CN111505763B - 一种弯曲不敏感单模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弯曲不敏感单模光纤，包括由内至外依次排列的芯层、内包层、以及外包层，所述内包层具有压应力，其压应力的绝对值大于芯层压应力，且其芯层压应力的绝对值介于10MPa～40MPa之间，其内包层压应力的绝对值介于20MPa～50MPa之间。本发明在光纤芯层周围引入具有压应力分布的内包层结构，能够调节芯层光波电磁场的功率分布与限制能力，LP01模式以外的高阶模能够通过内包层结构迅速泄露，而内包层保持适度的压应力分布能够阻隔和缓冲外界温度和作用力对芯层的影响，从而大幅降低光纤在弯曲状态下的附加损耗，光纤对极端温度的适应性能较强，即光纤在极高温和极低温条件下保持弯曲不敏感性能，从而能够扩展光纤的应用温度条件。

Description

一种弯曲不敏感单模光纤
技术领域
本发明属于光纤通信传输领域，更具体地，涉及一种适用于极端温度条件下接入网用弯曲不敏感单模光纤。
背景技术
随着光纤传输技术的不断发展，FTTx技术主要用于接入网络光纤化，已成为通信接入网网络建设的重要发展方向。范围从区域电信机房的局端设备到用户终端设备，局端设备为光线路终端(Optical Line Terminal；OLT)、用户内端设备为光网络单元(OpticalNetwork Unit；ONU)或光网络终端(Optical Network Terminal；ONT)。根据光纤到用户的距离来分类，可分成光纤到交换箱(Fiber To The Cabinet；FTTCab)、光纤到路边(FiberTo The Curb；FTTC)、光纤到大楼(Fiber To The Building；FTTB)及光纤到户(Fiber ToThe Home；FTTH)等4种服务形态。美国运营商Verizon将FTTB及FTTH合称光纤到驻地(FiberTo The Premise；FTTP)。作为传输媒介的光纤在FTTx中扮演着至关重要的角色。人们对各种可能用于FTTx领域的光纤进行了深入的研究，具备弯曲不敏感性能的低水峰光纤逐渐成为光纤网络建设的热点，国际标准化组织ITU-T明确了不同弯曲半径使用环境下，G.657A1/A2光纤的不同应用目标，其中满足最小弯曲半径为10mm的G.657.A1光纤应用于长程网(Long-haul networks)；G.657.A2光纤满足最小7.5mm弯曲半径条件下的应用，主要使用于城域网(Metro networks)和FTTH(光纤到户)。
考虑到FTTx项目应用环境复杂，有的温差大，有的极端气温条件下可达到-40℃甚至更低。为了保证光纤链路衰减正常，光通信网络可以正常工作，所以急需开发一种可以在低温条件下，各项光纤参数相对稳定的弯曲不敏感单模光纤。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于极端温度条件下接入网用弯曲不敏感单模光纤，其目的在于通过优化光纤应力结构，从而在提高光纤抗微观弯曲性能的同时，减少温度变化引起的附加衰减，从而改善光纤在极端温度条件下的衰减性能和稳定性，由此解决现有的弯曲不敏感光纤受温度变化影响，在极端温度条件下衰减过大、性能不佳的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种弯曲不敏感单模光纤，包括由内至外依次排列的芯层、内包层、以及外包层，所述内包层具有压应力，其压应力的绝对值大于芯层压应力。
优选地，所述弯曲不敏感单模光纤，其所述光纤在室温下其芯层具有压应力，且其芯层压应力的绝对值介于10MPa～40MPa之间，优选介于15MPa～35MPa之间。
优选地，所述弯曲不敏感单模光纤，其所述光纤在室温下其内包层具有压应力，且其内包层压应力的绝对值介于20MPa～50MPa之间，优选25MPa～45MPa之间。
优选地，所述弯曲不敏感单模光纤，其所述芯层的半径为R1，所述内包层的半径为R2，设光纤横截面上任一点到光纤中心的距离为x，直径方向任一点的压应力绝对值为f，那么沿直径方向上由下式表示的内包层压应力积分值为F为0.7MPa·μm2以上且25MPa·μm2以下；
Figure BDA0002505718150000021
优选的F值为1.1MPa·μm2以上且12MPa·μm2以下；
更优选的F值为2.1MPa·μm2以上且5.1MPa·μm2以下。
优选地，所述弯曲不敏感单模光纤，其所述芯层为含有锗的石英玻璃，芯层锗的摩尔含量百分比为2～15mol％，优选3～7mol％。
优选地，所述弯曲不敏感单模光纤，其所述内包层为至少掺有氟的石英玻璃，其中氟的摩尔含量百分比为0到6mol％，优选0.3到3mol％。
优选地，所述弯曲不敏感单模光纤，其所述芯层的半径R1为3.5μm～4.5μm，所述内包层的半径R2为13μm～40μm，优选15μm～25μm。
优选地，所述弯曲不敏感单模光纤，其所述的光纤在1625nm波长处，对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈弯曲附加损耗小于或等于0.1dB；
对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.2dB；
对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于1.0dB；
在1550nm波长处，
对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈弯曲附加损耗小于或等于0.03dB；
对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.1dB；
对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.5dB。
优选地，所述弯曲不敏感单模光纤，其所述的光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。
优选地，所述弯曲不敏感单模光纤，其所述的光纤在-65℃到85℃，1310nm～1625nm波长范围内的温度附加衰减小于0.02dB/km。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由能够取得下列有益效果：
本发明在光纤芯层周围引入具有压应力分布的内包层结构，能够调节芯层光波电磁场的功率分布与限制能力，LP01模式以外的高阶模能够通过内包层结构迅速泄露，而内包层保持适度的压应力分布能够阻隔和缓冲外界温度和作用力对芯层的影响，从而大幅降低光纤在弯曲状态下的附加损耗，光纤对极端温度的适应性能较强，即光纤在极高温和极低温条件下保持弯曲不敏感性能，从而能够扩展光纤的应用温度条件。
附图说明
图1是本发明中弯曲不敏感的单模光纤的截面示意图；
图2是本发明中弯曲不敏感的单模光纤的应力结构示意图；
图3是本发明实施例11、12折射率剖面结构示意图；
图4是本发明实施例21、22、23折射率剖面结构示意图；
图5是本发明实施例24、25折射率剖面结构示意图；
图6是本发明实施例13、14折射率剖面结构示意图；
图7是本发明实施例15折射率剖面结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-芯层，2-内包层，3-外包层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的弯曲不敏感单模光纤，包括由内而外依次排列的芯层、内包层、以及外包层；所述芯层、内包层、外包层的材质均为石英基质，光纤在常温下内包层和芯层都具有压应力；且内包层压应力的绝对值大于芯层压应力绝对值。
本发明所述芯层的半径为R1，所述内包层的半径为R2，设光纤横截面上任一点到光纤中心的距离为x，直径方向任一点的压应力绝对值为f，内包层应力的参量包括应力的数值、方向和位置。那么沿直径方向上由下式表示的内包层压应力积分值为F为0.7MPa·μm2以上且25MPa·μm2以下；
Figure BDA0002505718150000041
其中优选的F值为1.1MPa·μm2以上且12MPa·μm2以下；更优选的F值为2.1MPa·μm2以上且5.1MPa·μm2以下。
所述芯层，压应力的绝对值介于10MPa～40MPa之间，优选介于15MPa～35MPa之间；优选为掺杂有锗和/或氟、氯的石英玻璃组成；芯层锗的摩尔含量百分比为0到15mol％，优选2mol％到15mol％，更优选3mol％到7mol％；所述芯层的半径R1为3.5μm～4.5μm；
所述内包层，压应力的绝对值介于20MPa～50MPa之间，优选25MPa～45MPa之间；内包层为至少掺有氟的石英玻璃，其中氟的摩尔含量百分比为0到6mol％，优选0.3到3mol％，内包层为均质材料，或包含阶梯状分布的多个分层结构，或为渐变组成结构的材料；渐变组成包括掺杂元素含量线性变化、指数形式变化等多种形式；其半径R2为13μm～40μm，优选15μm～25μm。
所述外包层，其半径R3为62.5±0.5μm
所述芯层与内包层的相对折射率差Δ13的最大值取值范围是0.3％～1.4％，优选Δ13处于0.4％～0.96％，其中，
Figure BDA0002505718150000051
本发明提供的弯曲不敏感光纤在1625nm波长处，对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈弯曲附加损耗小于或等于0.1dB；对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.2dB；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于1.0dB；在1550nm波长处，对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈弯曲附加损耗小于或等于0.03dB；对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.1dB；对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.5dB；所述的光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。
在极限温度测试下：本发明提供的弯曲不敏感光纤在-65℃到85℃，1310nm～1625nm波长范围内的温度附加衰减小于0.02dB/km。
温度变化引起的附加衰减归结为，光纤受到来自轴线方向的拉伸或挤压，导致光纤的芯层受到沿着轴线或径向方向的应力作用，造成光功率的泄漏，表现为弯曲附加衰减增加。本发明在光纤芯层周围引入具有压应力分布的内包层结构，能够调节芯层光波电磁场的功率分布与限制能力，LP01模式以外的高阶模能够通过内包层结构迅速泄露，而内包层保持适度的压应力分布能够阻隔和缓冲外界温度和作用力对芯层的影响，从而大幅降低光纤在弯曲状态下的附加损耗，光纤对极端温度的适应性能较强，即光纤在极高温和极低温条件下保持弯曲不敏感性能，从而能够扩展光纤的应用温度条件。
本发明提供的弯曲不敏感单模光纤的纤芯为掺杂有锗和/或氟、氯的石英玻璃组成，相对于纯石英玻璃的外包层，芯层在熔融态下的粘度低，膨胀系数大。在拉丝冷却成型过程中，光纤各层从熔融态转变为粘弹态最后冷却至固态。粘弹态下的包层具有相对最高的粘度，在光纤的急速冷却过程中，外包层收缩持续向内挤压内包层和芯层，这种作用表现为冷却至常温后，光纤内包层和芯层表现出稳定的压应力，在本发明中这些应力通过FSA-100型应力分析仪定量检测，在检测图谱中，压应力为负值，张应力为正值。内包层的应力分布是影响芯层的主要因素，内包层对外界的温度变化、外力作用起到阻隔和缓冲的作用，对芯层提供保护，限制光功率的泄漏。理想的内包层应力结构能够最大限度地优化纤芯的温度附加衰减。
本发明一种弯曲不敏感单模光纤制造过程包括：将石英玻璃基质的光纤预制棒加热至粘弹态甚至熔融态，拉丝冷却成为光纤；拉丝速率在300米/分钟以上，优选500米/分钟以上；光纤从拉丝炉到达收线装置过程中经过强制冷却，冷却速率1050℃/s到8500℃/s，优选4450℃/s到8000℃/s。
在拉丝过程中，光纤在粘弹态下承受的沿光纤运动方向的张力为10MPa至77MPa，优选15MPa至45MPa，更优选20MPa至35MPa。
在拉丝冷却过程中，光纤的各个分层由粘弹态转化为固态，由拉丝张力造成的外包层和内包层残余应力大于3MPa。这种残余应力可以通过对光纤的热处理去除，但是在拉丝过程中保留下来的这一部分残余应力，对调节光纤内包层应力分布有利。
这些残余应力可以缓冲或抵消一部分外界温度变化造成的对光纤芯区的应力影响。残余应力的测试方法为，将同一批次光纤，取样进行热处理，其中一个热处理程序是，从将光纤以每分钟小于10℃的升温速率从常温缓慢升温至1100℃，保持30分钟，再缓慢降温至常温，降温速率小于10℃每分钟，更优地，小于10℃每分钟。将经过热处理与未经热处理的光纤，用FSA-100型热应力分析仪进行应力测量并比对，可测出残余应力的差值。
以下为实施例：
实施例1
第一批次弯曲不敏感单模光纤，通过PCVD工艺制备芯棒，用OVD法沉积内包层和外包层，烧结熔缩成光纤预制棒，芯层为掺锗的石英玻璃，内包层为掺氟的阶梯状多层结构石英玻璃，如附图3、6、7所示。在1700℃～2300℃的高温下，将石英玻璃基质的光纤预制棒加热至熔融态，拉丝冷却定形成为光纤；拉丝速率在1000米/分钟以上；光纤从拉丝炉到达收线装置过程中经过氦气强制冷却，冷却速率4450℃/s到8500℃/s。拉丝过程中，光纤在粘弹态下承受的沿光纤运动方向的拉丝张力为11MPa至45MPa，该拉丝张力等于拉丝过程中祼光纤承受的拉力与光纤截面积的比值。冷却过程中，光纤的应力区和包层由粘弹态转化为固态，通过FSA-100应力分析仪测量可知由拉丝张力造成的内包层和外包层残余应力大于3MPa，这种残余应力可以通过对光纤的热处理去除，但是在拉丝过程中保留下来的这一部分残余应力，对调节光纤内包层应力分布有利。(由于在应力分析仪图谱中，张应力为正值，压应力为负值，以下表格所述应力值均为绝对值)
Figure BDA0002505718150000071
Figure BDA0002505718150000081
实施例2
第二批次弯曲不敏感单模光纤，通过VAD工艺制备芯棒，用OVD法沉积内包层和外包层，烧结熔缩成光纤预制棒，芯层为掺锗的石英玻璃，内包层为掺氟的渐变结构石英玻璃，如附图4、5所示。在1700℃～2300℃的高温下，将石英玻璃基质的光纤预制棒加热至熔融态，拉丝冷却定形成为光纤；拉丝速率在500米/分钟以上；光纤从拉丝炉到达收线装置过程中经过干冰吹扫强制冷却，冷却速率3000℃/s到5500℃/s。拉丝过程中，光纤在粘弹态下承受的沿光纤运动方向的拉丝张力为11MPa至45MPa，该拉丝张力等于拉丝过程中祼光纤承受的拉力与光纤截面积的比值。冷却过程中，光纤的应力区和包层由粘弹态转化为固态，通过FSA-100应力分析仪测量可知由拉丝张力造成的内包层和外包层残余应力大于3MPa，这种残余应力可以通过光纤的热处理去除，但是在拉丝过程中保留下来的这一部分残余应力，对调节光纤内包层应力分布有利。
Figure BDA0002505718150000082
Figure BDA0002505718150000091
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，包括由内至外依次排列的芯层、内包层、以及外包层，所述内包层具有压应力，其压应力的绝对值大于芯层压应力；
其芯层压应力的绝对值介于10MPa～40MPa之间；其内包层压应力的绝对值介于20MPa～50MPa之间；
所述芯层的半径为R1，所述内包层的半径为R2，R2为15μm～25μm，设光纤横截面上任一点到光纤中心的距离为x，直径方向任一点的压应力绝对值为f，那么沿直径方向上由下式表示的内包层压应力积分值为F为0.7MPa·μm2以上且25MPa·μm2以下；
Figure FDA0003815412990000011
2.如权利要求1所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，所述光纤在室温下其芯层具有压应力，且其芯层压应力的绝对值介于15MPa～35MPa之间。
3.如权利要求1所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，所述光纤在室温下其内包层具有压应力，且其内包层压应力的绝对值介于25MPa～45MPa之间。
4.如权利要求1所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，F值为1.1MPa·μm2以上且12MPa·μm2以下。
5.如权利要求4所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，F值为2.1MPa·μm2以上且5.1MPa·μm2以下。
6.如权利要求1至5任意一项所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，所述芯层为含有锗的石英玻璃，芯层锗的摩尔含量百分比为2～15mol％。
7.如权利要求6所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，芯层锗的摩尔含量百分比为3～7mol％。
8.如权利要求1至5任意一项所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，所述内包层为至少掺有氟的石英玻璃，其中氟的摩尔含量百分比为0到6mol％。
9.如权利要求8所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，内包层中氟的摩尔含量百分比为0.3到3mol％。
10.如权利要求1至5任意一项所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，所述芯层的半径R1为3.5μm～4.5μm。
11.如权利要求1至5任意一项所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，所述的光纤在1625nm波长处，
对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈弯曲附加损耗小于或等于0.1dB；
对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.2dB；
对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于1.0dB；
在1550nm波长处，
对于围绕15毫米弯曲半径绕10圈弯曲附加损耗小于或等于0.03dB；
对于围绕10毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.1dB；
对于围绕7.5毫米弯曲半径绕1圈弯曲附加损耗小于或等于0.5dB。
12.如权利要求1至5任意一项所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，所述的光纤具有小于或等于1260nm的光缆截止波长。
13.如权利要求1至5任意一项所述的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于，所述的光纤在-65℃到85℃，1310nm～1625nm波长范围内的温度附加衰减小于0.02dB/km。
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