光纤及光纤制备方法
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光纤及光纤制备方法。
背景技术
目前，国内光纤光缆厂家在小尺寸光纤领域处于试验和探索阶段，市场上常规单模光纤的最小尺寸为200μm，包层直径为125μm，涂层直径为250μm，采用内外涂层两层保护。如何设计适用于超高密度光缆的小尺寸抗弯曲光纤，且光纤性能完全满足使用要求并没有公开报道。
随着国内光网络建设的增多以及管道资源的限制，光纤的敷设难度增加，且光纤在敷设过程中，经常会遇到小角度弯曲，现有的光纤由于其尺寸较大、抗弯曲性能不佳，在进行小角度弯曲时，很容易造成信号损失，造成传输中断。
发明内容
鉴于此，有必要提出一种光纤及光纤制备方法，能够降低光纤尺寸，提高光纤的抗弯曲性能。
本申请实施例第一方面提供一种光纤，包括芯层与围绕所述芯层的包层，所述包层包括包覆设置的内包层、第一下陷层、第二下陷层与外包层，所述第一下陷层的单侧宽度大于所述第二下陷层的单侧宽度，所述第一下陷层的相对折射率为-0.03％～-0.06％，所述第二下陷层的相对折射率为-0.08％～-0.15％，所述外包层外还包括涂覆层，所述涂覆层包括包覆设置的第一涂覆层与第二涂覆层，所述第二涂覆层的直径为175μm～195μm。
进一步地，在本申请提供的上述光纤中，所述第一下陷层与所述第二下陷层均为掺氟层，所述第一下陷层的单侧宽度为3～5μm，所述第二下陷层的单侧宽度为2～4μm。
进一步地，在本申请提供的上述光纤中，所述第二下陷层的折射率为梯度内抛物线形分布，自所述第一下陷层至所述外包层递减，分布指数为1.2～2.2。
进一步地，在本申请提供的上述光纤中，所述外包层直径为124μm～126μm。
进一步地，在本申请提供的上述光纤中，所述第一涂覆层的弹性模量为0.3～0.4Mpa，所述第一涂覆层的厚度为12μm～20μm，所述第一涂覆层的玻璃化转变温度为-40℃～-60℃。
进一步地，在本申请提供的上述光纤中，所述第二涂覆层的杨氏模量大于600Mpa，所述第二涂覆层的厚度为12μm～18μm。
进一步地，在本申请提供的上述光纤中，所述光纤的模场直径为8.4μm～9.4μm。
进一步地，在本申请提供的上述光纤中，当所述光纤的弯曲半径为7.5mm时，在弯曲1圈状态下，所述光纤在波长1550nm时的宏弯曲损耗小于0.1dB；所述光纤在波长1625nm时的宏弯曲损耗小于0.25dB。
本申请实施例第二方面还提供一种制备上述光纤的方法，所述光纤制备方法包括：
制备第一芯棒松散体，采用第一喷灯、第二喷灯及第三喷灯由内向外依次进行沉积，在第一喷灯中通入SiCl4气体、GeCl4气体、氧气、可燃气体及氩气，形成掺锗的芯层；在第二喷灯中通入SiCl4气体、氧气、可燃气体及氩气，形成纯硅的内包层；在第三喷灯中通入SiCl4气体，含氟气体，氧气，可燃气体和氩气，形成第一下陷层；
将上述制备的第一芯棒松散体置于氯气中进行脱羟处理，然后进行玻璃化工艺与退火工艺形成芯棒；
将上述制备的芯棒作为靶棒，在芯棒的外表面由内而外沉积第二下陷层与外包层，产生第二芯棒松散体，并对所述第二芯棒松散体进行烧结处理得到光纤预制棒；
将上述制备的光纤预制棒进行拉丝处理，并通过二次加热保温退火工艺处理，得到裸光纤；
冷却上述制备的裸光纤，对所述裸光纤进行一次涂覆与二次涂覆，得到第一涂覆层与第二涂覆层，并通过紫外光对所述第一涂覆层与所述第二涂覆层进行固化处理得到光纤。
进一步地，在本申请提供的上述光纤制备方法中，在二次加热保温退火工艺中，控制电阻炉中分节加热电阻丝形成1250℃～800℃逐步降低的梯度温场。
本申请实施例提供的光纤及光纤制备方法，在包层的直径不变的情况下，降低涂层的直径，进而降低光纤的尺寸；此外，本申请提及的光纤通过在包层折射率设计中采用第一下陷层与第二下陷层双层凹陷、分级凹陷的结构，能够限制光纤在弯曲状态下光信号的泄露，改善光纤的宏弯曲损耗。
附图说明
图1是本申请一实施例提供的光纤的一剖面示意图。
图2是本申请一实施例提供的光纤的折射率剖面示意图。
图3是本申请一实施例提供的光纤制备方法的流程图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
主要元件符号说明
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明中涉及的一些术语的定义和说明如下。
阶跃型分布就是光纤的折射率的分布方式，纤芯和包层的折射率都是均匀分布，而它们之间有一个折射率差，纤芯折射率大于包层折射率，在纤芯和包层边界有一个台阶，所以称之为阶跃型分布。
光缆截止波长λcc：根据IEC的标准60793-1-44中定义为光信号在光纤中传播了22米之后不再作为单模信号进行传播的波长。在测试时需通过对光纤绕一个半径14cm的圈，两个半径4cm的圈来测试获得。
模场直径(MFD，Mode Field Diameter)，用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。
弹性模量(Elastic Modulus)，一般定义为：单向应力状态下应力除以该方向的应变。材料在弹性形变阶段，其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律)，其比例系数成为弹性模量。
杨氏模量(Young's modulus)，用于表征固体材料抵抗形变能力的物理量，衡量的是一个各向同性弹性体的刚度。杨氏模量是弹性模量中常见的一种。
湿对干涂覆方式，是指裸光纤的涂层分别被两个涂覆模具涂覆，先在裸光纤表面进行内层涂覆，然后再进行外层涂覆；湿对湿涂覆方式，是指裸光纤的涂层能同时经过一个涂覆模具涂覆。
VAD(Vacuum Arc Degassing)是指汽相轴向沉积法；OVD(Outside VapourDeposition)是指外部汽相沉积法。
玻璃化转变温度(Tg)是指由玻璃态转变为高弹态所对应的温度。玻璃态转变是非晶态高分子材料固有的性质，是高分子运动形式转变的宏观体现。玻璃化温度是分子链段能运动的最低温度，其高低与分子链的柔性有直接关系。分子链的柔性越大，玻璃化温度就低；分子链的刚性越大，玻璃化温度就高。
本申请实施例提供一种光纤，包括芯层与围绕所述芯层的包层，所述包层包括包覆设置的内包层、第一下陷层、第二下陷层与外包层，所述第一下陷层的单侧宽度大于所述第二下陷层的单侧宽度，所述第一下陷层的相对折射率为-0.03％～-0.06％，所述第二下陷层的相对折射率为-0.08％～-0.15％，所述外包层外还包括涂覆层，所述涂覆层包括包覆设置的第一涂覆层与第二涂覆层，所述第二涂覆层的直径为175μm～195μm。
本申请实施例提供的光纤及光纤制备方法，在包层的直径不变的情况下，降低涂层的直径，进而降低光纤的尺寸；此外，本申请提及的光纤通过在包层折射率设计中采用双层凹陷、分级凹陷的结构，能够限制光纤在弯曲状态下光信号的泄露，改善光纤的宏弯曲损耗。下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。
请一并参阅图1与图2，本申请实施例提供的光纤100包括由内而外依次包覆设置的芯层10、包层20及涂覆层30。在一实施方式中，所述光纤100为单模光纤。所述芯层10与所述包层20间的折射率分布呈阶跃型分布。所述光纤100的折射率剖面采用所述包层20内部逐级双凹陷结构。
所述芯层10掺锗，用于提高其折射率。所述芯层10相对纯硅芯的折射率为0.35％～0.50％。在一实施方式中，所述芯层10的相对折射率为0.35％、0.38％、0.40％、0.42％、0.44％、0.46％、0.48％或者0.50％中一种。所述芯层10的直径为8.4μm～9.4μm，在一实施方式中，所述芯层10的直径为8.4μm、8.6μm、8.8μm、9.0μm、9.2μm或者9.4μm中一种。
所述包层20包覆于所述芯层10外侧，所述包层20包括由内而外依次包覆设置的内包层21、第一下陷层22、第二下陷层23与外包层24。
所述内包层21为纯硅层。所述内包层21与所述芯层10的折射率分布呈阶跃型分布，所述内包层21相对于纯硅芯的折射率为0％～0.02％。在一实施方式中，所述内包层21相对于纯硅芯的折射率为0％、0.005％、0.01％、0.015％或者0.02％中一种。所述内包层21的单侧宽度为4～7.5μm。在一实施方式中，所述内包层21的单侧宽度可以为4μm、4.5μm、5.0μm、5.5μm、6.0μm、6.5μm、7.0μm或者7.5μm中一种。
所述第一下陷层22为掺氟层，通过掺氟处理，能够降低光纤100的折射率。所述第一下陷层22的相对纯硅芯的折射率为-0.03％～-0.06％。在一实施方式中，所述第一下陷层22的相对折射率为-0.03％、-0.04％、-0.05％以及-0.06％中一种。所述第一下陷层22的单侧宽度大于所述第二下陷层23的单侧宽度。所述第一下陷层22的单侧宽度为3～5μm，在一实施方式中，所述第一下陷层22的单侧宽度可以为3.5μm、4.0μm、4.5μm或者5μm中一种。
所述第二下陷层23为掺氟层，通过深掺氟工艺进一步降低光纤100的折射率，阻止其在极度弯曲状态下的光信号泄露，降低光纤100弯曲时的附加损耗。所述第二下陷层23的相对折射率为梯度内抛物线形分布方式，分布指数ɑ在1.2～2.2，所述第二下陷层23的相对折射率自所述第一下陷层22至所述外包层24逐步降低。所述第二下陷层23的相对折射率为-0.08％～-0.15％。在一实施方式中，所述第二下陷层23的相对折射率为-0.08％、-0.06％、-0.04％、-0.02％、0％、0.02％、0.04％、0.06％、0.08％、0.10％、0.12％或者0.15％中一种。所述第二下陷层23的单侧宽度为2～4μm。在一实施方式中，所述第二下陷层23的单侧宽度可以为2.5μm、3.0μm、3.5μm或者4μm中一种。
所述外包层24为纯硅层，所述外包层24直径为124μm～126μm。在一实施方式中，所述外包层24的直径可以为124μm、124.5μm、125μm、125.5μm或者126μm中一种。
所述涂覆层30包括由内而外包覆于所述外包层24设置的第一涂覆层31与第二涂覆层32。
所述第一涂覆层31采用紫光涂覆树脂，所述第一涂覆层31的厚度为12μm～20μm。在一实施方式中，所述第一涂覆层31的厚度可以为12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或者20μm中一种。所述第一涂覆层31的弹性模量为0.3～0.4Mpa。在一实施方式中，所述第一涂覆层31的弹性模量为0.3Mpa、0.32Mpa、0.34Mpa、0.36Mpa、0.38Mpa或者0.4Mpa中一种。
所述第二涂覆层32采用紫光涂覆树脂，所述第二涂覆层32的厚度为12μm～18μm。在一实施方式中，所述第二涂覆层32的厚度可以为12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm或者18μm的一种，所述第二涂覆层32的直径为175μm～195μm。在一实施方式中，所述第二涂覆层32的直径可以为175μm、180μm、185μm、190μm或者195μm中一种。所述第二涂覆层32的杨氏模量大于600Mpa，提升光纤100的机械强度。本申请通过设置所述第一涂覆层31的模量低于所述第二涂覆层32的模量，能够降低光纤在弯曲时的附加损耗。此外，本申请在所述包层20的直径尺寸不变的情况下，降低所述涂覆层30的直径，使得光纤100的尺寸大幅降低，有效提升单位横截面积光缆的纤芯密度190％，降低光缆外径50％。
本申请提供的上述光纤100可用于制造超细气吹微缆、超密度光缆，应用于光纤到户(FITH，Fiber to the home)、5G密集分布建设、数据中心等市场需求中。
所述光纤100的光缆截止波长在1260nm以下时，适用于O波段到L波段全波段的光通信。
所述光纤100的模场直径为8.4μm～9.4μm。在一实施方式中，所述光纤100的模场直径可以为8.4μm、8.6μm、8.8μm、9.0μm、9.2μm或者9.4μm中一种。所述光纤100的零色散波长为1300～1324nm。在一实施方式中，所述光纤100的零色散波长为1300nm、1305nm、1310nm、1315nm、1320nm或者1324nm中一种。本申请提供的上述光纤100的模场直径满足单模光纤的模场直径标准，因此，其能够与常规单模光纤(例如，G.652光纤与抗弯曲型G.657光纤)兼容。
所述光纤100具有较低的宏弯曲损耗。示例性地，当所述光纤100的弯曲半径为7.5mm时，在弯曲1圈状态下，所述光纤100在波长1550nm时的宏弯曲损耗小于0.1dB；所述光纤100在波长1625nm时的宏弯曲损耗小于0.25dB。
请参阅图3，图3是本申请一实施例提供的光纤制备方法的流程图，所述光纤制备方法按照上述光纤100的折射率结构设计，用于制备上述光纤100，具体地，所述光纤制备方法包括如下步骤：
S31、制备第一芯棒松散体，采用第一喷灯、第二喷灯及第三喷灯由内向外依次进行沉积，在第一喷灯中通入SiCl4气体、GeCl4气体、氧气、可燃气体及氩气，形成掺锗的芯层；在第二喷灯中通入SiCl4气体、氧气、可燃气体及氩气，形成纯硅的内包层；在第三喷灯中通入SiCl4气体，含氟气体，氧气，可燃气体和氩气，形成第一下陷层；
采用VAD(Vacuum Arc Degassing)工艺连续沉积处理得到所述芯层、所述内包层与所述第一下陷层。
优选地，在制备芯层的工艺过程中，SiCl4气体和GeCl4气体通过氩气作为运输载体通入第一喷灯中。在一实施方式中，GeCl4气体的气体流量可为200ml/min；对应的氩气的气体流量可为200ml/min；所述可燃气体可以为氢气，氢气的气体流量可为4ml/min；氧气的气体流量可为35ml/min；SiCl4气体的气体流量可为5ml/min，对应的氩气的气体流量为150ml/min；第一喷灯的火焰温度可为725℃。制得的芯层的直径为8.4μm～9.4μm，相对折射率为为0.35％～0.50％。
在制备内包层的工艺过程中，SiCl4气体通过氩气作为运输载体通入第二喷灯中。在一实施方式中，所述可燃气体可为氢气。氢气和氧气的气体流量分别为6ml/min和60ml/min；SiCl4气体的气体流量为15ml/min，对应的氩气的气体流量为150ml/min，第二喷灯的火焰温度为1200℃。制得的内包层的单侧宽度为4～7.5μm，相对于纯硅芯的折射率为0％～0.02％。
在制备第一下陷层的工艺过程中，所述含氟气体可为CF4气体，所述可燃气体可为氢气。SiCl4气体的气体流量为15～20ml/min。在一实施方式中，SiCl4气体的气体流量为15ml/min、16ml/min、17ml/min、18ml/min、19ml/min或者20ml/min中一种。对应的氩气的气体流量可为150ml/min。含氟气体的气体流量300～400ml/min。在一实施方式中，含氟气体的气体流量为300ml/min、320ml/min、340ml/min、360ml/min、380ml/min或者400ml/min中一种。对应的氩气的气体流量可为200ml/min。氧气和可燃气体的气体流量分别为35ml/min和4ml/min。所述第三喷灯中的火焰温度900～1100℃。在一实施方式中，所述第三喷灯的火焰温度为900℃、950℃、1000℃、1050℃或者1100℃中一种。制得的第一下陷层的单侧宽度为3～5μm，相对纯硅芯的折射率为-0.03％～-0.06％。
S32、将上述制备的第一芯棒松散体置于氯气中进行脱羟处理，然后进行玻璃化工艺与退火工艺形成芯棒。
优选地，脱羟处理中温度控制在1200～1250℃。退火工艺包括在1000℃～1150℃下退火2～4小时，以消除残余应力。
S33、将上述制备的芯棒作为靶棒，在芯棒的外表面由内而外沉积第二下陷层与外包层，产生第二芯棒松散体，并对所述第二芯棒松散体进行烧结处理得到光纤预制棒。
优选地，可通过OVD工艺在芯棒的外表面由内而外沉积第二下陷层与外包层，产生第二芯棒松散体，并对所述第二芯棒松散体进行烧结处理得到光纤预制棒。
在第二下陷层的工艺过程中，在第四喷灯中通入含氟气体CF4，CF4气体的气体流量850～1000ml/min。在一实施方式中，所述CF4气体的气体流量为850ml/min、860ml/min、870ml/min、880ml/min、890ml/min、900ml/min、910ml/min、920ml/min、930ml/min、940ml/min、950ml/min、960ml/min、970ml/min、980ml/min、990ml/min或者1000ml/min中一种。第四喷灯的火焰温度为1000～1100℃。在一实施方式中，所述第四喷灯的火焰温度为1000℃、1020℃、1040℃、1060℃、1080℃或者1100℃中一种。所述第二下陷层的单侧宽度为2～4μm，相对折射率为-0.08％～-0.15％。
S34、将上述制备的光纤预制棒进行拉丝处理，并通过二次加热保温退火工艺处理，得到裸光纤。
光纤预制棒从拉丝炉的顶部进入拉丝炉进行熔融拉丝处理可制得裸光纤。优选地，根据光纤预制棒的棒径不同，可设置不同的拉丝温度与拉丝速度。在一实施方式中，所述拉丝温度包括1950～2150℃，所述拉丝速度为500～2500m/min，拉丝张力为50g～200g。
在本申请的至少一实施方式中，光纤预制棒拉丝完成后进入电阻炉，通过电阻炉对光纤预制棒进行二次加热保温退火，通过电阻加热的均匀热辐射方式，产生强烈的红外热辐射，达到二次加热退火的目的。
所述电阻炉中设有红外监测设备，所述红外监测设备与控制终端通信连接，所述红外监测设备用于将监测到的红外输出功率传输至所述控制终端，所述控制终端控制所述电阻炉内温度，保证光纤表面温度形成1250℃～800℃逐步降低的梯度温场。示例性地，所述电阻炉内设有分节加热电阻丝，所述加热电阻丝可根据梯度温场的范围分节设置。在一实施方式中，所述加热电阻丝可以为硅碳电阻丝。示例性地，对于本申请提及的1250℃～800℃的梯度温场，所述加热电阻丝可分为4节，每一节对应不同的温度范围。通过所述控制终端独立控制4节加热电阻丝，能够在电阻炉内实现1250℃～800℃的梯度温场。保温退火区长度为2～3m，使得光纤表面的温度波动在±10℃范围内，在梯度退火温度区间内充分释放内应力，减少密度分布不均匀导致的瑞利散热。
S35、冷却上述制备的裸光纤，对所述裸光纤进行一次涂覆与二次涂覆得到第一涂覆层与第二涂覆层，并通过紫外光对所述第一涂覆层与所述第二涂覆层进行固化处理得到光纤。
在本申请的至少一实施方式中，冷却退火后的光纤经涂覆模具进行涂覆。所述一次涂覆与所述二次涂覆可以分别通过两个涂覆模具进行分开湿干涂覆，例如，先通过第一涂覆模具对所述裸光纤进行涂覆，得到第一涂覆层；接着，通过第二涂覆模具对所述第一涂覆层进行涂覆，得到第二涂覆层。在其他实施方式中，所述一次涂覆与所述二次涂覆可以同时通过一个涂覆模具进行湿对湿涂覆，例如，通过第三涂覆模具同时对所述裸光纤的表面进行一次涂覆与二次涂覆，得到第一涂覆层与第二涂覆层。所述第一涂覆层的厚度为12μm～20μm，所述第一涂覆层的弹性模量为0.3～0.4Mpa；所述第一涂覆层的玻璃化转变温度为-60℃～-40℃。本申请能够保证光纤在低温下正常运行。所述第一涂覆层的玻璃化转变温度较低，为-40℃～-60℃，也即所述第一涂覆层的柔性较大，从而保证光纤100在低温下不脆化、正常运行。所述第二涂覆层的厚度为12μm～18μm，所述第二涂覆层的直径为175μm～195μm。所述第二涂覆层的杨氏模量大于600Mpa，保证光纤100的机械强度。
所述涂覆模具内充满丙烯酸树脂涂料，所述涂覆模具包括引导模孔与出口模孔，设计涂覆模具的出口模孔尺寸，一次出口模孔相对于裸光纤的空隙保持在15～20μm，在所述引导模孔和所述出口模孔之间形成内部对中压力，保证裸光纤在涂覆模具处于中心位置，防止裸光纤擦到涂覆模具的边缘而导致光纤产生微裂纹，降低光纤在拉伸过程中的强度。
所述裸光纤的树脂涂覆后需经过紫外光固化，在紫外光固化工艺中，采用UV(Ultra-Violet Ray，紫外线)光源，紫外光源的输入功率在2KW～7KW，光源辐射能量在18～25W/cm2，光源辐射波长90％集中365nm～405nm范围内。此外，紫外光源的输入功率可以根据拉丝速度对应的自动进行0％～100％无级调节，所述紫外光源的输入功率与所述拉丝速度成正比，所述拉丝速度越大，所述紫外光源的输入功率越大。一次固化(对应于一次涂覆)的功率控制在300W～1500W，二次固化(对应于二次涂覆)的功率控制在500W～6000W。通过上述对紫外光固化工艺的参数设置，能够提升紫外光的利用效率，使紫外光源有效地辐射在光纤100的表面，减少紫外光能耗；此外，本申请提供的紫外光固化过程保证光纤100的两层涂覆层的固化度在90％～95％的水平，实现涂覆层树脂的充分固化，同时避免过固化而导致的光纤附加衰减增加的问题。
在涂覆层固化后，光纤100经过牵引设备收线成盘。在收线过程中，调整光纤的收线张力为40g～65g，能够减少光纤100叠加时的外部应力，降低光纤100微弯导致的附加损耗，使光纤100的衰减保持在较低的水平。在一实施方式中，在光纤的收线端，施加一固定张力，所述固定张力可以为40g、45g、50g、55g、60g以及65g。在其他实施方式中，在光纤的收线端，根据所述光纤的弯曲圈数与弯曲半径，施加最优张力，最大程度地减少光纤叠加时的外部应力。所述最优张力与所述弯曲圈数、所述弯曲半径的映射关系为预先设置的。
以上说明仅仅是对本发明一种优化的具体实施方式，但在实际的应用过程中不能仅仅局限于这种实施方式。对本领域的普通技术人员来说，根据本发明的技术构思做出的其他变形和改变，都应该属于本发明的保护范围。
