CN114994830A - 一种低损耗抗弯曲单模光纤及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低损耗抗弯曲单模光纤及其制造方法，该光纤从内到外依次包含芯层、内包层与外包层，芯层的相对折射率差Δ1为0.37％～0.42％，内包层的相对折射率差Δ2为‑0.45％～‑0.25％，外包层的相对折射率差△3为‑0.05％～0％。本发明中，芯层相对折射率差自内而外由Δ1下降为Δ2，降低了弯曲状态下折射率剖面的畸变程度，进一步优化了芯包粘度匹配，减小了拉丝过程中缺陷的产生，以降低光纤的损耗值，增加光纤的抗弯曲性能，内包层的相对折射率差自内而外由Δ2上升为Δ3，使光纤的芯层、包层粘度到达较好的匹配，降低芯包间应力，同时符合ITU.T G.657.A和ITU.T G.652.D光纤标准。

Description

一种低损耗抗弯曲单模光纤及其制造方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种低损耗抗弯曲单模光纤及其制造方法。
背景技术
随着光纤传输技术的不断发展，光纤入户已经成为通信接入网网络建设的重要发展方向。光纤接入网的应用场景较为复杂，如楼宇、街道、房屋中，光纤节点多、曲折布线多，这对光纤的弯曲性能提出更高的要求。弯曲不敏感单模光纤由于具有适合室内狭窄环境的密集布线、能充分发挥单模光纤的高带宽、低衰减和中长短(距离传输)皆宜等优点，逐渐成为光纤接入网用首选光纤。
通过对光纤的结构、材料以及制备工艺进行设计可以得到抗弯曲性能优异且传输损耗低的光纤。为了提高光纤的抗弯曲性能，芯层会掺杂较高浓度的锗(Ge)，为了减少芯层材料与包层材料在粘度、热膨胀系数等材料性能方面的差异，同时也为了调节光纤的光学指标范围，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。研究发现最为有效的方法是采用下陷外包层结构设计光纤剖面，尤其是下陷包层的宽度和深度的合理设计非常重要。
研究发现在光纤芯层进行精准掺杂可以降低光纤的衰减损耗，芯层GeO2和氟、氯、硼等卤素共掺可以有效降低芯层粘度，使芯层和内包层的粘度更加匹配，减少光纤在生产过程中产生的缺陷，光纤衰减得到改善。
中国专利，公开号CN216248394U公开了一种低损耗单模光纤,其光纤结构从内至外依次是芯层、内包层、下陷包层和外包层；下陷包层采用深掺氟套管，制作成本较高，且该光纤结构复杂，不适合大规模生产。中国发明专利，公开号CN106154410A，公开了一种低损耗光纤，通过在PCVD沉积工艺过程中添加多种卤素元素，使得芯层粘度降低，与内包层和外包层更为匹配，且内应力降低，以此来制造低传输衰减的低损耗光纤。但其实施例中采用特别定制的氟套管，导致成本较高；且其实施例还说明了沉积工艺中温度控制难度大，生产的产品均匀性难以保证，故限制了其大规模生产。
中国发明专利，公开号CN102193141A，设计了较深的内包层折射率凹槽，得到了优异的光纤弯曲损耗，但是其在1310nm处的模场直径降低到了8.8um左右。中国专利，公开号CN106125192A，设计了一种纯SiO2纤芯的单模光纤，虽然在1550nm处的衰减达到了0.165dB/km，但是1550nm处的模场直径为12μm左右，与常规G.652.D光纤熔接将产生较大的熔接损耗，大大降低与常规光纤的兼容性能。
因此，要得到一种衰减低、模场直径与G.652.D完全匹配且又要有较好的弯曲性能的单模光纤，需求芯层折射率高度与包层折射率高度的最佳匹配，一定程度上需要控制光纤芯层的直径，又要在光纤拉丝过程中控制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，从而才有可能获得具有一定弯曲性能、衰减又低的单模光纤。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种低损耗抗弯曲单模光纤及其制造方法。
为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
一种低损耗抗弯曲单模光纤，从内到外依次包含芯层、内包层与外包层，所述芯层的相对折射率差Δ1为0.37％～0.42％，内包层的相对折射率差Δ2为-0.45％～-0.25％，外包层的相对折射率差△3为-0.05％～0％。
所述芯层为锗和氟共掺的二氧化硅玻璃层，氟掺杂对相对折射率差Δ1的贡献量为-0.09％～-0.06％，芯层氟掺杂量不变，锗掺杂量由内向外逐渐降低，芯层的相对折射率差自内而外由Δ1逐渐降低为Δ2。
所述内包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，内包层的氟掺杂量由内向外逐渐减少，内包层的相对折射率差自内而外由Δ2逐渐增加为Δ3。
所述芯层半径r1、内包层半径r2、外包层半径r3满足以下关系：
r2/r1＝4.9～5.3
r3/r1＝14.5～17.9。
所述芯层半径r1为3.5μm～4.3μm，所述内包层半径r2为17.2μm～22.8μm，所述外包层的半径r3为62.5μm。
所述光纤在1550nm的衰减系数≤0.184dB/km，在1310nm的模场直径为8.8～9.4μm，成缆截止波长≤1260nm。
所述相对折射率差Δ2为-0.40％，内包层半径r2与芯层半径r1之比为5.0时，所述光纤在1550nm波长的衰减系数为0.180dB/km，所述光纤在1550nm和1625nm波长处，R30mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯附加损耗分别小于0.02dB和0.08dB，R20mm弯曲半径弯曲1圈的宏弯附加损耗分别小于0.1dB和0.2dB，所述光纤在1310nm、1550nm和1625nm波长处，R50mm弯曲半径弯曲100圈的宏弯附加损耗均小于0.01dB。
一种低损耗抗弯曲单模光纤，所述光纤芯层和内包层采用VAD法通过沉积设备制成，所述沉积设备包含沉积腔室、燃烧器Ⅰ、燃烧器Ⅱ、混料装置、原料管路、质量流量控制器和PLC控制系统，所述沉积腔室内保持微负压，沉积腔室外部分别设有混料装置和原料管路，沉积腔室内设置有燃烧器Ⅰ和燃烧器Ⅱ，混料装置通过原料管路连通燃烧器Ⅱ，混料装置内配套设置搅拌装置和加热装置。
一种低损耗抗弯曲单模光纤的制造方法，包括以下步骤：
步骤1)松散体的形成：
将四氯化硅、四氯化锗、CF4、氢气和氧气原料通过载气进入分配系统，通过质量流量控制器调节进入燃烧器Ⅰ内，在燃烧的氢氧火焰中发生化学反应，形成二氧化硅颗粒附着在靶棒下端，得到芯层；
将四氯化硅、CF4、氢气和氧气原料先通入混料装置，使原料充分混合后通过原料管路到达燃烧器Ⅱ内，四氯化硅、CF4、氢气和氧气在火焰中反应并沉积于芯层周围，形成内包层；
步骤2)松散体烧结：
将步骤1)所得松散体置于烧结炉内进行脱水和烧结，松散体玻璃化形成透明的石英玻璃；
步骤3)烧结芯棒两端通过等比例拉伸得到最终目标直径的延伸芯棒；
步骤4)将延伸芯棒焊接上下手柄形成标准种棒，种棒沉积得到外包层，形成最终的预制棒松散体；
步骤5)将预制棒松散体放在真空烧结炉内进行烧结，得到透明的光纤预制棒；
步骤6)将该透明预制棒进行拉锥头后放入拉丝塔内进行拉丝，采用退火工艺，得到最终的低损耗抗弯曲单模光纤。
所述四氯化硅流量为4～9L/min，四氯化锗流量为0.02～2L/min，CF4流量为0.05～0.6L/min，氢气流量为0～20L/min，氧气流量为0～50L/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.设计一种实现内包层深掺氟的沉积设备，提高原料利用率，实现VAD法芯棒内包凹陷更深，增加光纤的抗弯曲性能；
2.芯层为锗和氟共掺的二氧化硅玻璃层，且芯层相对折射率差自内而外由Δ1线性下降为Δ2，降低了弯曲状态下折射率剖面的畸变程度，进一步优化了芯包粘度匹配，减小了拉丝过程中缺陷的产生，以降低光纤的损耗值，增加光纤的抗弯曲性能；
3.内包层的相对折射率差自内而外由Δ2线性上升为Δ3，使得光纤的芯层、包层粘度到达较好的匹配，降低芯包间应力；
4.本发明制备的光纤的各类指标同时符合ITU.T G.657.A和ITU.T G.652.D光纤标准，可替代常规单模光纤使用，并与其实现良好兼容；
5.剖面结构简单，制造方法简单，适合大规模生产。
附图说明
图1为本发明的光纤折射率剖面示意图；
图2为本发明的沉积设备的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
如图1-2所示，一种低损耗抗弯曲单模光纤，从内到外依次包含芯层、内包层与外包层，芯层和内包层分别为掺锗和掺氟的二氧化硅玻璃层，外包层为合成石英玻璃。该光纤在1550nm的衰减系数≤0.184dB/km，在1310nm的模场直径为8.8～9.4μm，成缆截止波长≤1260nm。
芯层为锗和氟共掺的二氧化硅玻璃层，芯层相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差即相对折射率差为Δ1，△1为0.37％～0.42％，芯层中氟掺杂对相对折射率差Δ1的贡献量为-0.09％～-0.06％，芯层半径为r1，r1为3.5μm～4.3μm。芯层氟掺杂量不变，锗掺杂量由内向外线性降低，芯层的相对折射率差自内而外由Δ1线性降低为Δ2。
内包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，内包层相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差即相对折射率差为Δ2，Δ2为-0.45％～-0.25％，内包层的半径为r2，r2为17.2μm～22.8μm。内包层的氟掺杂量由内向外线性减少，内包层的相对折射率差自内而外由Δ2线性增加为Δ3。
外包层相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差即相对折射率差为Δ3，△3为-0.05％～0％，外包层的半径为r3，r3为62.5μm。
芯层、内包层与外包层的半径满足以下关系：
r2/r1＝4.9～5.3
r3/r1＝14.5～17.9。
相对折射率差Δ2为-0.40％、r2/r1＝5.0时，该光纤在1550nm波长的衰减系数为0.180dB/km，该光纤在1550nm和1625nm波长处，R30mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯附加损耗分别小于0.02dB和0.08dB，R20mm弯曲半径弯曲1圈的宏弯附加损耗分别小于0.1dB和0.2dB；在1310nm、1550nm和1625nm波长处，R50mm弯曲半径弯曲100圈的宏弯附加损耗均小于0.01dB。
如上所述的一种低损耗抗弯曲单模光纤，芯层和内包层采用VAD法通过沉积设备制成，该沉积设备包含沉积腔室1、燃烧器Ⅰ21、燃烧器Ⅱ22、混料装置3、原料管路4、PLC控制系统、质量流量控制器等，在沉积腔室1底部分别设有高效过滤器与抽风装置，抽风装置的高度略低于高效过滤器，沉积腔室1内保持微负压控制，以保证沉积腔室1内气流的稳定性，以保证稳定沉积。通过PLC控制系统控制电机旋转，电机转速设置为10～60rpm/min，确保光纤制备过程中旋转，沉积腔室1内设置有燃烧器Ⅰ21和燃烧器Ⅱ22，为保证燃烧器Ⅱ22内各气体原料充分混合，提高原料利用率，在沉积腔室1外部分别设有混料装置3和原料管路4，混料装置3设置于沉积腔室1的上方，原料管路4的长度足够长并且其上缠绕保温套，混料装置3通过原料管路4连通燃烧器Ⅱ22，混料装置3配备有搅拌装置和加热装置。
一种低损耗抗弯曲单模光纤的制造方法，包括以下步骤：
步骤1)松散体的形成：
将四氯化硅、四氯化锗、CF4、氢气和氧气原料通过载气进入分配系统，通过质量流量控制器调节进入燃烧器Ⅰ21内，在燃烧的氢氧火焰中发生化学反应，形成二氧化硅颗粒附着在靶棒下端，得到芯层；
将四氯化硅、CF4、氢气和氧气原料先通入混料装置3，上述气体原料通入混料装置3后同时开启搅拌装置和加热装置，使原料充分混合后通过足够长的原料管路4到达燃烧器Ⅱ22内，气体原料四氯化硅、CF4、氢气和氧气在火焰中反应并沉积于芯层周围，形成内包层；
上述各原料气体的流量可根据需求目标进行灵活设定，优选的，四氯化硅流量为4～9L/min，四氯化锗流量为0.02～2L/min，CF4流量为0.05～0.6L/min，氢气流量为0～20L/min，氧气流量为0～50L/min；
步骤2)松散体烧结：
将步骤1)所得松散体置于烧结炉内，在1100℃～1300℃进行脱水，在1400℃～1800℃进行烧结，松散体玻璃化形成透明的石英玻璃。
松散体玻璃化形成石英玻璃之前，在氯气和氦气的惰性气体环境中将松散体加热至1100℃～1300℃，通过物理以及化学作用，将松散体中的羟基以及水分去除。烧结所用气体为氦气、氯气或氮气中的一种或多种的混合气体，其中，氯气和氦气或者氦气含量不低于75％，且脱水、烧结用气体金属杂质含量低于10ppm；
步骤3)烧结芯棒两端通过等比例拉伸得到最终目标直径的延伸芯棒；
步骤4)将延伸芯棒焊接上下手柄形成标准种棒，将种棒使用OVD法等沉积得到外包层，形成最终的预制棒松散体；
步骤5)将预制棒松散体放在真空烧结炉内进行烧结，得到透明的光纤预制棒；
步骤6)将该透明预制棒进行拉锥头后放入拉丝塔内进行拉丝，拉丝速度为1800m/min～2000m/min，采用退火工艺，得到最终的低损耗抗弯曲单模光纤。
本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低损耗抗弯曲单模光纤，其特征在于，从内到外依次包含芯层、内包层与外包层，所述芯层的相对折射率差Δ1为0.37％～0.42％，内包层的相对折射率差Δ2为-0.45％～-0.25％，外包层的相对折射率差△3为-0.05％～0％。
2.根据权利要求1所述的一种低损耗抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述芯层为锗和氟共掺的二氧化硅玻璃层，氟掺杂对相对折射率差Δ1的贡献量为-0.09％～-0.06％，芯层氟掺杂量不变，锗掺杂量由内向外逐渐降低，芯层的相对折射率差自内而外由Δ1逐渐降低为Δ2。
3.根据权利要求1所述的一种低损耗抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述内包层为掺氟的二氧化硅玻璃层，内包层的氟掺杂量由内向外逐渐减少，内包层的相对折射率差自内而外由Δ2逐渐增加为Δ3。
4.根据权利要求1所述的一种低损耗抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述芯层半径r1、内包层半径r2、外包层半径r3满足以下关系：
r2/r1＝4.9～5.3
r3/r1＝14.5～17.9。
5.根据权利要求4所述的一种低损耗抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述芯层半径r1为3.5μm～4.3μm，所述内包层半径r2为17.2μm～22.8μm，所述外包层的半径r3为62.5μm。
6.根据权利要求1所述的一种低损耗抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm的衰减系数≤0.184dB/km，在1310nm的模场直径为8.8～9.4μm，成缆截止波长≤1260nm。
7.根据权利要求1所述的一种低损耗抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述相对折射率差Δ2为-0.40％，内包层半径r2与芯层半径r1之比为5.0时，所述光纤在1550nm波长的衰减系数为0.180dB/km，所述光纤在1550nm和1625nm波长处，R30mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯附加损耗分别小于0.02dB和0.08dB，R20mm弯曲半径弯曲1圈的宏弯附加损耗分别小于0.1dB和0.2dB，所述光纤在1310nm、1550nm和1625nm波长处，R50mm弯曲半径弯曲100圈的宏弯附加损耗均小于0.01dB。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种低损耗抗弯曲单模光纤，其特征在于，所述光纤芯层和内包层采用VAD法通过沉积设备制成，所述沉积设备包含沉积腔室、燃烧器Ⅰ、燃烧器Ⅱ、混料装置、原料管路、质量流量控制器和PLC控制系统，所述沉积腔室内保持微负压，沉积腔室外部分别设有混料装置和原料管路，沉积腔室内设置有燃烧器Ⅰ和燃烧器Ⅱ，混料装置通过原料管路连通燃烧器Ⅱ，混料装置内配套设置搅拌装置和加热装置。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种低损耗抗弯曲单模光纤的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)松散体的形成：
将四氯化硅、四氯化锗、CF4、氢气和氧气原料通过载气进入分配系统，通过质量流量控制器调节进入燃烧器Ⅰ内，在燃烧的氢氧火焰中发生化学反应，形成二氧化硅颗粒附着在靶棒下端，得到芯层；
将四氯化硅、CF4、氢气和氧气原料先通入混料装置，使原料充分混合后通过原料管路到达燃烧器Ⅱ内，四氯化硅、CF4、氢气和氧气在火焰中反应并沉积于芯层周围，形成内包层；
步骤2)松散体烧结：
将步骤1)所得松散体置于烧结炉内进行脱水和烧结，松散体玻璃化形成透明的石英玻璃；
步骤3)烧结芯棒两端通过等比例拉伸得到最终目标直径的延伸芯棒；
步骤4)将延伸芯棒焊接上下手柄形成标准种棒，种棒沉积得到外包层，形成最终的预制棒松散体；
步骤5)将预制棒松散体放在真空烧结炉内进行烧结，得到透明的光纤预制棒；
步骤6)将该透明预制棒进行拉锥头后放入拉丝塔内进行拉丝，采用退火工艺，得到最终的低损耗抗弯曲单模光纤。
10.根据权利要求9所述的一种低损耗抗弯曲单模光纤的制造方法，其特征在于，所述四氯化硅流量为4～9L/min，四氯化锗流量为0.02～2L/min，CF4流量为0.05～0.6L/min，氢气流量为0～20L/min，氧气流量为0～50L/min。
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