一种抗弯曲光纤及其制备方法与流程

本技术涉及光纤通信，尤其是涉及一种抗弯曲光纤及其制备方法。

背景技术：

1、随着数据中心内机柜密度和端口数量的持续增加，机柜后部布线空间日益紧张。单条线槽内需容纳数百芯光纤，传统250μm外径光纤的尺寸已成为制约端口密度提升的瓶颈之一。同时，机柜内部走线路径复杂，光纤不可避免地需经过拐角、狭缝等小弯曲半径区域，对光纤的抗弯性能提出了更高要求。

2、目前，业界广泛采用的方案为包层沟槽折射率下陷结构的抗弯光纤。该方案通过在包层中设置低折射率下陷层形成光限制势阱，当光纤发生弯曲时，泄漏至包层的光场在势阱界面处被反射回纤芯，从而降低弯曲附加损耗。该方案虽可在一定程度上改善光纤的弯曲性能，但仍存在以下不足：一方面，其抗弯性能完全依赖包层沟槽从外部约束光场，纤芯本身不具备锁光能力，在5mm及以下的小弯曲半径下漏光依然显著；另一方面，沟槽结构的引入易导致包层几何均匀性变差，表现为直径波动增大、不圆度升高等问题，进而影响光纤的接续质量和长期可靠性。此外，亦有方案尝试进一步缩减光纤外径以提升布线密度，但此类方案在机械可靠性、抗微弯性能及连接器兼容性方面往往存在明显妥协。

技术实现思路

1、为了解决现有抗弯光纤依赖包层沟槽结构导致小弯曲半径下漏光严重、包层几何均匀性变差，以及外径缩减方案难以兼顾抗弯性能与可靠性的问题，本技术提供一种抗弯曲光纤及其制备方法。

2、本技术提供的一种抗弯曲光纤及其制备方法采用如下的技术方案：

3、一种抗弯曲光纤，包括纤芯和包层，所述包层包覆于所述纤芯的外周，所述纤芯包括石英玻璃基体和金属氧化物纳米团簇，所述金属氧化物纳米团簇与所述石英玻璃基体之间存在折射率差，所述金属氧化物纳米团簇在所述纤芯中形成局部折射率调制区，用于对弯曲状态下从所述纤芯泄漏的光场产生约束作用。

4、通过采用上述技术方案，纤芯中弥散分布的金属氧化物纳米团簇与石英玻璃基体之间存在折射率差，这种折射率差在纤芯内部形成大量局域折射率调制区域，即光子势阱；当光纤发生弯曲时，光场因弯曲效应向包层方向泄漏，泄漏的倏逝波在传输路径上遇到这些局域折射率调制区域时，会被散射和反射回纤芯方向，从而显著降低弯曲导致的辐射损耗；同时，弥散分布的纳米团簇对石英玻璃基体产生弥散强化效应，提升了纤芯的力学刚性，减小了弯曲形变程度，从物理层面进一步降低了弯曲损耗；光学锁光与力学增强两种机制的协同作用，使光纤在较小弯曲半径下仍能保持优异的光学性能。

5、在一个具体的可实施方案中，所述金属氧化物纳米团簇包括锗的氧化物和铝的氧化物。

6、通过采用上述技术方案，锗的氧化物具有较高的折射率，能够与石英玻璃基体形成显著的折射率差，增强光子势阱的锁光强度；铝的氧化物在石英玻璃中具有较低的固溶度，优先以纳米富集区形式存在，为锗的氧化物提供异质形核位点，促进纳米团簇的均匀析出并细化粒径；两者的复合使用使得纳米团簇的析出更可控、分布更均匀，同时复合氧化物团簇与石英基体的折射率差更大，锁光效果更显著。

7、在一个具体的可实施方案中，所述金属氧化物纳米团簇的粒径为20-80nm，所述金属氧化物纳米团簇占所述纤芯总体积的0.4-1.2%。

8、通过采用上述技术方案，将纳米团簇的粒径控制在20-80nm范围内，一方面确保团簇尺寸远小于通信波段光波长（如1550nm），不会产生显著的瑞利散射损耗；另一方面保证团簇与石英基体之间具有足够的界面面积，形成有效的折射率调制效应；体积占比控制在0.4-1.2%，既能保证纤芯内部存在足够密度的光子势阱以实现有效的锁光效果，又不至于因团簇过多而导致光场散射损耗显著增加；粒径与体积占比的协同优化，实现了高抗弯与低损耗的兼容。

9、在一个具体的可实施方案中，所述光纤还包括涂覆层，所述涂覆层包覆于所述包层的外周。

10、通过采用上述技术方案，涂覆层对光纤提供机械保护和缓冲作用，防止外部应力对光纤造成损伤，保证光纤在弯曲状态下的机械可靠性；同时，涂覆层的外径控制直接决定了光纤的整体尺寸，通过优化涂覆层厚度，可以在保证保护性能的前提下实现光纤外径的缩减。

11、在一个具体的可实施方案中，所述涂覆层包括内层涂覆层和外层涂覆层，所述内层涂覆层包覆于所述包层的外周，所述外层涂覆层包覆于所述内层涂覆层的外周；所述内层涂覆层的厚度为13-17μm，所述外层涂覆层的厚度为20-25μm。

12、通过采用上述技术方案，内层涂覆层采用低模量材料，起到缓冲保护作用，吸收光纤受到的外部冲击和微弯应力；外层涂覆层采用高模量材料，起到机械保护作用，抵抗磨损和侧压；内层13-17μm、外层20-25μm的厚度分配是在保证缓冲和机械保护性能的前提下实现小外径的优化组合，同时确保光纤的剥离力、动态疲劳参数、抗拉强度等机械性能满足标准要求；该厚度组合兼顾了薄型化与高可靠性之间的平衡。

13、在一个具体的可实施方案中，所述光纤的外径为190-210μm，所述包层的直径为124-126μm。

14、通过采用上述技术方案，将光纤外径从常规的250μm缩减至190-210μm级别，光纤截面积缩小约36%，在同等线槽空间内可容纳的光纤芯数提升约25%，显著提高了布线密度；包层直径保持124-126μm，确保光纤与现有连接器、熔接机等设备的兼容性，可直接替换现有布线系统中的常规光纤，无需更换终端设备。

15、一种抗弯曲光纤的制备方法，包括以下步骤：

16、采用化学气相沉积工艺，向石英玻璃管内通入含硅前驱体、含锗前驱体和含铝前驱体，在所述石英玻璃管内壁沉积掺有锗元素和铝元素的石英玻璃层；

17、沉积完成后进行冷却，使锗元素和铝元素的氧化物在冷却过程中以金属氧化物纳米团簇形式从石英玻璃基体中原位析出，形成纤芯；

18、将沉积完成的石英玻璃管熔缩为实心芯棒；

19、在所述芯棒外部形成包层，制得光纤预制棒；

20、将所述光纤预制棒拉制成光纤。

21、通过采用上述技术方案，在化学气相沉积过程中同步完成掺杂和纳米团簇的原位析出，无需二次热处理，工艺流程简捷高效；具体而言，在高温沉积阶段，锗和铝以离子形式均匀固溶于石英玻璃中；在沉积完成后进行冷却的过程中，通过控制冷却温度和冷却速率，使过饱和的锗和铝氧化物从石英玻璃基体中析出，形成纳米尺度的微晶团簇；该工艺直接适配现有化学气相沉积产线，无需新增设备，生产成本低，适合大规模量产。

22、在一个具体的可实施方案中，所述含硅前驱体为四氯化硅，所述含锗前驱体为四氯化锗，所述含铝前驱体为三氯化铝。

23、通过采用上述技术方案，四氯化硅、四氯化锗和三氯化铝均为无机卤化物，在化学气相沉积等离子体条件下具有良好的反应活性和掺杂均匀性；特别是含锗前驱体和含铝前驱体采用无机卤化物，不会引入碳、氢等杂质污染纤芯，保证了光纤的低损耗特性。

24、在一个具体的可实施方案中，所述金属氧化物纳米团簇的粒径通过控制冷却温度和冷却速率进行调控。

25、通过采用上述技术方案，在沉积完成后的冷却过程中，对应不同金属析出的不同温度设置温度梯度，使得金属微晶分批次析出；同时对冷却速率也需精确控制，较快的冷却速率缩短了纳米晶体生长的时间窗口，使析出的微晶来不及进一步长大即被冻结，从而获得较小的粒径；反之，较慢的冷却速率允许微晶有更充分的时间生长，粒径增大。通过调节冷却速率，可以将纳米团簇粒径控制在20-80nm的目标范围内，既保证锁光效果又避免散射损耗增大。

26、在一个具体的可实施方案中，所述金属氧化物纳米团簇占所述纤芯的体积占比，通过控制锗元素和铝元素前驱体的通入量进行调控。

27、通过采用上述技术方案，前驱体通入量决定了纤芯玻璃中锗和铝的总掺杂量，而掺杂量决定了析出相的数量，从而控制析出团簇的体积占比；通过控制前驱体的通入比例和流量，可以将纳米团簇的体积占比控制在0.4-1.2%的最佳范围内，同时调节锗铝比例以获得最优的折射率调制强度和析出均匀性。

28、在一个具体的可实施方案中，所述方法还包括：在拉制成光纤后，在光纤表面涂覆内层涂覆层和外层涂覆层。

29、通过采用上述技术方案，在拉丝过程中同步完成涂覆，工艺连续高效；内层涂覆层和外层涂覆层分别提供缓冲保护和机械保护，确保光纤在后续使用和弯曲状态下的长期可靠性。

30、综上所述，本技术的有益技术效果：本技术通过在纤芯内部形成弥散分布的金属氧化物纳米团簇，利用其与石英玻璃基体的折射率差构成局域折射率调制区（光子势阱），对弯曲泄漏的光场产生约束回捕，同时借助纳米团簇的弥散强化效应提升纤芯的力学刚性，从光学锁光和力学增强两个层面协同作用，使光纤在较小弯曲半径下满足抗弯曲光纤标准要求，并实现光纤外径的缩减以提升布线密度；其制备方法在pcvd沉积完成后通过冷却使纳米团簇从石英玻璃基体中原位析出，无需二次热处理，工艺简捷高效、适配现有产线，可实现低成本大规模量产，所得光纤兼具优异的抗弯性能、低损耗特性和良好的系统兼容性，适用于数据中心等高密度布线场景。