，其折射率剖面为阶梯状从内芯层光纤折射率过渡到内包层光纤折射率；所述过渡包层其折射率剖面为阶梯状从内包层过渡到外包层。本发明光纤的芯层折射率为阶梯状结构，使从芯层到包层的光纤材料由高浓度锗掺杂线性减小，芯层中的掺杂呈线性变化而不是突变。内包层和外包层直径引入过渡包层，使光纤材料由较多的氟掺杂平缓过渡到纯石英材料，减小光纤在热处理过程中由于材料组分突变带来的高附加损耗。

Description

一种低宏弯损耗的单模耦合光纤

技术领域

本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种低宏弯损耗的单模耦合光纤。

背景技术

近20年来光纤通信飞速发展，现代通信网的基础平台转变为光网络平台，光器件已经越来越多的应用于光网络之中。光耦合器是光器件中比较重要的一类无源器件，在其具有特殊结构的耦合区内可以使传输的光信号功率进行再分配，早期多用于监控从传输干路取出的一定功率。近年来随着光纤通信、光纤CATV、光纤入户、光纤传感技术、无源光网络等领域的发展，其应用越来越广泛形成了多功能多用途的产品系列。

使用普通抗弯曲单模光纤制作耦合器时，由于芯层和包层的波导结构导致普通单模的拉锥损耗较大。制作耦合器最常用的方法是熔融拉锥技术，具体制作方法一般是将两根除去涂覆层的裸光纤以一定方式靠近，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，在这段形成波分复用器的耦合区，光在耦合区中的传播由原来在光纤中传播的纤芯-包层的全反射转换为纤芯(原包层变为纤芯)-空气全反射。同时利用电脑监控光功率耦合区域，并根据耦合比与拉伸长度的光纤控制停火时间，最后在加热区形成双锥波导结构。

光器件小型化逐渐成为一种趋势，小器件缠绕的情形越来越多，对于光纤的抗宏弯性能提出了更高要求，目前的单模光纤宏弯水平大约在0.2dB(15mm一圈)，难以满足小器件缠绕对抗宏弯水平提出的抗宏弯要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低宏弯损耗的单模耦合光纤，其目的在于通过对各层剖面折射率采用梯形过渡，锗掺杂量由芯层向包层梯度递减，氟掺杂量由芯层向包层梯度递增，从而提高光纤的热处理拉锥性能，并具备抗宏弯性能，由此解决现有的光纤拉锥损耗较大，不能满足光器件制作需求的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种低宏弯损耗的单模耦合光纤，自内至外依次包括：内芯层、外芯层、内包层、过渡包层、以及外包层；所述外芯层，其折射率剖面为阶梯状从内芯层光纤折射率过渡到内包层光纤折射率；所述过渡包层其折射率剖面为阶梯状从内包层过渡到外包层。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其光纤内芯层相对于外包层的相对折射率差值△1％＝0.4％～1.15％。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其光纤内包层相对于外包层的相对折射率差值△2％＝-0.1％～-0.003％。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其内芯层材料为锗/氟共掺玻璃，光纤内芯层的锗贡献量△Ge1％＝0.5％～1.16％，光纤内芯层的氟贡献率△F1％＝-0.04％～-0.02％。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其内芯层半径R1＝0.5μm～0.7μm，外芯层半径R2＝2.0～4.0μm，外包层半径和内包层半径的差值R2-R1≥1.5μm，内包层半径R3＝7～9μm，过渡包层半径R4＝10～15μm，过渡包层半径和内包层半径的差值R4-R3≥3μm，外包层半径R5＝39.5～40.5μm。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其在980nm的模场直径在3.5μm～6.5μm之间，在980nm的衰减小于2.5dB/km。光纤在1310nm的模场直径在5.5～7.5μm之间，在1310nm的衰减小于0.6dB/km。光纤在1550nm的模场直径在5.6μm～8.0μm之间，在1550nm的衰减小于0.4dB/km。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其截止波长小于970nm。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其在15mm的弯曲直径下宏弯附加损耗小于或等于0.01dB。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其所述光纤的外芯层氟掺杂量为-0.2％；其锗掺杂量由内芯层到外芯层由最大量线性减到0；内包层的氟掺杂量为-0.2％；其氟掺杂量由内包层到外包层线性降到0；外包层为纯石英玻璃。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其在拉锥过程中的附加损耗小于0.08dB，器件在980nm中心隔离度>22dB，1550nm中心隔离度>32dB。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的低宏弯损耗的单模耦合光纤，在波导结构上做了优化，芯层折射率为阶梯状结构，使从芯层到包层的光纤材料由高浓度锗掺杂线性减小，芯层中的掺杂呈线性变化而不是突变。内包层和外包层直径引入过渡包层，使光纤材料由较多的氟掺杂平缓过渡到纯石英材料，减小光纤在热处理过程中由于材料组分突变带来的高附加损耗，使本发明光纤在高温处理时也能保持较小的拉锥损耗。本发明光纤的内包层为较深的氟掺杂石英玻璃，主要为实现优异的抗弯曲性能。由于本发明的抗宏弯光纤具备较深的掺氟包层，可以提供更好的抗宏弯性能。其980/1550nm宏弯损耗小、光纤外径尺寸小，使得光纤体积更小，可以满足更小空间使用，光纤在15mm直径1圈的情况下：980/1550nm宏弯附加损耗≤0.01dB，宏弯水平达到0.01dB(15mm一圈)，满足小器件缠绕的应用场景的需求。

优选方案，优化了光纤芯层及包层波导结构，在980、1310和1550nm三窗口使用，980/1550nm拉锥损耗小，拉锥附加损耗≤0.08dB，使得光纤可以满足耦合器制作要求，大幅提高耦合器制作成品率。

附图说明

图1是本发明提供的光纤结构示意图；

图2是本发明提供的光纤本折射率剖面示意图；

图3是本发明实施例提供的制作成WDM耦合器的原理图；

图4是本发明实施例制作成WDM耦合器1550nm光功率/损耗随拉伸长度的变化曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为内芯层，2为外芯层，3为内包层，4为过渡包层，5为外包层，6高分子涂覆层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的低宏弯损耗的单模耦合光纤，自内至外依次包括内芯层、外芯层、内包层、过渡包层、以及外包层；所述外芯层，其折射率剖面为阶梯状从内芯层光纤折射率过渡到内包层光纤折射率；所述过渡包层其折射率剖面为阶梯状从内包层过渡到外包层。光纤内芯层相对于外包层的相对折射率差值△1％＝0.4％～1.15％，光纤内包层相对于外包层的相对折射率差值△2％＝-0.1％～-0.003％。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其内芯层材料为锗/氟共掺玻璃，光纤内芯层的锗贡献量△Ge1％＝0.5％～1.16％，光纤内芯层的氟贡献率△F1％＝-0.04％～-0.02％。所述光纤的外芯层氟掺杂量为-0.2％；其锗掺杂量由内芯层到外芯层由最大量线性减到0；内包层的氟掺杂量为-0.2％；其氟掺杂量由内包层到外包层线性降到0；外包层为纯石英玻璃。

优选地，所述低宏弯损耗的单模耦合光纤，其内芯层半径R1＝0.5μm～0.7μm，外芯层半径R2＝2.0～4.0μm，外包层半径和内包层半径的差值R2-R1≥1.5μm，内包层半径R3＝7～9μm，过渡包层半径R4＝10～15μm，过渡包层半径和内包层半径的差值R4-R3≥3μm，外包层半径R5＝39.5～40.5μm。

所述光纤在980nm的模场直径在3.5μm～6.5μm之间，在980nm的衰减小于2.5dB/km。光纤在1310nm的模场直径在5.5～7.5μm之间，在1310nm的衰减小于0.6dB/km。光纤在1550nm的模场直径在5.6μm～8.0μm之间，在1550nm的衰减小于0.4dB/km。所述光纤的截止波长小于970nm。

所述光纤在15mm的弯曲直径下宏弯附加损耗小于或等于0.01dB；所述光纤在拉锥过程中的附加损耗小于0.08dB，器件在980nm中心隔离度>22dB，1550nm中心隔离度>32dB。

普通的单模光纤因为其在制造过程中会存在多次高温-降温过程，所以光纤中会存在残余热应力。而因为光纤中包层一般为纯SiO₂和芯层为掺锗SiO₂，两者材料的热膨胀系数不一样，这就造成光纤中还存在机械应力。本发明提供的抗宏弯光纤芯层到包层的掺杂材料渐变，可以有效降低芯层和包层之间的热膨胀系数差距，并且本发明光纤具备较深的掺氟包层，可以提供更好的抗宏弯性能。

普通的单模光纤因为其在制造过程中会存在多次高温-降温过程，所以光纤中会存在残余热应力。而因为光纤中包层和芯层的掺杂材料不一样，这就造成光纤中还存在机械应力。普通单模光纤在拉锥过程中会因为这些应力的存在导致拉锥过程中附加损耗大，本发明的光纤就是要解决光纤熔融拉锥的问题，提高光纤拉锥的成品率，并且光纤截止波长小于970nm，可以同时满足980nm、1310nm和1550nm三个窗口拉锥使用。相较现有技术，本发明的光纤还具备优异的宏弯性能和更小的光纤尺寸。

以下为实施例：

如图1所示，本发明光纤的玻璃部分由内至外依次包含内芯层1、外芯层2、内包层3、过渡包层4、外包层5。内芯层1相对于外包层的相对折射率差值△1％＝0.4％～1.15％，光纤内包层相对于外包层的相对折射率差值△2％＝-0.1％～-0.003％，如图2所示。光纤的内芯层半径R1＝0.5μm～0.7μm，外芯层半径R2＝1.5～3.5μm，内包层半径R3＝7～9μm，过渡包层半径R4＝10～15μm，外包层半径为39.5～40.5μm。

按照上述方案设计，制备了一组光纤(如下表所示)，其相关参数如下：一种拉锥性能比较好的耦合光纤，其内芯层为锗氟共掺石英玻璃，其中Ge的贡献量△Ge1％＝1.23％,F的贡献量为△F1％＝-0.9％。外芯层氟掺杂量为-0.2％；由内芯层到外芯层锗的掺杂量由最大量线性减到0；内包层的氟掺杂量为-0.2％；氟掺杂量由内包层到外包层线性降到0；外包层为纯石英玻璃。

	1	2	3	4
					内芯层直径(μm)	1.01	1.23	1.31	0.98
外芯层直径(μm)	3.25	3.56	4.65	2.87
					内包层直径(μm)	16.23	16.72	15.98	16.56
过渡包层直径(μm)	28.18	27.83	28.42	28.12
					外包层直径(μm)	80.10	80.52	79.56	29.89
MFD@980nm(μm)	4.51	4.47	4.63	4.32
					MFD@1550nm(μm)	6.33	6.36	6.28	5.93
截止波长(nm)	957	943	962	915

本发明实施例制备的光纤还具备良好的抗拉锥损耗性能。采用本发明的光纤进行拉锥实验，在拉锥过程中光纤的拉锥损耗始终≤0.1dB，制成器件，如图3所示。经测试：980/1550nm光功率/损耗随拉伸长度的变化曲线如图4所示，其中p1表示光纤980nm的光功率，p2表示光纤1550nm的光功率；980nm的隔离度≥23dB，1550nm的隔离度≥31dB。具体性能如下表所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低宏弯损耗、低拉锥损耗的单模耦合光纤，其特征在于，自内至外依次包括：内芯层、外芯层、内包层、过渡包层、以及外包层；所述外芯层，其折射率剖面为阶梯状从内芯层光纤折射率过渡到内包层光纤折射率；所述过渡包层其折射率剖面为阶梯状从内包层过渡到外包层，所述光纤在15mm的弯曲直径下宏弯附加损耗小于或等于0.01dB，光纤内包层相对于外包层的相对折射率差值△2％＝-0.1％～-0.003％；

内芯层材料为锗/氟共掺玻璃；其锗掺杂量由内芯层到外芯层由最大量线性减到0；其氟掺杂量由内包层到外包层线性降到0。

2.如权利要求1所述的低宏弯损耗、低拉锥损耗的单模耦合光纤，其特征在于，光纤内芯层相对于外包层的相对折射率差值△1％＝0.4％～1.15％。

3.如权利要求1所述的低宏弯损耗、低拉锥损耗的单模耦合光纤，其特征在于，光纤内芯层的锗贡献量△Ge1％＝0.5％～1.16％，光纤内芯层的氟贡献率△F1％＝-0.04％～-0.02％。

4.如权利要求1所述的低宏弯损耗、低拉锥损耗的单模耦合光纤，其特征在于，其内芯层半径R1＝0.5μm～0.7μm，外芯层半径R2＝2.0～4.0μm，外芯层半径和内芯层半径的差值R2-R1≥1.5μm，内包层半径R3＝7～9μm，过渡包层半径R4＝10～15μm，过渡包层半径和内包层半径的差值R4-R3≥3μm，外包层半径R5＝39.5～40.5μm。

5.如权利要求1所述的低宏弯损耗、低拉锥损耗的单模耦合光纤，其特征在于，所述光纤在980nm的模场直径在3.5μm～6.5μm之间，在980nm的衰减小于2.5dB/km；光纤在1310nm的模场直径在5.5～7.5μm之间，在1310nm的衰减小于0.6dB/km；光纤在1550nm的模场直径在5.6μm～8.0μm之间，在1550nm的衰减小于0.4dB/km。

6.如权利要求1所述的低宏弯损耗、低拉锥损耗的单模耦合光纤，其特征在于，所述光纤的截止波长小于970nm。

7.如权利要求1所述的低宏弯损耗、低拉锥损耗的单模耦合光纤，其特征在于，所述光纤的外芯层氟掺杂量为-0.2％；内包层的氟掺杂量为-0.2％；外包层为纯石英玻璃。

8.如权利要求7所述的低宏弯损耗、低拉锥损耗的单模耦合光纤，其特征在于，光纤在拉锥过程中的附加损耗小于0.08dB，器件在980nm中心隔离度>22dB，1550nm中心隔离度>32dB。

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