TW201504701A - 一種彎曲不敏感單模光纖 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種彎曲不敏感單模光纖，其特徵在於芯層直徑爲7.6～8.4微米，芯層相對折射率差爲4.66×10-3～6.12×10-3，芯層外的包層從內到外依次爲內包層、下陷外包層和外包層，內包層直徑爲17.4～20微米，內包層相對折射率差爲-0.1×10-3～0.1×10-3，下陷外包層直徑爲28～32微米，下陷外包層相對折射率差爲-4.37×10-3～-7.25×10-3。本發明通過優化光纖下陷外包層的深度和寬度，使光纖不僅具有更低的彎曲附加損耗，而且具有穩定的機械性能和均勻的材料組成；在保持有效模場直徑和彎曲性能的基礎上，降低了工藝控制難度，提高了光纖預製棒的加工效率；光纖在各項性能上遠遠優於ITU-T G.657.B3標準，可滿足FTTH網絡鋪設和器件小型化的要求。

Description

一種彎曲不敏感單模光纖
本發明涉及一種應用於接取網路的單模光纖，該光纖具有優異的抗彎曲性能，屬於光纖通信傳輸領域。
隨著光纖傳輸技術的不斷發展，光纖到戶（Fiber To The Home，FTTH）和光纖到桌面（Fiber To The Desktop，FTTd）已成爲通信接取網路（Access Network）網絡建設的重要發展方向。作爲傳輸媒質的光纖在其中扮演著至關重要的角色。由於在實際光纖到x（Fiber To The x，FTTx），為各種光纖通訊網路的總稱，其中x代表光纖線路的目的地，光纖線路鋪設和配置過程中，經常需要在室內及狹窄環境下對光纖進行各種操作（如，牆角90°拐角處安裝、將光纖纏繞在越來越小型化的存儲盒中來處理光纖冗長等），此時光纖在較小彎曲半徑下需要經受較高的彎曲應力，因此需要設計開發具有優異抗彎曲性能的光纖，以滿足FTTx網絡鋪設和器件小型化的要求。在2009年11月和2010年6月，國際電信聯盟遠程通信標準化組織(ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sector)先後2次修改彎曲不敏感的G.657光纖標準，並增加了在小彎曲半徑下光纖壽命的性能的研究報告，（“Characteristics of a bending loss insensitive single mode optical fibre and cable for the access network” and Amendment 1：Revised Appendix 1-Lifetime expectation in case of small radius bending of single-mode fibre）。這兩次修改基本明確了不同彎曲半徑使用環境下，G.657A1/A2光纖和G.657.B3光纖不同應用目標，其中滿足最小彎曲半徑爲10mm的G.657.A1光纖應用於長程網（Long-haul networks）；G.657.A2光纖滿足最小7.5 mm彎曲半徑條件下的應用，主要使用於城域網（Metro networks）和FTTH（光纖到戶）；G.657.B3光纖滿足最小5mm彎曲半徑下的使用條件，主要在FTTd（光纖到桌面）和全光網絡（All-optical network）的應用，以室內光纖/光纜的方式使用，並强調了光纖在彎曲條件下使用壽命的問題。
按照ITU-T的規定和G.657.B3光纖具體的使用環境和條件，G.657.B3光纖基本使用於短距離的通信傳輸中，其更注重小彎曲半徑下的宏觀彎曲性能，不强制要求兼容G.652.D標準。2012年9月ITU-T G.657最新修訂版中，B類光纖逐漸向兼容G.652光纖的方向發展。新標準的提出將更有利於G.657光纖的推廣和使用。
經過多年的研究，各國科研人員發現光纖的模場直徑和截止波長對光纖的宏觀彎曲損耗起主要作用，MAC值可以定性的衡量光纖的彎曲性能，其中：MAC定義爲模場直徑與截止波長的比值。MAC越小，則光纖的彎曲性能越好，顯然，降低模場直徑，增大光纖截止波長能達到降低MAC的目的，從而得到較好的彎曲性能。美國專利US2007007016A1、中國專利CN1971321A和CN1942793A就是採用的此類方法。但是，光纖模場直徑過小，則在它與常規單模光纖連接時會帶來較大的接續損耗，並且限制了入纖功率。同時，考慮到FTTx的多業務特點，希望能使用全波段進行傳輸，光纜截止波長必須小於1260nm，因此光纖的截止波長增大的空間非常有限。如果單純依靠降低光纖MAC數值的方法，並不能有效的得到優異的彎曲性能，從而滿足G.657.B3標準要求。
相對於普通的單模光纖剖面結構，提高光纖彎曲性能的另一個有效方法是採用下陷內包層的設計，如美國專利US5032001、US7043125B2和中國專利CN176680就是採用的是下陷內包層設計，通過下陷內包層設計可在不增加芯層摻雜的情况下增加光纖的數值孔徑（NA），可避免增加摻雜引起的衰减增加。但是下陷內包層的優化設計，只能在一定程度上改善光纖在大彎曲半徑下的宏彎性能。當光纖的彎曲半徑小於或等於10mm時，很難利用下陷內包層的方法製備出符合G.657.A2標準的彎曲不敏感光纖。
通過進一步研究發現，提高光纖抗彎曲性能最爲有效的方法是採用下陷外包層結構設計光纖剖面，其基本波導結構在美國專利US4852968中已有所描述，美國專利US6535679B2及中國專利CN1982928A也採用了同類設計。但以上所有專利均只考慮如何降低彎曲附加損耗，均沒有結合具體應用考慮小彎曲半徑下光纖的長期使用壽命，也未明確說明根據其說明製造的光纖是否滿足並優於G.657.B3標準中最小5mm彎曲半徑的相關要求。在對下陷外包層結構光纖的研究發現，下陷外包層在光纖剖面中的深度和寬度也存在一定要求限制：下陷外包層過淺，過窄，不能帶來良好的彎曲不敏感性能；過深，過寬，則可能影響光纖截止波長和色散性能。
在下陷外包層結構的彎曲不敏感光纖中，另一個影響光纖在彎曲條件下宏觀彎曲性能的因素是光纖芯包層的直徑比。光纖在彎曲狀態時，因爲內包層環形包裹著芯層，彎曲産生的應力首先作用在內包層，然後傳到到芯層部分，如果不考慮芯層、包層摻雜以及折射率等因素，較小的芯層/包層直徑比是有利於提高光纖彎曲性能。但是較小的芯層/包層直徑比往往也會影響光纖的模场直径（Mode Field Diameter，MFD）和色散等性能，並且在拉絲過程中爲匹配粘度和應力也更加困難，所以適宜的芯層/包層直徑比也是G.657.B3光纖剖面研究的一個重要方向。最近的研究表明：在光纖鏈路尤其是FTTx鏈路中，由於多點彎曲和連接頭的存在，光纖中會出現多路徑干擾的現象（Multi-Path Interference，MPI）, David .Zhen等人在2009年的OFC/NFOEC（“Testing MPI Threshold in Bend Insensitive Fiber Using Coherent Peak-To-Peak Power Method”）中介紹了測試MPI的方法。尤其是在外下陷包層的光纖設計中，如下陷包層與芯層太近，一旦光纖接頭處出現芯層的偏移就容易産生多徑幹擾，如下陷包層與芯層太遠，又達不到降低光纖彎曲附加損耗的作用，因而需要對下陷包層進行精確定位。所以合理設計光纖剖面，在芯層、包層和下陷外包層折射率剖面結構中，取得一個良好的平衡，是G.657.B3光纖研究中的一個重點和難點。
美國專利US7623747中描述了一種減少彎曲和微彎損耗的光纖，其下陷外包層由氟鍺共摻，摻雜鍺可以增加下陷外包層的彈性光係數，减小當光纖經受彎曲或者微彎時應力對光纖折射率變化的影響,但其宏彎特性仍達不到G.657.B3標準。中國專利CN101680994A，申請人描述了一種具有小彎曲損耗，但未提及1550nm處5mm彎曲半徑的損耗以及衰减性能，並且其下陷外包層的相對折射率差在-7.28×10-3 ～-2.62×10-2 的範圍，考慮到其較深的下陷會造成截止波長過高以及光纖傳輸過程中的MPI等問題，會影響光纖的兼容性。中國專利101893732 A中，申請人也提出了類似CN101680994A一種彎曲直徑爲20mm的抗彎曲單模光纖，但其彎曲性能未能達到G.657.B3光纖的標準。中國專利CN102590933A中提出的光纖下陷窄，宏彎較差。CN102540327A中涉及到的光纖其下陷較寬，宏彎性能好，但是截止波長高，不利於與G.652.D光纖兼容。在光波導設計中，由於氟摻雜的下陷外包層的位置變化，將導致光纖截止波長和MFD以及色散等一系列參數的變化，單純增加外下陷外包層的體積，雖然會改善光纖的宏彎性能，但是會影響光纖的兼容性，不利於彎曲不敏感光纖在現有通信網絡中的應用。相對於CN102540327A，本專利通過適當優化芯層直徑，並調整氟摻雜下陷內包層的相對位置以及深度，在10mm彎曲直徑1550nm的宏彎損耗均小於0.1dB/圈，1625nm波長宏彎損耗均小於等於0.2dB/圈，較CN102540327A獲得了更優異的宏彎性能，更有利於光纖在FTTx中的配置。
FTTH網絡建設的不斷發展，要求G.657.B3光纖不僅要優於ITU-T G.657.B3標準，而且要求全面兼容G.652.D光纖標準，且大量的G.657.B3需求需要能夠達到低成本、大規模生産的要求。
此外，在接取網路的使用中，光纖連接除了採用熔接的方法外，還採用機械連接方式，如光纖冷接子，要求光纖切割後具有很好的端面質量，因而需要光纖具有很好的材料均勻性。
爲方便介紹發明內容，定義部分術語：
芯棒：含有芯層和部分包層的預製件；
折射率剖面：光纖折射率與其半徑之間的關係；
相對折射率差：Δni=ni-n0， ni和n0分別爲各對應光纖各部分和純二氧化矽玻璃折射率。
氟（F）的貢獻量：摻氟（F）石英玻璃相對於純石英玻璃的折射率差值的絕對值，即ΔF=｜nF-n0｜，以此來表示摻氟（F）量；
鍺（Ge）的貢獻量：摻鍺（Ge）石英玻璃相對於純石英玻璃的折射率差值的絕對值，即ΔGe=｜nGe-n0｜，以此來表示摻鍺（Ge）量；
套管：符合一定截面積要求的厚壁高純石英玻璃管；
OVD（Outside Vapor Deposition）外包沉積工藝：用外部氣相沉積和燒結工藝在芯棒表面製備需要厚度的SiO2玻璃；
VAD（Vapor-phase Axial Deposition）外包沉積工藝：用軸向氣相沉積和燒結工藝在芯棒表面製備需要厚度的SiO2玻璃；
APVD（Advance Plasma Vapor Deposition）外包工藝：用高頻等離子體焰將天然或合成石英粉熔制於芯棒表面製備所需厚度的SiO2玻璃；
O/Si比：通入反應區的氧氣（O2）與四氯化矽（SiCl4）的莫耳比。
本發明所要解决的技術問題在於針對上述現有技術存在的不足提供一種抗彎曲不敏感單模光纖，其通過優化光纖剖面，不僅具有更低的彎曲附加損耗，穩定的機械性能和均勻的材料組成，而且能保持有效模場直徑和較低衰减性能，且製作低成本。
本發明爲解决上述提出的問題所採用的技術方案爲：
一種抗彎曲不敏感單模光纖包括有芯層和包層，其特徵在於芯層直徑2R1爲7.6～8.4微米，芯層相對折射率差Δ1爲4.66×10-3 ～6.12×10-3 ，芯層外的包層從內到外依次爲內包層、下陷外包層和外包層，內包層直徑2R2爲17.4～20微米，內包層相對折射率差Δ2爲-0.1×10-3 ～0.1×10-3 ，下陷外包層直徑2R3爲28～32微米，下陷外包層相對折射率差Δ3爲-4.37×10-3 ～-7.25×10-3 。
按上述方案，在下陷外包層外包覆外包層，外包層直徑d爲125微米，外包層的折射率爲純二氧化矽玻璃折射率。
按上述方案，所述的芯層爲摻鍺（Ge）和氟（F）的石英玻璃層，材料組分爲SiO2-GeO2-F-Cl，其中氟（F）的貢獻量ΔF爲1×10-3 ～1.6×10-3 。
按上述方案，所述的內包層爲摻鍺（Ge）和氟（F）的石英玻璃層。
按上述方案，所述的下陷外包層爲只摻氟（F）的石英玻璃層。
按上述方案，所述的光纖在1310奈米（nm）波長處的模場直徑爲8.2~9.2微米。
按上述方案，所述的光纖在1310奈米波長處的衰减係數小於或等於0.354dB/km，1383nm波長處的衰减係數小於或等於0.354dB/km，1550nm波長處的衰减係數小於或等於0.214dB/km，1625nm波長處的衰减係數小於或等於0.234dB/km。
按上述方案，所述的光纖具有小於或等於1260nm的光纜截止波長。
按上述方案，所述的光纖在1550nm波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.03dB；對於圍繞7.5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.08dB；對於圍繞5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.15dB。在1625nm波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.1dB；對於圍繞7.5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.25dB；對於圍繞5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.45dB。
按上述方案，所述光纖的動態疲勞參數爲29~33。
本發明的有益效果在於：
1.通過優化光纖剖面，尤其是適當的優化光纖下陷外包層的深度和寬度，構成特定的光纖剖面結構，使光纖不僅具有更低的彎曲附加損耗，而且具有穩定的機械性能和均勻的材料組成。
2.光纖剖面結構的優化，在保持有效模場直徑和彎曲性能的基礎上，減少了下陷外包層在光纖截面中的比重，也就直接減少了光纖預製棒製造中最核心、精密和複雜部分的沉積加工量，由此降低了工藝控制難度，提高了光纖預製棒的加工效率，從而降低了光纖的製造成本。
3.本發明的光纖在各項性能上遠遠優於ITU-T G.657.B3標準，尤其是其具有優異的宏彎性能，可滿足FTTH網絡鋪設和器件小型化的要求。
4.本發明中優選的光纖能夠全面兼容G.652.D光纖，與常規的G.652.D熔接時具有較低的熔接損耗。
下面將結合圖1給出詳細的實施例。
光纖包括有芯層和包層，芯層外的包層從內到外依次爲內包層、下陷外包層和外包層。芯層的直徑爲2R1，相對折射率差爲Δ1，內包層和下陷外包層的直徑分別爲2R2、2R3，內包層和下陷外包層的相對折射率差依次分別爲Δ2和Δ3。在下陷外包層外包覆外包層，外包層直徑d爲125微米，外包層的折射率爲純二氧化矽玻璃折射率。
芯層直徑2R1爲7.6～8.4微米，芯層相對折射率差Δ1爲4.66×10-3 ～6.12×10-3 ，芯層外的包層從內到外依次爲內包層、下陷外包層和外包層，內包層直徑2R2爲17.4～20微米，內包層相對折射率差Δ2爲-0.1×10-3 ～0.1×10-3 ，下陷外包層直徑2R3爲28～32微米，下陷外包層相對折射率差Δ3爲-4.37×10-3 ～-7.25×10-3 。
在下陷外包層外包覆外包層，外包層直徑d爲125微米，外包層的折射率爲純二氧化矽玻璃折射率。
所述的芯層爲摻鍺（Ge）和氟（F）的石英玻璃層，材料組分爲SiO2-GeO2-F-Cl，其中氟（F）的貢獻量ΔF爲1×10-3 ～1.6×10-3 。在本實施例中，通過合理優化光纖剖面結構，光纖性能參數在滿足G.657.B3標準的基礎上，兼容G.652.D標準，從而擁有更好的向上兼容性。
所述的內包層爲摻鍺（Ge）和氟（F）的石英玻璃層。
所述的下陷外包層爲只摻氟（F）的石英玻璃層。
所述的光纖在1310奈米（nm）波長處的模場直徑爲8.2~9.2微米。
所述的光纖在1310奈米波長處的衰减係數小於或等於0.354dB/km，1383nm波長處的衰减係數小於或等於0.354dB/km，1550nm波長處的衰减係數小於或等於0.214dB/km，1625nm波長處的衰减係數小於或等於0.234dB/km。
所述的光纖具有小於或等於1260nm的光纜截止波長。
所述的光纖在1550nm波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.03dB；對於圍繞7.5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.08dB；對於圍繞5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.15dB。在1625nm波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.1dB；對於圍繞7.5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.25dB；對於圍繞5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.45dB。
所述光纖的動態疲勞參數爲29~33。
宏彎附加損耗測試方法參照IEC 60793-1-47中規定的方法，由於波長越長對彎曲越敏感，所以主要測試光纖在1625nm的彎曲附加損耗，以準確評估光纖在全波段範圍內（尤其是L波段）的彎曲敏感性。將光纖按一定直徑繞成1圈或10圈，然後將圓圈放開，測試打圈前後光功率的變化，以此作爲光纖的宏彎附加損耗。爲了準確評價光纖的機械性能，必須用可靠的方法來測試光纖的强度分布。篩選測試篩查出了裂紋較大的光纖，通過篩選測試的光纖必須經過進一步分析測試以發現和評價光纖的可靠性。光纖的主要性能參數如表2所示。
Δ1‧‧‧芯層相對折射率差
Δ2‧‧‧內包層相對折射率差
Δ3‧‧‧下陷外包層相對折射率差
R1‧‧‧芯層半徑
2R1‧‧‧芯層直徑
R2‧‧‧內包層半徑
2R2‧‧‧內包層直徑
R3‧‧‧下陷外包層半徑
2R3‧‧‧下陷外包層半徑
Δni‧‧‧相對折射率差
ni‧‧‧光纖各部分折射率
n0‧‧‧純二氧化矽玻璃折射率
ΔF‧‧‧氟（F）的貢獻量
ΔGe‧‧‧鍺（Ge）的貢獻量
d‧‧‧外包層直徑
圖1是本發明光纖折射率剖面示意圖。
Δ1‧‧‧芯層相對折射率差
Δ2‧‧‧內包層相對折射率差
Δ3‧‧‧下陷外包層相對折射率差
R1‧‧‧芯層半徑
R2‧‧‧內包層半徑
R3‧‧‧下陷外包層半徑

Claims (10)

  1. 一種彎曲不敏感單模光纖，包括有芯層和包層，其特徵在於芯層直徑爲7.6～8.4微米，芯層相對折射率差爲4.66×10-3 ～6.12×10-3 ，芯層外的包層從內到外依次爲內包層、下陷外包層和外包層，內包層直徑爲17.4～20微米，內包層相對折射率差爲-0.1×10-3 ～0.1×10-3 ，下陷外包層直徑爲28～32微米，下陷外包層相對折射率差爲-4.37×10-3 ～-7.25×10-3 。
  2. 如請求項1所述的彎曲不敏感單模光纖，其中所述的下陷外包層外包覆外包層，外包層直徑爲125微米，外包層的折射率爲純二氧化矽玻璃折射率。
  3. 如請求項1或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其中所述的芯層爲摻鍺和氟的石英玻璃層，材料組分爲SiO2-GeO2-F-Cl，其中氟的貢獻量爲1×10-3 ～1.6×10-3 。
  4. 如請求項3所述的彎曲不敏感單模光纖，其中所述的芯層爲摻鍺和氟的石英玻璃層，材料組分爲SiO2-GeO2-F-Cl，其中氟的貢獻量爲1×10-3 ～1.6×10-3 。
  5. 如請求項1或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其中所述的下陷外包層爲只摻氟的石英玻璃層。
  6. 如請求項1或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其中所述的光纖在1310奈米波長處的模場直徑爲8.2～9.2微米。
  7. 如請求項1或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其中所述的光纖在1310納米波長處的衰减係數小於或等於0.354dB/km，1383nm波長處的衰减係數小於或等於0.354dB/km，1550nm波長處的衰减係數小於或等於0.214dB/km，1625nm波長處的衰减係數小於或等於0.234dB/km。
  8. 如請求項1或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其中所述的光纖具有小於或等於1260nm的光纜截止波長。
  9. 如請求項1或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其中所述的光纖在1550nm波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.03dB；對於圍繞7.5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.08dB；對於圍繞5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.15dB；在1625nm波長處，對於圍繞10毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.1dB；對於圍繞7.5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.25dB；對於圍繞5毫米彎曲半徑繞1圈彎曲附加損耗小於或等於0.45dB。
  10. 如請求項1或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其中所述的光纖的動態疲勞參數爲29～33。
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