碳涂覆层光纤的主要特点，制备方式和使用环境，应用于抗氢气氛侵蚀。 区别于常规密封用涂覆层，碳涂覆层具有优良的抗水汽和氢
侵蚀能力，那么碳涂敷层的结构特点和制备方式是怎么样的，相对于高聚物涂覆层，碳涂覆层的优缺点是什么？在通讯和传感行业，碳
涂覆层的具体应用又是怎样？下面让我们来探讨一下。
密封光纤是在玻璃光纤上制备有抗渗透（抗侵蚀）薄层。密封光纤可提高由光纤表面损伤造成的应力的稳定性，并抑制扩散氢进入到光
纤的纤芯。传统聚合物包层可一定程度阻挡液态水（水汽）但是不能隔绝水分子或更小的氢分子的扩散。水分子加速光纤芯玻璃表面在
疲劳退化过程中的裂纹扩展。氢原子能够在非抗侵蚀光纤中的纤芯中快速扩散并引起明显的光学损耗。水和氢渗透发生在典型的通信环
境中，当光纤在这种环境中使用时，会导致明显问题。另外，在油井中使用光纤记录数据时，光纤将会暴露在高的氢压力级别和高温
下，这种条件会使标准光纤快速失效。尽管很多材料被用作密封光纤，但目前看来碳涂覆层可能是最有效的解决方法。图1展示了具有
碳涂覆和单层高聚物涂覆层的单模光纤。
图1. 具有碳涂覆和聚合物光纤的单模光纤（碳涂覆层的厚度被夸张表示）
像碳这样的非延展性材料做抗渗透涂覆层，通常还需要用聚合物涂覆层去保护薄的抗渗透层以避免划痕或机械损伤。
历史上有许多材料被用作光纤的抗渗透层。有效的抗渗透层能够阻隔小分子扩散到相邻层。最近研究人员将光纤的抗渗透涂覆层材料聚
焦到金属喷涂层上。通过把光纤放入熔融金属池可以抵抗静态疲劳和氢渗透，对低损光纤做长距离的薄层金属涂覆很困难。厚金属层可
以避免针孔效应，但增加的厚度通常会导致微弯损伤。短的金属化的抗渗透密封涂层被成功的应用到光纤上，这种微弯损耗依旧存在，
但短距离应用，这种金属化涂覆层可以被工程师接受。
碳涂覆层光纤是在拉丝过程中就在石英表面涂敷上了碳层。厚度为20-50纳米的碳可以使抗渗透层抵御水和氢，而不至于引起微弯损
伤。碳涂覆光纤被用来解决水下光纤的氢致损伤问题，保护敏感的掺铒放大光纤，用于防止石油钻探光纤传感系统的破裂和变暗，防止
航空电子设备中紧密布线光纤的疲劳。同时类金刚石光学涂层可以为光纤设备提供硬的耐磨层，但这种“碳”涂覆层不能阻水，也不防
氢。人们也试图用金属陶瓷保护光纤表面。
通过光纤拉丝过程中蒸发溅射金属的方式得到金属涂覆层，或者是在熔融金属中对光纤拉丝。如果在光纤上制备15-20微米的铝涂覆
层，光纤平均应力为3.4GPa，断裂应力与应变速率无关，还有些改进方法样本的应力为6.3GPa，这种金属涂覆层能阻碍光纤表面的水
分子运动。
对这些金属涂覆层来说有些重要的问题是增加了微弯损失。金属涂覆层和微弯相关的损耗有以下几个原因：典型的金属涂覆层比较厚。
弯曲传递到光纤上导致光纤和金属涂覆层的半永久重塑，产生局部微弯和相关的损耗。另外，金属涂覆层冷却过程中的的热收缩导致了
光纤的收缩应力，从而有横向位移产生致使微弯。常规的操作，例如卷绕这些金属涂敷层光纤也能导致损失。
铟涂覆层光纤，（铟-熔点156℃），有低的微弯损失，疲劳参数n=32，比非渗透光纤n=20的疲劳参数要高。典型损耗为0.1-
0.2dB/Km，成丝纤维应力为3.5GPa。在有些环境中可以被应用。
金属涂覆层光纤可以使用，也能做出来，但是光损耗对很多应用来说还是太大。基于Si3N4，SiC，SiON，TiC和碳的非金属化涂覆层
可用于低损耗抗渗透涂覆层。在光纤拉丝过程中使用气相沉积法制备这些高温涂覆层。相比铝对于氢的扩散阻止作用，这些无机涂覆层
（Si3N4，SiC，SiOXNY）可以直接阻断氢且不至于引起微弯。
惠普（Hewlett Packard）实验室使用几种混合气体搞了一个配方SixCyNzOw,用以油井数据采集，这个光纤可以在200℃的高湿腐蚀
环境下探测2%的压力变化。混合SiH4，CO2，NH3，碳氢化合物气体，N2和He气用以沉积不同元素的薄涂覆层。惠普的这个zuanli
展示了Si-C键对非渗透抗疲劳功能的重要性。O和N原子在沉积过程中帮助匹配物理性质，疲劳性能n在8-256之间，涂层厚度在10-67
纳米之间。非密封光纤5GPa，密封光纤3.2GPa，但一定时间后，非密封光纤的强度就会降低。
表1 不同碳（键）结构涂覆层光纤强度的对比
关于涂覆层的电学特征和性能之间的关系。碳（纤维）的电阻率和水及氢的扩散速率相关，典型的是类金刚石和石墨的区别。同时涂层
越薄，强度越高。
图2. 丙烯酸酯涂层水环境下强度变化
图3. 碳涂覆层水环境下强度变化
关于光纤的碳涂层方法，碳涂层常在光纤拉丝过程后。在光纤达到最终尺寸后马上用像稀释乙炔这样的碳氢化合物气体处理，光纤的残
余热量致使碳氢化合物热分解。这种玻璃表面的反应产生了化学气相沉积。拉丝速度、前驱碳氢气体、反应器设计会影响沉积速率和光
纤密封性能。
碳涂覆层本身是薄脆的，并不能保护光纤免受机械损伤。所以要在外面再涂一层聚合物，当然标准丙烯酸酯涂覆层也可以被使用，也有
用聚酰亚胺涂覆层用于高温的。对一般制作工艺而言，碳涂覆层需要高速，但聚合物涂覆层需要低速。
用碳沉积反应器将空气与光纤隔开，并使玻璃表面和碳氢气体在700-900℃下反应。当光纤以大于5m/sec拉丝时，光纤拉丝炉的高温
和反应区域非常长。这种速度下的碳反应器位于拉丝炉下的拉丝器，有机气体从一端引入，未反应的气体从另一端排出。随拉丝速度增
加，反应区域缩小，碳反应器需要再调节。含碳氢原子的常见反应物包括甲烷、乙炔、乙烯、丙烷、丁二烯、三氯乙烯和苯。通常使用
半透明油墨作为颜色编码，颜色标识在丙烯酸酯上面。黑色的半透明幽默可能使光纤看起来黯淡。
碳涂覆层抗渗透光纤的应用
水下线缆
水下光纤可能受氢气影响导致光损耗，那么氢气从哪儿来呢？金属元件（铠缆）产生电化学腐蚀，从而产生氢气，或者从某些类型的硅
基聚合物中释放出氢气。大多数情况，通过改进设计，避免线缆同时用不同种类金属，或避免致氢聚合物。典型的水下温度为3-
20℃，氢和单模光纤纤芯的反应忽略不计。
增益光纤
碳涂覆层通常用来保护掺铒放大光纤。非抗渗透光纤的弯曲半径限制与通常的光纤相同，抗渗透包层光纤的疲劳问题就被消除了，可允
许有加强光纤缠绕盘和更紧凑的放大模块。许多掺铒光纤的关键使用成分与氢是高度反应的。
航空电子设备
空间受限时，弯曲半径需要更小，温度和湿度循环使得光纤承受更大环境压力。碳涂覆层光纤在这种易使非密封光纤疲劳失效的环境
中，有很好的作用。同时，碳涂覆层光纤比金属涂覆层的密度低，载荷就小。
地球物理传感器
可能应用环境最大的挑战是油井的井下数据采集。油井里的光纤传感系统会承受高达300℃和高压力、水汽、腐蚀气体（如硫化氢），
以及高浓度级别的氢气。使用高压力的水或其他液体将光纤传感头安装在不锈钢导管中。当井下的氢气处于高温状态时，光纤老化加
快。在这个温度下，氢扩散加剧，光纤芯中的掺杂剂与氢的反应强度也增强。氢气在光纤芯中形成有损-OH和Ge缺陷的程度极大依赖
于光纤芯玻璃的成分。
一般井下环境高于150℃时选择碳涂覆层比较合适，但需要与强度折中，强度可能只有0.7GPa。使用低反应纤芯或增加包层里反应位
点浓度也可以提高光纤在高温氢环境中暴露稳定性。
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