低損耗耐高溫光纖的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于光纖通信、光纖傳感及光纖傳能等領(lǐng)域的低損耗耐高溫光纖，該光纖由玻璃芯層，圍繞著芯層外表面的玻璃包層，置于包層上的聚合物涂層以及置于聚合物涂層上的金屬涂層組成?？蛇x擇地，在聚合物涂層和金屬涂層之間設(shè)置一層粘結(jié)層，使得金屬涂層更牢固地與聚合物涂層結(jié)合在一起。本發(fā)明中提出的具有金屬涂層的低損耗耐高溫光纖與未涂覆金屬涂層時的傳統(tǒng)聚合物涂層光纖相比，在不明顯改變光纖各種光學(xué)性能和機械強度的情況下能夠?qū)⒐饫w的最高工作溫度提高50℃～300℃。
【專利說明】低損耗耐高溫光纖

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖通信、光纖傳感及光纖傳能等【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及在傳統(tǒng)光纖聚 合物涂層上具有金屬外涂層的低損耗耐高溫光纖。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了滿足高溫環(huán)境下的使用需要，光纖必須保持與常溫及通常使用環(huán)境下的一致 或近似的光學(xué)性能、機械強度及可靠性。
[0003] 常規(guī)光纖的涂層為聚合物材料，包括丙烯酸酯、高溫丙烯酸酯、液晶、特氟龍、ETFE 和聚酰亞胺材料。此類光纖在光波長1310nm和1550nm的光損耗小，一般小于0· 5dB/km。 丙烯酸酯涂層的光纖廣泛用于光纖通訊，其能夠正常工作的最高溫度是85°C。在溫度超 過85°C時，丙烯酸酯涂層會嚴重老化甚至失效，表現(xiàn)為涂層顏色發(fā)黃、變黑，機械強度減弱 直至失去對光纖的保護作用，容易引起光纖斷裂，無法滿足高溫環(huán)境下光纖傳輸?shù)目煽啃?要求。具有高溫丙烯酸酯、液晶或聚酰亞胺涂層的光纖最高工作溫度分別是150°C、180°C 和300°C，當(dāng)環(huán)境溫度超過這些光纖的最高工作溫度時，光纖的機械強度也會減弱，嚴重時 引起光纖斷裂。與聚合物涂層耐高溫光纖相關(guān)的詳細信息在專利號為CN201310151641、 CN201410017136等的專利中已經(jīng)有所描述，這些專利對聚合物涂層光纖在耐高溫方面都做 了不同程度的改進。
[0004] 在高溫環(huán)境下所使用的光纖通常是在玻璃包層上直接涂覆金屬涂層。目前，金屬 涂層的材料有鋁、銅、銅合金、銀以及金等。使用鋁、銅及銅合金作為金屬涂層材料時，光纖 的最高工作溫度可達400°c。使用銀、金作為金屬涂層材料時，光纖的最高工作溫度可達 700°C。與金屬涂層耐高溫光纖相關(guān)的信息在專利號為CN201110046035等的專利中有所 描述。但是金屬涂層由于其硬度遠大于聚合物涂層的硬度，而且金屬涂層的熱膨脹系數(shù)與 玻璃包層的相比相差更大，在光纖上產(chǎn)生了嚴重的微彎曲效應(yīng)，導(dǎo)致金屬涂層光纖的光損 耗增大。在1310nm和1550nm波長，金屬涂層光纖的光損耗可高達5dB/km以上。此損耗限 制了這些金屬涂層光纖的使用長度，一般僅在200米以內(nèi)。但在很多光傳感應(yīng)用中，如稠油 井，其井深常常是2000米以上，井內(nèi)溫度在300°C以上，用于井內(nèi)溫度和壓力傳感的光纖就 不能使用金屬涂層光纖（光損耗太大），也不能使用聚酰亞胺涂層光纖（工作環(huán)境溫度大于 其能承受的溫度）。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)聚合物涂層光纖和金屬涂層光纖存在的 不足，提出具有與傳統(tǒng)聚合物涂層光纖同樣優(yōu)異的光學(xué)性能和與傳統(tǒng)金屬涂層光纖同樣優(yōu) 異的一種耐高溫特性的光纖。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的低損耗耐高溫光纖具有以下結(jié)構(gòu)：
[0007] 芯層，由折射率較高的玻璃材料組成，光將在芯層內(nèi)進行傳輸；
[0008] 包層，由折射率較低的玻璃材料組成，用于將光限制在芯層內(nèi)進行全反射傳輸；
[0009] 聚合物涂層，沿著芯層縱向軸線方向包覆在玻璃包層外表面，用于保護芯層和包 層；
[0010] 金屬涂層，沿著芯層縱向軸線方向包覆在聚合物涂層外表面，以隔離聚合物涂層 與空氣之間的接觸。
[0011] 所述芯層和包層的玻璃材料包括但不限于石英玻璃、硫系玻璃、氟系玻璃。所述芯 層直徑為1 μ m以上，圍繞芯層的包層單邊厚度為5 μ m及以上。
[0012] 可優(yōu)選的，所述聚合物涂層為一層、兩層或兩層以上。
[0013] 所述聚合物涂層的材料包括但不限于丙烯酸酯、高溫丙烯酸酯、液晶、特氟龍、 ETFE或聚酰亞胺材料，每一層的所述聚合物涂層材料為同一材料。單層所述聚合物涂層的 厚度為5μπι及以上。
[0014] 同樣可優(yōu)選的，所述金屬涂層的層數(shù)為一層、兩層或兩層以上。
[0015] 所述金屬涂層材料包括但不限于鋁、銅、銅-鎳、銀、金、鉬、鎢金屬，或前述金屬合 金，每一層所述金屬涂層為相同組分的材料。
[0016] 所述金屬涂層，是通過包括但不限于化學(xué)氣相沉積鍍膜法、真空蒸發(fā)鍍膜法、真空 濺射鍍膜法、真空離子鍍膜法或原子層沉積法依次包覆在所述聚合物涂層外表面上。所述 的一層、兩層或兩層以上的金屬涂層，單層厚度為50nm或以上。
[0017] 最優(yōu)選的，在所述聚合物涂層外表面、與其相鄰的所述金屬涂層內(nèi)表面之間涂覆 一層粘結(jié)層，使金屬涂層更牢固地與聚合物涂層粘結(jié)在一起。所述粘結(jié)層，所用材料包括但 不局限于鈦或鈦的同族元素，厚度為5nm及以上；粘結(jié)層是通過包括但不限于化學(xué)氣相沉 積鍍膜法、真空蒸發(fā)鍍膜法、真空濺射鍍膜法、真空離子鍍膜法或原子層沉積法包覆在所述 的聚合物涂層外表面上。
[0018] 本發(fā)明中提出的具有金屬涂層的低損耗耐高溫光纖與未涂覆金屬涂層時的傳統(tǒng) 光纖相比，在不明顯改變光纖各種光學(xué)性能和機械強度的情況下能夠?qū)⒐饫w的最高工作溫 度提高50°C?300°C。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體說明。
[0020] 圖1為根據(jù)一個實施例在聚合物涂層上具有金屬涂層的低損耗耐高溫光纖的橫 截面示意圖。
[0021] 圖2為根據(jù)另一個實施例在聚合物涂層上具有粘結(jié)層和金屬涂層的低損耗耐高 溫光纖的橫截面不意圖。

【具體實施方式】
[0022] 在此描述的光纖涉及用于光纖通信、光纖傳感及光纖傳能等領(lǐng)域的低損耗耐高溫 光纖。所述的低損耗耐高溫光纖包括玻璃芯層，圍繞在芯層外表面的玻璃包層，置于包層上 的聚合物涂層以及置于聚合物涂層上的金屬涂層，可選擇地，可在聚合物涂層和金屬涂層 之間設(shè)置一層粘結(jié)層。
[0023] 以下通過實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0024] 實施例1
[0025] 如圖1所示為在聚合物涂層104上具有金屬涂層106的低損耗耐高溫光纖101的 橫截面不意圖。光纖101具有芯層102、圍繞在芯層102外表面的包層103、置于包層103 外表面的聚合物涂層104以及置于聚合物涂層104上的金屬涂層106。
[0026] 芯層102位于光纖101的中心，芯層102的直徑可為Ιμπι以上。包層103沿著芯 層102縱向軸線方向設(shè)置在芯層102的外表面，包層103的單邊厚度可在5 μ m及以上。芯 層102的折射率大于包層103的折射率，光被包層103限制在芯層102內(nèi)進行全反射傳輸。 芯層102和包層103的材料包括但不限于石英玻璃、硫系玻璃、氟系玻璃等。聚合物涂層 104沿著芯層102縱向軸線方向被設(shè)置在包層103的外表面。聚合物涂層104可以為組分 一致的一層涂層或者是組分不一致的兩層或兩層以上涂層，一層、兩層或兩層以上聚合物 涂層104的每層單邊厚度在5 μ m及以上。聚合物涂層104材料包括但不限于丙烯酸酯、高 溫丙烯酸酯、液晶、特氟龍、ETFE以及聚酰亞胺材料等。聚合物涂層104采用加熱固化、紫 外固化或輻照固化燈方式將其包覆在包層103的外表面上。
[0027] 金屬涂層106沿著芯層102縱向軸線方向包覆于聚合物涂層104的外表面，金屬 涂層106材料包括但不限于鋁、銅、銅-鎳、銀、金、鉬、鎢等穩(wěn)定性能優(yōu)異的金屬元素或者合 金。金屬涂層106為一層、兩層或兩層以上。單個一層金屬涂層的材料成分相同、不同層的 金屬涂層材料可以相同，也可以不同。單層金屬涂層的厚度為大于或等于50nm，以使聚合 物涂層104可與空氣隔離，避免聚合物涂層104氧化或碳化。單層或多層（兩層或兩層以 上）的金屬涂層106中的每一層是通過但不限于化學(xué)氣相沉積鍍膜法、真空蒸發(fā)鍍膜法、真 空濺射鍍膜法、真空離子鍍膜法、原子層沉積法等方法依次包覆在聚合物涂層104上。
[0028] 實施例2
[0029] 如圖2所示為在聚合物涂層204上具有粘結(jié)層205和金屬涂層206的低損耗耐高 溫光纖201的橫截面示意圖。光纖201具有芯層202、圍繞著芯層202外表面的包層203、 置于包層203外表面的聚合物涂層204、位于聚合物涂層204外表面的粘結(jié)層205以及置于 粘結(jié)層205外表面的金屬涂層206。
[0030] 芯層202位于光纖201的中心，芯層202的直徑為1 μ m以上。包層203被沿著芯 層202縱向軸線方向設(shè)置在芯層202的外表面，包層203的單邊厚度在5 μ m及以上。芯層 202的折射率大于包層203的折射率，光被包層203限制在芯層202內(nèi)進行全反射傳輸。芯 層202和包層203的材料包括但不限于石英玻璃、硫系玻璃、氟系玻璃等。聚合物涂層204 沿著芯層202縱向軸線方向被設(shè)置在包層203的外表面，聚合物涂層204可以為材料組分 一致的一層涂層或者是組分不一致的多層（兩層或兩層以上）涂層，一層或多層（兩層或 兩層以上）聚合物涂層204的單邊厚度可在5 μ m及以上。聚合物涂層204材料包括但不 限于丙烯酸酯、高溫丙烯酸酯、液晶、特氟龍、ETFE以及聚酰亞胺材料等。聚合物涂層204可 采用加熱固化或紫外固化方式將其包覆在包層203的外表面上。
[0031] 粘結(jié)層205沿著芯層202縱向軸線方向被設(shè)置在涂覆層204的外表面。粘結(jié)層 205材料包括但不局限于鈦或鈦的同族元素，粘結(jié)層205的厚度可為5nm及以上。粘結(jié)層 205可通過但不限于化學(xué)氣相沉積鍍膜法、真空蒸發(fā)鍍膜法、真空濺射鍍膜法、真空離子鍍 膜法、原子層沉積法等方法包覆在聚合物涂層204上。粘結(jié)層205的主要作用是使金屬涂 層206更牢固地與聚合物涂層204粘結(jié)在一起。
[0032] 金屬涂層206沿著芯層202縱向軸線方向包覆在粘結(jié)層205的外表面，金屬涂層 206的材料包括但不限于鋁、銅、銅-鎳、銀、金、鉬、鎢等穩(wěn)定性能優(yōu)異的金屬元素或者合 金。金屬涂層206的層數(shù)為一層、兩層或兩層以上。單個一層金屬涂層206的材料成分相 同、不同層的金屬涂層材料可以相同，也可以不同。其單層金屬涂層的厚度為大于或等于 50nm，以使聚合物涂層204可與空氣隔離，避免聚合物涂層204氧化或碳化。單層或多層 (兩層或兩層以上）的金屬涂層206中的每一層是通過但不限于化學(xué)氣相沉積鍍膜法、真 空蒸發(fā)鍍膜法、真空濺射鍍膜法、真空離子鍍膜法、原子層沉積法等方法依次包覆在粘結(jié)層 205 上。
[0033] 光纖的最高工作溫度主要取決于光纖最外面的涂層材料。本發(fā)明中光纖的金屬涂 層包覆在聚合物涂層的外表面主要有以下兩個優(yōu)點，一是將聚合物涂層與空氣隔離、甚至 完全隔離開，避免光纖的聚合物涂層在高溫環(huán)境下與空氣接觸后發(fā)生氧化反應(yīng)或碳化，因 此避免了聚合物涂層發(fā)黃、變黑、機械強度弱化直至失去對光纖的保護作用，從而可以提高 光纖的最高工作溫度。二是在提高光纖最高工作溫度的同時，金屬涂層未直接與玻璃包層 材料相接觸，避免了由于其硬度遠大于聚合物涂層的硬度以及其熱膨脹系數(shù)與玻璃包層材 料相比相差更大所產(chǎn)生的較大微彎曲效應(yīng)，不會明顯提高光纖的衰減值，因此可以大大提 高光纖在高溫及惡劣環(huán)境下的使用長度。
[0034] 本發(fā)明中提出的在聚合物涂層上具有金屬涂層的低損耗耐高溫光纖與未涂覆金 屬涂層僅具有聚合物涂層的傳統(tǒng)光纖相比，在不明顯增大光纖衰減值的情況下能夠?qū)⒐饫w 的最高工作溫度提高50°C?300°C。
[0035] 最后所應(yīng)說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對 本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1. 一種低損耗耐高溫光纖，其特征在于，包括： 芯層，由折射率較高的玻璃材料組成，光將在芯層內(nèi)進行傳輸； 包層，由折射率較低的玻璃材料組成，用于將光限制在芯層內(nèi)進行全反射傳輸； 聚合物涂層，沿著芯層縱向軸線方向包覆在玻璃包層外表面，用于保護芯層和包層； 金屬涂層，沿著芯層縱向軸線方向包覆在聚合物涂層外表面，以隔離聚合物涂層與空 氣之間的接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗耐高溫光纖，其特征在于，所述的芯層和包層的玻璃 材料包括但不限于石英玻璃、硫系玻璃、氟系玻璃。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗耐高溫光纖，其特征在于，光纖的芯層直徑為1 μ m以 上，圍繞芯層的包層單邊厚度為5 μ m及以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗耐高溫光纖，其特征在于，所述聚合物涂層的層數(shù)為 一層、兩層或兩層以上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的低損耗耐高溫光纖，其特征在于所述聚合物涂層的材料包括 但不限于丙烯酸酯、高溫丙烯酸酯、液晶、特氟龍、ETFE或聚酰亞胺材料，每一層的所述聚合 物涂層材料為相同組分的材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求要求4或5所述的低損耗耐高溫光纖，其特征在于，單層所述聚合物涂 層的厚度為5μπι及以上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗耐高溫光纖，其特征在于，所述金屬涂層的層數(shù)為一 層、兩層或兩層以上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的低損耗耐高溫光纖，其特征在于，所述金屬涂層材料包括但 不限于鋁、銅、銅-鎳、銀、金、鉬、鎢金屬，或前述金屬合金，單層所述金屬涂層為相同組分 的材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的低損耗耐高溫光纖，其特征在于，所述金屬涂層，是通過包括 但不限于化學(xué)氣相沉積鍍膜法、真空蒸發(fā)鍍膜法、真空濺射鍍膜法、真空離子鍍膜法或原子 層沉積法依次包覆在所述聚合物涂層外表面上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的低損耗耐高溫光纖，其特征在于，所述的一層、兩層或兩層 以上的金屬涂層，每層厚度為50nm或以上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗耐高溫光纖，其特征在于，在所述聚合物涂層外表 面、與其相鄰的所述金屬涂層內(nèi)表面之間涂覆一層粘結(jié)層，以使所述金屬涂層更牢固地與 聚合物涂層粘結(jié)在一起。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的低損耗耐高溫光纖，其特征在于，所述粘結(jié)層，所用材料包括但 不限于鈦或鈦的同族元素，厚度為5nm及以上；所述粘結(jié)層是通過包括但不限于化學(xué)氣相 沉積鍍膜法、真空蒸發(fā)鍍膜法、真空濺射鍍膜法、真空離子鍍膜法或原子層沉積法包覆在所 述的聚合物涂層外表面上。
【文檔編號】G02B6/02GK104155716SQ201410400444
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】徐巍, 張栓民, 葉亞楠, 王靜 申請人:武漢北方光電科技有限公司