专利名称：光纤的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及适用于严苛环境中的传感应用的光纤。
背景技术：
光纤因传输容量高和不受电噪声干扰而成为受欢迎的远程通信媒介。过去十 年，光纤也已用于点式和/或分布式传感应用。在油气行业，光纤已用来为石油的勘探、钻井和生产提供重要信息。在这些油/气井中，光纤用作分布式传感器，沿着地球物理井(geophysical well)的深度监视/测量温度、压力和流动信息。然而，严苛的井下环境对可靠性带来严重挑战。在典型的井下环境中，光纤经历高温(高达300°C)、高压(高达1000大气压)，接触湿气、氢气及其他有害物质如CO2和H2S。为了保护在这种严苛环境中使用的光纤，人们开发了特殊的光纤涂层设计。例如，采用无定形碳基薄涂层(所谓的“气密性涂层”)和金属涂层。然而，除了使用具有掺氟包层的纯二氧化硅芯光纤，或者更典型的是使用纤芯由掺Ge 二氧化硅组成的光纤外，在光纤的二氧化硅玻璃组成方面尚未做多少工作。气密性涂层提供保护层，防止水分子或氢气分子侵入光纤的二氧化硅玻璃。气密性涂层还使人们能在卷绕直径更小的情况下高度可靠地布置光纤。气密性涂层的存在提供了具有改进的机械完整性的光纤。掺Ge光纤在可见光和近红外波长范围内具有吸收峰。此夕卜，我们最近的研究表明，在掺GeO2的光纤上施加气密性涂层可在高达150°C的温度下完全阻止H2侵入纤芯，但高于170°C就不行。例如，观察到1240nm和1381nm处的峰衰减加剧，并且背景损耗整体上升。这表明气密性层在高于170°C的温度下不再当然具有气密性。
发明内容
本发明的范围根据所附权利要求书确定。根据本发明的一个例子，光纤包含(i)含掺Al 二氧化硅且具有第一折射率Ii1的纤芯；(ii)至少一个包围所述纤芯、具有第二折射率n2的二氧化硅基包层，使得ni>n2 ;以及(iii)包围所述包层的涂层，所述涂层的厚度为5-80i!m。较佳的是，一个气密性涂层位于所述包层与所述涂层之间，包围所述包层。在一些实施方式中，光纤具有单模纤芯。在一些实施方式中，光纤具有多模纤芯。较佳的是，在具有多模纤芯的光纤中，纤芯的至少一部分具有渐变折射率。在至少一些实施方式中，纤芯与包层的相对折射率差值在0. 5%-2. 05%之间(例如0. 8%-1. 2%)，纤芯与二氧化硅的相对折射率差值彡0. 8。在一些实施方式中，包层包含0. 2-5重量％的F，例如I. 4重量％-5重量％的F。在一些实施方式中，包层中F的含量是0. 7重量％-3重量％。在一些实施方式中，纤芯包含5. 5重量％-10重量％的A1203。本文所揭示的光纤的一些优点是在高于170°C的温度下可靠性高。这些光纤也可用于其他严苛的环境，用在使用掺Ge光纤或者纯二氧化硅纤芯光纤的传感应用中。根据本发明的一些实施方式的光纤的优点之一是1064nm波长附近的H2老化小得多。需要指出，1064nm的波长范围是气/油传感应用中的分布式温度传感(DTS)应用的主要工作窗口。在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附示说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来说明本发明的原 理和操作。
图I是本发明的一个实施方式的示意性截面视图；图2是根据本发明的光纤的第一个例子的折射率分布图；图3A是根据本发明的光纤的第二个例子的折射率分布图；图3B-3D显示了根据本发明的几个示例性光纤的折射率分布图；图4是所制造的掺GeO2单模光纤在H2/高温老化试验之前(实线)和之后(虚线)测得的光谱衰减图；以及图5是根据本发明的一个实施方式制造的掺Al2O3单模光纤在H2/高温老化试验之前(实线)和之后(虚线)测得的光谱衰减图。图6是所制造的掺GeO2多模光纤在H2/高温老化试验之前(实线)和之后(虚线)测得的光谱衰减图；以及图7是根据本发明的一个实施方式制造的掺Al2O3多模光纤在H2/高温老化试验之前(实线)和之后(虚线)测得的光谱衰减图。
具体实施例方式下面将详细叙述本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部件。图I示意性地显示了根据本发明的光纤的一个实施方式，并在全文中整体上用附图标记10表示。图I所示的光纤10包含具有第一折射率叫的掺Al 二氧化硅基纤芯12 ;至少一个包围所述纤芯、具有第二折射率n2的二氧化硅基包层14，使得ηι>η2 ;包围所述包层14的气密性涂层16 (例如碳涂层);以及包围所述气密性涂层16的第二涂层或外涂层18。根据应用和工作温度，所述第二涂层或外涂层18可用例如金属(例如Cu或Au涂层)、丙烯酸酯、硅树脂或聚酰亚胺材料制备。其厚度可以是 5-80 μ m (例如 10 μ m、15 μ m、20 μ m、30 μ m、40 μ m、50 μ m、50 μ m或70μπι)。例如，丙烯酸酯涂层在高达约120°C的温度下效果良好，硅涂层在高达约175°C的温度下效果良好，聚酰亚胺涂层在高达约500°C的温度下效果良好，而Cu和Au在高达约1000°C的温度下效果良好。因此，上述双涂层结构针对H2老化和高温提供了额外的保护。需要指出，优选存在气密性涂层，但在一些应用中不必存在气密性涂层。在这些应用中，光纤可包含纤芯12、包层14和涂层18。
在这些实施方式中，二氧化硅基纤芯12由掺Al 二氧化硅组成。纤芯基本上不含活性掺杂剂(即不含稀土掺杂剂)如Er或Yb，例如以重量计〈lppm。光纤的纤芯12可以是圆形的或椭圆形的(未示出)。较佳的是，纤芯内包层14的相对折射率差值(相对于包层的折射率)约为0.2%Λ-2.05%Λ。纤芯的数值孔径NA定义为( 2- 2)1/2。纤芯的数值孔径NA优选在O. 09-0. 30之间，更优选在O. 12-0. 2之间。纤芯12可以是单模纤芯或多模纤芯。较佳的是，纤芯包含约4重量％_24重量％的Al2O3 (余下为二氧化硅)，包层由纯二氧化硅或者掺F 二氧化硅组成，使得包层中F的含量在0-5重量％之间，例如在O. 7重量％-3重量％或O. 7重量％-2. 2重量％之间。较佳的是，周围的气密性碳基涂层16的厚度是200-1000A(20-100nm)，例如厚度为300_1000A或者30-50nm;包围气密性涂层的第二涂层18的厚度是5_80 μ m。若使用氟(F)，优选包含超过I重量％的F，更优选包含超过2重量％的F。
实施例下面通过以下实施例进一步阐述本发明。实施例I图2显示了本发明的第一个示例性光纤的折射率分布图(纤芯和包层)。此光纤具有图I所示的截面。更具体地，图2显示了此光纤的折射率百分数差值(相对于包层的折射率)与从纤芯中心开始测量的距离(半径)的关系。此折射率百分数差值在本文中定义为(ηι2-η22)/2η22。此模型化光纤具有掺Al纤芯12和二氧化娃包层14。此例子中的掺Al纤芯具有非常规则的阶跃折射率，因为Al没有或者很少扩散到包层中。也就是说，与掺Ge光纤相 t匕，Al离子在二氧化硅玻璃中的低迁移性使其成为用来控制折射率分布的优良掺杂剂。图2显示，纤芯12的相对折射率差(百分数差值)约为O. 38，纤芯的NA约为O. 13。在此实施例中，掺Al (5重量％的Al2O3)的纤芯12是单模的，用于超过1290nm的波长。单模纤芯的直径优选为5-12 μ m,在此实施例中为8 μ m。若纤芯的NA更高(例如O. 20)，则纤芯直径必须更小(例如约5 μ m)，以便成为单模。更大的纤芯直径和更低的纤芯NA可使纤芯12保持单模。图2所示的光纤可通过外气相沉积法(OVD)制备。所述OVD法是这样一种制备光纤的方法使与氧气在火焰中反应的所需蒸气成分(包括二氧化硅和所需的掺杂剂)沉积在 饵棒上，形成烟炱颗粒，制备光纤烟炱预制件。然后，除去饵棒，在高温炉中使烟炱预制件固结成实心透明玻璃。在烟炱预制件形成过程中，通过针对每层使用不同的蒸气成分，可得到纤芯/包层组合物。首先形成纤芯/包层烟炱预制件，然后使其固结成最终的预制件。然后，通过已知的光纤拉制方法将最终的预制件拉制成光纤10。第一个实施例中的光纤的具体组成是纤芯12 :含5重量％的Al2O3的SiO2 ；包层14 :纯二氧化硅；气密性涂层16 -M第二涂层18 :聚酰亚胺实施例2图3A显示了本发明的第二个示例性光纤的折射率分布图(纤芯和包层)。此光纤具有图I所示的截面。图3A显示了此光纤的折射率百分数差值(相对于包层的折射率)与从纤芯中心开始测量的距离的关系。此模型化光纤具有掺Al多模纤芯12和二氧化硅包层14。此实施例中的掺Al多模纤芯具有渐变折射率。需要指出，Al掺杂剂在纤芯不同位置的精确含量比掺Ge光纤中Ge的含量更容易控制。也就是说，与掺Ge光纤相比，Al离子在二氧化硅玻璃中的低迁移性使其成为用来控制折射率分布的优良掺杂剂。需要指出，添加Al掺杂剂可形成渐变折射率多模分布，而纤芯为纯二氧化硅的光纤只能被制成阶跃折射率光纤。渐变折射率分布对多模光纤中的高带宽来说非常重要，使得能够进行远距离、高分辨率测量。图3A显示，纤芯12的相对折射率差(百分数差值)约为I. O。在此实施例中，掺Al(12重量％的Al2O3)纤芯12是多模的。多模纤芯的直径优选为35-65 μ m，在此实施例中为50 μ m,而包层外径为125 μ m。
图3A所示的光纤(光纤实施例#2)也可通过外气相沉积法(OVD)制备。所述OVD法是这样一种制备光纤的方法使与氧气在火焰中反应的所需蒸气成分(包括二氧化硅和所需的掺杂剂)沉积在饵棒上，形成烟炱颗粒，制备光纤烟炱预制件。然后，除去饵棒，在高温炉中使烟炱预制件固结成实心透明玻璃。在烟炱预制件形成过程中，通过针对每层使用不同的蒸气成分，可得到纤芯/包层组合物。首先形成纤芯/包层烟炱预制件，然后使其固结成最终的预制件。然后，通过已知的光纤拉制方法将最终的预制件拉制成光纤10。第二个实施例中的光纤的具体组成是纤芯12:含 12 重量 % 的 Al2O3 的 SiO2 ；包层14 :纯二氧化硅气密性涂层16 :碳第二涂层18 :聚酰亚胺分布式温度传感(DTS)是一种为测量温度沿光纤线的分布提供手段的技术。光纤长度可以是最长达到约30km的任何长度。在电火花可能带来火灾安全隐患的环境中使用时，它具有与生俱来的安全性。因此，DTS作为监测技术，特别适合油气应用。目前最常用于DTS的光纤是渐变折射率掺Ge多模光纤(50 μ m纤芯直径和125 μ m包层直径)。(由于单模光纤的纤芯直径小、接收角小且背散射能量非常小，单模光纤通常不用于DTS应用，但可用于其他应用。)拉曼信号常用于评价DTS系统中的温度。该信号足够强，且对温度具有独特的依赖性。拉曼信号包括“斯托克斯”(Stokes)带和“反斯托克斯”带。在较长的波长(红移)处，斯托克斯带稳定，温度变化小。在较短的波长(蓝移)处，反斯托克斯带表现出温度敏感性，带中能量越高，温度越高。反斯托克斯带内的能量或面积与斯托克斯带内的能量或面积之比可与光纤线在产生信号的深度处的温度关联起来。1064nm激光广泛用作DTS系统中的光源。在此情况下，拉曼背散射信号将位于以约1064nm (约±40nm)为中心的光谱范围内，如1024nm和1104nm。因此，在此波长范围内，光纤应当坚固，以对抗H2老化，为DTS系统提供可靠性。根据本发明的实施方式的多模掺Al纤芯光纤特别适用于DTS系统，因为它们在所关注的波长范围内(例如1000-1200nm)比掺Ge光纤更坚固。实施例3和4图3B和3C显示了本发明的第三和第四示例性光纤(光纤#3和#4)以及实施例2的光纤的折射率分布(纤芯和包层)。这两种光纤(光纤#3和#4)具有图I所示的截面。较佳的是，多模纤芯12包含不到10重量％的氧化铝。在这些实施方式中，纤芯12包含5. 5重量％-10重量％的Al2O3。图3B和3C显示了折射率百分数差值(相对于包层的折射率)与从纤芯中心开始测量的距离的关系。这些模型化光纤具有掺Al多模纤芯12和掺氟二氧化硅基包层14。此实施例中的掺Al多模纤芯具有渐变折射率。另外，与光纤实施例2相比，在纤芯中作为掺杂剂的Al2O3含量减少，降低了图3B和3C所示光纤的背景衰减。申请人发现，将作为掺杂剂的Al2O3减至10重量％或更低会显著减少光纤背景衰减引起的损耗，不过，若光纤具有纯二氧化硅包层，则Al2O3浓度的减小也会改变光纤的NA，影响其耦合损耗。此外，油气勘探往往要求被布置成温度传感器的光纤能够与DTS仪器中使用的光纤耦合，并且耦合损耗或插入损耗低(差值通常为l%，50ymMMF)。因此，需要将整体差值(纤芯与包层)保持在1%。这可通过以下方法实现在二氧化硅基包层中添加更多的F，同时将Al2O3的浓度减至所需的量。这种渐变折射率光纤的另一个优点是，该光纤比阶跃折射率光纤具有更高的过满注入(overfilled launch, OFL)带宽,从而能够在非常长的距离上进行高分辨率测量。 图3B和3C显不，光纤实施例3和4中纤芯12相对于掺F包层14的相对折射率差(百分数差值)约为I. 0%,但相对于纯二氧化硅约为O. 6。(纯二氧化硅对应于O. O线。)在此实施例中，掺Al (7. I重量％的Al2O3)纤芯12是多模的。这些光纤(光纤#3和#4)的多模纤芯12的直径优选为35-65 μ m，在此实施例中为50 μ m，包层外径为125 μ m。实施例3和4的光纤可在例如油气系统中用来为石油的勘探、钻井和生产提供重要信息，以及/或者可容易地耦合到其他具有相近的数值孔径和纤芯差值(例如相对于包层约为1%)的多模纤芯光纤上。例如，本文所述的光纤可用作分布式传感器，用来沿着地球物理井的深度监视/测量温度、压力和流动信息。另受关注的属性是，掺氧化铝的多模纤芯的折射率百分数差值(相对于纯二氧化硅SiO2的折射率)小于O. 8%、更优选等于或小于O. 7%的光纤有利地表现出非常大的OFL带宽，这样就能在更长的距离上进行高分辨率测量，同时比纤芯中氧化铝含量更高的光纤具有更低的总体衰减。图3C所不的光纤分布可通过外气相沉积法(OVD)得到。实施例3的光纤(见图3B)所具有的带宽大于实施例4 (见图3C所示分布)的光纤带宽。但是，为了利用给定的现有OVD加工技术[在固结中溢流掺杂(flood doping) F]得到图3B所示的光纤分布，对渐变折射率提供从O至-O. 4%的精细控制可能更加困难。在实施例4的光纤(见图3C)中，α分布终止于零差值线(纯二氧化硅)，到掺氟包层出现阶跃下降。这种设计虽然更容易制造，但可能比具有图3Β所示光纤分布的光纤具有更低的带宽，因为该光纤的最佳α分布更少。第三和第四个实施例中的光纤的具体组成是纤芯12:含 7. I 重量 % 的 Al2O3 的 SiO2 ；包层14 :掺F纯二氧化硅气密性涂层16 :碳第二涂层18 :聚酰亚胺其他实施例图3D显示了光纤的另两个实施方式(表2中的光纤#7和#10)的折射率差值分布，以及光纤#2 (实施例2的光纤)和光纤#4的折射率分布。这些光纤具有不同的峰值折射率(相对于纯二氧化硅的不同纤芯差值)，但相对于包层的纤芯差值相同(1%)。它们在不同程度上改善了损耗，并且在损耗的改善与带宽之间取得平衡。从光纤#2到光纤#7，再到光纤#4，再到光纤#10，预期损耗和带宽均下降。随着光纤损耗下降，DTS精确测量的距离增加。随着OFL带宽下降，随距离变化的分辨率下降。由于这些趋势相反，优选计算总体往返损耗以及拉曼增益随OFL带宽的变化，以便在OFL带宽与损耗目标之间建立最佳的设计平衡，更优选在光纤经历氢气老化之后计算此最佳平衡。虽然所有附图显示了 α等于2的标称渐变折射率分布，但对本领域的技术人员来说显而易见的是，可对分布的α进行优化，以便在特定的波长处得到最好的带宽——最佳性能的预期范围在I. 8-2. 2之间。类似地，虽然这些示例性实施方式中相对于包层的纤芯差值约为1%，但也可采用相对于包层的其他纤芯差值。类似地，所有实施例中的纤芯半径均显不为25 μ m,但它可以是15-35 μ m。下表显不了这
权利要求
1.一种光纤，它包含 (i)含掺Al二氧化硅但基本上不含Er或Yb、具有第一折射率Ii1的纤芯； (ii)至少一个包围所述纤芯、具有第二折射率n2的掺F二氧化硅基包层，使得ni>n2，其中所述包层主要包含SiO2和0. 2重量％-5重量％的F ； (iii)包围所述包层的气密性碳基涂层，所述气密性涂层的厚度为200-1000A;以及 (iv)包围所述气密性涂层的第二涂层，所述第二涂层的厚度为5-80ym。
2.如权利要求I所述的光纤，其特征在于，所述第二涂层选自丙烯酸酯、硅树脂、聚酰亚胺、金属。
3.如权利要求1-2所述的光纤，其特征在于，所述纤芯是多模纤芯，与所述包层的相对折射率差值在0. 5%-2. 05%之间，与二氧化硅的相对折射率差值< 0. 8，纤芯直径为35—65 u m0
4.如权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述纤芯的至少一部分具有渐变折射率。
5.如权利要求3所述的光纤,其特征在于，所述纤芯的至少一部分包含5.5重量％_10重量%的Al2O3。
6.如权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述包层由SiO2和0.7重量％-3重量％的F组成。
7.一种光纤，它包含 (i)含掺Al二氧化硅但基本上不含Er或Yb、具有第一折射率Ii1的纤芯； (ii)至少一个包围所述纤芯、具有第二折射率n2的掺F二氧化硅基包层，使得ni>n2，其中所述包层主要包含SiO2和0. 2重量％-5重量％的F ； (iii)至少一个包围所述二氧化硅基包层的涂层，所述第二涂层的厚度为5-80i!m。
8.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述至少一个涂层选自丙烯酸酯、硅树脂、聚酰亚胺、金属。
9.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述包层主要包含Si和0.7重量％-3重量％的F。
10.如权利要求7所述的光纤,其特征在于,所述纤芯包含小于10重量％的Al。
11.一种光纤，它包含 (i)含掺Al二氧化硅但基本上不含Er或Yb、具有第一折射率Ii1的纤芯； (ii)至少一个包围所述纤芯、具有第二折射率n2的掺F二氧化硅基包层，使得ni>n2，其中所述包层主要包含SiO2和0. 2重量％-5重量％的F ； (iii)包围所述包层的气密性碳基涂层；以及 (iv)包围所述气密性涂层的第二涂层，所述第二涂层的厚度为5-80ym。
12.如权利要求11所述的光纤，其特征在于，所述第二涂层选自丙烯酸酯、硅树脂、聚酰亚胺、金属。
13.如权利要求11所述的光纤，其特征在于，所述纤芯是多模纤芯，与所述包层的相对折射率差值在0. 5%-2. 05%之间，与二氧化硅的相对折射率差值< 0. 8，纤芯直径为35—65 u m0
14.如权利要求13所述的光纤，其特征在于，所述纤芯的至少一部分具有渐变折射率。
15.如权利要求13所述的光纤，其特征在于，所述纤芯的至少一部分包含5.5重量％-10重量％的A1203。
16.如权利要求11所述的光纤，其特征在于，所述纤芯由掺Al 二氧化娃组成。
全文摘要
根据本发明的一个例子，光纤包含(i)含掺Al二氧化硅但基本上不含Er或Yb、具有第一折射率n1的纤芯；(ii)至少一个包围所述纤芯、具有第二折射率n2的掺F二氧化硅基包层，使得n1>n2，其中所述包层主要包含SiO2和0.2-5重量%的F；(iii)包围所述包层的气密性碳基涂层，所述气密性涂层的厚度为200-以及(iv)包围所述气密性涂层的第二涂层，所述第二涂层的厚度为5-80μm。
文档编号G02B6/028GK102741719SQ201180007058
公开日2012年10月17日 申请日期2011年1月24日 优先权日2010年1月26日
发明者K·W·贝内特 申请人:康宁股份有限公司