（材料学专业论文）渐变型塑料光纤预制棒的制备与工艺研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 渐变型塑料光纤预制棒的制备与工艺研究 摘要 1 9 6 4 年，美国拄邦公司首先成功磷镪了除跃墅塑睾耳光纤，并授浚巍晶 化。其后，通过二十多年的研究，在降低塑料光纤损耗方面取得了很大的成 王鸯。1 9 8 2 年，曩本庆痤失学的k o i k e 等人善先爝赛霆。凝黢法磺裁了梯度型 塑料光纤，提高了塑料光纤的传输带宽，有效地解决了信息传输的瓶颈问 题。 本文通过对骥料光纤的损耗、色散与带宽进行详细讨论，分析了梯度型 塑料光纾在带宽方面无法比拟的优点。 梯度溅塑料光纤翻备方法主婺有两种：直接挤出法翔预制棒拉纤法。 预制棒拉纤法的关键技术是预制棒的制备，我国在预制棒制备工艺l j 仍 然存在校多逸题。本漂瑟主要磺究鹾甲鏊蠢浠酸攀蘸为纂矮，溪苯为离辑象 率掺杂剂，用界耐，凝胶法制备梯度型塑料光纤予员制棒，通过改变原材料配 跑、醴及滋凄、藤强等嚣素，分孝秀气渔耱真空逡存在豹骧困势提出褥决方 案；通过调节链转移剂的含量，控制聚合物分子量分布以及分子量分布宽 度，献丽控制预铡捧的玻璃化转变澡度( 黝，使铡蛋的转具有是好的拉缝性 能，以及所拉出的纤维其有较高的强度：另外对预制棒折射率的形成机理进 行模拟，并用空蚓滤波法融折射率进行测量；通过对不同溴苯浓度的样撼拆 莉率测试绪栗分轿，褥密澳苯对拆射率彩确只与溴苯的橱始浓壤有关。最后 通过大量试验确定制备基本无缺陷的预制棒的工麓条件以及最俄原材料配比 方案。 美键调塑辩光纤：予夏铡梅：撬慰攀；带瓷 ， ：篁尘堡些三垒兰三兰丝! i 兰竺丝塞 s t u d yo np r e p a r a t i o no fg r a d e di n d e x p e r f o r mr o d a b s t r a c t i n19 6 4 ，a m e r i c a nd u p o n tf i r s t l ys u c c e e d e di nd e v e l o p i n gt h es i t y p ep l a s t i c o p t i c a lf i b e r ，a n dc o m m e r c i a l i z e di tq u i c k l y t h e r e a f t e r ，t h r o u g hm o r et h a n 2 0 y e a r s r e s e a r c h ，g r e a ts u c c e s sh a db e e nm a d ei nr e d u c i n gt h et r a n s m i s s i o nl o s so f p l a s t i co p t i c a l f i b e r i ni9 8 2 ，k o i k ee t co fj a p a n e s ek e i ou n i v e r s i t 3 7f i r s t l y d e v e l o p e dg i t y p ep l a s t i cf i b e rb yt h ei n t e r f a c e g e lm e t h o d ，h a v i n gi m p r o v e dt h e t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t ho ft h ep l a s t i co p t i c a lf i b e r ，a n de f f e c t i v e l ys e t t l e dt h e b o t t l e n e c kp r o b l e mo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h r o u g hd i s c u s s i n gt h et r a n s m i s s i o nl o s s ，o p t i c a ld i s p e r s i o n a n db a n d w i d t ho fp l a s t i co p t i c a lf i b e ri nd e t a i l ，w eh a v ea n a l y z e d t h e i n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e so f g ip o f i nb a n d w i d t h t h e r ea r et w ow a y sf o rt h ep r e p a r a t i o no fg i t y p ep l a s t i c o p t i c a lf i b e r ：d i r e c t l y e x t r u d i n ga n df i b e r - d r a w i n gf r o mp r e f o r mr o d t h ek e yt e c h n i q u eo ft h el a t t e rm e t h o di st h ep r e p a r a t i o no ft h ep r e f o r mr o d b u tw es t i l lh a v em a n yp r o b l e m sw i t ht h et e c h n i q u eo fi t sp r e p a r a t i o na th o m e i n t h i ss u b j e c t ，w eh a v ec a r r i e do nr e s e a r c ho ni t sp r e p a r a t i o nb yi n t e r f a c e g e l m e t h o dt a k i n gm m aa sb a s e - m a t e r i a l ，t a k i n gb ba st h ed o p a n to fh i g hr e f r a c t i v e i n d e x t h r o u g hc h a n g i n gt h ec o n t e n t so fr a wm a t e r i a l s ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ， w el a a v ea n a l y z e dt h er e a s o n sf o rt h ee x i s t e n c eo fb u b b l e sa n dv a c u u mb u b b l e s a n dp u tf o r w a r das o l u t i o n t h r o u g hr e g u l a t i n gt h ec o n t e n to f c h a i nt r a n s f e ra g e n t ， w ec a nc o n t r o lm o l e c u l a rw e i g h t so fh i g hp o l y m e ra n di t sd i s t r i b u t i o n 、i d t h a n d c o n s e q u e n t l yc o n t r o lt h eg l a s s t r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，s ot h a tt h ep e r f o r m r o dp o s s e s s e sf i n ef i b e r - d r a w i n gp e r f o r m a n c ea n dt h ef i b e rp o s s e s s e sh i g h e r s t r e n g t h i na d d i t i o n ，w eh a v es i m u l a t e dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ep e r f o r m r o d sr e f r a c t i v ei n d e x ，a n dm e a s u r e di t b yt h em e t h o do fs p a c ew a v e f i l t r a t i n g ， t h r o u g ha n a l y z i n gt h em e a s u r e dr e f r a c t i v ei n d e x o f s a m p l e sw i t h v a r i o u s c o n t e n t so fb b ，w eh a v ed r a w nt h ec o n e l u s i o nt h a tb 转si n f l u e n c eo n h e i i 。 竺尘堡些三垒兰三兰竺! i 兰竺丝兰 r e f r a c t i v ei n d e xo n l yd e p e n d so ni t si n i t i a lc o n t e n t s a f t e ra l a r g ea m o u n to f r e s e a r c hw o r k ，w eh a v ef o u n dt h et e c h n i q u ec o n d i t i o n sa n dt h eb e s tr a wm a t e r i a l m a t c h i n gf o rt h ep r e p a r a t i o no fp e r f o r mr o da l m o s tw i t h o u td e f e c t k e y w o r d s p l a s t i co p t i c a lf i b e r ：p e r f o r mr o d ；r e f r a c t i v ei n d e x ：b a n d w i d t h 【i i 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 世纪是信息革命兴起并席卷全球的时代，而作为信息传播的载体的光导 纤维( 1 i g h tg u i d ef i b e r ) ，以其金属电缆不可比拟的优点，在信息传输领域得到 了广泛的应用。光导纤维是一种传导光功率的传输线，又称光学纤维，简称光 纤1 1 】。光纤的发明是信息时代来临的序曲之一。利用玻璃光纤传播信息的设想 早在1 9 3 0 年就有人提出，但是早期的制品均由于玻璃材质衰减太夫而无法适 用，如在上世纪六十年代，当时世界上最优良的光学玻璃哀减达1 0 0 0 d b k m 左 右。直到1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司的m a u r e r 等运用化学气相沉积法 ( c h e m i c a lv a p o u rd e p o s i t i o n ，c v d ) 首先制备出衰减为2 0 d b & m 的玻璃光纤， 才使得利用玻璃光纤进行长距离的通信成为可能，从而也大大推动了全世界范 围内对光纤通信的研究。 经过将近个世纪的发眨，光纤的种类也山当初的单1 玻璃光纤发展为f j 类齐全的光纤家族，具体类型如图1 一l 所示。 篷i 兜纤类型 f i g 卜1t y p e so f o p t i c a lf i b e r 投撂巍夔波稳璎论，宠杰光纾中是以瞧磁波豹形式转疆夔。理论分嫒表 明，在光纾静截灏上，电磁场的分布可缝有很多种形式，每秘形式我们称为 种模式。按照光纤中传播模式的模式数量，可敬将光纤分为荦模光释和多模 ，匕纤。决定 敝县体的光纤存传输行【j 时是单梭还是多模光乡千有很多因索，包 扩光纾拳径，蕃穗和色联菠鸯聿率，入辩光颧率等，麓摹瓣可良臻公式 1 - ) 表示 表示： l = 挈丽( 1 - 1 ) 几 式中 t 归 化截止频率。 当v c 2 4 1 时，光波导只有基摸，这时为单模光纤： 当f c 2 4 1 时，光纤中将存在高次模，这时为多模光纤。 实际上，决定单模的关键因素在于光纤的直径。举一个实例，选择光纤材 料m = 15 7 ( p v p a c ) ，2 ：1 4 9 ( p m m a ) ，光源为8 5 0 n m 激光，这时可计算出只 仃半径a n 2 。纤芯 和包层的相对折射率差j = ( h 一啦j 砌，的典型值，一般单模光纤为o 3 q o o 6 ， 多模光纤为1 2 。一越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输 容量却越小。 包屋 纤芯 、琏疆崖 2 2 塑料光纤的传输原理 要详细描述光纤传输原理，需要求解由麦兜斯韦方程组导出的波动方程。 但在极限( 波数k = 2 7 r 2 非常大，波长 斗0 ) 条件下，可以用几何光学的射线方 程作近似分析f f “。几何光学的方法比较赢观，用几何光学方法分析光纤传输原 理，我们关汴的问题主要是光束在光纤中传播的空删分斫i 和时问分伽，并【l 此 得到数值孔径和时问延迟的概念容易理解，本节将分别介绍s ip o f 和g ip o f 的传输原理。 2 2 1 多模s lp o f 的传输特性 由于阶跃光纤纤芯折射率分枷是均匀的，所以光线在纤芯内沿直线传播。 当光线到达纤芯与包层界面时，按斯耐h i ( s n e l l ) 定律发生反射和折射。当入射 光线与光纤轴央角仍满足口睫匆? ，“。的条件。f ( 为光线在界丽匕发生全 反射的临界入射角) ，光线在界面 ：发生全反射，则在纤芯内形成沿折线路径 传播的束缚光线i “l 。 光纤中的光线由于入射方向的差异，可以分为两种：r 二光线和斜光线。 通过光纤中心轴的任何平面都称为予午面，位于子午面内的光线则称为。7 - 午光 线；光纤中不在于午丽内的光线都是斜光线。无论是子午光线还是斜光线，仅 当满足定条件( z 记7 m ) 时，光线j 能成为束缚光线并沿光纤轴向无衰 减传播，而光线的起始倾斜角日：则由光纤端面卜_ 托线的j 、刺方向决定。我们 融予 圯线海铡来分折入射光线被光纤捕获并成为束缚光线的入射条件并得出 数值孔径( n u m e r i c a la p e r t u r e n a ) 的概念。设纤芯和包层折射率分别为”， 和h ? ，空气的折射牢r o = l ，纤芯1 1 - 心轴线与z 轴一致，i 鞫2 - 2 。光线在光纤 端i | ：i 以小角度“从空气入射到纤芯( n n ! ) 。改变入 射角度，不同口相应的光线将矗：纤芯与包层交界弧发生反射或折别。根据全 反射原理，存在个临界角。，“ 0 。时，相应的光线将在交界面折射进入包 层并逐渐消失，如光线3 。由此可见，只有在半锥角为0 0 。的圆锥内入射的 光束爿能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角目。的正旋为数值i l 径n a 。根据定义和s n e l l 定律： n a2 ”ns i n o 2 ”ic o sg 。”1s i n i f t 。= ”2s i n 9 0 。 殴n o = 1 ，出式( 2 - 2 ) 经简单计算得到： n a = 厢叫伍 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 式中a = m ，一仰) n ，纤芯与包层相对折射率差 n a 表示光纤接收和传竣光的能力。n a 越大，毙纤接收能力越强，扶光源 到光纤的耦台效率越高。对于无损光纤，在口。陶的入射光都能在光纤中传 输。n a 趟大，纤芯对光能量束缚越强，光纤弯螺性能约好。但n a 大，经 毙纤传输焉产生稳信号畸变越丈，瞪丽敝涮了倍意传输容潼。所戳要嘏据实际 使用场合，选择适当的n a 。 凌在我翻紊残察蹩线在竞纾中瓣簧撵露蠲。壤耀整2 。2 ，天辩角为0 貔竞 线在长度为l ( o x ) 的光纤中传输，所经历的路程为l ( o y ) ，在0 不大的条件下， 其传捧时剃鄹时翊延迟为： r ；卫：坐0 s e c ，。坐( 1 + 堕1 r = 一= 二，1 o i i + 1 i ccc2 ( 2 4 ) 式中广真空中豹光速 由公式( 2 - 4 ) 得到最大入射角( 0 = oc ) 和最d , k 射角( 0 = 0 ) 的光线之间时间 延遴差运似为： a t = 三彰：土煳：。坐 2 玎l e z ” c f f 2 - 5 1 这静时f , j 延迟蔗在时域产生蓐文转展宠，或稼必信号礁变。由戴可觅，突变 犁多模光纤的信号畸变是“j 于不i 司入射角的光线经光纤传输后篡时问延迟刁i 州j “：生的。设光纤n a = 0 ，2 0 ，h ，= 1 5 , l = i k m ，搬据上式计算褥到脉冲艘宽 z r = 4 4 n s ，褶当于1 0 m h z t k m 生右的带宽。 喻尔滨j 掣丁人。= i 学坝i 。学位论立 2 2 2 多模g ip o f 的传输特性 渐变型多模光纤具有能减小脉冲塍宽、 折射牢分前i 的普遍公式为l i 5 1 ： h 。“。 ”。2 1 j h “ 增加带宽的优点。渐变型多模光 f ( 2 - 6 ) 式由珊纤芯的折射率； r 一包层的辑翥壹率： ，径向坐标； ( r 一终芯学经： r 一折射率分和指数： 毋一相对搋射率羞，= 奴一 # t 在g o o ，( d ) 斗0 的极限条件f ，式( 2 6 ) 表示突受型多禳光纤的折射 率分靠；g = 2 ， 纠按平寿律( 抛物线) 变化，表示常规渐变璎多模光纤f l , j 折刺率 分铘。；钶这种) - 4 1 i 的光纤，4 c t , i j 入射f f ：的光线会聚在中心辅线瀚点 ：，弼 而脉p f l f 融资减小。 d 予澎交登多貘悫纤掰鸯季宰分蠢跫径向坐标r 鹣交数，纾t 枣各点鼗麓藐羟 不同，所以要定义局部数值孔径w 似和最大数值孔径n a m a x i 6 1 ： f _ 涮( r ) 20 ”一 r ) 一h i f 2 7 1 n a 。扣一# ； ( 2 8 ) 劁2 - 3g l 旺多摸比纾的光线传撩原蠼 f i g 2 3l i g h tt r a n s m i s s i o np r i n c i p l eo f g r a d e d i n d e xt y p ep o f 渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离的l f 弦函数。刘于确定的光纤，其 幅度的大小取决于入射角o ，其周期人= 2 d a = 2 r , d 4 五，取决于光纤的结 构参数( d ，) ，而与入射角口n 无关。这说明对应不同入射角的光线虽然经 历的路程不同，但是最终都会聚舀：p 点l 如图2 3 所示，这种现象称为自聚 焦( s e l f - f o c u s l n g ) 效应。 g ip o f 具有自聚焦效应，f i 仪小i 司入利角相应的光线会聚在嗣 点卜， 而且这些光线的时矧延迟也近似相等。这是因为光线传播速度v r ，) = c ? ，? 州，其中 c 为光速，入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，以川 较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。入射角小的光线情况i f 相反，其路 程较短，但速度较慢。所以这些光线的时问延迟近似柏等。如1 刳2 3 昕示，谢 在光线传播轨迹i 意点f = r ) 的速度为、_ ，其径向分醚： _ d r 一：1 ，( ，) s i n0 d i 那么光线从d 点到尸点的时问延迟为： 2b d r 一 ”( r ) s i no ( 2 9 1 由图2 - 3 可k x 得f i jn ( 0 ) c o s o f ) = n ( r ) c o s o = n ( 0 ，) c o s 0 ，5 1 ，( r ) = ( ，v l ( t ) ，利 用这些条件，式( 2 9 ) 就变成： r = 等p 万o - 2 ar i ) 扯而a n n ( 0 ) 圳一暑b 和s i 型多模光纤的处理桐似，取瓯= 0 ( 0 = a ) n o o = 0 ( ：o ) 的时间延 f ：竺型 c 4 2 a 通过以上的分析可以看出，光波在s ip o f 中传输 2 - 4 所示m l 。j 矧此tg ip o f 比s ip o f 麒有更大的带宽。 ( 2 一1 1 ) 脉冲展宽量丈，如图 晗尔演理丁大学t 学硕士学住论文 输入脉冲 输出脉冲 5 ，s d i v 圈2 - 4 g i 型与s i 型p o f 脉冲展宽对比 f i g 2 4p u l s ew i d e n i n gc o m p a r i s o no fg ia n ds ip o f 2 3 塑料光纤的传输损耗 光纤的损耗、色散，对于光纤通信、光纤传感、光纤非线性效应的研究都 是十分重要的特性参量。由于存在损耗，在光纤中信号的能量将不断衰减， 为了实现长距离光通信和光传输，就需在一定距离建立中继站，把衰减了的信 号反复增强。损耗决定了光信号在光纤中被增强之前所能传输的最大距离。但 是，两个中继站间允许的距离不仅由光纤的损耗决定，而且还受色散限制。光 纤的色散效应将导致光脉冲展宽，引起信号的畸变。在光纤中，脉冲包散越 小，它所携带的信息容量就越大。因此，仔细分析光纤的损耗特性和色散特性 十分重要。本章将对这些特性分别进行介绍。 光在介质光纤中传输时，必同介质相互作用，其能量( 或光强) 将不断地 被介质吸收，这种现象称为光地吸收。任何介质对光都有吸收，只不过不同介 质的吸收系数大小不同而已，光波强度随光波进入介质距离的增加而按指数规 律衰减，即： 1 = i o e 一“7 式中卜一传输距离： 盼一l = 0 处的光强： 矿介质吸收系数 当入射光强一定时，光波能量衰减快慢由介质吸收系数“决定光波在光 一 纤中传输时，随着传输距离的增力i l ，其兜波强度逐渐减弱。通常光纤传输损耗 可甭每译位长度的分斑数寒表示，邵用d b k m 或者d b m 束表示，其中d b 郾 为d e c i b e l 分! j ，它为电平单位。光纤的传输损耗也被称为衰减可用f 面公 式寒定义： d 2 烈钏 b 。：、 式中。一衰减系数或光损耗系数( d b k m ) ； p ，一入剁光的强度或称输入功率，单位为毫瓦( m w ) 或微瓦w ) ； n 一出射光的强度或称输出功率，单位为毫瓦( m w ) 或微瓦( “w ) ； 一光纤长度，单位为米( m ) 2 4p o f 损耗分析 p o f 的总损耗可以由公式( 2 1 2 ) 计算得出。为了降低光纤的传输损耗，就 必须分析损耗的来源。塑料光纤的损耗可以分为固有损耗和非固有损耗两大 类，详细见表2 1 f ”1 。 丧2 - ip o f 损耗分析 t a b2 一it r a n s m i s s i o nl o s sa n a l y s i so fp o f 固有损耗非固有喷耗 吸收损耗瑞利散射损耗吸收损耗散射损耗 因物质形态密度 c h 键高次谐波 不同而产生的， 是因水、过渡会属是出狄尘、波导结 氐及电子跃迁钆 同谐波的四次方 及有机杂质产生的构缺陷等产生的 成反比q r s 2 4 1f o p 的固有损耗 固有损耗包括吸收损耗和散射损耗，碳一氢c h 键、氮氢n h 键和碳 一氡c = o 键的振动是产扛固有吸收损耗最主要的原因。c x 键基频振动即第 次高频谐波有强烈的吸收，高频嘴波的波长随着次数的增加而降低，阻吸收 峰值的强度也下降一个数量级，见表2 2 所示 表2 - 2c x 键静离频谐波波致 t a b 2 2w a v e l e n g t ho f c - xb o n dh i g h * f r e q u e n c yh a r m o n i c c x 键基频振动波长u mc x 键鏊频振动波长，u m c h 键 3 3 3 5 c h 键 1 1 7 1 8 2 e d 键 4 4 c d 键 7 ，9 l o 。0 c f 键 8 o c f 键 7 9 l o 0 c = o 键 5 3 6 5 o h 键 2 8 出于p o f 芯皮材是含肖大量c 。h 键的聚合物，吸收损耗就是因c * h 键的高 凌锩渡啜渡籽龟予默逶疆投产生静。当穗秘痰毫分子材辩懿氢瑷予嚣羧戏薰基 原予成氟原予时，掀动吸收向长波长侧移动，在可觅光区域c d 键的损耗能为 c 、 l 建损耗馕浆l o 2 倍；c f 键损耗毽走c 嘲键攒糕擅l 秽”傣。 ( 1 ) c x 键吸收损耗，邋常在6 0 0 n m 处，光纤损耗主要嗣因子c h 键的振 动谐波积复台波，篡产生的吸收损糕通常发生在波长6 0 0 - 2 5 0 0 n m 激困内的蒸 颓 串蹯频率瀚蓿频。荛，竞纾的损耗强沈予c 秘键酌个数，瓣荦诲分子质蠹藏 反比，故降低c h 键的数嫩可降低光纤的固有吸收损耗。 对p m m a 蕊p o f ，荬c 嚣掇渤鐾予数捧露裹颧谐渡强度残辩数关系，蔫 频谐波的吸收强度随珂值的提高而降低；在可见光至近红外区，圊存在甲基 c h 3 - 帮耍擎鍪c l q 2 、竣毒较大匏吸收蜂，爨蘸p m m a 芯p o f 在透瓤辫区域戆 损耗主要妇因于c ，h 振动吸收；在町见光区域对p m m a 芯p o f 衰减损耗影响 最大的也是c h 振渤吸收第矗次至第七次离频谐敬。在波长6 0 0 - - 1 2 0 0 n t r i 区 域，丽e 斌产生蹶收损耗相比，c 。f 键产生的损耗哥忽略不计，敞蹋f 取代 h ，增加c f 键的个数降低c h 键的个数，可使p o f 整体损耗降低i ”i 。 2 ) 意予跃迂躐渡凌耗壮”，逶擎毫子载迂薮寝凝耗簿在紫癸渡淹区，辩疆 一碳双键的n 一硝的跃迁以及羧基的万。矸跃迁，其在可见光的吸收尾峰影 翡p o f 黪簸擐耗，紫癸羲皎损耗懿大毒菝饕渡长臻丈瑟藏小。p o f 载基矮榜 料般为p c 、p s 、p m m a 三种。p c 的电子跃迁搦耗大予p s 的电子跃进损 耗，p s 丈予p m m a ，这是建于每个苯基产生一个茁_ 帮，蠢p m m a 浚骞 苯攀，电子瓢迁最小，p s 只有个苯基，p c 有两个苯基，故因电予跃迁产生 的损耗最大，两对予p m m a 芯的p o f ，电于酯基蠹碳载双键弓 发矬。嚣疑 透，台或对撩余嚣键转移荆中s 秘键产生r _ 耳+ 跃迂，g 发帮串偶氮基瀑闭 产生玎寸疗跃迁，这些皆会产生电子跃避吸收掇耗。在5 0 0 h m 波长处， p m m a 芯竞纾翡紫筹啜蔽损耗鸯0 0 1 5 4 d b k m ，稳在浚长大子5 0 0 r i m 区装， 哦岛；演蠼t 人学”学娥 。学位论立 p m m a 芯p o f 并没有大的紫外吸收损耗，其影响可以忽略不计；紫外吸收随 紫外光波长的下降而下降从p m m a 原材料中可观察到直线部分t 该吸收最 大值来源于残留的偶氮化合物引发剂。而对于p s 芯中o f ，除苯环离域键中存 在丌斗玎+ 跃迁外，还存在因链转移剂s - h 键产生的 o - 跃迁，由p s 内部 电子跃迁吸收引起的损耗在5 5 0 h m 波长处约为1 0 0 d b k m ，在6 0 0 n m 波妖处为 7 d b k m ，在8 5 0 n m 附近的近红外波长区，电子跃迁吸收引起的损耗也不会小 于0 1 3 d b k m ，一般在大于6 5 0 n m 波妖的电子跃迁吸收损耗就低于l d b k m ， 应当注意到当聚合物被放置于高温环境中时，要发生氧化变质，氧化变质使电 子跃迁吸收增加，并使电子跃迁吸收移向红外光区域，结果使光纤的传输损耗 增大。 ( 3 ) p o f 瑞利散射损耗”，这是一种山材料密度、取向和成份变化引起的 固有损耗，即瑞利散射损耗，其中取向变化是由聚合物中的各向异性和聚合物 的结晶链引起的，而对于g ip o f 来说，成份变化是由实现折射率分靠而添加 的掺杂剂引起的。理论t ，完全无定形聚合物是各向同性的均质聚合物，其密 度是均一的实际上各向同性物因密度的波动也会产生瑞利散射损耗：光纤芯 材结构的不规整引起的瑞利散射损耗，其不规整实际不均尺寸小于波长的1 0 ，每一个不规整结构都是一个散刺中心。 而对于品念聚合物，因无纯的品念聚合物，故结晶聚合物是晶念和无定形 态区域共存的聚合物；半结晶聚合物更是出结晶态和无定形态共存的聚合物， 故结晶和半结晶聚合物是各向异性非均质聚合物，其密度的波动性大于完全无 定形的聚合物，若以晶念聚合物作芯材，其瑞利散射将极大，若选用晶态聚合 物作皮材，因散射光也会产生较大的损耗，故通常不选用晶态聚合物作为p o f 芯皮材，以半结晶聚合物作为皮材也并不理想。减少芯材密度和浓度的起伏变 化，可减少芯材瑞利散射损耗；瑞利散射损耗同芯材折射率胡i 有关，降低芯材 折射率亦降低瑞利散射损耗；瑞利散射损耗还同芯材的玻璃化温度有关，在玻 璃化温度以下，p s 、p m m a 芯p o f 的瑞利散射损耗不随温度的升高而升高， 而芯材温度在玻璃化温度以上时，其瑞利散射损耗随温度的升高而升高，而且 还会增加p o f 固有和非固有损耗。 由于p o f 是在挤出牵伸过程中取向成型的，故在p o f 中存在取向双折射 捌应变双折射，从而p o f 的芯皮剌密度是非均一的。在拉制p o f 过程中熔融 芯材或芯皮材经模头挤出牵伸，在疋附近冷却成形，易产生双折射，双折射 不仅使丝径波动，而且双折射区域是光学异质体，这是由于聚合物内分子排列 在受力和不受力方向上的数目不等，易产生较大的光学损耗，故在拉制成型过 程中须选择合适的加工温度，降低在成型牵伸时产生的取向双折射和残余应力 产生的应变双折射。有关研究人员已发现p m m a 芯p o f 中出拉制过程中 p m m a 链的耿向而产生的结构缺陷，其各向异性在1 0 。- 1 0 4 之问变动。 大多数聚合物分子因分子极化在不同方向上显示了一定的双折射率现象， 含有苯环基团的聚合物具有较大的极化率，易产生双折射，而且苯环基团的位 置不同，对相同方向的应力产生光学各向异性，而不带苯环基团的聚合物各向 同性，双折射小；当光纤纤芯折射率平均变化偏差为1 时就可能产生高达2 0 的功率损耗。 瑞利散射损耗同传输波长的4 次方成反比，故在波艮低于6 0 0 n m 区域， 光纤损耗是由瑞利散射损耗决定的，对于p m m a 芯p o f ，其在6 3 2 8 n m 处的 瑞利散射损耗为1 3 5 d b k r n ，故可用卜列公式计算p m m a 芯p o f 在其他波长 处的瑞利散射损耗： a = 1 3 5 ( 6 3 2 8 2 ) 4 ( 2 - 1 1 、 、一， 式中“盯一瑞利敞刺损耗( d b k m ) ； l 光传输波长( n m ) 从电子跃迁吸收损耗和瑞利散射损耗来看，p s 芯p o f 比p m m a 芯p o f 的大，故p s 芯p o f 在可见光区难以获得低损耗。 对于g ip o f ，虽然纯聚合物基的固有损耗可望低至l d b k m 或以下，但为 控制光纤折射率而添加的低分子质量掺杂剂可把固有损耗增加到 ( 5 - 1 0 ) d b k m ，而加工裂纹或成分波动等因素引起的非固有损耗又可增加 2 0 d b k m 。对于新的掺杂齐q 聚合物基材料体系，固有损耗缘于成分波动引起的 散射，要减少这种散射，必须提高掺杂剂分子在聚合物基材料中的溶解度，爿 能降低固有损耗。 2 4 2 非固有损耗 包括因吸收水、含有重会属及有机杂质而产生的吸收损耗和因存在灰尘及 不完善的波导结构而产生的散射损耗，这种损耗同传输波长没有关系，可以通 过对p o f 制作，j ：艺条件的控制，降低这一损耗值。 ( 1 ) 非固有散射损耗。作为p o f 芯皮材，必须有较高的纯度，以降低灰尘 产生的散射损耗，据估算，每一个大气狄尘粒子会产生1 0 4 d b k m 的损耗，而 在一般大气环境中，直径大于0 5 9 m 的狄尘粒子每立方米有数万个，而在净化 哙尔演理下太学 + 学颤 j 学挝沦空 环境中，这种直径的狄尘粒子有3 5 0 个m 3 ，故芯皮材的合成和p o f 控制过稃 宜在净化密封的环境中进行，这有助于降低灰尘对p o f 的损耗影响。另一方 面，不完善的p o f 波导结构也是产生非固有散射损耗的重要原因，波导缺陷 包括波导几何结构缺陷( 包括直径、偏心率、椭圆度和纤芯折射率分和变化) ， 以及( 纤芯或包层中的气泡、裂纹、灰尘和纤芯) 包层界面的缺陷，这些缺陷产 生的色散损耗，大体上与波长无关，若要消除或降低这一损耗，必须选用合适 的光纤生产工艺，这包括p o f 芯皮材的选择及其预处理、拉丝温度及牵伸比 的控制、挤出机选择及模头设计等。 ( 2 ) 非固有吸收损耗，p o f 在制造过程中会吸收一些杂质，这些杂质的存 在是不可避免的，所以它们一直是光吸收的原因。当p o f 芯皮材中存在水、 重会属和有机杂质时，则会产生非固有吸收损耗，故为了降低这些杂质在芯皮 材中的含量，获得较纯的聚合物，通常要采用多种提纯方法，即在合成聚合物 l 讨对反应前体及其他反f 照物进行提纯并凡尽肇选用形成纯净聚合物的聚台方 法，即多采用连续本体聚合方法，i 町少州或不用乳液聚合物和悬浮聚合物，以 避免因聚合而带来杂质，对反应物采用提纯的方法有水沈、干焕、精留和过滤 等方法，通常经过一系列的提纯后，可消除阻聚剂产生的紫外吸收、降低反应 物中空气的含量、重令属的含量、大直径杂质粒子的个数、水分子的含量及有 机杂质的含量等，采用这些提纯法，不仅可降低非固有吸收损耗，而且可降低 非嘲有散射损耗：掘介绍芯材杂质的颗粒赢径要小，否则若杂质直径为 o5 9 m ，将严重降低p o f 传输特性，每克芯料杂质最好不超过1 0 0 0 0 个。 2 4 3 附加损耗 由使用条件造成的损耗包括弯曲损耗、连接损耗和耦合损耗。 ( 1 ) 弯曲损耗，当弯曲是光纤轴线上的小尺寸变化，如变化大约为光纤直 径时，则称之为微弯曲，p o f 微弯曲是山p o f 制造过程的缺陷引起的，或是 由光纤芯皮材间的热膨胀系数不同所导致的曲率半径较小的弯曲，或者是出套 塑成缆过程中产生的纵向压力引起的，也就是说微弯曲是光纤受到均匀应力的 作用，光纤轴产生的微小不规则弯曲，其结果是传导模变换为辐射模而导致光 能的损耗。 而将光纤收卷到收卷筒kh , t 产牛的弯曲，称之为宏弯曲多出p o f 使用 中产生的，当弯曲半径较大时，弯曲损耗实际上可忽略不计，但随着弯曲半径 减小，因弯曲产生的辐射损耗增大，尤其是g ip o f 的弯曲损耗大于相同直径 尔滨堙t 、学r 学坝 j 学位论义 熟s ip o f 的损耗。因为光纤弯曲的曲率半径d , n 定程度时，芯材内光传输 麓线不霉满足全反袈条馋，使竞传辕袈线由纾芯获黎翱包屡，鼙程纾葱中传输 的模转为辐射模。在光纤绞合集束成缆时，尤其要考虑这个问题，在敷设和连 接光缆时，必须考虑弯曲半径不要小于光纤的容许弯曲半径。因当光纤弯曲厉 害对，会辱i 越光传赣损失，要使传输豹光与不弯热慰的楣同时，鬻将光纤的最 小趋率半径篱纯统一为：r ；静，r 为光纾最大夸麴l l 鑫率半径；r 楚先纤鲍半 径。如果光纤的弯曲经半径小于4 0 r 时使用，则必颁考虑由于弯曲而引起光的 损失。 ( 2 ) 连接损耗，连接攒耗是因两投搬纾连接射产，圭鹣，因此悲绥连接时， 授连接的两辍竞绎匏绎芯必须对准，它镪摇连接器秘接头的损耗，即由于被连 接的两根光纤端面发生空间错位而产生的损耗，如轴向( 轴心) 错位、横向错位 以及因端面倾斜而引起拼接弯折，通常轴向错位引超的损耗不太大，而对应于 鞠同豹辘心镬继量，若竞纾蕊径越，l 、，逐攘擐耗越大，横囊糖建秘弯摄雩l 起较 大的连接损耗，另外连接毙纾之h j 的芯径、相对手厅瓣率差囊i 同，就会在连接点 产生较大损耗。为降低光纤的连接损耗。就必须要求纤芯直径的公差、不圆度 鞠纾芯与皮艨同心度误差要尽可能小，以得到最小连接攒耗，但提高光纤的几 餐糖疫，要璞鑫羲铡遥戎本增大纾芯足专帮鼗夔孑l 较瞧爵壤疆小嚣足舞公差怼 连接损耗的不利影响，假与增大带宽褶矛詹田l 。 ( 3 ) 耦合损耗，当光纤与光源连接时，为获得最佳耦合效率，主要应考虑 两者的特征参量相互匹配的阉题。对于p o f 应考虑其纤芯直径、数值孔径、 瑟穰羰特毪；j l 童予竞潦一黢采鬻菱竞二极管( l e d ) 释激瓷器( l 戮，应考悫菱免 面积、发光的角分布、光谱特性、输出功率以及偏搬特性等。l e d 与l d 从耦 合的角度看，其主要差别怒：l e d 为自发辐射，光发射的方向性麓，近似于均 匀鹃嚣发光器件，其发光性能类能于余弦发光终；l d 为受激辐射，毙发射方 海涟簿，竞强为离螽努奄。警光源与建缚直接藕合融簧注意鹫竞澈靛发光露积 和光纤纤芯总面积的匹配以及光源发敝角和光纤数值孔径的匹配。对于多模 p o f ，出于l d 光源的发光面小，只要光纤端面离光源发光面足够近，光源发 爨豹光大邦分都能照射翻毙绎璃瑟，露鼹予l e d 必滋，与最大耩含效率彝数 锤孔径的平方戏币眈，因鼗这释藕合方式静效率魄较低。通过捐遴镜韬合可以 提高直接耦合的耦台效率。在网络连接中多模p o ff b ! 的耦合同样也存在着损 耗。当两光纾氟接对接时，光纤两轴的偏离和倾斜、端面j 可的删隙及端颟的巧i 完整、毙纾熬不司秘类等因豢都会带来藕合过程中鹣按耗。 蚺匀、攘壤下支学 学碳 ! 学位论文 2 5 塑料走缓的色散与带宽 色散是光纤通信十分重要的参量，带宽是描述光纤色散性质的参量，光纤 最重要的特点就是其带宽，带宽的大小是衡量光纤传输能力的重要指标，尤其 在多模p o f 中色散的影响更为严重，所以研究p o f 的色散性质对指导实验很 有意义。下面分别对s ip o f 和g ip o f 的色散和带宽进行分析。 2 5 1 塑料光纤的色散 一个光脉冲在光纤中传输，由于受到光纤材料的色散特性、光纤折射率分 布、光纤中的模式分布、光源的波长和光谱宽度等因素的影响使脉冲产生 “延迟畸变，脉冲波形在通过光纤后发生展宽，这一效应称作“光纤的色 散”。色散是指不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传播的物 理现象1 2 4 - 2 7 i 。色散导致光脉冲在传播过程中展宽，导致前后脉冲相互重叠，引 起数字信号的码f h j 串扰。色散代表了传输光脉冲的失真程度，限制了通过光纤 信号的频谱宽度，色散的大小直接关系到光纤的带宽。损耗和色散是光纤传输 最重要的两个参量，能得到衰减小、带宽大的p o f 是光信号传输对p o f 的渴 望。在多模塑料光纤中，不同的传播模式具有不同的相位数，因而有不同的相 速度和群速度。在光纤的输入端，一个光脉冲的能量分配到不同的模式上，以 不同的速度传播到输出端，同样导致光脉冲的展宽。这种效应与波的不同频率 ( 也就是不同颜色) 成分以不同的速度传播所产生的作用是一样的，这种现象 广义的可以称为色散。为了区分这两种不同的物理机理引起的色散效应在光 纤传输理论中分别将其称为模式色散和波导色敝。色散般包括模式色散( 也 叫做模间色散) 、材料色散和波导色散。后两种色散组合在一起称做模内色 散，对于多模光纤的总色散等于上述三种色散的和。模式色散取决于光纤接收 来自光源的光的能力，具有较大数值孔径的光纤接受光的能力强，模式色散 大；相反具有较小数值孔径的光纤，因为有较少的模通过光纤，模式色散减 小，带宽就越高；材料色散是由1 ：光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部 不同波长成分的光( 实际光源不是纯单色光) ，其时自j 延迟不同而产生的，这种 色散取决于光纤材料折射率的不同导致的波长特性和光源的谱线宽度；波导色 散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层 的相对折射率差。 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。如果信号是 蹬乐演理r 大学1 “学顿1 ：学位论文 模拟调制的，色散限制带宽，而且起主要作用的是模式色散，其他两种色散影 响很小，即模式色散材料色散 波导色散；如果信号是数字脉冲，色散产生 脉冲展宽。所以，色散通常用3 d b 光带宽f 3 d b 或脉冲展宽a r 表示。 用脉冲展宽表示时，一光纤色散可以写成： f = ( r 。2 + r 。2 + r ：) ，2 r 2 1 4 ) 式中d h 模式色散； d r 脚材料色散： t t 。波导色散 传输中脉冲展宽量可以由计算一个脉冲的轴向光线a 和木端子午光线m ( 如图2 - 4 ) 阳j 延迟时间r 来估算。 单位长度光纤上，轴向光线a 和末端子午光线m 之间的时间延迟可以用 如下公式表示【2 8 i ： ，。! 型 2 ”i 。 f 2 - 1 5 1 在躲沸润无羹叠情嚣下，壳纾豹豢宽郄最太院特辜箩r ( m a x ) 终为： 岛( m a x ) 2 压矿) z f 2 _ 嘲 厂弋 a ) s i 剂 b ) g j 删 闰2 4 p o f 传输光路削 f i g ，2 4l i g h t t r a n s m i s s i o nd i a g r a mo f p o f 在前面分析过，g i 型p o f 的n a ( ，) = 狐五而，韪随折射率行( r ) 不断变 纯豹毽，g i 型p o f 豹数簸孔径n a 慧小予s 型p o f 静，函琵g ip o f 繁宽较 竺丝鎏登三查兰三兰丝：! 耋堡篓兰 高，传输失真小，传输容量大。下面用w k b j 漱详细分析塑料光纤的带宽，从 褥绘窭程辑射率滚是撼秘线型禚发分毒瓣可敬获缮亳豢蹙走纾熬缕论。 2 5 2 塑料光纤的带宽 分析多模光纤带宽的方法很多，有w k b j 法、r