[发明专利]一种抗弯曲多模光纤及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于接入网或小型化光器件中的多模光纤及其制造方法，该光纤具有优异的抗弯曲性能，属于光通信技术领域。

背景技术

多模光纤，特别是高带宽的多模光纤(比如OM3)由于系统建设成本相对较低，在中短距离光纤网络系统(比如数据中心和校园网等)中得到了广泛的应用。在室内及狭窄环境下的布线，光纤经受较高的弯曲应力，特别是在应用中过长的光纤通常缠绕在越来越小型化的存储盒中，光纤将承受很大的弯曲应力。因此需要设计开发具有抗弯曲性能的多模光纤，以满足室内光纤网络铺设和器件小型化的要求。与传统多模光纤相比，抗弯曲多模光纤需具有以下特点：1、弯曲附加衰减(特别是宏弯附加衰减)要小。多模光纤里面传输有许多模式，靠近多模光纤芯子边界传输的高阶模很容易在光纤弯曲时从芯子泄露出去，从芯子泄露出去的光一部分会返回芯子，一部分会在包层中传输，一部分会穿过涂覆层泄露出去。当弯曲半径减小时，从芯子泄露出去的光会增加，光纤传输系统的衰减就会增加，从而可能会导致信号失真，增加了系统出现误码的可能。2、小弯曲半径下光纤寿命不受影响。抗弯曲多模光纤工作时可能长期处于小弯曲半径下，当光纤弯曲时，光纤外侧必然受到张应力的作用，其应力大小可用下列公式表示：σ=E·r(R+Cth+r)]]>式中，E为石英玻璃的扬氏模量、R为弯曲半径、r为光纤的半径、C_th为涂覆层厚度。对于玻璃包层直径为125微米和外径为250微米的光纤，当弯曲半径减小至6.5mm时，光纤弯曲外侧将承受0.69GPa(100kpsi)的张应力，已达到光纤的常用筛选张力。光纤弯曲引起的断裂一方面会发生在敷设过程中，将引起敷设成本的增加；更严重的是发生在使用过程中，这是因为光纤在张应力作用下，微裂纹会扩张并可能最终导致光纤的断裂，特别是在FTTx的应用中将大大增加维护成本和影响系统的可靠性。因此，与普通多模光纤相比，抗弯曲多模光纤必须有很好的机械性能，即在小弯曲半径状态下，要具有很好的机械可靠性以确保其使用寿命。这就要求光纤具有较小的残存应力和较少的缺陷。3、具有较高带宽，可以满足10Gb/s，甚至是40Gb/s以太网的需要。

降低光纤弯曲附加衰减的一个有效方法是采用下陷包层的设计，其折射率剖面主要有“壕沟型”(图1所示)和“双包层型”(图2所示)两种。美国专利US20080166094A1，US20090169163A1和US20090154888A1就是采用的此类设计。其设计原理为：当光纤受到小的弯曲时，从芯子泄露出去的光会较大比例的限制在内包层并返回到芯子中，从而有效降低了光纤宏弯附加损耗。

但是，如何保证此类光纤长期工作在小半径状态下的使用寿命，仍然有待进一步的解决。图1所示折射率剖面对应的光纤由于芯层高掺锗而下陷包层高掺氟，且芯层和下陷包层相距很近，而掺锗和掺氟石英玻璃的膨胀系数相差很大，光纤内部势必具有很大的内应力，虽然因应力引起的弯曲附加损耗可通过下陷包层进行克服，但内应力会对光纤的寿命产生严重影响，且当光纤弯曲时其剖面结构因应力的作用而发生畸变进而影响光纤的传输带宽。图2所示折射率剖面对应的光纤按照该美国专利所述的材料组成设计，也会同图1所示折射率剖面对应的光纤一样，具有很大的内应力。并且这种内引力是由于各层的热膨胀系数不同所引起的永久性应力，很难仅仅通过调整工艺优化退火来消除，必须从材料组成和结构设计方面来解决。对于光纤寿命的预测，在ITU-T G657光纤标准的附录中已有简要介绍，光纤的使用寿命与光纤的动态疲劳参数n_d有关，动态疲劳参数n_d越高，在同等弯曲半径和存放长度下，光纤的机械可靠性就越高。因此，改进光纤材料组成和剖面结构的效果可以通过测试光纤的动态疲劳参数n_d来检验。