CN102713711A - 具有密封剥离部分的双包层光纤 - Google Patents

具有密封剥离部分的双包层光纤 Download PDF

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Abstract

一种具有沿着其长度延伸的部分的双包层光纤，外波导包层和保护性套层沿着所述部分缺失，并且在两个纵向相对的端部处具有所述第二波导包层的表面，其中应用防水密封剂以阻止水经过所述第二波导包层的所述表面的纵向扩散。

Description

具有密封剥离部分的双包层光纤
本申请要求享有申请人于2010年1月15日递交的发明名称为“Environmentally Robust Optical Fiber Protection Assembly”的美国临时专利申请No.61/295,353的优先权，这里以引用的方式结合其内容。
背景技术
图1示出了双包层光纤11的示例。双包层光纤11通常包括具有芯折射率12的波导芯10、位于所述芯周围具有内包层折射率16的内波导包层14，和位于所述内包层14周围并且具有外包层折射率20的外波导包层18，以及位于所述外波导包层18周围具有典型地高于外包层折射率20的套层折射率24的套层22。
在高功率光学信号的传送中并且在高功率纤维激光器和放大器的制造中，芯10可以是掺杂二氧化硅，内包层14能够具有二氧化硅玻璃或者掺杂二氧化硅玻璃的一个或者多个层，并且非二氧化硅材料的外包层18能够具有防止光逃离芯10和内包层14的明显较低的折射率20。外包层18能够由诸如硅树脂、乙烯-环氧化脂肪取代乙烯的氟化共聚物(fluorinated ethylenic-cyclo oxyaliphatic substitutedethylenic copolymer)或者另一材料的低折射率聚合物制成，但是通常使用以第二波导包层18的材料为氟化丙烯酸酯(例如由SSCP CO.制造的产品号码PC363、PC373、PC375或PC409或者由DSMDesotech制造的产品DeSolite
Figure BPA00001577486100011
DF0007)的事实为特征的氟化丙烯酸酯光纤。在某些情况下，芯10和内包层14具有相同的材料并且因此能够具有相同的折射率。为了提供完整的示例，保护性套层能够由高折射率丙烯酸酯(例如DSM Desotech的产品号码DS-2015、产品号码3471-2-136或者SSCP CO.的产品号码UVF-HTS-001)制成。套层的主要功能在于改善纤维的机械性能。
发明内容
在一些情况中，双包层光纤具有沿着其部分外包层和套层被去除的部分，其可以被称为剥离部分26，例如如图2所示，其在剥离部分26的相对应端部处留下外包层的两个表面28、30。这例如发生在接合点和剥离窗点处。在一些情况中，所述部分例如如图2所示留下裸露。在其它情况中，所述部分能够如图3所示在使用之前利用重新涂覆材料31进行重新涂覆，例如以提供更好的机械抵抗。通常使用与外包层相同的材料进行重新涂覆。
我们观察到，具有沿着其一个或者多个部分外包层和套层被去除的部分的一些氟化丙烯酸酯双包层光纤，无论是进行了重新涂覆或者没有进行重新涂覆，呈现高的光衰减量。以科学的方式研究了该问题，并且随后的实验得出衰减会由外包层的氟化丙烯酸酯到水的暴露导致的假设。为了确认该假设，我们将剥离的双包层光纤暴露于85℃和85％相对湿度的环境中429小时。图4示出了所诱发的光学损失。
分析该问题导致理解水能够通过两种主要方式渗入氟化丙烯酸酯中，即沿横切纤维长度的方向的径向扩散34以及沿与纤维长度平行的方向的纵向扩散32。这在图5中示意性示出。其表现出典型地由防水材料制成的套层产生显著地保护氟化丙烯酸酯免受过早退化的显著水屏障效果。然而，在光纤留下裸露时，位于所述部分的相对端部处的外包层的表面暴露于水并且因而暴露于其到外包层的纵向扩散。进而，其表现出即使在其中剥离部分被重新涂覆有氟化丙烯酸酯的情况中，例如在图3中，水也能够首先通过径向扩散渗入氟化丙烯酸酯重新涂覆层31中，并且然后通过纵向扩散从氟化丙烯酸酯重新涂覆层31迁移到外包层中。在这种情况中，氟化丙烯酸酯重新涂覆层31和外包层将由于水暴露而退化。
发现水到外包层的入侵能够通过按照在剥离部分的端部处阻挡水到外包层的两个表面的接入的方式应用密封剂而被显著阻止，这在光纤用于其中暴露于显著量的水的环境中时显著降低了衰减量。
以下，根据一个方面，提供一种具有波导芯、位于所述芯周围具有内包层折射率的内波导包层和位于所述内包层周围具有低于所述内包层折射率的外包层折射率的外波导包层以及位于所述第二波导包层周围具有套层折射率的套层的双包层光纤，所述光纤具有沿着其长度延伸的部分，所述第二波导包层和所述套层沿着所述部分缺失，所述部分在两个纵向相对的端部处具有所述第二波导包层的相对应表面，并且在所述部分处具有密封剂，所述密封剂阻止环境水经过所述第二波导包层的所述表面的纵向扩散。
根据另一方面，提供一种保护具有波导芯、位于所述芯周围的内波导包层和位于所述内包层周围由氟化丙烯酸酯制成的外波导包层以及位于所述第二波导包层周围的套层的双包层光纤的方法，所述光纤具有沿着其长度延伸的部分，所述第二波导包层和所述保护性套层沿着所述部分缺失，所述部分在两个纵向相对的端部处具有所述第二波导包层的相对应表面，所述方法包括：按照防止水影响所述第二波导包层的所述表面的方式在所述部分处应用密封剂。
根据另一方面，提供一种用于暴露的光纤的环境稳健的光纤封装，所述暴露的光纤具有：具有芯折射率的芯区域，所述芯区域由掺杂二氧化硅制成；内包层区域，所述内包层区域由二氧化硅或者掺杂二氧化硅之一制成，具有外包层折射率的外包层区域层，所述外包层区域层由低折射率的非二氧化硅材料制成，以及保护性套层；所述外包层区域层具有暴露部分，对于所述暴露部分所述保护性套层缺失，所述暴露部分允许污染物到所述外包层区域层的接入；所述封装包括：通过具有密封剂折射率的密封层至少覆盖所述暴露部分的盖帽，所述密封剂折射率是低于和等于所述外包层折射率的一种，所述密封层具有防止所述污染物到达所述包层区域层的屏障属性。
在该说明书中，表述水指代液态和气态形式的H2O。
附图说明
在附图中，
图1A(现有技术)示出了双包层光纤的示例；
图1B(现有技术)示出了双包层光纤的典型折射率分布；
图2示出了具有剥离部分的双包层光纤的示例；
图3示出了具有剥离部分的双包层光纤的示例，所述剥离部分具有重新涂覆层；
图4是表示在氟化丙烯酸酯暴露于水之后涂覆有氟化丙烯酸酯的光纤的光学衰减的图形；
图5示意性示出了水到外包层的渗入；
图6示出了具有密封剂的光纤的第一示例，其中所述密封剂被应用于重新涂覆层上；
图7示出了具有密封剂的光纤的第二示例，其中所述密封剂被直接应用于裸露的剥离部分上；
图8示出了所应用的密封剂的第三示例，其中所述密封剂被直接应用到外包层的暴露表面上；并且
图9是表示剥离部分留下裸露时并且应用密封剂时进行的测试结果的图。
将注意到，在整个附图中，类似的特征由类似的附图标记标识。
具体实施方式
诸如如图2所示的剥离部分例如出现在接合点处。为了接合两个纤维，首先剥离所述纤维，其能够通过机械、热或者化学进行。机械剥离能够例如利用微带纤维剥离器去除保护性套层22和外包层18进行。热剥离与机械剥离类似，除了在炉中加热剥离刀片或者加热涂覆。化学剥离通过将纤维浸入诸如二氯甲烷或者丙酮的化学制剂中进行。也能够采用诸如激光或者热空气的其它剥离方法。在完成剥离之后，然后例如使用异丙醇清洗暴露的玻璃的两个部分，以去除诸如灰尘或者涂覆层/包层剩余物的污染物。使用诸如YorkFK11的纤维劈开器劈开两个纤维的玻璃端部。之后，使用诸如Fujikura FSM-45F的标准融合接合器将纤维接合到一起。其它应用即使在不存在接合的情况中具有剥离部分，例如窗带应用。在窗带应用中，纤维不需要劈开和接合；在纤维的一部分上简单地剥离窗。在诸如以功率组合器为例的应用中，剥离部分典型地留下裸露。
然而，在其它应用中，能够优选的是例如重新涂覆剥离部分以实现更好的机械抵抗。暴露的玻璃表面能够使用诸如以VytranPTR-200为例的纤维重新涂覆器被重新涂覆有UV可固化氟化丙烯酸酯。
如上面详细描述的，氟化丙烯酸酯层的光学性能能够受到暴露于水的影响。这能够由诸如分层或者结晶的现象导致。在纤维的未剥离部分中，保护性套层能够被认为在提供减缓水的渗入并且降低氟化丙烯酸酯层的退化的屏障中起到重要的环境作用。
图4阐释了退化，其示出了在暴露于水时在典型的氟化丙烯酸酯光纤中诱发的光学衰减。结果在Yb、YbEr和Er纤维激光器的典型泵浦波长带中示出。图4中可见两个主要的退化分量，首先在955nm处存在峰值，可能起源于经过氟化丙烯酸酯层扩散的OH的分子吸收，并且还存在可能由氟化丙烯酸酯层的分层或者结晶产生的散射分量。
图5示出了氟化丙烯酸酯层中的两个主要的水渗入机制。第一机制是水经过允许水到达外包层的保护性套层的径向扩散34。该机制能够相当缓慢，如果保护性套层处于良好条件下，则可能是可忽略的。第二机制是通过外包层表面到水的直接暴露的纵向渗入32。渗入机制的该后一种类型能够在接合点处、剥离窗点处、由氟化丙烯酸酯重新涂覆的重新涂覆部分处或者在保护性套层被去除的位置处等等发生。水然后能够经由化学反应直接袭击外包层但是也能够通过毛细管作用渗入并且使外包层分层。
图6示出了第一示例性实施例。在这种情况中，暴露的玻璃40随后被重新涂覆有UV可固化氟化丙烯酸酯重新涂覆层42。这能够使用诸如Vytran PTR-200的纤维重新涂覆器进行。在其中重新涂覆层与水直接接触的位置处，添加密封剂盖帽44以显著阻止水到外包层和重新涂覆层的渗入。而且，密封剂盖帽是防热的，在这种意义上，其光学和机械参数对于高达85℃的温度不显著退化。密封剂盖帽在暴露于从-40℃到85℃范围温度中的水时还化学稳定。下面的材料是能够用于密封剂盖帽的示例：诸如DSM DS-2015、3471-2-136或者SSCP CO.UVF-HTS-001的丙烯酸酯，硅树脂(诸如NusilLightspan LS-3)、乙烯-环氧化脂肪取代乙烯的氟化共聚物(诸如可从Dupont获得的Teflon AF)、具有低折射率的光学环氧树脂(诸如
Figure BPA00001577486100061
EX 1128)等等。一旦重新涂覆层被固化，就应用该密封剂材料。随后将重新涂覆层放置在能够被填充有密封剂材料的模具中。在一些情况中，将密封剂材料放置在炉中或者使用红外(IR)源能够加速固化。来自IRPhotonics的ICure IR源是示例。可选地，一些材料能够利用UV光源固化，例如以Dymax 5000-EC固化系统为例。
图7示出了其中所述部分没有被重新涂覆有氟化丙烯酸酯材料而是被重新涂覆有具有例如以低折射率光学环氧树脂、硅树脂或者乙烯-环氧化脂肪取代乙烯的氟化共聚物为例的材料的更加稳定的密封剂盖帽46。这能够按照与上面描述的类似方式进行。在这种情况中，密封剂盖帽的折射率应该等于或者低于外包层48的折射率并且应该对于在内包层14和芯10中行进的光透明。
图8示出了其中剥离区域50留下未被涂覆的再一示例性实施例。在这样的情况中，能够使用由诸如具有正确环境属性的低折射率环氧树脂的密封剂材料制成的密封剂盖帽54密封外包层，同时确保接合点或者窗留下被暴露。能够利用注射器将一滴密封剂材料应用到暴露的外包层。在这种情况中，密封剂材料的折射率应该等于或者低于外包层52的折射率并且应该对于在内包层14和芯10中行进的光透明。
在全部实施例中，然后将密封的纤维放置在用于机械、热和环境保护的包围件中。
图9示出了利用5cm剥离的125微米标准氟化丙烯酸酯纤维进行的测试结果。首先这样的纤维被留下完全未重新涂覆。其次利用氟化丙烯酸酯重新涂覆这样的纤维，并且应用具有与纤维的套层的丙烯酸酯的相同类型的密封剂盖帽层。将两个纤维放置在85％相对湿度和85℃的实验室中300小时。结果显示对于未重新涂覆的纤维有.4dB数量级的衰减，而密封纤维不显示明显的衰减。
上面描述的实施例旨在仅是示例。因此本发明的范围旨在仅由所附的权利要求限定。

Claims (20)

1.一种具有波导芯、位于所述芯周围具有内包层折射率的内波导包层、和位于所述内包层周围具有低于所述内包层折射率的外包层折射率的外波导包层、以及位于所述第二波导包层周围具有套层折射率的套层的双包层光纤，所述光纤具有沿着其长度延伸的部分，所述第二波导包层和所述套层沿着所述部分缺失，所述部分在两个纵向相对的端部处具有所述第二波导包层的相对应表面，并且在所述部分处具有密封剂，所述密封剂阻止环境水经过所述第二波导包层的所述表面的纵向扩散。
2.如权利要求1的双包层光纤，其中所述第二波导包层是氟化丙烯酸酯包层。
3.如权利要求1或者2的双包层光纤，其中所述密封剂被直接应用在所述第二波导包层的所述两个表面上并且完全覆盖所述第二波导包层的所述两个表面。
4.如权利要求3的双包层光纤，其中所述密封剂沿着所述部分的整个长度延伸、完全覆盖所述第一波导包层、并且具有至少与所述外包层折射率一样低的折射率。
5.如权利要求2的双包层光纤，其中氟化丙烯酸酯重新涂覆层被直接应用在所述第二波导包层的所述两个表面以及沿着所述部分的整个长度的所述第一波导包层的每一个上并且完全覆盖所述第二波导包层的所述两个表面以及沿着所述部分的所述整个长度的所述第一波导包层的每一个，并且所述密封剂被直接应用到所述氟化丙烯酸酯重新涂覆层上并且完全覆盖所述氟化丙烯酸酯重新涂覆层。
6.如权利要求5的双包层光纤，其中所述密封剂与所述套层具有相同的材料。
7.如权利要求1到5中的任意一项的双包层光纤，其中所述密封剂是PTFE、硅树脂、丙烯酸酯和环氧树脂中的一种。
8.一种保护具有波导芯、位于所述芯周围的内波导包层、和位于所述内包层周围由氟化丙烯酸酯制成的外波导包层、以及位于所述第二波导包层周围的套层的双包层光纤的方法，所述光纤具有沿着其长度延伸的部分，所述第二波导包层和所述保护性套层沿着所述部分缺失，所述部分在两个纵向相对的端部处具有所述第二波导包层的相对应表面，所述方法包括：
按照防止水影响所述第二波导包层的所述表面的方式在所述部分处应用密封剂。
9.如权利要求8的方法，其中所述应用的步骤包括直接在所述第二波导包层的所述两个表面上并且按照完全覆盖所述第二波导包层的所述两个表面的方式应用所述密封剂。
10.如权利要求9的方法，其中所述应用的步骤进一步包括沿着所述部分的整个长度直接在所述内包层上并且按照完全覆盖所述内包层的方式应用所述密封剂。
11.如权利要求8的方法，进一步包括利用重新涂覆氟化丙烯酸酯材料直接在所述第二波导包层的所述两个表面以及沿着所述部分的整个长度的所述内包层的每一个上并且按照完全覆盖所述第二波导包层的所述两个表面以及沿着所述部分的所述整个长度的所述内包层的每一个的方式进行重新涂覆，其中所述应用的步骤包括直接在所述重新涂覆氟化丙烯酸酯材料上并且按照完全覆盖所述重新涂覆氟化丙烯酸酯材料的方式应用所述密封剂。
12.一种用于暴露的光纤的环境稳健的光纤封装，所述暴露的光纤具有：具有芯折射率的芯区域，所述芯区域由掺杂二氧化硅制成；内包层区域，所述内包层区域由二氧化硅或者掺杂二氧化硅之一制成，具有外包层折射率的外包层区域层，所述外包层区域层由低折射率的非二氧化硅材料制成，以及保护性套层；
所述外包层区域层具有暴露部分，对于所述暴露部分所述保护性套层缺失，所述暴露部分允许污染物到所述外包层区域层的接入；
所述封装包括：
通过具有密封剂折射率的密封层至少覆盖所述暴露部分的盖帽，所述密封剂折射率是低于所述外包层折射率的折射率和等于所述外包层折射率的折射率中的一种，所述密封层具有防止所述污染物到达所述包层区域层的屏障属性。
13.如权利要求12的封装，其中所述污染物是水。
14.如权利要求12或者13的封装，其中所述暴露部分是在所述光纤的剥离窗部分的边缘处的所述外包层区域层的端部表面，其中一段剥离长度的所述外包层区域层和所述保护性套层被去除以暴露所述内包层区域。
15.如权利要求12或者13的封装，其中所述暴露部分是其中所述保护性套层被去除的所述外包层区域层的表面部分。
16.如权利要求12到15中的任意一项的封装，其中所述密封剂是具有水屏障属性的低折射率环氧树脂。
17.如权利要求12到15中的任意一项的封装，其中所述密封剂由硅树脂制成。
18.如权利要求12到15中的任意一项的封装，其中所述密封剂由乙烯-环氧化脂肪取代乙烯的氟化共聚物制成。
19.如权利要求12到18中的任意一项的封装，其中所述盖帽适于被提供在至少覆盖所述暴露部分的包层区域层重新涂覆层上方。
20.如权利要求12到19中的任意一项的封装，其中所述芯区域和所述内包层区域被提供在单个掺杂二氧化硅区域中。
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