阅读说明：本技术 一种耐辐照保偏光纤及其制备方法和应用 (Radiation-resistant polarization-maintaining optical fiber and preparation method and application thereof ) 是由 柯一礼 罗文勇 杜城 张涛 赵磊 祝威 于 2020-03-12 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种耐辐照保偏光纤及其制备方法,涉及光纤制备领域。该耐辐照保偏光纤包括纯石英纤芯、一对应力部以及包层,应力部由掺硼石英玻璃形成,设置于纯石英纤芯的两侧,包层包围纯石英纤芯以及应力部,包层由第一包层和第二包层组成,第二包层设置于第一包层的外周,其中,第一包层由掺氟石英玻璃形成,第二包层由纯石英玻璃形成。通过本申请制备的耐辐照保偏光纤具有优异的耐辐照性能,保偏光纤的工作波长为1310nm和1550nm双窗口,在200krad辐照总剂量下,其感生损耗在2dB/km以下。本申请的耐辐照保偏光纤能够在恶劣的辐射条件下,实现保偏光纤的低损耗信息传输,并且保持较好的全温串音。(The application relates to an irradiation-resistant polarization maintaining optical fiber and a preparation method thereof, and relates to the field of optical fiber preparation. The irradiation-resistant polarization-maintaining optical fiber comprises a pure quartz fiber core, a pair of stress parts and a cladding, wherein the stress parts are formed by boron-doped quartz glass and are arranged on two sides of the pure quartz fiber core, the cladding surrounds the pure quartz fiber core and the stress parts, the cladding is composed of a first cladding and a second cladding, the second cladding is arranged on the periphery of the first cladding, the first cladding is formed by fluorine-doped quartz glass, and the second cladding is formed by pure quartz glass. The radiation-resistant polarization maintaining optical fiber prepared by the method has excellent radiation resistance, the working wavelength of the polarization maintaining optical fiber is 1310nm and 1550nm double windows, and the induced loss of the polarization maintaining optical fiber is below 2dB/km under the total radiation dose of 200 krad. The irradiation-resistant polarization maintaining optical fiber can realize low-loss information transmission of the polarization maintaining optical fiber under severe radiation conditions, and can keep good full-temperature crosstalk.)

一种耐辐照保偏光纤及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及光纤制备技术领域，特别涉及一种耐辐照保偏光纤及其制备方法和应用。

背景技术

偏振保持光纤(Polarization Maintaining Optical Fiber)简称保偏光纤(PMF)，由于将双折射引入到光纤中，使线偏振光能保持其偏振态在光纤中进行传输，因此广泛应用于偏振相关应用领域。

目前，偏振领域应用最广泛的保偏光纤是熊猫型保偏光纤，这种光纤的特点在于在光纤的包层中对称引入具有高热膨胀系数的圆形应力区挤压芯子从而产生应力双折射。

这种常规的熊猫型保偏光纤包括纤芯、应力区和纯石英包层，其中，纤芯位于第二包层中心，两个圆形应力区对称分布于纤芯两侧。纤芯采用锗氟共掺工艺产生折射率差从而实现全内反射，保证光信号的正常传输。

近年来，由于保偏光纤应用领域向宇宙、空间方向发展，光纤性能会受到宇宙环境下辐射影响，因此，要求提升保偏光纤的耐辐照特性，使其在恶劣的外太空环境中依然保持优良的光学和偏振性能。

传统保偏光纤纤芯掺入锗元素，由于其光敏特性，光纤的辐照损伤明显比纯石英光纤的辐照损伤要高。因此在环境苛刻的太空条件下，传统的保偏光纤无法长时间使用，其性能受到辐照影响产生不可逆劣化。考虑到保偏光子晶体光纤在耐辐照性上具有较好的优势，相关技术中，比较热门的是采用保偏光子晶体光纤替代掺锗光纤，但是保偏光子晶体光纤的制造工艺较为复杂，采用毛细管堆积法对人的要求较高，且多孔结构在拉丝成品率控制上存在困难，产出有限，短时间内难以形成规模化生产。

发明内容

本申请实施例提供一种耐辐照保偏光纤及其制备方法和应用，以解决现有技术中掺锗光纤不耐辐照的问题。

第一方面，提供了一种耐辐照保偏光纤，包括纯石英纤芯、一对应力部、以及包层，其中：

应力部由掺硼石英玻璃形成，设置于所述纯石英纤芯的两侧，且关于纯石英纤芯对称；应力部的相对折射率差△1为-0.60％～-0.80％；

包层包围纯石英纤芯以及应力部，包层由第一包层和第二包层组成，第二包层设置于所述第一包层的外周，其中，第一包层由掺氟石英玻璃形成，其相对折射率差△2为-0.30％～-0.80％；第二包层由纯石英玻璃形成。

一些实施例中，纯石英纤芯直径为D1为4.5～9.0μm，第一包层的直径D2为35～70μm，第二包层的直径D4为80～125μm。。

一些实施例中，第二包层的直径D4为80μm。

一些实施例中，应力部的掺杂成分是B₂O₃。

一些实施例中，耐辐照保偏光纤的工作波长为1310nm和1550nm。

一些实施例中，耐辐照保偏光纤的辐照总剂量为50～200krad，剂量率为1000rad/h～5000rad/h。

第二方面，提供了一种耐辐照保偏光纤的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用PCVD工艺分别制备芯棒和掺硼石英玻璃材质的应力棒，芯棒从内到外依次为纯石英纤芯、第一包层内层和纯石英衬管；对芯棒进行打磨，去除纯石英衬管；

(2)采用PCVD工艺制备掺氟管，掺氟管从内到外依次为第一包层外层和纯石英衬管；

(3)采用RIC工艺(Rod In Cylinder)在步骤(1)打磨好的芯棒外部套上步骤(2)所制备的掺氟管，形成掺氟实心棒；掺氟实心棒从内到外依次为纯石英纤芯、第一包层内层、第一包层外层和纯石英衬管；

(4)采用RIC工艺在掺氟实心棒外周套上纯石英套管，高温熔融，形成耐辐照保偏母棒；

(5)沿耐辐照保偏母棒轴向开设两个与应力棒相吻合的应力通孔，应力通孔位于纯石英纤芯的两侧，且关于纯石英纤芯对称；分别将两个应力棒嵌入应力通孔内，形成耐辐照保偏光纤预制棒；

(6)将步骤(5)制备的耐辐照保偏光纤预制棒高温熔融，拉制成光纤。

一些实施例中，纯石英套管的截面面积为1600～3200mm²。

一些实施例中，高温熔融的温度为2000℃～2300℃，拉制速度为100m/min～400m/min，拉制张力为100～200克。

一些实施例中，第一包层内层和第一包层外层共同高温熔融形成第一包层；纯石英衬管和纯石英套管共同高温熔融形成第二包层。

一些实施例中，第一包层和纯石英纤芯的包芯比为7.8:1，耐辐照保偏光纤预制棒和纯石英纤芯的直径比为14.9-16.7:1，耐辐照保偏光纤预制棒直径和应力部直径比为25:7-9。

第三方面，提供耐辐照保偏光纤在外太空环境中的应用，耐辐照保偏光纤的工作波长为1310nm和1550nm双窗口，在200krad及以下辐照总剂量和不同剂量率下，其工作波长感生损耗在2dB/km以下。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

(1)本申请的耐辐照保偏光纤采用的是纯石英纤芯结合掺氟下陷包层的全内反射结构，既避免了着色离子Ge⁴⁺在受辐照条件下产生色心，又达到了光纤信号传输所需要的折射率差，有效提升了光纤在宇宙恶劣环境下的可靠性。

(2)本申请采用两次RIC工艺实现第一包层内层和第一包层外层的高温熔合，使光纤的第一包层与纯硅芯层具有足够的包芯比实现光信号的全内反射，使光纤的第二包层和纯石英纤芯具有足够的包芯比实现光纤几何尺寸的精确控制，保证了批次一致性，且成品率高。

本申请实施例提供了一种耐辐照保偏光纤及其制备方法和应用，一方面通过纯石英纤芯避免锗元素引入导致的光敏效应，另一方面由于应力部掺硼玻璃的热膨胀系数比纯石英玻璃的热膨胀系数大1个数量级，在纤芯两侧形成应力双折射，此外，通过合适的掺氟包层和纯石英纤芯的尺寸比例以及掺氟深度实现信号光的传输，因此，制备出的耐辐照保偏光纤能够实现保偏光纤的低损耗信息传输，而且保持较好的全温特性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种耐辐照保偏光纤的横截面图；

图2为本申请实施例提供的一种耐辐照保偏光纤的制备方法中芯棒结构图；

图3为本申请实施例提供的一种耐辐照保偏光纤的制备方法中的掺氟管结构图；

图4为本申请实施例提供的一种耐辐照保偏光纤打磨后芯棒插入掺氟管后形成掺氟实心棒后的结构图；

图5为本申请实施例提供的耐辐照保偏母棒结构图；

图6为本申请实施例提供的耐辐照保偏光纤预制棒的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的耐辐照保偏光纤折射率剖面图；

图8为本申请实施例提供的耐辐照保偏光纤辐照诱导损耗随不同剂量率伽马射线辐照剂量的变化关系；

其中，1-纯石英纤芯、2-第一包层内层，3-纯石英衬管，4-第一包层，5-应力部，6-第二包层，7-纯石英衬管，8-第一包层外层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种耐辐照保偏光纤，其能解决现有技术中保偏光纤无法在恶劣的太空辐射环境下长时间使用的问题。

如图1所示，本申请提供的耐辐照保偏光纤由纯石英纤芯、第一包层、应力部和第二包层组成。

如图2所示，芯棒由纯石英纤芯、第一包层内层、纯石英衬管组成。

如图3所示，掺氟管由第一包层外层和纯石英衬管组成。

如图4所示，掺氟实心棒的第一包层是由第一包层内层和第一包层外层高温熔融而成。

如图5所示，耐辐照保偏母棒的第二包层是由掺氟实心棒的纯石英衬管与纯石英套管高温熔融而成。

如图6所示，沿耐辐照保偏母棒中心线的两侧纵向加工一对对称的圆孔，并向其塞入应力棒形成应力部，最后进行组合拉丝形成耐辐照保偏光纤。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“相对折射率”指的是材料相对于纯石英玻璃的折射率。

下面通过实施例具体对本申请作详细说明。以下实施例中纯石英套管和纯石英衬管均采用纯度为99.9999％的纯石英玻璃，其折射率为1.457，纯石英衬管外径为30mm，内径为26mm，纯石英套管截面面积1600-3200mm²。

实施例1

如图1至图6所示，本实施例中，先采用PCVD工艺制备从外到内依次为纯石英衬管、第一包层内层、纯石英纤芯的芯棒，掺杂成分为B₂O₃的应力棒，以及从内到外依次为第一包层外层、纯石英衬管的掺氟管，其中，第一包层内层和第一包层外层组分完全一致，为了使第一包层内层和第一包层外层接触，通过打磨去除芯棒外侧的纯石英衬管，保留掺氟管外侧的纯石英衬管。然后将芯棒塞入掺氟管中于2000℃熔融形成掺氟实心棒，掺氟实心棒的直径为25mm，第一包层内层和第一包层外层共同熔融形成第一包层，第一包层内层和第一包层外层的叠加保证了第一包层具有足够的厚度，使第一包层和纯石英纤芯的包芯比能够实现全内反射使光信号能够传输，第一包层的直径为21mm，第一包层的相对折射率为-0.80％，纯石英纤芯的直径为2.7mm。然后，采用RIC工艺在掺氟实心棒外周套上截面面积为1100mm²的纯石英套管(外径为45mm)，2000℃下熔融，拉细得到耐辐照保偏母棒，耐辐照保偏母棒的直径为42mm，应力棒的掺杂深度为-0.80％，即掺氟层折射率相对于纯二氧化硅玻璃的折射率差为-0.80％，应力棒的直径为11.0mm；在耐辐照保偏母棒上加工两个直径为12.0mm的圆形应力通孔，最后将外磨后的两根应力棒分别嵌入耐辐照保偏母棒的两个圆形应力通孔中，2100℃高温熔融，进行组合拉丝，拉丝速度为100m/min，拉制张力为100克，光纤辐照总剂量为50krad，剂量率分别为1000rad/h和5000rad/h，所拉制的耐辐照保偏光纤主要参数及感生损耗见表1。

表1

实施例1中第一包层和纯石英纤芯的包芯比为7.78:1，第二包层和纯石英纤芯的包芯比为16.67:1，第二包层直径和应力部直径比为25:7.14。由拉制好的耐辐照保偏光纤第二包层直径D4为80μm计算得到：纯石英纤芯的直径D1为4.8μm，第一包层的直径D2为37.3μm，应力部的直径D3为22.8μm。

实施例2

如图1至图6所示，本实施例中，先采用PCVD工艺制备从外到内依次为纯石英衬管、第一包层内层、纯石英纤芯的芯棒，掺杂成分为B₂O₃的应力棒，以及从内到外依次为第一包层外层、纯石英衬管的掺氟管，其中，第一包层内层和第一包层外层组分完全一致，为了使第一包层内层和第一包层外层接触，通过打磨去除芯棒外侧的纯石英衬管，保留掺氟管外侧的纯石英衬管。然后将芯棒塞入掺氟管中2300℃下熔融形成掺氟实心棒，掺氟实心棒的直径为30mm，第一包层内层和第一包层外层共同熔融形成第一包层，第一包层内层和第一包层外层的叠加保证了第一包层具有足够的厚度，使第一包层和纯石英纤芯的包芯比能够实现全内反射使光信号能够传输，第一包层的直径为25mm，第一包层的相对折射率为-0.60％，纯石英纤芯的直径为3.5mm。然后，采用RIC工艺在掺氟实心棒外周套上截面面积为1600mm²的纯石英套管(外径为54.2mm)，2300℃下熔融，拉细得到耐辐照保偏母棒，耐辐照保偏母棒的直径为50mm，应力棒中B₂O₃的掺杂深度为-0.70％，应力棒直径为14.0mm；在耐辐照保偏母棒上加工两个直径为15.0mm的圆形应力通孔，最后将外磨后的两根应力棒分别嵌入耐辐照保偏母棒的两个圆形应力通孔中，2300℃高温熔融，进行组合拉丝，拉丝速度为200m/min，拉制张力为150克，光纤辐照总剂量为100krad，剂量率分别为1000rad/h和5000rad/h，所拉制的耐辐照保偏光纤主要参数及感生损耗见表2。

表2

实施例2中第一包层和纯石英纤芯的包芯比为7.14:1，第二包层和纯石英纤芯的包芯比为15.486:1，第二包层直径和应力部直径比为25:7。由拉制好的耐辐照保偏光纤第二包层直径D4为80μm计算得到：纯石英纤芯的直径D1为5.2μm，第一包层的直径D2为36.9μm，应力部的直径D3为22.4μm。

实施例3

如图1至图6所示，本实施例中，先采用PCVD工艺制备从外到内依次为纯石英衬管、第一包层内层、纯石英纤芯的芯棒，掺杂成分为B₂O₃的应力棒，以及从内到外依次为第一包层外层、纯石英衬管的掺氟管，其中，第一包层内层和第一包层外层组分完全一致，为了使第一包层内层和第一包层外层接触，通过打磨去除芯棒外侧的纯石英衬管，保留掺氟管外侧的纯石英衬管。然后将芯棒塞入掺氟管中于2100℃熔融形成掺氟实心棒，掺氟实心棒的直径为35mm，第一包层内层和第一包层外层共同熔融形成第一包层，第一包层内层和第一包层外层的叠加保证了第一包层具有足够的厚度，使第一包层和纯石英纤芯的包芯比能够实现全内反射使光信号能够传输，第一包层的直径为30mm，第一包层的相对折射率为-0.40％，纯石英纤芯的直径为4.0mm。然后，采用RIC工艺在掺氟实心棒外周套上截面面积为2200mm²的纯石英套管(外径为63.5mm)，2100℃下熔融，拉细得到耐辐照保偏母棒，耐辐照保偏母棒的直径为50mm，应力棒的掺杂深度为-0.65％，应力棒直径为15.0mm；在耐辐照保偏母棒上加工两个直径为16.0mm的圆形应力通孔，最后将外磨后的两根应力棒分别嵌入耐辐照保偏母棒的两个圆形应力通孔中，进行组合拉丝，2100℃高温熔融，拉丝速度300m/min，拉制张力为200克，光纤辐照总剂量150krad，剂量率分别为1000rad/h和5000rad/h，所拉制的耐辐照保偏光纤主要参数及感生损耗见表3。

表3

实施例3中第一包层和纯石英纤芯的包芯比为7.5:1，第二包层和纯石英纤芯的包芯比为15.875:1，第二包层直径和应力部直径比为25:8。由拉制好的耐辐照保偏光纤第二包层直径D4为80μm计算得到：纯石英纤芯的直径D1为5.0μm，第一包层的直径D2为37.5μm，应力部的直径D3为25.6μm。

实施例4

如图1至图6所示，本实施例中，先采用PCVD工艺制备从外到内依次为纯石英衬管、第一包层内层、纯石英纤芯的芯棒，掺杂成分为B₂O₃的应力棒，以及从内到外依次为第一包层外层、纯石英衬管的掺氟管，其中，第一包层内层和第一包层外层组分完全一致，为了使第一包层内层和第一包层外层接触，通过打磨去除芯棒外侧的纯石英衬管，保留掺氟管外侧的纯石英衬管。然后将芯棒塞入掺氟管中于2200℃熔融形成掺氟实心棒，掺氟实心棒的直径为40mm，第一包层内层和第一包层外层共同熔融形成第一包层，第一包层的直径为35mm，第一包层的相对折射率-0.30％，纯石英纤芯的直径为5.0mm。然后，采用RIC工艺在掺氟实心棒外周套上截面面积为3100mm²的纯石英套管(外径为74.5mm)，2200℃下熔融，拉细得到耐辐照保偏母棒，耐辐照保偏母棒的直径为50mm，应力棒的掺杂深度为-0.60％，应力棒的直径为17.0mm；在耐辐照保偏母棒上加工两个直径为18.0mm的圆形应力通孔，最后将外磨后的两根应力棒分别嵌入耐辐照保偏母棒的两个圆形应力通孔中，进行组合拉丝，2200℃高温熔融，拉丝速度为400m/min，拉制张力为200克，光纤辐照总剂量200krad，剂量率分别为1000rad/h和5000rad/h，所拉制的耐辐照保偏光纤主要参数及感生损耗见表4。

表4

实施例4中第一包层和纯石英纤芯的包芯比为7:1，第二包层和纯石英纤芯的包芯比为14.9:1，第二包层直径和应力部直径比为25:9。由拉制好的耐辐照保偏光纤第二包层直径D4为80μm计算得到：纯石英纤芯的直径D1为5.4μm，第一包层的直径D2为37.8μm，应力部的直径D3为28.8μm。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。