一种温度匹配光纤及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种温度匹配光纤及其制备方法，属于特种光纤领域。该光纤用于多组分光纤和石英光纤之间的过渡，进而实现多组分光纤与石英光纤的低损耗熔接。


背景技术：

2.2.1μm波长的超短脉冲激光的产生和放大采用的是ho
3+
掺杂增益光纤，ho
3+
的5i7→5i8跃迁可以产生2.05~2.15μm波长的激光。为实现2.1μm波长锁模激光脉冲的高重复频率输出，需要高吸收系数的增益光纤。高增益的ho
3+
掺杂光纤主要以多组分玻璃机制为主，例如氧化物玻璃、氟化物玻璃、硫系玻璃等。当前，多组分玻璃光纤的应用面临一个主要问题：与无源器件难以实现低损耗熔接。目前的光纤光栅、耦合器等无源光纤器件仍使用较为成熟的石英光纤，而石英光纤软化温度极高，且其热膨胀系数极小，因此多组分玻璃光纤与石英光纤的熔接非常困难。因此需设计一种温度匹配光纤，用来实现多组分玻璃光纤与石英光纤的低损耗熔接。


技术实现要素：

3.本发明公开了一种温度匹配光纤及其制备方法，该光纤结构由中心向外依次是纤芯、包层、内涂层、外涂层，纤芯和包层为多组分玻璃，内涂层和外涂层材料均为丙烯酸树脂材料。光纤制备的步骤包括纤芯玻璃和包层玻璃熔制、预制棒加工、光纤拉丝。
4.本发明所采用的技术方案是：1、对包层玻璃的组分进行设计，需要使该玻璃的软化温度、膨胀系数、折射率均介于石英光纤和多组分玻璃之间，同时玻璃的成纤性能要好，并且在2.1μm和1.0μm波长吸收要小。综合考虑以上因素，本发明中包层玻璃的组分为69~79%的sio2、19~23%的b2o3、1.9~2.3%的geo2、1~3%的p2o5、0.1~0.3%的al2o3、0.1~0.3%的cao、0.1~0.3%的mgo、0.1~0.2%的na2o。相应的配方为69~79%的sio2、19~23%的b2o3、1.9~2.3%的geo2、1~3%的p2o5、0.1~0.3%的al(oh)3、0.1~0.3%的cao、0.1~0.3%的mgo、0.1~0.2%的na2co3。
5.2、对纤芯玻璃的组分进行设计，需要使该玻璃的软化温度、膨胀系数、折射率均介于石英光纤和多组分玻璃之间，同时玻璃的成纤性能要好，并且在2.1μm和1.0μm波长吸收要小，此外纤芯折射率要略高于包层玻璃，以满足数值孔径的设计要求。综合考虑以上因素，本发明中纤芯玻璃的组分为68~78%的sio2、3.9~5.9%的b2o3、14.5~24.5%的geo2、1~3%的p2o5、0.1~0.3%的al2o3、0.2~0.4%的cao、0.2~0.4%的mgo、0.1~0.2%的na2o。相应的配方为68~78%的sio2、3.9~5.9%的b2o3、14.5~24.5%的geo2、1~3%的p2o5、0.1~0.3%的al(oh)3、0.2~0.4%的cao、0.2~0.4%的mgo、0.1~0.2%的na2co3。
6.3、对于光纤纤芯和包层尺寸设计，考虑的是与石英光纤以及多组分光纤相匹配。本发明中光纤的纤芯直径为10
±
2μm，包层直径为125
±
10μm。
7.4、对于光纤涂覆层材料和结构的设计，考虑的是涂覆的易剥离性、且能保证光纤
的机械强度和抗弯曲性能。本发明中光纤涂覆采用丙烯酸树脂材料，结构为双层涂覆结构，内涂层直径为185
±
20μm，外涂层直径为245
±
10μm。
8.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、不同于mcvd法制备光纤组分的单一，本发明采用玻璃熔制的方法分别制备包层玻璃和纤芯玻璃，玻璃组分多样化，设计灵活。
9.2、本发明充分考虑涂覆的易剥离性、且涂覆的设计能保证光纤的机械强度和抗弯曲性能，具有很高的实用价值。
附图说明
10.图1为温度匹配光纤截面示意图。
11.图2为温度匹配光纤与石英光纤及多组分光纤熔接后的位置。
12.图中纤芯-1，包层-2，内涂层-3，外涂层-4，石英光纤-5，温度匹配光纤-6，多组分光纤-7
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明进一步说明。
14.温度匹配光纤截面如图1所示，结构由中心向外依次是纤芯、包层、内涂层、外涂层。
15.温度匹配光纤具体制作过程如下：1、采用玻璃熔制方法分别制备纤芯和包层玻璃，制备过程包括配料、加料、熔制、浇注、退火。
16.2、制作棒管法预制棒，分别将纤芯玻璃加工成棒型，将包层玻璃加工成套管型，并将纤芯玻璃与包层玻璃组合成光纤预制棒。
17.3、对预制棒进行拉丝，拉丝过程中采用双层涂覆工艺。
18.下面通过实施例对本发明作进一步说明。
19.实施例一：1、采用表1中的五组配方进行玻璃熔制。
20.表1 实施例中的五组玻璃配方2、熔制时加料温度为1480~1500℃，原料熔化温度为1500~1600℃，原料全部加完后1.5小时搅拌第1次，之后每隔1小时搅拌一次，搅拌3次，第3次搅拌后保温澄清1小时，之后使炉温在20分钟内降到1450℃。
21.3、将浇注用铸铁模具放入马弗炉中，马弗炉温升至500℃保温，当钼棒炉温度降至
1450℃时，打开马弗炉炉门，将预热的模具取出，放在不锈钢的平台上，玻璃料出炉，倒入模具中。
22.4、浇注后的熔融玻璃在模具中自然冷却，当判断熔融玻璃已冷却到不流动时，把玻璃连同模具一同放入退火炉，在退火温度670℃
±
20℃下保温时间3小时后闭电自冷。
23.5、对五组玻璃的膨胀系数、软化点以及折射率进行测试，结果如表2所示。
24.表2 五组玻璃性能测试6、将2#玻璃作为纤芯玻璃，加工成φ1.37
±
0.01mm的圆柱体；将4#玻璃作为包层玻璃，加工成φ（18
±
0.1）mm，内径尺寸φ1.39
±
0.01mm的套筒；将纤芯玻璃放入包层玻璃中组成棒管法预制棒。
25.7、对预制棒进行拉丝，拉丝温度1400
±
10℃，拉丝速度20
±
5m/min。
26.8、光纤成纤性能良好，可以达到0.5%的筛选张力，最小弯曲半径≤20cm，光纤损耗@2.1μm为0.55db/m，经试验可与石英光纤和多组分光纤进行熔接，具有实用价值，温度匹配光纤与石英光纤及多组。


技术特征：
1.一种温度匹配光纤，其特征在于光纤结构由中心向外依次是纤芯、包层、内涂层、外涂层；纤芯和包层为多组分玻璃，组分包括sio2、b2o3、geo2、p2o5、al2o3、cao、mgo、na2o，内涂层和外涂层材料均为丙烯酸树脂材料。2.根据权利要求1所述的一种温度匹配光纤，其特征在于纤芯直径为10
±
2μm，包层直径为125
±
10μm，内涂层直径为185
±
20μm，外涂层直径为245
±
10μm。3.根据权利要求1所述的一种温度匹配光纤，其特征在于纤芯组分以质量百分比计算，包括68~78%的sio2、3.9~5.9%的b2o3、14.5~24.5%的geo2、1~3%的p2o5、0.1~0.3%的al2o3、0.2~0.4%的cao、0.2~0.4%的mgo、0.1~0.2%的na2o。4.根据权利要求1所述的一种温度匹配光纤，其特征在于包层组分以质量百分比计算，包括69~79%的sio2、19~23%的b2o3、1.9~2.3%的geo2、1~3%的p2o5、0.1~0.3%的al2o3、0.1~0.3%的cao、0.1~0.3%的mgo、0.1~0.2%的na2o。5.根据权利要求1所述的一种温度匹配光纤，其特征在于纤芯玻璃的软化温度为900~1300℃，膨胀系数为（5~20）
×
10-7
/k，折射率为1.465
±
0.010。6.根据权利要求1所述的一种温度匹配光纤，其特征在于包层玻璃的软化温度为900~1300℃，膨胀系数为（5~20）
×
10-7
/k，折射率为1.457
±
0.010。7.一种温度匹配光纤的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）分别制备纤芯玻璃和包层玻璃，制备过程包括配料、加料、熔制、浇注、退火；2）分别将纤芯玻璃加工成棒型，将包层玻璃加工成套管型，并将纤芯玻璃与包层玻璃组合成光纤预制棒；3）对预制棒进行拉丝，拉丝过程中采用双层涂覆工艺。8.根据权利要求7所述的一种温度匹配光纤制备方法，其特征在于纤芯玻璃的配方以质量百分比计算，包括68~78%的sio2、3.9~5.9%的b2o3、14.5~24.5%的geo2、1~3%的p2o5、0.1~0.3%的al(oh)3、0.2~0.4 %的cao、0.2~0.4 %的mgo、0.1~0.2%的na2co3。9.根据权利要求7所述的一种温度匹配光纤制备方法，其特征在于包层玻璃的配方以质量百分比计算，包括69~79%的sio2、19~23%的b2o3、1.9~2.3%的geo2、1~3%的p2o5、0.1~0.3 %的al(oh)3、0.1~0.3 %的cao、0.1~0.3%的mgo、0.1~0.2 %的na2co3。10.根据权利要求7所述的一种温度匹配光纤制备方法，其特征在于纤芯玻璃和包层玻璃熔制时加料温度为1300~1500℃，原料熔化温度为1400~1600℃。11.根据权利要求7所述的一种温度匹配光纤制备方法，其特征在于纤芯玻璃和包层玻璃的退火温度为500~800℃。12.根据权利要求7所述的一种温度匹配光纤制备方法，其特征在于拉丝温度为1200~1600℃。

技术总结
本发明公开了一种温度匹配光纤及其制备方法，其特征在于该光纤截面结构由中心向外依次是纤芯（1）、包层（2）、内涂层（3）、外涂层（4）。纤芯和包层材料为多组分玻璃，内涂层和外涂层材料为丙烯酸树脂材料。其中纤芯玻璃组分包括68~78%的SiO2、3.9~5.9%的B2O3、14.5~24.5%的GeO2、1~3%的P2O5、0.1~0.3%的Al2O3、0.2~0.4%的CaO、0.2~0.4%的MgO、0.1~0.2%的Na2O；包层玻璃组分包括69~79%的SiO2、19~23%的B2O3、1.9~2.3%的GeO2、1~3%的P2O5、0.1~0.3%的Al2O3、0.1~0.3%的CaO、0.1~0.3%的MgO、0.1~0.2%的Na2O。该光纤的制备步骤包括纤芯玻璃和包层玻璃熔制、预制棒加工、光纤拉丝。本发明提出的光纤可用于实现多组分玻璃光纤与石英光纤的低损耗熔接，且光纤的机械强度和抗弯曲性能良好，具有很高的实用价值。实用价值。实用价值。


技术研发人员：徐天聪 袁辉平 王咏丽 隋宁菠 魏国盛 李进科 刘珊 郭永解
受保护的技术使用者：北京一轻研究院有限公司
技术研发日：2020.12.15
技术公布日：2022/6/16