[發明專利]一種光響應性聚合物光纖及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010170629.6
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN111308610B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 于海峰;馬樹燈
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;D06M101/30
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

發明公開了一種光響應性聚合物光纖及其制備方法和應用，屬于光纖通訊與傳感領域。所述光響應性聚合物光纖以單軸取向的液晶彈性體作為內層纖芯，以摻雜了光響應基團的液晶彈性體作為外包層，外包層可以感受在內層纖芯中傳輸的光信號，對特定波長做出體積形變的響應，進而改變整體光路。光路的偏轉程度受光纖結構參數、傳輸光波長及強度影響。該光響應性聚合物光纖可以用于制備自識別移動光纖型光開關，應用于傳感、檢測、濾波等領域。

技術領域

本發明涉及光纖移動型光開關技術，具體涉及一種當傳輸特定波長光時會發生機械形變的光纖及其制備方法和應用，屬于光纖通信與傳感領域。

背景技術

光纖技術為通信行業帶來革命性的突破與發展，但通信業務需求的爆炸式增長也對光纖網絡的管理與控制技術提出了新的要求。光開關是一種光路轉換器件，可以實現光路的切換連接，在光交叉連接系統、光纖傳輸和測試等領域均有重要應用。

光開關的類型依據原理可以分為傳統機械光開關、微機械光開關、熱光開關、液晶光開關等，依據作用方式主要可分為光纖移動型與光路調制型(利用光學元件：反射鏡、棱鏡、透鏡等)。目前的發展熱點主要集中于微電子機械系統，其優點在于體積小、集成度高、低損耗、可處理任意波長信號，但它的響應過程需要經歷光信號-電信號-光信號的轉換。

光路系統中，可以通過摻雜光響應材料、利用光響應性涂層等方式實現直接的光-機械轉換，調節光路的位置，多應用于光傳感系統。石英光纖的光機械形變受限于無機材料的高模量，形變程度小，偏轉角度大部分小于1°。而利用聚合物光纖，尤其是水凝膠或者液晶聚合物等本身具有刺激響應性質的材料，可以將光路的偏轉角度提升至20°以上。

目前未見將具有光響應性的聚合物光纖直接應用于光開關的研究。相關的報道有Ryan C.Hayward等人設計的一種摻雜金納米粒子的液晶彈性體光纖，但摻雜過程無法精確控制金納米粒子的分布，其光熱效應僅在500-600納米波段具有敏感性,且摻雜帶來的光損耗系數上升也限制了其作為光開關在光傳輸系統中的應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有可光調控方向性能且對波長敏感的聚合物光纖及其制備方法。這種光纖的優點在于大的偏轉角度，優秀的波長選擇性和較低的光損耗，可自識別傳輸的光信號并做出光路調整，可以用于制備對所傳輸光信號產生自響應的光纖移動型光開關，應用于光路調節、濾波、光監控等領域。

本發明提供的具備光響應性能的聚合物光纖是由側發光型內層纖芯和光響應性外包層組成，所述內層纖芯是通過拉伸使液晶彈性體的基元單軸取向而形成的側發光型光纖；所述光響應性外包層是含有光響應基團的液晶彈性體，其中的光響應基團在特定響應波段會發生光化學反應(如順反異構等)，通過液晶的分子間協同作用，使外包層出現宏觀的體積形變。

所述內層纖芯材料為液晶彈性體。在機械拉伸下，液晶基元發生軸向取向，形成具有良好的光傳導性能、透明度高、光損耗率低的側發光型聚合物光纖。構成內層纖芯的液晶彈性體的拉伸應變為25％～1000％。光纖可識別的傳輸光波長范圍為250～1000納米。優選的，所述內層纖芯呈圓柱形，直徑為5～5000微米。

所述光響應性外包層使用與內層纖芯相同的液晶彈性體分子體系，使兩者連接緊密、牢固。光響應性外包層可產生大幅度的光刺激形變，形變可逆、可重復，且具有波長選擇性。

光響應性外包層按設計需求涂布于內層纖芯表面，通常并不將內層纖芯完全包裹，而是涂布在纖芯的部分表面上。優選的，在光纖橫截面方向，涂布區域對應圓心角為1～180°，厚度為1～1000微米；在光纖長軸方向，外包層可與內層纖芯等長或僅涂布于特定區域。