（光学工程专业论文）大尺寸光学材料折射率分布测量仪的研究与开发.pdf

大尺寸光学材料折射率分布测量仪的研究与开发 折射率分布是渐变折射率光纤的重要参数，在渐变折射率光纤的设计研制过程中，折 射率分布的测量是必不可少的，其结果可以提供变折射率光纤数值孔径、传播模数、传输 色散等计算数据。这对评估光纤性能至为重要。本文结合“聚合物光纤及其器件的关键应 用基础研究项目进行大尺寸光学材料折射率分布测量仪的研究与开发。 论文首先介绍了近年来网络与通信的背景，叙述了有关g i p o f 的测量研究，包括衰 减、带宽、色散、热稳定性、折射率分布等。从而引出了使用渐变塑料光纤的意义和应用 场合：接着论文阐述了测量塑料光纤的参数的重要性。 接着，论文简要的介绍了各种常用的测量光纤折射率分布方法的特点，说明了使用反 射法的意义和实用性。论文介绍了反射法的原理，并在此基础之上详细的介绍了大尺寸光 学材料折射率分布测量仪的研究与开发。 论文重点论述了大尺寸光学材料折射率分布测量仪设计开发。文章介绍了测量仪的设 计原理和组成、数据采集及处理及控制分析软件的设计。详细了分析了各部件的构造和作 用。使用计算机辅助进行折射率分布计算，得到了精确的折射率分布曲线和分布数据。在 取得了折射率分布数据之后，论文又进行了严密的试验测量和误差分析。 本论文通过研究设计出结构合理，测试精确的折射率分布测量仪，已经在“聚合物光 纤及其器件的关键应用基础研究”项目中配合使用，适用于项目中渐变折射率光纤预制棒 等大尺寸样品的折射率测试。同时还适用于自聚焦透镜的折射率分布测量以及一般的光学 材料折射率测量。 关键词：光学材料；变折射率光纤；折射率分布；反射法；折射率分布测量仪 艿旁衙认 呈小蕴 f 币 0 卫：字胖抖雌稗牲撒 s t u d ya n dd e s i g nam e a s u r e o fd i s t r i b u t i n go fr e f r a c t i v e i n d e xo fg r a d e d - i n d e xf i b e rl a s e r s d i s c i p l i n e ：o p t i c se n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：吠似，、 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： ab s t r a c t t h er e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o ni st h ei m p o r t a n tp a r a m e t e ro fg r a d i e n ti n d e x f i b e r i nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fg r a d i e n ti n d e xf i b e r ，t h em e a s u r e m e n tr e s u l t o ft h er e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o nm a yp r o v i d et h ed a t as u c ha sn u m e r i c a la p e r t u r e ， p r o p a g a t i o nc o n s t a n t ，d i s p e r s i o no ft h eg r a d i e n ti n d e xf i b e ra n ds oo n i tt a k e sa n e x t r e m e l yv i t a lr o l ei nr e s e a r c h i n go ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r a d i e n ti n d e xf i b e r a n dm a n u f a c t u r i n gh i g hq u a l i t yg r a d i e n tr e f r a c t i v ei n d e xm e d i a t h i sp a p e rb a s i n go n t h ep r o j e c t t h eb a c k g r o u n dr e s e a r c h i n go fp o l y m e r i z e df i b e r sp i v o t a la p p l i c a t i o n i st or e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h em e a s u r i n gi m p l e m e n to ft h er e f r a c t i v ei n d e x d i s t r i b u t i o nj u m b os i z eo p t i c a lm a t e r i a l t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c et h eb a c k g r o u n do ft h en e t w o r ka n dt h ec o m m u n i c a t i o n o ft h er e c e n ty e a r s ，r e c o u n t e dt h es u r v e yr e s e a r c hr e l a t e dt og i - p o f ，i n c l u d i n g w e a k e n ，b a n dw i d t h ，c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ，t h e r m os t a b i l i t y ，r e f r a c t i v ei n d e x d i s t r i b u t i o na n ds oo n t h u sd r a wo u tt h es i g n i f i c a n c ea n dt h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o no f u s i n gp l a s t i co p t i c a lf i b e r a f t e rt h a tt h ep a p e re l a b o r a t e st h ei m p o r t a n c eo fs u r v e y i n g t h ep l a s t i co p t i c a lf i b e rp a r a m e t e r i n s u c c e s s i o n p a p e rb r i e f l y i n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i c so fe a c hk i n do f c o m m o n l yu s e dm e t h o d so fs u r v e y i n go p t i c a lf i b e rr e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o n ，a n d e x p l a i n st h es i g n i f i c a n c ea n du s a b i l i t yo fr e f l e c t i o nm e t h o d t h ep a p e ri n t r o d u c et h e p r i n c i p l e o fr e f l e c t i o nm e t h o d ，a n dd e t a i l e di n t r o d u c et h er e s e a r c ha n dt h e d e v e l o p m e n to ft h eg r e a ts i z eo p t i c a lm a t e r i a lr e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l em e a s u r e m e n t i n s t r u m e n ta b o v et h i sf o u n d a t i o n t h ek e yp o i n to ft h ep a p e ri st h ed e s i g no ft h eg r e a ts i z e o p t i c a lm a t e r i a l r e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t i n t r o d u c e dt h et e s ti n s t a l l a t i o na n d t h ee q u i p m e n to ft h em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ，d e t a il e da n a l y z e dt h e i rs t r u c t u r ea n d t h ef u n c t i o n ，s p e c i a l l yt h ep a r to fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，s i m u l t a n e o u s l y d e s i g n e dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o la n a l y s i ss o f t w a r e ，u s et h ec o m p u t e ra s s i s t a n c et o c a r r yo nt h er e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o nc o m p u t a t i o n ，o b t a i nt h ep r e c i s er e f r a c t i v e i n d e xd i s t r i b u t i o nc u r v ea n dt h ep r o f i l ei n f o r m a t i o n a f t e rh a so b t a i n e dt h er e f r a c t i v e i n d e xp r o f i l ei n f o r m a t i o n ，t h ep a p e rh a sc a r r i e do nt h es t r i c te r r o ra n a l y s i s t h i ss e td e s i g n e dr e a s o n a b l ya n dp r e c i s e l y ，s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h er e f r a c t i v e i n d e xt e s to ft h eg r e a ts i z es a m p l es u c ha st h eo p t i c a lf i b e rp r e f a b r i c a t i o ns t i c ka n ds o o n i ti ss u i t a b l ef o rt h er e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o ns u r v e yo ft h ev a r i a b l ei n d e x p l a s t i cf i b e rp r e f a b r i c a t e ss t i c k ，t h es e l f - f o c u s i n gl e n sa sw e l la st h eg e n e r a lo p t i c a l m a t e r i a l k e yw o r d s ：o p t i c a lm a t e r i a l ；g r a d i e n ti n d e xf i b e r ；r e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e ； r e f l e c t i o nm e t h o d ；r e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 许希露 私锯 日期：删1 0 ，i7 ， ， 姘r l 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名许丽隽 指导教师签名： 私鞴 日期：勿哆j o f 7 ， 啼 。i 1 绪论 渐变折射率光纤( g i p o f ：g r a d i e n ti n d e xo p t i c a lf i b e r ) 在光传输和数据通信领域有着 广泛的应用。折射率分布是渐变折射率光纤的重要参数。精确测量其光纤预制棒的折射率 分布是评估折射率的理论设计形貌与实际分布形貌差别的重要手段。本课题的目的就是对 测量折射率分布的测量仪进行研究与开发。 本章将对本课题的来源和背景以及设计的理由、目的、技术等做一个概括的介绍，并 对相关的国内外在此领域的研究状况作以简要分析。 1 1 课题的依据及意义 本课题来源于中国科学院西安光机所承担了国家自然科学基金重点项目“聚合物光纤 及其器件的关键应用基础研究 。 该项目的目标是解决低损耗、高带宽、低色散、高质量的渐变折射率聚合物光纤的规 模化制造难题。项目组拟采用化学原位聚合反应技术和单螺杆挤出技术制作大尺寸g i 光 纤预制棒。 在变折射率光纤的设计研制中，折射率分布的测量结果可以提供变折射率光纤的数值 孔径、传播模数、传输色散等计算数据；也可以提供变折射率透镜的数值孔径、聚焦特性、 像差特性、光线轨迹等分析数据。这对研究变折射率介质的特性和制作高质量的变折射率 介质有极其重要的作用。 本论文结合此项目，主要工作是研究和开发大尺寸光学材料折射率分御测量仪，目的 是用于对项目制作的g i 光纤预制棒进行测量和分析。 该研究对变折射率介质的特性和制作高质量的变折射率介质也具有极其重要的意义。 本设计将提供一种简单、快速的、高精度折射率分布测量方法。 1 2 国内外文献综述 渐变折射率光纤在数据传输和数据通信领域有着广泛的应用，g i 光纤的研究更显得 重要。光纤预制棒的折射率分稀的是测量光纤研制的重要手段。 1 2 1 光纤的应用 当今世界已经步入信息时代，2 0 世纪7 0 年代初期出现了光纤通信技术，它使得信息 传输能力高速的提高。在此后仅十余年时间里，在许多发达国家和地区，光纤通信线路已 经取代了传统的同轴电缆通信干线，并已敷设了多条穿越太平洋和大西洋的海底光缆。2 0 世纪9 0 年代以来，人们对通信系统提出更高的要求，i n t e r n e t 的普及发展和各种信息( 如 一 卫 i 安i - l ：业人学i ：稗硕十学l i 童迨塞 一；目_ 置，_ _ _ _ _ l _ - l _ _ _ _ l _ _ _ _ l _ 一 语音、图像、数据等) 业务的快速增长。使得计算机终端不再是单纯的计算和数据处理工 具，同时还具有高清晰度电视、可视电话、电话会议、电子信箱、文件与书刊的调查、阅 读，即多媒体功能。如此大容量的信息传输对传统的同轴电缆，甚至微波通信都是不可思 议的，只有光纤通信技术使其变成现实【l j 。 光纤通信这一高新技术得到迅猛发展，已经遍布全球，深入到每个人的日常生活中， 并且带动了一批相关技术和产业( 如光纤传感器、光电子器件等等) 的飞速发展，光纤技 术已经成为当今信息技术的重要内容之一。渐变折射率光纤以其高带宽、低色散等优点成 为数据通信的首选传输介质【2 j 。特别是1 9 9 3 年美国政府提出信息高速公路计划以来，g i 光纤已经以其高带宽、低色散等优点成为数据通信的首选传输介质。然而，随着石英光纤 高速主干网的建成和和光纤到大楼的逐步推广，一个急需解决的问题是大楼内部的短距离 光连接数据通信问题，而聚合物光纤( p o f ：p o l y m e ro p t i c a lf i b e r ) 以其大芯径易于安 装连接、强抗电磁干扰、高柔韧性、价格低廉的优点己成为解决短距离传输瓶颈的首选传 输介质。研究表明，以p o f 作为传输截至的3 0 0 m 范围内的短距离光传输是光传输技术 发展的一个全新领域，是高速、大容量全光传输网络的一个重要组成部分。 1 2 2 渐变折射率塑料光纤 光纤又称介质圆波导，主要由折射率高的纤芯和折射率较低的包层构成。为了增加光 纤的机械强度并保护其不受外力和环境的影响，在包层外面又加上涂敷层和塑料外套。 p o f 是由折射率不同的高聚物分别构成纤芯、包层同心圆柱的光导纤维。其纤芯折 射率高于包层折射率从而实现全内反射导光。人们已经设计了多种结构的p o f ，如折射 率阶跃型p o f 、折射率渐变型p o f 、多芯p o f 、折射率梯形变化型p o f 等。这方面的研 究已经持续了近3 0 年，目前已经开始被广泛应用。由于材料本身的原因，p o f 的损耗较 大，一般都在1 0 0 d b k m 以上。 g i p o f 的特点是纤芯折射率是渐变的，中心折射率最高，沿半径方向逐渐减小，包 层折射率是均匀的，目前，g i 光纤折射率大多呈抛物线分布，多可用于中短距离高速多 媒体网络的低损耗、大带宽数据传输。 塑料光纤经过近三十年的开发历史。进入2 0 世纪9 0 年代，特别是1 9 9 3 年美国政府 提出信息高速公路计划以来，随着计算业务的迅速膨胀以及通信业务的发展渐变折射率 塑料光纤( g i p o f ) 的研究开发速度明显加快。g i p o f 在局域网( l a n ：l o c a la r e a n e t w o r k ) 中的应用前景越来越广阔。随着研究的迸一步深入，现己研制出在1 0 0 m 距离 上传输速率达3 g b s 的g i p o f ，彻底改变了p o f 传输带宽窄的旧形象。 塑料光纤柔软易弯曲、芯径大、易耦合、抗电磁干扰电磁辐射( e m i ：e l e c t r om a g n e t i c i n t e r f e r e n c e e m r ：e l e c t r om a g n e t i cr a d i a t i o n ) 、制造简单、成本低。随者技术的革新， p o f 逐渐用于高科技领域，如高速数字通信、桌面计算机联网、多媒体、小型办公网络 以及汽车、飞机信息系统、传感系统、局域网和军事网络。g i p o f 多用于短距离网络数 2 据传输。般局域网数据传输距离在1 0 0 m 甚至6 5 0 m 之内，距离不长但连接多，采用石 英光纤或铜系电缆并无优势，而这正是g i p o f 大显身手之地。g i p o f 既能支持双向、 互动、全屏幕电视的传播，又能并入现有的局域网中，它能承受- 4 0 - - 1 2 5 的工作环境， 还能经受2 5 m m 的弯曲半径，这种坚韧强度使人们可以轻易地通过天花板和墙壁安装和 牵引p o f 。塑料光纤逐渐成为l a n 布缆安装的又一标准媒体。 p o f 的安装或劳动强度小于铜线和玻璃光纤。p o f 芯径大( 5 0 0 - - - 15 0 0 1 t m ) 、数值孔 径大( 0 2 - - - 0 9 ) 、质量轻，可简化连接设备【3 j 。其耦合元件可选用注塑产品甚至简易的金 属套圈，可在短时间( 2 m i n ) 内完成耦合连接，对灰尘和其他杂质造成的损耗不太敏感【4 j 。 塑料光纤的制造工艺包括制棒、拉丝、护套( 成缆) 【5 j 。g i p o f 预制棒又称自聚焦 塑料棒，预制棒直径多在3 - - 2 5 m m 之间，这种预制棒还可用于制作透镜等。 塑料光纤从问世到现在，除了光损耗以外，带宽一直是限制其应用的主要因素。带宽 是光纤的重要参数之一，如何最大限度地提高塑料光纤的带宽将决定塑料光纤能否更好地 应用于中短距离的通信应用。光纤的通信能力或者带宽特性与光纤剖面的折射率分布有很 大关系。渐变折射率分布的光纤的带宽特性比阶跃型分布的光纤要好。这是因为在只有一 根纤芯的典型阶跃折射率光纤中，光束会在光纤外表层处突然改变方向，限制频带宽度。 渐变折射率光纤纤芯由很多不同的材质层构成，它允许光束从纤芯到外表层之恻渐变，光 束可沿更弯曲的抛物线轨迹传输。由于光线在光疏媒质中行进的速度快，在光密媒质中的 速度慢，所以光在光纤纤芯外层传输得快，在光纤纤芯中心传输得慢。这样一个构建合 理的折射率分布可以补偿由于不同模式、不同路径长度带来的模间色散，从而通过纤芯传 输更多的数据。实验证明，渐变折射率分布光纤比阶跃折射率光纤带宽要高的多1 6 j 。 要制造出高质量的g i p o f 光纤，精确测量其光纤预制棒的折射率分布是评估折射率 的理论设计形貌与实际分布形貌差别的重要手段。在g i 光纤的设计研制中，折射率分布 的测量结果可以提供g i 光纤的数值孔径、传播模数、传输色散、带宽等计算数据；在变 折射率透镜研究中，也可以提供其数值孔径、聚焦特性、像差特性、光线轨迹等分析数据。 在渐变折射率光纤的传输中，合理的折射率分布还可以补偿由于模式路径长度不同带 来的差异，从而通过纤芯传输更多的数据。因此，制作出优质变折射率塑料预制棒当然离 不开对其折射率分布的监控和测量【玎。 微机技术的发展、单片即的广泛应用为测试系统的发展提供了良好的硬件平台。高速 化、便携式、微型化、低成本、智能化成为测试系统的最大特点。 1 2 3 折射率分布的测量 目前国际上关于光纤折射率分布的测量技术和方法有许多种，主要有近场折射、法【引、 干涉法【9 1 、聚焦法【l o 】、反射法【1 1 】等等。 近场折射法是国际电信联盟基准测试法，是测量光纤折射率分布的良好方法，但是其 测试装置比较复杂，而且近场法和干涉法需要将两端面都抛光，因而较耗时，测量周期长。 干涉法分为薄片反射法和横向反射法。薄片干涉法的测量精度很高，但它对样品加工 的平面度、平行性要求非常苛刻，对于大尺寸的塑料光纤预制棒( 例如3 0 - - - 5 0 m m 直径) ， 要高精度地加工平行平面薄片几乎不可能。横向干涉法的样品虽然无需加工，但是需要昂 贵的干涉显微镜，并且由于光线通过样品中心和边缘的光程差很大，使干涉条纹的偏移量 很大，甚至越出观察视场，这虽然还可以用横向剪切干涉法解决，但是对于直径很大的塑 料光纤预制棒，要进行折射率分布测量还是很困难的。 严格意义上说，聚焦法不是一种很好的测量p o f 光纤折射率分布的方法。这是因为 只要包层和纤芯的折射率不同，光线通过纤芯后在靠近纤芯和包层的交界面处都会发生交 叉。对石英光纤而言，其包层和纤芯的折射率相差很小，因此用聚焦法还能得到误差允许 范围内的折射率分布。但是对于p o f 而言，由于它的包层和纤芯的折射率相差很大，光 线通过纤芯后在发生的交叉比较严重，在光线交叉的地方没法得到j 下确的光强分布，因此， 也得不到j 下确的折射率分布。 反射法是比较简单的一种方法，传统的反射法误差较大，所以一直没有得到广泛的应 用。本论文将对传统反射法方案进行改进。提出一套合理的试验数据处理方法，并引入自 动扫描装置和实时数据处理系统，将改善传统反射法误差大的缺点。同时对被测的样品要 求相对简单，只需研磨抛光样品的一个端面，这样对测试样品的加工要求大大降低，使得 它能够对大尺寸变折射率材料进行快速、自动、准确的折射率分布测量。这对于大尺寸变 折射率塑料光纤预制棒的折射率分布测量尤其适用。并且研制和生产成本较低，非常适用 与工程的设计与研究及生产，并有利于市场的推广。 1 3 反射法测量折射率分布 1 3 1 原理和理论依据 对于变折射率介质的折射率测量的理论依据是菲涅耳公式【l 2 】： n ) = 掣= i 制鲁l 2 。， 其中r ( r ) 是反射率，n ( r ) 是被测样品的折射率，n o 是与被测面接触的介质折射率，在 本设计中是空气的折射率，可视为常数。可以看出r ( r ) 是反射率和n ( r ) 之间存在一定的关 系。因此通过测量介质的反射率可获得折射率。 1 3 2 光学技术 反射法的测试示意图如图1 1 所示，光源发出的入射光经过一个准直透镜准直后垂直 入射于分光棱镜的端面，分光棱镜的分光比为l ：1 。分光棱镜反射作为参考光，经由会聚 透镜送往光电探测器接收；透射光则垂直入射到待测样品表面，经样品表面反射后沿原路 返回，经分光棱镜再次分束后被反射的那部分由会聚透镜会聚于探测器，这部分光电信号 4 凸富i ! ：些厶主! ：型巫鲎垃诠塞 携带有样品折射率信息，称之为信号光。探测到的信号光和参考光的电压信号同时送入计 算机数据采集处理系统进行信号放大、模数转换、数据处理等，最终可获得折射率值。 1 3 3 系统组成 该光学系统是在显微镜系统的基础上改装而成的。通过计算机的r s 2 3 2 串1 2 1 来控制 步进电机。两个探测器得到的电压信号分别经过两级放大器得到放大的电压信号。输送到 数据采集卡上。将电压转换成数字信号再在计算机中进行处理。 信号光 入射光 参考光 图1 1 反射法测试不意图 1 3 3 系统组成 该光学系统是在显微镜系统的基础上改装而成的。通过计算机的r s - 2 3 2 串口来控制 步进电机。两个探测器得到的电压信号分别经过两级放大器得到放大的电压信号。输送到 数据采集卡上。将电压转换成数字信号再在计算机中进行处理。 1 3 4 数据处理 根据菲涅耳公式和测量的两路信号大小，可以计算出理论上的折射率值。在测量中， 为了减小误差，同一样品采样位置进行多次数据采集取平均。但始终还会残留一些杂光干 扰。通过运算加入修正值得到实际测得的反射率。由于测试样品的大小不等，高低不一， 每次测试前，都需要对折射率测量装置重新调焦、倾斜度调节以及重新标定等。 1 3 5 系统参数校准 将若干个( 如9 个) 厚度均为2 r n r n ，折射率已知且其值依次增加的k 9 玻璃片胶合 在起，以实现折射率的分布测量，将得到的折射率分布曲线与已知的折射率分布曲线进 2 9 塞! ：些厶：兰! ：型塑堂垃垒塞 行数据拟合，得到系统的校准系数，用于待测样品测量时的参数校准。 1 3 6 软件设计 为了实现折射率分布测量装置的自动化、智能化，设计相应的功能模块并编制程序， 实现对步进电机的控制( 包括左或右移一步、左或右连续移动、停止、步长和频率的设定、 状态的识别) 和对数据采集卡不同通道信号的读写操作，数据处理，结果存储及打印等。 1 4 本文的工作及章节安排 信息高速局域网的关键聚合物光电连接材料和系统，是中科院知识创新工程。针对 2 1 世纪信息领域的国家经济和国防安全的重大需求，中国科学院西安光机所承担了国家 自然科学基金重点项目“聚合物光纤及其器件的关键应用基础研究”。根据我国国情，对 信息高速局域网或接入网集成系统丌展研究，是信息通信技术高速发展、国家经济和国防 安全重大需求所决定的，以期在关键的新型信息材料和器件领域拥有自己特色的理论和技 术成果，这对我国在2 1 世纪信息科学技术和国民经济的发展将具有重要意义和产生深远 影响，将为我国的国民经济的持续快速发展作出重要贡献。 该项目总体目标是解决低损耗、高带宽、低色散、高质量的渐变折射率聚合物光纤的 规模化制造难题。 本论文围绕这一项目做了一些研究探讨，在大量文献、专利调研的基础上开展预研， 通过对g i p o f 的基础理论研究，对建立一个基于计算机辅助控制的测量折射率分布的系 统做了研究和设计。本文主要的工作及成果包括： 1 1 了解国内外最新塑料光纤研究成果，讨论了塑料光纤在短距离局域网的应用前景和 可行性。 2 ) 介绍了渐变折射率塑料光纤的基本参数和制备过程。 3 ) 研究了使用反射法来测定g i p o f 折射率分布中的理论基础。 4 ) 设计了测量折射率分布的实验装置和设备。 5 ) 开发了计算机辅助控制和数据采集处理软件。 6 ) 对设计的实验和软件进行分析和讨论，总结了误差来源。 全文共分6 章，各章安排如下： 第l 章，绪论，介绍了课题的研究依据和意义、国内外研究现状及论文使用的技术路 线等，从而引出正文。 第2 章，讨论通信用渐变折射率塑料光纤( g ip o f ) 。介绍了塑料光纤的发展和应用， 着重介绍了g i p o f 的光学特性，说明了折射率分布对于光纤研制和生产的重要性。 第3 章，介绍了各种常用的测量光纤折射率分布的方法的特点，阐明了使用反射法的 意义和优越性，为具体实践做好了基础准备工作 第4 章，具体的介绍了反射法的原理、折射率分布测量仪的设计，进行了误差分析， 6 2 9 塞l ：些厶兰l ：型亟三：主丝迨塞一 说明了系统的使用和校准。 第5 章，通过对实际试验数据的分析及样品的比对说明了仪器测量的精确性及设计 的可行性。 第6 章，对全文进行了总结，介绍了本论文的研究成果和见解。 7 2 塑料光纤的特性 目前，塑料光纤因其制造简单、价格便宜、接续快捷等优点而备受瞩目。塑料光纤最 先是由日本、美国等发达国家的一些大学和公司研究出来，进而成为新一代短距离光传输 介质。塑料光纤主要应用于低速、短距离的传输，在汽车、消费电子、工业控制总线系统 和互联网领域发展前景良好，尤其适宜于局域网中短距离通信、有线电视网、室内计算机 之间的光传输1 1 3 j 。 光纤通信发展迅速，在工程应用方面也同趋成熟。光纤技术在通信领域的应用使得有 线通信发生了划时代的变化。在世界上很多国家中，进入实际应用的光纤系统也在急剧增 加，光纤网络的各种用途都不断的展现。人们对光纤的兴趣越来越大，而且光纤的生产工 艺也越来越成熟，对于光纤的一个重要的指标测量就变得非常重要了【1 4 j 。 光纤测试是对光纤特性的实验验证，对光纤特性要求的检验和评价。这些无论是在光 纤传输的理论研究或者是为纤维设计和工艺提供反馈信息，甚至于对于生产过程的质这控 制、产品检验、铺设安装、线路维护等等都是有十分重要的意义l b 】。 本章主要介绍用于中短距离高速多媒体网络的低损耗、大带宽效据传输的g i 型塑料 光纤及其特性。通过对光纤特性的介绍来说明对光纤特性参数测试的重要性。 2 1 塑料光纤 随着计算业务的迅速膨胀以及通信业务的发展，渐变折射率塑料光纤( g i p o f ) 的 研究开发速度明显加快。塑料光纤的各项技术也越来越成熟，应用也更加广泛【l 们。 2 1 1 塑料光纤的发展及现状 塑料光纤( p o f ) 已有3 0 多年的研究历史，最初用于照明，后来在汽车、医疗和工 业控制等领域逐渐得到推广，最近在通信领域中也取得了突破性进展【1 7 1 。 2 0 世纪7 0 年代初，美国杜邦公司开始了用户数据通信的塑料光纤的基础研究工作。 1 9 8 7 年，美国杜邦公司将其拥有的所有塑料光纤产品专利全部出售给日本三菱人造 丝株式会社。三菱人造丝株式会社继续进行塑料光纤产品开发和推广应用工作。同年，法 国塑料光纤联合集团研制出了阶跃折射率分布塑料光纤，其带宽为5 m h z 。 1 9 9 2 年，美国i b m 公司的b a t e s 提出了在1 0 0 m 长的阶跃折射率分布塑料光纤传输 5 0 m b p s 的试验，小池康博等报道了用红外激光器在10 0 m 长的塑料光纤上进行2 5 g b p s 的传输试验。 1 9 9 8 年，日本n e c 公司的山崎在7 0 m 长塑料光纤上进行了4 0 0 k b p s 的传输试验。 日本硝子玻璃株式会社报道，梯度折射分布的氟化物塑料光纤的衰减仅为掺杂的聚甲基丙 8 2 l 塞i ! ：些厶主i ! ：型亟：! ：王垃垒塞 烯酯塑料光纤衰减的1 3 。日本富士通公司的今井报道，以1 3um f p l d 、i n o a a s a p d 为光源，在2 0 0 m 梯度折射率分布的氟化物塑料光纤上进行了2 5 g b p s 试验。目前，塑料 光纤应用于低速、短距离的传输。最近分段分序p o f 技术的发展已把带宽提高到3 g h z i l 引。 据k m i 公司的一份新的研究报告披露，塑料光纤与通信相关的市场将从1 9 9 7 年的约 4 5 0 0 万美元增长到2 0 0 3 年的2 2 亿美元以上，相当年增长率3 4 。推动p o f 市场的动 力是高速计算机、i n t e m e t 、多媒体网络以及汽车、飞机导航的数据通信应用。p o f 系统 的大多数投资是在日本和欧洲，主要用于工厂自动化。日本以先进的技术占p o f 市场一 半以上份额而居世界领先地位。到2 0 0 3 年，预计美国的市场份额将与欧洲差不多相等。 促使p o f 系统增长的是允许消费类产品互连的i e e e1 3 9 4 规范，以及安装在这些产品上 的光端口。具有代表性的g i p o f 的研究动态如下： 1 9 8 2 年，日本庆应大学研制p ( m m a v p a c ) g i p o f ，6 7 0 n m 损耗1 0 7 0 d b k m 。 1 9 9 0 年，日本庆应大学研制p ( m m a v b ) g i p o f ，6 5 2 n m 损耗l3 4 d b k m 。 1 9 9 2 年，日本庆应大学研制m m a d 8 g i p o f ，6 8 8 n m 损耗5 6 d b k m ，7 8 0 年m 损 耗8 0 d b k m 。 1 9 9 2 年，日本庆应大学和n e c 公司研制g i p o f ，6 4 7 n m 损耗2 0 0 d b k m ，传输速 率2 5 g b s ，可传输4 0 0 个视频压缩信号。 1 9 9 3 年，美国政府提出信息高速公路计划，成立高速p o f 国际财团h s p n 。 1 9 9 4 年，日本成立p o f 联合体。 1 9 9 5 年，日本庆应大学研制氟化g i p o f ，13 0 0 n m 损耗6 0 d b k m 。 1 9 9 5 年，日本三菱人造丝公司出售传输速率3 g b s ，芯径l m m 的g 1 p o f 。 1 9 9 7 年，日本索尼公司开发成功p o f 塑料模压连接件。 国内浙江大学胡庆美等人，武汉邮电科学院胡先志等人先后发表有关文章。南京玻纤 院、武汉邮电科学研究院、中科院感光化学研究所进行了g i p o f 的研制工作。可以看出， 国际g i p o f 的研制和应用正处于蓬勃发展时期，而国内的研究较少，国际国内差距很大。 总之，随着高速数字通信及家庭和a t m 局域网的快速发展急需一种快速、低成本、 安全有效的方法来传输各种应用系统中的数据，事实证明g i p o f 是优选材料随着科技 的发展，塑料光纤的应用领域会更加拓宽，其市场的发展会越来越广阔。 2 1 2 塑料光纤的应用 网络成本的降低、性能的提高( 速度更快) 、数字电子的引入、电磁干扰的减少以及 相关标准的制定与完善正推动着电信、消费电子、汽车以及工控市场的迅猛发展，而这四 个市场的进步又使塑料光纤技术逐渐成为光通信产业的主流。同时，p o f 技术还在低损 耗、高性能、氟化聚合物梯度折射率塑料光纤和新型光源方面具有诱人的魅力i l9 。 1 ) 汽车工业随着汽车导航系统的飞速发展，信息量的增加，汽车制造商为了提高 汽车的安全性能，正在加快采用气囊与传感器的步伐，以便在车内处理更多的信息。与原 9 来使用的线束相比，p o f 具有不放射电磁噪音、质量轻的特点，因此越来越受到汽车制 造商的欢迎。 2 ) 消费电子。1 3 9 4 b 是消费电子领域的一套新标准，完全兼容1 3 9 4 a 高速汇流排标 准。新标准把传输距离从原来的4 5 m 大幅增至1 0 0 m ，让使用者能在家庭或小型办公楼 内，通过电缆线建置一套高速传输网路。1 3 9 4 b 标准也可以使用多种传输媒介，包括c a t 5 铜缆线、塑胶光纤以及玻璃材料光纤。此外，1 3 9 4 b 的最大传输速率也比1 3 9 4 a 标准提高 许多，传输速度超过4 0 0 m b p s ，最高可达3 2 g b p s ，并且明确指出将具有低损耗高性能的 p o f 作为传输介质之一。 3 ) 工业控制总线系统。随着计算机和自动控制技术的高速发展，工业自动化水平 提高到一个崭新的高度。工业自动化根据其特点和使用方向可分为过程控制自动化、面向 生产和制造业的自动化以及自动化测量系统( 工业测量仪表) 。这些工业自动化系统的建 立和发展都有一个共同特点，即由直接控制系统向集散型控制系统发展，而这种集散型控 制系统的发展都是以各种工业网络为基础。通过这些形形色色的工业总线系统，各种工业 设备构成一个既分散又统一的整体。对p o f 来说，工业控制总线系统是其最稳定和最大 的市场之一。通过转换器，p o f 可以与r s 2 3 2 ( 美国工业协会( e 队) 标准规定的一种标 准化串行通信接口) 、r s 4 2 2 ( r s 2 3 2 接口的一种变型) 、1 0 0 m b p s 以太网( e t h e r n e t 一 种局部局域网络协议) 、令牌网等标准协议接口相连，从而在恶劣的工业制造环境中提供 稳定、可靠的通信线路，高速传输工业控制信号和指令，避免了因使用全属电缆线路受电 磁干扰而导致通信中断的危险。 4 ) 互联网。由于大型路由器、光交叉连接器和光转换器的速度已经达到了兆兆位， 因此如何保持这些器件间信息的高速传输就显得极为重要。现在人们已经可以实现最大速 度达到4 0 g b p s 的互联。在宽带接入方面，光纤宽带领域最早出现的是光纤到大楼( f t t b ， f i b e rt ot h ep r e m i s e ) 、光纤到驻地( f 1 v r p ，f i b e rt ot h ef l o o r ) 、光纤到节点邻里( f t t n ， f i b e rt ot h en e i g h b o r h o o d ) 等接入形式。当然，国内用户最熟悉的还是f 1 v r x + l a n ( 光 纤+ 局域网) 接入方式，最具代表性的就是f t t b + l a n ，这是一种基于优化光纤网络技 术的宽带接入方式，采用f t t b 、双绞线到户或单模光纤到社区、双绞线百兆到楼宇、 1 0 m b p s 到用户的方式实现宽带接入。这种方式实用、经济、高效，安装时用户电脑只需 要具备网卡和网线即可。当然，这类共享式f t t b + l a n 宽带接入在同时上网的用户过多 时会出现网速急剧下降的问题。所以，从长远来看，光纤到办公室( f t t o ，f i b e rt ot h e o f f i c e ) 、光纤到家( f t t h ，f i b e rt ot h eh o m e ) 、光纤到桌面( f m ，f i b e rt ot h ed i s k ) 等接入方式才是光纤宽带的最终发展方向1 2 0 j 。 现在，越来越多的大型机构、数据中心和协同定位设施将不同类型的设备连接起来。 所以这些地方也安装了越来越多的系统。局域网的长度正不断扩展，从几英寸延长到几十 米，这恰恰是目前新型塑料光纤的传输距离范围。塑料光纤在传输距离超过1 0 0 m 时，其 传输速度也能达到1 1g b p s 。 1 0 综上所述，塑料光纤的应用领域越来越广。由于这四个主要应用市场的快速发展，经 预测2 0 0 2 年p o f 市场规模为5 0 2 亿美元，2 0 0 6 定将超过2 0 亿美元。 2 1 3 塑料光纤制造技术 1 ) 光纤结构。塑料光纤，即构成光纤的芯与包层都是塑料材料。与大芯径5 0 1 2 5 9 m 和6 2 5 1 2 5 1 t m 的石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤的芯径高达2 0 0 - 1 0 0 0 “m ，其接续时 可使用不带光纤定位套筒的注塑塑料连接器，即便是光纤接续中芯对准产生3 0 9 m 偏差 都不会影响耦合损耗。正是塑料光纤结构赋予了其施工快捷，接续成本低等优点。另外， 芯径l o o g m 或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模问噪音1 2 1 1 。 2 ) 光纤材料。塑料光纤材料选择时，人们应重点解决的问题是材料的本身衰减要 低、色散要小、制造简单、价格低廉等。 当今，选作塑料光纤芯材有：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚碳酸醋、氟化聚甲基丙 烯酸酯和全氟树脂等；选作塑料光纤包层有：聚甲基丙烯酸甲醋、氟塑料、硅树脂等。究 其原因是：这些聚合物有透光性好、光学性质均匀、折射率调整便利等；以单体存 在时通过减压蒸馏方法就可以提纯；形成光纤的能力强；加工及价格便宜等【2 2 】。 3 ) 制造工艺。用来制造塑料光纤的两种方法：挤压法和界面凝胶法，