专利名称：弯曲不敏感光纤及其制备方法近年来集成小型化光器件和光纤制造技术的兴起，要求光纤在小弯曲半径下附加损耗比较小。因此，大模场直径，小弯曲损耗，低衰减和高强度的抗弯光纤能够很好的适应这种需求。光纤预制棒波导结构设计是光纤制造最核心的技术，是决定光纤性能的关键所在，因此光纤制造商都非常重视光纤波导结构的设计。常规G.652光纤在大容量、远距离通信上满足了通信运营商的要求，它的零色散波长为1300-1324nm，在1550nm的最大色散值为18ps/nm*km。但是，在器件制造方面和特殊应用场合，有要求光纤极限弯曲半径小于30毫米，小弯曲半径会导致光纤的长波长附加衰减显著增加，例如，G.652光纤在弯曲半径为10毫米时，从1400nm以上的长波长的附加损耗显著增加。G.652一般弯曲损耗的厂家指标是100圈，直径60毫米引起光纤附加衰减在1310nm波长为不大于0.05dB，在1550nm波长为不大于0.1dB；或是一圈，直径32毫米引起的附加衰减在1550nm波长为不大于0.5dB。G.653光纤是一种色散位移单模光纤，它的零色散波长在1500-1600nm之间，在1525nm-1575nm的最大色散值为-3.5/3.5ps/nm*km，该光纤的弯曲性能可以描述如下100圈，直径60毫米引起光纤附加衰减在1550nm波长为不大于0.5dB。G.655光纤是非零色散位移单模光纤，它的零色散波长在C波段之外，在1530nm-1565nm的色散值为0.1-10ps/nm*km。该光纤的弯曲性能可以描述如下100圈，直径60毫米引起光纤附加衰减在1550nm和1625nm波长均为不大于0.5dB。厂家指标为一圈，直径32毫米引起的附加衰减在1550nm和1625nm波长均为不大于0.5dB。美国专利US 4,838,643描述了一种W型波导结构的改善了光纤弯曲性能的光纤，该光纤的基本结构参数为光纤分三层结构，第一层是光纤芯层，相对折射率差Δ在0.75-0.95％范围内(相对于第三层)，第二层是下凹的包层，相对折射率差Δ在-0.04--0.06％(相对于第三层)，第三层是光纤的外包层，相对折射率差为零。该专利申称下凹层半径/芯层半径在6.5-8.0以上。同时，光纤的截止波长在1130nm-1330nm时，模场直径是5-7μm，截止波长在1200nm-1280nm时光纤模场直径为6-6.5μm。中国专利1124994C描述了申请人美国康宁公司提出的新的光纤内芯层分布，改善了光纤的弯曲性能。该专利描述了一种两个环形结构的波导，共分四层，其中第一层是芯层，相对折射率差Δ为0.79-1.2％，半径2.55-3.55微米；第二层是折射率高于包层但是小于第三层的壕区，Δ不大于0.2％；第三层的相对折射率差Δ为0.3-1.2％，半径5.50-8.70微米，第三层宽度为0.4-2微米。零色散波长在1575-1595nm范围内，在1525-1565nm范围的色散介于-0.75--5.5ps/nm*km，在1570-1595nm范围的色散斜率小于0.1ps/nm2*km，模场直径不小于7.9微米。康宁宣称这种光纤比US 5,483,612描述的光纤改善了扩展波长窗口内低的衰减，扩展波长窗口内低的总色散、偏振模色散PMD和在恶劣环境下出色的长期抗弯曲诱发衰减性能。上面描述的光纤没有涉及在小弯曲半径条件下的应用和相关测试分析，在今天紧凑型器件和特殊场合都要求光纤能够适应小弯曲条件的应用场合，上面提到的光纤没有明确的性能指标可以保证其安全应用。等离子化学汽相沉积法PCVD工艺是一种管内法工艺，优点是可以设计和实现非常复杂的预制棒折射率剖面，但是，PCVD工艺较难实现光纤的低衰减，尤其是降低光纤的水峰。一种有效的途径是提高原材料的纯度，但是这种方法会大幅度提高成本和需要增加设备。本发明提出一种可以降低PCVD方法制造1383nm处较低水峰的技术，就是成棒过程中的烧实工艺，是在没有氧气和氟利昂的环境下进行烧实。
根据文献报道，光纤中OH-含量和光纤在1383nm的水峰是有一定的关系的。OH-含量在1ppm时，对应光纤在1383nm的衰减是60dB/km，而现在低水峰光纤在1383nm处的衰减小于0.3dB/km，所以，要降低1383nm的水峰，必须降低光纤预制棒内部的OH-含量。
在PCVD工艺中，一旦沉积工艺过程完成，光纤预制棒内的OH-含量就确定了，不可能像OVD或VAD工艺那样通过后处理降低OH-含量。但是PCVD工艺成棒过程中也可能引入水，所以，尽量减少成棒过程中引入的污染，可以降低光纤在1383nm的水峰。


本发明的目的为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种光纤及其制备方法，该光纤零色散波长在1310nm附近，在波长1550nm色散值不大于12ps/nm*km，在波长1550nm色散斜率不大于0.065ps/nm2*km；光缆截止波长不大于1260nm，该光纤的指标等同于常规G.652指标；该光纤的模场直径是7±0.8微米，该光纤的弯曲性能可以描述如下5圈，直径20毫米引起光纤附加衰减在1310nm波长为不大于0.005dB，在1550nm波长为不大于0.005dB。本发明方法制备的光纤可降低了OH-在1383nm处的水峰。
一种抗弯光纤，其波导结构具有芯层和包层，其中包层又分为五个包层，芯层和各包层的相对折射率差都相对于第五包层，芯层相对折射率差0.6％≤Δ1≤0.8％，芯层半径2.5微米≤r1≤2.9微米；第一包层相对折射率差-0.5％≤Δclad1≤-0.4％，第一包层半径3.0微米≤rclad1≤3.5微米；第二包层相对折射率差-0.4％≤Δclad2≤-0.35％，第二包层半径3.5微米≤rclad2≤4.3微米；第三包层相对折射率差0％≤Δclad3≤0.1％，第三包层半径7微米≤rclad3≤8微米；第四包层相对折射率差-0.1％≤Δclad4≤0％，第四包层半径40微米≤rclad4≤42微米，第五包层为纯二氧化硅，其折射率为二氧化硅玻璃折射率。
抗弯光纤的制备方法，该光纤的制备方法采用等离子化学汽相沉积法PCVD工艺来制造光纤预制棒，制备过程分为两步，首先是沉积，然后是成棒，(1)在沉积的过程中，按抛光、过渡、第四包层、第三包层、第二包层、第一包层和芯层的沉积过程，控制原材料SiCl4、GeCl4、氟利昂、氧气的流量，得到沉积完成的光纤预制棒；(2)将沉积完成的光纤预制棒抬到成棒设备上进行熔缩，在成棒过程中，通入氧气和氟利昂进行腐蚀完，从出气端进行烧实，在烧实过程中，预制棒内表面是在没有氧气和氟利昂的环境下进行烧实，制得抗弯光纤预制棒。
通过我们的研究发现，在成棒过程中，通入氧气和氟利昂进行腐蚀完，然后从进气端进行烧实的时候，尾端的氧气和氟利昂会从出气端逆流向进气端，从而污染刚腐蚀完成的光纤内表面。本发明提出从出气端进行烧实，在烧实过程中，预制棒内表面是在没有氧气和氟利昂的环境下进行烧实，保证了光纤内表面的干净，降低了OH-含量，降低了光纤在1383nm处的衰减。
本发明采用PCVD工艺制造光纤预制棒，PCVD工艺和OVD或VAD工艺相比，具有很多优势，例如易于制造下凹的包层和制造复杂的折射率剖面结构。
本发明的关键在于通过实验过程总结出了波导结构对光纤性能影响的数据，然后，通过经验公式来计算光纤的剖面参数。计算机技术在这个过程中起了重要作用。
光波在光纤中传输满足弱导波条件，光电磁波在光纤中传输过程中同时存在轴向的导行电磁场和径向的消逝场，光波电磁场在不同的波导结构中场的分布各不相同，不同的场分布将携带不同的光功率。
在抗弯光纤中，由于同时使用1310nm和1550nm两个通信窗口，因此，必须保证光纤在1310nm波长以上的单模传输。
由公式λc=2πan12ΔVc---(1)]]>可以知道设计要求λc＜1260nm，模场直径6±0.5微米，Vc是常数，n1可视为常数，所以，光纤的可设计参数芯直径2a和纤芯相对折射率Δ均受到制约。
众所周知，光纤的波导结构对光纤性能的影响非常大，如衰减、色散、截止波长、模场直径、弯曲损耗等等均与之相关。所以，本发明找到了一种合适的光纤波导，可以同时优化这些光纤性能指标。
单模光纤的微弯损耗可以由下面公式计算α=A8(k0n1s02)[k0n1s2(p)2]2p---(2)]]>式中A＝9.6799*10-19(dB/km)；p＝3.2；s0为模斑半径。
可以分析得出，光纤的微弯损耗和光纤的模斑半径的关系非常紧密，模斑半径越小，则微弯损耗也越小。微弯损耗另外的一个影响因素是相对折射率差Δ值，值越大，微弯损耗也越大，需要合适的相对折射率差Δ值。
单模光纤的弯曲损耗可以由下面公式给出αc=AcR-12exp(-UR)---(3)]]>Ac=12(πaW3)12[UWK1(W)]2---(4)]]>U=4δnW33aV2n2---(5)]]>其中R是弯曲半径，U和W是径向归一化相位常数和径向归一化衰减常数。
式中的U、V、W都是和光纤波导结构相关的参数，因此，通过波导结构的设计，可以减小光纤的弯曲损耗。
本发明所描述的光纤包含一个芯层和多个包层，光纤芯层的相对折射率差Δn2为0.6％-0.8％，根据公式(4)和(5)分析，提高了n2，减小了U和Ac的值。这样的设计可以有利于光纤弯曲损耗的优化。
提高芯层的相对折射率差Δn2，负面作用是减小了光纤的模场直径和增大了光纤的截止波长。
aV---(6)]]>s称为模斑尺寸，它代表光能在纤芯的集中程度。模场直径MFD是和相对应的测试上的术语，通常用MFD来衡量光纤的光能在纤芯的集中程度，所以，单模光纤的s大，则MFD也大。
第三包层的引入，改变了U值，间接影响了V值，因此，第三包层的引入，可以改变光纤模场直径。通常的经验是第三包层的相对折射率差Δclad3增加，第三包层的半径rclad3增大，则光纤的模场直径越大。但是，随第三包层的引入，可能增加光纤波导中的模式，特别是新增高阶模，如LP(2.1)，LP(2.2)，LP(3.1)等模式。第三包层的作用除增大模场之外，同样改善着光纤的色散。但是，有可能在(Δclad3，rclad3)的某个范围内会导致光纤截止波长变长。
第四包层相对折射率差Δclad4，第四包层的半径rclad4的设计可以减小光纤的截止波长，因此，可以通过恰当的设计使光纤的截止波长小于1290nm的前提下同时满足其它光纤设计指标。
该光纤相对于常规G.652光纤而言，这种光纤的弯曲损耗在1310nm波长和1550nm波长小于0.005dB，光纤的截止波长≤1290nm，光缆截止波长≤1260nm；光纤模场直径为7±0.8μm；零色散波长在1310nm附近，色散斜率不大于0.065ps/nm2*km；在1550nm处的色散≤12ps/nm*km。光纤在1310nm的衰减≤0.36dB/km，在1550nm的衰减≤0.24dB/km。


图1为本发明的光纤波导结构示意图。
图2为本发明的光纤制备流程图。

按表1所示的原料配比与工艺参数，在计算机程序控制下，采用PCVD工艺制造本发明的光纤，制备出的光纤其波导结构，如图1所示。将预备好的反应衬底管安装在沉积设备上，将预热炉温度升高到1150℃，编制好计算机程序；打开微波发生器，开始按照配方定制的程序开始沉积，经过抛光、过渡、第四包层、第三包层、第二包层、第一包层和芯层的沉积，然后停止微波和计算机程序。将沉积完成的光纤预制棒抬到成棒设备上进行熔缩，在成棒过程中，通入氧气和氟利昂进行腐蚀完，从出气端进行烧实，在烧实过程中，预制棒内表面是在没有氧气和氟利昂的环境下进行烧实，保证了光纤内表面的干净，降低了OH-含量，降低了光纤在1383nm处的衰减。这种波导结构的光纤预制棒通过套管法形成光纤波导结构，然后经过拉丝、复绕、测试、包装，最后得到弯曲不敏感光纤。该光纤的具体指标是零色散波长在1310nm附近，在1550nm色散值不大于12ps/nm*km，在1550nm色散斜率不大于0.065ps/nm2*km；光缆截止波长不大于1260nm，该光纤的指标等同于常规G.652指标；该光纤的模场直径是7±0.8微米，该光纤的弯曲性能可以描述如下5圈，直径20毫米引起光纤附加衰减在1310nm波长为不大于0.005dB，在1550nm波长为不大于0.005dB。
表1、原料配比与工艺参数

sccm-标准立方厘米/分钟


本发明涉及一种对弯曲不敏感的单模光纤及其制备方法，其波导结构具有芯层和包层，其中包层又分为五个包层，芯层和各包层的折射率都不同，该光纤制备方法采用PCVD工艺，原材料按照不同的配比及在没有氧气和氟利昂的环境下进行烧实，得到一种弯曲不敏感光纤。该光纤相对于常规G.65 2光纤而言，这种光纤的弯曲损耗在1310nm波长和1550nm波长小于0.005dB，光纤的截止波长≤1290nm，光缆截止波长≤1260nm；光纤模场直径为7±0.8μm；零色散波长在1310nm附近，色散斜率不大于0.065ps/nm2＊km；在1550nm处的色散≤12ps/nm＊km。光纤在1310nm的衰减≤0.36dB/km，在1550nm的衰减≤0.24dB/km。该光纤主要应用于集成小型化光器件，卷绕或编织成小弯曲半径光纤通信的应用。