具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤

摘要

一种具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤，其波导结构包括芯层和包层，包层设有三个包层分层——包层一、包层二、包层三，其中包层一和包层三都为纯二氧化硅玻璃层，包层二为空气，芯层和三个包层分层的相对折射率差都相对于包层三，其波导结构参数为：芯层的相对折射率差：0.30％≤Δ1≤0.85％，芯层半径3.5微米≤r≤5.0微米；包层二的相对折射率差：-55.00％≤Δ2≤-45.00％，包层二半径8.0微米≤r2≤15.0微米；包层一和包层三的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc，包层一半径6.0微米≤r1≤12.5微米，包层三半径为62.0微米≤r3≤63.0微米。本发明的光纤截止波长≤1310nm，以10mm直径弯曲一圈的情况下，其典型的弯曲附加损耗小于0.03dB，与G.652光纤的平均接续损耗小于0.05dB。本发明具有优异的弯曲特性，合适的模场直径和色散、损耗特性，便于楼宇间和楼宇内的布线施工和卷曲。

权利要求

1.一种具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤，其波导结构包括芯层和包层，其特征在于包层设有三个包层分层——包层一、包层二和包层三，其中包层一和包层三都为纯二氧化硅玻璃层，包层二为空气层，包层二内具有对称双螺旋结构的支撑棒，包层三与芯棒以该支撑棒来进行连接，芯层和三个包层分层的相对折射率差都相对于包层三，其波导结构参数为：芯层的相对折射率差：0.30％≤Δ1≤0.85％，芯层半径3.5微米≤r≤5.0微米；

包层二的相对折射率差：-55.00％≤Δ2≤-45.00％，包层二半径8.0微米≤r2≤15.0微米；

包层一和包层三的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc，包层一半径6.0微米≤r1≤12.5微米，包层三半径为62.0微米≤r3≤63.0微米。

2.按权利要求1所述的具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于将所述光纤以10mm直径弯曲一圈的情况下，其典型的弯曲附加损耗小于0.03dB。

3.按权利要求1所述的具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于所述光纤的截止波长≤1310nm，光缆截止波长≤1260nm，在1310nm波长光纤模场直径为7.8-10.2微米，能满足1310nm波长和1550nm波长双窗口单模光传输的要求，与G.652光纤的平均接续损耗小于0.05dB。

4.按权利要求1所述的具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤，其特征在于在1310nm至1550nm波长范围光纤的色散绝对值≤17ps/(nm·km)，零色散波长在1310nm至1400nm波长范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种为接入网、光纤到户(FTTH)用的光纤，特别是具有优异弯曲性能、适宜于收藏在接线盒或密闭容器内的具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤。 

背景技术

目前国内普遍应用的G.652标准光纤的弯曲半径为25mm，受弯曲半径的限制，光纤不能随意地进行小角度弯曲安装。 
随着FTTH开始深入到住宅用户，光纤接入网建设量明显增加，接入网建设要求组网工作更容易，时间更短。这就要求适宜于接入网的单模光纤具有在小弯曲半径下附加损耗小、机械强度高等特性，便于布线施工和卷曲，同时能控制与已铺设光纤的接续损耗 
以下为提高光纤弯曲性能的理论依据。 
截止波长(λc)是单模光纤的重要特性指标，与光纤的结构参数的关系如下： 

其中，∨c是归一化的截止频率，对于阶跃单模光纤，其值为2.405；n1是芯层折射率，a是芯层半径，Δ为相对折射率差，其定义为： 
$\Delta =\frac{{n_1}^2-{n_2}^2}{{{2n}_1}^2}---\left(2\right)$
模场直径(2ω0)定义是在认为近似的高斯分布的模场中，光强下降到1/e2两点之间的宽度，亦被确认为单模光纤的光斑尺寸，计算公式为： 
$\frac{{2\omega }_0}{a}=0.85+0.434{\left(\frac{\lambda }{{\lambda }_c}\right)}^{\frac{3}{2}}+0.0149{\left(\frac{\lambda }{{\lambda }_c}\right)}^6---\left(3\right)$
单模光纤弯曲损耗的特性可以用临界弯曲半径(Rc)来表征，计算公式为： 
$R_c\approx 20\frac{\lambda }{{\Delta }^{\frac{3}{2}}}{(2.748-0.996\frac{\lambda }{{\lambda }_c})}^{-3}---\left(4\right)$
从公式(1)-(4)可见，为了保证单模光纤适用于1310nm波长和1550nm波长双窗口光传输，在光纤预制棒波导结构设计中，通过提高芯层相对折射率和降低芯层半径可以获得很好的光纤弯曲性能；同时，为了控制光纤与现已铺设光纤的接续损耗，芯层半径值需要设定在合适的范围，并且芯层相对折射率也不能过高。 
为了实现上述要求，已有设计思想主要有：改进光纤的折射率剖面，改进光纤的结构和改进光纤的涂覆性能等。 
对于改进光纤的折射率剖面，中国专利CN101373238A发明的光纤具有一个芯层和两 个包层，芯层折射率剖面呈幂函数分布，两个包层的折射率剖面呈阶梯型分布，即将包层靠近芯层的圆环形区域内渗入一定物质(通常是氟)以降低相对于芯层的折射率。中国专利CN1632628A发明的光纤具有芯层和包层，其中包层分为五个折射率不同的分包层，使用围绕芯层多圈的不同成分的包层结构以降低相对于芯层的折射率。但是折射率剖面越复杂，对工艺的要求就越严格，不适于大规模生产。 
对于涂层改善光纤的抗弯曲性能，中国专利CN1542473A通过提高涂层的弯曲模量，可以改善光纤的弯曲性能。但改善程度相对有限。 
在改进光纤的结构方面，光子晶体光纤(PCF)和带孔光纤(HAF)在包层加入了空气孔结构，孔的尺寸大约为几个微米。中国专利CN1981223A发明的孔辅助型多孔光纤具有折射率高于包层的芯层部位、设置于其周围含有多个空孔的包层部，且空孔设置分数量相同的内外两层。中国专利CN1971323A介绍了一种在内包层上有均匀分布的空气小孔的光纤，中国专利CN1412584A也介绍了一种空心光纤。这类光纤具有较好的弯曲不敏感性能，但是由于结构相对复杂，生产成品高，而且不能与常规光纤进行兼容。 
因此，从接入网单模光纤特性出发，结合光纤结构和折射率剖面的设计是必要的，关键考虑的是弯曲性能和芯层相对折射率的均衡，兼顾色散特性和光纤损耗以及机械强度等方面。 
本发明所描述的光纤设计有一个空气包层，通过调整空气包层的宽度以及到芯层的距离来获得优异的弯曲性能，同时兼顾色散和损耗特性，并且其合适的的光学参数和几何尺寸使得与G.652光纤的接续损耗很小。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种为接入网、FTTH用的，便于收藏在接线盒或密闭容器内和布线的，具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤。该光纤适用于1310nm波长和1550nm波长双窗口，具有优异的弯曲特性，合适的模场直径和色散、损耗特性，便于楼宇间和楼宇内的布线施工和卷曲。 
本发明为解决上述提出的问题提供一种具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤，其波导结构包括芯层和包层，包层设有三个包层分层——包层一、包层二、包层三，其中包层一和包层三都为纯二氧化硅玻璃层，包层二为空气，芯层和三个包层分层的相对折射率差都相对于包层三，其波导结构参数为： 
芯层的相对折射率差：0.30％≤Δ1≤0.85％，芯层半径3.5微米≤r≤5.0微米； 
包层二的相对折射率差：-55.00％≤Δ2≤-45.00％，包层二半径8.0微米≤r2≤15.0微米； 
包层一和包层三的折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc，包层一半径6.0微米≤r1≤12.5微米，包层三半径为62.0微米≤r3≤63.0微米。 
在光纤芯层中，通过掺氧化硅、氧化锗和少量的氟来或得合适的折射率，同时实现预制棒各层之间的黏度匹配和减少应力。在预制棒芯棒沉积和烧缩过程中，通入适量的氦气来减少沉积过程中形成的微气泡，提高光纤强度。 
通过对单模光纤预制棒波导结构的精密控制，可以得到设计光纤所需的模场直径、优异的弯曲特性、波长损耗和色散特性。根据上述方案，本发明的光纤截止波长≤1310nm，光缆截止波长≤1260nm，在1310nm波长光纤模场直径为7.8-10.2微米，能满足1310nm波长和1550nm波长双窗口单模光传输的要求，光学参数和几何尺寸与G.652光纤兼容，两者的平均接续损耗小于0.05dB。本发明以10mm直径弯曲一圈的情况下，其典型的弯曲附加损耗小于0.03dB。本发明在1310nm至1550nm波长范围光纤的色散绝对值≤17ps/(nm·km)，零色散波长在1310nm至1400nm波长范围。
本发明涉及的具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤预制棒制造采用VAD工艺(汽相轴向沉积法)和套管法(RIC)制作而成。 

附图说明

图1为本发明的裸光纤横截面示意图；图2为本发明的裸光纤结构示意图；图3为图1中光纤的X方向折射率剖面示意图；图4为图1中光纤的Y方向折射率剖面示意图。 
在图1、图2、图3、图4中，1、芯层，2、包层一，3、包层二(即空气包层)，4、包层三，5、包层二内具对称双螺旋结构的支撑棒。 

具体实施方式

采用VAD工艺制造本发明光纤的芯棒，采用套管技术制成最终的光纤预制棒，经过拉丝获得本发明的光纤产品。制备出的光纤其结构如图2所示。光纤芯棒的制造过程如下：首先用VAD法按照设计的折射率剖面结构设定工艺气体流量和配方，沉积出芯层1和包层一2，形成芯棒，然后在芯棒上装好支撑棒，再用套管法将包层三4套在芯棒外，包层三4与芯棒之间有包层二3，并以具有对称双螺旋结构的支撑棒5来进行连接。这种波导结构的光纤预制棒经过拉丝、涂覆、筛选、测试、包装，最后得到本发明的具有空气包层的弯曲不敏感单模光纤。 
实施例： 
在图1、图2中，设如下包含芯层1和三个包层分层的波导结构参数相对于包层三4为： 
芯层1的相对折射率差约为0.60％，芯层半径约为4微米； 
包层二3的相对折射率差约为-50.00％，包层二3半径约为12微米； 
包层一2和包层三4为纯二氧化硅玻璃层，其折射率为纯二氧化硅玻璃折射率nc。包层一2半径约为10微米，包层三4半径为62.5微米。 
所得光纤的特性如下： 
光纤截止波长≤1310nm，在1310nm波长光纤模场直径为7.8-10.2微米，以10mm直径弯曲一圈的情况下，其典型的弯曲附加损耗小于0.03dB，在1550nm波长光纤的色散绝对值≤14ps/(nm·km)，零色散波长在1310nm至1400nm波长范围，与G.652光纤的平均接续损耗小于0.05dB。 
所得的光纤在弯曲特性表现优异，作为传输光纤，适应于接入网、FTTH使用。