CN115951445B - 抗弯曲高耐压光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种抗弯曲高耐压光纤及其制备方法，涉及光纤技术领域，其用于解决现有光纤在微弯曲状态下的附加损耗增加明显，并使光纤信号的衰减增大的技术问题。该光纤包括由内向外依次且同心设置的芯层、包层及涂层；芯层掺杂锗，包层掺杂有锗和/或氟；包层包括依次设置的内包层、凹陷层及外包层，任意两者之间的杨氏模量差异小于3%、泊松比差异小于0.5%；涂层包括内涂覆层和外涂覆层，内涂覆层、外涂覆层之间泊松比差异小于5%；内涂覆层的杨氏模量设定在0.3～0.5MPa之间，热膨胀系数设定在60～70×10^‑5/℃之间，外涂覆层的杨氏模量设定在500～800MPa之间，热膨胀系数设定在5～7×10^‑5/℃之间。本申请提供的光纤，适用于深海通信。

Description

抗弯曲高耐压光纤及其制备方法

技术领域

本申请涉及光纤技术领域，尤其涉及一种抗弯曲高耐压光纤及其制备方法。

背景技术

深海通信技术是海洋经济发展的关键基础科学，相对于传统的电磁波、水声通信，采用光纤微缆作为通信载体，实现深潜器与母船之间的高速、大容量、高清通信是优选技术途径。

目前全海深无人潜水器的最大工作深度达11000米，在此深度下的压强达110MPa以上，且光纤微缆会受到因弯曲缠绕、横向不均匀的侧向压力而引起随机微弯振荡等的影响，导致光纤在微弯曲状态下的附加损耗增加明显，并使光纤信号的衰减增大，存在造成通信信号中断的风险，降低了深海通信的可靠性。

发明内容

鉴于上述问题，本申请实施例提供一种抗弯曲高耐压光纤及其制备方法，其能够降低光纤在微弯曲状态下的附加损耗，并使光纤信号衰减降低，从而降低通信信号中断的风险，提升了深海通信的可靠性。

为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：

本申请实施例第一方面提供了一种抗弯曲高耐压光纤，包括由内向外依次且同心设置的芯层、包层及涂层；所述芯层掺杂锗，所述包层掺杂有锗和/或氟，以调整所述芯层与所述包层之间的相对折射率差；所述包层包括由内至外依次设置的内包层、凹陷层及外包层，任意两者之间的杨氏模量差异小于3%、泊松比差异小于0.5%；所述芯层至所述凹陷层范围内的残余应力为压缩应力，且所述压缩应力的应力绝对值小于等于60MPa，所述芯层的应力绝对值小于所述内包层的应力绝对值，所述内包层的应力绝对值小于所述凹陷层的应力绝对值；所述涂层包括内涂覆层和外涂覆层，所述内涂覆层的泊松比大于所述外涂覆层的泊松比，且两者之间的泊松比差异小于5%；所述内涂覆层的杨氏模量设定在0.3～0.5MPa之间，热膨胀系数设定在60～70×10^-5/℃之间，所述外涂覆层的杨氏模量设定在500～800MPa之间，热膨胀系数设定在5～7×10^-5/℃之间。

在一种可选的实施例中，所述芯层掺杂GeO₂的浓度范围设定在10～15%之间；所述内包层掺杂GeO₂的浓度范围设定在0.5～2%之间，其掺氟的浓度范围设定在0.2～0.5%之间；所述凹陷层掺氟的浓度范围设定在0.5～1.5%之间。

在一种可选的实施例中，所述光纤的剖面结构呈圆环状，所述芯层的半径R₀设定在2.5～4μm之间，所述芯层相对所述外包层的折射率差△1设定在0.8～1.2%之间；所述内包层的宽度R₁-R₀设定在2.5～6μm之间，所述内包层相对所述外包层折射率差△2设定在-0.3～0.1%之间；所述凹陷层的宽度R₂-R₁设定在3～8μm之间，所述凹陷层相对所述外包层的折射率差△3设定在-0.3～-1.0%之间；所述外包层为纯石英玻璃，其折射率为0。

在一种可选的实施例中，所述光纤在1550nm波长处的衰减系数小于等于0.28dB/km；以及所述光纤在弯曲直径7.5mm，卷绕成1圈的条件下，1550nm波长处宏弯损耗小于等于0.01dB；所述光纤在110MPa水下压强下，1550nm波长处的附加衰减系数小于等于0.01dB/km。

在一种可选的实施例中，所述外涂覆层的摩擦系数范围设定在0.3～0.4之间。

在一种可选的实施例中，所述光纤及所述包层所形成的裸光纤，其直径为125±1μm；其中，所述内涂覆层的直径为195±10μm，所述外涂覆层的直径为245±10μm；或者，所述内涂覆层的直径为160±5μm，所述外涂覆层的直径为195±10μm。

在一种可选的实施例中，所述光纤连续筛选强度达150KPsi以上。

本申请实施例第二方面提供了一种抗弯曲高耐压光纤的制备方法，包括以下步骤：

提供光纤预制棒，所述光纤预制棒包括同心设置的芯层和包层，其中所述包层包括依次设置内包层、凹陷层以及外包层，所述芯层掺杂GeO₂的浓度范围设定在10～15%之间，所述内包层掺杂GeO₂的浓度范围设定在0.5～2%之间，其掺氟的浓度范围设定在0.2～0.5%之间，所述凹陷层掺氟的浓度范围设定在0.5～1.5%之间；

对所述光纤预制棒进行牵引拉丝，以形成裸光纤；其中牵引速度与所述包层直径的关系满足：

R₁为实际包层直径，R₀为目标包层直径，α为修正系数，其中修正系数与拉丝温度、光纤预制棒的棒径大小及材质有关，α的取值范围为0.2～2，V₁是实际牵引速度，V₀为设置目标牵引速度；

在所述裸光纤上形成涂层，所述涂层包括内涂覆层以及外涂覆层。

在一种可选的实施例中，在对所述光纤预制棒进行牵引拉丝，以形成裸光纤的步骤还包括：

向所述光纤预制棒所在的拉丝炉内提供惰性保护气体，所述拉丝炉进气方式配置为下部进气、上部进气以及中上部出气，且所述下部进气的流量与所述上部进气的流量之比设定为4～6:1。

在一种可选的实施例中，所述在所述裸光纤上形成涂层的步骤包括：

所述裸光纤冷却后，将内层树脂、外层树脂依次覆在所述裸光纤的表面，且涂覆压力设定在0.05～0.3MPa之间，所述内层树脂的涂覆粘度设定在2500～4000mPa.s，所述外层树脂的涂覆粘度设定在1500～3000mPa.s；

对所述内层树脂、所述外层树脂分别进行紫外光固化，以分别形成所述内涂覆层和所述外涂覆层；

所述内层树脂的固化功率设定在0.5~2KW之间，所述外层树脂的固化功率设定在1~3KW之间；

所述内层树脂、所述外层树脂获得的紫外光辐照能量达400~600mJ/cm²。

在一种可选的实施例中，所述在所述裸光纤上形成涂层的步骤包括：采用显微3D深度合成方式，在显微镜观察下，校正涂覆模具各微孔同心度，且所述涂覆模具的出口模孔与其进口模孔中心之间的同心度的偏差不大于1μm。

与相关技术相比，本申请实施例提供的光纤及其制备方法，具有以下优点：

本申请实施例提供的光纤，其包括由内及外依次设置的芯层、内包层、凹陷层、外包层、内涂覆层以及外涂覆层；其通过采用包层凹陷结构设计，以及选择合适的芯层与包层相对折射率差、芯层直径、掺杂比例，以能够在保持减低衰减水平的同时，提升光纤的抗弯曲能力。

需要说明的是，光纤在弯曲时会由于芯层中的传导模泄漏到包层中，导致损耗增加，并且弯曲半径越小，损耗越大。光纤抗弯曲设计一方面可以通过减小芯层直径防止传导模的泄漏；另一方面可通过在芯层***增加凹陷层、增加芯层与包层的相对折射率差来提升光纤导波约束能力，减少弯曲状态的光信号损耗。芯层掺GeO₂来提升其折射率，但是Ge的掺杂会减弱硅氧键的作用，微缺陷造成芯层瑞利散射增加，通过调整合适的芯层直径和GeO₂掺杂浓度，使衰减系数控制在较低水平。

再者，本申请实施例通过控制芯层、内包层、凹陷层及外包层之间的杨氏模量、泊松比差异，内涂覆层与外涂覆层之间的泊松比的差异，其能够降低外界应力向芯层不均匀传递，进而降低光纤对微弯曲的敏感性，以提升光纤抵抗高压、侧向微应变的能力。

进一步地，芯层、内包层、凹陷层掺锗和/或氟，掺杂均可减弱硅氧键的作用，高温下SiO₂化学键更容易断裂，因此降低玻璃粘度。在同一温度下，外包层粘度相对较高，在一定张力拉丝下，玻璃纤维冷却后外包层部分残留拉伸应力，凹陷层以内部分石英偏软、杨氏模量略低，在外包层挤压作用下残留为压缩应力。如此设置，压缩应力的存在有利于阻止微裂纹的扩展，提升光纤在高压力下的衰减稳定性。

本申请实施例中可采用光纤双折射应力测量方法测试光纤内部的应力大小，由于掺杂浓度的不同，压缩应力绝对值大小关系为芯层的应力绝对值＜内包层的应力绝对值＜凹陷层的应力绝对值，并且芯层至凹陷层范围内的应力绝对值控制不大于60MPa。如此设置，能够减小外包层与凹陷层以内之间的应力差异，避免外包层与凹陷层粘度差所引起的附加衰减现象，可进一步提升光纤在高压力下的衰减稳定性。

示例性地，根据光纤微弯损耗影响因素分析，建立的微弯损耗模型为以下公式，

式中N为速记微弯个数，h为微弯突起平均高度，<·>为统计平均符号，b为光纤外半径，a为芯层半径，E为涂层杨氏模量，E_f为包层的杨氏模量。因此降低微弯曲损耗的有效办法是减小芯层半径和增加芯层与包层相对折射率差，采用低模量涂层材料也有利于改善微弯曲损耗。

当光纤受到外部压力时，由于光弹效应，其材料的轴向和径向折射率会发生变化，从而影响传输衰减系数大小。材料的杨氏模量、泊松比、热膨胀系数等是与材料应变相关的关键参数，影响光弹效应强弱。当外部环境变化或应力作用时，从涂层到纤芯逐层传递应力应变，控制纤芯至包层之间的泊松比、杨氏模量差异量，可以减少因应变不均匀导致物质结构的各向异性，从而引起光学各向异性，产生附加损耗，造成光纤耐压能力下降。

进一步地，内涂覆层、外涂覆层的树脂材料控制合适的热膨胀系数范围，有利于提升光纤抗环境变化的能力。结合光纤凹陷层光学结构参数设计，综合提升光纤的抗侧压、抗弯曲能力。

如此设置，可降低光纤线缆受到因弯曲缠绕、横向不均匀的侧向压力而引起随机微弯振荡等的影响，导致光纤在微弯曲状态下的附加损耗增加下降，并使光纤信号的衰减降低，从而降低造成通信信号中断的风险，保证了深海通信的可靠性。

除了上面所描述的本公开实施例解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本公开实施例提供的抗弯曲高耐压光纤及其制备方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的抗弯曲高耐压光纤的剖面结构示意图；

图2为本申请实施例提供的芯层与包层之前的折射率差的示意图；

图3为本申请实施例提供的抗弯曲高耐压光纤的制备方法流程示意图。

附图标记说明：

10-芯层；

20-包层；

21-内包层； 22-凹陷层； 23-外包层；

30-涂层；

31-内涂覆层； 32-外涂覆层。

具体实施方式

正如背景技术所述，光纤应用于深海通信时，其在微弯曲状态下的附加损耗增加明显，致使光纤信号的衰减增大，存在造成通信信号中断的风险，降低了深海通信的可靠性的问题。经发明人研究发现，出现这种问题的原因在于，光纤应用于深海通信时，光纤会受到因弯曲缠绕、横向不均匀的侧向压力而引起随机微弯振荡等的影响，由于其对微弯曲的敏感性较大，因此导致器在微弯曲状态下的附加损耗增加明显。

针对上述技术问题，本申请实施例提供了一种抗弯曲高耐压光纤及其制备方法，通过采用包层凹陷结构设计，以及选择合适的芯层与包层相对折射率差、芯层直径、掺杂比例，以能够在保持减低衰减水平的同时，提升光纤的抗弯曲能力。

进一步地，通过控制芯层、内包层、凹陷层及外包层之间的杨氏模量、泊松比差异，内涂覆层与外涂覆层之间的泊松比的差异，其能够降低外界应力向芯层不均匀传递，进而降低光纤对微弯曲的敏感性，以提升光纤抵抗高压、侧向微应变的能力。

如此设置，可降低光纤线缆受到因弯曲缠绕、横向不均匀的侧向压力而引起随机微弯振荡等的影响，导致光纤在微弯曲状态下的附加损耗增加下降，并使光纤信号的衰减降低，从而降低造成通信信号中断的风险，保证了深海通信的可靠性。

为了使本申请实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本申请保护的范围。

如图1所示，本申请实施例提供了一种抗弯曲高耐压光纤，抗弯曲高耐压光纤可以是单模光纤，其剖面结构整体呈圆环状，光纤包括由内向外依次且同心设置的芯层10、包层20和涂层30，即芯层10位于光纤的中心，以芯层10为中心向外依次设置有包层20和涂层30，涂层30位于光纤的最外侧。

进一步的，本申请实施例中的包层20包括由内及外依次设置的内包层21、凹陷层22以及外包层23，内包层21敷设在芯层10的外表面，外包层23被涂层30所覆盖，涂层30包括内涂覆层31和外涂覆层32，外涂覆层32敷设在内涂覆层31的外表面上。换言之，光纤由内向外依次设置有芯层10、内包层21、凹陷层22、外包层23、内涂覆层31和外涂覆层32。

本申请实施例中芯层10掺杂锗，例如芯层10掺杂有二氧化锗（GeO₂），并且其掺杂的浓度范围设定在10～15%之间。如此设置，在芯层10中掺杂二氧化锗，能够提升光纤的折射率；然而由于二氧化锗浓度增加会导致瑞利散射的增强，从而使得光纤衰耗增加，因此本申请实施例中将芯层10掺杂二氧化锗的浓度范围设定在10～15%之间，在增大光纤芯层与包层之间的相对折射率差的同时，还能够保证光纤保持较低衰减水平。

进一步地，本申请实施例中包层掺杂有锗和/或氟，例如内包层21掺杂二氧化锗（GeO₂），其掺杂的浓度范围设定在0.5～2%之间，其掺杂氟（F）的浓度范围设定在0.2～0.5%。凹陷层22掺杂氟（F），其掺杂的浓度范围设定在0.5～1.5%之间

如此设置，在凹陷层22、内包层21内掺杂氟，降低相对折射率差，设计光学凹陷结构可以约束传导模的泄漏，能够增强光纤的弯曲不敏感性；然而由于掺氟会降低内包层21、凹陷层22的粘度，掺氟量的增加会导致光纤芯层10与内包层21之间的粘度失配以及内包层21与凹陷层22之间的粘度失配，从而使得光纤衰耗增加；因此，本申请实施例将内包层21的掺氟浓度范围设定在0.5～2%之间，凹陷层22的掺氟浓度范围设定在0.5～1.5%之间，不仅能够提升光纤的抗弯曲能力，而且还能使光纤保持较低衰减水平。

在上述实施例的基础上，本申请实施例提供的包层20中，其各层之间的杨氏模量差异小于3%，泊松比差异小于0.5%，也就是说在内包层21、外包层23以及凹陷层22中，任意两个层之间的杨氏模量差异小于3%，泊松比差异小于0.5%；同时芯层10至凹陷层22范围内的残余应力配置为压缩应力，且压缩应力的应力绝对值小于等于60MPa，芯层10的应力绝对值小于内包层21的应力绝对值，内包层21的应力绝对值小于凹陷层22的应力绝对值。

再者，本申请实施例提供的涂层30中，内涂覆层31的杨氏模量设定在0.3～0.5MPa之间，热膨胀系数设定在60～70×10^-5/℃之间，外涂覆层32的杨氏模量设定在500～800MPa之间，热膨胀系数设定在5～7×10^-5/℃之间；并且内涂覆层31与外涂覆层32之间泊松比差异小于5%。

需要说明的是，根据光纤微弯损耗影响因素分析，建立的微弯损耗模型为以下公式，

式中N为速记微弯个数，h为微弯突起平均高度，<·>为统计平均符号，b为光纤外半径，a为芯层半径，E为涂层杨氏模量，E_f为包层的杨氏模量。因此降低微弯曲损耗的有效办法是减小芯层半径和增加芯层与包层相对折射率差，采用低模量涂层材料也有利于改善微弯曲损耗。

当光纤受到外部压力时，由于光弹效应，其材料的轴向和径向折射率会发生变化，从而影响传输衰减系数大小。材料的杨氏模量、泊松比、热膨胀系数等是与材料应变相关的关键参数，影响光弹效应强弱。

综上，与现有技术相比，本申请实施例通过控制内涂覆层31、外涂覆层32之间的泊松比的差异，其能够降低外界应力向芯层10不均匀传递，进而降低光纤对微弯曲的敏感性，以提升光纤抵抗高压、侧向微应变的能力。

当外部环境变化或应力作用时，从外涂覆层32到芯层10逐层传递应力应变，控制芯层10至外包层23之间玻璃的泊松比、杨氏模量差异量，可以减少因应变不均匀导致物质结构的各向异性，从而引起光学各向异性，产生附加损耗，造成光纤耐压能力下降。内涂覆层以及外涂覆层的树脂材料控制合适的热膨胀系数范围，有利于提升光纤抗环境变化的能力。结合光纤的凹陷层光学结构参数设计，综合提升光纤的抗侧压、抗弯曲能力。

如此设置，可降低光纤线缆受到因弯曲缠绕、横向不均匀的侧向压力而引起随机微弯振荡等的影响，导致光纤在微弯曲状态下的附加损耗增加下降，并使光纤信号的衰减降低，从而降低造成通信信号中断的风险，保证了深海通信的可靠性。

如图2所示，在上述实施例的基础上，光纤的剖面结构形状呈圆环状，并且芯层10与涂层30所形成的裸光纤其直径为125±1μm；在一种类型光纤中，内涂覆层31的直径为195±10μm，外涂覆层32的直径为245±10μm；在另一种光纤类型中，内涂覆层31的直径为160±5μm，外涂覆层32的直径为195±10μm。

进一步地，本申请实施例将芯层10半径R₀设定在2.5～4μm之间，并且芯层10相对外包层23的折射率差△1控制在0.8～1.2%之间。需要说明的是，外包层23为纯石英玻璃，且其折射率为0。内包层21宽度R₁-R₀设定在2.5～6μm之间，内包层21相对外包层23折射率差△2控制在-0.3～0.1%之间；凹陷层22宽度R₂-R₁设定在3～8μm之间，凹陷层22相对外包层23的折射率差△3控制在-0.3～-1.0%之间。

如此设置，本申请实施例提供的光纤在1550nm波长处的衰减系数小于0.28dB/km；以及，光纤在其弯曲直径7.5mm且缠绕1圈的条件的情况下，其在1550nm波长处宏弯损耗小于等于0.01dB；以及，光纤在110MPa水下压强下，1550nm波长处的附加衰减系数不大于0.01dB/km。

在上述实施例的基础上，本申请实施例中的外涂覆层32的摩擦系数范围设定在0.3～0.4之间，如此设置，可增大外涂覆层32的表面摩擦力，以增大后续再涂覆涂层30的附着力。

如图3所示，本申请实施例还提供了一种抗弯曲高耐压光纤的制备方法，包括以下步骤：

步骤S100：提供光纤预制棒。

具体地，本申请实施例中提供的光纤预制棒包括同心设置的芯层10和包层20，其中包层20包括依次设置内包层21、凹陷层22以及外包层23。在形成光纤预制棒的过程中，需要对芯层10进行掺杂锗，例如芯层10掺杂GeO₂的浓度范围设定在10～15%之间。

以及，在形成光纤预制棒的过程中，对包层20选择性掺杂氟和/或锗，例如内包层21掺杂GeO₂的浓度范围设定在0.5～2%之间，其掺氟的浓度范围设定在0.2～0.5%；凹陷层22掺氟的浓度范围设定在0.5～1.5%之间。

如此设置，芯层10、内包层21、凹陷层22、外包层23中任意两者之间的杨氏模量差异小于3%，泊松比差异小于0.5%，以减小外界应力向芯层10的传递，降低外界应力对芯层10折射率的影响。

步骤S200:对光纤预制棒进行牵引拉丝，以形成裸光纤。

具体地，光纤预制棒进入拉丝炉内，经过高温熔融软化，并进行牵引拉丝，以形成裸光纤。在拉丝过程中通过送棒速度、拉丝炉温、丝径仪监测、牵引速度协同控制包层直径。

例如，本申请实施例采用低速稳速牵引方式，牵引速度300～1500m/min。以包层直径为基准，通过调节牵引速度控制包层直径，根据包层直径大小，非线性调节牵引速度，牵引速度与包层直径的关系为公式：

其中：R₁为实际包层直径，R₀为目标包层直径，α为修正系数，修正系数与光纤预制棒的棒径大小、光纤预制棒类型材质、拉丝温度（拉丝炉的炉温）等有关，α范围为0.2～2。V₁是实际牵引速度，V₀为设置目标牵引速度，其单位m/min。如此可以灵活、精确调整牵引速度，降低速度波动幅度至10m/min以内。

进一步的，在光纤拉丝过程中，丝径仪信号采集频率在2000～3000次/秒，每100个采集点取平均值，输出光纤直径信号，根据光纤直径信号反馈实时调节牵引速度，使包层直径波动在正负1μm以内，包层直径标准偏差不大于0.2μm。

进一步地，在光纤拉丝过程采用恒张力控制方式，控制拉丝炉温波动在正负5℃以内，采用非接触张力仪采集包层的张力信号，反馈至主控机，通过牵引速度、炉内温度等协调控制拉丝张力波动在正负3g以内。如此设置，可防止张力波动导致光纤内部应力分布不均匀的情况，使光纤保持较低的衰减和良好的衰减均匀性。

步骤S300：在裸光纤上形成涂层30，涂层30包括内涂覆层31以及外涂覆层32。

具体地，一种实施方式中，在裸光纤冷却后，在裸光纤的表面涂覆内层树脂后，可采用湿对湿方式在内层树脂的表面涂覆外层树脂；之后，对内层树脂和外层树脂进行紫外光固化，以在裸光纤的表面依次形成内涂覆层31和外涂覆层32。

优选地，在另一种实施方式中，在裸光纤冷却之后，可在裸光纤的表面涂覆内层树脂，并且内层树脂固化后形成内涂覆层31。进一步地，采用湿对干的涂覆方式，在内涂覆层31的表面涂覆外层树脂，并且内层树脂固化后形成外涂覆层32。

需要说明的是，无论采用湿对湿涂覆方式或者湿对干方式，上述涂覆过程中供料***、涂覆管道和杯体均采用水浴恒温加热方式，以保证树脂流动稳定性，以排出气泡；以及，在涂覆过程中，涂覆压力设定在0.05～0.3MPa之间，内层树脂涂覆粘度在2500～4000mPa.s，内层树脂涂覆粘度在1500～3000mPa.s。

在对内层树脂、外层树脂进行紫外光固化过程中，利用紫外灯发出的紫外光进行固化，内层树脂固化功率在0.5～2KW，外层树脂固化功率在1～3KW。进一步地，内层树脂、外层树脂获得的紫外光辐照能量达400～600mJ/cm²，控制涂层30固化程度在90～95%，外涂覆层32的摩擦系数设定在0.3～0.4之间为宜，即保证涂层30固化充分，又利于后续再涂覆涂层30的附着。

在上述实施例的基础上，本申请实施例提供的抗弯曲高耐压光纤的制备方法中，在裸光纤上形成涂层30的步骤中包括利用涂覆模具在裸光纤上形成涂层30，且涂覆模具的出口模孔与其进口模孔中心之间的同心度的偏差不大于1μm。

具体地，本申请实施例提供的涂覆模具设置有相对的出口模孔和进口模孔，且出口模孔和进口模孔在涂覆模具上的位置可调。例如，涂覆模具靠近出口模孔和进口模孔的位置分别设置有止定螺丝，并采用显微3D深度合成方式，在显微镜观察下，通过调整止定螺丝，精确校正涂覆模具微孔同心度，使出口模孔与进口模孔中心之间的同心度不大于1μm。如此设置，可有效保证内涂覆层31、外涂覆层32与包层20之间的同心度，优化涂层30均匀性，对于改善微弯损耗起到有益效果。

进一步地，本申请实施例提供的光纤的制备方法中，在对光纤预制棒进行牵引拉丝，以形成裸光纤的步骤还包括：向光纤预制棒所在的拉丝炉内提供惰性保护气体。

具体地，拉丝炉设计成主下部进气、上部进气、中上部出气的方式，并在光纤拉丝过程中通入氩（Ar）气等惰性气体，下部进气的流量与上部进气的流量之比设定为4～6:1之间，炉内气体总流量在15~30L/min。

拉丝炉的炉口、加热中心管、加热径缩管、支撑底座、至退火管的内径尺寸依次逐渐减小，并且加热中心管与退火管之间的内径比例范围设定为2.5～4:1。加热中心管的下边缘至支撑底座上边缘之间的内径设计为平滑过渡形式，保证拉丝炉的炉内热场分布均匀，充分释放内应力。

在支撑底座与退火管之间设计有环形气流引导槽，多通道均匀进气使下部气流稳定上升，将炉灰等杂质带到炉体上部。进一步地，在上保护装置与炉体之间设置有出气孔，使炉灰充分排出。如此设置，可减少炉灰与裸光纤之间的接触，避免微裂纹的产生，有效保证光纤强度。

通过本申请实施例提供的抗弯曲高耐压光纤的制备方法所制备的光纤，不同长度的光纤，对应的芯层10、包层20和涂层30的结构参数及性能如下：

如下表所示，本申请实施例中的光纤的包层直径125±1μm，类型可以为内涂覆层直径195±10μm，外涂覆层直径245±10μm；或者内涂覆层直径160±5μm，外涂覆层直径195±10μm。如此，光纤连续制造段长在40km以上，连续筛选强度可达150KPsi以上。光纤在1550nm波长处的衰减系数小于0.28dB/km。弯曲直径7.5mm，缠绕1圈的条件下，1550nm波长处宏弯损耗小于等于0.01dB，以及光纤在110MPa水下压强下，1550nm波长处的附加衰减系数不大于0.01dB/km。

本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。

一般而言，应当至少部分地由语境下的使用来理解术语。例如，至少部分地根据语境，文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数的意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数的意义的特征、结构或特性的组合。类似地，至少部分地根据语境，还可以将诸如“一”或“所述”的术语理解为传达单数用法或者传达复数用法。

应当容易地理解，应当按照最宽的方式解释本公开中的“在……上”、“在……以上”和“在……之上”，以使得“在……上”不仅意味着“直接处于某物上”，还包括“在某物上”且其间具有中间特征或层的含义，并且“在……以上”或者“在……之上”不仅包括“在某物以上”或“之上”的含义，还可以包括“在某物以上”或“之上”且其间没有中间特征或层(即，直接处于某物上)的含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种抗弯曲高耐压光纤，其特征在于，所述光纤包括由内向外依次且同心设置的芯层、包层及涂层；

所述芯层掺杂锗，所述包层掺杂有锗和/或氟，以调整所述芯层与所述包层之间的相对折射率差；

所述包层包括由内至外依次设置的内包层、凹陷层及外包层，任意两者之间的杨氏模量差异小于3%、泊松比差异小于0.5%；所述芯层至所述凹陷层范围内的残余应力为压缩应力，且所述压缩应力的应力绝对值小于等于60MPa，所述芯层的应力绝对值小于所述内包层的应力绝对值，所述内包层的应力绝对值小于所述凹陷层的应力绝对值；

所述涂层包括内涂覆层和外涂覆层，所述内涂覆层的泊松比大于所述外涂覆层的泊松比，且两者之间的泊松比差异小于5%；所述内涂覆层的杨氏模量设定在0.3～0.5MPa之间，热膨胀系数设定在60～70×10^-5/℃之间，所述外涂覆层的杨氏模量设定在500～800MPa之间，热膨胀系数设定在5～7×10^-5/℃之间。

2.根据权利要求1所述的抗弯曲高耐压光纤，其特征在于，所述芯层掺杂GeO₂的浓度范围设定在10～15%之间；

所述内包层掺杂GeO₂的浓度范围设定在0.5～2%之间，其掺氟的浓度范围设定在0.2～0.5%；

所述凹陷层掺氟的浓度范围设定在0.5～1.5%之间。

3.根据权利要求1所述的抗弯曲高耐压光纤，其特征在于，所述光纤的剖面结构呈圆环状，所述芯层的半径R₀设定在2.5～4μm之间，所述芯层相对所述外包层的折射率差△1设定在0.8～1.2%之间；

所述内包层的宽度R₁-R₀设定在2.5～6μm之间，所述内包层相对所述外包层折射率差△2设定在-0.3～0.1%之间；

所述凹陷层的宽度R₂-R₁设定在3～8μm之间，所述凹陷层相对所述外包层的折射率差△3设定-0.3～-1.0%之间；

所述外包层为纯石英玻璃，其折射率为0。

4.根据权利要求3所述的抗弯曲高耐压光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm波长处的衰减系数小于等于0.28dB/km；以及

所述光纤在弯曲直径7.5mm且卷绕成1圈的条件下，1550nm波长处宏弯损耗小于等于0.01dB；

所述光纤在110MPa水下压强下，1550nm波长处的附加衰减系数小于等于0.01dB/km。

5.根据权利要求4所述的抗弯曲高耐压光纤，其特征在于，所述外涂覆层的摩擦系数范围设定在0.3～0.4之间。

6.根据权利要求4所述的抗弯曲高耐压光纤，其特征在于，所述芯层及所述包层所形成的裸光纤，其直径为125±1μm；

其中所述内涂覆层的直径为195±10μm，所述外涂覆层的直径为245±10μm；或者，所述内涂覆层的直径为160±5μm，所述外涂覆层的直径为195±10μm。

7.一种抗弯曲高耐压光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供光纤预制棒，所述光纤预制棒包括同心设置的芯层和包层，其中所述包层包括依次设置内包层、凹陷层以及外包层，所述芯层掺杂GeO₂的浓度范围设定在10～15%之间，所述内包层掺杂GeO₂的浓度范围设定在0.5～2%之间，其掺氟的浓度范围设定在0.2～0.5%之间，所述凹陷层掺氟的浓度范围设定在0.5～1.5%之间；

对所述光纤预制棒进行牵引拉丝，以形成裸光纤；其中牵引速度与所述包层直径的关系满足：，R₁为实际包层直径，R₀为目标包层直径，α为修正系数，其中修正系数与拉丝温度、光纤预制棒的棒径大小及材质有关，α的取值范围为0.2～2，V₁是实际牵引速度，V₀为设置目标牵引速度；

在所述裸光纤上形成涂层，所述涂层包括内涂覆层以及外涂覆层。

8.根据权利要求7所述的抗弯曲高耐压光纤的制备方法，其特征在于，

对所述光纤预制棒进行牵引拉丝，以形成裸光纤的步骤还包括：

向所述光纤预制棒所在的拉丝炉内提供惰性保护气体，所述拉丝炉进气方式配置为下部进气、上部进气、中上部出气，且所述下部进气的流量与所述上部进气的流量之比设定为4～6:1。

9.根据权利要求7所述的抗弯曲高耐压光纤的制备方法，其特征在于，在所述裸光纤上形成涂层的步骤包括：

所述裸光纤冷却后，将内层树脂、外层树脂依次覆在所述裸光纤的表面，且涂覆压力设定在0.05～0.3MPa之间，所述内层树脂的涂覆粘度设定在2500～4000mPa.s，所述外层树脂的涂覆粘度设定在1500～3000mPa.s；

对所述内层树脂、所述外层树脂分别进行紫外光固化，以分别形成所述内涂覆层和所述外涂覆层；

所述内层树脂的固化功率设定在0.5~2KW之间，所述外层树脂的固化功率设定在1~3KW之间；

所述内层树脂、所述外层树脂获得的紫外光辐照能量达400~600mJ/cm²。

10.根据权利要求7所述的抗弯曲高耐压光纤的制备方法，其特征在于，在所述裸光纤上形成涂层的步骤包括：

采用显微3D深度合成方式，并在显微镜观察下，校正涂覆模具各微孔同心度，且所述涂覆模具的出口模孔与其进口模孔中心之间的同心度的偏差不大于1μm。

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