CN116594100B - 一种弯曲不敏感光纤及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弯曲不敏感光纤及其制造方法，包括：内芯、内包层和外包层，其中，沿所述内包层的轴向延伸方向，在所述内包层的外壁上开设有多段不连续的凹槽，所述外包层紧套包覆在内包层外，所述内包层和外包层贴合封闭所述凹槽，形成多段不连续的密封空腔结构，在所述密封空腔结构中填充保护气体。本发明在内包层和外包层之间设置多段不连续的密封空腔结构，能有效的将光信号束缚在纤芯内，显著减少光信号传输时的弯曲损耗，同时，在密封空腔结构中填充保护气体，能够排出空气，减少空气中水分对光纤的影响，并且，在实际的工程应用中，即使将光纤截断使用，也不会使密封空腔结构与外界空气连通。
Description
技术领域
本发明涉及光纤结构及制备技术领域，尤其是指一种弯曲不敏感光纤及其制造方法。
背景技术
随着接入网对信息传输带宽需求的快速增长，光纤到户（FTTH，Fibertothehome）得到了巨大的推动和发展，光纤铺设越来越接近终端用户。而光纤在家庭及大楼等办公场所内的铺设时，对光纤提出了更高的要求，尤其是要求接入光纤具有优异的抗弯曲性能。因为光纤在室内的铺设过程中会遇到各种小半径弯曲的状态，例如弯曲半径小至5m，甚至2.5mm半径这种极端小的弯曲，光纤要能像普通家用金属导线那样适应复杂的接入环境。所以光纤必须满足在极小的弯曲半径的情况下，仍然保持很低的传输损耗，也就是附加损耗很小。在小型化的光器件中，同样要求光纤在小弯曲半径下具有低的附加损耗值，以降低光纤所占用的空间资源。
目前市场上的弯曲不敏感单模光纤，可分为两大类：
一是通过在内包层中掺杂氟元素，提高光纤的抗弯曲性能，但生产过程中产生的含氟废气处理工艺流程复杂，处理成本较高，并且，含氟废气容易造成生态环境的破坏，该技术也是现有的主流的大规模生产光纤的方法；
二是设计完全不同于常规G.652光纤的结构，用新的光纤结构来满足实际需求，近年来不少学者和单位都研究了利用空气辅助包层来设计制造的弯曲不敏感光纤的技术，研究表面通过设置利用空气辅助包层，能够使光纤具有非常优异的弯曲性能，最小弯曲半径可以达到5mm，而相应的附加损耗小于0.1dB，例如：公开号：CN103399376B，发明名称：一种弯曲不敏感单模光纤及其制造方法的中国发明专利就利用空气辅助包层的思想制备一种弯曲不敏感光纤，设置光纤的包层结构包括内包层、空气包层和外包层，将空气包层设置在内、外包层之间。
但是，在实际实用的时候效果并不理想，首先，在本发明公开的现有技术中，为了在内包层和外包层之间形成空气包层，需要设置引入毛细支撑管形成支撑空间，毛细支撑管本身就会改变光纤的折射特性，给光纤的传输损耗带来未知的影响因素；其次，也是最重要的，现有技术没有限制毛细支撑管的两端头是否封闭，如果没有封闭毛细支撑管的两侧端头是暴露在空气中的，空气中是含有水分的，空气中的水分沿着空气包层就会进入到纤芯中，众所周知，水分会严重影响光纤的使用寿命的，如果设置毛细支撑管的两端是封闭的，但是毛细支撑管本身是连续的，在实际的拉伸制备的时候一般光纤都会长达20km以上，在使用的时候，不会使用整段光纤，都会把光纤截断使用，这样即使毛细支撑管的两端封闭，在截断使用后毛细支撑管也会暴露在空气中。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中裸露设计的空气包层容易受空气中水分影响的问题，提供一种弯曲不敏感光纤及其制造方法，在内包层和外包层之间设置多段不连续的密封空腔结构，能有效的将光信号束缚在纤芯内，显著减少光信号传输时的弯曲损耗，同时，在密封空腔结构中填充保护气体，能够排出空气，减少空气中水分对光纤的影响，并且，在实际的工程应用中，即使将光纤截断使用，也不会使密封空腔结构与外界空气连通。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种弯曲不敏感光纤，包括：内芯、内包层和外包层，其中，沿所述内包层的轴向延伸方向，在所述内包层的外壁上开设有多段不连续的凹槽，所述外包层紧套包覆在内包层外，所述内包层和外包层贴合封闭所述凹槽，形成多段不连续的密封空腔结构，在所述密封空腔结构中填充保护气体。
在本发明的一个实施例中，所述凹槽为环形凹槽，所述环形凹槽开设在所述内包层同一横截面位置，沿所述内包层的轴向延伸方向，在所述内包层的外周形成多段环形的密封空腔结构。
在本发明的一个实施例中，所述凹槽为弧形凹槽，多个所述弧形凹槽围绕所述内包层的外周面交错开设在所述内包层不同横截面位置，沿所述内包层的轴向延伸方向，在所述内包层的外周形成多段位置交错圆弧形的密封空腔结构。
在本发明的一个实施例中，所述内包层的直径为20～30μm，设置所述凹槽沿所述内包层的径向距离为2～6μm。
在本发明的一个实施例中，所述凹槽沿所述内包层的轴向长度为0.4～2km。
在本发明的一个实施例中，所述内芯为锗掺杂芯层，所述内包层和外包层均为纯石英材料层，所述内芯相对于内包层和外包层的相对折射率△1为0.1%～0.2%，填充有保护气体的空腔结构相对于内包层和外包层的相对折射率△2为-0.25%～-0.3%。
在本发明的一个实施例中，所述内芯的直径为8～12μm。
在本发明的一个实施例中，所述外包层的直径为120～130μm。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种弯曲不敏感光纤的制造方法，包括以下步骤：
S1、采用气相轴向沉积法制备芯棒，包括内芯和内包层；
S2、采用打磨和酸洗工艺，在芯棒的外表面上开设多段不连续的凹槽；
S3、采用实心高纯石英棒打孔制得外包层；
S4、将步骤S2制备形成的芯棒穿设在带孔的外包层中，制备形成预制棒组装件；
S5、将预制棒组装件中芯棒和外包层之间的空气抽出、并充入保护气体，进行拉丝工艺处理，在拉丝的过程中，控制芯棒和外包层之间缝隙填充保护气体的压力在0.05～0.2MPa，在大气压的作用下使外包层紧贴包覆在芯棒外周，消除芯棒和外包层之间的间隙，封堵芯棒外表面上的凹槽，形成填充有保护气体的密封空腔结构。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的弯曲不敏感光纤，在内包层的外壁上开设凹槽，通过外包层与内包层的紧套包覆能够将凹槽封装在内包层和外包层之间形成密封空腔结构，能有效的将光信号束缚在纤芯内，显著减少光信号传输时的弯曲损耗，相比于现有技术，不需要引入其他结构对内包层和外包层进行支撑分隔，采用的材料都是现有材料，不会给光纤的传输损耗带来未知的影响因素；并且，在本实施例中还设置凹槽为不连续的、分段式的，这样，在实际的工程应用中可以在多段凹槽之间将光纤截断使用，即使光纤的截面被截断也不会使密封空腔结构暴露在空气中，不会受到空气中水分的影响；
同时，本发明在密封空腔结构中填充保护气体，排出空气，能够保证在制备形成密封空腔结构的时候，密封空腔结构中内部就不含有空气，防止密封空腔结构中含有水分，从而影响光在光纤中的折射。
本发明所述的弯曲不敏感光纤的制造方法，为了将保护气体填充在密封空腔结构中，首先在组装预制棒的时候，设置外包层的通孔略大于芯棒的直径，这样就能够将芯棒和外包层之间的空气抽出、并充入保护气体，在进行拉丝处理的时候，控制芯棒和外包层之间缝隙填充保护气体的压力在0.05～0.2MPa，由于保护气体的填充压力小于大气压，在大气压的作用下，能够使外包层紧贴包覆在芯棒外周，从而消除芯棒和外包层之间的间隙，封堵芯棒外表面上的凹槽，形成填充有保护气体的密封空腔结构。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明的弯曲不敏感光纤的整体截面结构示意图；
图2是本发明的弯曲不敏感光纤的实施例1的侧面结构示意图；
图3是本发明的弯曲不敏感光纤的实施例2的整体结构示意图；
图4是本发明的弯曲不敏感光纤的实施例2的侧面结构示意图；
图5是本发明的弯曲不敏感光纤的多层结构之间相对折射率的测试图；
图6是本发明的弯曲不敏感光纤制造方法的步骤流程图。
说明书附图标记说明：1、内芯；2、内包层；3、外包层；4、密封空腔结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如前所述，现有的理论研究已经能够证明，在光纤的内包层和外包层之间设置空气包层将内包层和外包层隔离后，能有效的将光信号束缚在纤芯内，显著减少光信号传输时的弯曲损耗，但是，在理论的基础上，现有的光纤结构及制备工艺并没有办法实现该理论研究；例如，现有技术公开号：CN103399376B，发明名称：一种弯曲不敏感单模光纤及其制造方法的中国发明专利就利用空气辅助包层的思想制备一种弯曲不敏感光纤，设置光纤的包层结构包括内包层、空气包层和外包层，将空气包层设置在内、外包层之间，在该发明专利中，为了在内包层和外包层之间形成空气包层，设置引入毛细支撑管形成支撑空间，但是在实际的工程使用中并不适用，首先，毛细支撑管本身就会改变光纤的折射特性，给光纤的传输损耗带来未知的影响因素；其次，也是最重要的，在该发明中没有限制毛细支撑管的两端头是否封闭，如果没有封闭毛细支撑管的两侧端头是暴露在空气中的，空气中是含有水分的，空气中的水分沿着空气包层就会进入到纤芯中，众所周知，水分会严重影响光纤的使用寿命的，如果设置毛细支撑管的两端是封闭的，但是毛细支撑管本身是连续的，在实际的拉伸制备的时候一般光纤都会长达20km以上，在使用的时候，一般不会使用整段光纤，都会把光纤截断使用，这样即使毛细支撑管的两端封闭，在截断使用后毛细支撑管也会暴露在空气中。
综上所述，现有技术虽然提供了一种能够实现理论研究的技术方案，但是该方案在实际工程中并不能应用，本发明综合考虑了理论研究成果和在实际工程中的有效应用，参照图1所示，提供了一种弯曲不敏感光纤，包括：内芯1、内包层2和外包层3，其中，沿所述内包层2的轴向延伸方向，在所述内包层2的外壁上开设有多段不连续的凹槽，所述外包层3紧套包覆在内包层2外，所述内包层2和外包层3贴合封闭所述凹槽，形成多段不连续的密封空腔结构4；
结合理论研究，在本发明中设置的凹槽结构即为空气包层，通过外包层3与内包层2的紧套包覆能够将凹槽封装在内包层2和外包层3之间形成密封空腔结构4，能有效的将光信号束缚在纤芯内，显著减少光信号传输时的弯曲损耗，相比于现有技术，不需要引入其他结构对内包层2和外包层3进行支撑分隔，采用的材料都是现有材料，不会给光纤的传输损耗带来未知的影响因素；
并且，结合实际的使用工况，在本发明中还设置凹槽为不连续的、分段式的，这样，在实际的工程应用中可以在多段凹槽之间将光纤截断使用，即使光纤的截面被截断也不会使密封空腔结构4暴露在空气中，不会受到空气中水分的影响；
最后，考虑到密封空腔结构4内如果存在空气，虽然是密封的，但是也会含有一定的水分，影响光在光纤中的折射传输，因此，本发明中还在密封空腔结构4中填充保护气体，排出空气，能够保证在制备形成密封空腔结构4的时候，密封空腔结构4中内部就不含有空气，防止密封空腔结构4中含有水分，从而影响光在光纤中的折射。
下面结合具体的实施例，对凹槽的开设位置和密封空腔结构4的形式进一步讨论说明。
实施例1
参照图2所示，在本实施例中，设置所述凹槽为环形凹槽，所述环形凹槽围绕所述内包层2，开设在所述内包层2外周的同一横截面位置，沿所述内包层2的轴向延伸方向，在所述内包层2的外周形成多段环形的密封空腔结构4；
采用本实施例所述的环形凹槽的优点在于:围绕内包层2在内包层2与外包层3的外周均设置形成了空气包层，空气包层的覆盖面积大，在多个方向都能够对阻止光信号能量外溢，减少光信号传输时的弯曲损耗的效果更好，并且，在多段环形凹槽之间能够形成封闭的密封结构，只要在光纤外部做好标记，例如：打标、着色处理，在开天窗处理的时候，就能够在密封结构的位置将光纤切断，不会影响密封结构两侧的密封空腔结构4。
但是，采用本实施例所述的环形凹槽也可能会存在一定的弊端，沿光纤的轴向延伸方向，内包层2与外包层3大部分都是密封空腔结构4，仅在多段环形凹槽之间的位置形成支撑，缺少一定的支撑，光纤整体的弯折强度可能受到一定的影响。
实施例2
基于上述实施例1有可能存在的缺陷，在本实施例中还公开了另一种凹槽设置结构，参照图3和图4所示，所述凹槽为弧形凹槽，而非环形凹槽，也就是说在没有开始凹槽的位置，内包层2和外包层3是连接的，内包层2和外包层3之间不是完全悬空，增加了内包层2和外包层3之间的支撑力，使光纤整体的弯折强度不会受到影响，并且，在本实施例中，为了尽量增加空气包层的面积，及密封空腔结构4的数量，设置多个所述弧形凹槽围绕所述内包层2的外周面交错开设在所述内包层2不同横截面位置，沿所述内包层2的轴向延伸方向，在所述内包层2的外周形成多段位置交错圆弧形的密封空腔结构4，并且，设置在每一个横截面位置开设与一对对称的弧形凹槽，在保证内包层2和外包层3在每一个横截面位置都有支撑连接的同时，尽可能的增大密封空腔结构4的面积，既能够达到阻止光信号能量外溢的需求，有能够保证光纤的弯折强度。
具体地，在上述两个实施例中，设置所述内包层2的直径为20～30μm，设置所述凹槽沿所述内包层2的径向距离为2～6μm，所述凹槽仅占据内包层2之间的10%～20%，不会影响内包层2的强度和性能。
具体地，设置所述凹槽沿所述内包层2的轴向长度为0.4～2km，根据光纤所需要的应用场景，来确定凹槽的长度，例如：该光纤是使用在主干线网络中，那就不需要经常切断光纤进行开天窗分接，那么设置凹槽的长度就可以长一些，设置在2km，可以每2km进行一次切割使用；如果，该光纤是使用在分支网络中，那就需要经常切断光纤进行开天窗分接，那么设置凹槽的长度就可以短一些，设置在0.4km，可以每0.4km进行一次切割使用。
具体地，所述内芯1为锗掺杂芯层，所述内包层2和外包层3均为纯石英材料层，参照图5所示，设置所述内芯1相对于内包层2和外包层3的相对折射率△1为0.1%～0.2%，填充有保护气体的空腔结构相对于内包层2和外包层3的相对折射率△2为-0.25%～-0.3%，设置填充有保护气体的空腔结构的相对折射率△2大于所述内芯1相对于内包层2和外包层3的相对折射率△1，这样就能够有效防止光外溢。
具体地，设置所述内芯1的直径为8～12μm，与现有技术光纤的内芯1直径相同即可。
具体地，设置所述外包层3的直径为120～130μm，与现有技术光纤的内芯1直径相同即可。
具体地，在本实施例中，填充的保护气体为氮气或者氩气，都具有一定的稳定性，且不还有水分，一般情况下，填充氮气即可，因为氮气成本低，且容易获得，如果填充氮气，采用氮气的纯度大于99.9%即可。
在本发明中，为了进一步验证弯曲不敏感光纤的效果，还对实施例2的光纤进行了弯曲测试，具体地测试结果参照表1和表2：
表1 光纤主要性能参数
| 1310衰减 | 1383衰减 | 1550衰减 | 1625衰减 | 1310MFD | 截止波长 | 零色散波长 |
| db/Km | db/Km | db/Km | db/Km | μm | nm | nm |
| 0.326 | 0.276 | 0.187 | 0.201 | 8.42 | 1260 | 1308 |
表2 光纤宏弯性能参数
| R15mm-10圈 | R10mm-1圈 | R7.5mm-1圈 | |
| 1550nm宏弯附加损耗（db/Km） | 0.008 | 0.024 | 0.049 |
| 1625nm宏弯附加损耗（db/Km） | 0.032 | 0.092 | 0.157 |
从以上表1和表2，可以说明本发明所述光纤的光学参数如衰减、MFD模场直径、色散、截止波长和弯曲性能等方面可以做到完全符合ITU-TG.657A2标准的要求。
参照图6所示，本发明还公开了一种弯曲不敏感光纤的制造方法，能够制备上述光纤，包括以下步骤：
S1、采用气相轴向沉积法制备芯棒，包括内芯1和内包层2，设置内芯1和内包层2的尺寸与现有技术相同即可；
S2、采用打磨和酸洗工艺，在芯棒的外表面上开设多段不连续的凹槽，具体地的开设方式和开设尺寸可以参照上述实施例1和实施例2；
S3、采用实心高纯石英棒打孔制得外包层3，设置外包层3的尺寸与现有技术相同即可，设置外包层3的通孔略大于芯棒的直径，保证芯棒和外包层3之间能够进行气体流动；
S4、将步骤S2制备形成的芯棒穿设在带孔的外包层3中，制备形成预制棒组装件，在芯棒和外包层3中预留一定的间隙；
S5、将预制棒组装件中芯棒和外包层3之间的空气抽出、并充入保护气体，进行拉丝工艺处理，在拉丝的过程中，控制芯棒和外包层3之间缝隙内填充保护气体的压力在0.05～0.2MPa，小于一个标准大气压，在大气压的作用下使外包层3紧贴包覆在芯棒外周，消除芯棒和外包层3之间的间隙，封堵芯棒外表面上的凹槽，形成填充有保护气体的密封空腔结构4。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种弯曲不敏感光纤的制造方法，其特征在于，所述弯曲不敏感光纤包括：内芯、内包层和外包层，其中，沿所述内包层的轴向延伸方向，在所述内包层的外壁上开设有多段不连续的凹槽，所述外包层紧套包覆在内包层外，所述内包层和外包层贴合封闭所述凹槽，形成多段不连续的密封空腔结构，在所述密封空腔结构中填充保护气体；
所述弯曲不敏感光纤的制造方法，包括以下步骤：
S1、采用汽相轴向沉积法制备芯棒，包括芯层和内包层；
S2、采用打磨和酸洗工艺，在芯棒的外表面上开设多段不连续的凹槽；
S3、采用实心高纯石英棒打孔制得外包层；
S4、将步骤S2制备形成的芯棒穿设在带孔的外包层中，制备形成预制棒组装件，在芯棒和外包层中预留一定的间隙；
S5、将预制棒组装件中芯棒和外包层之间的空气抽出、并充入保护气体，进行拉丝工艺处理，在拉丝的过程中，控制芯棒和外包层之间缝隙内填充保护气体的压力在0.05～0.2MPa，在大气压的作用下使外包层紧贴包覆在芯棒外周，消除芯棒和外包层之间的间隙，封堵芯棒外表面上的凹槽，形成填充有保护气体的密封空腔结构。
2.根据权利要求1所述的弯曲不敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述凹槽为环形凹槽，所述环形凹槽开设在所述内包层同一横截面位置，沿所述内包层的轴向延伸方向，在所述内包层的外周形成多段环形的密封空腔结构。
3.根据权利要求1所述的弯曲不敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述凹槽为弧形凹槽，多个所述弧形凹槽围绕所述内包层的外周面交错开设在所述内包层不同横截面位置，沿所述内包层的轴向延伸方向，在所述内包层的外周形成多段位置交错圆弧形的密封空腔结构。
4.根据权利要求1所述的弯曲不敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述内包层的直径为20～30μm，设置所述凹槽沿所述内包层的径向距离为2～6μm。
5.根据权利要求1所述的弯曲不敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述凹槽沿所述内包层的轴向长度为0.4～2km。
6.根据权利要求1所述的弯曲不敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述内芯为锗掺杂芯层，所述内包层和外包层均为纯石英材料层，所述内芯相对于内包层和外包层的相对折射率△1为0.1%～0.2%，填充有保护气体的空腔结构相对于内包层和外包层的相对折射率△2为-0.25%～-0.3%。
7.根据权利要求1所述的弯曲不敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述内芯的直径为8～12μm。
8.根据权利要求1所述的弯曲不敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述外包层的直径为120～130μm。
9.根据权利要求1所述的弯曲不敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述保护气体为氮气或者氩气。
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