CN110221383B - 一种单模光纤及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单模光纤，包括芯层与包层，所述的芯层外侧设有包层，所述的包层包括第一包层和第二包层，所述的第一包层内侧与芯层外侧相连，所述的第一包层外侧与第二包层的内侧相连，还讲述了一种单模光纤的制备工艺，包括如下步骤：步骤1)制造粉末状疏松体；步骤2)粉末状疏松体的处理；步骤3)制造光纤预制棒；步骤4)光纤预制棒的处理；步骤5)拉丝。本发明的有益效果：光纤的设计和制造上可以有多个变量进行调整，分别为芯层直径r1、第一包层直径r2、折射率差值Δ1、Δ2、Δ3和Δ4，通过改变这些值，有利于降低光纤拉丝中产生的内应力，从而降低光纤的瑞利散射，进一步整体降低光纤的损耗值。

Description

一种单模光纤及其制造方法
技术领域
本发明属于通信光纤制造领域，尤其是涉及一种单模光纤及其制造方法。
背景技术
随着光通信技术的发展，单模光纤已在世界范围内得到了普遍的应用，尤其是G.652单模光纤，在世界范围内的铺设量已达到了10亿芯公里以上。为了解决光通信发展中出现的一系列问题，相继又发明了G.655色散位移光纤、G.657弯曲不敏感光纤、G.654超低损耗光纤等单模光纤。随着波分复用技术的成熟，色散已不再是光纤传输存在的主要问题，目前光纤的发展方向主要是朝着更低的损耗、更优的弯曲性能方向发展，同时也需要它们有一定的兼容性。目前G.657类抗弯曲单模光纤在设计上主要从提高光纤芯层和包层的折射率差，同时适当降低光纤的模场直径来提高光纤的弯曲性能，尤其是G.657B类光纤，芯包间的相对折射率差从G.652D的0.35％提高到了0.7％以上，模场直径也从9.2um降低到了6um以下，已很难与G.652D光纤进行熔接使用。目前国内G.654光纤主要采用纯SiO2石英作为光纤的纤芯，然后通过提高光纤的模场直径来提高光纤的光传导有效面积，目前G.654E类单模光纤在1550nm的传输损耗已降低到了0.16dB/km，但是模场直径与G.652D光纤也存在不兼容性，很难进行熔接使用。
专利CN 102193141 A通过设计了较深的内包层折射率凹槽，大幅降低了光纤的弯曲损耗，但其1310nm处模场直径也降低到了8.8um左右。专利CN 106125192 A通过制造纯SiO2纤芯的单模光纤，在1550nm处的衰减达到了0.165dB/km，1550nm处的模场直径为12um左右，与普通G.652D光纤熔接将产生较大的熔接损耗。
单模光纤的设计基础是芯层与包层的折射率存在一定的差值，使得在传输波段的光在光纤芯层内会产生全反射进行传输。因此，在设计制造上，以纯SiO2石英为基础，在芯层或包层进行掺杂，主要采用的掺杂剂有锗(Ge)、磷(P)等使得石英玻璃折射率增加的正掺杂剂和氟(F)、硼(B)等使得石英玻璃折射率降低的负掺杂剂。而掺杂剂的存在，也会造成石英玻璃的密度波动和粘度波动，从而增加光纤的瑞利散射，增加光纤的传输损耗。提高芯包间的折射率差是提高光纤弯曲性能的有效手段，但这也势必增加了芯包层内的杂质掺杂浓度，将会增加光纤的传输损耗。
要得到一种衰减低，模场直径与G.652D完全匹配，又要有较好的弯曲性能的单模光纤，需要需求芯层折射率高度与包层折射率高度的最佳匹配，一定程度上控制光纤芯层的直径，又要在光纤拉丝过程中尽量减少光纤内掺杂剂的密度波动和浓度波动，将瑞利散射降低到最低值，从而获得具有一定弯曲性能、衰减又低的单模光纤。
发明内容
本发明的目的是提供一种低衰减、低弯曲损耗的单模光纤及其制备工艺，尤其适合用在单模光纤的制作过程中。
本发明的技术方案是：一种单模光纤，包括芯层与包层，所述的芯层外侧设有包层，所述的包层包括第一包层和第二包层，所述的第一包层内侧与芯层外侧相连，所述的第一包层外侧与第二包层的内侧相连，
所述的芯层为掺杂锗(Ge)元素的SiO2石英玻璃，所述的芯层的直径2r1为7.5um到8.5um，所述的芯层的折射率相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差值Δ1范围为0.0025到0.0045；
所述的第一包层为掺杂氟(F)元素的SiO2石英玻璃，所述的第一包层直径2r2为25um到40um，其折射率相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差值Δ2范围为-0.001到-0.002；
所述的第二包层为梯度掺氟(F)元素的SiO2石英玻璃，所述的第二包层直径2r3为125um，所述的第二包层的外侧玻璃的折射率相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差值Δ3范围为-0.0005到0，所述的第二包层的内侧玻璃的折射率相对于第一包层折射率的差值Δ4范围为0到0.0005，所述的第二包层的外侧折射率大于第二包层的内侧折射率。
进一步的，所述的芯层和包层采用VAD(轴向气相沉积法)一次沉积获得，但不限于VAD法，可包含OVD(外部气相沉积法)。
进一步的，该单模光纤在1310nm处的模场直径(MFD)为8.7um～9.5um。
进一步的，其光纤的截止波长(λc)为1250nm～1330nm。
进一步的，光纤模场直径MFD与截止波长λc的比值MFD/λc(MAC值)小于7.5。
一种单模光纤的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1)制造粉末状疏松体：采用VAD法制造芯棒的芯层及第一包层，采用两个燃烧器分别用于芯层、第一包层的沉积，形成粉末状疏松体；
步骤2)粉末状疏松体的处理：将沉积完成的粉末状疏松体放置在石英高温炉内进行脱水和烧结，然后在延伸车床上进行延伸，形成芯棒；
步骤3)制造光纤预制棒：采用OVD法制造光纤预制棒的第二包层，在芯棒外部沉积额定重量的SiO2粉末体形成包层疏松体制品，沉积过程中，通过调整火焰温度，使得疏松体的密度随着沉积时间的增加而不断变小；
步骤4)光纤预制棒的处理：将包层疏松体制品放置到石英高温炉内，对包层疏松体制品进行烧结，形成透明预制棒；
步骤5)拉丝：将先将预制棒延伸，然后再放入光纤拉丝塔进行拉丝。
进一步的，在步骤1)中，在燃烧器内需要通入含F气体，所述的含F气体为四氟化碳(CF4)、六氟化硫(SF6)、四氟化硅(SiF4)中的其中一种。
进一步的，在步骤3)中，所述的第二包层的制造分为两步，第一步在已处于玻璃态的芯层和第一包层外面沉积SiO2粉末，第二步将沉积好的第二包层粉末体放置在烧结炉中通入含F气体进行掺杂后烧结成玻璃体。
进一步的，在步骤3)中，所述的第二包层的SiO2粉末的密度在径向上是递减的，靠近第一包层处(内端)高，远离第一包层处(外端)低，内端密度为0.5g/cm3～0.7g/cm3，外端密度为0.3g/cm3～0.5g/cm3，内外端密度差大于0.15g/cm3。
进一步的，在步骤4)中，烧结的过程分为两步，第一步为将SiO2粉末体放置在温度为1200℃～1350℃的炉体内，通入He和含F气体，保持炉内压力为200Pa～1000Pa，时间为60min～180min，然后停止通入含F气体，保持炉内压力为-50Pa～-200Pa，保持时间为30min～90min；第二步为将SiO2粉末体在炉内进行烧结形成玻璃体，烧结温度为1450℃～1550℃。
进一步的，在步骤4)中，通入He和含F气体的摩尔体积比为10～20。
本发明具有的优点和积极效果是：光纤的设计和制造上可以有多个变量进行调整，分别为芯层直径r1、第一包层直径r2、折射率差值Δ1、Δ2、Δ3和Δ4；
通过降低Δ1，增加Δ2的绝对值，提高光纤的衰减，尤其是1550nm处的衰减，可以降低到0.17dB/km左右；
通过降低r1值，增加Δ2的绝对值，提高光纤的抗弯曲性能，在1550nm处弯曲损耗控制在0.75dB以内(弯曲半径10mm，1圈)；
通过调整Δ3和Δ4的数值，使得光纤的芯层、包层粘度到达较好的匹配，有利于降低光纤拉丝中产生的内应力，从而降低光纤的瑞利散射，进一步整体降低光纤的损耗值。
附图说明
图1是本发明光纤的折射率分布及芯层、第一包层、第二包层的半径分布图。
具体实施方式
本发明的光纤剖面设计中，芯层掺杂Ge元素，用以提高折射率，相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差为Δ1，芯层直径为2r1。第一包层均匀掺杂F元素，用于降低折射率，相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差为Δ2，第二包层的直径为2r2。第二包层梯度掺杂F元素，用于匹配光纤预制棒在拉丝过程中的芯包粘度差，抑制第二包层中F元素的向往扩展，第二包层的内侧折射率相对于第二包层的折射率差值为Δ4，第二包层的外侧折射率相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差为Δ3，第二包层的直径为2r3。表1设计了8个不同参数的剖面结构。
表1本发明实施例的光纤剖面设计参数
Figure BDA0002128227220000041
本发明单模光纤的制造方法为：
采用VAD法制造光纤预制棒的芯棒，芯棒包含芯层及第一包层，芯层与第一包层分别用1个燃烧器同时沉积，用于芯层沉积的燃烧器中通入原料为SiCl4、GeCl4、H2、O2、Ar等气体，用于包层沉积的燃烧器中通入原料为SiCl4、CF4、H2、O2、Ar等气体。芯层燃烧器中SiCl4与GeCl4的比值用于调整Δ1大小，包层燃烧器中SiCl4与CF4的比值用于调整Δ2大小。
将沉积完成的粉末状疏松体放置在石英高温炉内进行脱水和烧结，然后在延伸车床上进行延伸，将制作完成的芯棒放置在折射率检测设备(PK2600)上进行测试，根据测试结果调整VAD沉积工艺，直到得到符合8个实施例设计要求的剖面图。
采用OVD法制造光纤预制棒的包层，根据2*2r1的设计需求，在芯棒外部沉积额定重量的SiO2粉末体形成包层疏松体制品，沉积过程中，通过调整火焰温度，使得疏松体的密度随着沉积时间的增加而不断变小。
将包层疏松体制品放置到石英高温炉内，将炉温调整到1200℃，通入He和CF4气体，He为20L/min，CF4为2L/min，调整炉口开度，使得炉内压力为300Pa，保持90min，使得CF4充分渗透进入疏松体。然后停止通入CF4，降低He流量到10L/min，调整炉口排气速度，使得炉内压力为-100Pa，保持30min，恢复He流量到20L/min，炉内保持压力为20Pa，通入Cl2，流量为0.5L/min，将温度升高到1500℃，对包层疏松体制品进行烧结，形成透明预制棒。对预制棒进行光学参数测试，查看Δ3和Δ4是否满足设计要求，通过调整He与CF4的比值、炉内压力值、温度等参数，使得Δ3和Δ4值符合设计要求。
将光纤预制棒进行拉丝，为了降低高温下F和Ge的扩散与挥发，预制棒拉丝前，先将预制棒延伸到80mm左右、直径均匀的光棒，然后再放入光纤拉丝塔进行拉丝，为了得到更好的光纤衰减性能，拉丝速度控制在1500m/min，拉丝温度控制在1950℃，拉丝张力控制在250g～300g之间。
最后得到光纤的性能参数如表2所示：
表2本发明实施例的光纤性能参数
Figure BDA0002128227220000051
根据以上实施例光纤的性能参数，光纤符合G.652D，在(Δ1-Δ2)大于0.005，且MFD小于9.15的情况下，光纤符合G.657A标准要求，更优地，在(Δ1-Δ2)＝0.0055，且Δ3＝-0.0005，Δ4＝0，光纤芯径控制在7.8um的情况下，容易得到衰减更低、抗弯性能更好的单模光纤。
以上实施例采用VAD法制造光纤预制棒的芯棒来说明本发明的相关内容，但本发明不限于VAD法制造芯棒，同样适应于OVD法制造芯棒。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种单模光纤，其特征在于：包括芯层与包层，所述的芯层外侧设有包层，所述的包层包括第一包层和第二包层，所述的第一包层内侧与芯层外侧相连，所述的第一包层外侧与第二包层的内侧相连，
所述的芯层为掺杂锗(Ge)元素的SiO2石英玻璃，所述的芯层的直径2r1为7.5um到8.5um，所述的芯层的折射率相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差值Δ1范围为0.0025到0.0045；
所述的第一包层为掺杂氟(F)元素的SiO2石英玻璃，所述的第一包层直径2r2为25um到40um，其折射率相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差值Δ2范围为-0.001到-0.002；
所述的第二包层为梯度掺氟(F)元素的SiO2石英玻璃，所述的第二包层直径2r3为125um，所述的第二包层的外侧玻璃的折射率相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差值Δ3范围为-0.0005到0，所述的第二包层的内侧玻璃的折射率相对于第一包层折射率的差值Δ4范围为0到0.0005，所述的第二包层的外侧折射率大于第二包层的内侧折射率。
2.根据权利要求1所述的一种单模光纤，其特征在于：所述的芯层和第一包层、第二包层采用VAD（轴向气相沉积法）一次沉积获得，但不限于VAD法，可包含OVD（外部气相沉积法）。
3.根据权利要求1所述的一种单模光纤，其特征在于：该单模光纤在1310nm处的模场直径(MFD)为8.7um~9.5um。
4.根据权利要求1所述的一种单模光纤，其特征在于：该单模光纤的截止波长(λc)为1250nm~1330nm。
5.根据权利要求1所述的一种单模光纤，其特征在于：该单模光纤模场直径MFD与截止波长λc的比值MFD/λc(MAC值)小于7.5。
6.一种单模光纤的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1）制造粉末状疏松体：采用VAD法制造芯棒的芯层及第一包层，采用两个燃烧器分别用于芯层、第一包层的沉积，形成粉末状疏松体；
步骤2）粉末状疏松体的处理：将沉积完成的粉末状疏松体放置在石英高温炉内进行脱水和烧结，然后在延伸车床上进行延伸，形成芯棒；
步骤3）制造光纤预制棒：采用OVD法制造光纤预制棒的第二包层，在芯棒外部沉积额定重量的SiO2粉末体形成包层疏松体制品，沉积过程中，通过调整火焰温度，使得疏松体的密度随着沉积时间的增加而不断变小；
步骤4）光纤预制棒的处理：将包层疏松体制品放置到石英高温炉内，对包层疏松体制品进行烧结，形成透明预制棒；
步骤5）拉丝：将先将预制棒延伸，然后再放入光纤拉丝塔进行拉丝;
在步骤1）中，在燃烧器内需要通入含F气体，所述的含F气体为四氟化碳（CF4）、六氟化硫（SF6）和四氟化硅（SiF4）中的其中一种。
7.在步骤3）中，所述的第二包层的制造分为两步，第一步在已处于玻璃态的芯层和第一包层外面沉积SiO2粉末，第二步将沉积好的第二包层粉末体放置在烧结炉中通入含F气体进行掺杂后烧结成玻璃体;
在步骤3）中，所述的第二包层的SiO2粉末的密度在径向上是递减的，靠近第一包层处（内端）高，远离第一包层处（外端）低，内端密度为0.5g/cm3~0.7g/cm3，外端密度为0.3g/cm3~0.5g/cm3，内外端密度差大于0.15g/cm3。
8.根据权利要求6所述的一种单模光纤的制备工艺，其特征在于：在步骤4）中，烧结的过程分为两步，第一步为将SiO2粉末体放置在温度为1200℃~1350℃的炉体内，通入He和含F气体，保持炉内压力为200Pa~1000Pa，时间为60min~180min，然后停止通入含F气体，保持炉内压力为-50Pa~-200Pa，保持时间为30min~90min；第二步为将SiO2粉末体在炉内进行烧结形成玻璃体，烧结温度为1450℃~1550℃，通入He和含F气体的摩尔体积比为10~20。
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