一種石英包層大功率傳輸彌散光纖及其制造方法
【專利摘要】一種石英包層大功率傳輸彌散光纖及其制造方法，涉及光通信及相關傳感器件技術領域，所述彌散光纖自內而外依次為芯層、第一石英包層、第二石英包層；所述芯層，其中摻雜有Ge元素，該芯層的折射率呈漸變分布，且分布冪指數為1.5～3.3；第一石英包層，其中含有氣泡，且具有光散射作用；第二石英包層，其折射率高于第一石英包層的折射率。本發明能耐受較高功率和較高溫度，提高了光纖的穩定性與可靠性，有效解決了光纖在照明中顏色變換問題。
【專利說明】
一種石英包層大功率傳輸彌散光纖及其制造方法
技術領域
[0001] 本發明涉及光通信及相關傳感器件技術領域，具體來講是一種石英包層大功率傳 輸彌散光纖及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 彌散光纖，又被稱為線性光纖、側面發光光纖或通體發光光纖。當入射光線從彌散 光纖的端面射入后，可以通過整個光纖的側表面射出，從而形成一根通體發光的光纖。由于 它具有如此獨特的發光效果，常被用于醫學、環保等重要科技領域。
[0003] 彌散光纖一般由具有高折射率的光纖芯材和低折射率的光學散射包層兩大部分 組成。一般在光學散射包層中還均勻地摻有一些彌散劑，用以破壞光纖芯材和包層之間的 反射界面。當入射光在反射界面上遇到這些彌散劑后，就會從光纖芯材內部透射出來，達到 通體發光的效果。
[0004] 在現有的彌散光纖中，散射包層都是高分子材料配合無機的散射劑實現，由于高 分子材料透過率低，耐熱性差，因此其散射效果差，在大功率下穩定性與壽命差。另一方面 由于波導結構都是階躍結構，散射損耗調整基本通過散射包層中的彌散劑濃度來調整，而 彌散劑的均勻分散和濃度都不好控制，因此批次一致性與制造難度大。另外，通常光纖散射 光的波長由栗入彌散光纖的光決定，因此如果需要得到白色光，通常需要在端面栗入混合 波長的光作為白色光源，而大功率的白色光源非常昂貴并且不穩定，并且由于現有彌散光 纖只散射光，沒有摻雜其他離子來轉換波長，因此存在顏色變換問題。

【發明內容】

[0005] 針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種石英包層大功率傳輸彌 散光纖及其制造方法，本發明能耐受較高功率和較高溫度，提高了光纖的穩定性與可靠性， 有效解決了光纖在照明中顏色變換問題。
[0006] 為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：一種石英包層大功率傳輸彌散光纖， 所述彌散光纖自內而外依次為芯層、第一石英包層、第二石英包層；所述芯層，其中摻雜有 Ge元素，該芯層的折射率呈漸變分布，且分布冪指數為1. 5~3. 3 ;第一石英包層，其中含有 氣泡，且具有光散射作用；第二石英包層，其折射率高于第一石英包層的折射率。
[0007] 在上述技術方案的基礎上，還包括依次包覆于第二石英包層（3)外側的內涂覆層 和外涂覆層，所述內涂覆層和外涂覆層分別由環氧樹脂或硅膠制成。
[0008] 在上述技術方案的基礎上，所述的芯層直徑為40 μπι~1200 μπι ;第一石英包層 的直徑為40 μ m~1200 μ m，第一石英包層厚度為2 μ m~30 μ m ;第二石英包層的直徑為 125 μ m ~1320 μ m。
[0009] 在上述技術方案的基礎上，所述芯層與第二石英包層的相對折射率差最大值設為 Δ coremax，Δ coremax的值為0. 6%~1. 5% ;所述芯層與第二石英包層的相對折射率差最 小值設為Δ dip，Δ dip與Δ coremax的比值為0· 4~1. 2〇
[0010] 在上述技術方案的基礎上，所述第一石英包層中氣泡的直徑為lnm~1700nm，且 彌散光纖截面中氣泡的數量大于20個。
[0011] 在上述技術方案的基礎上，所述氣泡周圍包裹有含Eu、Yb、Al、Mg、Ba、Sr、Μη其中 一種或幾種元素的硅酸鹽固溶體。
[0012] 本發明還提供一種基于上述彌散光纖的制造方法，包括以下步驟：步驟S1.利用 等離子體增強化學氣相沉積法或者改進化學氣相沉積法對純石英玻璃襯管進行摻雜沉積， 改變混合氣體中摻雜氣體的流量，沉積形成芯層，沉積完成后熔縮并磨削加工成實心芯棒； 步驟S2.采用改進化學氣相沉積法在純石英玻璃襯管中通入反應氣體反應沉積石英疏松 體，形成含有石英疏松體的套管；步驟S3.將所述實心芯棒插入到含有石英疏松體的套管 中，組裝形成光棒預制件，將光棒預制件置于拉絲塔拉成光纖，在光纖表面依次涂覆內涂覆 層和外涂覆層。
[0013] 在上述技術方案的基礎上，步驟S2中，所述反應氣體為SiCl4、高純氧氣或C 2F6，沉 積石英疏松體時的反應溫度為800°C~1500°C。
[0014] 在上述技術方案的基礎上，步驟S2中，將所述含有石英疏松體的套管用含Eu、Yb、 Al、Mg、Ba、Sr、Μη其中一種或幾種元素的氯化物溶液浸泡后，通入高純氧氣或者臭氧烘干， 烘干溫度為300 °C~1000 °C。
[0015] 在上述技術方案的基礎上，步驟S3中，將光棒預制件置于拉絲塔拉成光纖時，拉 絲張力為150g~300g，拉絲速度為100m/min~1500m/min。
[0016] 本發明的有益效果在于：
[0017] 1、本發明中采用有光散射作用的第一石英包層替代現有的有機物散射包層，能耐 受較高功率和較高溫度，提高了光纖的穩定性與可靠性，尤其在大功率注入的條件下光纖 的散射損耗變化低，光纖穩定性高。
[0018] 2、本發明的第一石英包層中摻雜有稀土元素的硅酸鹽，能夠對散射出的波長進行 變換，獲得白色或者其他顏色的光，有效解決了光纖在照明中顏色變換問題。
[0019] 3、本發明采用芯區折射率分布控制光功率向散射包層泄漏的速率，有效自由的控 制了光纖彌散的長度，采用大芯徑環形波導結構可在保證大功率光在傳輸過程中有效的散 射。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明中石英包層大功率傳輸彌散光纖的截面示意圖；
[0021] 圖2為本發明中石英包層大功率傳輸彌散光纖的折射率剖面示意圖；
[0022] 圖3為本發明中石英包層大功率傳輸彌散光纖的制造方法流程圖。
[0023] 附圖標記：
[0024] 1 -芯層；2 -第一石英包層；3 -第二石英包層；4 一內涂覆層；5 -外涂覆層。
【具體實施方式】
[0025] 為了方便理解本發明，首先將本發明涉及的專業術語集中定義如下：
[0026] 石英襯管：管狀的基底管，其內壁承載等離子體增強化學氣相沉積法（PCVD)化學 反應的玻璃態氧化沉積物。
[0027] 套管：符合一定幾何指標和摻雜要求的石英玻璃管。
[0028] 芯層：居于光纖橫截面的中心部分，是光纖的主要導光的區域。
[0029] 有光散射作用的第一石英包層：光纖橫截面中緊鄰芯層的環形區域。
[0030] 第二石英包層：光纖橫截面中緊鄰有光散射作用的石英包層的環形區域。
[0031] 相對折射率差
[0032] 數值孔徑：NA = n0X (2 X Λ ) 1/2;
[0033] 其中，叫和η。分別為各對應部分和相鄰外側包層在特定波長的折射率。
[0034] 冪指數律折射率分布剖面：滿足下面冪指數函數的折射率分布形態，其中，ηι為光 纖軸心的折射率；r為離開光纖軸心的距離；a為光纖芯直徑；α為分布冪指數；Δ為芯/ 包相對折射率差；
[0035]
[0036] 以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0037] 參見圖1所示，一種石英包層大功率傳輸彌散光纖，所述彌散光纖自內而外依次 為芯層1、第一石英包層2、第二石英包層3、內涂覆層4和外涂覆層5 ;所述芯層1，其中摻 雜有Ge (鍺）元素，該芯層1的折射率呈漸變分布，且分布冪指數α為1. 5~3. 3 ;第一石 英包層2,其中含有氣泡，且具有光散射作用；氣泡的直徑為lnm~1700nm，且彌散光纖截 面中氣泡的數量大于20個；優選的，所述氣泡周圍包裹有含Eu (銪）、Yb (鐿）、A1 (鋁）、 Mg(鎂）、Ba(鋇）、Sr (鍶）、Mn(錳）其中一種或幾種元素的硅酸鹽固溶體。第二石英包層 3,其折射率高于第一石英包層2的折射率。所述內涂覆層4和外涂覆層5分別由環氧樹脂 或硅膠制成。
[0038] 參見圖2所示，所述的芯層1直徑dcore為40 μπι~1200 μπι ;第一石英包層2的 直徑dt為40 μ m~1200 μ m，第一石英包層2厚度td為2μηι~30μηι ;第二石英包層3的 直徑D為125 μπι~1320 μπι。所述芯層1與第二石英包層3的相對折射率差最大值設為 Δ c〇remax，Δ c〇remax的值為0. 6%~1. 5% ;所述芯層1與第二石英包層3的相對折射率差 最小值設為Δ dip，Δ dip與Δ c〇remax的比值為0. 4~1. 2。該石英包層大功率傳輸彌散光 纖工作波長為400 μ m~850 μ m，散射損耗大于0. 05dB/m，輸入功率大于lw，1小時連續工 作散射損耗變化小于5%。
[0039] 參見圖3所示，基于上述彌散光纖的制造方法，包括以下步驟：
[0040] 步驟S1.利用等離子體增強化學氣相沉積法（PCVD)或者改進化學氣相沉積法 (MCVD)對純石英玻璃襯管進行摻雜沉積，改變混合氣體中摻雜氣體的流量，沉積形成芯層 1，沉積完成后熔縮并磨削加工成實心芯棒。
[0041] 步驟S2.采用改進化學氣相沉積法在純石英玻璃襯管中通入反應氣體反應沉積 石英疏松體，形成含有石英疏松體的套管；所述反應氣體為SiCl 4、高純氧氣或C2F6，沉積石 英疏松體時的反應溫度為800°C~1500°C。優選的，將所述含有石英疏松體的套管用含Eu、 Yb、Al、Mg、Ba、Sr、Μη其中一種或幾種元素的氯化物溶液浸泡后，通入高純氧氣或者臭氧烘 干，烘干溫度為300°C~1000°C。
[0042] 步驟S3.將所述實心芯棒插入到含有石英疏松體的套管中，組裝形成光棒預制 件，將光棒預制件置于拉絲塔拉成光纖，拉絲張力為150g~300g，拉絲速度為lOOm/min~ 1500m/min，在光纖表面依次涂覆內涂覆層4和外涂覆層5。內涂覆層4和外涂覆層5的折 射率在633nm為1. 40~1. 60,且內涂覆層4和外涂覆層5工作波長內的透過率大于98%。
[0043] 以下為幾種典型的實施例以及檢測數據：
[0044]
[0046] 通過上表中的測試，本發明提供的石英包層大功率傳輸彌散光纖的輸入功率最高 為50瓦，功率波動最小為1. 2%，因此承載功率較高，功率變化率小。
[0047] 上述石英包層大功率傳輸彌散光纖制造方法的具體工藝條件如下表所示：
[0048]
[0050] 本發明不局限于上述實施方式，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離 本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護 范圍之內。本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
【主權項】
1. 一種石英包層大功率傳輸彌散光纖，其特征在于：所述彌散光纖自內而外依次為芯 層（1)、第一石英包層（2)、第二石英包層（3); 所述芯層（1)，其中摻雜有Ge元素，該芯層（1)的折射率呈漸變分布，且分布冪指數為 1. 5 ~3. 3 ; 第一石英包層（2)，其中含有氣泡，且具有光散射作用； 第二石英包層（3)，其折射率高于第一石英包層（2)的折射率。2. 如權利要求1所述的石英包層大功率傳輸彌散光纖，其特征在于：還包括依次包覆 于第二石英包層（3)外側的內涂覆層（4)和外涂覆層（5)，所述內涂覆層（4)和外涂覆層 (5)分別由環氧樹脂或硅膠制成。3. 如權利要求1所述的石英包層大功率傳輸彌散光纖，其特征在于： 所述的芯層（1)直徑為40 μ m~1200 μ m ; 第一石英包層（2)的直徑為40 μπι~1200 μπι，第一石英包層（2)厚度為2 μπι~ 30 μ m ； 第二石英包層（3)的直徑為125 μ m~1320 μ m。4. 如權利要求1所述的石英包層大功率傳輸彌散光纖，其特征在于：所述芯層（1)與 第二石英包層（3)的相對折射率差最大值設為A c〇remax，Ac〇remax的值為0. 6%~1.5% ; 所述芯層（1)與第二石英包層（3)的相對折射率差最小值設為Δ dip，Δ dip與AC0re_ 的比值為0.4~1.2。5. 如權利要求1所述的石英包層大功率傳輸彌散光纖，其特征在于：所述第一石英包 層（2)中氣泡的直徑為lnm~1700nm，且彌散光纖截面中氣泡的數量大于20個。6. 如權利要求5所述的石英包層大功率傳輸彌散光纖，其特征在于：所述氣泡周圍包 裹有含Eu、Yb、Al、Mg、Ba、Sr、Μη其中一種或幾種元素的硅酸鹽固溶體。7. 基于權利要求1所述彌散光纖的制造方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟S1.利用等離子體增強化學氣相沉積法或者改進化學氣相沉積法對純石英玻璃 襯管進行摻雜沉積，改變混合氣體中摻雜氣體的流量，沉積形成芯層（1)，沉積完成后熔縮 并磨削加工成實心芯棒； 步驟S2.采用改進化學氣相沉積法在純石英玻璃襯管中通入反應氣體反應沉積石英 疏松體，形成含有石英疏松體的套管； 步驟S3.將所述實心芯棒插入到含有石英疏松體的套管中，組裝形成光棒預制件，將 光棒預制件置于拉絲塔拉成光纖，在光纖表面依次涂覆內涂覆層（4)和外涂覆層（5)。8. 如權利要求7所述的制造方法，其特征在于：步驟S2中，所述反應氣體為SiCl 4、高 純氧氣或C2F6，沉積石英疏松體時的反應溫度為800°C~1500°C。9. 如權利要求7所述的制造方法，其特征在于：步驟S2中，將所述含有石英疏松體的 套管用含Eu、Yb、Al、Mg、Ba、Sr、Μη其中一種或幾種元素的氯化物溶液浸泡后，通入高純氧 氣或者臭氧烘干，烘干溫度為300°C~KKKTC。10. 如權利要求7所述的制造方法，其特征在于：步驟S3中，將光棒預制件置于拉絲塔 拉成光纖時，拉絲張力為150g~300g，拉絲速度為100m/min~1500m/min。
【文檔編號】C03B37/025GK106033137SQ201510101465
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月9日
【發明人】莫琦, 張濤, 陳如山, 劉志堅, 羅文勇, 柯禮, 柯一禮, 杜城, 但融, 雷瓊, 嚴壘
【申請人】武漢郵電科學研究院, 烽火通信科技股份有限公司