具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

现有技术中光纤布拉格光栅在敷设过程中经常会遇到角度弯曲造成信号损失，存在抗弯曲性能较差的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种光纤预制棒、光纤、光纤布拉格光栅及其制备方法中，通过增加第一掺氟包层、第二掺氟包层、第三掺氟包层，使得纤芯、第一掺氟包层、第二掺氟包层、第三掺氟包层对外包层的折射率形成阶跃型分布，来避免光从纤芯中溢出，提升了光纤布拉格光栅的抗弯曲性能。

下面结合具体实施例对本发明提供的光纤预制棒、光纤、光纤布拉格光栅及其制备方法进行详细说明。

图1为本发明提供的一种光纤预制棒的径向截面结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供一种光纤预制棒1，由内向外包括芯棒10、第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40和外包层50；芯棒10主要由掺锗二氧化硅制成，其相对于外包层的折射率为0.42％～0.48％；第一掺氟包层20、第二掺氟包层30以及第三掺氟包层40都主要由掺氟二氧化硅制成；第一掺氟包层20相对于外包层的折射率为-0.001％～-0.005％，第二掺氟包层30相对于外包层的折射率为-0.05％～-0.1％，第三掺氟包层40相对于外包层的折射率为-0.02％～-0.03％；外包层50主要有二氧化硅制成。

其中，为了使芯棒10、第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40对外包层50的折射率呈阶跃型分布，芯棒10通过采用掺锗二氧化硅提高芯棒10的折射率，第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40通过采用掺氟二氧化硅降低折射率。

光纤预制棒1通过增加第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40形成凹陷结构，不仅可以降低弯曲损耗，而且可以保证芯棒10和包层折射率差的同时得到较大模场直径。

需要说明的是，第一掺氟包层20的氟含量较少，第一掺氟包层20的氟基本不会与芯棒10的锗互相扩散，从而可以确保第一掺氟包层20、第二掺氟包层30和第三掺氟包层40的氟元素的稳定性。

在一种可选的实施方式中，芯棒10主要由掺锗二氧化硅制成，其相对于外包层的折射率为0.45％；第一掺氟包层20主要由掺氟二氧化硅制成，第一掺氟包层20相对于外包层的折射率为-0.001％；第二掺氟包层30主要由掺氟二氧化硅制成，第二掺氟包层30相对于外包层的折射率为-0.07％；第三掺氟包层40主要由掺氟二氧化硅制成，第三掺氟包层40相对于外包层的折射率为-0.025％。

图2为本发明提供的一种光纤预制棒的制备方法的流程示意图。

如图2所示，本发明实施例提供一种光纤预制棒的制备方法，包括如下步骤：

步骤S10：采用轴向气相沉积法制备掺锗二氧化硅粉末体。

步骤S20：将掺锗二氧化硅粉末体进行脱羟烧结，制成芯棒10。

通过在二氧化硅中添加锗来实现芯棒10相对于外包层50的折射率为0.42％～0.48％。例如，芯棒10为相对于外包层50的折射率为0.45％的掺锗二氧化硅。

步骤S30：在芯棒10外侧通过掺氟工艺依次制备第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40。

通过在二氧化硅中添加氟来实现第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40相对外包层50的折射率的调控。其中，第一掺氟包层20主要由掺氟二氧化硅制成，第一掺氟包层20相对于外包层的折射率为-0.001％～-0.005％；第二掺氟包层30主要由掺氟二氧化硅制成，第二掺氟包层30相对于外包层的折射率为-0.05％～-0.1％；第三掺氟包层40主要由掺氟二氧化硅制成，第三掺氟包层40相对于外包层的折射率为-0.02％～-0.03％。优选地，第一掺氟包层20主要由掺氟二氧化硅制成，第一掺氟包层20相对于外包层的折射率为-0.001％；第二掺氟包层30主要由掺氟二氧化硅制成，第二掺氟包层30相对于外包层的折射率为-0.07％；第三掺氟包层40主要由掺氟二氧化硅制成，第三掺氟包层40相对于外包层的折射率为-0.025％。

步骤S40：采用外部化学气相沉积法在第三掺氟包层40外侧制备外包层50。

其中，外包层50主要由二氧化硅制成。

图3为本发明提供的一种光纤的径向截面结构示意图。

如图3所示，本发明实施例还提供一种光纤2，由内向外包括纤芯101、第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40、外包层50和耐高温涂层60；纤芯101主要由掺锗二氧化硅制成，其相对于外包层的折射率为0.45％；第一掺氟包层20、第二掺氟包层30以及第三掺氟包层40都主要由掺氟二氧化硅制成；第一掺氟包层20相对于外包层的折射率为-0.001％，第二掺氟包层30相对于外包层的折射率为-0.07％，第三掺氟包层40相对于外包层的折射率为-0.025％；外包层50主要有二氧化硅制成；耐高温涂层60涂覆在外包层50外。

其中，光纤2采用光纤拉丝塔将的光纤预制棒拉制和涂覆形成。该光纤预制棒的结构与以上所述的光纤预制棒1的结构相同，并能带来相同或者类似的技术效果，在此不再一一赘述。

耐高温涂层60为耐高温丙烯酸树脂涂层或耐高温聚酰亚胺涂层。光纤预制棒1采用两层耐高温涂层60保护。

通过增加第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40形成凹陷结构，使得纤芯101、第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40对外包层50的折射率形成阶跃型分布，来避免光从纤芯101中溢出，提升了光纤的抗弯曲性能。

可选地，纤芯101的最大半径为3.5μm～5μm，第一掺氟包层20、第二掺氟包层30以及第三掺氟包层40的最大半径范围分别为：5μm～6.5μm、6.5μm～8μm、8μm～12μm，耐高温涂层的最大半径为80μm～105μm，外包层50最大的半径为55μm～65μm，耐高温涂层60的最大半径为80μm～105μm。

现有的光纤的耐高温涂层60大多为半径为125μm。本申请的光纤2的耐高温涂层60半径下降到80μm～105μm并通过增加第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40提高光纤2的抗弯曲性能，从而使得光纤2变细，进而提高了管道的容纤量。

需要说明的是，本申请提供的具有较小尺寸和较好抗弯曲性能的光纤2在半径15mm，单圈的条件下，1550nm的弯曲损耗小于0.04dB。光纤2在1550nm波长处的衰减系数不大于0.19dB/km。

本发明实施例提供的光纤，通过设计包层凹陷结构，增加了纤芯101和包层折射率差，降低了光纤宏弯损耗，通过改变光纤涂层的尺寸，最终获得了一种小尺寸抗弯曲光纤。

图4为本发明提供的一种光纤的制备方法的流程示意图。

如图4所示，本发明还提供一种光纤的制备方法，包括如下步骤：

步骤S100：提供光纤预制棒1。

其中，光纤预制棒的结构与以上所述的光纤预制棒的结构相同。

步骤S200：将光纤预制棒1通过拉制和涂覆制成光纤2。

用光纤拉丝塔将光纤预制棒1拉制成光纤2。光纤2的形成过程为：(1)将制作好的光纤预制棒1安放在拉丝塔上部的预制棒馈送装置上；(2)将高温电阻炉加热到2000℃～2200℃，光纤预制棒熔融形成液滴状料头出炉；(3)控制料头变细后依次经过退火装置、丝径实时监测装置、冷却系统、涂覆装置、固化系统；(4)主牵引装置提供1200m/min～1600m/min的拉丝速度将固化后的光纤收绕到线盘上。

优选的，高温电阻炉温度为2200℃，拉丝速度为1400m/min。

该光纤由内向外包括纤芯101、第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40、外包层50和耐高温涂层60；纤芯101主要由掺锗二氧化硅制成，其相对于外包层的折射率为0.45％；第一掺氟包层20、第二掺氟包层30以及第三掺氟包层40都主要由掺氟二氧化硅制成；第一掺氟包层20相对于外包层的折射率为-0.001％，第二掺氟包层30相对于外包层的折射率为-0.07％，第三掺氟包层40相对于外包层的折射率为-0.025％；外包层50主要有二氧化硅制成；耐高温涂层60涂覆在外包层50外。

纤芯101的最大半径为3.5μm～5μm，第一掺氟包层20、第二掺氟包层30以及第三掺氟包层40的最大半径范围分别为：5μm～6.5μm、6.5μm～8μm、8μm～12μm，外包层50最大的半径为55μm～65μm，耐高温涂层60的最大半径为80μm～105μm。

图5为本发明提供的一种光纤布拉格光栅的径向截面结构示意图；图6为本发明提供的一种光纤布拉格光栅的剖面折射率分布示意图。

如图5和图6所示，本发明实施例还提供一种光纤布拉格光栅3，由内向外包括纤芯101、第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40、外包层50和耐高温涂层60；纤芯101包括沿纤芯轴向设置的条形凹坑，纤芯101主要由掺锗二氧化硅制成，其相对于外包层的折射率为0.45％；第一掺氟包层20、第二掺氟包层30以及第三掺氟包层40都主要由掺氟二氧化硅制成；第一掺氟包层20相对于外包层的折射率为-0.001％，第二掺氟包层30相对于外包层的折射率为-0.07％，第三掺氟包层40相对于外包层的折射率为-0.025％；外包层50主要有二氧化硅制成；耐高温涂层60涂覆在外包层50外。

其中，光纤2通过紫外激光器和相位掩模板曝光刻写后会在纤芯101上形成条形凹坑，也即是，光纤布拉格光栅3由光纤2通过紫外激光器和相位掩模板曝光刻写制成。

纤芯101的最大半径为3.5μm～5μm，外包层50最大的半径为55μm～65μm，耐高温涂层60的最大半径为80μm～105μm。

在一种可选的是实施方式中，光纤布拉格光栅的纤芯101的最大半径为4.5μm，外包层50最大的半径为62.5μm，耐高温涂层60的最大半径为79.5μm。该布拉格光栅的周期可以为369nm、452nm、537nm及695nm，布拉格反射波长可以为1064nm、1310nm、1550nm及2000nm，布拉格光栅栅区有效长度为10mm～20mm，3dB带宽为0.1nm～0.5nm，反射率为90％～99.9％，边模抑制比大于10dB。

本申请的光纤布拉格光栅3，在外包层的半径不变的情况下，减小耐高温涂层60的半径，可以减小所制成光纤光栅传感器的体积大小，还通过增加第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40，使得纤芯101、第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40对外包层50的折射率形成阶跃型分布，避免了光从纤芯101中溢出，提升了光纤布拉格光栅3的抗弯曲性能，从而能有效地对铺设于拥挤和狭窄的通道中的设施进行温度、应力、位移等测量，进而可满足在高密度区域的应用要求。而且，本发明实施例提供的光纤布拉格光栅通过小尺寸抗弯曲光纤制作形成，不仅可以减小所制成光纤布拉格光栅的体积大小，还提高了其抗弯曲的性能，解决了很多过去由于体积限制，没有办法进行嵌入式布放和测量的问题，扩展了光纤布拉格光栅的应用环境以及提升了工程施工的便利，使得光光纤布拉格光栅可以更好地应用于一些弯曲、狭窄场景的监测。

图7为本发明提供的一种光纤布拉格光栅的制备方法的流程示意图。

如图7所示，本发明还提供一种光纤布拉格光栅的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1000：提供光纤2

步骤S2000：在高压条件下对所述光纤进行载氢处理。

其中，对光纤进行载氢处理步骤包括：将需要载氢的光纤放置在反应釜内，随后关闭锁紧反应釜，并且通过气动氢气增压泵把高压氢气注入反应釜内，在反应釜内1Mpa～15Mpa的高压条件下反应72小时～144小时进行载氢处理，完成载氢处理后通过氢气排气管排出高压氢气，取出反应釜内的光纤。高压载氢后的光纤2具有光敏性。

优选的，高压条件设置为13Mpa，反应时间设置为120小时。

步骤S3000：将载氢后的光纤2去除部分耐高温涂层。

其中，光纤2去除耐高温涂层部分的长度为3cm～10cm。

步骤S4000：通过相位掩模法对载氢后的所述光纤去除耐高温涂层部分进行曝光刻写。

紫外激光器的输出激光中心波长可以为193nm、244nm、248nm或308nm。紫外激光器刻写时重复频率设置为20HZ～50HZ；紫外激光器光脉冲能量设置为100J/Pulse-200mJ/Pulse；紫外激光器电压设置为18KV～22KV；紫外激光器刻写时曝光脉冲数设置为2000～8000。

优选的，紫外激光器为准分子激光器；紫外激光器的输出激光中心波长为248nm；紫外激光器刻写时重复频率设置为20HZ～50HZ；紫外激光器光脉冲能量设置为100J/Pulse-200mJ/Pulse；紫外激光器电压设置为18KV～22KV；紫外激光器刻写时曝光脉冲数设置为2000～8000。

步骤S5000：对曝光刻写的光纤2去除耐高温涂层部分涂覆耐高温涂层，制成光纤布拉格光栅。

该光纤布拉格光栅由内向外包括纤芯101、第一掺氟包层20、第二掺氟包层30、第三掺氟包层40、外包层50和耐高温涂层60；纤芯101包括多个条形凹坑，纤芯101主要由掺锗二氧化硅制成，其相对于外包层的折射率为0.45％；第一掺氟包层20、第二掺氟包层30以及第三掺氟包层40都主要由掺氟二氧化硅制成；第一掺氟包层20相对于外包层的折射率为-0.001％，第二掺氟包层30相对于外包层的折射率为-0.07％，第三掺氟包层40相对于外包层的折射率为-0.025％；外包层50主要有二氧化硅制成；耐高温涂层60涂覆在外包层50外。

图8为本发明提供的一种光纤布拉格光栅的透过光谱和反射光谱图。

如图8所示，该光纤布拉格光栅的纤芯101的最大半径为3.5μm～5μm，例如为4.5μm；外包层50最大的半径为55μm～65μm，例如为62.5μm；耐高温涂层60的最大半径为80μm～105μm，例如为79.5μm；布拉格光栅的周期可以为369nm、452nm、537nm及695nm，例如为695nm；拉格反射波长可以为1064nm、1310nm、1550nm及2000nm，例如为1550nm；布拉格光栅栅区有效长度为10mm～20mm，例如为10mm；3dB带宽为0.1～0.5nm，例如为0.3nm；反射率为90％～99.9％，例如为99.9；边模抑制比大于10dB，例如为12dB。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。