CN103543491A - 超低损耗高带宽耐辐照多模光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低损耗高带宽耐辐照多模光纤及其制造方法，所述多模光纤自内而外依次为不掺杂Ge元素的芯层、氟掺杂石英包层、吸收杂质石英包层和石英包层，其中，不掺杂Ge元素的芯层的折射率为梯度渐变型折射率分布，且分布幂指数α为1.7～2.3；芯层与掺氟石英包层的相对折射率差最大值Δ1%_max为0.6%～1.2%；掺氟石英包层的折射率低于吸收杂质石英包层折射率；吸收杂质石英包层的折射率不小于石英包层的折射率。本发明，引入了吸收杂质石英包层这个内包层结构，相比较单纯氟掺杂的内包层结构，其能够在辐照射线通过包层到达芯层前在该区域吸收部分光纤受到的辐射，减少芯层因辐射造成的结构缺陷从而提高光纤的耐辐射能力。

Description

超低损耗高带宽耐辐照多模光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及多模光纤，具体涉及超低损耗高带宽耐辐照多模光纤及其制造方法。

背景技术

近年来，尽管单模光纤成为光纤市场中最主要的需求品种，但多模光纤始终没有被取代而是一直保持着稳定增长的市场需求，其原因就在于多模光纤的许多特性正好可以满足光信号、能量传输、局域网数据传输和光器件的使用。

随着多模光纤技术的不断发展，通信用多模光纤的应用领域已经拓展到了航空航天、各种高温、高压、辐照等特殊极端场合，因此需要新型的多模光纤改变材料组分降低光纤的衰减系数，减少光纤对环境变化的性能衰退，适应不断改变的应用环境。

目前，世界上的多模光纤技术主要针对光纤的带宽、弯曲损耗等参数进行优化，如专利中国发明专利CN102692675A公开了一种渐变折射率抗弯曲多模光纤（专利申请号：201210167792.2），采用掺锗芯区配合多包层结构在保证光纤带宽的同时提高光纤的弯曲损耗性能；欧洲专利EP1515169B1公开了一种渐变折射率多模光纤及其制造方法，采用芯区锗磷共掺的方法针对光纤芯区折射率分布幂指数进行优化来提高光纤的带宽；美国专利US20130028564A1公开了一种壕沟辅助型多模光纤，采用下陷包层辅助的办法利用掺锗渐变折射率芯区调整光纤带宽。

然而，上述技术方案都是基于锗掺杂芯区来调整光纤芯区折射率分布，由于锗掺杂石英散射系数较高，因此容易造成光纤损耗较高，通常锗掺杂渐变折射率多模光纤850nm衰减系数都在2.5dB以上,其衰减系数还随环境温度、辐射条件变化而变化，因此，优化渐变折射率多模光纤的芯区材料组分，减少光纤中锗元素的含量是解决上述问题的有效途径，为此，中国发明专利102768382A公开了一种高带宽的耐辐射多模光纤（专利申请号：201210130363.8），该技术方案中，光纤中不掺杂锗元素与磷元素以提高光纤的耐辐照性能,而是采用纤芯氟元素渐变掺杂的方式实现多模光纤较高的带宽，但该种方案依然使得辐射能量直接作用在芯区，从而造成了较高的附加衰减。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是多模光纤附加衰减较高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种超低损耗高带宽耐辐照多模光纤，所述多模光纤自内而外依次为：

不掺杂Ge元素的芯层，其折射率呈梯度渐变型分布，且分布幂指数α为1.7～2.3；

氟掺杂石英包层，所述芯层与所述掺氟石英包层的相对折射率差最大值Δ1%_max为0.6%～1.2%；

吸收杂质石英包层，所述掺氟石英包层的折射率低于所述吸收杂质石英包层折射率；

石英包层，所述吸收杂质石英包层的折射率不小于所述石英包层的折射率。

上述多模光纤，所述的芯层半径为20～40μm，所述掺杂石英包层半径R2为22μm～58μm，所述吸收杂质石英包层的半径R3为25μm～59μm。

上述多模光纤，所述吸收杂质石英包层掺杂有氟元素以及锗元素或者磷元素的一种或两种。

上述多模光纤，所述掺杂石英包层与所述石英包层相对折射率差Δ2%为-0.6%～-1.2%，所述吸收杂质石英包层与石英包层相对折射率差Δ3%为0.01%～0.2%。

上述多模光纤，所述的芯层半径R1为25μm，分布幂指数α为1.98；所述的氟掺杂石英包层的半径R2为56μm，且与所述石英包层相对折射率差Δ2%为-0.91，所述芯层与所述掺氟石英包层的相对折射率差最大值Δ1%_max为0.90%；所述吸收杂质石英包层的半径R3为58μm，且与石英包层相对折射率差Δ3%为0.05%。

上述多模光纤，所述芯层的分布幂指数α为1.9～2.05。

上述多模光纤，所述芯层的分布幂指数α为1.92～1.94。

上述多模光纤，所述多模光纤的数值孔径为0.160～0.226。

上述多模光纤，所述的多模光纤外设光纤涂覆层，所述的光纤涂覆层为丙烯酸树脂涂层、硅橡胶涂层、聚酰亚胺涂层、碳涂层或金属涂层的一种或两种。

上述多模光纤，所述光纤涂覆层为紫外固化硅橡胶涂层和耐高温丙烯酸树脂涂层，单边厚度为60±5μm，所述多模光纤的工作温度为-40℃～+150℃。

上述多模光纤，所述光纤涂覆层为热固化硅橡胶涂层，单边厚度为20±4μm，所述多模光纤的工作温度为-50℃～+150℃。

上述多模光纤，所述光纤涂覆层为热固化聚酰亚胺涂层，单边厚度为15±3μm，所述多模光纤的工作温度为-50℃～+400℃。

上述多模光纤，所述光纤涂覆层为碳涂层，单边厚度为15±3μm，所述多模光纤的工作温度为-50℃～+350℃。

上述多模光纤，所述光纤涂覆层为金属涂层，单边厚度为15±3μm，所述多模光纤的光纤工作温度为-50℃～+600℃。

上述多模光纤，所述金属涂层由金、银、铜、铝或上述四种金属的合金制成。

上述多模光纤，所述多模光纤的满注入带宽在850nm波长为400MHz-km以上；在1300nm波长为400MHz-km以上，该波长带宽可达到6915MHz-km。

上述多模光纤，所述多模光纤在850nm波长处损耗小于1.7dB/km，在1300nm波长处损耗小于0.45dB/km。

本发明还提供了一种上述多模光纤的制造方法，包括以下步骤：

利用等离子体增强化学气相沉积法对纯石英玻璃衬管进行掺杂沉积，其中，在反应气体四氯化硅和氧气中通入含氟的气体，引入氟掺杂；通入四氯化锗引入锗掺杂，通入含磷气体以引入磷掺杂；

改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积吸收杂质石英包层、氟掺杂石英包层和芯层；

沉积完成后熔缩成实心芯棒，然后以掺氟石英玻璃为套管采用RIT工艺制得光纤预制棒，或采用OVD或VAD外包沉积工艺在芯棒外沉积外包层制得光纤预制棒；

将光纤预制棒置于拉丝塔低张力拉成光纤，在光纤表面涂覆光纤涂覆层。

在上述方法中，所述含氟气体为C₂F₆、CF₄、SiF₄和SF₆的任意一种或多种,所述含磷气体为POCl₃。

在上述方法中，沉积芯层时，SiCl₄气体流量为38sccm，C₂F₆气体流量为0sccm，氧气流量为40sccm；

沉积掺杂石英包层时，SiCl₄气体流量为38sccm，C₂F₆气体流量为9.0-17.9sccm；

沉积吸收杂质石英包层时，SiCl₄气体流量为38sccm，GeCl₄气体流量为0-12.1sccm，C₂F₆气体流量为0-16.4sccm，POCl₃气体流量为0-12sccm，氧气流量为40sccm。

本发明，具有如下显著优点：

（1）在保证光纤满注入带宽大于400MHz-km的情况下不对芯层进行锗元素掺杂,大幅降低了光纤的衰减系数，通过芯层氟元素掺杂梯度分布调整光纤芯层幂指数系数从而能够优化光纤的带宽；

（2）光纤中引入了吸收杂质石英包层这个内包层结构,相比较单纯氟掺杂的内包层结构,其能够在辐照射线通过包层到达芯层前在该区域吸收部分光纤受到的辐射,减少芯层因辐射造成的结构缺陷从而提高光纤的耐辐射能力；

（3）除光纤适应部分具备较好的环境适应能力外，本发明涂覆层使光纤具有较好的耐辐照、耐高温与耐疲劳性能，光纤在较高温度环境以及较高应力条件下可正常使用并稳定工作。

附图说明

图1为本发明中超低损耗高带宽耐辐照多模光纤截面示意图；

图2为本发明中超低损耗高带宽耐辐照多模光纤的折射率剖面示意图。

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；

掺氟石英包层：光纤横截面中紧邻芯层的环形区域；

石英包层：光纤横截面中紧邻掺氟石英包层的环形区域；

相对折射率差:

$\mathrm{\Δ}\%=\left[\frac{{n_i}^2-{n_0}^2}{2\×{n_i}^2}\right]\×100\%\≈\frac{n_i-n_0}{n_0}\×100\%$

数值孔径：

NA＝n₀×(2×Δ)^1/2；

n_i和n₀分别为各对应部分和相邻外侧包层在1300nm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为光纤芯半径；α为分布幂指数；Δ为芯/包相对折射率差；

$n^2\left(r\right)={n_1}^2[1-2\&times;\mathrm{\&Delta;}\&times;{\left(\frac{r}{a}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}]r<a.$

下面结合说明书和具体实施例对本发明做出详细的说明。

如图1、图2所示，本发明提供的超低损耗高带宽耐辐照多模光纤自内而外依次为不掺杂Ge元素的芯层、氟掺杂石英包层、吸收杂质石英包层和石英包层，其中，不掺杂Ge元素的芯层的折射率为梯度渐变型折射率分布，且分布幂指数α为1.7～2.3；芯层与掺氟石英包层的相对折射率差最大值Δ1%_max为0.6%～1.2%；掺氟石英包层的折射率低于吸收杂质石英包层折射率；吸收杂质石英包层的折射率不小于石英包层的折射率。

本发明中，芯层中无Ge元素掺杂，保证光纤在850nm与1300nm窗口具备较低的衰减系数，同时由于光纤中梯度掺杂了F元素的同时不掺杂Ge元素，因此可以保证光纤具备较高带宽的情况下显著提高光纤的高低温循环过程中造成的衰减变化以及辐照环境中造成的衰减系数变化，氟掺杂石英包层外的吸收杂质包层能够吸收部分辐射剂量，进一步降低光纤芯层的辐射损伤。

本发明中，芯层半径为25～31.25μm，氟掺杂石英包层半径R2为22μm～57μm，吸收杂质石英包层的半径R3为25μm～59μm。

芯层和氟掺杂石英包层，由四氯化硅和氧气中通入含氟的气体沉积而成，因此，其材料为SiO₂-F-Cl；吸收杂质石英包层则掺杂有氟元素以及锗元素或者磷元素的一种或两种，因此，吸收杂质石英包层的材料为SiO₂-F-Cl-Ge或SiO₂-F-Cl-P或SiO₂-F-Cl-Ge-P或SiO₂-Cl-Ge或SiO₂-Cl-P或SiO₂-Cl-Ge-P。

以下为几种典型的实施例以及检测数据：

其中，检测方法为：使用钴-60源(即，Co60源)以0.15Gy/s的剂量率在约24℃的温度下对光纤照射19个小时,总剂量为5000Gy。在照射期间，使用以波长850纳米光源来测量光纤的辐射引起的衰减。可以在以下出版物中得到上表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 Udo Weinand，QualityAssurance for Irradiation Tests of Optical Fibers：Uncertainty andReproducibility，IEEE Transactions on Nuclear Science，Vol.56，No.4，August2009，at2160-2166。

通过上表中的测试，本发明提供的超低损耗高带宽耐辐照多模光纤比相同类型的常规多模光纤,其衰减系数大幅降低,同时光纤带宽最高达到6915MHz-km，同时由于光纤中芯层未掺锗同时还设计有吸收杂质包层与特殊涂层,因此其具备较好抗辐射能力和耐高温能力。

上述多模光纤的制造方法如下：

将纯石英玻璃衬管固定在等离子体增强化学气相沉积车床上进行掺杂沉积，在反应气体四氯化硅和氧气中，通入含氟的气体，引进氟掺杂，通入四氯化锗引入锗掺杂，通入含磷气体以引入磷掺杂，通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁；

根据掺杂要求，改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积内包层和芯层；

具体的流量参数如下表所示:

sccm是体积流量单位,英文全称：standard-state cubic centimeterper minute,意义为：标况毫升每分。

沉积完成后，用熔缩车床将沉积管熔缩成实心芯棒，然后以掺氟石英玻璃为套管采用RIT工艺制得光纤预制棒，或采用OVD或VAD外包沉积工艺在芯棒外沉积外包层制得光纤预制棒；

将光纤预制棒置于拉丝塔低张力拉成光纤，在光纤表面涂覆光纤涂覆层。

光纤涂覆层为丙烯酸树脂涂层、硅橡胶涂层、聚酰亚胺涂层、碳涂层或金属涂层的一种或两种，当：

光纤涂覆层为紫外固化硅橡胶涂层和耐高温丙烯酸树脂涂层时，单边厚度为60±5μm，多模光纤的工作温度为-40℃～+150℃。

光纤涂覆层为热固化硅橡胶涂层时，单边厚度为20±4μm，多模光纤的工作温度为-50℃～+150℃。

光纤涂覆层为热固化聚酰亚胺涂层时，单边厚度为15±3μm，多模光纤的工作温度为-50℃～+400℃。

光纤涂覆层为碳涂层时，单边厚度为15±3μm，多模光纤的工作温度为-50℃～+350℃。

光纤涂覆层为金属涂层时，单边厚度为15±3μm，多模光纤的光纤工作温度为-50℃～+600℃。金属涂层由金、银、铜、铝或上述四种金属的合金制成。

上述方案中，芯层不掺杂锗元素，分布幂指数α为1.9～2.05，可在1300nm窗口获得较高带宽。芯层不掺杂锗元素,分布幂指数α为1.92～1.94，可在1300nm窗口获得更大带宽。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.超低损耗高带宽耐辐照多模光纤，其特征在于，所述多模光纤自内而外依次为：

不掺杂Ge元素的芯层，其折射率呈梯度渐变型分布，且分布幂指数α为1.7～2.3；

氟掺杂石英包层，所述芯层与所述掺氟石英包层的相对折射率差最大值Δ1%_max为0.6%～1.2%；

吸收杂质石英包层，所述掺氟石英包层的折射率低于所述吸收杂质石英包层折射率；

石英包层，所述吸收杂质石英包层的折射率不小于所述石英包层的折射率。

2.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述的芯层半径为20～40μm，所述掺杂石英包层半径R2为22μm～58μm，所述吸收杂质石英包层的半径R3为25μm～59μm。

3.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述吸收杂质石英包层掺杂有氟元素以及锗元素或者磷元素的一种或两种。

4.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述掺杂石英包层与所述石英包层相对折射率差Δ2%为-0.6%～-1.2%，所述吸收杂质石英包层与石英包层相对折射率差Δ3%为0.01%～0.2%。

5.如权利要求2所述的多模光纤，其特征在于，所述的芯层半径R1为25μm，分布幂指数α为1.98；所述的氟掺杂石英包层的半径R2为56μm，且与所述石英包层相对折射率差Δ2%为-0.91，所述芯层与所述掺氟石英包层的相对折射率差最大值Δ1%_max为0.90%；所述吸收杂质石英包层的半径R3为58μm，且与石英包层相对折射率差Δ3%为0.05%。

6.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述芯层的分布幂指数α为1.9～2.05。

7.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述芯层的分布幂指数α为1.92～1.94。

8.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述多模光纤的数值孔径为0.160～0.226。

9.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述的多模光纤外设光纤涂覆层，所述的光纤涂覆层为丙烯酸树脂涂层、硅橡胶涂层、聚酰亚胺涂层、碳涂层或金属涂层的一种或两种。

10.如权利要求9所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤涂覆层为紫外固化硅橡胶涂层和耐高温丙烯酸树脂涂层，单边厚度为60±5μm，所述多模光纤的工作温度为-40℃～+150℃。

11.如权利要求9所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤涂覆层为热固化硅橡胶涂层，单边厚度为20±4μm，所述多模光纤的工作温度为-50℃～+150℃。

12.如权利要求9所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤涂覆层为热固化聚酰亚胺涂层，单边厚度为15±3μm，所述多模光纤的工作温度为-50℃～+400℃。

13.如权利要求9所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤涂覆层为碳涂层，单边厚度为15±3μm，所述多模光纤的工作温度为-50℃～+350℃。

14.如权利要求9所述的多模光纤，其特征在于，所述光纤涂覆层为金属涂层，单边厚度为15±3μm，所述多模光纤的光纤工作温度为-50℃～+600℃。

15.如权利要求14所述的多模光纤，其特征在于，所述金属涂层由金、银、铜、铝或上述四种金属的合金制成。

16.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述多模光纤的满注入带宽在850nm波长为400MHz-km以上；在1300nm波长为400MHz-km以上，该波长带宽可达到6915MHz-km。

17.如权利要求1所述的多模光纤，其特征在于，所述多模光纤在850nm波长处损耗小于1.7dB/km，在1300nm波长处损耗小于0.45dB/km。

18.如权利要求1-17项任一项所述的多模光纤的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用等离子体增强化学气相沉积法对纯石英玻璃衬管进行掺杂沉积，其中，在反应气体四氯化硅和氧气中通入含氟的气体，引入氟掺杂；通入四氯化锗引入锗掺杂，通入含磷气体以引入磷掺杂；

改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积吸收杂质石英包层、氟掺杂石英包层和芯层；

沉积完成后熔缩成实心芯棒，然后以掺氟石英玻璃为套管采用RIT工艺制得光纤预制棒，或采用OVD或VAD外包沉积工艺在芯棒外沉积外包层制得光纤预制棒；

将光纤预制棒置于拉丝塔低张力拉成光纤，在光纤表面涂覆光纤涂覆层。

19.如权利要求18所述的制造方法，其特征在于，所述含氟气体为C₂F₆、CF₄、SiF₄和SF₆的任意一种或多种,所述含磷气体为POCl₃。

20.如权利要求18所述的制造方法，其特征在于，

沉积芯层时，SiCl₄气体流量为38sccm，C₂F₆气体流量为0sccm，氧气流量为40sccm；

沉积掺杂石英包层时，SiCl₄气体流量为38sccm，C₂F₆气体流量为9.0-17.9sccm；

沉积吸收杂质石英包层时，SiCl₄气体流量为38sccm，GeCl₄气体流量为0-12.1sccm，C₂F₆气体流量为0-16.4sccm，POCl₃气体流量为0-12sccm，氧气流量为40sccm。

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