專利名稱：：一種抗彎曲多模光纖及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及一種用于接入網或小型化光器件中的多模光纖及其制造方法，該光纖具有優異的抗彎曲性能，屬于光通信
技術領域：
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背景技術：
：多模光纖，特別是高帶寬的多模光纖(比如0M3)由于系統建設成本相對較低，在中短距離光纖網絡系統(比如數據中心和校園網等)中得到了廣泛的應用。在室內及狹窄環境下的布線，光纖經受較高的彎曲應力，特別是在應用中過長的光纖通常纏繞在越來越小型化的存儲盒中，光纖將承受很大的彎曲應力。因此需要設計開發具有抗彎曲性能的多模光纖，以滿足室內光纖網絡鋪設和器件小型化的要求。與傳統多模光纖相比，抗彎曲多模光纖需具有以下特點1、彎曲附加衰減(特別是宏彎附加衰減)要小。多模光纖里面傳輸有許多模式，靠近多模光纖芯子邊界傳輸的高階模很容易在光纖彎曲時從芯子泄露出去，從芯子泄露出去的光一部分會返回芯子，一部分會在包層中傳輸，一部分會穿過涂覆層泄露出去。當彎曲半徑減小時，從芯子泄露出去的光會增加，光纖傳輸系統的衰減就會增加，從而可能會導致信號失真，增加了系統出現誤碼的可能。2、小彎曲半徑下光纖壽命不受影響。抗彎曲多模光纖工作時可能長期處于小彎曲半徑下，當光纖彎曲時，光纖外側必然受到張應力的作用，其應五.r力大小可用下列公式表示(^+<^+")式中，E為石英玻璃的揚氏模量、R為彎曲半徑、r為光纖的半徑、Qh為涂覆層厚度。對于玻璃包層直徑為125微米和外徑為250微米的光纖，當彎曲半徑減小至6.5mm時，光纖彎曲外側將承受0.69GPa(100kpsi)的張應力，己達到光纖的常用篩選張力。光纖彎曲引起的斷裂一方面會發生在敷設過程中，將引起敷設成本的增加；更嚴重的是發生在使用過程中，這是因為光纖在張應力作用下，微裂紋會擴張并可能最終導致光纖的斷裂，特別是在FTTx的應用中將大大增加維護成本和影響系統的可靠性。因此，與普通多模光纖相比，抗彎曲多模光纖必須有很好的機械性能，即在小彎曲半徑狀態下，要具有很好的機械可靠性以確保其使用壽命。這就要求光纖具有較小的殘存應力和較少的缺陷。3、具有較高帶寬，可以滿足10Gb/s，甚至是40Gb/s以太網的需要。降低光纖彎曲附加衰減的一個有效方法是采用下陷包層的設計，其折射率剖面主要有"壕溝型"(圖1所示)和"雙包層型"(圖2所示)兩種。美國專利US20080166094A1，US20090169163A1和US20090154888A1就是采用的此類設計。其設計原理為當光纖受到小的彎曲時，從芯子泄露出去的光會較大比例的限制在內包層并返回到芯子中，從而有效降低了光纖宏彎附加損耗。但是，如何保證此類光纖長期工作在小半徑狀態下的使用壽命，仍然有待進一步的解決。圖1所示折射率剖面對應的光纖由于芯層高摻鍺而下陷包層高摻氟，且芯層和下陷包層相距很近，而摻鍺和摻氟石英玻璃的膨脹系數相差很大，光纖內部勢必具有很大的內應力，雖然因應力引起的彎曲附加損耗可通過下陷包層進行克服，但內應力會對光纖的壽命產生嚴重影響，且當光纖彎曲時其剖面結構因應力的作用而發生畸變進而影響光纖的傳輸帶寬。圖2所示折射率剖面對應的光纖按照該美國專利所述的材料組成設計，也會同圖1所示折射率剖面對應的光纖一樣，具有很大的內應力。并且這種內引力是由于各層的熱膨脹系數不同所引起的永久性應力，很難僅僅通過調整工藝優化退火來消除，必須從材料組成和結構設計方面來解決。對于光纖壽命的預測，在ITU—TG657光纖標準的附錄中已有簡要介紹，光纖的使用壽命與光纖的動態疲勞參數nd有關，動態疲勞參數rid越高，在同等彎曲半徑和存放長度下，光纖的機械可靠性就越高。因此，改進光纖材料組成和剖面結構的效果可以通過測試光纖的動態疲勞參數iid來檢驗。另外，要使多模光纖具有很好的帶寬，光纖芯折射率剖面必須為近似完美的拋物線。包括專利CN1183049C在內的方法關注的是如何制備有精確折射率分布的預制棒，然而在光纖拉制過程中，由于殘存的應力和組分的擴散，與預制棒折射率分布相比，光纖折射率分布會發生畸變。也就是說，即使預制棒折射率分布是完美的拋物線，拉成光纖后光纖折射率分布也很難保持完美的拋物線。
發明內容為方便介紹本
發明內容，定義部分術語芯棒含有芯層和部分包層的預制件；半徑該層外邊界與中心點之間的距離；折射率剖面光纖或光纖預制棒(包括芯棒)玻璃折射率與其半徑之間的關系；相對折射率差<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>"°,ni和no分別為各對應部分和純二氧化硅玻璃折射率，除非另做說明，ni為各對應部分的最大折射率；氟(F)的貢獻量摻氟(F)石英玻璃相對于純石英玻璃的相對折射率差值(AF)，以此來表示摻氟(F)量；鍺(Ge)的貢獻量摻鍺(Ge)石英玻璃相對于純石英玻璃的相對折射率差值(AGe)，以此來表示摻鍺(Ge)量；套管符合一定幾何和摻雜要求的石英玻璃管；RIT工藝將芯棒插入套管中組成光纖預制棒；冪指數律折射率剖面滿足下面冪指數函數的折射率剖面，其中，m為光纖軸心的折射率；r為離開光纖軸心的距離；a為光纖芯半徑；a為分布指數；A為芯/包相對折射率差；々)="12[1-2^(二)"]r<a本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種結構設計合理、光纖的機械可靠性高、使用壽命長的抗彎曲、高帶寬的多模光纖及其制造方法。本發明多模光纖的技術方案為包括有芯層和包層，其特征在于芯層半徑R1為2426微米，芯層折射率剖面呈拋物線(a為1.92.2)，最大相對折射率差M為0.91.1%，芯層外的包層由三部分組成，從內到外依次為內包層半徑R2為芯層半徑R1的1.041.6倍，相對折射率差厶2為-0.010.01%，中間包層為折射率漸變包層，中間包層半徑R3為芯層半徑R1的1.061.8倍，相對折射率差由A2遞減漸變至A4，外包層半徑R4為芯層半徑R1的2.382.63倍，相對折射率差A4為-0.20%-0.40%。按上述方案，所述的內包層半徑R2的最優方案為芯層半徑R1的1.041.25倍。按上述方案，所述的外包層相對折射率差A4沿徑向為恒定的，或者為漸變的，漸變包括從內向外遞增漸變或從內向外遞減漸變。最優方案為相對折射率從內向外遞增漸變。按上述方案，所述的外包層相對折射率差A4從內向外遞增漸變，從-0.40%遞增為-0.25%，或者從-0.35%遞增為-0.15%。按上述方案，所述的外包層相對折射率差A4從內向外遞減漸變，從-0.15%遞減為-0.35%，或者從-0.10%遞減為-0.30%。按上述方案，各層的材料組成為(摻雜剖面示意圖見圖6):芯層由摻鍺(Ge)和氟(F)的石英玻璃組成，氟(F)的貢獻量AF為-0.03±0.02%;所述的內包層由摻鍺(Ge)和氟(F)的石英玻璃組成，從內包層外界面32至內界面21，摻氟和摻鍺逐漸連續增加，呈梯度變化;所述的中間包層由摻氟的石英玻璃組成，由中間包層內界面32至外界面43摻氟逐漸連續增力口；所述的外包層由摻氟的石英玻璃組成。按上述方案，所述的摻鍺(Ge)和氟(F)石英玻璃的材料組分為Si02-Ge02-F-Cl;所述的摻氟(F)石英玻璃的材料組分為Si02-F-Cl。氯(Cl)是由四氯化硅(SiCl4)、四氯化鍺(GeCl4)與氧氣(02)發生反應生成C1所引入的，其含量的波動對光纖的性能影響不大，且在穩定的工藝條件下其含量的波動也不大，可不作要求和控制。本發明多模光纖制造方法的技術方案為將純石英玻璃襯管固定在等離子體增強化學氣相沉積(PCVD)車床上進行摻雜沉積，在反應氣體四氯化硅(SiCU)和氧氣(02)中，通入含氟的氣體，弓l進氟(F)摻雜，通入四氯化鍺(GeCU)以引入鍺(Ge)摻雜，通過微波使襯管內的反應氣體離子化變成等離子體，并最終以玻璃的形式沉積在襯管內壁；根據所述光纖波導結構的摻雜要求，通過改變混合氣體中摻雜氣體的流量，依次沉積中間包層、內包層和芯層；沉積完成后，用電加熱爐將沉積管熔縮成實心芯棒；然后采用氫氟酸(HF)對芯棒進行腐蝕，把芯棒外部的襯管層腐蝕掉后，以合成的摻氟石英玻璃為套管采用RIT工藝制得光纖預制棒，或采用OVD或VAD外包沉積工藝在芯棒外沉積外包層制得光纖預制棒；將光纖預制棒置于拉絲塔以0.20.4牛頓的低張力拉成光纖，在光纖表面涂覆內外兩層紫外固化的聚丙稀酸樹脂即成。按上述方案，所述的含氟氣體為C2F6、CF4、SiF4和SF6的任意一種或多種。按上述方案，為制造有精確折射率分布的多模光纖，在制造光纖預制棒過程中根據光纖折射率分布與預制棒折射率分布對比，對預制棒折射率分布進行修正和補償，經過修正和補償后的預制棒可以拉出精確折射率分布的光纖。該對預制棒折射率分布進行修正和補償的方法包括下列步驟1.根據光纖折射率分布，初步設計光纖預制棒折射率分布；2.精確調節制備目標預制棒所用氣體混合物的組成和供給速率，使其與步驟1決定的折射率分布相符合；3.根據上一步驟確定的條件，將反應氣體混合物引入襯管并在其內進行反應，完成襯管內部形成玻璃的氧化物的沉積，制成光纖預制棒；4.對步驟3沉積工藝得到的預制棒進行精確折射率分布的測量，并把該預制棒拉成光纖；5.對步驟4得到的光纖進行精確折射率分布的測量；6.根據光纖的測試結果優化設計待制造光纖所要求的折射率分布，并與步驟5測量的光纖折射率分布進行對比，如果對比差別超過規定公差范圍，則根據對比結果對預制棒折射率分布設計進行修正；7.在后續沉積工藝中，改變反應氣體混合物的組成與時間的關系來實現步驟6對預制棒折射率分布設計的修正；8.重復步驟37，直至步驟6的對比差別在可接受的規定公差之內。為了增強步驟4和5實施的折射率分布測量的精度，優選在許多不同縱向位置，許多不同角度進行測量(至少x和y兩個方向)，并將得到的數值取平均值。本發明光纖的動態疲勞參數na在27以上；在850nm波長具有2000MHz-km以上，甚至5000MHz-km以上的帶寬；光纖的數值孔徑為0.195~0.230;在850nm波長處，以10毫米彎曲半徑繞1圏導致的彎曲附加損耗小于0.2dB，甚至達到0.03dB;以7.5毫米彎曲半徑繞1圈導致的彎曲附加損耗小于0.3dB，甚至達到0.05dB;以5毫米彎曲半徑繞1圈導致的彎曲附加損耗小于l.OdB，甚至達到0.3dB。本發明的有益效果在于1、設計出一種三包層多模光纖，在內外包層之間引入了折射率漸變中間包層，通過材料和波導結構的合理組成，不僅降低了光纖彎曲附加衰減，提高了光纖的抗彎曲性能，而且基本消除了光纖內部應力，大大提高了光纖的機械性能，光纖長期工作在小半徑狀態下的使用壽命也能得到保證；2、本發明各層材料組成的設計使光纖具有功能梯度材料組成和結構從芯層到內包層外界面，粘度逐漸變化；在內包層中，從外至內，摻氟和摻鍺逐漸連續增加，呈梯度變化，使其膨脹系數逐漸增大；中間包層使內包層和外包層之間的折射率和粘度平緩過度；外包層折射率最優方案為折射率從內向外逐漸增加，即從內向外摻氟逐漸較少、粘度逐漸增加，有助于外包層在拉絲過程中承擔更多張力，減少拉絲對光纖芯子的影響。上述材料組成設計可以避免拉絲過程中產生殘余應力，增強了光纖的機械性能；3、采用對預制棒折射率分布進行修正和補償的方法，光纖折射率分布的公差可以控制在很小的范圍之內，光纖的帶寬性能可以得到大幅提高；4、本發明制造方法簡便有效，適用于大規模生產。圖1是現有"壕溝型"下陷包層光纖的折射率剖面示意圖。圖2是現有"雙包層型"下陷包層光纖的折射率剖面示意圖。圖3是本發明一個實施例的光纖折射率剖面示意圖。圖4是本發明另一個實施例的光纖折射率剖面(外包層摻氟從外向內逐漸減少)示意圖。圖5是本發明第三個實施例的光纖折射率剖面(外包層摻氟從外向內逐漸增加)示意圖。圖6是本發明光纖的摻雜剖面示意圖。具體實施例方式下面將給出詳細的實施例并結合附圖，對本發明作進一步的說明。實施例一按本發明所述方法，制備了一組預制棒并拉絲，采用多模光纖的雙層涂覆和600米/分鐘的拉絲速度，光纖的結構和材料組成見表1，光纖的主要性能參數見表2。宏彎附加損耗是根據FOTP—62(正C一60793—1一47)方法測得的，被測光纖按一定直徑(比如lOmm，15mm,20mm，30mm等等)繞一圈，然后將圓圈放開，測試打圈前后光功率的變化，以此作為光纖的宏彎附加損耗。測試時，采用環形通量(EncircledFlux)光注入條件。環形通量(EncircledFlux)光注入條件可以通過以下方法獲得在被測光纖前端熔接一段2米長的普通50微米芯徑多模光纖，并在該光纖中間繞一個25毫米直徑的圈，當滿注入光注入該光纖時，被測光纖即為環形通量(EncircledFlux)光注入。滿注入帶寬是根據FOTP—204方法測得的，測試采用滿注入條件。為了準確評價光纖的機械性能，按IEC60793-1-33，采用兩點彎曲的方法測試光纖的動態疲勞參數nd值。實施例二本實施例為根據光纖折射率分布對預制棒折射率分布進行修正和補償，從而制造精確折射率分布的多模光纖的實例。根據初步設計的多模光纖預制棒折射率分布，采用PCVD工藝，將氣態SiCl4、GeCl4、C2F6和02引入石英玻璃襯管，在管內部進行沉積。SiCU、GeCl4和02的供給隨時間變化，而C2F6的供給保持恒定。沉積結束后，熔縮成實心棒，并測試預制棒的折射率分布，把預制棒拉成光纖。然后對光纖進行折射率分布測試，測試結果與預定的光纖所要求的折射率分布進行比對，以分布參數a表示光纖折射率分布形式，如果分布參數a偏離過大，則對預制棒折射率分布設計進行修正，并在后續沉積工藝中，改變反應氣體混合物的組成與時間的關系來實現該修正。按照本方法，光纖折射率分布參數a的標準差從0.05降到了0.008。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2:光纖的主要性能參數<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>為了說明本發明的效果，采用PCVD工藝，按照美國專利所述光纖剖面結構和材料組成制作了一些光纖樣品，并進行了動態疲勞參數nd的測試。為了消除涂覆層對試驗結果的影響，所有光纖采用了相同類型、尺寸相近的涂覆層。光纖拉絲速度和拉絲張力也基本相同。試驗A:采用PCVD工藝制作了一些折射率剖面如圖1所示的光纖樣品，并進行了nd測試。試驗過程及光纖測試結果如下-將純石英玻璃襯管固定在等離子體增強化學氣相沉積(PCVD)車床上進行摻雜沉積，在反應氣體四氯化硅(SiCl4)和氧氣(02)中，通過微波使襯管內的反應氣體離子化變成等離子體，并最終以玻璃的形式沉積在襯管內壁；根據圖1所示光纖波導結構的摻雜要求，通過改變混合氣體中摻雜氣體的流量，依次沉積下陷包層，內包層和芯層，在沉積外下陷包層時通入含氟的氣體，引進氟(F)摻雜，內包層為純石英玻璃，在沉積芯層時通入四氯化鍺(GeCW)引入鍺(Ge)摻雜以獲得折射率增加的剖面；沉積完成后，用電加熱爐將沉積管熔縮成實心芯棒；然后以幾何尺寸匹配的純石英玻璃為套管采用RIT工藝制得光纖預制棒。將光纖預制棒置于拉絲塔以0.4牛頓的張力拉成光纖，在光纖表面涂覆內外兩層紫外固化的聚丙稀酸樹脂。光纖芯層不摻氟，內包層和外包層均為純石英玻璃。光纖剖面參數及光纖動態疲勞參數nd測試結果見表3。表3:"壕溝型"光纖剖面參數及光纖動態疲勞參數nd測試結果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>把表2、3、4中的結果進行對比，可以看出在其它條件相同的情況下，本發明的材料組成和剖面結構設計大大提高了光纖的動態疲勞參數nd。權利要求1、一種抗彎曲多模光纖，包括有芯層和包層，其特征在于芯層半徑R1為24～26微米，芯層折射率剖面呈拋物線，最大相對折射率差Δ1為0.9～1.1％，芯層外的包層由三部分組成，從內到外依次為內包層半徑R2為芯層半徑R1的1.04～1.6倍，相對折射率差Δ2為-0.01～0.01％，中間包層為折射率漸變包層，中間包層半徑R3為芯層半徑R1的1.06～1.8倍，相對折射率差由Δ2遞減漸變至Δ4，外包層半徑R4為芯層半徑R1的2.38～2.63倍，相對折射率差Δ4為-0.20％～-0.40％。2、按權利要求1所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的內包層半徑R2為芯層半徑Rl的1.041.25倍。3、按權利要求1或2所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的外包層相對折射率差A4沿徑向為恒定的，或者為漸變的，漸變包括從內向外遞增漸變或從內向外遞減漸變。4、按權利要求3所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的外包層相對折射率差A4從內向外遞增漸變，從-0.40%遞增為-0.25%，或者從-0.35%遞增為-0.15%。5、按權利要求3所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的外包層相對折射率差A4從內向外遞減漸變，從-0.15%遞減為-0.35%，或者從-0.10%遞減為-0.30%。6、按權利要求1或2所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于各層的材料組成為芯層由摻鍺和氟的石英玻璃組成，氟的貢獻量AF為-0.03±0.02%;所述的內包層由摻鍺和氟的石英玻璃組成，從內包層外界面(32)至內界面(21)，摻氟和摻鍺逐漸連續增加，呈梯度變化；所述的中間包層由摻氟的石英玻璃組成，由中間包層內界面(32)至外界面(43)摻氟逐漸連續增加；所述的外包層由摻氟的石英玻璃組成。7、按權利要求6所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的摻鍺和氟石英玻璃的材料組分為Si02-Ge02-F-Cl;所述的摻氟石英玻璃的材料組分為Si02-F-Cl。8、一種按權利要求1所述的抗彎曲多模光纖的制造方法，其特征在于將純石英玻璃襯管固定在等離子體增強化學氣相沉積車床上進行摻雜沉積，在反應氣體四氯化硅和氧氣中，通入含氟的氣體，引進氟摻雜，通入四氯化鍺以引入鍺摻雜，通過微波使襯管內的反應氣體離子化變成等離子體，并最終以玻璃的形式沉積在襯管內壁；根據所述光纖波導結構的摻雜要求，通過改變混合氣體中摻雜氣體的流量，依次沉積中間包層、內包層和芯層；沉積完成后，用電加熱爐將沉積管熔縮成實心芯棒；然后采用氫氟酸對芯棒進行腐蝕，把芯棒外部的襯管層腐蝕掉后，以合成的摻氟石英玻璃為套管采用RIT工藝制得光纖預制棒，或釆用OVD或VAD外包沉積工藝在芯棒外沉積外包層制得光纖預制棒；將光纖預制棒置于拉絲塔以0.20.4牛頓的低張力拉成光纖，在光纖表面涂覆內外兩層紫外固化的聚丙稀酸樹脂即成。9、按權利要求8所述的抗彎曲多模光纖的制造方法，其特征在于其特征在于各層的材料組成為芯層由摻鍺和氟的石英玻璃組成，氟的貢獻量AF為-0.03±0.02%;所述的內包層由摻鍺和氟的石英玻璃組成，從內包層外界面(32)至內界面(21)，摻氟和摻鍺逐漸連續增加，呈梯度變化；所述的中間包層由摻氟的石英玻璃組成，由中間包層內界面(32)至外界面(43)摻氟逐漸連續增加；所述的外包層由摻氟的石英玻璃組成。10、一種按權利要求8所述的制造方法對預制棒折射率分布進行修正和補償的方法，其特征在于包括下列步驟(1)根據光纖折射率分布，初步設計光纖預制棒折射率分布；(2)精確調節制備目標預制棒所用氣體混合物的組成和供給速率，使其與步驟(1)決定的折射率分布相符合；(3)根據上一步驟確定的條件，將反應氣體混合物引入襯管并在其內進行反應，完成襯管內部形成玻璃的氧化物的沉積，制成光纖預制棒；(4)對步驟(3)沉積工藝得到的預制棒進行精確折射率分布的測量，并把該預制棒拉成光纖；(5)對步驟(4)得到的光纖進行精確折射率分布的測量；(6)根據光纖的測試結果優化設計待制造光纖所要求的折射率分布，并與步驟(5)測量的光纖折射率分布進行對比，如果對比差別超過規定公差范圍，則根據對比結果對預制棒折射率分布設計進行修正；(7)在后續沉積工藝中，改變反應氣體混合物的組成與時間的關系來實現步驟(6)對預制棒折射率分布設計的修正；(8)重復步驟(3)~(7)，直至步驟(6)的對比差別在可接受的規定公差內。全文摘要本發明涉及一種抗彎曲多模光纖及其制造方法，該光纖包括有芯層和包層，其特征在于芯層半徑R1為24～26微米，芯層折射率剖面呈拋物線，最大相對折射率差Δ1為0.9～1.1％，芯層外的包層由三部分組成，內包層R2為芯層半徑R1的1.04～1.6倍，Δ2為-0.01～0.01％，中間包層為折射率漸變包層，中間包層R3為R1的1.06～1.8倍，相對折射率差由Δ2遞減漸變至Δ4，外包層R4為R1的2.38～2.63倍，Δ4為-0.20％～-0.40％。本發明不僅降低了光纖彎曲附加衰減，提高了光纖的抗彎曲性能，而且基本消除了光纖內部應力，大大提高了光纖的機械性能，光纖長期工作在小半徑狀態下的使用壽命也能得到保證。本發明制造方法簡便有效，適用于大規模生產。文檔編號G02B6/036GK101634728SQ20091006364公開日2010年1月27日申請日期2009年8月18日優先權日2009年8月18日發明者張方海,拉吉·馬泰,曹蓓蓓,韓慶榮申請人:長飛光纖光纜有限公司