專利名稱：一種彎曲不敏感單模光纖的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種接入網用的單模光纖，該光纖具有優異的抗彎曲性能和適中的有效面積，屬于光纖通信傳輸領域。
背景技術：
近年來光纖到戶和光纖到路邊(FTTx)已逐漸成為光纖網絡建設的熱點，人們對各種可能用于FTTx領域的光纖進行了深入的研究。目前在接入網使用較廣的是單模光纖， 且隨著低水峰單模光纖的廣泛使用，具備彎曲不敏感性能的低水峰光纖逐漸受到重視。現有常規的低水峰光纖(符合ITU-T G.652C/D)彎曲半徑一般為30mm，在室內及狹窄環境下的布線受到很大限制。與長距離傳輸應用相比，室內及狹窄環境下的光纖將經受較高的彎曲應力，特別是在使用時光纖常常纏繞在越來越小型化的存儲盒中，將承受更大的彎曲應力，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。2009年11月和2010年6月，ITU-T先后2次修改彎曲不敏感的G. 657光纖標準并增加了在小彎曲半徑下光纖壽命性能的研究報告，(“Characteristics of a bending loss insensitive single mode optical fibre and cable for the access network，，and Amendment I Revised Appendix I-Lifetime expectation in case of smal I 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為IOmm的G. 657. Al光纖應用于長程網(Long-haul networks) ；G. 657. A2光纖滿足最小7. 5mm彎曲半徑條件下的應用，主要使用于城域網(Metro networks)和FTTH(光纖到戶)；G. 657. B3光纖滿足最小5_彎曲半徑下的使用條件，主要在FTTd(光纖到桌面)和全光網絡的應用，以室內光纖/光纜的方式使用，并強調了光纖在彎曲條件下使用壽命的問題。從技術角度來講，G. 657光纖完全兼容G. 652光纖,其具有優異宏觀彎曲和微觀彎曲性能，可以完全取代現在大量使用的G. 652光纖。目前G. 657光纖的應用主要受限于較高的光纖成本和更好的彎曲性能以及其對G. 652光纖兼容性的矛盾。因此，在能夠完全向下兼容G. 652光纖標準的條件下，開發具有更好彎曲性能的G. 657光纖和降低G. 657光纖生產制造成本對推動G. 657光纖以及光纖接入技術的發展具有十分重要的意義。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定義為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。專利US2007007016A1、CN1971321A 和CN1942793A就是采用的此類方法。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，并且限制了入纖功率。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于1260nm，因此光纖的截止波長增大的空間非常有限。從光纖總體設計的角度考慮，合理優化光纖剖面結構，在保證光纖基本參數符合 ITU-T和IEC相關標準，光纖接入性能穩定的基礎上，得到一個合適的MAC值，達到光纖最佳的彎曲不敏感性能，是G. 657光纖研究發展的一個重要方向。相對于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采用下陷內包層的設計，如US5032001、US7043125B2和CN176680就是采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況下增加光纖的數值孔徑(NA)，可避免增加摻雜引起的衰減增加。但是下陷內包層的優化設計，只能一定程度上的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于或等于IOmm時，很難利用下陷內包層的方法制備出符合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為有效的方法是采用下陷外包層結構設計光纖剖面(見圖I)，其基本波導結構在專利 US4852968中已有所描述，專利US6535679B2及CN1982928A也采用了同類設計。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制造的光纖是否滿足并優于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。需要注意的是，最近的研究表明在光纖鏈路尤其是FTTx鏈路中，由于多點彎曲和連接頭的存在，光纖中會出現多徑干擾的現象(MPI :Multi_Path Interference),David. Zhen 等人在 2009 年的 0FC/NF0EC( “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產生多徑干擾，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 光纖研究中的一個重點和難點。G. 657光纖的制造成本主要受原材料價格和設備制造效率影響，而目前典型的 G. 657光纖預制棒制造方法有四種改進的化學氣相沉積法(MCVD)、等離子體化學氣相沉積法(PCVD)、管外氣相沉積法(OVD)和軸向氣相沉積法(VAD)。其中MCVD和PCVD的方法屬于管內沉積法，在沉積下陷外包層時，因為受到襯管尺寸的限制，預制棒的尺寸一般很難做到直徑大于100mm，中國公開專利CN 101585658A就是通過增加一個小套管才能實現大尺寸的預制棒，同時管內法的沉積速率較低，沉積厚度過大，則明顯會影響設備效率，提高光纖成本。另一方面，PCVD和MCVD等管內法工藝與OVD和VAD等管外沉積法相比較而言，其優勢在于可以實現較深的摻氟，同時摻氟深度的徑向及軸向均勻性好。對于OVD和VAD工藝，因為其屬于外部沉積法，相比而言，其優勢在于沉積速率較高，尺寸不受管材的限制。但是如果要在沉積芯層和內包層過程中制造摻氟包層，不僅工藝控制上有難度，而且在燒結過程中由于氟的擴散，很難對折射率剖面進行有效控制，能用于實際生產的方法是先沉積具有一定包層厚度的芯棒，經脫水燒結后再在玻璃芯棒上沉積摻氟包層。也可采用沉積過程直接摻氟或在燒結中摻氟，如美國專利5895515和美國專利4579571中就分別介紹了這兩種方法，但由于OVD和VAD均屬于火焰(H2/02)水解方法,在玻璃芯棒上沉積摻氟層時,將不得不直接暴露在氫/氧焰(H2A)2)中，&/02焰產生的大量羥基會向芯層中擴散致使所拉光纖水峰衰減的增加，因而需要玻璃芯棒中的包層足夠厚以阻擋羥基向內的擴散。但一旦沉積的包層過厚，形成的摻氟包層因為遠離芯層又起不到提高所拉光纖彎曲性能的作用。而且OVD和VAD工藝較難實現較深的摻氟，同時摻氟深度的徑向和軸向均勻性都相對較差。 在以上四種光纖預制棒的制造中，對芯層部分的沉積要求是最嚴格的，需要精密的控制芯層折射率剖面和材料的均勻性；對下陷外包層部分的沉積，較其他部分需要更多的氟摻雜， 從工藝控制和成本角度上也較正常的內包層或外包層更加嚴格和昂貴。

發明內容
為方便介紹發明內容，定義部分術語芯棒含有芯層和部分包層的預制件；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Λ ni = Iii-Iv Iii和nQ分別為各對應光纖各部分和純二氧化硅玻璃折射率。氟(F)的貢獻量摻氟(F)石英玻璃相對于純石英玻璃的折射率差值的絕對值,即 ΔΡ = nF-n0 ,以此來表示摻氟(F)量；鍺(Ge)的貢獻量摻鍺(Ge)石英玻璃相對于純石英玻璃的折射率差值的絕對值, 即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；RIT工藝將芯棒插入套管中組成光纖預制棒；OVD外包沉積工藝用外部氣相沉積和燒結工藝在芯棒表面制備需要厚度的SiO2 玻璃；VAD外包沉積工藝用軸向氣相沉積和燒結工藝在芯棒表面制備需要厚度的SiO2 玻璃；APVD外包工藝用高頻等離子體焰將天然或合成石英粉熔制于芯棒表面制備所需厚度的SiO2玻璃；Ο/Si比通入反應區的氧氣(O2)與四氯化硅(SiCl4)的摩爾比。本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術存在的不足而提供一種彎曲不敏感單模光纖，它通過優化光纖剖面，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，而且能在保持有效模場直徑和彎曲性能的基礎上，適當的減小光纖內包層和下陷外包層的直徑，從而降低光纖預制棒及光纖的制造成本。本發明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為包括有芯層和包層，其特征在于芯層直徑a為7. O 7. 9微米，芯層相對折射率差 Δ i為4. 6X 10 3 6. OX 10 3，芯層外的包層從內到外依次為內包層、下陷外包層和外包層， 內包層直徑b為15 17微米，內包層相對折射率差八2為-3父10_4 3父10_4，下陷外包層直徑c為24 33微米，下陷外包層相對折射率差Λ 3為-2. 9Χ 10_3 -7. 3Χ 10_3，且相對折射率差A3呈梯度變化，從外至內逐漸增大，最外界面處相對折射率差A32小于最內界面處相對折射率差八31。按上述方案，在下陷外包層外包覆外包層，外包層直徑d為125±0. 7微米，外包層的折射率為純二氧化硅玻璃折射率。按上述方案，所述的芯層為摻鍺(Ge)和氟(F)的石英玻璃層，材料組分為 SiO2-GeO2-F-Cl,其中氟(F)的貢獻量 AF 為 1Χ1(Γ3 1.6X10_3。
按上述方案，所述的內包層為摻鍺(Ge)和氟(F)的石英玻璃層，材料組分為 SiO2-GeO2-F-Cl,內包層從最外界面31至最內界面21，摻氟F和摻鍺逐漸連續增加，呈梯度變化，在最外界面31處(內包層沉積開始點)氟(F)的貢獻量AF為1.2X10_3 1·6Χ10_3，在最內界面21處(內包層沉積結束點)氟(F)的貢獻量AF為2·1Χ10_3 2. 4Χ1(Γ3。按上述方案，所述的光纖在1310納米(nm)波長處的模場直徑為8. 2 9. 2微米，零色散波長為1302 1324nm，光纖在零色散波長處的色散斜率小于或等于O. 092ps/
nm2 氺 km。按上述方案，所述的光纖在1310nm波長處的衰減系數小于或等于O. 354dB/km, 1383nm波長處的衰減系數(氫老化后)小于或等于O. 354dB/km，1550nm波長處的衰減系數小于或等于O. 224dB/km, 1625nm波長處的衰減系數低于O. 234dB/km,在1675nm波長處的衰減系數小于或等于O. 284dB/km。按上述方案，所述的光纖具有小于或等于1260nm的光纜截止波長。按上述方案，在1625nm波長處，對于圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小于或等于O. IdB ;對于圍繞10毫米彎曲半徑繞I圈彎曲附加損耗小于或等于O. 2dB ;對于圍繞7. 5毫米彎曲半徑繞I圈彎曲附加損耗小于或等于I. OdB ;在150nm波長處，對于圍繞 15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小于或等于O. 03dB ;對于圍繞10毫米彎曲半徑繞I 圈彎曲附加損耗小于或等于O. IdB ;對于圍繞7. 5毫米彎曲半徑繞I圈彎曲附加損耗小于或等于O. 5dB。本發明的制造方法包括以下步驟將純石英玻璃襯管安裝在等離子體增強化學氣相沉積(PCVD)車床上，通入反應氣體進行加工；在反應氣體四氯化硅(SiCl4)和氧氣(O2)中，通入含氟氣體，含氟氣體為C2F6、CF4、 SiF4, SF6的任意一種或多種，以進行氟(F)摻雜，通入四氯化鍺(GeCl4)以進行鍺(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；根據上述摻雜的要求，適時改變混合氣體中摻雜氣體的流量,依次沉積下陷外包層、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，以純石英玻璃為套管采用RIT 工藝制得預制棒，或采用OVD或VAD或APVD外包沉積工藝制備外包層制得預制棒；將預制棒置于光纖拉絲塔上拉制成光纖，在光纖表面涂覆內外兩層紫外固化的聚丙稀酸樹脂涂層即成。本發明提出了一種具有功能梯度材料組成和結構的光纖，包括芯層、功能梯度結構的內包層、下陷外包層以及外包層，其特點為下陷外包層為摻氟(F)的石英玻璃，具有最低的折射率和最低的模量，在提高光纖抗彎曲性能的同時，可緩沖因摻鍺(Ge)芯層具有高的熱膨脹系數而導致在光纖表面產生張應力而影響光纖的機械性能，以使光纖芯層區域形成壓應力，使光纖在彎曲過程中因彎曲所引起的附加應力不會輕易傳遞到芯層區域而引起衰減的增加；內包層和芯層為摻氟F和摻鍺(Ge)的石英玻璃，確保光纖具有G. 652. D光纖的光學性能，其中芯層和內包層的界面上粘度相近，以避免拉絲過程中在芯層/包層的界面上產生缺陷，且在內包層中，從外界面31至內界面21，摻氟(F)和摻鍺(Ge)逐漸連續增加，呈梯度變化，使其膨脹系數逐漸增大以避免拉絲過程中產生殘余應力。具體實現是通過摻氟(F)和摻鍺(Ge)對石英玻璃在粘度和熱膨脹系數上的差異來實現的。由于摻Cl 對石英玻璃的瑞利散射的影響甚弱，但Cl摻雜可增加石英玻璃的折射率和降低其粘度，因而在光纖的芯層和內包層中具有較高的Cl含量，可減少摻Ge量來降低光纖的衰減系數， 但其含量又不能太高，否則易形成氣泡；而在外下陷包層中則低Cl含量可減少摻F量以避免該部分的粘度過低。對于PCVD工藝，Cl含量主要由爐溫和反應氣體的Ο/Si比確定的 Cl含量隨爐溫的升高而降低，隨Ο/Si的增大而降低。在沉積外下陷包層時，將爐溫控制在 1080-1150。。，Ο/Si比為3. 0-3. 5，使Cl的含量小于2000ppm ;在沉積內包層和芯層時，將爐溫控制在 1000-1050°C, Ο/Si 比為 2. 2-2. 6，使 Cl 的含量為 3500_4200ppm。本發明的有益效果在于1、通過優化光纖剖面，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，減少了芯層以及下陷外包層在光纖截面中的比重，也就直接減少了光纖預制棒制造中最核心、精密和復雜部分的沉積加工量，由此降低了工藝控制難度，提高了光纖預制棒的加工效率，從而降低了光纖的制造成本；3、本發明的光纖在滿足 G. 657. A2/B3標準的同時，各項指標仍滿足G. 652. D標準，與普通G. 652. D光纖具有很好的兼容性，可滿足接入網網絡鋪設和器件小型化的要求，同時，還可確保光纖在長波長的使用 (1625-1675nm)。從而為G. 657光纖的大規模應用打下一個良好的基礎，以滿足接入網的應用需要。


圖I是本發明光纖的截面及折射率剖面示意圖。圖2為200微米外徑G. 657. A2光纖與250微米外徑G. 652. D光纖的微彎性能比較。
具體實施例方式下面將結合附圖給出詳細的實施例。實施例一包括有芯層和包層，芯層外的包層從內到外依次為內包層、下陷外包層和外包層， 下陷外包層相對折射率差A3呈梯度變化，從外至內逐漸增大，最外界面32處相對折射率差A32小于最內界面31處相對折射率差Λ31。在下陷外包層外包覆外包層，外包層直徑d 為125微米，外包層的折射率為純二氧化硅玻璃折射率。芯層和內包層為摻鍺(Ge)和氟(F)的石英玻璃層，材料組分為SiO2-GeO2-F-Cl, 內包層從最外界面31至最內界面21，摻氟F和摻鍺逐漸連續增加，呈梯度變化，在最外界面 31處(內包層沉積開始點)氟(F)的貢獻量AF為1.2父10_3 1.6父10_3，在最內界面21 處(內包層沉積結束點)氟(F)的貢獻量AF為2· IX 10_3 2· 4X 10_3。對于摻氟(F)和摻鍺(Ge)石英玻璃，氟和鍺均降低石英玻璃的粘度，但影響的幅度有差異，即在引起相同折射率差時，氟對粘度的影響是鍺的3倍。經系統研究，要使芯/包粘度匹配，需要滿足
權利要求
1.一種彎曲不敏感單模光纖，包括有芯層和包層，其特征在于芯層直徑a為7. O 7.9微米，芯層相對折射率差A1S 4. 6X 10_3 6.0X 10_3，芯層外的包層從內到外依次為內包層、下陷外包層和外包層，內包層直徑b為15 17微米，內包層相對折射率差A2 為-3X 10_4 3 X 10_4，下陷外包層直徑c為24 33微米，下陷外包層相對折射率差Λ 3 為-2. 9 X 10_3 -7. 3 X 10_3，且相對折射率差Λ 3呈梯度變化，從外至內逐漸增大，最外界面處相對折射率差A32小于最內界面處相對折射率差八31。
2.按權利要求I所述的彎曲不敏感單模光纖，其特征在于在下陷外包層外包覆外包層，外包層直徑d為125 ± O. 7微米，外包層的折射率為純二氧化硅玻璃折射率。
3.按權利要求I或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其特征在于所述的芯層為摻鍺和氟的石英玻璃層，材料組分為SiO2-GeO2-F-Cl,其中氟的貢獻量AF為1X10-3 I. 6X10-3。
4.按權利要求3所述的彎曲不敏感單模光纖，其特征在于所述的內包層為摻鍺和氟的石英玻璃層，材料組分為SiO2-GeO2-F-Cl,內包層從最外界面至最內界面，摻氟和摻鍺逐漸連續增加，呈梯度變化，在最外界面處氟的貢獻量Λ F為I. 2 X 10_3 I. 6 X 10_3，在最內界面處氟的貢獻量AF為2. I X Kr3 2.4Χ10-3。
5.按權利要求I或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其特征在于所述的光纖在1310納米波長處的模場直徑為8. 2 9. 2微米，零色散波長為1302 1324nm，光纖在零色散波長處的色散斜率小于或等于O. 092ps/nm2*km。
6.按權利要求I或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其特征在于所述的光纖在1310nm波長處的衰減系數小于或等于O. 354dB/km, 1383nm波長處的衰減系數小于或等于O. 354dB/ km, 1550nm波長處的衰減系數小于或等于O. 224dB/km, 1625nm波長處的衰減系數低于O.234dB/km,在1675nm波長處的衰減系數小于或等于O. 284dB/km。
7.按權利要求I或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其特征在于所述的光纖具有小于或等于1260nm的光纜截止波長。
8.按權利要求I或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其特征在于所述的光纖在1625nm波長處，對于圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小于或等于O. IdB ;對于圍繞10毫米彎曲半徑繞I圈彎曲附加損耗小于或等于O. 2dB ;對于圍繞7. 5毫米彎曲半徑繞I圈彎曲附加損耗小于或等于I. OdB ;在150nm波長處，對于圍繞15毫米彎曲半徑繞10圈彎曲附加損耗小于或等于O. 03dB ;對于圍繞10毫米彎曲半徑繞I圈彎曲附加損耗小于或等于O. IdB ； 對于圍繞7. 5毫米彎曲半徑繞I圈彎曲附加損耗小于或等于O. 5dB。
9.按權利要求I或2所述的彎曲不敏感單模光纖，其特征在于所述的光纖表面涂覆內外兩層紫外固化的聚丙稀酸樹脂，光纖涂覆第一層涂層后直徑為153 165微米，第二層涂覆后光纖直徑為190-210微米。
全文摘要
本發明涉及一種彎曲不敏感單模光纖，包括有芯層和包層，芯層直徑為7.0～7.9微米，芯層相對折射率差Δ1為4.6×10-3～6.0×10-3，芯層外的包層從內到外依次為內包層、下陷外包層和外包層，內包層直徑為15～17微米，內包層相對折射率差Δ2為-3×10-4～3×10-4，下陷外包層直徑為24～33微米，下陷外包層相對折射率差Δ3為-2.9×10-3～-7.3×10-3，且相對折射率差Δ3呈梯度變化，從外至內逐漸增大，最外界面處相對折射率差Δ32小于最內界面處相對折射率差Δ31。本發明通過優化光纖剖面，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，而且能在保持有效模場直徑和彎曲性能的基礎上，減小光纖內包層和下陷外包層的直徑，從而降低光纖的制造成本。
文檔編號G02B6/036GK102590933SQ20121000678
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者吳儀溫, 張磊, 張金燕, 拉吉·馬泰, 王瑞春, 郭浩林 申請人:長飛光纖光纜有限公司