CN111960660A - 一种抗弯耐辐照单模光纤、光纤预制棒及制备方法 - Google Patents
一种抗弯耐辐照单模光纤、光纤预制棒及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及一种抗弯耐辐照单模光纤、光纤预制棒及制备方法，沿光纤径向，光纤包括由内到外依次布置的芯层、过渡包层和外包层，过渡包层中形成有气泡层，气泡层包括多个气泡孔；沿光纤轴向，各气泡孔分散设置；外包层采用氟和变价金属离子共掺的石英。在外包层中掺入变价金属离子，这些变价金属离子可以预先与辐照过程中产生的电子和空穴结合，这一反应所需时间极短，从而降低光纤中的电子和空穴浓度，减少光纤内部“色心”的产生，从而降低光纤的辐致损耗。在过渡包层中引入气泡孔，所有的气泡孔形成气泡层，气泡层的存在相当于引入了折射率极低的下陷层，从而大幅提高光纤的抗弯能力。
Description
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，特别涉及一种抗弯耐辐照单模光纤、光纤预制棒及制备方法。
背景技术
随着光通信技术的快速发展，移动通信网络5G的时代已经到来，光纤作为移动通信网络的载体，扮演着至关重要的作用。光纤不仅可以应用在通信领域，基于特种光纤技术的光纤在航空航天、深海探测以及核反应堆等高辐射领域也得到了越来越多的应用。然而，在上述环境中存在着大量的辐射，辐射过程中产生的电子和空穴极易与光纤内部的缺陷结合，导致光纤内部形成“色心”。“色心”的存在会导致光纤在可见和紫外波段产生吸收峰，从而引起光纤的辐射损伤，最终导致光纤传输信号的能力大幅降低。当光纤传输信号能力严重恶化时，甚至会影响到光纤使用过程中的安全性与可靠性。因此，提高光纤对辐射的耐受能力，降低光纤的辐致损耗成为科研人员重点研究的课题。
传统的耐辐照光纤基本采用纯石英或者掺氟石英作为光纤纤芯，同时，为了使耐辐照光纤与其对应的普通光纤具有相同几何特性，需要利用掺氟技术将掺氟层作为光纤包层，保证光纤具有特定的芯包相对折射率差值。然而，由于氟在石英中的溶解度较低，掺氟深度会受到限制，以致光纤的芯包相对折射率差值和抗弯性能无法同时满足，通常的做法是牺牲光纤的抗弯性能。
综上所述，如何降低光纤在辐照下的辐致损耗，同时大幅提高耐辐照光纤的抗弯能力，降低耐辐照光纤的弯曲损耗是目前亟需解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种抗弯耐辐照单模光纤、光纤预制棒及制备方法，以解决相关技术中难以降低光纤在辐照下的辐致损耗，同时大幅提高耐辐照光纤的抗弯能力的问题。
第一方面，提供了一种抗弯耐辐照单模光纤，其包括：
沿光纤径向，所述光纤包括由内到外依次布置的芯层、过渡包层和外包层，所述过渡包层中形成有气泡层，所述气泡层包括多个气泡孔；
沿光纤轴向，各所述气泡孔分散设置；
所述外包层采用氟和变价金属离子共掺的石英。
一些实施例中，所述变价金属离子的掺杂总浓度为0.022mol％～0.14mol％。
一些实施例中，所述变价金属离子包括铋离子、镱离子和铒离子中的至少一种。
一些实施例中，所述气泡层成环状，并环绕在所述芯层外。
一些实施例中，所述芯层与纯石英的相对折射率差为-0.13％～0；
所述过渡包层与纯石英的相对折射率差为-0.48％～-0.32％；
所述外包层与纯石英的相对折射率差为-0.48％～-0.27％。
一些实施例中，在光纤径向上，所述气泡层宽度范围内有多个气泡孔分布。
一些实施例中，所述芯层采用纯石英或掺氟石英，所述过渡包层采用掺氟石英。
第二方面，提供了一种用于拉制如上所述的抗弯耐辐照单模光纤的光纤预制棒，其包括：
沿光纤预制棒径向，所述光纤预制棒包括由内到外依次布置的纤芯区域、过渡包层区域和外包层区域，所述过渡包层区域中形成有气泡层，所述气泡层包括多个气泡孔；
沿光纤预制棒轴向，各所述气泡孔分散设置；
所述外包层区域采用氟和变价金属离子共掺的石英。
第三方面，提供了一种如上所述的光纤预制棒的制备方法，其包括如下步骤：
制备纤芯区域；
在所述纤芯区域外制备过渡包层区域，得到疏松体；
向高温炉中通入惰性气体；
将所述疏松体送入所述高温炉中，以第一进棒速度，在高速烧结区进行烧结，直至所述疏松体外表面变透明；
再以第二进棒速度，在低速烧结区进行烧结，以将惰性气体封闭在所述疏松体的空隙中并形成气泡孔，第二进棒速度小于第一进棒速度；
当所述疏松体烧结至全透明后，在其外制备外包层区域，以形成光纤预制棒。
一些实施例中，所述第一进棒速度为8～20mm/min，所述第二进棒速度为1～3mm/min。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本申请实施例提供了一种抗弯耐辐照单模光纤、光纤预制棒及制备方法，在外包层中掺入变价金属离子，这些变价金属离子可以预先与辐照过程中产生的电子和空穴结合，这一反应所需时间极短，从而降低光纤中的电子和空穴浓度，减少光纤内部“色心”的产生，从而降低光纤的辐致损耗。
在过渡包层中引入气泡孔，所有的气泡孔形成气泡层，气泡层的存在相当于引入了折射率极低的下陷层，从而大幅提高光纤的抗弯能力。
此外，本申请所有的气泡孔或者规整，或者杂乱地布置在过渡包层内，当一个电子从掺有变价金属离子的外包层“溜入”过渡包层中，并且想要从气泡层外侧穿过气泡层并进入气泡层内侧时，由于在光纤径向上，气泡层宽度范围内其实有一个或者很多个气泡孔，这种规整、杂乱甚至是交错排布的气泡孔，使得气泡层如同一个迷宫结构，或对电子进行阻挡，或对电子进行导向以使其重新返回外包层，从而可以阻止电子进入芯层，降低“色心”产生几率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种抗弯耐辐照单模光纤截面图；
图2为本申请实施例提供的一种抗弯耐辐照单模光纤示意图；
图3为本申请实施例提供的光纤预制棒烧结过程示意图；
图4为本申请实施例提供的光纤预制棒的制备方法流程图。
图中：1、芯层；2、过渡包层；3、外包层；4、气泡层；40、气泡孔；5、高温炉；50、高速烧结区；51、低速烧结区；6、疏松体。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种抗弯耐辐照单模光纤，其能解决相关技术中难以降低光纤在辐照下的辐致损耗，同时大幅提高耐辐照光纤的抗弯能力的问题。
参见图1所示，本申请实施例提供了一种抗弯耐辐照单模光纤，沿该光纤径向，光纤包括由内到外依次布置的芯层1、过渡包层2和外包层3，过渡包层2中形成有气泡层4，气泡层4包括多个散布的气泡孔40；参见图2所示，沿光纤轴向，各气泡孔40分散设置，以使得在通长的光纤中都散布着非常多的气泡孔40；
本实施例在过渡包层2中引入气泡孔40，所有的气泡孔40形成气泡层4，气泡层4的存在相当于引入了折射率极低的下陷层，从而大幅提高光纤的抗弯能力。而在一些相关技术中的耐辐照光纤，是直接引入折射率下陷，对于该方法，由于耐辐照光纤芯层为纯二氧化硅层或者掺氟的二氧化硅，再加上需要维持过渡包层与芯层之间相应的折射率差，考虑到掺氟区域与纯二氧化硅间的相对折射率差最大为-1％左右，实际的下陷层的深度会受到限制，因此，这种光纤实际抗弯性能有限，无法满足小弯曲半径下的应用。
相对折射率差计算公式如下：
Δ＝[(ni 2-n0 2)/2ni 2]×100％≈[(ni-n0)/n0]×100％
其中，Δ为相对折射率差，n0为纯石英的折射率。
当计算芯层1相对于纯石英的相对折射率差Δ1时，上式中ni为芯层1的折射率n1；
当计算过渡包层2相对于纯石英的相对折射率差Δ2时，上式中ni为过渡包层2的折射率n2；
当计算外包层3相对于纯石英的相对折射率差Δ3时，上式中ni为外包层3的折射率n3。
外包层3掺杂的变价金属离子可以与正电荷或负电荷发生氧化还原反应，实现电荷交换过程：
M(n-a)++ah+→Mn+，Mn++ae-→M(n-a)+
不同的变价金属离子，a的取值可以不同，a＝1，2，3，4...。
即变价金属离子可以提前消耗辐照过程中产生的电子和空穴，这一反应所需时间极短，从而降低光纤中的电子和空穴浓度，继而降低光纤内部缺陷捕获电子和空穴的概率，从而减少缺陷吸收峰的形成，减少光纤内部“色心”的产生，降低光纤的辐致损耗。
此外，本实施例中，所有的气泡孔40或者规整，或者杂乱地布置在过渡包层2内，当一个电子从掺有变价金属离子的外包层3“溜入”过渡包层2中，并且想要从气泡层4外侧穿过气泡层4并进入气泡层4内侧时，由于在光纤径向上，气泡层4宽度范围内其实有一个或者很多个气泡孔40，这种规整、杂乱甚至是交错排布的气泡孔40，使得气泡层4如同一个迷宫结构，或对电子进行阻挡，或对电子进行导向以使其重新返回外包层3，从而可以阻止电子进入芯层1，降低“色心”产生几率。
芯层1相对折射率与过渡包层2相对折射率的差值为0.3％～0.4％，确保该光纤与其对应的普通光纤具有相同几何特性，可以选0.35％；
在一些较佳的实施例中，变价金属离子的掺杂总浓度为0.022mol％～0.14mol％，且外包层3中各处的变价金属离子的掺杂总浓度大致相等。
在一些较佳的实施例中，变价金属离子包括铋离子、镱离子和铒离子中的至少一种。
参见图1所示，在一些较佳的实施例中，气泡层4成环状，并环绕在芯层1外，结合图2所示，为了便于理解，图2中沿光纤轴向，仅仅示出了由气泡孔40形成的两条竖直线条，其立体结构实质上是如同一个圆筒，所有的气泡孔40绕着芯层1周向，环绕在芯层1外，使得气泡层4形成环状，从而从圆周向对光纤内部的缺陷进行防护。
参见图1所示，图中在光纤径向上，气泡层4宽度范围内有多个气泡孔40分布。
在一些较佳的实施例中，芯层1与纯石英的相对折射率差为-0.13％～0；
过渡包层2与纯石英的相对折射率差为-0.48％～-0.32％；
外包层3与纯石英的相对折射率差为-0.48％～-0.27％。
在一些较佳的实施例中，芯层1、过渡包层2和外包层3同心，且参见图1所示，以芯层1的中心为圆心，芯层1的半径R1范围为3.8μm≤R1≤4.3μm，过渡包层2的半径R2范围为45.0μm≤R2≤55.0μm，外包层3的半径R3＝62.5μm。
在一些较佳的实施例中，芯层1采用纯石英或掺氟石英，过渡包层2采用掺氟石英。当掺氟后，芯层1中各处氟元素的掺杂浓度大致相等，过渡包层2中各处氟元素的掺杂浓度大致相等，外包层3中各处氟元素的掺杂浓度大致相等。
本申请实施例还提供了一种用于拉制抗弯耐辐照单模光纤的光纤预制棒，沿光纤预制棒径向，光纤预制棒包括由内到外依次布置的纤芯区域、过渡包层区域和外包层区域，拉制后，纤芯区域形成芯层1，过渡包层区域形成过渡包层2，外包层区域形成外包层3，过渡包层区域中形成有气泡层4，气泡层4包括多个气泡孔40；沿光纤预制棒轴向，各气泡孔40分散设置；外包层区域采用氟和变价金属离子共掺的石英。
参见3和图4所示，本申请实施例还提供了一种光纤预制棒的制备方法，其包括如下步骤：
301：利用轴向气相沉积法(VAD)制备纤芯区域；
302：利用外部气相沉积法(OVD)或VAD，在纤芯区域外制备过渡包层区域，得到疏松体6；
303：向高温炉5中通入惰性气体，可以采用具有低石英溶解性的N2、Ar、Kr等气体中的一种或几种；高温炉5中具有上下布置的高速烧结区50和低速烧结区51，高温炉5的炉温可以设定为1450～1650℃。
将疏松体6送入高温炉5中，以第一进棒速度，在高速烧结区50进行烧结，直至疏松体6外表面变透明，而内部依然为疏松状态；
304：再以第二进棒速度，在低速烧结区51进行烧结，由于通入的是在石英材料中溶解度低的惰性气体，故部分气体在烧结过程中，会被封闭在疏松体6的空隙之中，随着烧结的进行，这部分气体最终在疏松体6的空隙中形成气泡孔40；第二进棒速度小于第一进棒速度；
305：当疏松体6烧结至全透明后，利用改进的化学气相沉积法(MCVD)，在其外制备外包层区域，以形成光纤预制棒。
其中，第一进棒速度可以设定为8～20mm/min，第二进棒速度可以设定为1～3mm/min。
在本申请实施例中，在疏松体6烧结过程中利用变速烧结法形成气泡孔40，显著提高了光纤的抗弯性能，克服了传统耐辐照光纤在小弯曲半径环境下衰减大幅增加的缺点。
常规方式是通过在光纤预制棒上打孔制备得到，过程繁琐且对打孔精确控制要求高，制备较为困难。与常规打孔的光纤相比，本方案无需在成棒后额外采用繁琐的打孔技术，制备过程简单，可满足今后耐辐照光纤大规模生产应用的需求。
参见下表1，通过6个具体实施例进行说明。
表1：单模光纤具体指标
根据表1可知，将光纤预制棒通过拉丝塔拉制成单模光纤后，在无辐射环境下，光纤1310nm波段的模场直径为9.2±0.4μm，1550nm波段的模场直径为10.4±0.5μm；光纤在1310nm波段的衰减值不超过0.43dB/km，1550nm波段的衰减值不超过0.36dB/km。当弯曲半径R＝7.5mm，弯曲圈数为1圈时，光纤在1550波段的附加弯曲损耗不超过0.16dB，优于G.657.A2标准的0.50dB。
在钴-60放射源辐射条件，总剂量为250kGy的条件下，光纤1310nm波段的衰减值不超过10dB/km，1550nm波段的衰减值不超过9.5dB/km。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种抗弯耐辐照单模光纤，其特征在于，其包括：
沿光纤径向，所述光纤包括由内到外依次布置的芯层(1)、过渡包层(2)和外包层(3)，所述过渡包层(2)中形成有气泡层(4)，所述气泡层(4)包括多个气泡孔(40)；
沿光纤轴向，各所述气泡孔(40)分散设置；
所述外包层(3)采用氟和变价金属离子共掺的石英。
2.如权利要求1所述的抗弯耐辐照单模光纤，其特征在于：所述变价金属离子的掺杂总浓度为0.022mol％～0.14mol％。
3.如权利要求1所述的抗弯耐辐照单模光纤，其特征在于：所述变价金属离子包括铋离子、镱离子和铒离子中的至少一种。
4.如权利要求1所述的抗弯耐辐照单模光纤，其特征在于：所述气泡层(4)成环状，并环绕在所述芯层(1)外。
5.如权利要求1所述的抗弯耐辐照单模光纤，其特征在于：
所述芯层(1)与纯石英的相对折射率差为-0.13％～0；
所述过渡包层(2)与纯石英的相对折射率差为-0.48％～-0.32％；
所述外包层(3)与纯石英的相对折射率差为-0.48％～-0.27％。
6.如权利要求1所述的抗弯耐辐照单模光纤，其特征在于：在光纤径向上，所述气泡层(4)宽度范围内有多个气泡孔(40)分布。
7.如权利要求1所述的抗弯耐辐照单模光纤，其特征在于：所述芯层(1)采用纯石英或掺氟石英，所述过渡包层(2)采用掺氟石英。
8.一种用于拉制如权利要求1所述的抗弯耐辐照单模光纤的光纤预制棒，其特征在于，其包括：
沿光纤预制棒径向，所述光纤预制棒包括由内到外依次布置的纤芯区域、过渡包层区域和外包层区域，所述过渡包层区域中形成有气泡层(4)，所述气泡层(4)包括多个气泡孔(40)；
沿光纤预制棒轴向，各所述气泡孔(40)分散设置；
所述外包层区域采用氟和变价金属离子共掺的石英。
9.一种如权利要求8所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
制备纤芯区域；
在所述纤芯区域外制备过渡包层区域，得到疏松体(6)；
向高温炉(5)中通入惰性气体；
将所述疏松体(6)送入所述高温炉(5)中，以第一进棒速度，在高速烧结区(50)进行烧结，直至所述疏松体(6)外表面变透明；
再以第二进棒速度，在低速烧结区(51)进行烧结，以将惰性气体封闭在所述疏松体(6)的空隙中并形成气泡孔(40)，第二进棒速度小于第一进棒速度；
当所述疏松体(6)烧结至全透明后，在其外制备外包层区域，以形成光纤预制棒。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述第一进棒速度为8～20mm/min，所述第二进棒速度为1～3mm/min。
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