專利名稱：一種抗彎曲多模光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于接入網(wǎng)或小型化光器件中的抗彎曲多模光纖，特別涉及一種 具有較低彎曲附加衰減的光纖，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來通信技術(shù)的發(fā)展和集成小型化光器件的興起，使得應(yīng)用中的多模光纖常常 布設(shè)在越來越小的彎折通道并纏繞在空間越來越小的小型存儲盒中，例如電訊配線箱、數(shù) 據(jù)中心機柜等，這種情況下光纖就會經(jīng)常遇到小角度彎曲。傳統(tǒng)的光纖進行小角度彎曲時， 靠近多模光纖芯子邊界傳輸?shù)母唠A模很容易在光纖彎曲時從芯子泄露出去，從而造成信號 損失，導(dǎo)致成本較高的傳輸中斷?？箯澢嗄９饫w在彎曲性能上得到了大幅改善，可以使信號損失最小化，實現(xiàn)更 快更高效的光纜路徑、布線與安裝。狹窄環(huán)境下的布線要求抗彎曲多模光纖能經(jīng)受半徑等 于甚至小于IOmm的小角度彎曲而其信號損失卻遠遠小于傳統(tǒng)的多模光纖。新型的抗彎曲 多模光纖比銅纜更易操作與安裝，從而得以在更多的地方部署光纖?，F(xiàn)有技術(shù)中，降低光纖彎曲附加衰減的一個有效方法是采用下陷包層的設(shè)計，即 在包層中添加具有較低折射率的分層來實現(xiàn)約束光功率的效果。其折射率剖面主要有“壕 溝型”(圖1和圖3所示)和“雙包層型”(圖2所示)等。美國專利US20080166094A1， US20090169163A1和US20090154888A1就是采用的此類設(shè)計。其設(shè)計原理為當光纖受到小 的彎曲時，從芯子泄露出去的光易被限制在內(nèi)包層并返回到芯子中，從而降低了光纖宏彎 附加衰減。但是，在包層中添加具有低折射率的分層，缺點是分層折射率范圍受限制即難以 實現(xiàn)低于-1. 5%的分層折射率，且工藝復(fù)雜成本高昂產(chǎn)品均勻性差。如何保證此類光纖的 光學性能一致性及長期工作在小半徑彎曲狀態(tài)下的使用壽命，仍然有待進一步的研究。現(xiàn) 有的多模光纖難以滿足小彎曲半徑下的苛刻的光學性能和可靠性能的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為方便介紹本發(fā)明內(nèi)容，定義部分術(shù)語芯棒含有芯層或芯層及部分包層的石英玻璃件；預(yù)制棒具有合理幾何及光學參數(shù)的可以熔融拉絲成為光纖的石英玻璃組件；折射率光從真空射入介質(zhì)發(fā)生折射時，入射角的正弦值與折射角的正弦值的比 值叫做介質(zhì)的“絕對折射率”，簡稱折射率；相對折射率差▲。/(^「“2—”。2)^2lx100% ^^xl00%，ndnn(1 分別為各
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對應(yīng)部分和純石英玻璃折射率，除非另做說明，Iii為各對應(yīng)部分的最大折射率；折射率剖面用曲線圖表示的光纖或光纖預(yù)制棒(包括芯棒)玻璃折射率與其半 徑之間的關(guān)系；低折射率物質(zhì)折射率小于純石英玻璃折射率的特性，稱為低折射率；純石英玻璃在589nm折射率為1. 458，在630nm折射率為1. 457，同一波長下折射率比純石英玻璃低 的涂料稱為低折射率涂料；半徑該層外邊界與中心點之間的距離；冪指數(shù)律折射率剖面滿足下面冪指數(shù)函數(shù)的折射率剖面，其中，Ii1為光纖軸心的 折射率；r為離開光纖軸心的距離；a為光纖芯半徑；α為分布指數(shù)；△為芯/包相對折射
率差； 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種具有 更低彎曲附加衰減的抗彎曲多模光纖。本發(fā)明提出的多模光纖的技術(shù)方案為包括光纖和包覆在光纖外表面的涂層，所 述的光纖由具有拋物線形或階躍形折射率剖面結(jié)構(gòu)的石英玻璃芯層和圍繞芯層的石英玻 璃包層組成，其不同之處在于所述的芯層直徑2R1為20 200 μ m，由摻鍺(Ge)和氟(F)石 英玻璃材料組成，所述的包層外覆有雙層固化的聚合物涂層，包覆在包層外表面的內(nèi)涂層 為低折射率柔性聚合物涂層，外涂層為高楊氏模量的聚合物涂層。按上述方案，所述的包層為圍繞在芯層外的純石英玻璃包層，或純石英與摻雜石 英玻璃包層的總和，最外層的石英玻璃包層直徑為80 μ m 230 μ m。按上述方案，所述的內(nèi)涂層在_65°C 85°C范圍內(nèi)楊氏模量小于或等于lOMPa，典 型的楊氏模量范圍是0. 5MPa 2MPa，折射率(589nm波長鈉黃光)范圍是1. 37至1. 455 ； 外涂層在_65°C 55°C范圍內(nèi)楊氏模量范圍是500MPa 1500MPa，典型的范圍是700MPa lOOOMPa，折射率范圍為1. 47至1. 78，外涂層折射率對光纖性能無明顯影響。按上述方案，所述的內(nèi)涂層為紫外光固化或熱固化的柔性硅橡膠涂層，內(nèi)涂層的 單邊厚度為10 μ m 40 μ m ；所述的外涂層為紫外光固化或熱固化的聚丙烯酸脂涂層，外涂 層的直徑為160 μ m 260 μ m。按上述方案，所述的多模光纖在850nm波長處，以IOmm彎曲半徑繞1圈導(dǎo)致的彎 曲附加衰減典型值小于或等于0. 15dB,甚至小于或等于0. 05dB。按上述方案，所述的芯層折射率剖面結(jié)構(gòu)為拋物線形，α為1. 9 2. 2，相對折射 率差Δ 1為0. 9%至1. 2%，內(nèi)涂層折射率范圍是1. 40至1. 43，芯層直徑為47 μ m 53 μ m。 動態(tài)疲勞參數(shù)Nd等于或大于26 ；在850nm波長和1300nm波長具有500MHz-km以上的帶 寬，通過調(diào)整冪指數(shù)律折射率剖面分布，可以使優(yōu)化的850nm波長窗口達到2000MHz-km甚 至5000MHz-km以上的帶寬。按上述方案，所述的芯層折射率剖面結(jié)構(gòu)為拋物線形，α為1. 9 2. 2，相對折射 率差Δ1為1. 8%至2. 3%，芯層直徑為60μπι 65μπι。按上述方案，所述的芯層折射率剖面結(jié)構(gòu)為階躍形，相對折射率差Δ 1為0. 3%至
2. 2 % ο本發(fā)明采用的雙涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)合了兩種涂料的優(yōu)點，可以提高光纖的機械性能 并且最大程度地降低微彎損耗柔性內(nèi)涂層可以緩解外界對玻璃包層的壓力降低微觀彎曲 損耗引起的光功率損失，高楊氏模量的外涂層可以承受較大的機械力，使光纖免受加工、運 輸、使用過程中的機械損傷。
本發(fā)明多模光纖制造方法為將純石英玻璃襯管固定在等離子體增強化學氣相沉 積(PCVD)車床上進行摻雜沉積，在反應(yīng)氣體SiCl4和O2中，通入含F(xiàn)的氣體，引進F摻雜， 通入GeCl4以引入Ge摻雜，通過微波使襯管內(nèi)的反應(yīng)氣體離子化變成等離子體，并最終以 玻璃的形式沉積在襯管內(nèi)壁；根據(jù)所述光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的摻雜要求，將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)曲線細分成 數(shù)千至一萬多層薄層分步沉積，通過程序控制每步混合氣體中摻雜氣體的流量和比例來實 現(xiàn)具有精確折射率分布的芯層；沉積完成后，用電加熱爐將沉積管熔縮成實心芯棒。將實心芯棒套入具有適宜尺寸參數(shù)的純石英玻璃空管內(nèi)即可組成制備光纖用的 預(yù)制棒，或者在芯棒表面用OVD工藝沉積純石英玻璃層作為包層再燒實成預(yù)制棒。將預(yù)制 棒置于拉絲塔拉成纖維，在纖維表面涂覆內(nèi)外兩層聚合物涂層即成光纖。光纖的彎曲附加衰減由宏彎附加衰減和微彎附加衰減兩者組成，增加光纖的抗彎 曲能力可通過減少結(jié)構(gòu)引起的這兩種衰減來實現(xiàn)。內(nèi)涂層材料采用低折射率的聚合物彈性 體，其低折射率的特性可以將從芯子泄露出去的光限制在石英玻璃包層并返回到芯子中， 從而降低了光纖宏彎附加衰減。另一方面，其在_65°C 85°C范圍內(nèi)楊氏模量小于lOMPa， 典型的楊氏模量范圍是0. 5MPa 2MPa，這種特性最大限度地減小了玻璃包層與內(nèi)涂層處 的應(yīng)力與不規(guī)則形變導(dǎo)致的光功率損失，降低了微彎附加衰減，從而提高了光纖的抗彎曲 能力。本發(fā)明的有益效果在于1、低折射率內(nèi)涂層的設(shè)計避免了在石英玻璃包層和芯層中引入附加應(yīng)力，其低折射率的特性可以將從芯子泄露出去的光限制在石英玻璃包層并返 回到芯子中，從而降低了光纖宏彎附加衰減，避免了附加應(yīng)力造成的衰減和帶寬損失；2、低 折射率內(nèi)涂層的設(shè)計避免了光纖內(nèi)部應(yīng)力，大大提高了光纖的機械性能，保證光纖工作在 小半徑彎曲狀態(tài)下的使用性能和使用壽命，具有優(yōu)異的抗彎曲性能；3、低折射率內(nèi)涂層的 設(shè)計相當于在石英玻璃包層外部引入“下陷層”，這樣可以通過靈活調(diào)整涂層性質(zhì)來改變 “下陷層”的參數(shù)，如下陷層的直徑和深度等，在拉絲工序可以實現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整而不必在復(fù) 雜的預(yù)制棒設(shè)計中增加不穩(wěn)定因素，從而提高了拉絲制造工藝的可靠性；4、本發(fā)明制造方 法簡便有效，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明實施例1的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實施例2的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實施例3的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明實施例4的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明實施例5的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明實施例6的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明實施例7和8的階躍型能量傳輸光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。通常涂層的折射率參數(shù)用絕對折射率來表示，附圖中為了對比涂層折射率與芯層 及包層的關(guān)系，標示出了涂層相對折射率差δ。附圖用Δ表示石英玻璃光纖芯層或包層分 層的相對折射率差。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的實施例。圖1是本發(fā)明實施例1的雙涂層彎曲不敏感多模光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖 中的實線部分表示石英玻璃纖芯和包層的折射率結(jié)構(gòu)，虛線部分表示內(nèi)、外兩層涂層在光 纖中的折射率結(jié)構(gòu)?！?1表示摻雜石英玻璃纖芯中心相對折射率差，該結(jié)構(gòu)中石英玻璃包層 的相對折射率差為0 ； δ 1和δ 2分別表示內(nèi)外兩層涂層的相對折射率。Rl和R2分別表示 光纖芯層和包層的半徑，Π和r2分別表示內(nèi)外兩層涂層的半徑。圖2是實施例2的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)中石英玻璃包層分為3層，其中第 1和第3分層為純石英層，第2分層為下陷包層。Δ1和Δ 3分別表示纖芯和下陷包層的相對折 射率差；δ 1和δ 2分別表示內(nèi)外兩層涂層的相對折射率。R1、R2、R3、R4分別表示纖芯、第1包 層分層純石英層、第2包層分層即下陷包層、第3包層分層的半徑，第2分層半徑R3為28 μ m 58 μ m ；相對折射率差Δ 3為-0. 50%至-0. 90%。rl和r2分別表示內(nèi)外兩層涂層的半徑。圖3是實施例3的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)中石英玻璃包層分為2層，其 中第1分層為純石英層，第2分層為低折射率下陷包層。Δ1和Δ3分別表示纖芯和下陷包 層的相對折射率；Sl和δ 2分別表示內(nèi)外兩層涂層的相對折射率。R1、R2、R3分別表示纖 芯、第1包層分層純石英層、第2包層分層即下陷包層的半徑，第2分層半徑R3為28 μ m 63 μ m;相對折射率差Δ3為-0.40%至-1.00%。rl和r2分別表示內(nèi)外兩層涂層的半徑。圖4是實施例4的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)中石英玻璃包層分為2層，其 中第1分層為低折射率下陷包層，第2分層為純石英層。Δ1和Δ2分別表示纖芯和下陷包 層的相對折射率；Sl和δ 2分別表示內(nèi)外兩層涂層的相對折射率。R1、R2、R3分別表示纖 芯、第1包層分層即下陷包層、第2包層分層的半徑，第1分層半徑R2為21 μ m 58 μ m ； 相對折射率差Δ2為-0. 40%至-0. 80%。rl和r2分別表示內(nèi)外兩層涂層的半徑。圖5是實施例5的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)中石英玻璃包層分為4層，其 中第1分層為純石英層，第2分層為低折射率下陷包層，第3分層為摻雜高折射率石英層， 第4分層為純石英層。Δ1、Δ3和Δ 4分別表示纖芯、下陷包層和高折射率摻雜石英層的相 對折射率，第2分層半徑R3為28 μ m 55 μ m，相對折射率差Δ 3為-0. 40%至-1. 10%，第 3分層半徑R4為31 μ m 58 μ m，相對折射率差Δ 4為0. 1 %至0. 8%。δ 1和δ 2分別表 示內(nèi)外兩層涂層的相對折射率。R1、R2、R3、R4、R5分別表示纖芯、第1包層分層、第2包層 分層即下陷包層、第3包層分層即高折射率摻雜石英層、第4包層分層即純石英層的半徑。 rl和r2分別表示內(nèi)外兩層涂層的半徑。圖6是本發(fā)明實施例6的雙涂層彎曲不敏感多模光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖 中的實線部分表示石英玻璃纖芯和包層的折射率結(jié)構(gòu)，虛線部分表示內(nèi)、外兩層涂層在光 纖中的折射率結(jié)構(gòu)。△ 1表示摻雜石英玻璃纖芯中心相對折射率差，該結(jié)構(gòu)中石英玻璃包層 的相對折射率差為0 ； δ 1和δ 2分別表示內(nèi)外兩層涂層的相對折射率。Rl和R2分別表示 光纖芯層和包層的半徑，rl和r2分別表示內(nèi)外兩層涂層的半徑。圖7是本發(fā)明實施例7和8的階躍型能量傳輸光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖 中的實線部分表示石英玻璃纖芯和包層的折射率結(jié)構(gòu)，虛線部分表示內(nèi)、外兩層涂層在光 纖中的折射率結(jié)構(gòu)。摻雜石英玻璃纖芯相對折射率差Δ1為0.3%至1.2%，，該結(jié)構(gòu)中包 層為具有低折射率的摻雜石英玻璃包層，包層為一層石英玻璃包層，包層相對折射率差Δ 2為-0. 至-1. 1%。δ 1和δ 2分別表示內(nèi)外兩層涂層的相對折射率。Rl和R2分別表示 光纖芯層和包層的半徑，Π和r2分別表示內(nèi)外兩層涂層的半徑。下表為上述實施例具體參數(shù)表 權(quán)利要求
一種抗彎曲多模光纖，包括光纖和包覆在光纖外表面的涂層，所述的光纖由具有拋物線形或階躍形折射率剖面結(jié)構(gòu)的石英玻璃芯層和圍繞芯層的石英玻璃包層組成，其特征在于所述的芯層直徑2R1為20～200μm，由摻鍺和氟石英玻璃材料組成，所述的包層外覆有雙層固化的聚合物涂層，包覆在包層外表面的內(nèi)涂層為低折射率柔性聚合物涂層，外涂層為高楊氏模量的聚合物涂層。
2.按權(quán)利要求1所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的包層為圍繞在芯層外的 純石英玻璃包層，或純石英與摻雜石英玻璃包層的總和，最外層的石英玻璃包層直徑為 80μ230μπι。
3.按權(quán)利要求1或2所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的內(nèi)涂層在-65°C 85°C范圍內(nèi)楊氏模量小于或等于lOMPa，折射率范圍是1.37至1.455 ；外涂層在_65°C 55°C范圍內(nèi)楊氏模量范圍是500MPa 1500MPa，折射率范圍為1. 47至1. 78。
4.按權(quán)利要求1或2所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的內(nèi)涂層為紫外光固化 或熱固化的柔性硅橡膠涂層，內(nèi)涂層的單邊厚度為10 μ m 40 μ m ；所述的外涂層為紫外光 固化或熱固化的聚丙烯酸脂涂層，外涂層的直徑為160 μ m 260 μ m。
5.按權(quán)利要求3所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的芯層折射率剖面結(jié)構(gòu)為拋 物線形，α為1.9 2. 2，相對折射率差Δ 1為0.9%至1.2%，內(nèi)涂層折射率范圍是1.40至 1. 43，芯層直徑為47 μ m 53 μ m ；動態(tài)疲勞參數(shù)Nd等于或大于26 ；在850nm波長和1300nm 波長具有500MHz-km以上的帶寬。
6.按權(quán)利要求3所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的芯層折射率剖面結(jié)構(gòu)為拋 物線形，α為1.9 2. 2，相對折射率差Δ1為1.8%至2.3%，芯層直徑為60 μ m 65 μ m。
7.按權(quán)利要求5所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于包層分為3層，其中第1和第3分 層為純石英玻璃層，第2分層為下陷包層，第2分層半徑R3為28 μ m 58 μ m，相對折射率 差 Δ3 為-0. 50%至-0. 90%。
8.按權(quán)利要求5所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于包層分為2層，其中第1分層為純 石英玻璃層，第2分層為低折射率下陷包層，第2分層半徑R3為28 μ m 63 μ m，相對折射 率差 Δ3 為-0. 40%至-1. 00%。
9.按權(quán)利要求5所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于包層分為2層，其中第1分層為低 折射率下陷包層，第2分層為純石英玻璃層，第1分層半徑R2為21 μ m 58 μ m，相對折射 率差 Δ2 為-0.40%至-0.80%。
10.按權(quán)利要求5所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于包層分為4層，其中第1、第4分 層為純石英玻璃層，第2分層為低折射率下陷包層，第3分層為摻雜高折射率石英層，第2 分層半徑R3為28 μ m 55 μ m，相對折射率差Δ 3為-0. 40 %至-1. 10 %，第3分層半徑R4 為31μπι 58μπι，相對折射率差Δ4為0. 至0. 8%。
11.按權(quán)利要求3所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于芯層結(jié)構(gòu)為階躍形，包層為一層 石英玻璃包層，芯層相對折射率差Δ 1為0. 3%至1. 2%，包層為具有低折射率的摻雜石英 玻璃包層，包層相對折射率差Δ2為-0. 至-1. 1%。
12.按權(quán)利要求3所述的抗彎曲多模光纖，其特征在于所述的多模光纖在850nm波長 處，以IOmm彎曲半徑繞1圈導(dǎo)致的彎曲附加衰減小于或等于0. 15dB。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于接入網(wǎng)或小型化光器件中的抗彎曲多模光纖，包括光纖和包覆在光纖外表面的涂層，所述的光纖由具有拋物線形或階躍形折射率剖面結(jié)構(gòu)的石英玻璃芯層和圍繞芯層的石英玻璃包層組成，其特征在于所述的芯層直徑為20～200μm，由摻鍺和氟石英玻璃材料組成，所述的包層外覆有雙層固化的聚合物涂層，包覆在包層外表面的內(nèi)涂層為低折射率柔性聚合物涂層，外涂層為高楊氏模量的聚合物涂層。本發(fā)明低折射率內(nèi)涂層的設(shè)計避免了光纖內(nèi)部應(yīng)力，大大提高了光纖的機械性能，保證光纖工作在小半徑彎曲狀態(tài)下的使用性能和使用壽命，具有優(yōu)異的抗彎曲性能，在850nm波長處，以10mm彎曲半徑繞1圈導(dǎo)致的彎曲附加衰減小于或等于0.15dB。本發(fā)明制造方法簡便有效，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號G02B6/036GK101840023SQ201010190379
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者張方海, 曹蓓蓓 申請人:長飛光纖光纜有限公司