CN111399113B - 一种小外径弯曲不敏感单模光纤 - Google Patents

一种小外径弯曲不敏感单模光纤 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小外径弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，芯层直径2R1为7.4～7.8μm，相对折射率差为Δ1，包层从内到外依次为下陷内包层和外包层，下陷内包层直径2R2为34～40μm，下陷内包层折射率分布呈下凹形，其最小相对折射率差为Δ2min，芯层与内包层之间的折射率差异Δtotal＝Δ1‑Δ2min，Δtotal范围为0.44～0.52％，且芯层与下陷内包层相对折射率差分配关系满足：︱Δ1/Δ2min︱＝4.5～6.5，所述外包层为纯二氧化硅外包层，外包层相对折射率差Δ3为0％，外包层直径2R3为123～125μm，外包层外包覆内、外涂覆层，内涂覆层直径2R4为163～170μm，外涂覆层直径2R5为190～195μm。该光纤通过剖面结构与涂覆工艺的优化，不仅具有较大的模场直径，而且在光纤具备较低的弯曲损耗和良好的微弯性能。

Description

一种小外径弯曲不敏感单模光纤
技术领域
本发明涉及一种小外径弯曲不敏感单模光纤，属于光通信传输领域。
背景技术
随着FTTH的不断发展，光纤到户很多情况下会面临在楼道、墙角或室内等复杂的施工环境，这就要求光纤具有良好的抗弯曲性能，使其在小弯曲半径的情况下依然能够保证信号的正常传输，另一方面，随着管道资源的日益紧张以及光纤室内使用美观(隐形)化的需求，要求光纤外径能够减小，同时保证与传统外径光纤有同样的微弯性能。
G.657.A2光纤，至少满足7.5mm弯曲半径条件下使用，满足FTTH使用环境，为了使光纤有较好的弯曲性能，通常的方法是减小光纤模场直径或增加光纤截止波长，考虑到光纤成缆后截止波长必须小于1260nm，因此通过增加光纤截止波长来改善光纤弯曲性能的空间有限，通常做法是减小光纤模场直径，但G.657.A2光纤同时要求与G.652.D兼容，减小光纤MFD会增加光纤的熔接损耗。因此开发出一种模场直径较大且弯曲性能优异的光纤很有必要。
相对于普通的单模光纤结构，提高光纤弯曲性能的常用方法是下陷外包层设计，通过下陷外包层设计可以在不增加芯层掺杂情况下，改善光纤的弯曲性能，但这种设计使得下陷层远离光纤芯层，对于光纤的弯曲性能的改善较弱，为了达到弯曲性能优异的目的，需要将下陷层设计较宽、较深，不仅工艺复杂，而且也会影响光纤的截止波长和色散性能。
通过研究发现，提高光纤抗弯曲性能更为有效的方法是采用下陷内包层结构设计光纤剖面，在对下陷内包层结构的光纤研究发现，这种剖面设计对光纤下陷内包层的深度和宽度也存在一定的要求限制，内包层过浅、过窄对光纤弯曲性能提升不大，内包层过深、过宽不利于光纤保证较大的模场直径，为了使得光纤模场直径较大且弯曲性能优异，下陷内包层宽度与深度的设计十分重要。
剖面结构不仅影响光纤的弯曲性能，对光纤的衰耗也有重要影响。光纤芯层中增加二氧化锗的比例有利于增强光纤的弯曲不敏感性，但是二氧化锗浓度增加会导致瑞利散射的增强，从而使得光纤衰耗增加。增强光纤的弯曲不敏感性的另外一个途径是增加内包层的掺氟量，但是掺氟会使内包层粘度降低，掺氟量的增加会导致光纤芯层与包层之间的粘度失配从而使得光纤衰耗增加。因此，确保光纤的弯曲性能不仅需要满足芯层折射率与内包层折射率之间的差异(Δtotal)，还需要芯层折射率与内包层折射率之间合理分配。
小外径光纤是在保持光纤玻璃部分尺寸不变前提下，通过减小涂覆层厚度来实现的，但涂覆层厚度的降低意味着涂覆层对光纤玻璃部分的保护变弱，使得光纤受到外界挤压时，压力更加容易传导至光纤玻璃部分，此外，光缆在低温环境使用时，外层的套管收缩也会挤压光纤。微弯损耗是指由光纤轴线微小的畸变造成的损耗，因此光纤外径减小后的微弯损耗通常也会增加。鉴于小外径光纤通常在小外径光缆或其它小型光器件中使用，对微弯性能的要求较高。研究发现，可以从两个方面改善光纤微弯性能，一是改善光纤的宏弯性能，即前面所述的采用下陷内包层结构设计光纤剖面；二是增强光纤涂料对玻璃部分的保护，通过对光纤内外层涂料模量的合理匹配及涂料固化工艺调整来实现在减小光纤外径时保证光纤的微弯性能。
欧洲专利EP2057493A描述了一种弯曲性能满足G.657.A2光纤，为外包层下陷设计，为了满足弯曲不敏感要求，下陷外包层的相对折射率Δ<-0.63％，这种设计容易造成截止波长过高和高色散，且在光纤传输过程中容易出现多径串扰问题，会影响光纤的兼容性，此外该光纤较深的下陷包层也增加了光纤的制造成本，不利于该种光纤大规模应用。
美国专利US7099545，描述了一种G.657.A2光纤，其芯层折射率：0.55％<Δ1<0.7％，下陷包层折射率：Δ2<-0.2％，芯层折射率很高同时下陷包层折射率很低，该光纤在波长1310nm的模场径等于或大于6.6μm，模场直径过低，与G.652.D的模场直径失配，熔接损耗会非常大，无法与原有光纤兼容。
发明内容
为方便介绍本发明内容，定义部分术语：
预制棒：是由芯层与包层组成的径向折射率分布符合光纤设计要求可直接拉制成所设计光纤的玻璃棒或组合体。
芯棒；含有芯层与部分包层的实心玻璃预制件。
半径：该层外边界与中心点之间距离。
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关系。
相对折射率差：Δ％＝[(ni 2-n0 2)/2ni 2]×100％≈(ni-n0)/n0×100％，ni-和n0分别为各对应光纤各部分的折射率和外包层纯二氧化硅玻璃的折射率。
VAD工艺：用轴向气相沉积和烧结工艺制备所需厚度及所需折射率剖面的石英玻璃。
OVD工艺：用外部气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃。
光纤的玻璃部分指光纤中不含涂覆层的玻璃丝。
光纤的色散指材料色散与波导色散总和。
宏弯附加损耗测试方法参考IEC60793-1-47中规定的方法。
微弯损耗测试方法参考IEC TR 62221中规定的方法。
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足提出了一种小外径弯曲不敏感单模光纤，该光纤通过剖面结构的优化，不仅具有较大的模场直径，而且具备较低的弯曲损耗和良好的微弯性能。
本发明为解决上述提出的问题采取的技术方案为：包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层直径2R1为7.4～7.8μm，相对折射率差为Δ1，所述的包层从内到外依次为下陷内包层和外包层，所述下陷内包层直径2R2为34～40μm，所述下陷内包层折射率分布呈下凹形，其最小相对折射率差为Δ2min，所述芯层与内包层之间的折射率差异Δtotal＝Δ1-Δ2min，Δtotal范围为0.44～0.52％，且芯层与下陷内包层相对折射率差分配关系满足：︱Δ1/Δ2min︱＝4.5～6.5，所述外包层为纯二氧化硅外包层，外包层相对折射率差Δ3为0％，外包层直径2R3为123～125μm，所述的外包层外包覆内、外涂覆层，所述内涂覆层直径2R4为163～170μm，所述外涂覆层直径2R5为190～195μm。
按上述方案，所述的下陷内包层内边缘与外边缘的相对折射率差齐平并与外包层相对折射率差Δ3相等，从内边缘至外边缘相对折射率差呈渐降至渐升状。
按上述方案，所述的Δtotal范围为0.45～0.50％，︱Δ1/Δ2max︱＝5.0～6.0。
按上述方案，所述的内、外涂覆层为树脂涂覆层，所述的内涂覆层杨氏模量小于或等于1MPa，优选0.5MPa，固化度90～95％，所述的外涂覆层杨氏模量大于或等于1000MPa，优选1200MPa，固化度95～99％。
按上述方案，所述的光纤在1310nm处的模场直径为8.4～9.0μm，光缆截止波长小于或等于1260nm，零色散波长1300～1324nm。
按上述方案，所述光纤在1550nm波长处，围绕15mm弯曲半径绕10圈的弯曲附加损耗小于或等于0.02dB，围绕10mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.06dB，围绕7.5mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.3dB。
按上述方案，所述光纤在1625nm波长处，围绕15mm弯曲半径绕10圈的弯曲附加损耗小于或等于0.06dB，围绕10mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.12dB，围绕7.5mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.6dB。
按上述方案，所述光纤在1700nm波长处微弯小于或等于2dB/km。
本发明光纤采用的制造方法为VAD+OVD组合的工艺制备预制棒，VAD工艺制备芯棒对应光纤的芯层及下陷内包层，VAD制备的芯棒直接采用OVD工艺外喷得到预制棒，预制棒匹配小孔径涂覆器即可拉丝涂覆得到小外径超低弯曲损耗光纤。
本发明的有益效果在于：1、设计了一种内包层折射率渐变的折射率分布单模光纤，通过折射率剖面的合理配置，在保证光纤具有较大模场直径前提下，具有较低的弯曲损耗，提高了光纤的弯曲性能；2、芯层掺锗，使得光纤芯层具有较大的弹性光系数，从而减小弯曲状态下产生的应力对折射率变化的影响，剖面畸变小，而下陷内包层掺氟，具有最低折射率和最低模量，可缓冲弯曲状态下应力对芯层的影响，从而有效提供光纤的抗弯曲性能；3、优化芯层与内包层折射率匹配，确保光纤的衰耗性能；4，优化内外涂覆层的涂料模量与固化度，外层涂料比较坚硬，可以有效抵抗外力对光纤的影响，内层涂料柔软，可以缓冲来自外面的影响，保护光纤，使光纤外径减小后在严苛的使用环境下也能保持优异的微弯性能；5、本发明的光纤在7.5mm，10mm，15mm弯曲半径下均具有较低的弯曲损耗，光纤的横截面积只有传统光纤的70％，满足接入网复杂的布局环境及光缆和光器件小型化的要求；6，本发明光纤在满足G.657.A2标准同时完美兼容G.652光纤。
附图说明
图1为本发明一个实施例的光纤折射率剖面示意图。
图2为本发明一个实施例的光纤径向剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
光纤从内至外依次包括芯层、下陷内包层、外包层、内涂覆层和外涂覆层，其中芯层、下陷内包层、外包层为光纤的二氧化硅玻璃部分，内涂覆层和外涂覆层为光纤的树脂涂覆层；所述的芯层直径为2R1，相对折射率差为Δ1，所述下陷内包层直径为2R2，下陷内包层折射率分布呈下凹形，所述的下陷内包层内边缘与外边缘的相对折射率差齐平并与外包层相对折射率差Δ3相等，具有从内边缘到外边缘先递减再递增的相对折射率差，其中最小相对折射率差为Δ2min，外包层的折射率差Δ3为0％，所述芯层为掺锗或锗氯共掺的二氧化硅玻璃层，下陷内包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，外包层为纯二氧化硅玻璃层，内涂覆层杨氏模量为0.5MPa，固化度为95％，外涂覆层杨氏模量为1200MPa，固化度为98％。如图1、图2所示，外包层直径为125μm，光纤最终外径为193μm左右，构成小外径单模光纤。
按照上述小外径低弯曲损耗单模光纤的技术方案，在其规定的范围内对光纤的参数进行设计，通过VAD+OVD组合的工艺制备预制棒，生产的光纤折射率剖面结构的主要参数如表1所示，所制备的光纤主要性能参数如表2所示，其中1-6为本发明的实施例，7-8是外购样品作为对比例，可见本发明光纤具备较大的模场直径与优异的弯曲性能，衰耗也较低。虽然光纤涂料厚度减小，但微弯性能与常规外径光纤相当。
表1，光纤折射率剖面结构的主要参数
Figure BDA0002464755530000051
表2，光纤的主要性能参数
Figure BDA0002464755530000052

Claims (7)

1.一种小外径弯曲不敏感单模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层直径2R1为7.4～7.8μm，相对折射率差为Δ1，所述的包层从内到外依次为下陷内包层和外包层，所述下陷内包层直径2R2为34～40μm，所述下陷内包层折射率分布呈下凹形，其最小相对折射率差为Δ2min，所述芯层与内包层之间的折射率差异Δtotal＝Δ1-Δ2min，Δtotal范围为0.44～0.52％，且芯层与下陷内包层相对折射率差分配关系满足：︱Δ1/Δ2min︱＝4.5～6.5，所述外包层为纯二氧化硅外包层，外包层相对折射率差Δ3为0％，外包层直径2R3为123～125μm，所述的外包层外包覆内、外涂覆层，所述内涂覆层直径2R4为163～170μm，所述外涂覆层直径2R5为190～195μm；所述的下陷内包层内边缘与外边缘的相对折射率差齐平并与外包层相对折射率差Δ3相等，从内边缘至外边缘相对折射率差呈渐降至渐升状。
2.按权利要求1所述的小外径弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的Δtotal范围为0.45～0.50％，︱Δ1/Δ2min︱范围为5.0～6.0。
3.按权利要求1或2所述的小外径弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的内、外涂覆层为树脂涂覆层，所述的内涂覆层杨氏模量小于或等于1MPa，固化度90～95％，所述的外涂覆层杨氏模量大于或等于1000MPa，固化度95～99％。
4.按权利要求1或2所述的小外径弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述的光纤在1310nm处的模场直径为8.4～9.0μm，光缆截止波长小于或等于1260nm，零色散波长1300～1324nm。
5.按权利要求1或2所述的小外径弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处，围绕15mm弯曲半径绕10圈的弯曲附加损耗小于或等于0.02dB，围绕10mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.06dB，围绕7.5mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.3dB。
6.按权利要求1或2所述的小外径弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤在1625nm波长处，围绕15mm弯曲半径绕10圈的弯曲附加损耗小于或等于0.06dB，围绕10mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.12dB，围绕7.5mm弯曲半径绕1圈的弯曲附加损耗小于或等于0.6dB。
7.按权利要求1或2所述的小外径弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤在1700nm波长处微弯小于或等于2dB/km。
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