一种高带宽抗辐射多模光纤

摘要

本发明涉及一种高带宽抗辐射多模光纤，包括有芯层和包层，其特征在于芯层为掺氟石英玻璃层，呈渐变型折射率分布，α为1.7～2.2,芯层的Δ1％min为‑0.8％～‑1.2％，半径R1为15～35μm，芯层外的包层从内到外依次为：内包层和/或下陷内包层，中间包层，下陷包层和外包层，内包层半径R2为15～38μm，相对折射率差Δ2％为‑0.8％～‑1.2％，下陷内包层半径R3为15～55μm，相对折射率差Δ3为‑1.0％～‑1.4％，中间包层半径R4为15.5～58μm，相对折射率差Δ4为‑0.7％～‑0.2％，下陷包层半径R5为16～60μm，相对折射率差Δ5为‑0.8％～‑1.2％，外包层为纯二氧化硅玻璃层。该光纤同时具有优异的抗弯曲性能和高带宽。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种高带宽抗辐射多模光纤。

背景技术

随着光纤通信技术的迅猛发展，多模光纤的应用范围越来越广泛。近年来，多模光纤不仅大量应用于常规通信领域，同时也被应用到传感，测量，控制，数据采集等其他高科技领域。这些领域会涉及到一些特殊的应用环境，包括一些存在高能辐射的环境，比如核反应堆放射源的内部监测、医用内窥镜的γ射线消毒、海底光纤光缆通信、油气矿井的温度传感监测以及航空航天技术等。

在上述实际应用中，由于环境中的辐射(X、γ射线等)会在一定程度上引起光纤的辐射损伤，从而导致光纤对信号传输能力的降低，综合性能的下降，严重时甚至会直接影响到光纤使用过程中的安全性与可靠性。

一般而言，辐射主要以两种方式影响光纤的光学性质，第一种方式称为辐射引起的衰减(RIA)，其机理为由于辐射使光纤中的二氧化硅产生缺陷，这些缺陷会吸收所传输的电磁信号。第二种方式被称为辐射引起的折射率变化，其机理为由于辐射而引起光纤的折射率发生一定的变化，这些折射率变化可能会损害光纤的带宽，从而导致损害光学传输系统的可靠性。

现有技术中，抗辐射光纤主要针对光纤的带宽和衰耗进行优化，如美国专利US20120039361A1是通过芯层掺杂少量的锗来降低光纤的氢引起的衰减，中国专利CN 102768382是通过芯层渐变掺氟来达到高带宽，然而，在光纤的实际使用过程中，由于光纤会不可避免的有不同程度的弯曲，而当光纤长期承受较大的弯曲应力时，光纤的使用寿命必然会缩短，传输性能指标也会下降，为此，我们需要光纤具有一定的抗弯特性，来满足不同场合的需要。降低光纤弯曲附加衰减的一个有效方法是采用下陷包层的设计，美国专利US20090169163A1，US20090154888A1，中国专利CN 102692674A，CN 102692675A都是采用类似设计。其原理为：当光纤受到小的弯曲时，从光纤芯子中泄漏出去的光会限制在内包层并返回芯子中，达到降低光纤宏弯附加损耗的目的。但此类设计有一个弊端，就是较多的高阶模能量会被限制在光纤芯层的边界位置，对带宽带来较大的负面影响。

发明内容

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

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；

内包层：光纤截面中紧邻芯层的环形区域；

下陷包层：光纤截面中紧邻内包层的环形区域

上升环：光纤截面中紧邻内包层或下陷包层的环形区域

外包层：光纤横截面中紧邻上升环的环形区域；

相对折射率差：

$\Delta \%=\frac{n_i^2-n_0^2}{2n_i^2}*100\%\approx \frac{n_i-n_0}{n_0}*100\%$

数值孔径：

$NA=n_0*\sqrt{2\Delta }$

其中n_i为不同沉积层所对应的折射率，n₀为纯SiO₂的折射率；

幂指数折射率分布剖面：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；

$n^2\left(r\right)=n_1^2[1-2\Delta {\left(\frac{r}{a}\right)}^a],r<a.$

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的不足而提供一种具有高带宽抗辐射多模光纤。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有芯层和包层，其特征在于芯层为掺氟石英玻璃层，呈渐变型折射率分布，分布幂指数α为1.7～2.2,芯层的最小相对折射率差Δ1％min为-0.8％～-1.2％，芯层半径R1为15～35μm，芯层外的包层从内到外依次为：内包层和/或下陷内包层，中间包层，下陷包层和外包层，内包层半径R2为15～38μm，相对折射率差Δ2％为-0.8％～-1.2％，下陷内包层半径R3为15～55μm，相对折射率差Δ3为-1.0％～-1.4％，中间包层半径R4为15.5～58μm，相对折射率差Δ4为-0.7％～-0.2％，下陷包层半径R5为16～60μm，相对折射率差Δ5为-0.8％～-1.2％，外包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述的芯层为纯掺氟(F)石英玻璃层，材料组分为SiO₂-F，Δ1％max为-0.01％～0％。

按上述方案，所述光纤的数值孔径NA为0.17～0.24。

按上述方案，所述的内包层、下陷内包层、中间包层和下陷包层均为为掺氟(F)石英玻璃层，材料组分为SiO₂-F。

按上述方案，所述光纤在波长850nm窗口的带宽为920～4650MHz-km。

按上述方案，所述光纤在波长1300nm窗口的带宽为860～2650MHz-km。

按上述方案，所述的光纤涂覆层为丙烯酸树脂、聚酰亚胺、硅橡胶涂层中的一种或两种。

按上述方案，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，所述光纤的工作温度为-40℃～+150℃。

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

按上述方案，所述光纤涂覆层为热固化硅橡胶涂层，单边厚度为60±3μm，所述光纤的工作温度为-50℃～+150℃。

本发明抗辐射多模光纤制造方法的技术方案为：

将纯石英玻璃衬管固定在等离子化学气相沉积(PCVD)车床上进行掺杂沉积，在反应气体四氯化硅(SiCL₄)和氧气(O₂)中通入含氟(F)的气体，引进F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；根据所述光纤剖面结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的摩尔比，依次沉积内包层和芯层；沉积完成后，再用熔缩车床将沉积管熔缩成实心预制棒，之后将预制棒置于拉丝塔进行拉丝，得到本发明光纤。

本发明的有益效果在于：1、光纤各层组分均为纯掺氟石英玻璃层，使光纤在850nm和1300nm窗口均具有较低的衰减系数，同时不含Ge掺杂，能保证光纤在辐照环境中有较低的衰减系数变化。2、掺氟下陷包层能够使光纤具有更低的附加弯曲损耗和良好的弯曲不敏感性能。3、通过优化剖面结构设计使得光纤芯层的部分高阶模能量能耦合到中间包层(上升环)的一些模式中，避免高阶模能量堆积在芯层与下陷包层的界面，使能量从外包层泄漏出去，从而提高光纤的带宽。

附图说明

图1为本发明一个实施例的光纤折射率剖面结构图。

图2为本发明另一个实施例的光纤折射率剖面结构图。

具体实施方式

下面将给出详细的实施例来对本发明进行进一步的说明。表中R1为芯层半径，R2为内包层半径，R3为下陷内包层半径，R4为中间包层半径，R5为下陷包层半径，外包层为纯二氧化硅玻璃层，外包层半径为50～62.5μm。

实施例一：按照技术方案的设计(如附图1)，包层中包括有内包层和下陷内包层。按所述生产方法生产一组预制棒，拉丝速度200m/min，裸光纤张力20g进行拉丝，主要性能参数如下表：

实施例二：按照技术方案的设计(如附图2)，包层中无下陷内包层。按所述生产方法生产一组预制棒，拉丝速度200m/min，裸光纤张力20g进行拉丝，主要性能参数如下表：

辐照检测方法是依据TIA/EIA455-64标准：使用钴-60源(Co60源)γ射线源，平均能量1.25MeV连续脉冲，以20rad/s的剂量率对光纤连续照射21小时，总剂量1500Krad，在照射期间，使用波长1300nm的光源测量光纤在辐射条件下的衰减变化。

宏弯检测方法是根据IEC-60793-1-47方法测试，被测光纤按一定直径(15mm，20mm，60mm等)绕规定的圈数，然后将圆圈放开，测试打圈前后光功率的变化。

通过上述两项测试，本发明提供的抗辐射多模光纤比同类型的常规多模光纤以及普通抗弯光纤，其衰减系数大幅降低，在受辐照条件下，衰减系数变化量有明显降低，宏弯测试结果有良好表现。