專利名稱：彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域中的微結(jié)構(gòu)光纖，特別是涉及一種彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖及其制造方法。
背景技術(shù)：
為了便于理解本發(fā)明的內(nèi)容，首先簡要介紹本發(fā)明所涉及術(shù)語的定義沉積光纖原材料在一定的環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成摻雜的石英玻璃的工藝過程。熔縮將沉積后的空心玻璃管在一定的熱源下逐漸燒成實(shí)心玻璃棒的工藝過程。套管滿足一定截面積和尺寸均勻性的高純石英玻璃管?；苡糜诔练e的高純石英玻璃管。折射率剖面(rip)光纖或光纖預(yù)制棒(包括光纖芯棒)的折射率與其半徑之間的關(guān)系曲線。絕對(duì)折射率差(δ η):光纖預(yù)制棒中各個(gè)部分的折射率與純石英玻璃折射率的差。
2 2 γ — γι相對(duì)折射率(δ % ) :Δ% = 2 0XlQQ0Zo其中ni為第i層光纖材料的折
Ini，
射率，n0為純石英玻璃的折射率。
OO
{\E2rdrf有效面積Aff = 2πΧ~^Ζ- e為與傳播有關(guān)的電場(chǎng)，r為光纖半徑。
\EArdr
ο ,總色散光纖波導(dǎo)色散與材料色散的代數(shù)和。色散斜率色散對(duì)波長的依賴性。pmd 光纖的偏振模色散。pcvd 等離子化學(xué)氣相沉積。mcvd 改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積。vad:軸向氣相沉積。寬帶光纖接入技術(shù)是公認(rèn)的最為理想的寬帶綜合接入技術(shù)，具有帶寬大、傳輸距離遠(yuǎn)、不受干擾、容易維護(hù)、可靠性高等諸多顯著優(yōu)點(diǎn)，因此近年來越來越受到整個(gè)電信業(yè)的普遍關(guān)注，在關(guān)鍵技術(shù)的突破和推廣應(yīng)用等方面均取得長足進(jìn)展，成為當(dāng)前光纖通信領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)。各國電信運(yùn)營商紛紛把關(guān)注的目光投向了光纖到戶(ftth)，都計(jì)劃利用光纖這一迄今為止最好的傳輸媒質(zhì)來突破接入的“瓶頸”。小彎曲環(huán)境下的光纖彎曲損耗增大是制約光纖到戶市場(chǎng)發(fā)展的技術(shù)問題。常規(guī)通信光纖無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有高速光纖通信系統(tǒng)下的小彎曲損耗的光信號(hào)的信息傳輸；常規(guī)G. 657光纖在極小彎曲直徑(5mm以下)損耗較大，不能夠任意彎曲，在復(fù)雜而狹小的終端用戶環(huán)境中的應(yīng)用受到限制，因此，迫切需要開發(fā)出新型的超高抗彎能力的前沿光纖技術(shù)。微結(jié)構(gòu)光纖具備各種新穎而杰出的光學(xué)特性，并且具備設(shè)計(jì)靈活、制備方便的優(yōu)點(diǎn)，因此，微結(jié)構(gòu)光纖備受國內(nèi)外科學(xué)界與技術(shù)界的廣泛關(guān)注，并制備出各種結(jié)構(gòu)與優(yōu)良功能的微結(jié)構(gòu)光纖，在40G高速光通信與光纖到桌面(FTTD)等領(lǐng)域已經(jīng)獲得初步應(yīng)用。常規(guī)單模光纖為了提高光纖抗彎能力，一般都是采用纖芯高摻鍺，從而提高光纖纖芯與光纖包層的折射率差，從而將基模的光場(chǎng)嚴(yán)格地限制在光纖纖芯中，降低單模光纖的彎曲損耗。微結(jié)構(gòu)光纖則是在光纖的包層中引入折射率較低的空氣微孔，光纖包層的有效折射率降低，并且調(diào)整空氣孔的分布達(dá)到調(diào)整各種模式在光纖中的分布，最終限制基模， 抑制高階模，達(dá)到提高微結(jié)構(gòu)光纖的抗彎曲損耗能力。目前常見的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖有兩種，參見圖1所示，一種為三孔結(jié)構(gòu)的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，參見圖2所示，另一種為六孔結(jié)構(gòu)的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖。這兩種微結(jié)構(gòu)光纖的最優(yōu)性能體現(xiàn)在其彎曲損耗較低。其在1550nm的彎曲損耗僅為常規(guī)單模光纖的1/500，可用于制造室內(nèi)纜。但是，由于孔狀結(jié)構(gòu)在實(shí)際制備過程中存在不均勻分布的實(shí)際問題，因此，這兩種結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖都面臨著光纖的偏振模色散特性難以有效控制的問題。圖1所示的三孔結(jié)構(gòu)的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，包含一個(gè)摻鍺的纖芯1，和在纖芯 1周圍呈三角形分布的三個(gè)空氣孔2，以及包裹纖芯1和三個(gè)空氣孔2的石英包層3，從而將基模嚴(yán)格限制在光纖纖芯中，而高階模則處于空氣孔之外。這種結(jié)構(gòu)很簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是帶來的問題就是空氣孔2在制造過程中，三孔中有任一孔偏差一個(gè)微小的角度，都將造成芯周圍約束不一致對(duì)稱的問題，難以實(shí)現(xiàn)良好的一致性和對(duì)稱性，從而不僅影響光纖的彎曲損耗特性的效果和穩(wěn)定，而且會(huì)造成光纖的偏振模色散特性的不良，不利于在高速光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用。圖2所示的六孔結(jié)構(gòu)的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，在摻鍺的纖芯1的外圍適當(dāng)位置引入一圈正六邊形分布的6個(gè)空氣孔2，再由石英包層3包圍，從而降低光纖包層的有效折射率，提高光纖的抗彎能力。這種結(jié)構(gòu)大幅改善了空氣孔不一致和不對(duì)稱形帶來的光纖彎曲損耗特性效果不好以及彎曲損耗不穩(wěn)定的問題，當(dāng)有一孔偏差微小角度時(shí)，其所產(chǎn)生的不一致對(duì)稱問題得到了減輕。但是，由于6孔間每兩孔間以纖芯1中心原點(diǎn)為頂點(diǎn)的間隔角度仍達(dá)到60°，此時(shí)任何一孔相對(duì)自身10%的偏差就將帶來相鄰兩孔間接近12°的偏差，而這12°的偏差占到整個(gè)圓周360度的約3. 3%。而常規(guī)通信光纖的偏差通常在2%以內(nèi)，因此這將會(huì)影響光纖的彎曲損耗和偏振模特性。因此，兩孔間的不一致對(duì)稱問題仍將對(duì)光纖的模式約束產(chǎn)生影響。這種因?qū)嶋H制造過程中產(chǎn)生的孔分布不一致對(duì)稱問題會(huì)影響對(duì)光纖中光的基模傳輸?shù)挠行Ъs束，造成某一方向的約束不夠，形成偏振損耗，嚴(yán)重的將對(duì)光纖的彎曲損耗特性造成不良影響，從而限制了光纖的應(yīng)用效果。由于微孔通常由毛細(xì)管拉制而成，10%的偏差在毛細(xì)管制備過程中是很可能出現(xiàn)的。這也是這種微結(jié)構(gòu)光纖難以實(shí)現(xiàn)3mm以下的良好彎曲特性以及難以在高速光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵原因之一。綜上所述，彎曲不敏感光纖不僅需滿足常規(guī)通信單模光纖的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，而且還要滿足小彎曲半徑條件下的低損耗特性指標(biāo)的要求，因此，微結(jié)構(gòu)光纖中因微孔不一致問題帶來的光纖PMD特性難以達(dá)到高速光纖通信要求的問題、因微孔圓周方向上的難以實(shí)現(xiàn)理想對(duì)稱造成的基模約束不對(duì)稱，而帶來的小彎曲損耗特性不夠好以及不夠穩(wěn)定的問題、及多孔結(jié)構(gòu)下的微結(jié)構(gòu)光纖的制造問題，即如何降低因微結(jié)構(gòu)光纖制造過程中難以保持良好一致性的現(xiàn)實(shí)問題帶來的不良影響，從而有效提高彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖的整體光學(xué)傳輸性能，成為亟待解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖及其制造方法，能夠有效克服實(shí)際制造過程中微孔不對(duì)稱性帶來的彎曲損耗效果不佳的問題，并且能提供更好的小彎曲半徑低損耗特性。本發(fā)明提供的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，它包括摻鍺的纖芯和覆蓋在所述纖芯外圍的石英包層，所述纖芯周圍均勻分布有12個(gè)空氣孔。在上述技術(shù)方案中，所述12個(gè)空氣孔中心的連線構(gòu)成正十二邊形。在上述技術(shù)方案中，所述12個(gè)空氣孔的孔徑相同，且在5. 0 15. Oym之間。在上述技術(shù)方案中，所述12個(gè)空氣孔中心與纖芯中心的距離相同，在20.0 40. 0 μ m 之間。在上述技術(shù)方案中，所述12個(gè)空氣孔任意兩孔的中心與纖芯中心連線的夾角在 20 40度之間。在上述技術(shù)方案中，所述纖芯直徑的長度在5. 0 μ m 20. 0 μ m之間，相對(duì)折射率差在0. 25% 1.0%之間。在上述技術(shù)方案中，所述石英包層的外圍涂有涂層，所述涂層為紫外光固化的丙烯酸樹脂涂層或熱固化的聚酰亞胺涂層。本發(fā)明提供的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖的制造方法，包括以下步驟:A、利用制棒設(shè)備制備摻鍺的纖芯；B、將12根石英管沿纖芯外圍的圓周方向均勻排列，12根石英管的尾端固定，形成聚束的纖芯加12根石英管結(jié)合的一體棒；C、在所述一體棒的外圍套上石英套管，形成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒；D、利用光纖拉絲塔，將所述彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒拉制成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖。在上述技術(shù)方案中，步驟A中所述纖芯采用軸向氣相沉積VAD工藝、等離子化學(xué)氣相沉積PCVD工藝或者改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積MCVD工藝制備。在上述技術(shù)方案中，步驟B中所述12根石英管中心的連線構(gòu)成正十二邊形。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)本發(fā)明在摻鍺纖芯周圍的適當(dāng)位置呈正十二邊形分布有12個(gè)空氣孔，可以實(shí)現(xiàn)光纖的PMD在0. 042ps/km1/2,實(shí)現(xiàn)了一種良好的可以克服制造過程帶來的微孔不一致性造成的光纖偏振模色散特性問題的微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)。(2)本發(fā)明通過12孔結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)有效克服實(shí)際制造過程中微孔不對(duì)稱性帶來的彎曲損耗效果不佳的問題，并且能提供更好的小彎曲半徑低損耗特性。(3)本發(fā)明通過將傳統(tǒng)光纖制棒工藝與微結(jié)構(gòu)光纖拉制的毛細(xì)管聚束工藝有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒的可靠制備，并利用拉絲塔可靠的拉制出彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，形成了一種簡便可靠的微結(jié)構(gòu)光纖制造方法。
5
(4)本發(fā)明方法制備的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，具備極強(qiáng)的抗彎曲能力，光纖以 3mm直徑彎曲一圈情況下的1550nm波長的附加損耗小于0. 15dB, 1625nm波長的附加損耗小于0. 2dB，光纖的偏振模色散小于0. lps/km1氣(5)本發(fā)明方法制備的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，具有很小的彎曲損耗，同時(shí)具有良好的常規(guī)光纖的光傳輸特性和機(jī)械特性，可以在對(duì)光纖的彎曲損耗要求很高的FTTH等光纖到戶上具有良好的應(yīng)用前景。


圖1為三孔微結(jié)構(gòu)光纖的主視圖。圖2為六孔微結(jié)構(gòu)光纖的主視圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中十二孔微結(jié)構(gòu)光纖的主視圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例中十二孔微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-纖芯，2-空氣孔，3-石英包層，4-石英管，5-石英套管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。參見圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，包括摻鍺的纖芯1和覆蓋在纖芯1外圍的石英包層3，纖芯1直徑的長度在5. 0 20. Oym之間，相對(duì)折射率差在0. 25% 1. 0%之間。石英包層3的外圍涂有紫外光固化的丙烯酸樹脂涂層或熱固化的聚酰亞胺涂層。纖芯1周圍均勻分布有12個(gè)空氣孔2，12個(gè)空氣孔2中心的連線構(gòu)成正十二邊形。12個(gè)空氣孔2的孔徑相同，且在5.0 15. Oym之間。12個(gè)空氣孔2中心與纖芯1中心的距離相同，在20.0 40. Oym之間。12個(gè)空氣孔2任意兩孔的中心與纖芯1中心連線的夾角在20 40度之間，最好是30度。本發(fā)明實(shí)施例提供的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖的制造方法，包括以下步驟A、采用軸向氣相沉積VAD工藝、等離子化學(xué)氣相沉積PCVD工藝或者改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積MCVD工藝，利用制棒設(shè)備制備摻鍺的纖芯1 ；B、將12根石英管4沿纖芯1外圍的圓周方向均勻排列，12根石英管4中心的連線構(gòu)成正十二邊形，12根石英管4的尾端固定，形成聚束的纖芯1加12根石英管4結(jié)合的一體棒；C、在一體棒的外圍套上石英套管，形成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒；D、利用光纖拉絲塔，將彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒拉制成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖。本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)原理詳細(xì)闡述如下本發(fā)明實(shí)施例在摻鍺的纖芯周圍引入一圈以其為中心的呈圓形分布的12個(gè)空氣孔，然后由石英包層包圍。這樣，兩孔間隔角度不到30°，任一微孔自身不超過10%的偏差，將帶來相鄰兩孔間接近6°的偏差，而這6°的偏差占到整個(gè)圓周360度的約1.7%，已經(jīng)優(yōu)于常規(guī)通信光纖的一般制造偏差。因此，本發(fā)明實(shí)施例能有效克服制造過程中帶來的不一致和不對(duì)稱等不良影響，充分保障光纖的彎曲損耗特性及其穩(wěn)定性，并可以提供良好的光纖偏振模特性。
由于本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)了一種12孔結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，較常用的6孔結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)光纖多出了 6個(gè)孔，因此本發(fā)明實(shí)施例面臨多孔結(jié)構(gòu)下的微結(jié)構(gòu)光纖的制造問題。本發(fā)明實(shí)施例采用”芯棒制備+毛細(xì)管聚束+套管法”的三步法工藝來制造彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒，并將之在拉絲塔上拉制成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖。首先利用制棒設(shè)備制備摻鍺的纖芯，在其周圍聚束12根石英管，這些石英管的尺寸與纖芯相匹配，這樣正好可以完整的呈圓周方向?qū)⒗w芯的外圓全部包圍，然后在由纖芯和12根石英管組成的整體外套上一個(gè)與之相匹配的石英套管，從而構(gòu)成需要的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒， 然后將該預(yù)制棒利用光纖拉絲塔拉制成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖。下面通過3個(gè)具體實(shí)施例說明12孔結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖的制造方法。實(shí)施例1將直徑為40mm的靶棒安置在VAD沉積車床上，四氯化硅和四氯化鍺與高純氧氣的混合氣體，在氫氧焰高溫下，生成摻鍺的石英玻璃芯層，即圖4中的纖芯1，混合氣體的總流量為12000ml/min，芯棒的沉積速率為8g/min，形成摻鍺芯棒，芯棒的直徑為30mm，其中摻鍺的芯層直徑為10mm，摻鍺芯層與純石英玻璃的相對(duì)折射率差為1.0%。參見圖4所示，將12根外徑為10mm、內(nèi)孔直徑為7.5mm的高純石英管4沿芯棒(即圖4中的纖芯1)外沿均勻排列一周，形成圖3中12個(gè)的空氣孔2，尾端固定，形成聚束的纖芯加12根石英管結(jié)合的一體棒。為拉制成摻鍺纖芯直徑為20微米，微孔直徑為15微米， 孔與纖芯距40微米的彎曲不敏感光纖，在一體棒外圍套上一個(gè)外徑為63mm、內(nèi)徑為51mm的石英套管5，形成圖3中的石英包層3，制成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒。將彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒放置到拉絲塔上，在2200°C左右的高溫下，將其拉絲成外徑為125微米、內(nèi)涂層直徑為192微米、外涂層直徑為245微米的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，經(jīng)過測(cè)試其主要指標(biāo)參見表1。表1、實(shí)例1制造的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)
權(quán)利要求
1.一種彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，它包括摻鍺的纖芯(1)和覆蓋在所述纖芯(1)外圍的石英包層(3)，其特征在于所述纖芯(1)周圍均勻分布有12個(gè)空氣孔(2)。
2.如權(quán)利要求1所述的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述12個(gè)空氣孔⑵中心的連線構(gòu)成正十二邊形。
3.如權(quán)利要求1所述的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述12個(gè)空氣孔⑵的孔徑相同，且在5. 0 15. 0 μ m之間。
4.如權(quán)利要求1所述的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述12個(gè)空氣孔(2)中心與纖芯(1)中心的距離相同，在20.0 40. 0 μ m之間。
5.如權(quán)利要求1所述的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述12個(gè)空氣孔(2)任意兩孔的中心與纖芯(1)中心連線的夾角在20 40度之間。
6.如權(quán)利要求1所述的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述纖芯(1)直徑在 5. 0 μ m 20. 0 μ m之間，相對(duì)折射率差在0. 25% 1. 0%之間。
7.如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述石英包層(3)的外圍涂有涂層，所述涂層為紫外光固化的丙烯酸樹脂涂層或熱固化的聚酰亞胺涂層。
8.如權(quán)利要求1所述的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖的制造方法，其特征在于包括以下步驟A、利用制棒設(shè)備制備摻鍺的纖芯(1)；B、將12根石英管(4)沿纖芯⑴外圍的圓周方向均勻排列，12根石英管(4)的尾端固定，形成聚束的纖芯(1)加12根石英管(4)結(jié)合的一體棒；C、在所述一體棒的外圍套上石英套管(5)，形成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒；D、利用光纖拉絲塔，將所述彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒拉制成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖。
9.如權(quán)利要求8所述的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖的制造方法，其特征在于步驟A中所述纖芯(1)采用軸向氣相沉積VAD工藝、等離子化學(xué)氣相沉積PCVD工藝或者改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積MCVD工藝制備。
10.如權(quán)利要求9所述的彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖的制造方法，其特征在于步驟B中所述12根石英管(4)中心的連線構(gòu)成正十二邊形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖及其制造方法，彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖包括摻鍺的纖芯和覆蓋在纖芯外圍的石英包層，纖芯周圍均勻分布有12個(gè)空氣孔。方法包括步驟利用制棒設(shè)備制備摻鍺的纖芯；將12根石英管沿纖芯外圍的圓周方向均勻排列，12根石英管的尾端固定，形成聚束的纖芯加石英管結(jié)合的一體棒；在一體棒的外圍套上石英套管，形成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒；利用光纖拉絲塔，將彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒拉制成彎曲不敏感微結(jié)構(gòu)光纖。本發(fā)明能夠有效克服實(shí)際制造過程中微孔不對(duì)稱性帶來的彎曲損耗效果不佳的問題，并且能提供更好的小彎曲半徑低損耗特性。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102354019SQ201110355519
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者張濤, 杜城, 柯一禮, 羅文勇, 胡福明, 莫琦, 趙磊, 陳偉, 黃文俊 申請(qǐng)人:烽火通信科技股份有限公司