CN107045158A

CN107045158A - 一种光纤，其制备方法及其光纤光栅阵列

Info

Publication number: CN107045158A
Application number: CN201710188727.0A
Authority: CN
Inventors: 邵洪峰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2017-08-15

Abstract

本申请涉及一种光纤，包括纤芯、包层和外涂层，外涂层材料为紫外光透明材料。紫外光透明材料允许紫外激光透过涂层材料，从而可直接在石英玻璃光纤芯部刻写光栅。本申请还涉及该光纤的制备方法，以及使用该光纤刻写的各种结构类型的光纤光栅阵列。本申请的光纤光栅阵列无需在刻写前除去外涂层，不仅减少了工艺步骤，而且避免了在去除外涂层的期间，芯层容易受外界的空气和水影响导致光纤强度下降的问题。而且，本申请能够直接在光纤上进行紫外光刻写得到光纤光栅阵列，提高了光纤光栅阵列的可靠性，简化了光纤光栅阵列的制作工艺。

Description

一种光纤，其制备方法及其光纤光栅阵列

技术领域

本申请涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种用于制备光纤光栅阵列的光纤，其制备方法，以及使用该光纤制备的光纤光栅阵列。

背景枝术

现有技术中用于制备光纤光栅阵列的光纤通常具有纤芯、包层和涂覆层结构，其中纤芯和包层为掺杂或未掺杂的二氧化硅，涂覆层为紫外固化的丙烯酸树脂。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、损耗低、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。

目前制作光纤光栅阵列的方法主要有以下几种，一是首先在截成一定长度的光纤上刻写光纤光栅，然后封装成单个的光纤光栅传感器，再将光纤光栅传感器用光缆熔接成阵列。第二种方法是在光纤拉丝过程中光纤涂敷涂料前在裸光纤上每隔一定距离刻写上光栅，然后涂敷外涂层并固化，最终形成光纤光栅阵列。目前普通的光纤光栅刻写过程如下：首先将普通光纤进行载氢增敏，截成所需要的段长，需要刻栅的部位去除涂敷层，用紫外激光器通过掩模板照射光纤进行刻写，待形成光栅后立即涂敷外涂料固化进行保护，最后对光栅区域进行封装，制成需要的光纤光栅传感器。在工程应用中，再将单只的传感器用光缆熔接形成阵列。该方法刻写光栅和封装保护的工艺过程复杂；去除涂层造成光栅的可靠性降低；大量的现场熔接作业增加了工程施工的复杂性；对于相邻光栅之间的间隔不能灵活调整，难以满足某些应用场合对灵活调整敏感位置的要求。

在线刻写光栅阵列的工艺虽然消除了传统光纤光栅刻写工艺中去除涂层带来的可靠性的问题，但也存在生产过程中工艺影响因素多，稳定批量生产困难，光栅阵列形式不能灵活调整的问题。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本申请的首要发明目的在于提出一种光纤。

本申请的第二发明目的在于提出该光纤的制备方法。

本申请的第三发明目的在于提出使用该光纤制备的光纤光栅阵列。

为了完成本申请的目的，采用的技术方案为：

本申请涉及一种光纤，所述光纤包括纤芯、包层以及设置于包层表面的外涂层，所述外涂层的材料为紫外光透明材料。

优选的，所述紫外光透明材料的紫外光透过率大于50％，

进一步优选的，所述紫外光透明材料对光栅刻写用紫外光的紫外光透过率为30％～70％。

优选的，所述紫外光透明材料为氟碳树脂，优选乙烯-四氟乙烯共聚物、含氟丙烯酸树脂、聚偏氟乙烯、含氟烯烃和乙烯基醚的共聚树脂中的至少一种。

优选的，所述外涂层的厚度为20～100μm。

本申请还涉及一种光纤的制备方法，至少包括以下步骤：

制备得到具有纤芯和包层的裸光纤；

在所述裸光纤表面涂覆紫外光透明材料并固化，形成外涂层，得到所述光纤。

优选的，所述紫外光透明材料的紫外光透过率大于50％，

优选的，所述制备得到具有纤芯和包层的裸光纤的方法包括，将光纤预制棒进行加热并拉丝，所述加热的温度为2000～3000℃。

本申请还涉及一种光纤光栅阵列，所述光纤光栅阵列直接通过紫外光照射本申请的光纤表面进行刻写制备得到。

优选的，所述刻写形成的光栅之间的间隔相等或不等；不同所述光栅的中心波长相同或不同。

优选的，所述光纤光栅阵列的反射率为0.1％～80％。

本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：

本申请光纤的外涂层为紫外光透明材料，该材料既能实现对石英玻璃表面的保护作用，又能够透过紫外光，实现光纤光栅阵列的刻写。由于无需在刻写前除去外涂层，不仅减少了工艺步骤，而且避免了在去除外涂层的期间，芯层容易受外界的空气和水影响导致光纤强度下降的问题。

本申请的光纤光栅阵列能够直接通过在光纤上进行紫外光刻写而得到，显著提高了光纤光栅阵列的可靠性，简化了光纤光栅阵列的制作工艺，提高了生产效率，可适用于制备各类光纤光栅阵列。

附图说明

图1为本申请提供的一种光纤的结构示意图；

图2为本申请提供的一种光纤光栅阵列的结构示意图；

图3为本申请提供的光纤光栅阵列的反射光谱图；

其中，1-光纤光栅阵列；

10-光纤；

101-纤芯；

102-包层；

103-外涂层。

11-光纤光栅；

111-刻痕。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。

本申请涉及一种光纤10，包括纤芯101、包层102和设置于包层表面的外涂层103，其中由纤芯101和包覆于纤芯101外部的包层102合称为裸光纤；其结构示意图如图1所示。

其中，纤芯和包层为掺杂石英玻璃或纯石英玻璃，具体的，纤芯的材料为掺杂如GeO₂或未掺杂的SiO₂，包层的材料为SiO₂或掺F的SiO₂，外涂层的材料为紫外光透明材料。由于光纤易受到外界因素影响，因而需要在光纤制备后外加涂层进行保护。本申请光纤的外涂层采用紫外光透明材料，因此在进行紫外光刻写前无需将光纤外层的材料除去，节省了工艺步骤，同时也避免了在去除外涂层的期间光纤容易受外界的空气和水影响，导致强度下降的问题。

作为本申请光纤的一种改进，紫外光透明材料的紫外光透过率大于50％。紫外光透过率越高，光栅刻写效率越高。

作为本申请光纤的一种改进，紫外光透明材料对光栅刻写用紫外光的紫外光透过率为30％～70％。

进一步地，紫外光透明材料为氟碳树脂，优选乙烯-四氟乙烯共聚物(ethylene-tetra-fluoro-ethylene，简称ETFE)、含氟丙烯酸树脂、聚偏氟乙烯(Polyvinylidenefluoride，简称PVDF)、含氟烯烃和乙烯基醚的共聚树脂中的至少一种。

其中，氟烯烃和乙烯基醚的共聚树脂的实例包括四氟乙烯-全氟丙基乙烯基醚共聚物(TFE-PPVE)。

含氟丙烯酸树脂的实例包括丙烯酸六氟丁酯。形成含氟丙烯酸树脂的单体可以选自甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸羟基乙酯(HEMA)中的至少一种，甲基丙烯酸全氟烷基酯(FMA)作为含氟单体。

作为本申请光纤的一种改进，外涂层的厚度为20～100μm。该厚度范围既能够保证光纤具有足够的强度，且空气中的水不会侵袭石英玻璃材质的包层表面，又能够保证光纤的光学性能不受包覆层的影响。当上述材料的厚度为100μm时，紫外光透过率在透过率为30％～70％。

本申请还涉及一种光纤的制备方法，至少包括以下步骤：

第一步骤：制备得到具有纤芯和包层的裸光纤；

第二步骤：在裸光纤表面涂覆紫外光透明材料并固化，形成外涂层，得到光纤。

作为本申请制备方法的一种改进，紫外光透明材料的紫外光透过率大于50％；进一步优选的，紫外光透明材料对光栅刻写用紫外光的紫外光透过率为30％～70％。

作为本申请制备方法的一种改进，在第一步骤中，将光纤预制棒进行加热并拉丝，得到具有光波导结构的裸光纤，加热温度为2000～3000℃。

作为本申请制备方法的一种改进，在第二步骤中，在裸光纤表面涂覆紫外光透明材料并固化，固化的方式为加热固化，固化的温度为200～300℃，时间为10～30s。

具体地，上述步骤可以在光纤拉丝塔上进行。将石英玻璃材质的光纤预制棒送入光纤拉丝塔，在塔内进行加热，待温度升高至2000～3000℃，优选为2300℃时，光纤预制棒熔融拉细，由拉丝机牵引，将光纤预制棒高速拉细至需要的直径。光纤的直径可以选用80μm或者125μm的通用尺寸，也可以设定其它内径长度，得到裸光纤。然后牵引裸光纤向下穿过涂料涂敷模具，在裸光纤表面涂覆紫外光透明材料，固化形成外涂层，得到光纤。

本申请还涉及一种光纤光栅阵列，其结构示意图如图2所示。图2为光纤光栅阵列1的结构示意图，在光纤光栅阵列1上分布有间距相等或不等的由刻痕111组成的光纤光栅11。由于不需要去除外涂层，可以在整根光纤上一次性进行紫外光刻，制备光纤光栅阵列1。

本申请的光纤光栅阵列采用本申请的上述光纤直接通过紫外光照射进行刻写制备得到。本申请的光纤光栅阵列经过对光纤的刻写后、无需经过其它处理即可投入使用。与传统的剥除外涂层的方式制备的光纤相比，本申请的光纤光栅阵列的强度得到显著提高，从而延长其工作寿命，且不需要采用额外的保护手段，简化了结构及工艺。

作为本申请光纤光栅阵列的一种改进，刻写形成的光栅之间的间隔相等或不等。即在光纤光栅阵列上，光栅之间的空间间隔可为毫米(mm)级至米(m)级。

并且，不同光栅的中心波长相同或不同。即不同光栅的中心波长可以是单一波长，也可以是不同波长。

作为本申请光纤光栅阵列的一种改进，光栅选自普通光栅、切趾光栅、啁啾光栅或长周期光栅。

实施例

在下述对比例和实施例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均可商购获得。

光纤的制备：

将石英玻璃材质的光纤预制棒送入光纤拉丝塔，待温度升高至2300℃时，光纤预制棒熔融拉细，由拉丝机牵引，将光纤预制棒高速拉细至需要的直径，得到裸光纤。然后牵引裸光纤向下穿过涂料涂敷模具，在裸光纤表面涂覆紫外光透明材料，形成外涂层，得到光纤1～5。紫外光透明材料的种类、芯层和外涂层的厚度见表1。

光纤光栅阵列的制备：

对上述制备得到的光纤1～5各取100m长度，在1～10MPa氢气中储存一周，进行载氢处理。然后使用波长为248nm的紫外线激光器进行刻写，得到光纤光栅阵列1～5。刻写的光脉冲能量设置为4.7±0.1mJ/Pulse，频率设置为35±5Hz，检测光纤带宽生长速度为2～4pm/s。待光栅谱线带宽停止生长后，继续曝光10s以稳定写入效果。

对比例

1)将聚酰亚胺涂覆的普通单模光纤在10MPa氢气中储存一周，使光纤具有光敏特性。

2)将光纤在150℃下烘烤30min使外涂层固化。

3)使用浓硫酸在120℃下浸泡光纤，以除去聚酰亚胺外涂层。

4)使用紫外光进行光纤光栅刻写。

5)使用聚酰亚胺涂料，对光纤再次进行涂覆。

6)将光纤在400℃下烘烤30min，得到光纤光栅。

7)将多个上述制备的光纤光栅连接，得到光纤光栅阵列D1。

测试例

反射率测试

使用反射率测试仪，对实施例以及对比例得到的光纤光栅阵列进行反射率测试，测试结果如表1所示。

表1

从表1中可知，对于同一类型的外涂层材料，在光刻条件相同的前提下，外涂层厚度增加，对可见光的吸光率增加，反射率相应降低。实施例中的光纤光栅阵列1～5的反射率均在0.1～50％之间。

对比例1制备的光纤光栅阵列D1的反射率也能够满足要求，但光纤需要经过包覆-去外涂层-再涂覆的过程，不仅增加了工艺步骤，而且在去除外涂层的期间，光纤容易受外界的空气和水影响，导致强度下降。

在本申请的光纤光栅阵列的反射光谱图如图3所示，其反射光波长集中在1530～1580nm，反射光的光功率在20000～30000dbm/uw之间。在波长小于1530nm和波长大于1580nm的区域几乎没有反射光。说明本申请的光纤光栅阵列对于1530～1580nm的光具有良好的反射特性。

大规模的光纤光栅阵列在应用时一般遵循时分复用原理，即采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，达到多路传输的目的。由于传输的不同信号的对应的光波长相同，如果在传输第一个信号时，第一个光栅反射了太多光，第二个信号就会消失。为实现多路传输的目的，要求用于光纤光栅阵列的光纤光栅具有较低的反射率。具体地，反射率的高低与工程技术水平有关，不完全受本申请中的反射率范围限制。本申请中光纤光栅阵列的反射率可以达到0.1％～50％，能够满足光纤光栅阵列的使用要求。

拉伸强度测试

在拉力测试仪上进行，测量光纤光栅阵列在拉断时的位移值与原长的比值，以百分数表示，得到断裂伸长率(％)。

在相同的测试条件下，光纤光栅阵列2的断裂伸长率为4％，光纤光栅阵列D1的断裂伸长率为1％。说明与传统的剥除外涂层的方式制备的光纤相比，本申请得到的光纤光栅阵列的强度和延展性有较大提高，不需要采用额外的保护手段就可以获得较长的工作寿命。

本申请虽然以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本申请构思的前提下，都可以做出若干可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种光纤，所述光纤包括纤芯、包层以及设置于包层表面的外涂层，其特征在于，所述外涂层的材料为紫外光透明材料。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述紫外光透明材料的紫外光透过率大于50％，

3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述紫外光透明材料为氟碳树脂，优选乙烯-四氟乙烯共聚物、含氟丙烯酸树脂、聚偏氟乙烯、含氟烯烃和乙烯基醚的共聚树脂中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述外涂层的厚度为20～100μm。

5.一种光纤的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

制备得到具有纤芯和包层的裸光纤；

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述紫外光透明材料的紫外光透过率大于50％，

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述制备得到具有纤芯和包层的裸光纤的方法包括，将光纤预制棒进行加热并拉丝，所述加热的温度为2000～3000℃。

8.一种光纤光栅阵列，其特征在于，所述光纤光栅阵列直接通过紫外光照射权利要求1～4任一项所述的光纤表面进行刻写制备得到。

9.根据权利要求8所述的光纤光栅阵列，其特征在于，所述刻写形成的光栅之间的间隔相等或不等；不同所述光栅的中心波长相同或不同。

10.根据权利要求8所述的光纤光栅阵列，其特征在于，所述光纤光栅阵列的反射率为0.1％～80％。