專利名稱：彎曲不敏感光纖及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和光纖制造，特別涉及一種對(duì)彎曲不敏感的單模光纖及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來集成小型化光器件和光纖制造技術(shù)的興起，要求光纖在小彎曲半徑下附加損耗比較小。因此，大模場直徑，小彎曲損耗，低衰減和高強(qiáng)度的抗彎光纖能夠很好的適應(yīng)這種需求。
光纖預(yù)制棒波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是光纖制造最核心的技術(shù)，是決定光纖性能的關(guān)鍵所在，因此光纖制造商都非常重視光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。常規(guī)G.652光纖在大容量、遠(yuǎn)距離通信上滿足了通信運(yùn)營商的要求，它的零色散波長為1300-1324nm，在1550nm的最大色散值為18ps/nm*km。但是，在器件制造方面和特殊應(yīng)用場合，有要求光纖極限彎曲半徑小于30毫米，小彎曲半徑會(huì)導(dǎo)致光纖的長波長附加衰減顯著增加，例如，G.652光纖在彎曲半徑為10毫米時(shí)，從1400nm以上的長波長的附加損耗顯著增加。G.652一般彎曲損耗的廠家指標(biāo)是100圈，直徑60毫米引起光纖附加衰減在1310nm波長為不大于0.05dB，在1550nm波長為不大于0.1dB；或是一圈，直徑32毫米引起的附加衰減在1550nm波長為不大于0.5dB。
G.653光纖是一種色散位移單模光纖，它的零色散波長在1500-1600nm之間，在1525nm-1575nm的最大色散值為-3.5/3.5ps/nm*km，該光纖的彎曲性能可以描述如下100圈，直徑60毫米引起光纖附加衰減在1550nm波長為不大于0.5dB。
G.655光纖是非零色散位移單模光纖，它的零色散波長在C波段之外，在1530nm-1565nm的色散值為0.1-10ps/nm*km。該光纖的彎曲性能可以描述如下100圈，直徑60毫米引起光纖附加衰減在1550nm和1625nm波長均為不大于0.5dB。廠家指標(biāo)為一圈，直徑32毫米引起的附加衰減在1550nm和1625nm波長均為不大于0.5dB。
美國專利US 4,838,643描述了一種W型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的改善了光纖彎曲性能的光纖，該光纖的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為光纖分三層結(jié)構(gòu)，第一層是光纖芯層，相對(duì)折射率差Δ在0.75-0.95％范圍內(nèi)(相對(duì)于第三層)，第二層是下凹的包層，相對(duì)折射率差Δ在-0.04--0.06％(相對(duì)于第三層)，第三層是光纖的外包層，相對(duì)折射率差為零。該專利申稱下凹層半徑/芯層半徑在6.5-8.0以上。同時(shí)，光纖的截止波長在1130nm-1330nm時(shí)，模場直徑是5-7μm，截止波長在1200nm-1280nm時(shí)光纖模場直徑為6-6.5μm。
中國專利1124994C描述了申請(qǐng)人美國康寧公司提出的新的光纖內(nèi)芯層分布，改善了光纖的彎曲性能。該專利描述了一種兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，共分四層，其中第一層是芯層，相對(duì)折射率差Δ為0.79-1.2％，半徑2.55-3.55微米；第二層是折射率高于包層但是小于第三層的壕區(qū)，Δ不大于0.2％；第三層的相對(duì)折射率差Δ為0.3-1.2％，半徑5.50-8.70微米，第三層寬度為0.4-2微米。零色散波長在1575-1595nm范圍內(nèi)，在1525-1565nm范圍的色散介于-0.75--5.5ps/nm*km，在1570-1595nm范圍的色散斜率小于0.1ps/nm2*km，模場直徑不小于7.9微米。康寧宣稱這種光纖比US 5,483,612描述的光纖改善了擴(kuò)展波長窗口內(nèi)低的衰減，擴(kuò)展波長窗口內(nèi)低的總色散、偏振模色散PMD和在惡劣環(huán)境下出色的長期抗彎曲誘發(fā)衰減性能。
上面描述的光纖沒有涉及在小彎曲半徑條件下的應(yīng)用和相關(guān)測試分析，在今天緊湊型器件和特殊場合都要求光纖能夠適應(yīng)小彎曲條件的應(yīng)用場合，上面提到的光纖沒有明確的性能指標(biāo)可以保證其安全應(yīng)用。
等離子化學(xué)汽相沉積法PCVD工藝是一種管內(nèi)法工藝，優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的預(yù)制棒折射率剖面，但是，PCVD工藝較難實(shí)現(xiàn)光纖的低衰減，尤其是降低光纖的水峰。一種有效的途徑是提高原材料的純度，但是這種方法會(huì)大幅度提高成本和需要增加設(shè)備。本發(fā)明提出一種可以降低PCVD方法制造1383nm處較低水峰的技術(shù)，就是成棒過程中的燒實(shí)工藝，是在沒有氧氣和氟利昂的環(huán)境下進(jìn)行燒實(shí)。
根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，光纖中OH-含量和光纖在1383nm的水峰是有一定的關(guān)系的。OH-含量在1ppm時(shí)，對(duì)應(yīng)光纖在1383nm的衰減是60dB/km，而現(xiàn)在低水峰光纖在1383nm處的衰減小于0.3dB/km，所以，要降低1383nm的水峰，必須降低光纖預(yù)制棒內(nèi)部的OH-含量。
在PCVD工藝中，一旦沉積工藝過程完成，光纖預(yù)制棒內(nèi)的OH-含量就確定了，不可能像OVD或VAD工藝那樣通過后處理降低OH-含量。但是PCVD工藝成棒過程中也可能引入水，所以，盡量減少成棒過程中引入的污染，可以降低光纖在1383nm的水峰。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種光纖及其制備方法，該光纖零色散波長在1310nm附近，在波長1550nm色散值不大于12ps/nm*km，在波長1550nm色散斜率不大于0.065ps/nm2*km；光纜截止波長不大于1260nm，該光纖的指標(biāo)等同于常規(guī)G.652指標(biāo)；該光纖的模場直徑是7±0.8微米，該光纖的彎曲性能可以描述如下5圈，直徑20毫米引起光纖附加衰減在1310nm波長為不大于0.005dB，在1550nm波長為不大于0.005dB。本發(fā)明方法制備的光纖可降低了OH-在1383nm處的水峰。
一種抗彎光纖，其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有芯層和包層，其中包層又分為五個(gè)包層，芯層和各包層的相對(duì)折射率差都相對(duì)于第五包層，芯層相對(duì)折射率差0.6％≤Δ1≤0.8％，芯層半徑2.5微米≤r1≤2.9微米；第一包層相對(duì)折射率差-0.5％≤Δclad1≤-0.4％，第一包層半徑3.0微米≤rclad1≤3.5微米；第二包層相對(duì)折射率差-0.4％≤Δclad2≤-0.35％，第二包層半徑3.5微米≤rclad2≤4.3微米；第三包層相對(duì)折射率差0％≤Δclad3≤0.1％，第三包層半徑7微米≤rclad3≤8微米；第四包層相對(duì)折射率差-0.1％≤Δclad4≤0％，第四包層半徑40微米≤rclad4≤42微米，第五包層為純二氧化硅，其折射率為二氧化硅玻璃折射率。
抗彎光纖的制備方法，該光纖的制備方法采用等離子化學(xué)汽相沉積法PCVD工藝來制造光纖預(yù)制棒，制備過程分為兩步，首先是沉積，然后是成棒，(1)在沉積的過程中，按拋光、過渡、第四包層、第三包層、第二包層、第一包層和芯層的沉積過程，控制原材料SiCl4、GeCl4、氟利昂、氧氣的流量，得到沉積完成的光纖預(yù)制棒；(2)將沉積完成的光纖預(yù)制棒抬到成棒設(shè)備上進(jìn)行熔縮，在成棒過程中，通入氧氣和氟利昂進(jìn)行腐蝕完，從出氣端進(jìn)行燒實(shí)，在燒實(shí)過程中，預(yù)制棒內(nèi)表面是在沒有氧氣和氟利昂的環(huán)境下進(jìn)行燒實(shí)，制得抗彎光纖預(yù)制棒。
通過我們的研究發(fā)現(xiàn)，在成棒過程中，通入氧氣和氟利昂進(jìn)行腐蝕完，然后從進(jìn)氣端進(jìn)行燒實(shí)的時(shí)候，尾端的氧氣和氟利昂會(huì)從出氣端逆流向進(jìn)氣端，從而污染剛腐蝕完成的光纖內(nèi)表面。本發(fā)明提出從出氣端進(jìn)行燒實(shí)，在燒實(shí)過程中，預(yù)制棒內(nèi)表面是在沒有氧氣和氟利昂的環(huán)境下進(jìn)行燒實(shí)，保證了光纖內(nèi)表面的干凈，降低了OH-含量，降低了光纖在1383nm處的衰減。
本發(fā)明采用PCVD工藝制造光纖預(yù)制棒，PCVD工藝和OVD或VAD工藝相比，具有很多優(yōu)勢，例如易于制造下凹的包層和制造復(fù)雜的折射率剖面結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于通過實(shí)驗(yàn)過程總結(jié)出了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)光纖性能影響的數(shù)據(jù)，然后，通過經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算光纖的剖面參數(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)在這個(gè)過程中起了重要作用。
光波在光纖中傳輸滿足弱導(dǎo)波條件，光電磁波在光纖中傳輸過程中同時(shí)存在軸向的導(dǎo)行電磁場和徑向的消逝場，光波電磁場在不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中場的分布各不相同，不同的場分布將攜帶不同的光功率。
在抗彎光纖中，由于同時(shí)使用1310nm和1550nm兩個(gè)通信窗口，因此，必須保證光纖在1310nm波長以上的單模傳輸。
由公式λc=2πan12ΔVc---(1)]]>可以知道設(shè)計(jì)要求λc＜1260nm，模場直徑6±0.5微米，Vc是常數(shù)，n1可視為常數(shù)，所以，光纖的可設(shè)計(jì)參數(shù)芯直徑2a和纖芯相對(duì)折射率Δ均受到制約。
眾所周知，光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)光纖性能的影響非常大，如衰減、色散、截止波長、模場直徑、彎曲損耗等等均與之相關(guān)。所以，本發(fā)明找到了一種合適的光纖波導(dǎo)，可以同時(shí)優(yōu)化這些光纖性能指標(biāo)。
單模光纖的微彎損耗可以由下面公式計(jì)算α=A8(k0n1s02)[k0n1s2(p)2]2p---(2)]]>式中A＝9.6799*10-19(dB/km)；p＝3.2；s0為模斑半徑。
可以分析得出，光纖的微彎損耗和光纖的模斑半徑的關(guān)系非常緊密，模斑半徑越小，則微彎損耗也越小。微彎損耗另外的一個(gè)影響因素是相對(duì)折射率差Δ值，值越大，微彎損耗也越大，需要合適的相對(duì)折射率差Δ值。
單模光纖的彎曲損耗可以由下面公式給出αc=AcR-12exp(-UR)---(3)]]>Ac=12(πaW3)12[UWK1(W)]2---(4)]]>U=4δnW33aV2n2---(5)]]>其中R是彎曲半徑，U和W是徑向歸一化相位常數(shù)和徑向歸一化衰減常數(shù)。
式中的U、V、W都是和光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)，因此，通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以減小光纖的彎曲損耗。
本發(fā)明所描述的光纖包含一個(gè)芯層和多個(gè)包層，光纖芯層的相對(duì)折射率差Δn2為0.6％-0.8％，根據(jù)公式(4)和(5)分析，提高了n2，減小了U和Ac的值。這樣的設(shè)計(jì)可以有利于光纖彎曲損耗的優(yōu)化。
提高芯層的相對(duì)折射率差Δn2，負(fù)面作用是減小了光纖的模場直徑和增大了光纖的截止波長。
aV---(6)]]>s稱為模斑尺寸，它代表光能在纖芯的集中程度。模場直徑MFD是和相對(duì)應(yīng)的測試上的術(shù)語，通常用MFD來衡量光纖的光能在纖芯的集中程度，所以，單模光纖的s大，則MFD也大。
第三包層的引入，改變了U值，間接影響了V值，因此，第三包層的引入，可以改變光纖模場直徑。通常的經(jīng)驗(yàn)是第三包層的相對(duì)折射率差Δclad3增加，第三包層的半徑rclad3增大，則光纖的模場直徑越大。但是，隨第三包層的引入，可能增加光纖波導(dǎo)中的模式，特別是新增高階模，如LP(2.1)，LP(2.2)，LP(3.1)等模式。第三包層的作用除增大模場之外，同樣改善著光纖的色散。但是，有可能在(Δclad3，rclad3)的某個(gè)范圍內(nèi)會(huì)導(dǎo)致光纖截止波長變長。
第四包層相對(duì)折射率差Δclad4，第四包層的半徑rclad4的設(shè)計(jì)可以減小光纖的截止波長，因此，可以通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)使光纖的截止波長小于1290nm的前提下同時(shí)滿足其它光纖設(shè)計(jì)指標(biāo)。
該光纖相對(duì)于常規(guī)G.652光纖而言，這種光纖的彎曲損耗在1310nm波長和1550nm波長小于0.005dB，光纖的截止波長≤1290nm，光纜截止波長≤1260nm；光纖模場直徑為7±0.8μm；零色散波長在1310nm附近，色散斜率不大于0.065ps/nm2*km；在1550nm處的色散≤12ps/nm*km。光纖在1310nm的衰減≤0.36dB/km，在1550nm的衰減≤0.24dB/km。


圖1為本發(fā)明的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的光纖制備流程圖。
具體實(shí)施例方式
按表1所示的原料配比與工藝參數(shù)，在計(jì)算機(jī)程序控制下，采用PCVD工藝制造本發(fā)明的光纖，制備出的光纖其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。將預(yù)備好的反應(yīng)襯底管安裝在沉積設(shè)備上，將預(yù)熱爐溫度升高到1150℃，編制好計(jì)算機(jī)程序；打開微波發(fā)生器，開始按照配方定制的程序開始沉積，經(jīng)過拋光、過渡、第四包層、第三包層、第二包層、第一包層和芯層的沉積，然后停止微波和計(jì)算機(jī)程序。將沉積完成的光纖預(yù)制棒抬到成棒設(shè)備上進(jìn)行熔縮，在成棒過程中，通入氧氣和氟利昂進(jìn)行腐蝕完，從出氣端進(jìn)行燒實(shí)，在燒實(shí)過程中，預(yù)制棒內(nèi)表面是在沒有氧氣和氟利昂的環(huán)境下進(jìn)行燒實(shí)，保證了光纖內(nèi)表面的干凈，降低了OH-含量，降低了光纖在1383nm處的衰減。這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光纖預(yù)制棒通過套管法形成光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)過拉絲、復(fù)繞、測試、包裝，最后得到彎曲不敏感光纖。該光纖的具體指標(biāo)是零色散波長在1310nm附近，在1550nm色散值不大于12ps/nm*km，在1550nm色散斜率不大于0.065ps/nm2*km；光纜截止波長不大于1260nm，該光纖的指標(biāo)等同于常規(guī)G.652指標(biāo)；該光纖的模場直徑是7±0.8微米，該光纖的彎曲性能可以描述如下5圈，直徑20毫米引起光纖附加衰減在1310nm波長為不大于0.005dB，在1550nm波長為不大于0.005dB。
表1、原料配比與工藝參數(shù)

sccm-標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘
權(quán)利要求
1.一種抗彎光纖，其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有芯層和包層，其中包層又分為五個(gè)包層，芯層和各包層的相對(duì)折射率差都相對(duì)于第五包層，其特征在于芯層相對(duì)折射率差0.6％≤Δ1≤0.8％，芯層半徑2.5微米≤r1≤2.9微米；第一包層相對(duì)折射率差-0.5％≤Δclad1≤-0.4％，第一包層半徑3.0微米≤rclad1≤3.5微米；第二包層相對(duì)折射率差-0.4％≤Δclad2≤-0.35％，第二包層半徑3.5微米≤rclad2≤4.3微米；第三包層相對(duì)折射率差0％≤Δclad3≤0.1％，第三包層半徑7微米≤rclad3≤8微米；第四包層相對(duì)折射率差-0.1％≤Δclad4≤0％，第四包層半徑40微米≤r clad4≤42微米，第五包層為純二氧化硅，其折射率為二氧化硅玻璃折射率。
2.抗彎光纖的制備方法，該光纖的制備方法采用等離子化學(xué)汽相沉積法PCVD工藝來制造光纖預(yù)制棒，制備過程分為兩步，首先是沉積，然后是成棒，其特征在于(1)在沉積的過程中，按拋光、過渡、第四包層、第三包層、第二包層、第一包層和芯層的沉積過程，控制原材料SiCl4、GeCl4、氟利昂、氧氣的流量，得到沉積完成的光纖預(yù)制棒；(2)將沉積完成的光纖預(yù)制棒抬到成棒設(shè)備上進(jìn)行熔縮，在成棒過程中，通入氧氣和氟利昂進(jìn)行腐蝕完，從出氣端進(jìn)行燒實(shí)，在燒實(shí)過程中，預(yù)制棒內(nèi)表面是在沒有氧氣和氟利昂的環(huán)境下進(jìn)行燒實(shí)，制得抗彎光纖預(yù)制棒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述抗彎光纖，其特征在于第一包層、第二包層的設(shè)計(jì)提高了光纖的抗彎曲性能，同時(shí)并不顯著減小光纖的模場直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述抗彎光纖，其特征在于第三包層設(shè)計(jì)擴(kuò)大了光纖的模場直徑和減小了光纖的色散斜率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述抗彎光纖，其特征在于第四包層的設(shè)計(jì)，降低了光纖的截止波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述抗彎光纖，其特征在于應(yīng)用于小彎曲半徑的場合，從1310nm到1625nm沒有顯著增加光纖的附加衰減，尤其在1310nm和1550nm窗口，附加衰減不大于0.005dB。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對(duì)彎曲不敏感的單模光纖及其制備方法，其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有芯層和包層，其中包層又分為五個(gè)包層，芯層和各包層的折射率都不同，該光纖制備方法采用PCVD工藝，原材料按照不同的配比及在沒有氧氣和氟利昂的環(huán)境下進(jìn)行燒實(shí)，得到一種彎曲不敏感光纖。該光纖相對(duì)于常規(guī)G.65 2光纖而言，這種光纖的彎曲損耗在1310nm波長和1550nm波長小于0.005dB，光纖的截止波長≤1290nm，光纜截止波長≤1260nm；光纖模場直徑為7±0.8μm；零色散波長在1310nm附近，色散斜率不大于0.065ps/nm2＊km；在1550nm處的色散≤12ps/nm＊km。光纖在1310nm的衰減≤0.36dB/km，在1550nm的衰減≤0.24dB/km。該光纖主要應(yīng)用于集成小型化光器件，卷繞或編織成小彎曲半徑光纖通信的應(yīng)用。
文檔編號(hào)C03B37/012GK1632628SQ20041006139
公開日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2004年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日
發(fā)明者李詩愈, 成煜, 陸大方 申請(qǐng)人:烽火通信科技股份有限公司