一種熔融拉錐型彎曲不敏感單模光纖的製作方法

2023-05-23 04:43:41 2

本發明涉及一種熔融拉錐型彎曲不敏感單模光纖，該光纖在熔接、拉錐等高溫處理時具有更穩定優越的性能，適用於光纖耦合器與光纖傳感器的研發與應用，屬於光纖技術領域。

背景技術：

在當代通信網絡中，面向客戶端的接入技術始終是限制高帶寬業務快速發展的難點問題。海量的信息在在經由傳輸設備到達接入網後必須分割成涓涓溪流才能與終端客戶互聯互通。彎曲不敏感技術是光纖接入技術關鍵的一環，它是光纖接入網絡的基礎傳輸媒介，它能穿過複雜多變的區域將信息送到終端用戶，穩定地實現高帶寬的互聯互通，國際電信聯盟將其歸類為itu-tg.657。g.657彎曲不敏感單模光纖主要用於狹小空間或者轉角，配線箱和分光器等複雜環境及光電子器件領域，其在10mm及以下彎曲半徑仍然能具有較低的彎曲附加損耗。

隨著光纖通信技術的飛速發展，光纖器件在光通信領域的應用也越來越廣泛，其中光纖耦合器已經成為應用最廣泛的光纖無源器件。光纖耦合器對光信號的分、合路，插入和分配的實現起到了至關重要的作用，它是一種多功能、多用途的器件且是最重要的光無源器件之一。在光纖耦合器的發展過程中，其製作方法主要有三種：腐蝕法，拋磨法和熔融拉錐法。三種方法中熔融拉錐法因其操作簡單、製作成本低、器件的損耗小，因此使用最為廣泛，就各項特性指標而言熔融拉錐型光纖耦合器是最具有代表性的光器件。

傳統的g.657單模光纖因為芯層和包層材料設計不同，兩者折射率差異大，為追求良好的宏彎性能，通常在外包層設計中增加了含氟比例大，△下陷深的trench結構。因此在熔融拉錐過程中，由於芯包材料特性不匹配(表現為粘度和熱膨脹係數不匹配)，光纖波導結構變化不同步，導致無論怎麼優化熔融拉錐工藝條件都達不到要求的分光比，過程損耗很大。

普通的g.652單模光纖儘管在熔融拉錐性能方面可以滿足，但由於其在小彎曲半徑(小於30mm)下彎曲損耗很高，不適合用於有特殊彎曲要求的小尺寸器件上。

技術實現要素：

為方便介紹本發明內容，定義以下術語：

折射率剖面：光纖中玻璃折射率與其半徑之間的關係。

相對摺射率差：△＝(ni-n0)/n0*100％

ni和n0分別為對應部分的折射率和純二氧化矽石英玻璃的折射率。

氟(f)的貢獻量：摻氟(f)石英玻璃相對於純二氧化矽石英玻璃的相對摺射率差(δf)，以此來表示摻氟(f)量。

鍺(ge)的貢獻量：摻鍺(ge)石英玻璃相對於純二氧化矽石英玻璃的相對摺射率差(δge)，以此來表示摻鍺(ge)量。

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提供一種熔融拉錐型彎曲不敏感單模光纖，該光纖適合熔融拉錐，表現為較低的傳輸損耗、彎曲損耗、熔接損耗和拉錐過程損耗，因而適於光纖耦合器與光纖傳感器的研發與應用。

本發明為解決上述提出的問題所採用的技術方案為：包括有芯層和包層，其特徵在於：芯層為氟鍺共摻(f/ge)的二氧化矽(sio2)石英玻璃層，芯層的直徑dcore為7μm～10μm，芯層的相對摺射率差δ1為0.20％～0.40％，其中δge的範圍為0.30％～0.60％，δf的範圍為-0.05％～-0.15％；包層有3個分層，第一分層緊密環繞芯層，第一分層為氟鍺共摻的二氧化矽石英玻璃層，相對摺射率差δ31為-0.02％～-0.10％，直徑d31為15μm～30μm；第二分層緊密環繞第一分層，為摻氟二氧化矽石英玻璃層，相對摺射率差δ32為-0.01％～-0.05％，直徑d32為30μm～50μm；第三分層緊密環繞第二分層，為純二氧化矽石英玻璃層，第三分層直徑d33為124μm～126μm。

按上述方案，所述的第一分層中δge的範圍為0.05％～0.25％，δf的範圍為-0.05％～-0.30％。

按上述方案，所述光纖的截止波長為1180nm～1360nm。

按上述方案，所述光纖的mfd在1310nm～1550nm波長範圍內為8μm～11μm。

按上述方案，所述光纖的衰減在1310nm～1550nm波長範圍內小於或等於0.35db/km。

按上述方案，所述光纖的宏彎損耗在1310nm～1550nm波長範圍內小於或等於0.5db/(ф20mm-1圈)。

按上述方案，所述光纖的熔融拉錐過程損耗小於或等於0.1db，器件隔離度大於或等於20db。

本發明的有益效果在於：1.光纖芯層f和ge共摻，同單獨摻ge相比可以優化光纖的材料結構，降低純摻ge形成的缺陷濃度和改善應力分布，同時能消除中心凹陷，易於熔融拉錐，且熔融拉錐過程損耗小；2.光纖包層的分層中，含有一個純二氧化矽石英玻璃分層，該分層全部由套襯管石英材料組成，將承擔拉絲過程中形成的張應力，芯層所承受的應力則為壓應力，有利於光纖的機械保護；3.光纖包層的分層中，含有一個較薄的摻f二氧化矽石英玻璃分層，為緩衝層，可阻擋襯管材料的oh根和重金屬離子，降低這兩個方面對光纖衰減尤其水峰的影響；4.光纖包層的內分層中，設置有一個f和ge共摻的二氧化矽石英玻璃分層，可以降低內包層材料的粘度，與芯層材料的粘度更加匹配，同時提高了光纖的抗彎曲性能，有利於降低光纖在小彎曲半徑狀態下的宏彎附加損耗，符合itu-t對g.657.a1光纖規定的指標要求；5.本發明在熔接、拉錐等高溫處理時具有更穩定優越的性能，表現為較低的傳輸損耗、彎曲損耗、熔接損耗和拉錐過程損耗，因而適於光纖耦合器與光纖傳感器的研發與應用。

附圖說明

圖1是本發明一個實施例的徑向截面示意圖。圖中00對應光纖的芯層，31對應光纖包層的第一分層，32對應光纖包層的第二分層，33對應光纖包層的第三分層。

圖2是本發明一個實施例的折射率剖面示意圖。

具體實施方式

下面將給出詳細的實施例，對本發明作進一步的說明。

本發明實施例中的熔融拉錐型彎曲不敏感單模光纖，包括有芯層和包層，芯層00由氟(f)鍺(ge)共摻的石英玻璃組成；圍繞在芯層的是包層。包層有三個分層，第一分層31緊密圍繞芯層，也是由氟(f)鍺(ge)共摻的石英玻璃組成；第二分層32緊密圍繞第一分層31，由摻氟(f)的石英玻璃組成，其相對摺射率差δ32大於δ31；第三分層33緊密圍繞第二分層32，第三分層的直徑d33為124μm～126μm，第三分層為純二氧化矽石英玻璃層，即其相對摺射率δ33為0％。

按照上述技術方案，在其所規定的範圍內對光纖的參數進行設計，並通過我們熟知的pcvd工藝，mcvd工藝，vad工藝或ovd工藝製造芯棒，通過套管工藝、pod工藝(等離子體外噴工藝，plasmaoutsidedeposition)、ovd工藝或vad工藝等外包工藝來完成整個拉絲棒的製造。pcvd工藝和pod工藝在進行精確剖面設計，沉積高濃度的摻氟(f)以及消除中心凹陷方面，具有一定的優勢。

預製棒製備完成後，在拉絲塔上進行光纖的拉絲。拉絲速度不高於800m/min，拉絲塗覆張力介於200～260g。

所拉光纖的折射率剖面使用ifa-100設備(inerfiberanalysis.llc)進行測試。光纖的折射率剖面實施例的主要參數如表1所示。

所拉光纖是用平行法熔融型光纖拉錐機(山東富碩)進行拉錐測試評估的。其中過程損耗(插入損耗)和隔離度(回波損耗)是光纖耦合器的兩個重要參數。前者描述的是正向光纖耦合能力，損耗越低耦合越好；後者描述的是阻止光波向其它方向尤其反方向傳輸能力，其值越大越好。

所拉光纖的主要性能參數如表2所示。光纖實施例在設定的指標和製造工藝條件下進行相關測試，均能滿足本發明的所述權利要求。

從實施例可以看出：

1.如果芯層直徑做小，要保證光纖1310nm工作波長使用，則根據截止波長計算公式λc＝πdcoren0(2△)0.5/vc(n0為sio2折射率，vc為歸一化頻率)，則△必須做大，相應就需要提高ge及f摻雜量，不利於光纖缺陷及衰耗控制。從實際測試結果看，儘管宏彎性能很好，但光纖衰耗明顯偏高，不能滿足g.657.a1指標要求，如實施例1。說明芯徑減小太多，會迫使增加△，從而導致摻雜提高，光纖衰減增加。

如果增大芯徑過多，儘管mfd有增加，利於拉錐，而且△相應減少，光纖衰耗很好，但單模截止條件很難滿足，需要大幅提高拉絲溫度，減小拉絲張力，不利於光纖強度控制，同時即使截止波長控制到要求範圍內，光纖測試宏彎大，不能滿足g.657.a1指標要求，因此光纖抗彎曲能力明顯減弱，如實施例8。說明芯徑過大，摻雜過低也不能滿足光纖設計要求。

3.如果緊密圍繞芯層的內包層過寬，在彎曲時儘管傳輸信號不會洩露出包層，利於宏彎性能的提升，但如果其寬度過大，會造成光纖應力分布不均，導致芯層中的功率洩露到包層過多，造成光纖散射衰減增加，同時檢測到拉錐過程損耗也偏高，如實施例7。

4.如果緊密圍繞芯層的內包層過窄，光傳輸信號彎曲時洩露出包層較容易，而且由於包芯比很小，製造工藝難度增加。不過通過增加包層下陷深度可以防止波導洩露，提高彎曲性能，但拉錐性能又會大幅減弱。這是由於增加了摻f濃度，因為f離子幾何尺寸小，熔融時其游離速度快，改變了波導結構，不利於拉錐成型。如實施例2和3。

5.如果芯包層直徑及△設計合理，不僅衰減，宏彎符合g.657.a1指標要求，而且拉錐性能也很好，如實施例4,5和6。

綜上表明，按照本發明的技術方案所製造的光纖，截止波長在1180nm-1360nm，在1310nm～1550nm工作波長範圍內，其mfd為8μm-11μm，光纖衰減小於0.35db/km，宏彎損耗小於0.5db/(φ20mm一圈)，其拉錐過程損耗小於0.1db，器件隔離度大於20db。

表1光纖的結構參數

表2光纖的主要性能