CN105676349B - 弯曲不敏感的耐辐照单模光纤 - Google Patents

弯曲不敏感的耐辐照单模光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，涉及单模光纤领域。该单模光纤包括由内至外依次排列的芯层、内包层、外包层，芯层、内包层、外包层的材质均为石英，内包层包括由内至外排列的第一掺氟内包层、第二掺氟内包层，芯层和第一掺氟内包层均不掺杂锗元素，其他金属杂质以及磷元素浓度均低于0.1ppm；以质量百分比计，芯层中掺杂的氟元素含量为0～0.45％，氯元素含量为0.01％～0.10％；第一掺氟内包层中的氟元素浓度为1.00％～1.55％，第二掺氟内包层中的氟元素浓度为3.03％～5.00％。与现有的耐辐照单模光纤相比，该单模光纤在弯曲状态下的附加损耗大幅降低，抗弯曲性能较强，即对弯曲不敏感；同时，该单模光纤的耐辐射能力也较强。

Description

弯曲不敏感的耐辐照单模光纤
技术领域
本发明涉及单模光纤领域，具体是涉及一种弯曲不敏感的耐辐照单模光纤。
背景技术
近年来，航空航天领域以及核电领域越来越多的采用光纤进行数据传输以及光纤传感，但是上述环境中大量存在着电离辐射，电离辐射会大幅增加光纤的附加损耗，降低光纤的使用寿命。因此，航空航天领域以及核电领域需要采用耐辐照光纤。
现有的耐辐照光纤主要分为三类，分别是50微米芯径的多模光纤、62.5微米芯径的多模光纤以及单模光纤。现有的耐辐照单模光纤的波导结构并不具备抗弯能力，无法在极小弯曲半径的条件下应用，例如，应用于小型光学器件。因此，现有的耐辐照单模光纤在实际应用中受到极大的制约，提高耐辐照光纤的抗弯曲性能是耐辐照单模光纤的发展趋势。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，与现有的耐辐照单模光纤相比，该单模光纤在弯曲状态下的附加损耗大幅降低，抗弯曲性能较强，即对弯曲不敏感；同时，该单模光纤的耐辐射能力也较强。
本发明提供一种弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，包括由内至外依次排列的芯层、内包层、外包层，所述芯层、内包层、外包层的材质均为石英，所述内包层包括由内至外排列的第一掺氟内包层、第二掺氟内包层，所述芯层和第一掺氟内包层均不掺杂锗元素，其他金属杂质以及磷元素浓度均低于0.1ppm；以质量百分比计，芯层中掺杂的氟元素含量为0～0.45％，氯元素含量为0.01％～0.10％；第一掺氟内包层中的氟元素浓度为1.00％～1.55％，第二掺氟内包层中的氟元素浓度为3.03％～5.00％。
在上述技术方案的基础上，所述芯层与第一掺氟内包层的相对折射率差的最大值△1max为0.13％～0.30％；所述第一掺氟内包层与第二掺氟内包层的相对折射率差的最大值△2max为0.40％～0.96％，第二掺氟内包层的折射率小于第一掺氟内包层的折射率；所述第二掺氟内包层与外包层的相对折射率差的最大值△3max为-0.28％～-1.09％。
在上述技术方案的基础上，所述芯层与第一掺氟内包层的相对折射率差的最大值△1max为0.30％；所述第一掺氟内包层与第二掺氟内包层相对折射率差的最大值△2max为-0.61％，第二掺氟内包层与外包层相对折射率差最大值的最大值△3max为-0.91％。
在上述技术方案的基础上，该单模光纤在1310nm波长处的衰减系数为0.322dB/km，在1550nm波长处的衰减系数为0.185dB/km，在1625nm波长处的衰减系数为0.186dB/km。
在上述技术方案的基础上，该单模光纤在10mm弯曲直径下卷绕一圈时，在1550nm波长处的弯曲损耗为0.11dB，在1625nm波长处的弯曲损耗为0.21dB。
在上述技术方案的基础上，所述芯层的半径R1为3.9～4.3μm，所述第一掺氟内包层的半径R2为5～34μm，所述第二掺氟内包层的半径R3为22～48μm。
在上述技术方案的基础上，所述芯层的半径R1为4μm；第一掺氟内包层的半径R2为30μm，第二掺氟内包层的半径R3为46μm。
在上述技术方案的基础上，伽马辐照剂量为2000kGy时，该单模光纤在1310nm波长处的辐照附加损耗小于14.8dB/km。
在上述技术方案的基础上，该单模光纤外包覆有光纤涂覆层，光纤涂覆层采用耐高温的丙烯酸树脂、硅橡胶、聚酰亚胺、碳或金属中的1～2种制成。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明在光纤芯层周围引入折射率下凹的掺氟双包层结构，能够调节光波电磁场的功率分布与限制能力，高阶模式的功率能够通过掺氟双包层结构的折射率沟道迅速泄露，从而能够大幅降低光纤在弯曲状态下的附加损耗，光纤的抗弯曲性能较强，即光纤对弯曲不敏感，从而能够扩展光纤的应用环境。
(2)当辐照射线通过本发明的掺氟双包层结构到达芯层之前，该掺氟双包层结构还能够吸收部分辐射，减少芯层因辐射造成的结构缺陷，提高光纤的耐辐射能力。
(3)现有的光纤芯层均掺杂有锗元素，锗元素会导致芯层材料的瑞利散射损耗，光纤的衰减系数较高；本发明不对芯层进行锗元素掺杂，大幅降低了瑞利散射损耗，能够保证光纤在1310nm窗口具备较低的衰减系数，降低光纤的衰减，传输损耗较低。同时，芯层中不掺杂锗元素也能够降低光纤对辐照的敏感性。本发明还控制了芯层以及包层中其他金属杂质以及磷元素的含量，并按照比例掺杂了一定量的氟元素，进一步降低光纤的辐射损伤。
附图说明
图1是本发明实施例中弯曲不敏感的耐辐照单模光纤的截面示意图；
图2是本发明实施例中弯曲不敏感的耐辐照单模光纤的折射率剖面示意图。
附图标记：1—芯层，2—第一掺氟内包层，3—第二掺氟内包层，4—外包层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，包括由内至外依次排列的芯层1、内包层、外包层4，芯层1、内包层、外包层4的材质均为石英，其中，内包层包括由内至外排列的第一掺氟内包层2、第二掺氟内包层3，芯层1和第一掺氟内包层2均不掺杂锗元素(仪器分析锗元素浓度，低于1ppm)，其他金属杂质以及磷元素浓度均低于0.1ppm；以质量百分比计，芯层1中掺杂的氟元素含量为0～0.45％，氯元素含量为0.01％～0.10％；第一掺氟内包层2中的氟元素浓度为1.00％～1.55％，第二掺氟内包层3中的氟元素浓度为3.03％～5.00％。
参见图1所示，芯层1位于光纤横截面的中心，是光纤的主要导光区域；第一掺氟内包层2和第二掺氟内包层3依次包覆于芯层1的外侧，是光纤横截面中掺杂有氟元素的环形区域；外包层4包覆于第二掺氟内包层3外侧。芯层1的半径R1为3.9～4.3μm，第一掺氟内包层2的半径R2为5～34μm，第二掺氟内包层3的半径R3为22～48μm，外包层4的半径R4为60.5～64.5μm。
芯层1与第一掺氟内包层2的相对折射率差的最大值△1max为0.13％～0.30％；第一掺氟内包层2与第二掺氟内包层3的相对折射率差的最大值△2max为0.40％～0.96％，参见图2所示，第二掺氟内包层3的折射率小于第一掺氟内包层2的折射率；第二掺氟内包层3与外包层4的相对折射率差的最大值△3max为-0.28％～-1.09％。
该单模光纤外还包覆有光纤涂覆层，光纤涂覆层采用耐高温的丙烯酸树脂、硅橡胶、聚酰亚胺、碳或金属中的1～2种制成。不同的涂层材料能够使得光纤适应不同的环境温度。当光纤涂覆层采用紫外固化硅橡胶或耐高温的丙烯酸树脂制成时，单边厚度为60±5μm，该单模光纤的工作温度为-40℃～150℃。光纤涂覆层采用热固化硅橡胶制成时，单边厚度为20±4μm，该单模光纤的工作温度为-50℃～150℃。光纤涂覆层采用热固化聚酰亚胺制成时，单边厚度为15±3μm，该单模光纤的工作温度为-50℃～400℃。光纤涂覆层采用碳制成时，单边厚度为15±3μm，该单模光纤的工作温度为-50℃～350℃。光纤涂覆层采用金属制成时，单边厚度为15±3μm，该单模光纤的工作温度为-200℃～700℃；所采用的金属为金、银、铜、铝或者其中任意两种金属的合金。
下面结合7个具体的实施例对本发明做出详细的说明。
本发明实施例中采用的检测方法为：在约24℃的温度下，使用钴-60放射源以0.45Gy/s的剂量率对光纤进行照射，总剂量为2000kGy。在照射期间，使用波长1310nm的光源来测量光纤由辐射引起的衰减。可以在以下出版物中得到表1中辐射后衰减增量数据的标绘的设备和测试过程的更多详细内容：Jochen Kuhnhenn，Stefan Klaus and UdoWeinand，Quality Assurance for Irradiation Tests of Optical Fibers：Uncertaintyand Reproducibility，IEEE Transactions on Nuclear Science，Vol.56，No.4，August2009，at 2160-2166。
实施例1～7以及检测数据参见表1所示。
表1、实施例1～7以及检测数据
由表1可以看出，与常规耐辐照单模光纤相比，本发明提供的弯曲不敏感耐辐照单模光纤的衰减系数大幅降低，同时弯曲损耗也得到极大的优化，多种涂层材料保证光纤同时具备较好抗辐射能力和耐高温能力。伽马辐照剂量为2000kGy时，该单模光纤在1310nm波长处的辐照附加损耗小于14.8dB/km。该单模光纤在10mm弯曲直径下卷绕一圈时，在1550nm波长处的弯曲损耗为0.11～0.31dB，在1625nm波长处的弯曲损耗为0.21～0.42dB。该单模光纤在15mm弯曲直径下卷绕一圈时，在1550nm波长处的弯曲损耗最小为0.08dB，在1625nm波长处的弯曲损耗最小为0.25dB。
其中，最佳实施例是实施例6。以质量百分比计，实施例6中的单模光纤芯层中掺杂的氟元素含量为0.3％，氯元素含量为0.1％；第一掺氟内包层中的氟元素浓度为1.55％，第二掺氟内包层中的氟元素浓度为4.09％。该单模光纤芯层的半径R1为4μm，第一掺氟内包层的半径R2为30μm，第二掺氟内包层的半径R3为46μm；芯层与第一掺氟内包层的相对折射率差的最大值△1max为0.30％，第一掺氟内包层与第二掺氟内包层相对折射率差的最大值△2max为-0.61％，第二掺氟内包层与外包层4相对折射率差的最大值△3max为-0.91％。
该单模光纤在10mm弯曲直径下卷绕一圈时，在1550nm波长处的弯曲损耗为0.11dB，在1625nm波长处的弯曲损耗为0.21dB；该单模光纤在1310nm波长处的衰减系数为0.322dB/km，在1550nm波长处的衰减系数为0.185dB/km，在1625nm波长处的衰减系数为0.186dB/km。
本发明中涉及的计算公式如下：
相对折射率差：
其中，ni为芯层或包层在1300nm波长的折射率，n0为相邻外侧包层在1300nm波长的折射率。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，包括由内至外依次排列的芯层(1)、内包层、外包层(4)，所述芯层(1)、内包层、外包层(4)的材质均为石英，其特征在于：所述内包层包括由内至外排列的第一掺氟内包层(2)、第二掺氟内包层(3)，所述芯层(1)和第一掺氟内包层(2)均不掺杂锗元素，其他金属杂质以及磷元素浓度均低于0.1ppm；以质量百分比计，芯层(1)中掺杂的氟元素含量为0～0.45％，氯元素含量为0.01％～0.10％；第一掺氟内包层(2)中的氟元素浓度为1.00％～1.55％，第二掺氟内包层(3)中的氟元素浓度为3.03％～5.00％。
2.如权利要求1所述的弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，其特征在于：所述芯层(1)与第一掺氟内包层(2)的相对折射率差的最大值△1max为0.13％～0.30％；所述第一掺氟内包层(2)与第二掺氟内包层(3)的相对折射率差的最大值△2max为0.40％～0.96％，第二掺氟内包层(3)的折射率小于第一掺氟内包层(2)的折射率；所述第二掺氟内包层(3)与外包层(4)的相对折射率差的最大值△3max为-0.28％～-1.09％。
3.如权利要求2所述的弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，其特征在于：所述芯层(1)与第一掺氟内包层(2)的相对折射率差的最大值△1max为0.30％；所述第一掺氟内包层(2)与第二掺氟内包层(3)相对折射率差的最大值△2max为0.61％，第二掺氟内包层(3)与外包层相对折射率差最大值的最大值△3max为-0.91％。
4.如权利要求3所述的弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，其特征在于：该单模光纤在1310nm波长处的衰减系数为0.322dB/km，在1550nm波长处的衰减系数为0.185dB/km，在1625nm波长处的衰减系数为0.186dB/km。
5.如权利要求3所述的弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，其特征在于：该单模光纤在10mm弯曲直径下卷绕一圈时，在1550nm波长处的弯曲损耗为0.11dB，在1625nm波长处的弯曲损耗为0.21dB。
6.如权利要求1所述的弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，其特征在于：所述芯层(1)的半径R1为3.9～4.3μm，所述第一掺氟内包层(2)的半径R2为5～34μm，所述第二掺氟内包层(3)的半径R3为22～48μm。
7.如权利要求6所述的弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，其特征在于：所述芯层(1)的半径R1为4μm；第一掺氟内包层(2)的半径R2为30μm，第二掺氟内包层(3)的半径R3为46μm。
8.如权利要求1所述的弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，其特征在于：伽马辐照剂量为2000kGy时，该单模光纤在1310nm波长处的辐照附加损耗小于14.8dB/km。
9.如权利要求1所述的弯曲不敏感的耐辐照单模光纤，其特征在于：该单模光纤外包覆有光纤涂覆层，光纤涂覆层采用耐高温的丙烯酸树脂、硅橡胶、聚酰亚胺、碳或金属中的1～2种制成。
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