（光学专业论文）聚合物光纤特性及聚合物光纤链路系统研究.pdf

、 中国科学技术人学博学位论史 摘要 摘要 f 本论文是在国家自然科学基金和中科院知识创新工程项目的资助下完成 的。主要目的是研究稀土掺杂聚合物光纤发光、放大和激光特性及对聚合物光 纤接入网通信进行研究寸本论文在国内首次研制成功了聚合物光纤通信链路系 统；对聚合物光纤掺稀土的发光特性进行了系统分析，对其放大特性进行了理 论模拟。本论文还着重研究了偶氮聚合物光纤刻写光纤光栅，研究了其形成机 理和衰减特性，提出了研制实用聚合物光纤光栅的方案；用对比法测量了聚合 物光纤的拉曼散射截面，计算了聚合物光纤受激拉曼散射阂值；设计和研制了 聚合物光纤c c d 谱损仪，聚合物光纤在线检测仪和完成了聚合物光纤拉丝机的 大部分研制工作。 本论文的主要内容 1 利用光栅自成像原理采用5 3 2 n m 偏振激光在偶氮聚合物光纤上刻写了双折 射光栅。( 研究了偏振光诱导的偶氮掺杂和偶氮共聚聚合物光纤材料的双折射 动力学过程，发现双折射的上升过程和下降过程都可以用双e 指数函数拟合。 用z 一扫描技术研究了偶氮掺杂聚合物材料( p m m a ) 的非线性，测量了该 材料的三阶非线性折射率和在5 3 2 n m 处的非线性吸收系数。结合偶氮掺杂 聚合物的非线性与双折射的动力学过程分析了聚合物光纤光栅的形成机制： 它是非线性吸收、线性吸收及热效应共同作用的结果。偏振光诱导的偶氮聚 合物的双折射动力学过程与泵浦光功率、所选择泵浦光波长、材料是共聚还 是掺杂及浓度等因素有关。吨 2 研究了掺n d ”和掺e u ”聚合物光纤的光谱和放大特性。嘲量了辛酸钕 ( n d ( c o a ) 3 ) 掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯的吸收谱利用j u d d o f e l t 理论得到 t * h 关的光学参数；分析了n d ”辐射特性和放大特性。n d “发光受配位环境 及基质影响较大，要增加其发光就要减少高频振动键的影响，增加配位场的 非对称性。用激光四能级系统对n d 。亚稳念4 r ：到4 h ，跃迁模拟了】0 6 0 n m 波长的聚合物光纤放大器，选择合适的条件可得到2 6 d b 增益。掺n 小和掺 e u ”聚合物光纤用多种波长激发的实验都发现了荧光，用5 1 4 5 n m 激光泵 浦n 矿一p o f 时，发现了4 2 7 n m 的频率上转换荧光；用4 5 7 9 n m 激光泵浦 e u ”- p o f 时出现较强的5 3 l n m 的荧光峰，比通常认为是最强的荧光峰6 13 n m 还强十几倍。、 7 ， 3 研究了聚合物光纤垫量墼塾当堂和受激拉曼敞射。钡4 量了聚合物光纤的侧面 泵浦的拉曼光谱并与端面泵浦的拉曼光谱进行了对比，发现端面泵浦拉曼谱 与侧面泵涌拉曼谱相比有所展宽和兰移。为了研究聚合物光纤拉曼放大器和 中国科学技术人学博士学位论文 摘蛰 拉曼激光器，我们相对于甲苯材料测量了聚合物光纤的拉曼散射截面( 6 3 i n m 处散射截面c r ( p m m a ) = 9 9 1 0 一c m 。s r 。) ，计算了拉曼增益因子( 6 3 l n m 处 增益为g = 4 6 4 1 0 “1 ) ，在所测量的拉曼散射截面的基础上利用泵浦波 和斯托克斯波耦合方程推导出聚合物光纤产生受激拉曼散射阈值的简易表达 式。， 4 设计，并研制了聚合物光纤通信链路系统。研制成功了1 0 0 m b p s 、5 m b p s 的聚 合物光纤通信链路，实现了多台计算机之间多媒体信息传输。该链路系统关 键是设计了聚合物光纤通信光电转换器，实现了基带电信号与聚合物光纤传 输的基带光信号的相互转换。该链路系统已供有关单位使用，并申报了专利义 5 研制成功白光照明c c d 投影成像聚合物光纤在线检测仪。该在线检测仪已 供有关单位在聚合物光纤拉丝机上使用。 设计了聚合物光纤拉丝机整机系统，用在线检测仪对聚合物光纤芯径在 线检测，由步进电机控制拉光纤速度达到对聚合物光纤芯径的控制，并设 计了聚合物光纤拉丝机相关的软硬件系统。 研制成功聚合物光纤谱损仪，用所设计的谱损仪对聚合物光纤光谱损耗 进行了测量分析。 本论文的主要创新点： 1 利用双光子吸收在偶氮掺杂聚合物光纤上刻写了双折射聚合物光纤光栅： 2 对掺n d ”聚合物光纤在红外的放大特性进行了数值模拟：发现n d “p o f 的 4 2 7 n m 的上转换荧光： 3 用对比法测量了聚合物光纤材料( p m m a ) 的拉曼散射截面，并推导出实用的 受激拉曼散射阈值的解析式； 4 在国内首次实现了聚合物光纤1 0 0 m b p s 的通信链路系统。 本论文取得成果的主要意义： 1 本论文研究的偶氮聚合物光纤光栅将在聚合物光纤波分复用系统和偏振色散 补偿方面有重要的潜在应用；本文这方面的研究为聚合物光纤光栅的发展丌 辟了一个新方向；提出的双光子吸收、单光子吸收及热效应共同诱导双折射 的机制是对已有的偶氮聚合物双折射产生机理的发展，对偶氮聚合物材料特 性研究有借鉴价值。 2 掺稀土离子放大特性的研究成果及聚合光纤受激拉曼散射的研究成果将对聚 合物光纤放大器、激光器的发展提供理论指导，对功能聚合物光纤材料的改 善很有参考价值。 3 研制成功的聚合物光纤通信链路在聚合物光纤入户网中有直接应用价值，这 是对聚合物光纤在局域网通信中应用的有益的探索。心 i i 鞋瓣浚谶l 溢丞菇： 、 主旦型堂垫查盔兰堕：! 兰焦堡壅! 生 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nw a sf u l f i l l e du n d e rt h es u p p o 九o ft h ef u n do ft h en a t i o n a ln a t u r e s c i e n c ea n dt h ei m p o r t a n tp r o j e c to fc a s t h em a i np u r p o s ei st os t u d yt h er a d i a t i v e ， a m p l i f y i n g ，a n dl a s i n gp r o p e r t i e so f t h er a r ee a r t hd o p e d p o l y m e rf i b e r s ，a n dt h ef i b e r t o - h o m ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h ep o l y m e ro p t i c a lf i b e r ( p o f ) c o m m u n i c a t i o n l i n k s y s t e mw a sd e s i g n e da n d f a b r i c a t e df o rt h ef i r s tt i m ed o m e s t i c a l l ya n dm e lw i t ht h e r e q u i r e m e n t o ft h ei m p o r t a n tp r o j e c to fc a s t h er a d i a t i v ea n da m p l i f y i n gp r o p e r t i e s o fr a r e e a r t h d o p e d p o l y m e ro p t i c a l f i b e rw a si n t e n s i v e l ya n a l y z e d m o r e o v e r , t h e b i r e f f i n g e n tg r a t i n g sw e r ew r l t t e no nt h ep o f ，t h ef o r m a t i o nm a c h e n i s ma n dd e c a y c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r a t i n g sw e r es t u d i e d ，a n dt h ea p p l i c a b l ep o fg r a t i n g sw e r e d e s i g n e d t h ep o l y m e rr a m a n s c a t t e rs e c t i o nw a sm e a s u r e db yc o m p a r i s o nm e t h o d ， a n dt h er a m a ng a i nc o e f f i c i e n ta n dt h es t i m u l a t e dr a m a np u m pt h r e s h o l dw e r e c a l c u l a t e d i na d d i t i o n ，w ea l s o d e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e dt h ec c ds p e c t r u m i n s t r u m e n t o fp o fl o s s ，t h eo n l i n e m e a s u r i n g i n s t r u m e n to fp o fa n dt h ep o f d r a w i n g m a c h i n e t h em a i nc o n t e n ta n dt h em a i nc h a r a c t e n s t i c so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e1 i s t e da sf o l l o w s 1t h eb i r e f r i n g e n tg r a t i n g sw e r ew r i t t e no nt h ep o l y m e r o p t i c a lf i b e r sb yg r a t i n gs e l f - i m a g ep r i n c i p l e i ti sf o u n dt h a tt h eg r a t i n gw i l ld e c a yw h e nt h ep u m pl i g h tt u r n s o f f s ot h ed y n a m i c so ft h ep o l a r i z e dl i g h ti n d u c e db i r e f r i n g e n c eo ft h ea z o d o p e d p o l y m e rw a ss t u d i e d b o t ht h er i s e a n dt h ed e c a yp r o c e s s e so ft h eb i r e f r i n g e n c e c a nb ef i t t e db y b i e x p o n e n t i a lf u n c t i o n w es t u d i e dt h en o n l i e a r i t yo f t h em a t e r i a l s b yz - s c a nt e c h n o l o g y ，a n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h en o n l i n e a r r e f r a c t i o ni n d e xi sl a r g e ，a n dt h e r ei san o n l i n e a ra b s o r p t i o na t5 3 2 n m a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i sf r o mt h ea b s o r p t i o ns p e c t r u ma n dt h ez s c a nr e s u l t s ，w et h i n k ， w h e nu s i n g5 3 2 n ml a s e ra sp u m pl i g h t ，t h e r ea r et h r e ep r o c e s s e si n c l u d e di nt h e p o l a r i z e dl i g h ti n d u c e db i r e f r i n g e n c e t h ef i r s ti st h eo p t i c a lt r a n s c i si s o m e r i z a t i o n a n dt h e nt h e r m a lc i s - t r a n si s o m e r i z a t i o np r o c e s s e s t h es e c o n di s s i n g l e p h o t o n a b s o r p t i o ni n d u c e dt r a n s - c i si s o m e r i z a t i o na n dt h e na l s os i n g l e - p h o t o na b s o r p t i o n i n d u c e dc i s - t r a n si s o m e r i z a t i o n p r o c e s s t h e t h i r di s t w o p h o t o na b s o r p t i o n i n d u c e dt r a n s c i si s o m e r i z a t i o na n d s i n g l e p h o t o na b s o r p t i o n i n d u c e dc i s t r a n s 薅弘瓤敷j 辅耘 、 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 i s o m e r i z a t i o n w et h i n kt h eb i r e f r i n g e n c ei si n d u c e db yt h ec o m b i n a t i o no ft h e t h r e ep r o c e s s e sw ea l s of o u n dt h a tt h ed y n a m i c so f t h eb i r e f r i n g e n c ei sd e p e n d e d o nt h ep u m p i n t e n s i t i e s ，p u m pw a v e l e n g t h ，a n d t h es t r u c t u r eo f t h ea z op o l y m e re t c t h eb i r e f r i n g e n tf i b e rg r a t i n g sw i l lh a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nw d m s y s t e ma n d d i s p e r s i o n - c o m p e n s a t i o ns y s t e mo f f i b e rc o m m u n i c a t i o n 2t h en d 3 + d o p e dp o l y m e r sa b s o r p t i o ns p e c t r u mw a sm e a s u r e d u s i n gt h ej u d d o f e l tt h e o r y , t h eo p t i c a lp a r a m e t e r sa n dt h er a d i a t i v el i f e t i m ew e r ec a l c u l a t e da n d c o m p a r e d w i t ht h eo t h e rm a t e r i a l st h ec a l c u l a t e d o p t i c a lp a r a m e t e r i s f 2 2 = 2 1 1 1 0 。2 0 c m 2 t h el i f e t i m ei s6 3 2 p sm o r e o v e r , t h en d ”r a d i a t i v ep r o p e r t i e s w e r ea n a l y z e db yt h ec a l c u l a t e do p t i c a lp a r a m e t e r s b e c a u s et h ee n v i r o n m e n ta n d t h em a t r i xa f f e c tt h er a d i a t i v ec h a r a c t e r i s t i c s ，i no r d e rt oe n h a n c ei t sr a d i a t i v e a b i l i t y , t h eh i g hf r e q u e n c yv i b r a t em o d es h o u l db er e d u c e d ，a n dt h es y m m e t r yo f t h el i g a n ds h o u l db er e d u c e d u s i n gt h e f o u r l e v e l - s y s t e ml a s e rt h e o r ya n dt h e p a r a m e t e r sc a l c u l a t e df r o mt h ej u d d o f e l tt h e o r y , t h e 10 6 0 r i mp o l y m e ro p t i c a l f i b e ra m p l i f i e rw a ss i m u l a t e d t h ea m p l i f i e rg a i nc a nr e a c ht o2 6 d bu n d e rp r o p e r c o n d i t i o n i na d d i t i o n w eo b t a i n e dt h e u p c o n v e r s i o nf l u o r e s c e n c ea t4 2 7 n mo f n d ”一p o fp u m p e db y51 4 5 n m ；e u ”一p o ff l u o r e s c e n c ew a sf o u n d b ys e v e r a l w a v e l e n g t h sl i g h tp u m p e d t h er e l a t i v es t r o n gf l u o r e s c e n c ei sa t5 3i n m ，w h i c hi s a b o u tt e n st i m e ss t r o n g e rt h a nt h eu s u a ls t r o n gl i n e6 13 n mt h e s er e s u l t sw i l lb e h e l p f u lt od e v e l o p t h er a r e e a r t hp o f a m p l i f i e r 3p o fr a m a ns p e c t r u mw a sm e a s u r e da n dt h es t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g 、 a s a n a l y z e d t h er a m a ns p e c t r u mb ys i d ee x c i t e da n de n de x c i t e dw e r em e a s u r e da n d c o m p a r e d ，i t i sf o u n dt h a tt h e s p e c t r u m s h i f tt ob l u ei ne n de x c i t e d s p e c t r u m c o m p a r i n gw i t h s i d ee x c i t e d s p e c t r u m i n o r d e rt o d e v e l o p t h ep o fr a m a n a m p l i f i e ra n dp o fr a m a nl a s e r ，w em e a s u r e dt h er a m a nd i f f e r e n t i a l s c a t t e r i n g s e c t i o nr e l a t e dt ot h a to f t o l u e n e ，a n dc a l c u l a t e dt h er a m a ng a i nc o e f f i c i e n t u s i n g t h em e a s u r e dr a m a n s c a t t e r i n gs e c t i o na n dt h ec o m b i n a t i o nf o r m u l ao ft h ep u m p w a v ea n dt h es i g n a lw a v e ，t h es t i m u l a t e dr a m a n s c a t t e r i n gp u m pt h r e s h o l do ft h e p m m af i b e rw a sd e d u c e d t h e s er e s u l t s w i l l g i v e i n s t r u c t i o nt o s t u d y a n d f a b r i c a t et h ep o fr a m a n a m p l i f i e r 4 t h ep o fc o m m u n i c a t i o nl i n k s y s t e m w a s d e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d t h e 、 生里型堂垫查查堂堕圭堂篁堡兰主! 里 i m p o r t a n tt h i n gw es u c c e s s f u l l ya c c o m p l i s h e di so p t i c a l - e l e c t r o n i c sc o n v e c t o rf o r p o fc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hc a nc o n v e r tt h e10 0 b a s e t xs i g n a li n t o 10 0 b a s e f x s i g n a l t h em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nc a nb et r a n s f e r r e di nt h i sl i n kb e t w e e nt w o c o m p u t e r si nb i d i r e c t i o n t h i sl i n ks y s t e mc a nb ea p p l i e di nt h ep o f l o c a la r e a n e t w o r k i n g ( l a n ) s y s t e m w e a l s of u l f i l l e d t h e110 k b p s ，5 m b p sp o f c o m m u n i c a t i o nl i n ks y s t e m s 5 b yu s i n gt h em e t h o do f w h i t el i g h ti l l u m i n a t i o na n dp r o j e c t i o ni m a g eo nc c dt o m e a s u r ef i b e rr a d i u so nl i n e ，t h ec c do n - l i n em e a s u r i n gi n s t r u m e n to fp o fw a s m a n u f a c t u r e d p o f d r a w i n gm a c h i n ew a sd e s i g n e d ，w i t hc c d i n s t r u m e n tt om e a s u r et h er a d i u s o fp o fo nl i n e ，a n dt h es t e pm o t o rt oc o n t r o ld r a w i n gv e l o c i t yo fp r e f o r ma n d f i b e r s t om e a s u r et h el o s ss p e c t r u mo fp o f ，t h ep o fc c d s p e c t r a l l o s si n s t r u m e n ti s d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e d u s i n g t h i s i n s t r u m e n t ，t h es i p o f s l o s sw e r e m e a s u r e da n d a n a l y z e d t h em a i ni r l n o v a t i v er e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o n ： 1 t h eb i r e f r i n g e n tg r a t i n gw a sw r i t t e ni nt h ea z o b e n z e n ed o p e dp o f ，w h i c hw a s c a u s e db yn o n l i n e a rp h o t e n e x p o s u r e 2 w eh a v eo b t a i n e dt h eu p c o n v e r s i o nf l u o r e s c e n c ea t4 2 7 n mo f n d ”p o f t h en d 。 d o p e dp m m af i b e ra m p l i f i e r w e r en u m e r i c a ls i m u l a t e d t h em a x i m u mg a i n r e a c h e st o2 6 d bu n d e r p r o p e rc o n d i t i o n 3 t h er a m a nd i f f e r e n t i a ls c a t t e r i n gs e c t i o na n dr a m a ng a i nc o e f f i c i e n to fp m m a w e r em e a s u r e d ，t h es t i m u l a t e dr a m a n s c a t t e r i n gp u m pt h r e s h o l do ft h ep m m a f i b e rw a sd e d u c e d 4 w e s e t u pt h ep o f c o m m u n i c a t i o nl i n ks y s t e mf o rt h ef i r s tt i m ed o m e s t i c a l l y 。i ：，；氮。o ：；。i i 凌滤瘗 f 溅黼i l 魏蘧娩篱j ， v 中国科学技术人学博上学位论文 第一章综述 1 引言 第一章综述 自1 9 6 8 年美国杜邦公司研制出聚甲基丙烯酸甲脂( p m m a ) 芯的阶跃聚合 物光纤以来，世界各国竞相展开研究，在降低聚合物光纤的损耗和提高带宽方 面取得重要进展。当时的p m m a 的阶跃聚合物光纤损耗约1 0 0 0 d b k m ，目前其 低损耗窗口损耗已降到1 1 0 d b k m e ”。分析表明入户网必须具备1 0 0m b p s 以上的 数据传送速率。若采用双绞铜线或同轴电缆，它们的缺点是带宽低、传送距离 短、电缆重( 7 0 9 m ) 、价格高，更重要的是噪声很大，抗干扰能力弱。石英光纤 具有带宽高，衰减低等特点，是长距离通信干线的理想的传输介质，但在光纤 入户时却遇到巨大困难。石英光纤芯径细、脆性大、接口难、成本高。目前最 有希望的解决方案之一是在接入网中应用聚合物光纤( p o f ) ，它具有以下优点： 其毫米量级的尺寸及大的数值孔径使它在连接和安装处理方面比较容易，另外 它具有价格低廉、可塑性强、重量轻( 8 9 m ) 、施工方便、无电磁干扰问题及可以 使用廉价的l e d 及l d 等优点口i 。光纤接入网的最终目的是面向未来实现各种 宽带业务，并实现光纤到家庭( f t t h ) ，宽带综合业务数字网的长度将大大超 过主干网，接入网在整个光纤通信产业中占有的市场份额将超过1 3 。据估算若 在接入网中采用单模石英光纤其成本将达到3 0 0 美元户。而以聚合物光纤为主 的光纤接入网的丌发成功将使其成本降至3 0 0 元户以下。这充分显示聚合物光 纤在接入网的市场竞争中的优势。 美国、欧洲和同本已在聚合物光纤和聚合物光纤接入网的研发计划中投入 巨额资金，以图在国际同趋激烈的知识经济竞争中占据有利的位置。从1 9 9 4 年 起，同美相继成立了聚合物光纤合作组织。p a c k a r dh u g h e s 、波音、波士顿光纤、 h o e y w e l l 等公司参加的美国高速聚合物光纤通信网合作组织，丌展了光纤微网 络计划( o m n e t ) ，斥巨资开发氟化梯度折射率聚合物光纤和交换系统i ”。同 本的聚合物光纤由n e c 、三菱一人造丝、朝阳化工、东丽等公司参加合作研究与 丌发，并且在阶跃型聚合物光纤产业化方面在全世界处于领先地位。1 9 8 7 年 h o e c h s ta g & c o d e n o l l 技术公司首先演示了p o f 局域网的工业标准，1 9 9 9 年 9 1 尔实验室实现了1 1 g b s1 0 0 m 的聚合物光纤链路实验“。这显示了聚合物光纤 带宽及通信性能的巨大潜力。 国内中国科技大学丌展了近十年的有源和无源聚合物光纤与器件的研究， 0 ，。；瑟惑潮渤；l 。磁懿躯 中国科学技术大学博士学位论文 第一章综述 研制了聚合光纤几何参数，谱损、折射率分布等参数系列测试仪器，光纤端面 抛磨设备以及聚合物光纤链路传输系统。中科院化学研究所利用其在高分子及 相关学科的综合优势，目前已通过试验得到了一条经济和技术均合理可行的梯 度折射率型聚合物光纤( g i p o f ) 的制备工艺，并成功地制备了梯度折射率聚合物 光纤。中科院理化所从9 6 年开展高带宽低衰减渐变折射率p o f 的研制，实验 室研制出可在8 5 。c 下工作的光纤。南京玻璃纤维设计院开展了以装潢为主要目 的的聚合物光纤的研究。根据我国国情，对于目前普遍较为集中的居住条件而 言，发展高性能、低成本的入户聚合物光纤网络，具有巨大的经济和社会效益； 同时对于要求高度保密性的军事接入网和需要尽可能减轻重量的航空航天事业 的发展，也具有极其重要意义。 聚合物光纤方面的研究主要可以分为两大部分，一是聚合物光纤的研制和 应用，二是聚合物光纤器件的研制和发展。相对于聚合物光纤的快速发展和应 用，聚合物光纤器件的发展相对滞后。聚合物光纤器件可分为有源器件和无源 器件。掺染料的有源器件如放大器和激光器已经研制成功，但是需要进一步发 展，使之与聚合物光纤通信窗口相匹配。无源器件如聚合物光纤光栅，连接器， 耦合器等已有报道，但尚未研制出对应于聚合物光纤通信窗口的聚合物光纤光 栅。而且很重要的聚合物光纤耦合器：聚合物光纤波分复用器等器件都还有待 于研究。 2 聚合物光纤制作 聚合物光纤的成纤技术分为挤压法和拉丝法两种。m i t s u b i s h ir a y o n 较早 推出了挤压法1 5 】。主要特点是m m a 单体引发剂及链转移剂可以连续地加入到反 应玻璃皿中，而且光纤的包层可以紧接着加到光纤上。这是一种高生产率的理 想的商业化的过程。这一过程挤出光纤的同时单体在反应玻璃皿中聚合反应。 挤光纤过程中聚合物和单体在玻璃器皿中所占比例约为6 0 到8 0 范围。挤压 器利用快速减压法使单体又蒸发回反应玻璃皿中，然后聚合物用干燥的n ，加压 法挤出光纤，该方法挤出的光纤含单体 l ，当光纤由d , t l 挤出来时，由另一 挤压器将包层聚合物涂到光纤表层上。这种方法挤出的光纤中单体转换为聚合 物的转换率 1 0 0 ，这有两个好处：可降低反应过程温度和增加反应速率。该 过程的反应温度1 5 0 。c 左右。反应速度也可能由于自加速反应而提高，太快可 能会出现暴聚【6 】，所以有一个最佳温度。1 4 0 。c 时对应p m m a 聚合物浓度6 2 4 ， 1 6 0 。c 对应的浓度7 9 6 。 n t t 首先提出另一种挤压法口i ，该方法的反应温度是1 8 0 。c ，使得单体聚 中国科学技术大学博士学位论文 第一章综述 合完全，然后再加热到2 0 0 。c 由n ：加压挤出光纤。该挤压装置结构简单，反应 完全。聚合物光纤挤压法制作在文献 8 】上有报道：p m m a d 5 光纤由在容器上 端加1 3 大气压使得熔融的聚合物从小孔中挤出。这种方法可以调节到较高温 度，使炉中的温度加热到1 9 0 。c 。文献 9 】中的p m m a - d 8 聚合物光纤也是用挤 压法。 聚合物光纤提拉方法( p r e f o r m d r a w i n g ) 类似于通常生产光纤的方法”“。同时 调节喂聚合物预制棒的速度、拉光纤的速度及加热炉的温度，来控制光纤芯径 的尺寸，预制棒头的温度可达到2 0 0 2 5 0 。c 范围，包层可以在线涂敷，而且带 有光纤芯径的在线检测系统。 这种装置有很多优点：( 1 ) 、该装置适用于商业化：( 2 ) 、可以制作低损耗 光纤和好的机械性能光纤；( 3 ) 、这种装置适合制作复杂的折射率分布型的梯 度折射率光纤，而不是象挤压法仅能做阶跃型聚合物光纤。虽然这种方法有很 多优点，1 9 6 8 年就被u s s r 采用【1 2 】，o p t e c t r o n t ”1 用它来制作商业的聚合物光纤， 但是，还未被广泛用来制作聚合物光纤，这可能主要源于聚合物光纤的高损耗 和市场未形成的限制。 拉光纤方法首先要制作光纤预制棒，梯度折射率的光纤预制棒制作方法主 要有界面凝胶法1 和扩散法。这里介绍一下界面凝胶法，该方法是将经过减压 蒸馏提纯的两种折射率不同的聚合物单体( 高折射率单体作为掺杂剂) 的溶液、 引发剂及链转移剂混合液倒入一作为包层的空心聚合物管中，将此聚合物管放 置到7 0 。c 左右的烘箱中聚合4 8 小时。聚合过程中，包层聚合物管内壁逐渐被 芯混合液溶涨，进而在包层内壁形成凝胶相。在凝胶相中分子运动减慢，聚合 反应由于凝胶作用而加速，使得聚合在包层内壁的凝胶相不断增厚至包层管的 中心，最后制得一根折射率分布呈梯度型的聚合物光纤预制棒。 3 氘化与氟化聚合物光纤一降低聚合物光纤损耗 了解聚合物光纤的谱损特征，寻找聚合物光纤的最小损耗窗口，这对有源 聚合物光纤的放大器激光器的研究以及聚合物光纤通信都是很重要的。目前， 氟化聚合物光纤代价较高，比较实用化的方向应是氘化聚合物光纤，对聚合物 光纤聚合物光纤通信应用和有源器件研究都是一个方向。研究发现氘化聚合物 中掺杂稀土离子比掺杂到p m m a 聚合物光纤中的荧光效率要高。 聚合物光纤谱损测量的基本方法是一般截断法m j 。损耗计算公式： 口一半l o g ( 1 - 1 ) 2 ：+ 。 ，： 1 f，f j 怒曩蕊l 数迤i 黼l 薹趱蛾强。文； 生垦型兰垫查盔兰竖主堂垡堕塞翌二皇! i 生 p 。，p ：分别代表截断前和截断后光纤透射功率，l 为光纤的长度。 通常采用高功率的氙灯作光源，采用双光栅单色仪分光、硅探测器、锁相 放大器及计算机构成高精度的采集系统。用此系统测得聚合物光纤谱损结果见 图1 - 1 。值得一提的是本实验室根据聚合物光纤的损耗谱测量要求精度不高、主 要在可见光范围的特点设计了微型c c d 聚合物光纤谱损仪，测量方便可靠m 1 。 w - v l “口l hi n m i ( j 1 g ip m m ap l a t f i ef i b e r w v i l e n g u ”m i f b ) 图1 1 聚合物光纤谱损图。( a ) s i p o f 谱损，图卜2 氟化梯度折射率聚合物光 ( b ) g i p o f 谱损 1 4 1纤带宽随波长的变化：所用光源 的带宽是2 n m 图1 1 表示的是聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 为基质的聚合物光纤( p o f ) 的 谱损图。图l 一1 ( a ) 表示阶跃折射率聚合物光纤( s i p o f ) 的谱损，图1 _ 1 ( b ) 表 示梯度折射率聚合物光纤( g i p o f ) 谱损。一般g i p o f 的损耗比s i p o f 的损耗稍 大，实验测得s i p o f 在6 5 0 n m 损耗是l1 0 d b k m ，g i p o f 为1 5 8d b k m 。由损耗 谱图可见s i p o f 主要窗口在7 8 0 n m ，6 5 0 n m ，5 7 0 n r n ，5 2 0 n t o 附近，对于g i p o f 其他窗口基本类似，但g i p o f 在5 2 0 n t o 附近虽然有损耗窗口但没有s i p o f 的 平坦，从波分复用的角度，s i p o f 的5 2 0 n m 窗口可以分为9 路传输信道，而g i p o f 很难在此波段实现波分复用。p o f 的传输损耗主要由材料的c h 键振动及电子 跃迁的吸收，以及本征r a y l e i g h 散射，波导不理想( 例如光纤芯径半径的波动) 这几种因素导致的】。当p o f 被用作光学信号传输媒介，则希望它的光学窗口 尽可能接近光源l e d 的峰值处的波长。以p m m a 为基质的聚合物光纤的最佳 秘。；滁i 栽鑫远燃i l l l 蕊i 赶i ， | 4 、 主里登堂垫查查兰竖主兰堡堡塞一笪二雯! i 生 光学窗口在6 5 0 n m 窗1 3 。可以使用廉价的对于o a a l a sl e d ，在可见光的波长 范围内它的峰值波长是6 6 0 r i m ，与最佳窗口有点偏移。p m m a 光纤在6 5 0 r i m 的 衰减为1 2 8 d b k m ，在此处它的理论损耗极限为9 9 d b k m 。c h 键在6 5 0 n m 的振 动吸收大约为8 8 d b k m t “i 。这个损耗极限主要由c h 键振动吸收决定，用氘置 换p m m a 中的氢可以减少其在红外区的c h 键振动吸收和由此导致的近红外 及可见光部分的吸收。c h 键振动吸收的减少将使p o f 在可见光及近红外区的 损耗有明显的降低。 日本的t o s h i k u n i t 8 i 等人报道一种氘化( p m m a d 5 ) 光纤。它在5 6 5 n m 处有最 低光谱损耗为4 1 d b k m ，而在相同的波长处其他的p m m a 光纤最低光谱损耗为 8 9 d b k m 。这种聚合物光纤在6 4 6 n m 和7 6 0 r i m 有两个窗口，在6 4 6 n m 波长处的 损耗为5 5 r i b k i n ，可以作为短距离传输。s c h l e i n i t z 报道了用p m m a - d 8 作为基 质的p o f l 9 1 ，该聚合物光纤具有柔软和在可见区及近红外区损耗低的特点。它 与其它p o f 光纤不同的是光学窗口红移，分别为6 9 0 n m 和7 9 0 r i m 。这种氘化p o f 最低的谱损为1 8 0 d b k m ，它的传输长度限制在1 0 0 m i ”】。其后日本的t o s h i k u n i 等人也曾报道过一种掺氘( p m m a d 8 ) 为基质的p o f t ”。它在6 5 0 6 8 0 n m 的波长 范围有最低的损耗( 2 0 d b k m ) ，在7 8 0 n m 附近它的损耗为2 5 d b k m ，在这些波长 可以利用高功率的l d 作为光源。它在8 5 0 n m 的损耗为5 0 d b k m ，这个光学窗 口可以实现与玻璃光纤的无光电交换的直接连接。与p m m a 光纤相比这种光纤 的c h 键振动吸收消失，氘置换氢后，c d 键吸收的高次谐振吸收波峰易位到 长波区( 比c h 的相应波峰高2 0 0 n m ) ，而且其强度只有为c h 键的四分之一。 举例来说c d 键的横向振动的第六级谐波吸收峰的位置是8 4 0 n m ，强度大约 为1 0 0 d b k m ，而c h 键的第六级谐波峰在6 2 2 n m ，强度大约为4 0 0 d b k m 。这 种氘化光纤仍有0 6 的c h 键剩余，其