CN106033137B - 一种石英包层大功率传输弥散光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种石英包层大功率传输弥散光纤及其制造方法，涉及光通信及相关传感器件技术领域，所述弥散光纤自内而外依次为芯层、第一石英包层、第二石英包层；所述芯层，其中掺杂有Ge元素，该芯层的折射率呈渐变分布，且分布幂指数为1.5～3.3；第一石英包层，其中含有气泡，且具有光散射作用；第二石英包层，其折射率高于第一石英包层的折射率。本发明能耐受较高功率和较高温度，提高了光纤的稳定性与可靠性，有效解决了光纤在照明中颜色变换问题。

Description

一种石英包层大功率传输弥散光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及光通信及相关传感器件技术领域，具体来讲是一种石英包层大功率传输弥散光纤及其制造方法。

背景技术

弥散光纤，又被称为线性光纤、侧面发光光纤或通体发光光纤。当入射光线从弥散光纤的端面射入后，可以通过整个光纤的侧表面射出，从而形成一根通体发光的光纤。由于它具有如此独特的发光效果，常被用于医学、环保等重要科技领域。

弥散光纤一般由具有高折射率的光纤芯材和低折射率的光学散射包层两大部分组成。一般在光学散射包层中还均匀地掺有一些弥散剂，用以破坏光纤芯材和包层之间的反射界面。当入射光在反射界面上遇到这些弥散剂后，就会从光纤芯材内部透射出来，达到通体发光的效果。

在现有的弥散光纤中，散射包层都是高分子材料配合无机的散射剂实现，由于高分子材料透过率低，耐热性差，因此其散射效果差，在大功率下稳定性与寿命差。另一方面由于波导结构都是阶跃结构，散射损耗调整基本通过散射包层中的弥散剂浓度来调整，而弥散剂的均匀分散和浓度都不好控制，因此批次一致性与制造难度大。另外，通常光纤散射光的波长由泵入弥散光纤的光决定，因此如果需要得到白色光，通常需要在端面泵入混合波长的光作为白色光源，而大功率的白色光源非常昂贵并且不稳定，并且由于现有弥散光纤只散射光，没有掺杂其他离子来转换波长，因此存在颜色变换问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种石英包层大功率传输弥散光纤及其制造方法，本发明能耐受较高功率和较高温度，提高了光纤的稳定性与可靠性，有效解决了光纤在照明中颜色变换问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种石英包层大功率传输弥散光纤，所述弥散光纤自内而外依次为芯层、第一石英包层、第二石英包层；所述芯层，其中掺杂有Ge元素，该芯层的折射率呈渐变分布，且分布幂指数为1.5～3.3；第一石英包层，其中含有气泡，且具有光散射作用；第二石英包层，其折射率高于第一石英包层的折射率；

所述芯层与第二石英包层的相对折射率差最大值设为Δcoremax，Δcoremax的值为0.6％～1.5％；所述芯层与第二石英包层的相对折射率差最小值设为Δdip，Δdip与Δcoremax的比值为0.4～1.2。

在上述技术方案的基础上，还包括依次包覆于第二石英包层(3)外侧的内涂覆层和外涂覆层，所述内涂覆层和外涂覆层分别由环氧树脂或硅胶制成。

在上述技术方案的基础上，所述的芯层直径为40μm～1200μm；第一石英包层的直径为40μm～1200μm，第一石英包层厚度为2μm～30μm；第二石英包层的直径为125μm～1320μm。

在上述技术方案的基础上，所述第一石英包层中气泡的直径为1nm～1700nm，且弥散光纤截面中气泡的数量大于20个。

在上述技术方案的基础上，所述气泡周围包裹有含Eu、Yb、Al、Mg、Ba、Sr、Mn其中一种或几种元素的硅酸盐固溶体。

本发明还提供一种基于上述弥散光纤的制造方法，包括以下步骤：步骤S1.利用等离子体增强化学气相沉积法或者改进化学气相沉积法对纯石英玻璃衬管进行掺杂沉积，改变混合气体中掺杂气体的流量，沉积形成芯层，沉积完成后熔缩并磨削加工成实心芯棒；步骤S2.采用改进化学气相沉积法在纯石英玻璃衬管中通入反应气体反应沉积石英疏松体，形成含有石英疏松体的套管；步骤S3.将所述实心芯棒插入到含有石英疏松体的套管中，组装形成光棒预制件，将光棒预制件置于拉丝塔拉成光纤，在光纤表面依次涂覆内涂覆层和外涂覆层。

在上述技术方案的基础上，步骤S2中，所述反应气体为SiCl₄、高纯氧气或C₂F₆，沉积石英疏松体时的反应温度为800℃～1500℃。

在上述技术方案的基础上，步骤S2中，将所述含有石英疏松体的套管用含Eu、Yb、Al、Mg、Ba、Sr、Mn其中一种或几种元素的氯化物溶液浸泡后，通入高纯氧气或者臭氧烘干，烘干温度为300℃～1000℃。

在上述技术方案的基础上，步骤S3中，将光棒预制件置于拉丝塔拉成光纤时，拉丝张力为150g～300g，拉丝速度为100m/min～1500m/min。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中采用有光散射作用的第一石英包层替代现有的有机物散射包层，能耐受较高功率和较高温度，提高了光纤的稳定性与可靠性，尤其在大功率注入的条件下光纤的散射损耗变化低，光纤稳定性高。

2、本发明的第一石英包层中掺杂有稀土元素的硅酸盐，能够对散射出的波长进行变换，获得白色或者其他颜色的光，有效解决了光纤在照明中颜色变换问题。

3、本发明采用芯区折射率分布控制光功率向散射包层泄漏的速率，有效自由的控制了光纤弥散的长度，采用大芯径环形波导结构可在保证大功率光在传输过程中有效的散射。

附图说明

图1为本发明中石英包层大功率传输弥散光纤的截面示意图；

图2为本发明中石英包层大功率传输弥散光纤的折射率剖面示意图；

图3为本发明中石英包层大功率传输弥散光纤的制造方法流程图。

附图标记：

1－芯层；2－第一石英包层；3－第二石英包层；4－内涂覆层；5－外涂覆层。

具体实施方式

为了方便理解本发明，首先将本发明涉及的专业术语集中定义如下：

石英衬管：管状的基底管，其内壁承载等离子体增强化学气相沉积法(PCVD)化学反应的玻璃态氧化沉积物。

套管：符合一定几何指标和掺杂要求的石英玻璃管。

芯层：居于光纤横截面的中心部分，是光纤的主要导光的区域。

有光散射作用的第一石英包层：光纤横截面中紧邻芯层的环形区域。

第二石英包层：光纤横截面中紧邻有光散射作用的石英包层的环形区域。

相对折射率差：

数值孔径：NA＝n₀×(2×Δ)^1/2；

其中，n_i和n₀分别为各对应部分和相邻外侧包层在特定波长的折射率。

幂指数律折射率分布剖面：满足下面幂指数函数的折射率分布形态，其中，n₁为光纤轴心的折射率；r为离开光纤轴心的距离；a为光纤芯直径；α为分布幂指数；Δ为芯/包相对折射率差；

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，一种石英包层大功率传输弥散光纤，所述弥散光纤自内而外依次为芯层1、第一石英包层2、第二石英包层3、内涂覆层4和外涂覆层5；所述芯层1，其中掺杂有Ge(锗)元素，该芯层1的折射率呈渐变分布，且分布幂指数α为1.5～3.3；第一石英包层2，其中含有气泡，且具有光散射作用；气泡的直径为1nm～1700nm，且弥散光纤截面中气泡的数量大于20个；优选的，所述气泡周围包裹有含Eu(铕)、Yb(镱)、Al(铝)、Mg(镁)、Ba(钡)、Sr(锶)、Mn(锰)其中一种或几种元素的硅酸盐固溶体。第二石英包层3，其折射率高于第一石英包层2的折射率。所述内涂覆层4和外涂覆层5分别由环氧树脂或硅胶制成。

参见图2所示，所述的芯层1直径dcore为40μm～1200μm；第一石英包层2的直径dt为40μm～1200μm，第一石英包层2厚度td为2μm～30μm；第二石英包层3的直径D为125μm～1320μm。所述芯层1与第二石英包层3的相对折射率差最大值设为Δcore_max，Δcore_max的值为0.6％～1.5％；所述芯层1与第二石英包层3的相对折射率差最小值设为Δdip，Δdip与Δcore_max的比值为0.4～1.2。该石英包层大功率传输弥散光纤工作波长为400μm～850μm，散射损耗大于0.05dB/m，输入功率大于1w，1小时连续工作散射损耗变化小于5％。

参见图3所示，基于上述弥散光纤的制造方法，包括以下步骤：

步骤S1.利用等离子体增强化学气相沉积法(PCVD)或者改进化学气相沉积法(MCVD)对纯石英玻璃衬管进行掺杂沉积，改变混合气体中掺杂气体的流量，沉积形成芯层1，沉积完成后熔缩并磨削加工成实心芯棒。

步骤S2.采用改进化学气相沉积法在纯石英玻璃衬管中通入反应气体反应沉积石英疏松体，形成含有石英疏松体的套管；所述反应气体为SiCl₄、高纯氧气或C₂F₆，沉积石英疏松体时的反应温度为800℃～1500℃。优选的，将所述含有石英疏松体的套管用含Eu、Yb、Al、Mg、Ba、Sr、Mn其中一种或几种元素的氯化物溶液浸泡后，通入高纯氧气或者臭氧烘干，烘干温度为300℃～1000℃。

步骤S3.将所述实心芯棒插入到含有石英疏松体的套管中，组装形成光棒预制件，将光棒预制件置于拉丝塔拉成光纤，拉丝张力为150g～300g，拉丝速度为100m/min～1500m/min，在光纤表面依次涂覆内涂覆层4和外涂覆层5。内涂覆层4和外涂覆层5的折射率在633nm为1.40～1.60，且内涂覆层4和外涂覆层5工作波长内的透过率大于98％。

以下为几种典型的实施例以及检测数据：

通过上表中的测试，本发明提供的石英包层大功率传输弥散光纤的输入功率最高为50瓦，功率波动最小为1.2％，因此承载功率较高，功率变化率小。

上述石英包层大功率传输弥散光纤制造方法的具体工艺条件如下表所示：

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种石英包层大功率传输弥散光纤，其特征在于：所述弥散光纤自内而外依次为芯层(1)、第一石英包层(2)、第二石英包层(3)；

所述芯层(1)，其中掺杂有Ge元素，该芯层(1)的折射率呈渐变分布，且分布幂指数为1.5～3.3；

第一石英包层(2)，其中含有气泡，且具有光散射作用；

第二石英包层(3)，其折射率高于第一石英包层(2)的折射率；

所述芯层(1)与第二石英包层(3)的相对折射率差最大值设为Δcore_max，Δcore_max的值为0.6％～1.5％；所述芯层(1)与第二石英包层(3)的相对折射率差最小值设为Δdip，Δdip与Δcore_max的比值为0.4～1.2。

2.如权利要求1所述的石英包层大功率传输弥散光纤，其特征在于：还包括依次包覆于第二石英包层(3)外侧的内涂覆层(4)和外涂覆层(5)，所述内涂覆层(4)和外涂覆层(5)分别由环氧树脂或硅胶制成。

3.如权利要求1所述的石英包层大功率传输弥散光纤，其特征在于：

所述的芯层(1)直径为40μm～1200μm；

第一石英包层(2)的直径为40μm～1200μm，第一石英包层(2)厚度为2μm～30μm；

第二石英包层(3)的直径为125μm～1320μm。

4.如权利要求1所述的石英包层大功率传输弥散光纤，其特征在于：所述第一石英包层(2)中气泡的直径为1nm～1700nm，且弥散光纤截面中气泡的数量大于20个。

5.如权利要求4所述的石英包层大功率传输弥散光纤，其特征在于：所述气泡周围包裹有含Eu、Yb、Al、Mg、Ba、Sr、Mn其中一种或几种元素的硅酸盐固溶体。

6.基于权利要求1所述弥散光纤的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1.利用等离子体增强化学气相沉积法或者改进化学气相沉积法对纯石英玻璃衬管进行掺杂沉积，改变混合气体中掺杂气体的流量，沉积形成芯层(1)，沉积完成后熔缩并磨削加工成实心芯棒；

步骤S2.采用改进化学气相沉积法在纯石英玻璃衬管中通入反应气体反应沉积石英疏松体，形成含有石英疏松体的套管；

步骤S3.将所述实心芯棒插入到含有石英疏松体的套管中，组装形成光棒预制件，将光棒预制件置于拉丝塔拉成光纤，在光纤表面依次涂覆内涂覆层(4)和外涂覆层(5)。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于：步骤S2中，所述反应气体为SiCl₄、高纯氧气或C₂F₆，沉积石英疏松体时的反应温度为800℃～1500℃。

8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于：步骤S2中，将所述含有石英疏松体的套管用含Eu、Yb、Al、Mg、Ba、Sr、Mn其中一种或几种元素的氯化物溶液浸泡后，通入高纯氧气或者臭氧烘干，烘干温度为300℃～1000℃。

9.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于：步骤S3中，将光棒预制件置于拉丝塔拉成光纤时，拉丝张力为150g～300g，拉丝速度为100m/min～1500m/min。