用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤及制备方法与流程

本发明涉及光纤及光纤光栅制备领域，尤其涉及一种用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤及制备方法。

背景技术：

基于弱反射率光纤光栅大容量分布式光纤传感系统具有广阔应用前景，其核心制备技术要求在一根长距离光纤上写入大量光纤光栅而尽量少地引入各种损耗，如焊接损耗、传输损耗以及弯曲损耗等。动态在线连续制备光栅阵列的方法有效避免传统焊接制备光纤光栅阵列造成的接入损耗，是一种高效的光栅制备方法。

然而，动态在线连续制备光纤光栅工艺是基于单激光脉冲刻写光纤光栅。由于受单激光脉冲的刻写能量和刻写时间限制，获取一定反射率光栅的首要条件是光纤具有较好的单脉冲光敏性。常规的增加光纤光敏性的途径是在纤芯中掺杂浓度较高的锗和硼；目前，成熟的光敏光纤有高掺锗型和硼锗共掺型两种，其中，由于纤芯中硼元素引入，极大增加光纤光敏性，同时也会降低纤芯折射率，有效保证了光纤的模场直径，是一种公认的适合多种用途的光敏光纤。然而，由于B-O键的声子振动吸收特性，造成光纤在使用C波段存在较大的吸收峰，增加了光纤的传输损耗。显然，硼锗共掺型光纤并不适合制备大容量、长距离的弱光纤光栅传感阵列。锗、硅属同族元素，较高浓度锗离子掺入二氧化硅玻璃基质中增加光纤光敏性能，但并不会引起光纤传输损耗显著增大，是一种合适于大容量光纤光栅阵列在线制备的光敏光纤。

光纤光栅传感阵列在某些特殊使用场合需要90⁰转弯或小半径弯曲，如空间紧凑的发电机定子振动监测、高压变电器局放监测等。另外，光纤光栅传感阵列布线过程中不经意地也会出现光纤小半径弯曲情况。对于普通光纤而言，以上这些情况出现往往导致被传输的信号极大衰减或完全丢失。所以，对弱光纤光栅传感阵列而言，弱信号的传输和检测尤其需要避免和克服上述情况导致的信号衰减。针对长距离弱光纤光栅传感技术而言，弯曲不敏感光纤的设计和制备很有必要。弯曲不敏感光纤的设计主要通过增加芯层和包层折射率差使光能更加有效地束缚在纤芯中传播。一种内包层折射率下陷分布的弯曲不敏感光纤很好地解决了上述问题。然而，对光敏光纤而言，尤其是用于单脉冲刻写光栅，折射率下陷沟槽会较大程度的吸收和反射掉部分刻写光，从而难制备出单脉冲反射率相对较大的光纤光栅。显然，包层带折射率下陷沟槽分布的弯曲不敏感光敏光纤并不适用在线动态制备弱光纤光栅阵列。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中硼锗共掺光敏光纤传输损耗大，不适用制备长距离、大容量弱光纤光栅传感阵列，标准折射率分布的光纤小半径弯曲损耗大的缺点，以及折射率带下陷沟槽的弯曲不敏感光纤不适用于制备单脉冲光栅的缺陷，提供一种结合掺锗光纤的芯层折射率高、单脉冲光敏性能好的独有特性的用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤，该光纤的类型为掺锗型，折射率分布类型为阶跃型，光纤的芯层中掺入锗的重量百分比含量为6.5％-9％，芯层折射率相对于包层增加值为0.5％-0.7％，光纤的弯曲损耗小于0.1dB。

进一步地，本发明的光纤在1550nm波长的模场直径为8μm，在1330nm波长的传输损耗为0.45dB/km-0.65dB/km，1550nm波长的传输损耗小于0.25dB/km。

进一步地，本发明的光纤在激光能量密度为100mJ/cm²-600mJ/cm²范围内的单激光脉冲作用下能形成反射率0.1％-2％的弱光纤光栅。

本发明提供一种用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤的制作方法，包括以下步骤：

S1、在光纤的芯层中掺入重量百分比为6.5％-9％的锗元素，控制光纤的纤芯折射率增大值为0.5％-0.7％；

S2、通过PECVD工艺进行芯层沉积，结合套管法将芯层和套杆融缩制得预制棒；在芯层的沉积过程中通入一定比例的氧气，并控制融缩过程中的融缩孔径；

S3、进行低温光纤拉丝，控制拉丝张力在设定范围内，得到弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤。

进一步地，本发明的步骤S2中芯层沉积过程的条件具体为：

通入氧气时控制氧硅比为3.5-4.5的范围，在融缩过程中，控制融缩孔径为2mm。

进一步地，本发明的步骤S3中进行光纤拉丝的条件具体为：

光栅拉丝速度控制在10-30m/min，拉丝张力为20-100克。

本发明产生的有益效果是：本发明的用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤，以掺锗型光敏光纤为基础，采用阶跃型折射率分布设计，通过优化芯层中锗元素的掺杂浓度，确保纤芯折射率增大值Δ在0.5％-0.7％，光纤在1550nm波长的模场直径为8.0μm左右，1550nm的传输损耗为小于0.25dB/km，该光纤具有较好的单脉冲光敏性，在25mJ(激光能量密度100mJ/cm²-600mJ/cm²)的193nm单激光脉冲作用下能形成反射率0.1％—2％的弱光纤光栅；同时其弯曲损耗小于0.1dB，该光纤能很好地满足单激光脉冲刻写反射率0.1％-2％的弱光栅阵列，能用于大容量、长距离传感阵列。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤的一种实例的弯曲不敏感光纤剖面折射率分布设计图；

图2是本发明实施例的用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤的弯曲不敏感光敏光纤剖面折射率分布设计图；

图3是本发明实施例的用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤的光敏光纤不同能量密度的单激光脉冲照射形成的光栅反射谱(a)；

图4是本发明实施例的用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤的光敏光纤不同能量密度的单激光脉冲照射形成的光栅反射谱(b)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤，该光纤的类型为掺锗型，折射率分布类型为阶跃型，光纤的芯层中掺入锗的重量百分比含量为6.5％-9％。

芯层折射率相对于包层增加值为0.5％-0.7％。该光纤在1550nm波长的模场直径为8μm，在1330nm波长的传输损耗为0.45dB/km-0.65dB/km，1550nm波长的传输损耗小于0.25dB/km。该光纤弯曲损耗小于0.1dB。该光纤在激光能量密度为100mJ/cm²-600mJ/cm²范围内的单激光脉冲作用下能形成反射率0.1％-2％的弱光纤光栅。

如图1所示，常规弯曲不敏感光纤剖面折射率分布，其包层带折射率下陷沟槽。为了尽量减少或消除与标准光纤间的耦合损耗，需要保证光纤与标准光纤有一致的模场直径，芯层折射率增大值Δ1一般控制在0.35％左右，同时r₂/r₁约3.5左右，所以，从纤芯折射率看，该弯曲不敏感光纤与标准通讯光纤没有什么差别，然而，纤芯与包层主体间相对较小的折射率差对于光纤中传播的光能而言，光能量并不能严格地束缚在纤芯中，大约有百分之十几的光能量穿过芯层与包层界面进入包层中传播，一旦光纤弯曲程度达到光能消逝条件，这部分光能量极易在传播中消逝，从而造成光纤较大的传输损耗。为了有效保证包层中的光能在弯曲的光纤中传播不消逝，在光纤包层中重新加入一个光传播约束条件——包层折射率下陷沟槽，形成一个内包层反射界面。通常，包层折射率下陷沟槽增加值Δ2一般控制在-0.3％左右，r3/r1约5.5左右。包层折射率下陷沟槽在很好地保证光纤较小半径弯曲时包层中传播的光能仍约束在内包层中传播，同时又能保证该光纤在与标准光纤耦合时具有相同的模场直径。

然而，对于侧向曝光刻写光栅而言，尤其是单脉冲刻写光栅，包层折射率下陷沟槽的存在，导致刻写光到达下陷沟槽的外界面时部分被反射掉，同时在设计制备下陷沟槽采用掺氟等工艺，该下陷层对刻写光具有较强的吸收性能，因此只有少量的刻写光到达芯层，造成单脉冲刻写光栅反射率极低。

如图2所示，本发明实施例采用的弯曲不敏感光敏光纤剖面折射率分布设计。为了消除包层折射率下陷沟槽对侧向曝光的负面影响，在不考虑光纤与标准光纤耦合损耗的前提下，直接采用高的纤芯折射率方法实现光纤弯曲不敏感特性。由于纤芯中锗元素掺入可以提高纤芯折射率，同时在确保光纤传输损耗控制在理想范围内并获得较好的单脉冲光敏感性。

通过优化芯层中锗元素含量，芯层中锗掺入重量百分比控制在6.5％—9％左右，确保纤芯折射率增大值Δ在0.5％-0.7％，得到图2所示的掺锗型弯曲不敏感光敏光纤的折射率分布；采用PECVD工艺进行芯层沉积，结合套管法将芯层与套管融缩制得预制棒。锗元素是通过四氯化锗和氧气进行化学反应的方法掺入，在芯层的沉积过程中通入一定比例的氧气，并控制氧硅比为3.5-4.5范围，在融缩过程中，控制融缩孔径为2mm；考虑到在线刻写光栅拉丝速度通常控制在10-30m/min，拉丝温度通常控制在较低，确保拉丝张力在20-100克左右，此条件下制备的光纤截止波长在1450±50nm范围内，且光纤的1550nm的模场直径在8.0μm左右，光纤在1550nm波长的传输损耗在小于0.25dB/km。

如图3和图4所示，本发明实施例的光敏光纤在不同能量密度的单激光脉冲照射下形成的光栅反射谱。通过计算可得激光能量密度200mJ/cm²下制备的光栅反射率约0.2％，激光能量密度400mJ/cm²下制备的光栅反射率约0.65％。该光纤具有较好的单脉冲光敏性，在25mJ的单激光脉冲作用下能形成反射率0.1％—2％的弱光纤光栅；同时其弯曲损耗小于0.1dB(R＝7.5mm 1turn@1550nm)，该光纤能很好地满足单激光脉冲刻写反射率0.1％-2％的弱光栅阵列，用于大容量、长距离传感阵列，特别适用于空间紧凑且需要小半径弯曲的传感场合。

本发明实施例的用于在线制备弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤的制作方法，包括以下步骤：

S1、在光纤的芯层中掺入重量百分比为6.5％-9％的锗元素，控制光纤的纤芯折射率增大值为0.5％-0.7％；

S2、通过PECVD工艺进行芯层沉积，结合套管法将芯层和套杆融缩制得预制棒；在芯层的沉积过程中通入一定比例的氧气，并控制融缩过程中的融缩孔径；控制氧硅比为3.5-4.5范围，在融缩过程中，控制融缩孔径为2mm；考虑到在线刻写光栅拉丝速度通常控制在10-30m/min，拉丝温度通常控制在较低，确保拉丝张力在20-100克左右，此条件下制备的光纤截止波长在1450±50nm范围内，且光纤的1550nm的模场直径在8.0μm左右，光纤在1550nm波长的传输损耗在小于0.25dB/km。

S3、进行低温光纤拉丝，控制拉丝张力在设定范围内，得到弱光栅阵列的弯曲不敏感光敏光纤。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。