一種彎曲不敏感多模光纖及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種彎曲不敏感多模光纖及其制造方法，包括有芯層和包覆芯層的包層，芯層折射率剖面呈α冪指數(shù)函數(shù)分布，其特征在于所述的包層由內到外依次為內包層、下陷包層以及外包層，所述的芯層分布指數(shù)α為1.9～2.2，半徑R1為23～27μm，最大相對折射率差Δ1max為0.9～1.2％，所述的內包層的半徑為R2，單邊徑向厚度為1～3μm，相對折射率差Δ2為0～0.05％，所述的下陷包層的半徑為R3，單邊徑向寬度為10～20μm，沿直徑方向靠近內包層處相對折射率差為Δ3inner為?0.29～?0.42％；所述的外包層為純二氧化硅玻璃層。本發(fā)明不僅結構設計合理，具有優(yōu)異的抗彎和帶寬性能，而且工藝控制方便，易于制作生產。
【專利說明】
一種彎曲不敏感多模光纖及其制造方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)異抗彎曲性能的彎曲不敏感多模光纖及其制造方法，屬于 光通信技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的不斷發(fā)展，中國已經進入了光纖寬帶和多業(yè)務融合的信息高速發(fā) 展時代。融合后的電信網、廣電網和互聯(lián)網都可以承載多種信息化業(yè)務，都可以為用戶提供 打電話、上網和看電視等多種服務。尤其是近年來云計算和物聯(lián)網等概念的提出，都給現(xiàn)有 網絡帶來了海嘯般的數(shù)據沖擊。這必將加快如數(shù)據中心、企業(yè)機房、存儲區(qū)域網絡(SAN)、網 絡附加存儲(NAS)和高性能計算中心等應用的建設和普及，并對其中的網絡基礎設施的高 帶寬和靈活性提出更高的要求，以便能夠支持更高性能的連接。彎曲不敏感多模光纖是廣 泛應用于數(shù)據中心和企業(yè)機房中的網絡傳輸媒介，高性能傳輸網絡的建設對彎曲不敏感多 模光纖提出了更多苛刻的要求，其中以光纖的帶寬性能和抗彎曲特性為最重要的兩項參 數(shù)。
[0003] 多模光纖在數(shù)據中心、企業(yè)機房、SAN、NAS等應用場景中往往是鋪設在狹窄的機 柜、配線箱等集成系統(tǒng)中，光纖會經受很小的彎曲半徑。常規(guī)多模光纖進行小角度彎曲時， 靠近纖芯邊緣傳輸?shù)母唠A模很容易泄漏出去，從而造成信號損失。降低光纖彎曲附加損耗 的一個有效方法是在光纖包層增加低折射率區(qū)域來限制高階模的泄漏，使信號損失最小 化。如專利US8428410B2,在多模光纖折射率剖面的芯層外部引入3~5μπι寬度的下陷包層結 構，從而獲得了顯著降低的宏彎損耗。
[0004] 目前主流的彎曲不敏感多模光纖可包含以下幾部分:首先是由特定比例Ge/F共摻 玻璃構成的芯層部分，這部分結構的折射率剖面必須進行精確控制，按照設計要求芯層呈 現(xiàn)alpha拋物線形狀，原則上剖面越光滑，對多模光纖的DMD和帶寬性能越有益。相對于傳統(tǒng) 的VAD以及0VD工藝，往復多層沉積的管內法PCVD和MCVD工藝在剖面控制上的優(yōu)勢比較明 顯。其次是由氟摻雜玻璃構成的下陷包層結構，其寬度和折射率直接決定著光纖的彎曲性 能。原則上其越寬，折射率越低，則光纖的彎曲性能越好。最外側為純石英構成的外包層，起 到輔助光波導的作用。
[0005] 目前典型的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(0VD)和軸向氣相沉積法(VAD)。
[0006] 0VD和VAD為管外沉積法，其沉積效率高，但受制于工藝特點，其在制備多模光纖芯 層alpha部分時剖面控制精度明顯低于管內法。并且在沉積芯層和內包層過程中進行摻氟， 不僅工藝控制上有難度，而且在燒結過程中由于氟的擴散將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厚度包層的芯棒，經脫水燒結后再在玻璃芯 棒上沉積摻氟包層，可采用沉積過程直接摻氟或在燒結中摻氟，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0VD和VAD均屬于火焰(出/〇2)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(H 2/02)中，H2/02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(xiàn)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。
[0007] MCVD和PCVD的方法屬于管內沉積法，以往的工藝多是在管內依次沉積下陷包層， 中間包層等，最后沉積芯層。對于管內法而言，襯管內的空間是有限的，沉積的下陷包層越 寬，雖然帶來了更好的宏彎性能，但會限制芯層的沉積尺寸。芯棒的芯層直徑做不大，則預 制棒的尺寸也難做大。此外，襯管內的孔徑過小時，沉積時管內諸如反應氣體的壓力和流速 等工藝參數(shù)隨著沉積的進行變化過快不易穩(wěn)定控制，將導致產出芯棒的參數(shù)分布惡化，進 而帶來光纖的其它參數(shù)的惡化。因此，一種理想的彎曲不敏感多模光纖的制備方法是在確 保管內沉積工藝在制造芯層區(qū)域精確控制的優(yōu)勢的同時，通過其它手段構成一個下陷包層 區(qū)域。一種做法是，取具有一定低折射率的摻氟間隙套管與芯棒通過二次熔縮組成帶下陷 層的芯棒，該法的缺點是工藝流程變長，對芯棒和所謂的摻氟套管需要一定的預處理，比如 在二次熔縮前需要對原始芯棒的襯管玻璃部分進行較大量的腐蝕。另一種改進的做法是， 直接以具有一定低折射率的摻氟玻璃管為襯管直接沉積，由于氟摻雜的石英玻璃粘度低， 在沉積時容易彎曲變形，所產光纖的幾何參數(shù)極易惡化。因此，對于該方法，對摻氟玻璃襯 管的摻雜量，襯管厚度必須精確的設計，此外還需要對相匹配的芯棒沉積工藝參數(shù)做適當 的優(yōu)化。

【發(fā)明內容】

[0008] 為方便介紹本
【發(fā)明內容】
，定義部分術語：
[0009] 預制棒:有芯層和包層組成的徑向折射率分布符合光纖設計要求，可直接拉制成 所設計光纖的玻璃棒或組合體；
[0010] 芯棒:含有芯層和部分包層的實心玻璃預制件；
[0011] a:芯棒芯層alpha部分直徑，單位為毫米(mm);
[0012] b:芯棒中間包層直徑，單位為毫米(mm);
[0013] c:實心芯棒直徑，g卩芯棒下陷包層直徑，單位為毫米(mm);
[0014] d:光纖預制棒的有效直徑，對于實心預制棒即為其外徑，對于RIT預制棒，位折算 成實心預制棒后的外徑，單位為毫米(mm);
[0015] 襯管:管狀的基底管，符合一定的幾何和摻雜要求；
[0016] 壁厚:管狀玻璃材料的單邊的厚度，即壁厚=(外徑-內孔徑)/2,單位為毫米(mm);
[0017] CSA(Cross Section Area):橫截面積，單位為平方毫米(mm2);
[0018] OVD工藝:用外部氣相沉積和燒結工藝制備所需厚度的石英玻璃；
[0019] VAD工藝:用軸向氣相沉積和燒結工藝制備所需厚度的石英玻璃；
[0020] APVD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Si〇2玻璃；
[0021] RIT(Rod In Tube)工藝:將芯棒和套管經過處理:包括拉錐、延長、腐蝕、清洗和干 燥等后，將芯棒插入套管中所組成的較大尺寸光纖預制棒的制造工藝。
[0022] 折射率剖面:光纖或光纖預制棒(包括芯棒)折射率與其半徑之間的關系；
[0023] 相對折射率差即Δ i:
[0025] 其中，m為距離纖芯中心i位置的折射率;no為光纖外包層的折射率，通常為純二氧 化硅折射率；
[0026] 冪指數(shù)折射率分布:滿足下面冪指數(shù)函數(shù)的折射率分布，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;α為分布指數(shù)；△為纖芯中心相對包層的折 射率差。
[0028] 本發(fā)明所要解決的技術問題是克服上述現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種彎曲不敏 感多模光纖及其制造方法，它不僅結構設計合理，具有優(yōu)異的抗彎和帶寬性能，而且工藝控 制方便，易于制作生產。
[0029] 本發(fā)明光纖的技術方案為:包括有芯層和包覆芯層的包層，芯層折射率剖面呈α冪 指數(shù)函數(shù)分布，其特征在于所述的包層由內到外依次為內包層、下陷包層以及外包層，所述 的芯層分布指數(shù)α為1.9~2.2，半徑心為23~27μπι，最大相對折射率差Δ lmax*〇. 9~1.2 %， 所述的內包層的半徑為R2，單邊徑向厚度(R2-R!)為1~3μπι，相對折射率差Δ 2為〇~〇. 05 %， 所述的下陷包層的半徑為R3,單邊徑向寬度(R3-R2)為10~2〇μπι，沿直徑方向靠近內包層處 相對折射率差為Δ 3i_rS-0.29~-0.42% ;所述的外包層為純二氧化硅玻璃層。
[0030] 按上述方案，所述的下陷包層的單邊徑向寬度(R3-R2)為13~17μπι。
[0031] 按上述方案，所述的下陷包層沿直徑方向靠近內包層處相對折射率差A3l_rS-0.35 ~-0.39%。
[0032] 按上述方案，所述的下陷包層的相對折射率差沿直徑方向由內至外呈遞減或遞增 分布，或呈U形分布。
[0033] 按上述方案，所述光纖在850nm波長處，以7.5毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加 損耗小于或等于0.2dB;在1300nm波長處，以7.5毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小 于或等于〇.5dB。
[0034] 按上述方案，所述光纖在850nm波長具有1500MHz-km或1500MHz-km以上帶寬，在 1300nm波長具有500MHz-km或500MHz-km以上帶寬。
[0035] 按上述方案，所述光纖的差分模時延(DMD)滿足以下標準:DMD Inner Mask(5-18y m)和DMD Outer Mask(0_23ym)均小于或等于0.33ps/m;DMD Interval Mask小于或等于 0.25ps/m;優(yōu)選條件下光纖的DMD的Inner Mask(5_18ym)和DMD Outer Mask(0_23ym)均小 于或等于〇.14ps/m，DMD Interval Mask小于或等于0.11ps/m。
[0036] 按上述方案，所述光纖在850nm波長具有2000MHz-km或2000MHz-km以上的有效模 式帶寬(MB)。
[0037] 按上述方案，所述光纖的數(shù)值孔徑為0.185~0.215。
[0038] 本發(fā)明光纖制造方法的技術方案為：
[0039] 用含氟石英玻璃管作為沉積襯管，使用管內沉積法進行摻雜沉積，所述含氟石英 玻璃管的相對折射率差為光纖包層中下陷包層的相對折射率差，根據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，在沉積襯管內壁依次沉積內包層和芯層； [0040]沉積完成后，用電加熱爐將沉積后的襯管熔縮成實心芯棒，所述的實心芯棒包括 有芯層、緊密包繞芯層的內包層和緊密包繞內包層的下陷包層；
[0041 ]以純石英玻璃管為套管采用RIT工藝制得預制棒，或采用0VD或VAD或APVD外包沉 積工藝沉積外包層制得預制棒；
[0042]將預制棒置于光纖拉絲塔上拉制成光纖，在光纖表面涂覆固化的聚丙稀酸樹脂層 即成。
[0043]按上述方案，所述的含氟石英玻璃管外徑為40~50mm，單邊壁厚為3~8mm，相對折 射率差為-0.29~-0.42 %。
[0044] 按上述方案，在沉積內包層時，將爐溫控制在1000~1100°C，Ο/Si比為2.5~3.0， 使C1的含量大于或等于1600ppm;在沉積芯層時，將爐溫控制在1080~1120°C，Ο/Si比為3.5 ~4 · 0，使Cl的含量小于或等于1300ppm;沉積襯管內混合氣體壓力為10~18mBar;所述的摻 雜為摻鍺、摻氟或氟鍺共摻。
[0045] 按上述方案，所述的光纖預制棒有效直徑d為45~56mm，所述的芯層直徑a為18~ 24mm 〇
[0046] 按上述方案，所述的實心芯棒直徑c與芯層直徑a的比值c/a為1.4~1.8,光纖預制 棒有效直徑d與實心芯棒直徑c的比值d/c為1.3~1.7。
[0047] 本發(fā)明的有益效果在于：1、波導結構設計合理，具有優(yōu)異的抗彎和帶寬性能;2、采 用摻氟石英玻璃管作為沉積襯管，制備下陷包層部分無需占用管內空間，管內空間釋放，有 助于工藝氣體的參數(shù)控制，提高了所沉積芯棒的參數(shù)分布可控性，利于提高帶寬等參數(shù)的 合格率;3、摻氟石英玻璃襯管部分的厚度折算到光纖里，對應的下陷包層寬度較大，其寬度 是管內直接沉積的下陷包層很難達到的，配合適當?shù)恼凵渎?，獲得的抗彎曲性能更好;4、用 摻氟石英玻璃管作為襯管制備彎曲不敏感多模光纖，下陷包層部分由成品襯管組成，無需 在襯管內沉積下陷包層，縮短了單根芯棒的沉積時間，提高了預制棒的生產效率和設備使 用效率，且制作流程簡單，工藝控制方便，適于規(guī)模化生產。
【附圖說明】
[0048] 圖1是本發(fā)明彎曲不敏感多模光纖的橫截面示意圖。圖中：10是PCVD工藝管內所沉 積的部分，11為光纖的芯層，12為內包層;20是具有特定折射率的摻氟石英玻璃管所組成的 部分，構成下陷包層;30為純石英玻璃套管組成的部分，構成外包層。
[0049] 圖2是本發(fā)明一個實施例的折射率剖面示意圖。
[0050] 圖3是本發(fā)明彎曲不敏感多模光纖的制備工藝流程圖。
[0051] 圖4是本發(fā)明下陷包層的相對折射率差沿直徑方向由內至外呈遞減分布的折射率 剖面示意圖。
[0052] 圖5是本發(fā)明下陷包層的相對折射率差沿直徑方向由內至外呈遞增分布的折射率 剖面示意圖。
[0053]圖6是本發(fā)明下陷包層的相對折射率差沿直徑方向由內至外呈U形分布的折射率 剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0054] 下面給出幾個詳細的實施例，對本發(fā)明作進一步的說明。
[0055] 所述光纖包括有芯層11和包覆芯層的包層，芯層折射率剖面呈α冪指數(shù)函數(shù)分布， 所述的包層由內到外依次為內包層12、下陷包層20以及外包層30,所述的外包層為純二氧 化硅玻璃層，外包層半徑R4為62.5μπι。
[0056] 制備時采用外徑為45~50mm，單邊壁厚為5~8mm的含氟石英玻璃管20作為芯棒基 底管，使用等離子體增強化學氣相沉積(PCVD)工藝進行摻雜沉積;沉積過程中，沉積內包層 時，爐溫控制在1000-1100°C，沉積芯層時，將爐溫控制在1080-1120°C ;摻雜沉積時，在反應 氣體四氯化硅（SiCl4)和氧氣（02)中，通入含氟的氣體，進行氟(F)摻雜，通入四氯化鍺 (GeCl4)，進行鍺(Ge)摻雜，混合氣體壓力控制在10~18mBar，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，在沉積襯管內壁依次沉積內包層12和芯層11， 所述含氟石英玻璃管的相對折射率差為光纖包層中下陷包層的相對折射率差，沉積完成 后，用電加熱爐將沉積后的襯管熔縮成實心芯棒;如圖3所示工藝流程圖，再以純石英玻璃 管30為套管采用RIT工藝制得預制棒，或采用0VD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 聚丙稀酸樹脂即成。
[0057] 按上述方法制備了一組彎曲不敏感多模光纖預制棒并拉絲，所得光纖的結構參數(shù) 和主要性能參數(shù)見表1。
[0058]表1:光纖的結構參數(shù)及主要性能參數(shù)
[0061]宏彎附加損耗根據IEC 60793-1-47方法測得，被測光纖按一定直徑繞兩圈，然后 將圓圈放開，測試打圈前后的光功率變化，以此作為光纖的宏彎附加損耗。測試時，采用環(huán) 形通量(Encircled Flux)光注入條件。Encircled Flux光注入條件可通過以下方法獲得： 在被測光纖前端熔接一段2m長的普通50μπι芯徑多模光纖，并在該光纖中間繞一個25mm直徑 的圈，當滿注入光注入該光纖時，被測光纖即為環(huán)形通量光注入。
[0062] 滿注入帶寬根據IEC 60793-1-41方法測得，測試采用滿注入條件。
[0063] 差分模時延（DMD)根據IEC 60793-1-49方法測得，被測光纖長度均為1000m土 20%，在被測光纖與光源之間連接一根探針單模光纖，以限制入射被測光纖的光模式為單 模，入射光脈寬小于等于l〇〇ps，光源垂直入射被測光纖端面，沿該端面徑向掃描，測量到達 被測光纖輸出端最快光脈沖與最慢光脈沖之間的時間差，即為差分模時延。同時，利用這些 DMD數(shù)據進行模擬一系列規(guī)定輸入模式的計算，可得出有效模式帶寬(EMB)。
【主權項】
1. 一種彎曲不敏感多模光纖，包括有芯層和包覆芯層的包層，芯層折射率剖面呈α冪指 數(shù)函數(shù)分布，其特征在于所述的包層由內到外依次為內包層、下陷包層以及外包層，所述的 芯層分布指數(shù)α為1.9~2.2,半徑心為23~27μπι，最大相對折射率差A lmax*〇.9~1.2%，所 述的內包層的半徑為R2,單邊徑向厚度為1~3μηι，相對折射率差△ 2為0~0.05%，所述的下 陷包層的半徑為R3,單邊徑向寬度為10~20μπι，沿直徑方向靠近內包層處相對折射率差為 A 3i_r為-0.29~-0.42% ;所述的外包層為純二氧化硅玻璃層。2. 按權利要求1所述的彎曲不敏感多模光纖，其特征在于所述的下陷包層的單邊徑向 寬度為13~17μηι。3. 按權利要求1或2所述的彎曲不敏感多模光纖，其特征在于所述的下陷包層沿直徑方 向靠近內包層處相對折射率差Δ 3i_rS-0.35~-0.39 %。4. 按權利要求1或2所述的彎曲不敏感多模光纖，其特征在于所述的下陷包層的相對折 射率差沿直徑方向由內至外呈遞減或遞增分布，或呈U形分布。5. 按權利要求1或2所述的彎曲不敏感多模光纖，其特征在于所述光纖在850nm波長處， 以7.5毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小于或等于0.2dB;在1300nm波長處，以7.5 毫米彎曲半徑繞2圈導致的彎曲附加損耗小于或等于0.5dB。6. 按權利要求1或2所述的彎曲不敏感多模光纖，其特征在于所述光纖在850nm波長具 有1500MHz-km或1500MHz-km以上帶寬，在1300nm波長具有500MHz-km或500MHz-km以上帶 寬。7. 按權利要求1或2所述的彎曲不敏感多模光纖，其特征在于所述光纖的差分模時延滿 足以下標準：DMD Inner Mask(5_18ym)和DMD Outer Mask(0_23ym)均小于或等于0.33ps/ m;DMD Interval Mask小于或等于0.25ps/m;所述光纖在850nm波長具有2000MHz_km或 2000MHz-km以上的有效模式帶寬。8. -種彎曲不敏感多模光纖的制造方法，其特征在于 用含氟石英玻璃管作為沉積襯管，使用管內沉積法進行摻雜沉積，所述含氟石英玻璃 管的相對折射率差為光纖包層中下陷包層的相對折射率差，根據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，在沉積襯管內壁依次沉積內包層和芯層； 沉積完成后，用電加熱爐將沉積后的襯管熔縮成實心芯棒，所述的實心芯棒包括有芯 層、緊密包繞芯層的內包層和緊密包繞內包層的下陷包層； 以純石英玻璃管為套管采用RIT工藝制得預制棒，或采用0VD或VAD或APVD外包沉積工 藝沉積外包層制得預制棒； 將預制棒置于光纖拉絲塔上拉制成光纖，在光纖表面涂覆固化的聚丙稀酸樹脂層即 成。9. 按權利要求8所述的彎曲不敏感多模光纖的制造方法，其特征在于所述的含氟石英 玻璃管外徑為40~50mm，單邊壁厚為3~8mm，相對折射率差為-0.29~-0.42%。10. 按權利要求8所述的彎曲不敏感多模光纖的制造方法，其特征在于在沉積內包層 時，將爐溫控制在1000~1100°C，0/Si比為2.5~3.0，使(：1的含量大于或等于1600??111 ;在沉 積芯層時，將爐溫控制在1080~1120 °C，0/Si比為3.5~4.0,使C1的含量小于或等于 1300ppm;沉積襯管內混合氣體壓力為10~18mBar。11. 按權利要求8所述的彎曲不敏感多模光纖的制造方法，其特征在于光纖預制棒有效 直徑d為45~56mm，所述的實心芯棒芯層直徑a為18~24mm;實心芯棒直徑c與實心芯棒芯層 直徑a的比值c/a為1.4~1.8,光纖預制棒有效直徑d與實心芯棒直徑c的比值d/c為1.3~ 1.7。
【文檔編號】G02B6/036GK106094104SQ201610459756
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】王潤涵, 黃榮, 王瑞春, 汪洪海, 朱繼紅, 王海鷹, 胡肖
【申請人】長飛光纖光纜股份有限公司