CN120802425A - 一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤及制备方法，该光纤包括由内至外顺序设置的纤芯、包层和低损耗紫外固化涂层，纤芯内部分布有纳米点，纳米点中掺杂至少一种金属。本发明创新地通过纤芯与包层材料的协同设计（氟化物与氧化硅复合的纤芯、氟化硅玻璃的包层）、纳米点的精准调控（尺寸为20‑50nm且掺杂铒和锗）及折射率分布优化打破了低损耗与强散射无法共存的技术瓶颈，在1550nm波段既将损耗降至理论极限0.14dB/km，又使瑞利散射强度提升约30%，首次实现散射增强与低损耗的兼容，解决了单一光纤无法同时满足长距离通讯与高灵敏度传感需求的问题，满足光纤传感和长距离光通讯领域的需求。

Description

一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤及制备方法

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤及制备方法。

背景技术

在光纤技术的实际应用中，光通讯与光纤传感领域对光纤性能的核心需求存在显著冲突：

光通讯领域，尤其是1550nm波段，需光纤实现0.14dB/km的理论损耗极限以保障长距离信号传输，这要求光纤材料纯净、结构均匀，尽可能减少散射带来的信号衰减；

光纤传感领域，依赖较强的散射特性（如瑞利散射）提升灵敏度，现有技术常通过引入掺杂或结构缺陷增强散射，却不可避免地导致传输损耗大幅增加。

这种“低损耗与强散射无法共存”的技术瓶颈，使得现有方案需为通讯和传感分别部署独立光纤，不仅增加系统复杂度与成本，还难以实现传感与通讯数据的高效融合。

基于此，本发明公开了一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤及制备方法。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤及制备方法。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，包括由内至外顺序设置的纤芯、包层和低损耗紫外固化涂层，所述纤芯内部分布有纳米点，纳米点中掺杂至少一种金属。

进一步的，所述纤芯包括由内至外顺序设置的中心区和外缘区，所述外缘区的折射率比中心区的折射率低0.1%-0.2%。

进一步的，所述纤芯的直径为8.2μm，所述中心区的半径为0-2μm，所述外缘区的半径为2-4.1μm。

进一步的，所述纤芯内部均匀分布有尺寸为20-50nm的纳米点。

进一步的，所述纳米点中掺杂铒和锗，铒的掺杂浓度为50-80ppm，锗的掺杂浓度为20000-30000ppm。

进一步的，所述纤芯采用掺杂氟化物与氧化硅的复合材料制成，氟化物与氧化硅的摩尔比为0.8%-1.5%。

进一步的，所述包层采用低折射率氟化硅玻璃制成，所述包层中氟的掺杂浓度为3%-5%。

进一步的，所述包层的折射率比纤芯的折射率低0.3%-0.5%。

进一步的，所述低损耗紫外固化涂层的厚度为25-30μm。

本发明还公开了一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤的制备方法，包括以下步骤：

1）预制棒制造：

首先使用化学气相沉积法，通过精准控制沉积温度和气体流量，在纤芯区域形成掺杂氟化物与氧化硅的复合材料基体，同时引入铒和锗掺杂，使纤芯内部均匀分布尺寸为20-50nm的纳米点；

之后在纤芯外部沉积低折射率氟化硅玻璃材料形成包层；

2）拉丝：

将步骤1）所得预制棒拉制成光纤，严格控制纤芯与包层的尺寸精度；

3）涂覆与封装：

在步骤2）所得光纤外部涂覆厚度为25-30μm的低损耗紫外固化涂层，紫外光固化后封装，形成所需兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开了一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤及制备方法，创新地通过纤芯与包层材料的协同设计（氟化物与氧化硅复合的纤芯、氟化硅玻璃的包层）、纳米点的精准调控（尺寸为20-50nm且掺杂铒和锗）及折射率分布优化打破了低损耗与强散射无法共存的技术瓶颈，在1550nm波段既将损耗降至理论极限0.14dB/km，又使瑞利散射强度提升约30%，首次实现散射增强与低损耗的兼容，解决了单一光纤无法同时满足长距离通讯与高灵敏度传感需求的问题，满足光纤传感和长距离光通讯领域的需求。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的截面图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明中散射与低损耗协同工作原理图；

图5为本发明的纳米点尺寸与光纤性能的关系图；

图6为本发明的氟掺杂浓度与包层性能的关系图。

具体实施方式

下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

如图1-6所示，本发明公开了一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，包括由内至外顺序设置的纤芯1、包层2和低损耗紫外固化涂层3，纤芯1内部均匀分布有具有高散射增强的尺寸为20-50nm的纳米点，纳米点中掺杂至少一种金属。

在一些实施方式中，纤芯1采用掺杂氟化物与氧化硅的复合材料制成，所述复合材料具体指氟化物与氧化硅形成的玻璃态复合材料，其中氟化物选用MgF₂或CaF₂，与SiO₂按0.8%-1.5%的摩尔比混合，形成稳定的网络结构，该复合材料兼具高透光性（1550nm波段透光率≥99.9%）和机械稳定性（杨氏模量≥70GPa）。

在一些实施方式中，纳米点中掺杂铒和锗，铒（Er）的掺杂浓度为50-80ppm，锗（Ge）的掺杂浓度为20000-30000ppm，以在1550nm波长下增强瑞利散射信号。

铒掺杂在1550nm波段具有强吸收-辐射特性，可增强瑞利散射截面，锗掺杂则通过调整折射率梯度，进一步强化散射效应。

在一些实施方式中，纤芯1包括由内至外顺序设置的中心区1-1和外缘区1-2，纤芯1的直径为8.2μm，中心区1-1的半径为0-2μm，外缘区1-2的半径为2-4.1μm。纤芯1采用阶跃折射率设计，中心区保留高散射特性，纳米点密度较高（10¹⁵个/cm³），折射率为1.468，作为主要散射中心，而外缘区1-2的折射率比中心区1-1的折射率低0.1%-0.2%，纳米点密度降低30%，减少光信号在边缘的散射损耗。

在一些实施方式中，包层2采用低折射率氟化硅玻璃制成，包层中氟的掺杂浓度为3%-5%，通过氟掺杂降低红外吸收（1550nm波段吸收损耗≤0.02dB/km），同时提高化学稳定性（耐盐雾腐蚀等级≥1000h），包层2的折射率比纤芯1的折射率低0.3%-0.5%，确保光信号被有效约束在纤芯1中传输。

在一些实施方式中，低损耗紫外固化涂层3的厚度为25-30μm，采用低损耗紫外固化丙烯酸酯涂层，经365nm紫外光、功率500-600mW/cm²固化后，形成均匀致密的保护层。

低损耗紫外固化涂层3的折射率为1.52，与包层2匹配，以减少界面反射，杨氏模量≥1.2GPa，抗张强度≥80MPa，可承受±0.5%的应变而不破裂。

本发明公开的一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤在1550nm波段的光学损耗小于或等于0.14dB/km。

如图3所示，本发明还公开了一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤的制备方法，包括以下步骤：

1）预制棒制造：

首先使用化学气相沉积法，通过精准控制沉积温度和气体流量，沉积温度控制在1300-1400℃，在纤芯区域形成掺杂氟化物与氧化硅的复合材料基体，同时引入铒和锗掺杂，使纤芯内部均匀分布尺寸为20-50nm的纳米点，这些纳米点作为瑞利散射中心，为后续散射增强特性奠定基础；

制备中心区1-1：

反应腔室准备：将高纯度石英玻璃管固定于具备精确温控与旋转功能的反应腔室内，确保反应环境稳定且均匀；

气体流量控制：通入SiCl₄（流量设定为20-30sccm）、CF₄（流量 0.5-1sccm）作为基础原料，同时导入ErCl₃（流量0.01-0.05sccm）、GeCl₄（流量 0.5-1.5sccm）用于掺杂。这些气体在反应腔内充分混合，为后续反应提供物质基础；

沉积温度调控：将反应腔室温度升至1300-1400℃，在此高温环境下，SiCl₄、CF₄等原料发生化学反应，形成氟化物与氧化硅的复合材料基体。同时，ErCl₃、GeCl₄中的铒（Er）和锗（Ge）元素均匀掺杂进入基体，促使纳米点生成，其尺寸控制在20-50nm，密度达到10¹⁵个/cm³。

中心区1-1成型：随着反应持续进行，纳米点在基体中稳定分布，形成中心区1-1。此区域折射率精确控制为1.468，作为主要的散射中心，为光纤的散射增强特性奠定基础；

制备外缘区1-2：

气体流量调整：保持SiCl₄、CF₄流量不变，微调ErCl₃（流量降至0.007-0.035sccm）和GeCl₄（流量降至0.35-1.05sccm）的流量，使进入反应腔室的铒和锗元素减少；

沉积过程：在与中心区相同的高温环境下，由于掺杂元素减少，生成的纳米点密度较中心区降低约30%。此时形成的复合材料基体构成外缘区1-2；

折射率控制：通过调整掺杂元素比例及反应条件，使外缘区1-2的折射率比中心区1-1的折射率低0.1%-0.2%。这种折射率差设计，有效减少光信号在纤芯边缘的散射损耗，同时确保光信号在纤芯内的有效约束与传输；

之后在纤芯外部沉积低折射率氟化硅玻璃材料形成包层2，为低损耗特性做准备；

2）拉丝：

使用高精度拉丝机将步骤1）所得预制棒拉制成光纤，拉丝温度为2100-2200℃，牵引速度为800-1000m/min，最终形成外径125μm、纤芯直径8.2μm的光纤结构；拉丝过程中，严格控制纤芯与包层的尺寸精度，纤芯1的阶跃折射率分布得以保留，中心区1-1的高散射增强的纳米点结构和外缘区1-2的低损耗优化折射率分布保持稳定，确保散射增强与低损耗特性的结构基础；

3）涂覆与封装：

在步骤2）所得光纤外部涂覆厚度为25-30μm的低损耗紫外固化涂层3，经紫外光固化后封装，紫外光波长为365nm，功率为500-600mW/cm²，形成所需兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，通过低损耗紫外固化涂层3减少外部环境（如机械摩擦、湿度等）对光纤性能的影响，进一步保障光纤在复杂环境下的稳定性。

当1550nm波段的光信号在光纤中传输时，纤芯1中掺杂铒和锗的纳米点增强瑞利散射强度（提升约30%），满足光纤传感对散射信号的需求；同时，包层2的氟化硅玻璃材料因掺杂氟元素降低了红外吸收带，结合制备过程中采用的超纯气体和高精度工艺（光纤表面缺陷密度≤10¹⁵个/mm²），使1550nm波段的传输损耗降至理论极限 0.14dB/km，满足长距离光通讯的低损耗要求，从而实现散射增强与低损耗特性的协同工作。

本发明中，纳米点作为散射中心，通过增强瑞利散射为传感提供充足信号；纤芯外缘区低纳米点密度设计结合包层氟掺杂降低红外吸收的协同作用，实现光信号低损耗传输，传输损耗≤0.14dB/km，实现了同一光纤可同时满足散射增强（传感需求）与低损耗传输（通讯需求）的核心优势，可一纤两用，如图4所示。

图5为本发明的纳米点尺寸与光纤性能的关系图，采用双纵轴设计，横轴为纳米点尺寸（nm），左侧纵轴表示瑞利散射强度（相对值），右侧纵轴表示1550nm传输损耗（dB/km）。图5中清晰展示了两条关键曲线：

散射强度曲线随纳米点尺寸从20nm增至50nm，从1.30逐步升至1.50，标注“增强30%-50%”，直观体现了尺寸增大对散射信号的促进作用；

传输损耗曲线随纳米点尺寸增加，从0.14dB/km缓慢升至0.16dB/km，标注“始终≤0.16dB/km”，说明损耗变化处于可控范围；

纳米点尺寸为20-50nm区间能同时满足散射增强与低损耗的双重需求，是平衡光纤传感灵敏度与通讯传输性能的最优尺寸范围，为纳米点尺寸的工艺控制提供了关键依据。

图6为本发明的氟掺杂浓度与包层性能的关系图，横轴代表氟掺杂浓度（%），左侧纵轴为包层折射率，右侧纵轴为红外吸收损耗（dB/km）。图6中包含两条曲线：蓝色曲线代表包层折射率，红色曲线代表红外吸收损耗。蓝色曲线呈现出随着氟掺杂浓度从1%逐步增加到7%，包层折射率从约1.468逐渐降低至约1.458的趋势，并且在图6中标注“折射率随F浓度升高而降低”，清晰地表明氟掺杂浓度与包层折射率呈负相关关系；红色曲线则显示出红外吸收损耗随着氟掺杂浓度的增加而呈现出下降的态势，尤其在氟掺杂浓度达到3%之后，下降趋势逐渐变缓，图6中标注“3%-5%区间趋于稳定”，说明在此浓度区间内，红外吸收损耗变化较小，趋于平稳。同时，图6中的绿色矩形区域为“优选浓度3%-5%”，这是基于对两条曲线变化趋势的综合考量，在这个浓度范围内，包层折射率处于一个相对合理的水平，同时红外吸收损耗也能保持在较低且稳定的状态，能够较好地满足光纤包层性能的要求，因此被确定为氟掺杂的优选浓度区间。

本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，其特征在于，包括由内至外顺序设置的纤芯、包层和低损耗紫外固化涂层，所述纤芯内部分布有纳米点，纳米点中掺杂至少一种金属。

2.根据权利要求1所述的一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，其特征在于，所述纤芯包括由内至外顺序设置的中心区和外缘区，所述外缘区的折射率比中心区的折射率低0.1%-0.2%。

3.根据权利要求2所述的一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，其特征在于，所述纤芯的直径为8.2μm，所述中心区的半径为0-2μm，所述外缘区的半径为2-4.1μm。

4.根据权利要求1或2所述的一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，其特征在于，所述纤芯内部均匀分布有尺寸为20-50nm的纳米点。

5.根据权利要求4所述的一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，其特征在于，所述纳米点中掺杂铒和锗，铒的掺杂浓度为50-80ppm，锗的掺杂浓度为20000-30000ppm。

6.根据权利要求1或2所述的一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，其特征在于，所述纤芯采用掺杂氟化物与氧化硅的复合材料制成，氟化物与氧化硅的摩尔比为0.8%-1.5%。

7.根据权利要求1所述的一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，其特征在于，所述包层采用低折射率氟化硅玻璃制成，所述包层中氟的掺杂浓度为3%-5%。

8.根据权利要求1所述的一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，其特征在于，所述包层的折射率比纤芯的折射率低0.3%-0.5%。

9.根据权利要求1所述的一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤，其特征在于，所述低损耗紫外固化涂层的厚度为25-30μm。

10.权利要求1-9任一所述的一种兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）预制棒制造：

首先使用化学气相沉积法，通过精准控制沉积温度和气体流量，在纤芯区域形成掺杂氟化物与氧化硅的复合材料基体，同时引入铒和锗掺杂，使纤芯内部均匀分布尺寸为20-50nm的纳米点；

之后在纤芯外部沉积低折射率氟化硅玻璃材料形成包层；

2）拉丝：

将步骤1）所得预制棒拉制成光纤，严格控制纤芯与包层的尺寸精度；

3）涂覆与封装：

在步骤2）所得光纤外部涂覆厚度为25-30μm的低损耗紫外固化涂层，紫外光固化后封装，形成所需兼具散射增强特性与低损耗特性的光纤。