一种熊猫型聚合物保偏光纤及其应用的制作方法

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种熊猫型聚合物保偏光纤及其应用。

背景技术：

保偏光纤，即偏振保持光纤，用于传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域，在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量；保偏光纤作为一种特种光纤，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得最为广泛，其结构包括纤芯、应力区和包层部分，其纤芯位于包层的中心部分，而两个圆柱状的应力区分布在纤芯的两侧，从而产生所谓的应力双折射使得保偏光纤具有线偏振保持性能。在设计上，主要靠改变两个对称的圆柱应力区的结构和应力掺杂来对保偏光纤的双折射性能进行调节。

在中国专利201711052703.9中描述了一种二氧化钛掺杂的二氧化硅石英玻璃芯层熊猫型保偏光纤，采用芯棒制备、套管、打孔的方式进行母棒的制备，再插入掺硼应力棒形成应力型结构，整个材料基底是二氧化硅石英玻璃，在传感过程中会导致绕环胶与石英材料的热膨胀系数有较大的失配，造成随机不对称的热应力，从而降低传感精度和信噪比；同时打孔工艺在预制棒内易形成较大的驻留应力，对保偏光纤的温度环境性能造成较大的影响。在中国专利201810301307.3中描述了一种镱、铝、磷共掺的二氧化硅石英玻璃芯层稀土掺杂熊猫型保偏光纤，光纤的工作波段在1064nm，拍长的设计值最小为3.2mm，在高精度的传感中无法满足设计性能要求。在中国专利201810297512.7中描述了一种工作在1550nm波段的零色散位移熊猫型保偏光纤，核心参数为保证光纤的色散位移值，并同时具有保偏的效果，波导结构复杂，重复一致性控制难度较大，对工艺和设备的要求较高。在中国专利201610412177.1中描述了一种保偏光纤的制备方法，使用预制模具注入二氧化硅液体，获得石英套管，通过打磨熔融，再注入二氧化硅与三氧化二硼的混合粉末组合成熊猫型保偏光纤预制棒；并未对预制棒的具体设计结构和尺寸参数进行详细描述，也未提供直接可供拉丝的成型预制棒。在中国专利201610457293.5中描述了一种熊猫保偏光纤预制棒的制备方法，使用纳米孔二氧化硅粉体加入到稀土和共掺离子无机盐溶液中形成悬浮液，未提供具体成型预制棒参数和可供拉丝预制棒。

聚合物光纤具有如下结构：将包含透明树脂的芯纤维的周围以包含折射率低于前述透明树脂的包层包围，是使得光在芯层和包层的边界反射从而使光信号在芯内传输的介质。聚合物光纤与石英玻璃光纤相比，具有柔软性优异、可以利用连接时容易芯重叠的直径大的光纤的优点。聚合物光纤是用高透明的非结晶型各项同性聚合物如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯作为芯层材料，氟树脂等作为包层材料的一类光纤。不同的材料具有不同的光衰减性能和温度应用范围。聚合物光纤不但可以用于接入网的最后100～1000米，也可以用于各种汽车、飞机等运载工具上，是优异的短距离数据传输介质。聚合物光纤质轻、柔软、更耐破坏(振动和弯曲)。聚合物光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。与石英光纤相比，具有以下优点：模量低、数值孔径大、耦合效率高、挠曲性好，易于加工和使用；在可见光区有低损耗窗口；重量轻；成本及加工费用低等。短波长的拍长短，双折射效应更强，能够提升偏振保持的强度，从而增强传感的精度和信噪比。对称热应力。聚合物光纤掺杂配比形式多样，掺杂浓度较高，光纤的波导结构设计多样灵活，容易实现。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种能够在短波长中使用、具有高精度传感和免涂覆保护的熊猫型聚合物保偏光纤及其应用。

本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种熊猫型聚合物保偏光纤，其包括光纤包层区、光纤芯区和光纤应力区，其中光纤芯区位于光纤包层区的中心，光纤应力区对称分布在光纤芯区两侧且位于光纤包层区内，所述光纤包层区的材料为聚甲基丙烯酸甲酯中掺杂有聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚偏二氟乙烯和聚丙烯；所述光纤芯区的材料为聚甲基丙烯酸甲酯中掺杂有聚碳酸酯、聚苯乙烯和聚偏二氟乙烯；所述光纤应力区的材料为聚甲基丙烯酸甲酯中掺杂有聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯和乙烯-四氟乙烯共聚物。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述以光纤包层区总质量百分数100％，各掺杂组分质量百分含量为：聚碳酸酯为0.5-8％、聚苯乙烯为0.5-10％、聚偏二氟乙烯为1-6％、聚丙烯为3-15％，余量为聚甲基丙烯酸甲酯。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述以光纤芯区总质量百分数100％，各掺杂组分质量百分含量为：聚碳酸酯为1-10％、聚苯乙烯为0.5-5％、聚偏二氟乙烯为3-15％，余量为聚甲基丙烯酸甲酯。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述以光纤应力区总质量百分数100％，各掺杂组分质量百分比为：聚碳酸酯为0.1-3％、聚氨酯为0.3-5％、聚四氟乙烯为1-20％、乙烯-四氟乙烯共聚物为1-8％，余量为聚甲基丙烯酸甲酯。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述光纤包层区的折射率值n1为1.46-1.49；所述光纤芯区的折射率值n2为1.462-1.527；所述光纤应力区的折射率值n3为1.401-1.488。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述光纤芯区相对于光纤包层区的折射率差百分比的计算公式为[(n2-n1)÷n1]×100％，光纤芯区相对于光纤包层区的折射率差百分比为0.1-2.5％。

在以上技术方案的基础上，优选的所述光纤应力区相对于光纤包层区的折射率差百分比的计算公式为[(n3-n1)÷n1]×100％，光纤应力区相对于光纤包层区的折射率差百分比为-4--0.1％。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述光纤包层区的直径d1为30-120μm；所述光纤芯区的直径d2为30-10μm；所述光纤应力区的直径d3为3-20μm，且两个对称分布的光纤应力区的间距d4为3.5-20μm。

在以上技术方案的基础上，优选的，能够在850nm以下的短波长窗口下工作。

另一方面，本发明提供了一种熊猫型聚合物保偏光纤的应用，其特征在于：能够在小型光纤陀螺、光纤水听器和光纤放大器领域中应用。

本发明的一种熊猫型聚合物保偏光纤及其应用相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明的一种熊猫型聚合物保偏光纤的光纤芯区的材料为掺杂了聚碳酸酯、聚苯乙烯和聚偏二氟乙烯材料的聚甲基丙烯酸甲脂聚合物材料，在高透光性聚甲基丙烯酸甲脂材料的基础上，增加了芯区的韧性和850nm、650nm的透光率，提升了光纤芯区的短波长导光特性和机械强度；

(2)本发明的一种熊猫型聚合物保偏光纤的光纤应力区的材料为掺杂了聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯和乙烯-四氟乙烯共聚物材料的聚甲基丙烯酸甲脂聚合物材料，使得应力施加的能力得到了较大的提升，同时应力区的折射率调整也更加灵活；

(3)本发明的一种熊猫型聚合物保偏光纤的光纤包层区的材料为掺杂了聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚偏二氟乙烯和聚丙烯材料的聚甲基丙烯酸甲脂聚合物材料，使得芯区与包层区的材料特性相匹配，增强了包层区的温度湿度耐老化性能，提升了光纤的环境温度稳定性；

(4)本发明的一种熊猫型聚合物保偏光纤，光纤整体材料由聚合物材料构建形成，由于聚合物材料介质在850nm及以下波长具有较低的本征材料损耗，使得光纤能够在短波长波段具有较好的传输特性；短波长窗口的低成本的光电器件能够为低成本小型化的传感系统提供强有力的技术支撑；

(5)本发明的一种熊猫型聚合物保偏光纤，光纤本身通体是聚合物材料，无需再涂覆外部的保护涂覆层，减少了光纤拉制的工艺要求，也避免了光纤包层与涂覆层的不同材料热应力失配的负面影响，进一步减小了光纤的几何尺寸，能够提供更小的传感单元体积，为器件和系统的小型化提供产品支撑；

(6)本发明的一种熊猫型聚合物保偏光纤，光纤芯区与应力区可采用浇注聚合成型的方式进行加工制备，避免了传统石英光纤的打孔工艺带来的较大的加工应力，从而使得应力区可以离芯区很近，强化了应力施加的效率，为小应力区大双折射的设计带来了可能性，应力区的减小也可减小光纤的几何尺寸，实现小型化的光纤设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种熊猫型聚合物保偏光纤的横截面结构示意图；

图2为本发明的一种熊猫型聚合物保偏光纤的应力轴方向折射率分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种短波长高精度免涂覆熊猫型聚合物保偏光纤，如图1所示，包括光纤包层区101、光纤芯区102和光纤应力区103，其中光纤芯区102位于光纤包层区101的中心，光纤应力区103对称分布在光纤芯区102两侧且位于光纤包层区101内，其中光纤包层区101的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为4％、聚苯乙烯为6％、聚偏二氟乙烯为3％、聚丙烯为9％；光纤芯区102的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为5％、聚苯乙烯为2％、聚偏二氟乙烯为8％；光纤应力区103的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为1.5％、聚氨酯为3％、聚四氟乙烯为9％、乙烯-四氟乙烯共聚物为5％，余量为聚甲基丙烯酸甲酯。

如图2所示，n1为光纤包层区101的折射率，n2为光纤芯区102的折射率值，n3为光纤应力区103的折射率，光纤包层区101的折射率值n1为1.483；光纤芯区102的折射率值n2为1.501；光纤应力区103的折射率值n3为1.453。

光纤芯区102相对于光纤包层区101的折射率差百分比为1.2％；光纤应力区103相对于光纤包层区101的折射率差百分比为-2％。

光纤包层区101的直径d1为100μm；光纤芯区102的直径d2为4.5μm；光纤应力区103的直径d3为16μm，其中两个对称分布的光纤应力区103的间距d4为8μm。

采用以上设计结构参数和制备工艺制备出的应力型聚合物保偏光纤是一种熊猫型聚合物保偏光纤的结构，其实现的主要双折射性能如下：

偏振串音：在850nm工作波长达到-26db/km，在650nm工作波长达到-24db/km；

拍长：在850nm工作波长达到1.8mm，在650nm工作波长达到1.4mm。

实施例二

一种短波长高精度免涂覆熊猫型聚合物保偏光纤，如图1所示，包括光纤包层区101、光纤芯区102和光纤应力区103，其中光纤芯区102位于光纤包层区101的中心，光纤应力区103对称分布在光纤芯区102两侧且位于光纤包层区101内，其中光纤包层区101的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为7％、聚苯乙烯为9％、聚偏二氟乙烯为5％、聚丙烯为13％；光纤芯区102的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为4％、聚苯乙烯为2％、聚偏二氟乙烯为13％；光纤应力区103的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为1.9％、聚氨酯为2％、聚四氟乙烯为14％、乙烯-四氟乙烯共聚物为4％，余量为聚甲基丙烯酸甲酯。

如图2所示，n1为光纤包层区101的折射率，n2为光纤芯区102的折射率值，n3为光纤应力区103的折射率，光纤包层区101的折射率值n1为1.478；光纤芯区102的折射率值n2为1.501；光纤应力区103的折射率值n3为1.453。

光纤芯区102相对于光纤包层区101的折射率差百分比为1.7％；光纤应力区103相对于光纤包层区101的折射率差百分比为-2.3％。

光纤包层区101的直径d1为80μm；光纤芯区102的直径d2为5.7μm；光纤应力区103的直径d3为17μm，其中两个对称分布的光纤应力区103的间距d4为14μm。

采用以上设计结构参数和制备工艺制备出的应力型聚合物保偏光纤是一种熊猫型聚合物保偏光纤的结构，其实现的主要双折射性能如下：

光纤的模式双折射为4.2×10^-4；

偏振串音：在850nm工作波长达到-26.9db/km，在650nm工作波长达到-25.5db/km；

拍长：在850nm工作波长达到2.5mm，在650nm工作波长达到1.9mm。

实施例三

一种短波长高精度免涂覆熊猫型聚合物保偏光纤，如图1所示，包括光纤包层区101、光纤芯区102和光纤应力区103，其中光纤芯区102位于光纤包层区101的中心，光纤应力区103对称分布在光纤芯区102两侧且位于光纤包层区101内，其中光纤包层区101的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为0.5％、聚苯乙烯为0.5％、聚偏二氟乙烯为1％、聚丙烯为3％；光纤芯区102的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为1％、聚苯乙烯为0.5％、聚偏二氟乙烯为3％；光纤应力区103的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为0.1％、聚氨酯为0.3％、聚四氟乙烯为1％、乙烯-四氟乙烯共聚物为1％，余量为聚甲基丙烯酸甲酯。

如图2所示，n1为光纤包层区101的折射率，n2为光纤芯区102的折射率值，n3为光纤应力区103的折射率，光纤包层区101的折射率值n1为1.46；光纤芯区102的折射率值n2为1.503；光纤应力区103的折射率值n3为1.444。

光纤芯区102相对于光纤包层区101的折射率差百分比为0.1％；光纤应力区103相对于光纤包层区101的折射率差百分比为-4％。

光纤包层区101的直径d1为30μm；光纤芯区102的直径d2为3μm；光纤应力区103的直径d3为3μm，其中两个对称分布的光纤应力区103的间距d4为3.5μm。

采用以上设计结构参数和制备工艺制备出的应力型聚合物保偏光纤是一种熊猫型聚合物保偏光纤的结构，其实现的主要双折射性能如下：

光纤的模式双折射为1.2×10^-4；

偏振串音：在850nm工作波长达到-26.5db/km，在650nm工作波长达到-25.3db/km；

拍长：在850nm工作波长达到1.4mm，在650nm工作波长达到1.1mm。

实施例四

一种短波长高精度免涂覆熊猫型聚合物保偏光纤，如图1所示，包括光纤包层区101、光纤芯区102和光纤应力区103，其中光纤芯区102位于光纤包层区101的中心，光纤应力区103对称分布在光纤芯区102两侧且位于光纤包层区101内，其中光纤包层区101的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为8％、聚苯乙烯为10％、聚偏二氟乙烯为6％、聚丙烯为15％；光纤芯区102的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为10％、聚苯乙烯为5％、聚偏二氟乙烯为15％；光纤应力区103的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为3％、聚氨酯为5％、聚四氟乙烯为20％、乙烯-四氟乙烯共聚物为8％，余量为聚甲基丙烯酸甲酯。

如图2所示，n1为光纤包层区101的折射率，n2为光纤芯区102的折射率值，n3为光纤应力区103的折射率，光纤包层区101的折射率值n1为1.49；光纤芯区102的折射率值n2为1.462；光纤应力区103的折射率值n3为1.401。

光纤芯区102相对于光纤包层区101的折射率差百分比为2.5％；光纤应力区103相对于光纤包层区101的折射率差百分比为-0.1％。

光纤包层区101的直径d1为120μm；光纤芯区102的直径d2为10μm；光纤应力区103的直径d3为20μm，其中两个对称分布的光纤应力区103的间距d4为20μm。

采用以上设计结构参数和制备工艺制备出的应力型聚合物保偏光纤是一种熊猫型聚合物保偏光纤的结构，其实现的主要双折射性能如下：

光纤的模式双折射为5.6×10^-4；

偏振串音：在850nm工作波长达到-27.2db/km，在650nm工作波长达到-25.6db/km；

拍长：在850nm工作波长达到4.6mm，在650nm工作波长达到3.6mm。

实施例五

一种短波长高精度免涂覆熊猫型聚合物保偏光纤，如图1所示，包括光纤包层区101、光纤芯区102和光纤应力区103，其中光纤芯区102位于光纤包层区101的中心，光纤应力区103对称分布在光纤芯区102两侧且位于光纤包层区101内，其中光纤包层区101的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为1.1％、聚苯乙烯为1.3％、聚偏二氟乙烯为2％、聚丙烯为5％；光纤芯区102的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为3％、聚苯乙烯为1％、聚偏二氟乙烯为5％；光纤应力区103的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为0.4％、聚氨酯为0.7％、聚四氟乙烯为5％、乙烯-四氟乙烯共聚物为3％，余量为聚甲基丙烯酸甲酯。

如图2所示，n1为光纤包层区101的折射率，n2为光纤芯区102的折射率值，n3为光纤应力区103的折射率，光纤包层区101的折射率值n1为1.47；光纤芯区102的折射率值n2为1.527；光纤应力区103的折射率值n3为1.488。

光纤芯区102相对于光纤包层区101的折射率差百分比为2％；光纤应力区103相对于光纤包层区101的折射率差百分比为-0.7％。

光纤包层区101的直径d1为40μm；光纤芯区102的直径d2为6.8μm；光纤应力区103的直径d3为9μm，其中两个对称分布的光纤应力区103的间距d4为5μm。

采用以上设计结构参数和制备工艺制备出的应力型聚合物保偏光纤是一种熊猫型聚合物保偏光纤的结构，其实现的主要双折射性能如下：

光纤的模式双折射为1.5×10^-4；

偏振串音：在850nm工作波长达到-25.3db/km，在650nm工作波长达到-25.1db/km；

拍长：在850nm工作波长达到2.1mm，在650nm工作波长达到1.6mm。

实施例六

一种短波长高精度免涂覆熊猫型聚合物保偏光纤，如图1所示，包括光纤包层区101、光纤芯区102和光纤应力区103，其中光纤芯区102位于光纤包层区101的中心，光纤应力区103对称分布在光纤芯区102两侧且位于光纤包层区101内，其中光纤包层区101的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为3％、聚苯乙烯为4％、聚偏二氟乙烯为4％、聚丙烯为8％；光纤芯区102的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为7％、聚苯乙烯为4％、聚偏二氟乙烯为10％；光纤应力区103的各掺杂材料的掺杂组分质量百分比含量分别为：聚碳酸酯为2.3％、聚氨酯为4％、聚四氟乙烯为10％、乙烯-四氟乙烯共聚物为7％，余量为聚甲基丙烯酸甲酯。

如图2所示，n1为光纤包层区101的折射率，n2为光纤芯区102的折射率值，n3为光纤应力区103的折射率，光纤包层区101的折射率值n1为1.489；光纤芯区102的折射率值n2为1.5；光纤应力区103的折射率值n3为1.46。

光纤芯区102相对于光纤包层区101的折射率差百分比为0.6％；光纤应力区103相对于光纤包层区101的折射率差百分比为-3％。

光纤包层区101的直径d1为60μm；光纤芯区102的直径d2为8.9μm；光纤应力区103的直径d3为13μm，其中两个对称分布的光纤应力区103的间距d4为10μm。

采用以上设计结构参数和制备工艺制备出的应力型聚合物保偏光纤是一种熊猫型聚合物保偏光纤的结构，其实现的主要双折射性能如下：

光纤的模式双折射为3.1×10^-4；

偏振串音：在850nm工作波长达到-26.7db/km，在650nm工作波长达到-25.4db/km；

拍长：在850nm工作波长达到3.3mm，在650nm工作波长达到2.5mm。

实施例二至实施例六，为5根不同材料掺杂比例和几何参数结构设计的本发明聚合物保偏光纤产品，采用同样的制备工艺制成的短波长高精度免涂覆熊猫型聚合物保偏光纤。结果表明5根光纤的模式双折射的可调节范围为1.2×10^-4-5.6×10^-4之间，导致光纤的850nm拍长的参数范围达到1.4-4.6mm、650nm拍长的参数范围达到1.1-3.6mm。在如此大的聚合物保偏光纤应力双折射的调节范围的结构设计下，光纤的偏振串音在850nm和650nm均可以保持在-25db/km的较高水平，能够满足650-850nm短波长多窗口、不同应用领域中对应力型聚合物保偏光纤的性能设计的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。