一种宽频带低色散的光导纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及光导纤维技术领域，具体为一种宽频带低色散的光导纤维及其制备方法。

背景技术

光导纤维通信是信息社会的技术基础，发展光导纤维通信新技术意义重大，为了满足社会需求，低色散光导纤维逐步进入人们视野，其增益高、噪声性能好、输出功率高等优点深受人们喜爱；然而由于金属有限的电导率以及电介质高的吸收系数材料，造成了传统低色散光导纤维都不能用来长距离传输较宽范围频带波长，从而对光导纤维的使用具有一定的限制。

为了保护光导纤维正常使用，以免损坏光导纤维线芯，目前常采用聚乙烯作为护套料。聚乙烯具有质轻、弯曲强度大、摩擦系数小等优点，但是这种管材还存在诸多缺点，如耐光老化性能差，在长期紫外照射下，聚乙烯分子链发生断裂、交联、降解，寿命较短，常常需要后期维护，大大增加成本，造成不必要的浪费，目前，为改善聚乙烯光老化性能，主要采用填料措施，不仅造成工艺成本的上升，还会影响光导纤维的使用，因此，如何发明一种宽频、耐光老化的光导纤维尤其重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽频带低色散的光导纤维及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种宽频带低色散的光导纤维，其特征在于，从内至外依次为线芯、陶瓷层、紫外屏蔽薄膜；所述线芯为低色散光学玻璃。

进一步的，所述陶瓷层依次通过第一次沉积工艺、第二次沉积工艺、烧结工艺等步骤制得。

进一步的，所述第一次沉积工艺：利用热丝化学气相沉积，并且在微波放电的帮助下，在线芯表面快速沉积硅碳氮薄膜，制得硅碳氮薄膜线芯；所述第二次沉积工艺：利用直流电场-等离子辅助脉冲激光沉积氮化硼薄膜，制得氮化硼薄膜线芯。

进一步的，所述紫外屏蔽薄膜由以下方法制得，在陶瓷层经预处理后，表面旋涂碳量子点溶液，利用3,6-辛二醇、丙烯酸叔丁基酯和双(2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)胺对其进行改性处理。

进一步的，一种宽频带低色散的光导纤维的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)第一次沉积工艺：将低色散光学玻璃抛光加工，制得直径为5～15mm的线芯，用丙酮于25～35kHz超声清洗18～30min后，置于微波放电系统中，抽真空至0.02～0.1Pa，按流量比1:1:10:12～1:1:15:18通入甲硅烷、甲烷、氢气和氮气，通入至气压为20～40MPa，加热至400～600℃，沉积22～41min，得硅碳氮薄膜线芯；

(2)第二次沉积工艺：将硅碳氮薄膜线芯置于等离子设备中，抽真空至20～40Pa，氩气氛围下，预溅射10～13min后，置于激光设备中，激光设备连接直流电场，抽真空至10

(3)烧结工艺：将氮化硼薄膜线芯置于容器中，氮气氛围、10～50MPa的压力下，以10～20℃/min升温至400～650℃，保温25～40min后，以1～10℃/min升温至800～1000℃，再拉丝得含陶瓷层线芯；

(4)改性处理：将含陶瓷层线芯经预处理后，以2000～2500rmp/min旋涂碳量子点溶液，碳量子点溶液中碳量子点和甲苯的质量比为1:8～1:12，旋涂40～60s后，于70～80℃干燥1～2h后，浸泡于含陶瓷层线芯质量10～15倍的无水乙醇，加入含陶瓷层线芯质量0.1～0.3倍的3,6-辛二醇，于30～40kHz超声混合10～20min，再置于对位聚苯衬里水热反应釜中，升温至170～180℃，保温1～2h后，冷却至室温，得改性光导纤维；

(5)二次改性处理：将改性光导纤维置于容器中，加入改性光导纤维质量0.8～1.2倍的丙烯酸叔丁基酯和改性光导纤维质量0.001～0.006倍的四异丙基钛酸酯，氮气保护下，升温至170～180℃，反应8～10h后，用去离子水洗涤3～6次；再加入改性光导纤维质量0.6～1.1倍的甲醇和改性光导纤维质量1.3～1.7倍的双(2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)胺，搅拌均匀后，升温至40～50℃，反应10～12h，再于0.1～0.3MPa、50～60℃蒸馏1～3h，冷却至室温，70～80℃干燥2～4h得宽频带低色散的光导纤维。

进一步的，步骤(1)所述微波放电系统的频率为2400～2500MHz，功率为100～200W。

进一步的，步骤(2)所述等离子体溅射功率为100～150W。

进一步的，步骤(2)所述激光设备：靶材和基底距离为5～10cm，激光密度为12～25J/cm

进一步的，步骤(3)所述拉丝速率为1～4mm/min；所述含陶瓷层线芯直径为115～125μm。

进一步的，步骤(4)所述预处理：将含陶瓷层线芯用洗洁精与脱脂棉清洗3～6次，然后依次用去离子水、丙酮、异丙醇和无水乙醇于25～30kHz超声7～14min，再于60～80℃、0.01～0.03MPa真空干燥30～45min后，置于容器中，以30～40mL/min通入臭氧，通入20～30min后，在含陶瓷层线芯上方10～20mm处，用功率为5～10W、波长为253.7nm的紫外灯照射，处理15～20min。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明依次通过第一次沉积工艺、第二次沉积工艺、放电等离子烧结工艺、改性处理等步骤制备光导纤维，以实现耐光老化、宽频的功能。

首先，本发明利用低色散玻璃为芯材，先进行第一次沉积工艺，利用热丝化学气相沉积，并且在微波放电的帮助下，产生非磁化高活化氮反应，在低色散玻璃表面快速沉积硅碳氮薄膜；然后进行第二次沉积工艺，利用直流电场-等离子辅助脉冲激光沉积氮化硼薄膜；在电场作用下，氮化硼表面产生大量带电粒子，由于等离子体提供活性气体环境，带电粒子在活性环境中发生反应，从而表面带有丰富的活性基团，容易沉积于硅碳氮薄膜表面，此外，激光赋予带电粒子较高能量，对硅碳氮薄膜表面产生高效轰击，其生成的热量大大促进了氮化硼在硅碳氮薄膜表面的扩散和渗透；最后进行烧结工艺，使氮化硼和硅碳氮之间熔融粘结，形成致密化的夹层陶瓷层，硅碳氮薄膜和氮化硼薄膜介电常数和介电损耗较低，共同作用拓宽光导纤维频带，同时，陶瓷层的夹层结构使光导纤维产生的反射在在一定频带范围内能相互抵消，从而提高光导纤维的宽频性能。

其次，在陶瓷层经预处理后，表面旋涂碳量子点溶液，初步形成紫外屏蔽薄膜，然后进行改性处理，利用3,6-辛二醇的羟基与碳量子点表面的含氧基团反应，将其接枝于碳量子点表面，3,6-辛二醇剩余的羟基与丙烯酸叔丁基酯的酯基反应，再将丙烯酸叔丁基酯的双键与双(2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)胺的亚氨基反应，从而在碳量子点薄膜之上形成光稳定膜，进一步减少光导纤维对紫外线的吸收，有效延缓光导纤维的光老化现象，延长其使用寿命，此外，3,6-辛二醇、丙烯酸叔丁基酯与双(2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)胺形成的较大共轭体系，促使光导纤维表面的紫外屏蔽薄膜再生，稳定存在，有效提高光导纤维的耐光老化性能。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

为了更清楚的说明本发明提供的方法通过以下实施例进行详细说明，在以下实施例中制作的光导纤维的各指标测试方法如下：

宽频：取长度相同的光导纤维进行宽频效果测试，在0.2～2.0GHz频率下用光功率计测量光导纤维末端及初始端的光功率，计算吸收损耗值，取其平均值；吸收损耗值＝初始端光功率-末端光功率。

耐光老化：取长度相同的光导纤维进行耐光老化效果测试，将光导纤维距离紫外灯下3cm处，于室温下照射光老化20h后，用谱损测试仪进行测量，计算损耗变化率；损耗变化率＝(老化后的损耗-老化签的损耗)/老化前的损耗×100％。

实施例1

一种宽频带低色散的光导纤维的制备方法，所述宽频带低色散的光导纤维的制备方法包括以下制备步骤：

(1)第一次沉积工艺：将低色散光学玻璃抛光加工，制得直径为5mm的线芯，用丙酮于25kHz超声清洗30min后，置于频率为2400MHz、功率为100W的微波放电系统中，抽真空至0.02Pa，按流量比1:1:10:12通入甲硅烷、甲烷、氢气和氮气，通入至气压为20MPa，加热至400℃，沉积41min，得硅碳氮薄膜线芯；

(2)第二次沉积工艺：将硅碳氮薄膜线芯置于功率为100W的等离子设备中，抽真空至20Pa，氩气氛围下，预溅射10min后，置于激光设备中，激光设备连接200V的直流电场，抽真空至10

(3)烧结工艺：将氮化硼薄膜线芯置于容器中，氮气氛围、10MPa的压力下，以10℃/min升温至400℃，保温40min后，以1℃/min升温至800℃，再以1mm/min拉丝得直径为115μm的含陶瓷层线芯；

(4)改性处理：将含陶瓷层线芯用洗洁精与脱脂棉清洗3次，然后依次用去离子水、丙酮、异丙醇和无水乙醇于25kHz超声14min，再于60℃、0.01MPa真空干燥30min后，置于容器中，以30mL/min通入臭氧，通入30min后，在含陶瓷层线芯上方10mm处，用功率为5W、波长为253.7nm的紫外灯照射，处理20min后，以2000rmp/min旋涂碳量子点溶液，碳量子点溶液中碳量子点和甲苯的质量比为1:8，旋涂60s后，于70℃干燥2h后，浸泡于含陶瓷层线芯质量10倍的无水乙醇，加入含陶瓷层线芯质量0.1倍的3,6-辛二醇，于30kHz超声混合20min，再置于对位聚苯衬里水热反应釜中，升温至170℃，保温2h后，冷却至室温，得改性光导纤维；

(5)二次改性处理：将改性光导纤维置于容器中，加入改性光导纤维质量0.8倍的丙烯酸叔丁基酯和改性光导纤维质量0.001倍的四异丙基钛酸酯，氮气保护下，升温至170℃，反应10h后，用去离子水洗涤3次；再加入改性光导纤维质量0.6倍的甲醇和改性光导纤维质量1.3倍的双(2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)胺，搅拌均匀后，升温至40℃，反应12h，再于0.1MPa、50℃蒸馏3h，冷却至室温，70℃干燥4h得宽频带低色散的光导纤维。

实施例2

一种宽频带低色散的光导纤维的制备方法，所述宽频带低色散的光导纤维的制备方法包括以下制备步骤：

(1)第一次沉积工艺：将低色散光学玻璃抛光加工，制得直径为15mm的线芯，用丙酮于35kHz超声清洗18min后，置于频率为2500MHz、功率为200W的微波放电系统中，抽真空至0.1Pa，按流量比1:1:15:18通入甲硅烷、甲烷、氢气和氮气，通入至气压为40MPa，加热至600℃，沉积22min，得硅碳氮薄膜线芯；

(2)第二次沉积工艺：将硅碳氮薄膜线芯置于功率为150W的等离子设备中，抽真空至40Pa，氩气氛围下，预溅射13min后，置于激光设备中，激光设备连接400V的直流电场，抽真空至10

(3)烧结工艺：将氮化硼薄膜线芯置于容器中，氮气氛围、50MPa的压力下，以20℃/min升温至650℃，保温25min后，以10℃/min升温至1000℃，再以4mm/min拉丝得直径为125μm的含陶瓷层线芯；

(4)改性处理：将含陶瓷层线芯用洗洁精与脱脂棉清洗6次，然后依次用去离子水、丙酮、异丙醇和无水乙醇于30kHz超声7min，再于80℃、0.03MPa真空干燥45min后，置于容器中，以40mL/min通入臭氧，通入20min后，在含陶瓷层线芯上方20mm处，用功率为10W、波长为253.7nm的紫外灯照射，处理15min后，以2500rmp/min旋涂碳量子点溶液，碳量子点溶液中碳量子点和甲苯的质量比为1:12，旋涂40s后，于80℃干燥1h后，浸泡于含陶瓷层线芯质量15倍的无水乙醇，加入含陶瓷层线芯质量0.3倍的3,6-辛二醇，于40kHz超声混合10min，再置于对位聚苯衬里水热反应釜中，升温至180℃，保温1h后，冷却至室温，得改性光导纤维；

(5)二次改性处理：将改性光导纤维置于容器中，加入改性光导纤维质量1.2倍的丙烯酸叔丁基酯和改性光导纤维质量0.006倍的四异丙基钛酸酯，氮气保护下，升温至180℃，反应8h后，用去离子水洗涤6次；再加入改性光导纤维质量1.1倍的甲醇和改性光导纤维质量1.7倍的双(2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)胺，搅拌均匀后，升温至50℃，反应10h，再于0.3MPa、60℃蒸馏1h，冷却至室温，80℃干燥2h得宽频带低色散的光导纤维。

实施例3

一种宽频带低色散的光导纤维的制备方法，所述宽频带低色散的光导纤维的制备方法包括以下制备步骤：

(1)第一次沉积工艺：将低色散光学玻璃抛光加工，制得直径为10mm的线芯，用丙酮于30kHz超声清洗24min后，置于频率为2450MHz、功率为150W的微波放电系统中，抽真空至0.07Pa，按流量比1:1:13:16通入甲硅烷、甲烷、氢气和氮气，通入至气压为30MPa，加热至540℃，沉积31min，得硅碳氮薄膜线芯；

(2)第二次沉积工艺：将硅碳氮薄膜线芯置于功率为140W的等离子设备中，抽真空至30Pa，氩气氛围下，预溅射12min后，置于激光设备中，激光设备连接300V的直流电场，抽真空至10

(3)烧结工艺：将氮化硼薄膜线芯置于容器中，氮气氛围、30MPa的压力下，以14℃/min升温至580℃，保温33min后，以4℃/min升温至900℃，再以2mm/min拉丝得直径为120μm的含陶瓷层线芯；

(4)改性处理：将含陶瓷层线芯用洗洁精与脱脂棉清洗5次，然后依次用去离子水、丙酮、异丙醇和无水乙醇于28kHz超声12min，再于72℃、0.02MPa真空干燥39min后，置于容器中，以33mL/min通入臭氧，通入27min后，在含陶瓷层线芯上方15mm处，用功率为8W、波长为253.7nm的紫外灯照射，处理17min后，以2300rmp/min旋涂碳量子点溶液，碳量子点溶液中碳量子点和甲苯的质量比为1:10，旋涂53s后，于77℃干燥1.5h后，浸泡于含陶瓷层线芯质量12倍的无水乙醇，加入含陶瓷层线芯质量0.24倍的3,6-辛二醇，于35kHz超声混合14min，再置于对位聚苯衬里水热反应釜中，升温至176℃，保温1.5h后，冷却至室温，得改性光导纤维；

(5)二次改性处理：将改性光导纤维置于容器中，加入改性光导纤维质量1.07倍的丙烯酸叔丁基酯和改性光导纤维质量0.004倍的四异丙基钛酸酯，氮气保护下，升温至176℃，反应8～10h后，用去离子水洗涤4次；再加入改性光导纤维质量0.98倍的甲醇和改性光导纤维质量1.56倍的双(2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)胺，搅拌均匀后，升温至46℃，反应11h，再于0.2MPa、55℃蒸馏2h，冷却至室温，74℃干燥3h得宽频带低色散的光导纤维。

对比例1

对比例1与实施例3的区别仅在于步骤(1)的不同，将步骤(1)改为：将低色散光学玻璃抛光加工，制得直径为10mm的线芯，用丙酮于30kHz超声清洗24min后，置于容器中，抽真空至0.07Pa，按流量比1:1:13:16通入甲硅烷、甲烷、氢气和氮气，通入至气压为30MPa，加热至540℃，沉积31min，得硅碳氮薄膜线芯。其余制备步骤同实施例3

对比例2

对比例2与实施例3的区别仅在于步骤(2)的不同，将步骤(2)改为：将硅碳氮薄膜线芯置于激光设备中，激光设备连接300V的直流电场，抽真空至10

对比例3

对比例3与实施例3的区别仅在于步骤(2)的不同，将步骤(2)改为：将硅碳氮薄膜线芯置于功率为140W的等离子设备中，抽真空至30Pa，氩气氛围下，预溅射12min后，置于激光设备中，抽真空至10

对比例4

对比例4与实施例3的区别仅在于无步骤(3)，其余制备步骤同实施例3。

对比例5

对比例5与实施例3的区别仅在于步骤(4)的不同，将步骤(4)改为：将含陶瓷层线芯浸泡于含陶瓷层线芯质量12倍的无水乙醇，加入含陶瓷层线芯质量0.24倍的3,6-辛二醇，于35kHz超声混合14min，再置于对位聚苯衬里水热反应釜中，升温至176℃，保温1.5h后，冷却至室温，得改性光导纤维。其余制备步骤同实施例3。

对比例6

对比例6与实施例3的区别仅在于步骤(4)的不同，将步骤(4)改为：将含陶瓷层线芯用洗洁精与脱脂棉清洗5次，然后依次用去离子水、丙酮、异丙醇和无水乙醇于28kHz超声12min，再于72℃、0.02MPa真空干燥39min后，置于容器中，以33mL/min通入臭氧，通入27min后，在含陶瓷层线芯上方15mm处，用功率为8W、波长为253.7nm的紫外灯照射，处理17min后，以2300rmp/min旋涂碳量子点溶液，碳量子点溶液中碳量子点和甲苯的质量比为1:10，旋涂53s后，于77℃干燥1.5h后得改性光导纤维。

对比例7

对比例7与实施例3的区别仅在于步骤(5)的不同，将步骤(5)改为：将改性光导纤维置于容器中，加入改性光导纤维质量0.98倍的甲醇和改性光导纤维质量1.56倍的双(2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)胺，搅拌均匀后，升温至46℃，反应11h，再于0.2MPa、55℃蒸馏2h，冷却至室温，74℃干燥3h得宽频带低色散的光导纤维。其余制备步骤同实施例3。

效果例

下表1给出了采用本发明实施例1至3与对比例1至7的光导纤维的性能分析结果。

表1

从实施例与对比例的吸收损耗实验数据比较可发现，依次第一次沉积工艺、第二次沉积工艺、烧结工艺，在低色散玻璃表面形成均匀、致密的夹层陶瓷层，氮化硼薄膜和硅碳氮薄膜之间熔融粘结，交联紧密，且硅碳氮薄膜和氮化硼薄膜介电常数和介电损耗较低，共同作用拓宽光导纤维频带，同时，陶瓷层的夹层结构使光导纤维产生的反射在在一定频带范围内能相互抵消，从而提高光导纤维的宽频性能；从实施例与对比例的损耗变化率实验数据比较可发现，在光导纤维薄膜引入碳量子点薄膜，形成紫外屏蔽膜，同时利用3,6-辛二醇、丙烯酸叔丁基酯和双(2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)胺依次对其进行改性，在碳量子点薄膜基础上形成光稳定膜，进一步减少光导纤维对紫外线的吸收，有效延缓光导纤维的光老化现象，延长其使用寿命，又能促使光导纤维表面的紫外屏蔽薄膜再生，稳定存在，有效提高光导纤维的耐光老化性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。