类矩形熊猫型保偏光纤的制作方法

本实用新型涉及光纤技术领域，尤其涉及一种类矩形熊猫型保偏光纤。

背景技术：

保偏光纤，主要应用于光纤电流互感器，光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统，是一种具有广泛应用价值的特种光纤类型。应力双折射保偏光纤主要有领结型保偏光纤、熊猫型保偏光纤和椭圆包层型保偏光纤三种。其中，熊猫型保偏光纤应用最为广泛。由于保偏光纤的应用主要在光纤陀螺等技术领域，在这些相关应用领域，相当长度的保偏光纤需要被绕制成光纤环圈，成为敏感元件，通过不同的物理效应，如Sagnac效应，测量物体的角加速度。为了保障这些保偏光纤的光纤环圈具有良好的温度和应力稳定性，需要采用特殊的绕环技术，一般使用四极绕法绕制光纤陀螺使用的光纤环圈。在光纤环圈的绕制过程中，要求精确控制被绕制光纤的长度、位置和绕纤张力，以确保光纤环圈在结构上保持良好的光学互易性。使用现有的圆形截面保偏光纤产品，在光纤环圈的绕制过程中，存在下列问题：首先对于圆形结构，上层光纤必然会顺着下层光纤形成的V形槽缠绕，无法按照四极绕法的要求上层光纤位于下层光纤之上；第二由于上层光纤沿着下层光纤形成的V形槽内缠绕前进，当光纤从一圈V形槽向相邻的一圈V形槽跃进时，上下层光纤之间会出现一个交叉搭接点，这个交叉搭接点的存在对光纤环圈的性能产生显著影响，如何处理环绕过程中出现交叉点是光纤环圈绕制的技术难点；第三，由于使用了圆形截面结构的光纤，在光纤环的缠绕过程中，难以保证圆形截面光纤不产生扭转，而这种光纤扭转会由于地磁Faraday效应对光纤环圈的精度产生负面影响。

为了解决上述问题，美国专利US6215933, Bifilar fog coil winding pattern with improved shupe bias canceling properties,揭示了一种双光纤绕制的方法，可以有效减少绕制光纤的长度，但使用该技术，仍然无法解决光纤位置的有效控制和绕制过程中光纤的扭转问题。美国专利US5848213, Low shupe bias fiber optic rotation sensor coil,揭示了一种使用并带光纤绕制光纤环的方法：即使用并带光纤进行绕环，将并带的头子按一定顺序熔接在一起形成环圈；这样可以保证绕环的时候光纤上下层层叠平行，而且减少了需要绕制光纤的长度。但这种方法在环圈绕制的过程中，增加了许多的光纤熔接接头，会导致传感线圈的性能不稳定。同时使用这种方法绕制光纤环圈，引入了光纤并带胶等其他高分子材料，对光纤环圈的温度稳定性带来了负面的影响。在中国专利201110029982.3中描述了一种双波导并列式保偏光纤及其制造方法，采用两根熊猫型保偏光纤预制棒侧面并起来后，一同拉丝制得，同时控制拉丝时模具的形状，实现椭圆型涂覆的设计。这种光纤的制备方法需要对预制棒进行并合，增加了工艺难度和风险，同时双纤绕制同样会引入多个熔接点的风险，对光纤环圈的温度稳定性产生风险。在中国专利201110185869.4中描述了一种便于绕制的熊猫型保偏光纤及其制造方法，采用将熊猫型保偏光纤打孔预制棒的侧面进行打磨，形成优弧形状的预制棒，再通过应力棒组装和拉丝涂覆，制得熊猫型保偏光纤。这种光纤的设计，采用非对称石英包层设计，对保偏光纤的应力结构设计进行了较大的调整，引入了偏振串音温度稳定性劣化的风险。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种类矩形熊猫型保偏光纤，达到保偏光纤传感环圈参数指标的优化提升，同时提高光纤环圈绕制的生产产出率和效率。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种类矩形熊猫型保偏光纤，它包括芯区，应力区，包层区，其特征在于：所述包层区外层涂覆圆环型内涂层，在内涂层外层涂覆外涂层；所述芯区为掺杂石英芯层，芯区的直径D1∈[3μm，7μm]；所述应力区的直径D2∈[D1×3，D1×6]，两个对称应力区的内边距D22∈[D1×1.3，D1×3]；所述包层区为不掺杂的纯石英部分，包层区的直径D3∈[58μm，82μm]，所述内涂层采用较软的树脂材料，其直径D4∈[D3×1.2，D3×1.8]，所述外涂层采用较硬的树脂材料，外涂层的宽W5∈[D3×1.6，D3×2.1]，外涂层的长L5∈[D3×1.8，D3×2.4]。

一种类矩形熊猫型保偏光纤，所述内涂层与石英包层区接触面的涂覆状态紧密契合。

一种类矩形熊猫型保偏光纤，所述内涂层在23℃室温条件下的拉伸模量TS4∈[0.2Mpa，1.2Mpa]，内涂层在23℃室温条件下的剪切模量SM4∈[0.4Mpa，1.6Mpa]，内涂层在23℃室温条件下的伸长系数E4∈[60%，180%]。

一种类矩形熊猫型保偏光纤，所述内涂层在100Mpa模量值条件下的玻璃态转变温度Tg1004∈[-40℃，-60℃]，内涂层在1000Mpa模量值条件下的玻璃态转变温度Tg10004∈[-50℃，-70℃]。

一种类矩形熊猫型保偏光纤，所述类矩形外涂层的短轴可与熊猫保偏光纤的应力轴平行或垂直两种设计。

一种类矩形熊猫型保偏光纤，所述外涂层的四角采用了圆角设计，所述外涂层的圆角半径R5∈[3μm，8μm]。

一种类矩形熊猫型保偏光纤，所述外涂层在1000Mpa模量值条件下的玻璃态转变温度Tg10005∈[40℃，60℃]，外涂层在23℃室温条件下的剪切模量SM5∈[1000Mpa，1600Mpa]。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、外涂层采取了类矩形的非圆对称几何结构设计，能够满足陀螺敏感单元光纤环圈的四极绕法的光纤绕制操作便利性、规范性和效率的提升，同时在熊猫保偏光纤绕制的过程中，能够消除光纤扭转所带来的电磁效应的干扰，对光纤环圈的对称性有较大的改善；

2、类矩形熊猫保偏光纤的外涂层矩形四角采用圆角设计，其圆角设计可以避免在外涂层涂覆的过程中，光纤经过外涂层涂覆模具时，被矩形直角的模具擦伤；同时在后续的绕制过程中，也避免光纤矩形直角设计会导致光纤表面刮伤；

3、对类矩形熊猫保偏光纤的外涂层材料进行性能优配，对外涂层材料的玻璃态转变温度和剪切模量等参数进行优化，能够保证类矩形结构的强度定型，同时优化类矩形结构下外涂层的温度稳定性，不会由于非对称结构的设计引入额外的热应力作用。

4、由于外涂层采用了类矩形的非对称几何结构设计，对内涂层的设计进行了优化，在涂层的材料组分的温度变形和温度模量特性上进行优选和配比改进，提升了内涂层的温度稳定性；同时对内涂层的机械模量特性进行了优化，缓冲从外涂层传导过来的外界热应力和机械应力，同时内涂层与石英包层接触面的涂覆状态采用紧密贴合的设计，加强对石英包层表面的微裂纹的填充和保护。

5、内涂层、石英包层、应力区、芯区均采用典型的圆对称结构设计，便于对外部额外热应力的对称释放，并实现与其他熊猫保偏光纤的对接应用，满足器件使用需求。

利用本实用新型的保偏光纤成品可直接进行整齐排绕四极对称保偏光纤传感环圈的研制生产，避免绕制堆叠过程中的光纤错位导致光纤传感环圈对称性的劣化、光纤环圈绕制边缘跳跃嵌入导致的挤压受力，达到保偏光纤传感环圈参数指标的优化提升；同时通过本实用新型的材料几何结构设计和组分特性的设计，提升光纤本征的温度稳定性和热应力缓冲特性，提高光纤环圈绕成后的环境性能和机械性能。

附图说明

图1为本实用新型的径向端面整体结构简图。

图2为本实用新型的应力轴反转90度的径向端面整体结构简图。

图3为本实用新型在保偏光纤环圈绕制骨架上进行四极对称绕制后成型的光纤环圈结构示意图。

图4为本实用新型的应力轴反转90度后进行四极对称绕制后成型的光纤环圈结构示意图。

其中：

芯区101、应力区102、包层区103、内涂层104、外涂层105。

具体实施方式

参见图1-4本实用新型涉及的一种类矩形熊猫型保偏光纤，它包括芯区101，应力区102，包层区103，内涂层104和外涂层105。

所述芯区101包裹于熊猫保偏光纤母棒中心，所述芯区101两侧对称设置有两个应力区102，所述熊猫保偏光纤母棒除去芯区101和应力区102的其余部分，均为包层区103，在包层区103外层涂覆圆环型内涂层104，在内涂层104的外侧包裹着外涂层105。

所述芯区101为掺杂石英芯层，在熊猫保偏光纤母棒进行双对称打孔，实现熊猫型的结构，在母棒中插入设计的应力棒，可实现熊猫型保偏光纤应力型的光纤结构设计，所述芯区101的直径D1∈[3μm，7μm]。

所述应力区102的直径D2∈[D1×3，D1×6]，两个对称应力区102的内边距D22∈[D1×1.3，D1×3]。

所述包层区103为不掺杂的纯石英部分，包层区103的直径D3∈[58μm，82μm]。

所述内涂层104的主要作用是对石英包层区103的外石英表层进行保护，防止微裂纹在石英表层的生成。内涂层104通常采用较软的树脂材料，使用涂覆模具均匀涂覆在石英层的表面，再通过紫外光固化固定在石英层表面形成稳定的保护层，内涂层104需要缓冲从外涂层105传导过来的外界热应力和机械应力，防止其对光纤的性能产生影响，同时内涂层104与石英包层区103接触面的涂覆状态需要紧密契合，加强对石英包层区103表面的微裂纹的填充和保护。所述内涂层104的直径D4∈[D3×1.2，D3×1.8]，内涂层104需要有一定的厚度，来充分对石英包层区103进行保护；同时内涂层104在材料强度需要能够起到内外层的承上启下的作用，其中在23℃室温条件下的拉伸模量TS4∈[0.2Mpa，1.2Mpa]，内涂层104在23℃室温条件下的剪切模量SM4∈[0.4Mpa，1.6Mpa]，内涂层104在23℃室温条件下的伸长系数E4∈[60%，180%]。内涂层104的材料特性设计还需要保证熊猫保偏光纤的温度特性的稳定，需要在涂层的材料组分的温度变形和温度模量特性上进行优选和配比改进，其中实现的内涂层104温度特性为：内涂层104在100Mpa模量值条件下的玻璃态转变温度Tg1004∈[-40℃，-60℃]，内涂层104在1000Mpa模量值条件下的玻璃态转变温度Tg10004∈[-50℃，-70℃]。

所述外涂层105的主要作用是在内涂层104和外界应用环境之间产生一道隔离层，隔离外界由于施工、存放、挤压、踩踏、碰撞等导致的内涂层的受力损伤，因此外涂层105采用的材料设计主要是较硬的树脂材料，不易变形，并采用类矩形的几何结构设计，优化保偏光纤绕环的工艺实现。所述外涂层105通过专用光纤拉丝类矩形模具的设计，在光纤最外层按设计的几何结构涂覆上外涂层105，经紫外光固化定型后，形成类矩形外观几何结构设计的熊猫保偏光纤产品。所述外涂层105的宽W5∈[D3×1.6，D3×2.1]，外涂层105的长L5∈[D3×1.8，D3×2.4]。类矩形几何结构的外涂层设计的熊猫保偏光纤，可以实现4极和8极对称环圈绕法的无错位堆叠绕制，同时可避免熊猫保偏光纤在绕制过程中可能导致的扭转等劣化现象，提升绕制保偏光纤传感环圈的对称性和温度应力稳定性。类矩形外涂层105的短轴可与熊猫保偏光纤的应力轴平行或垂直两种设计。

所述外涂层105的四角采用了圆角设计，其圆角设计可以避免在外涂层105涂覆的过程中，光纤经过外涂层105涂覆模具时，被矩形直角的模具擦伤；同时在后续的绕制过程中，也避免光纤矩形直角设计会导致光纤表面刮伤，优化光纤在生产和使用过程中的操作性。所述外涂层105的圆角半径R5∈[3μm，8μm]。在类矩形设计的外涂层材料的选择上，采用模量较大的树脂材料，以便类矩形的形状保持地更加稳定，在模具成型的过程中能更定型，同时也能够避免类矩形的不对称结构造成热应力的产生，导致非对称应力对光纤的施加。所述外涂层105在1000Mpa模量值条件下的玻璃态转变温度Tg10005∈[40℃，60℃]，外涂层105在23℃室温条件下的剪切模量SM5∈[1000Mpa，1600Mpa]。

本实用新型一种类矩形熊猫保偏光纤，通过内、外涂层材料的强度、模量、温度、拉伸、膨胀等特性的配比设计，实现外涂层类矩形设计的条件下，熊猫保偏光纤的光学特性和环境特性能够得到保持。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。