（材料物理与化学专业论文）热拉伸制备pmma梯度折射率聚合物光纤的研究.pdf

附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：盏凯 日期。7 “年月7 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。， 保密蛔，在上年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：盂吻u 日期：谁月了1 日 指导教师签名： 功占 j 日期协二年乒月咱 东华大学硕士论文 摘要 热拉伸制备p m m a 梯度折射率聚合物光纤的研究 摘要 聚合物光纤具有良好的弯曲性能，重量轻，易于连接，安 装和维护成本低，而且用它组成商业和军事网络可保证安全保 密，所以可望在局域网、信息设备家庭网络，以及汽车、飞机 和军事网络中得到大量的应用。特别是梯度折射率聚合物光纤 ( g r a d e di n d e xp o l y m e ro p t i c a lf i b e r ，简称g i p o f ) ，该种光纤 沿径向从芯轴中心到边缘折射率呈二次方分布，从而减小了模 式色散，保证了g i p o f 有很高的传输带宽。 本论文是上海市科委光科技行动专项项目“梯度折射率聚 合物光纤的研究的一部分，结合梯度折射率聚合物光纤预制 棒的研制，研究热拉伸成纤工艺设备及技术。 设计研发了两段式的加热炉及其精密温度控制系统、光纤 直径反馈控制系统、和抽真空装置组成的聚合物光纤热拉伸成 纤工艺设备。 在成纤研究中，首先通过测定熔融指数来确定不同分子量 和分子量分布的预制棒所需要的拉丝温度。同时通过实验证明， 拉丝起头时的温度比拉丝温度高1 0 是合适的，不会导致预制 棒过热产生气泡，同时效率也较高。然后对真空度的影响进行 了研究。实验证明，在拉丝过程中把真空度控制在0 3 b a r - - - 0 5 b a r 是合适的，得到实心光纤。真空度太低，预制棒的中空部分不 能完全闭合，在光纤中残留气线。真空度过高，中空部分不规 则的快速收缩，会导致有大的真空泡残留。最后对得到光纤的 直径进行了测量和统计。 东华大学硕士论文 摘要 对拉制得到的光纤进行了折射率分布和带宽、衰减的测试， 以分析拉丝过程和预制棒各个参数对光纤性能的影响。通过测 试和对比预制棒和光纤中的折射率分布，表明经过高温的拉制 过程之后，折射率分布指数a 和都发生了明显的变化，a 变 大，变小，表明拉制过程中小分子折射率调节剂的扩散是存 在的。通过测定g i p o f 的带宽发现，仅值对带宽的影响明显， 当光纤中的仅在2 1 2 3 时带宽最大，且最高带宽可达 5 7 2 g h z m ，性能优良。通过测试聚合物光纤的衰减，测得 g i p o f 衰减在6 0 0 - - 9 0 0 d m k m 之间，说明衰减还有进一步改进 的余地。 关键字：梯度折射率，聚合物光纤，p m m a ，带宽，衰减， 真空度 、 型燮燮一 垫萋 。_ - - l - _ _ - _ - _ _ i _ _ _ - _ - _ 一一 j h ， s t u d yo i ld r a w i n gp r o c e s so fp m m ag r a d e d i n d e x p o l y m e ro p t i c a lf i b e r a b s t r a c t p o l y m e ro p t i c a lf i b e rh a sg o o dp r o p e r t i e so fb e n d i n ga n di s l o w e r d e n s i t y i ti se a s yt ob ec o n n e c t e db e c a u s et h ed i a m e t e ro ft h e c o r ei s b i g g e r t h a n q u a r t zo p t i c a lf i b e r f u r t h e rm o r et 1 1 e o r c i a l m i l i t 3 n e t w o r k p o l y m e ropticalcommercial o r l i t a r yn e t w o r kt h a ti sm a d ef r o md o l v m e ro n t i f i b e ri sv e r ys a f e s oi tm u s tb eu s e f u lf o rt h el o c a la r e an e 铆o r k l 姗e s p e c i a l l yt h eg r a d e di n d e xp o l y m e ro p t i c a lf i b e r ( g i p o f ) w i l l g e tm o r eb a n d w i d t hb e c a u s ei tc a nr e d u c et h ec h r o m a t i c d i s p e r s i o n t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e s e a r c ho nt h ed r a w i n gp r o c e s so f p m m ag i - p o fo nt h eb a s i so fak i n do f h o l l o wp r e f o r m f i r s t l ya f u m a c et h a th a st w od e p a r t m e n t si s d e s i g n e db e c a u s ep m m ai s d i f f i c u l tt ob em e l t e d s e c o n d l ya s y s t e mt h a ti sd e s i g n e di no r d e rt o v a c u u m i z et h eh o l l o wp r e f o r mt o g e ts o l i df i b e rw h i l ed r a w i n g t h i r d l ya n o t h e rs y s t e mi sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h ed i a m e t e ro ff i b e r a u t o m a t i c a l l y i l lt h er e s e a r c h ， e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so np m m a g i - p o fh a v eb e e nm a d et o s t u d yt h ed r a w i n gp r o c e s sa n di t s 1 e f f e c t so nt h ep r o p e r t i e so ff i b e r t h ed r a w i n gt e m p e r a t u r ei s c o n f i r m e db ym e a s u r i n gt h em e l t i n gi n d e x a n di ti sp r o v e dt h a tt h e t e m p e r a t u r eh i g h e rlo * c t h a nd r a w i n gt e m p e r a t u r ei s a p p r o p r i a t i v e t om e l t i n ga n dd r o p p i n ga tt h eb e g i n n i n g an e wr e s e a r c hr e s u l th a s b e e nc o n c l u d e dt h a tt h ev a c u u ma b o u tf r o m0 3 b a rt o0 7 b a ri se a s y t og e tt h es o l i df i b e r h i g h e ro rl o w e rv a c u u mc a nc a u s eb u b b l e si n f i b e r sb yal a r g eq u a n t i t yo fe x p e r i m e n t s al o to fd a t ao nt h ef i b e r d i a m e t e ra r ea c q u i r e db y m e a s u r i n g i ts h o w st h a tt h em o r et h ef i b e r d i a m e t e ri s ，t h em o r et h ee r r o ri s t h er e f r a c t i v ei n d e x ( p a l ) p r o f i l e ，b a n d w i d t ha n da t t e n u a t i o n a r em e a s u r e dt r a d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s r ip r o f i l eo fb o t ht h e p r e f o r ma n dt h ef i b e ra r em e a s u r e db yd i f f e r e n tm e t h o d s a c c o r d i n g t ot h e mt h er ip r o f i l ei so b v i o u s l yt r a n s f o r m e da f t e rd r a w i n g i t s h o w st h ed i f f u s i o ne f f e c ts h o u l dn e v e rb ei g n o r e db e c a u s ei ti s v e r ys t r o n g d i f f e r e n tr ip r o f i l eo ft h ep r e f o r mc a nr e s u l t i n d i f f e r e n tt r a n s f o r m a t i o n s b u t0 【w i l li n c r e a s ea n daw i l ld e c r e a s e a f t e r d r a w i n gw i t h o u td o u b t t h eb a n d w i d t hi s m e a s u r e d b y i m p u l s em e t h o d i th a sb e e ns t u d i e dt h ee f f e c to fqo ft h ef i b e r m e nqo ft h ef i b e ri sf r o m2 0 4t o2 2 5 ，t h eb a n d w i d t hi so v e r 3 0 g h z m t h eb a n d w i d t hr a p i d l yr e d u c e so u t s i d et h i sa r e a t h e r e s u l ti sd i f f e r e n tf r o mt h eo p t i m i z a t i o nao ft h ef i b e ri nt h et h e o r y b e c a u s em a n yf a c t o r sh a v ee f f e c to nt h eb a n d w i d t h t h ea t t e n u a t i o n 4 东华大学硕士论文 摘要 i sm e a s u r e db yc u t t i n gm e t h o db e c a u s ei ti st h es t a n d a r dm e t h o dt o m e a s u r ei t a c c o r d i n gt oi e e t h ea t t e n u a t i o ni sf r o m6 5 0 d b k mt o 9 4 0 d m k m ，i sh i g h e rt h a nt h e o r e t i cv a l u e i ti sm a i n l yc a u s e db y t h ef l u c t u a t i o no ft h ef i b e rd i a m e t e r t h r o u g ht h ea n a l y s i sf r o me x p e r i m e n t sa n dm e a s u r e m e n t s ， t h ep r i n c i p l ea n dr u l eo fd r a w i n gp r o c e s so fp m m ag i p o fi s o b t a i n e d ，w h i c ha l s op r o m o t eo p t i m i z i n gt h ed r a w i n g p r o c e s so f p m m ag i - p o fa n di m p r o v ei t sb a n d w i d t ha n da t t e n u a t i o n m e n gk a i ( m a t e r i a lp h y s i c sa n dc h e m i s t r y ) k e y w o r d ：g r a d e dr e f r a c t i v ei n d e x ，p o l y m e r o p t i c a lf i b e r , p m m a ( p o l y m e t h ym e t h a c r y l a t e ) ，b a n d w i d t h ，a t t e n u a t i o n 东华大学硕士论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 光纤及聚合物光纤简介1 1 1 1 光纤用材料1 1 1 2 石英玻璃光纤的发展2 1 1 3 聚合物光纤的发展和国内外研究情况3 1 1 3 1 国外发展概况3 1 1 3 2 国内发展概况6 1 1 4 聚合物光纤( p o f ) 的应用前景6 1 1 4 1 聚合物光纤( p o f ) 的主要优点6 1 1 4 2 聚合物光纤的现存缺陷及改进方向。7 1 1 4 3 聚合物光纤在接入网中的应用前景8 1 2 本课题的研究内容1 0 1 2 1 聚合物光纤的技术关键。1 0 1 2 2 本课题的研究内容。1 2 1 3 本课题的研究意义1 4 第二章梯度折射率光纤的通信原理1 6 2 1 梯度型折射率光纤传输原理具体解析。1 6 2 1 1 几何光学分析。1 6 2 1 - 2 子午光线在梯度折射率聚合物光纤中的传输1 7 2 1 3 子午线的轨迹方程1 7 2 1 4 梯度折射率聚合物光纤的最佳折射率指数分布1 9 2 1 4 1 光纤的自聚焦1 9 2 1 4 2 最佳折射率指数分布的形式2 0 2 2 影响光纤传输衰减和色散的主要因素2 1 2 2 1 光纤的传输衰减2 1 2 2 2 光纤的传输色散2 2 2 3 阶跃折射率与梯度折射率光纤的区别2 4 2 3 1 阶跃折射率光纤2 4 东华大学硕士论文 目录 2 3 2 梯度折射率光纤。2 4 2 3 3 阶跃折射率光纤与梯度折射率光纤的区别。2 5 第三章梯度折射率聚合物光纤制备工艺2 7 3 1 梯度折射率聚合物光纤的制备方法。2 7 3 1 1 直接挤出法制备2 7 3 1 2 热拉伸法( 两步法) 制备g i p o f 2 8 3 1 2 1 梯度折射率预制棒的制备2 9 3 1 2 2 预制棒拉制成纤3 0 3 2 本实验采用的预制棒特点分析3 0 3 3 预制棒的测试3 2 3 3 1 测试原理3 2 3 3 1 1 远场扫描法测试原理3 2 3 3 1 2 测试结果3 3 3 4 本实验拉丝方案设计3 4 3 4 1 拉丝方案的重点3 4 3 4 2 拉丝方案设计3 5 第四章p m m a 梯度折射率聚合物光纤成纤设备3 7 4 1 拉丝炉系统的设计3 7 4 1 1 实现拉丝炉的温度稳定3 7 4 1 2 实现拉丝炉精确、灵敏控温3 8 4 1 3 拉丝炉下的冷却3 9 4 2 丝径控制系统的设计4 0 4 2 1 系统设备4 l 4 2 2 系统设计中要考虑的问题4 1 4 2 3 丝径控制系统的确定4 3 4 3 抽真空系统的设计4 3 第五章聚合物光纤拉丝工艺研究4 5 5 1 温度制度的实验4 5 5 1 1 拉丝温度的确定4 6 n 东华大学硕士论文 目录 5 1 2 起头温度的确定4 7 5 2 真空度的实验4 7 5 3 光纤直径的实验4 9 5 4 本章小结5 l 第六章光纤参数的测试5 2 6 1 光纤中折射率分布的测试以及与预制棒中折射率分布的比较5 2 6 1 1 聚焦法测试的原理5 3 6 1 2 聚焦法测试过程5 4 6 1 3 光纤和预制棒中折射率分布的比较5 5 6 2 光纤带宽的测量。5 7 6 2 1 频域法的测试原理5 7 6 2 2 时域法的测试原理5 7 6 2 3 用时域法测试聚合物光纤的带宽5 9 6 2 3 1 测试过程6 0 6 2 3 2 测试结果6 0 6 3 光纤衰减的测试6 1 6 3 1 背向散射法6 1 6 3 2 截断法6 3 6 - 3 2 1 截断法的原理6 3 6 3 2 2 聚合物光纤截断法测试结果及分析6 4 6 4 本章小结6 6 第七章总结与展望6 7 7 1 总结6 7 7 2 展望6 7 7 2 1 优化工艺、加快中试和产品开发6 8 7 2 2 研究开发新型特种聚合物光纤。6 8 参考文献6 9 在校期间科研成果情况7 3 致 射7 4 m 东华大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤及聚合物光纤简介 光纤作为光通信的传输媒介，以其大容量、长距离等优点使得通 信技术发生了一次重大的变革。当今，光通信已经成为- - f j 新兴的学 科。光纤的组成已经由氧化物扩展到非氧化物、高分子材料等；在制 备工艺上，已经由气相沉积工艺向着溶胶凝胶工艺、机械挤压成型等 新工艺开展研究【1 】；在性能上，已经开展了范围广泛的各种光学性能 和电学性能的研究；在应用方面，出现了新型光纤，如偏振光纤、红 外光纤、光纤放大器等。它们正从实验室走向实际应用，影响着社会 的各个方面，造福于人类。 1 1 1 光纤用材料 光导纤维，简称“光纤”，就是用特殊材料制成的、用来传输光信 号的传输线。为了制备实用的光纤，材料引起的光衰减、材料本身的 折射率、物理和化学稳定性、细纤维的形成能力和制造成本等都是必 须要考虑的重要问题。光纤的所有性能的根本来源还是光纤所采用的 材料。为了光传输的应用，前人已经研究了各种各样的材料。因此， 重要的是考虑哪一种物质，即气体、液体、晶体或非晶体哪一种最适 用于光纤。 对于气体材料，虽然它们在可见光和近红外光区域的光衰减是极 小的，但是气体物质的致命缺点是它们的折射率的精确控制是非常困 难的。为了实现气体波导，人们已经做了许多实验，也取得了一定的 进步，但是想要精确、长期的控制气体材料的折射率还是非常困难【2 】。 一些液体也是光的低衰减物质，而且这样的液体也有很多种，可 供选择的折射率数值也是很多的。现在人们已经研制出了液芯光纤， 即液体充满细玻璃管的纤维。可是液体的折射率随温度的变化十分显 著，致使精确、长期的保持波导特性变得极为不易【2 】。 东华大学硕士论文 第一章绪论 与气体和液体相比，固体材料与光的相互作用强得多，因此一般 来说固体材料的传输衰减可能更大，但是其光学性能却是要稳定得多。 固体材料又可分为晶体和非晶体材料。 从本征衰减的角度来看，我们应该能在单晶中找到理想的材料， 因为单晶材料的密度、成分波动非常小，由此引起的瑞利散射也小。 然而，单晶的快速生长或单晶纤维的大规模生产都极为困难，而且晶 体材料的折射率控制也不容易。实际上，掺杂过多的调节折射率的其 它材料到基质晶体中会使它很难生成大的单晶。此外，由于长成的单 晶具有特定的晶面，这就使得纤维表面和芯、皮层界面变得粗糙，从 而引起大的散射衰减。而多晶因为晶界多、晶界上的散射严重，是不 合适用作光纤材料的【2 】。 非晶体才是真正理想的光纤材料。如某些氧化物玻璃、氟化物玻 璃、硫化物玻璃或者某些非晶态聚合物在可见光和红外波长区域具有 高的透光性。而且，它们容易制成纤维，且不会引入特定的晶面、晶 界之类的非本征散射源。而且它们容易通过加入其它成分来改变它们 的折射率而不严重影响到这些材料本身的形成。虽然它们由于密度和 成分波动引起的散射衰减比晶体材料大很多，但是却比多晶材料由于 晶界散射所引起的衰减小得多【2 】。 1 1 2 石英玻璃光纤的发展 在光纤通信技术中，现在得到最广泛应用的，毫无疑问是石英玻 璃光纤。石英玻璃具有高的透可见光和红外光的能力，而且具有良好 的化学稳定性和高的机械强度；通过掺杂某些氧化物，如g e 0 2 、a 1 2 0 3 或t i 0 2 等，能容易地改变石英玻璃地折射率。另外，石英玻璃的原材 料价格低廉，因此作为低衰减光纤材料，石英玻璃是最适合的材料之 一【2 】o 将石英玻璃用于光通信的想法由来已久，有关内容在1 9 3 6 年的日 本专利中就可以查n t 3 1 。首次公开预言石英玻璃可以用于光通信的， 是在1 9 6 5 年由英国标准通信实验室的高锟博士和h o c k h a m 提出i 拘t 4 1 。 2 东华大学硕士论文 第一章绪论 他们推测，要是能把石英玻璃中过渡金属离子的含量减小到l p p m 以 下，那么由此引起的传输衰减会下降n d , 于2 0 d b k m 。同时估算出石 英玻璃的散射衰减也会减小到大约l d b k m 。因此预言石英玻璃光纤的 总衰减可以减小到2 0 d b k m 以下。 1 9 7 0 年，美国康宁公司的k a p r o n 及其同事成功的制造出一根光 传输衰减减d , n2 0 d b k m 的光纤，正式把人类社会带入到光通信的时 代【5 】。正是这一成功，使得将石英玻璃光纤推向实用的研究日趋活跃。 历经大约3 0 年对各种制造方法和光纤材料的深入研究，已制得的掺杂 石英玻璃光纤，其光传输衰减低于0 2 d b k m 。 1 1 3 聚合物光纤的发展和国内外研究情况 1 1 3 1 国外发展概况 与此同时，聚合物光纤的研究也开始于二十世纪6 0 年代。所谓聚 合物光纤就是用聚合物材料制备而成的细丝状的可传导光信号的传输 线。所以，光纤对聚合物材料的性能有严格的要求，即聚合物光纤所 用的高分子材料必须为高度无定形高透明的聚合物。因为结晶或半结 晶聚合物各向异性，会使光在传输过程中产生较大的散射而导致p o f 损耗的增大，故不选用结晶或半结晶聚合物，而高度无定形非结晶聚 合物能保证材料有均一的折射率和各向同性，因此是低损耗p o f 的最 佳选择。用作光纤的典型塑料是聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 和聚苯 乙烯( p s ) 及其衍生物，原因是这些聚合物的单体纯化容易，且在获 得透明的聚合物的过程中不会形成交联，而且在可见光范围内具有良 好的透光性。 1 9 6 4 年美国杜邦公司开始研究聚合物光纤( p o f ) ，1 9 6 5 年前苏 联格鲁吉亚共和国科学院控制论研究所也开始了p o f 的研究。19 6 8 年美国杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯( n 厦m a ) 为芯材制备出聚合物 光纤，但光衰减较大。1 9 7 4 年日本三菱人造丝公司以p m m a 和聚苯 乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出聚合物光纤，其光衰 减为3 5 0 0 d b k m ，仍然难以用于通信1 6 。 东华大学硕士论文 第一章绪论 8 0 年代日本的一些大企业和大学对低衰减聚合物光纤的制备进行 了大量的研究。1 9 8 0 年三菱公司以高纯m m a 单体聚合p m m a ，使聚 合物光纤衰减下降到1 0 0 2 0 0 d b k m 。1 9 8 0 年日本n t t 公司公布的p o f 基础研究表明，大幅度降低p o f 的衰减是可能的【刀。由于光在p o f 中 传输的衰减包括固有衰减和非固有衰减，而固有衰减中最主要的部分 就是c h 键谐波在可见光和近红外光的吸收，故降低p o f 的c h 键 谐波吸收就是降低p o f 衰减的最有效的途径之一。1 9 8 3 年n t t 公司 开始用氘取代p m m a 中的h 原子，即由c d 键取代c h 键，使最低 光衰减可达到2 0 d b k m ，并可传输近红外到可见光的光波嘲。由于c f 键谐波吸收在可见光区域基本不存在，即使延伸到1 5 0 0 r i m 波长的范 围内其强度也小于l d b k m 。全氟化梯度型p m m a 光纤衰减的理论极 限在1 3 0 0 n m 处为0 2 5 d b k m ，在1 5 0 0 n m 处为0 1 d b l 锄【9 】，有很大的 潜力可挖。 经过多年的研究与发展，目前被用作p o f 芯皮料的高分子材料主 要有以下几种，见表1 1 。 表1 - 1p o f 的常用材料 芯料皮料 名称折射率n 1名称折射率n 2 聚苯乙烯( p s ) 1 5 9 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 1 4 9 聚甲基丙烯酸甲酯四氟乙烯和偏氟乙烯的共聚 1 4 91 4 0 ( p m 卟僵a )物( f 2 4 ) 氘化聚甲基丙烯酸甲酯全氟烷基侧链甲基丙烯酸甲 1 4 81 3 9 ( p 仆嗄a d 8 ) 酯( f p l 、n ，i a ) 另一方面，起初研制的聚合物光纤折射率分布是阶跃式( s t e p i n d e x ，简称s i ) 的，由于s i 。p o f 存在严重的模式色散，传输色散与 对绞铜线相似，限制在5 m h z 以内，即便在很短的通信距离内也不能 满足分布数据接口、同步数字体系、宽带综合业务数字网的通信标准。 4 东华大学硕士论文 第一章绪论 所以近年来梯度分布折射率聚合物光纤( g r a d e di n d e xp o l y m e ro p t i c a l f i b e r ，简称g i p o f ) 的制备工艺研究成为p o f 研究开发的主要方向。 由于g i p o f 纤芯的折射率分布呈抛物线，因此模式色散大大降低， 因而信号传输的带宽在1 0 0 m 内可达2 5 g b s ，甚至更高。 1 9 9 2 年，日本庆应大学的小池助教授开发成功梯度分布折射率聚 合物光纤( g i p o f ) ，芯材为含氟p m m a ，用界面凝胶技术制造【1 0 1 。 该聚合物光纤衰减在6 0 d b k m 以下，光源6 5 0 1 3 0 0 n m ，1 0 0 m 色散 3 g h z ，传输速率1 0 g b s ，超过了g i 型石英玻璃光纤，并被广泛认为 是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介。在2 0 0 0 年o f c 会议 上，日本a s a h ig l a s s 公司报道了氟化物度分布折射率聚合物光纤 衰减系数在8 5 0 r i m 为4 1 d b k m ，在1 3 0 0 n m 为3 3 d b k m ，带宽已达 10 0 m h z - k m i n 。用这种光纤成功地进行了5 0 m 、2 5 g b i t s 的高速传输 试验和7 0 摄氏度长期热老化试验。实验结论为梯度分布折射率聚合物 光纤完全能满足短距离的通信使用要求。 近年来，国外对预制棒的制备技术还有一些新的探索。美国达特 公司用高纯度单一体系制备g i p o f 预制棒【1 2 1 。该法采用超声波引发 聚合，并利用聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 的折射率随聚合度改变而变 化的原理，制备出了高纯度( 因不加引发剂) 、透明、无气泡的g i p o f 预制棒。韩国的专利也报道了用超离心法制备g i p o f 预制棒，该法 的优点是可以通过控制转速和单体组成来控制预制棒的折射率分布。 s h i i i l 等人通过外加单体对空穴进行补充，解决了超离心法中由于 体积收缩造成空穴和气泡的问题，最终可制得无孔穴的g i p o f 1 3 】。美 国朗迅科技公司报道了一种能够以商用生产速度( 比如对于外径为2 5 0 哪的光纤，生产速度至少lm s ) 生产g i p o f 光纤的连续挤压成 形方法【1 4 】。首先把第一聚合物材料引入第一喷嘴，把第二聚合物材料 引入第二喷嘴，同心环绕在第一喷嘴上，在两种聚合物材料中，至 少有一种材料中含有至少一种能改变折射率的可扩散的掺杂剂。挤出 时同心引入扩散部分，使掺杂剂能在第一、第二聚合物之间以及内部 发生扩散，并使物料经出口模拉伸形成光纤。 东华大学硕士论文 第一章绪论 1 1 3 2 国内发展概况 在国内，西安交大【1 5 】、上海交大【1 6 1 、中科院感光所【1 刀等单位也从 九十年代开始了g i p o f 的研究工作。这些单位曾经从理论上对 g i p o f 的折射率分布和色散、衰减的形成和影响因素进行了分析研 究，而且曾有报道西安交大等单位己研制出光衰减在2 0 0 d b k m 左右的 s i p o f 1 8 】；中科院北京化学所等单位利用自制的g i p o f 把1 0 台电脑 连接成全光用户接入网络系统，传输速率达到1 2 5 m b s 1 9 1 。另外中国 科技大学、西安交通大学、燕山大学等单位也正在进行p o fl a n 的 研究工作【2 0 】。 从国内外的研究看来，除日本已将由含氟聚合物材料制备的梯度 分布折射率聚合物光纤实现小批量生产外，其他国家的梯度分布折射 率聚合物光纤还不能达到实用的水平。而且这种由含氟聚合物材料制 备的梯度分布折射率聚合物光纤价格还是相当高的，甚至超过了石英 玻璃光纤。 1 1 4 聚合物光纤( p o f ) 的应用前景 综上所述，经过三十多年的发展，p o f 的性能正处于完善和发展 阶段，许多对于p o f 的限制或者p o f 的缺点即将或已成为p o f 的特 性或优点。 1 1 4 1 聚合物光纤( p o f ) 的主要优点 对比石英玻璃光纤，聚合物光纤主要具有以下几个优点： 1 由于p o f 本质上还是一种高分子材料，所以加工性能好，从 而使p o f 具有较宽的直径范围，其直径可从5 9 m 至3 0 m m 之间。 可根据不同使用目的和用途，制备不同直径的p o f ，这一直径范 围是石英玻璃光纤和多组份玻璃光纤所无法比拟的。 2 p o f 具有极其优异的柔软性和弯曲性能，其弯曲半径可达直 径的5 - - 1 0 倍，这一特性是由p o f 所使用的高分子材料的特征所 决定的。而石英玻璃和多组份玻璃质脆，若采用这两种玻璃材料 6 东华大学硕士论文第一章绪论 制备的直径略粗，则其弯曲性能将变得极差，故只能用来制备硬 质光纤，所以其使用就受到一定限制。故p o f 的柔软性能是石英 系光纤和多组份玻璃光纤所无法比拟的。 3 p o f 通常具有较大的数值孔径n a ，其n a 值多在0 3 - 0 6 之 间。这是由于聚合物材料经过数十年的发展，已具有多种满足制 备p o f 的材料，其折射率范围较宽，其值可从1 2 0 至1 7 0 ，因此 聚合物材料具有制备大n a 的p o f 条件。数值孔径大，则光纤对 所使用的光源的要求就会降低，对连接时的对准程度的要求也会 降低，所以可以极大的方便整个光通信系统的组成和安装。 4 p o f 具有便利的端面加工特征，其端面只需用刀片或热刀片 简单切割即可，其耦合衰减与端面精细研磨抛光的p o f 基本相同。 而玻璃光纤由于是多根集束，其端面需环氧树脂粘结定位、毛切 割、磨平和抛光，这样才能减少端面的耦合衰减。这样p o f 使用 起来就比石英玻璃光纤等简单、方便得多。 1 1 4 2 聚合物光纤的现存缺陷及改进方向 当然作为p o f 本身来说，因自身材料性能的限制，因此同石英光 纤、多组份玻璃光纤相比，也存在着一些缺陷，这些缺陷主要集中在 以下三点：一是传输衰减较高。例如p o f 实验室所制备的最低衰减的 p o f 也只有2 0 d b k m ，比常规石英玻璃光纤高几个数量级。二是使用 温度不高。例如常规p s 芯p o f 和p m m a 芯p o f 通常亦在不高于8 0 的温度下使用，而所研制的耐热p o f 根据其种类的不同，可在1 0 0 2 0 0 的不同范围内使用。三是传输带宽不宽。常规p o f 带宽不高于 5 m h z k m ，但特别设计制备的p o f 带宽最高可达3 g h z k m 。 但实际上并不是在所有时候都需要耐温高或衰减低或传输色散高 的光纤，例如若光纤的使用长度不要求很长的话，即使传输衰减大一 点，但在一定条件下p o f 亦可使用；又如很多时光纤使用环境多在室 温或其附近范围内使用，普通p o f 或耐热p o f 是可胜任的；常规p o f 传输带不宽，但特殊制备的p o f 亦可满足对传输色散要求较高的区域 7 东华大学硕士论文第一章绪论 网中使用，如g i p o f 可使用于局域网络。因此p o f 尽管有三大缺陷， 但在实际使用中，根据实际使用要求，p o f 的优点会显得更重要；而 且随着p o f 用聚合物材料性能的进一步完善，p o f 的性能将进一步改 善和提高，这些缺陷也会逐渐减小或者完全弥补。因此p o f 有广阔的 应用开发前景。 1 1 4 3 聚合物光纤在接入网中的应用前景 实际上，目前通信的主干线已实现了以石英玻璃光纤为骨干的光 纤通信。但是在接入网和光纤入户工程中石英玻璃光纤却遇到了较大 的困难。由于石英玻璃光纤的纤芯很细( 5 - 1 0 1 u n ) ，光纤耦合和互接需 要高精度的对准，因此距离短、接点多的接入网用户难以承受其费用。 而聚合物光纤( p o f ) 由于芯径大( o 2 1 5 n ：l i _ n ) ，可以使用廉价的注塑连 接器，且质量轻，韧性、可挠性好，数值孔径大。同时由于聚合物光 纤在可见光区有低衰减的窗口，因此在接入网中可以使用廉价的激光 光源。所以聚合物光纤成为f t l 工程中最有希望的候选材料。同时 聚合物光纤作为一种新型材料，还可以广泛应用在d v d 、数码相机、 医疗、汽车等各个领域。 目前室内短距离信息传输媒介或技术主要有以下几种： 1 以基于铜导体的对绞线的同轴电缆：这一种使用成本低且满足 现实需求而使用最多的方式，但若要满足用户将来对色散和速率的更 高要求，需要为克服电磁干扰、信息保密、扩大色散、提高传输速率、 保证传输距离等投入很高的研究资金，使用成本也因使用昂贵复杂的 电子装置而变得很高，综合竞争力降低。 现将p o f 与目前成本低、室内接入使用最流行的铜介质作比较： 目前s i p o f 的使用成本与u t p 5 电缆的相当，但传输性能和环境适 应性比电缆好得多；同轴电缆的传输性能比较好，但使用距离最大9 0 米，电缆外径大，也不易弯曲，影响安装使用，与之配套的电子设备 和连接器件价格昂贵。 2 单模和多模石英玻璃光纤：该种技术比较成熟，但石英玻璃光 8 东华大学硕士论文 第一章绪论 纤芯径很细( 1 0 i n n ) 导致连接困难而成本较高，光电子器件技术要求 高、价格昂贵，而且其易脆断和过大的弯曲衰减限制了其在狭窄空间 中的安装使用。 聚合物光纤( p o f ) 与石英玻璃光纤相比，具有以下优点：模量 低，芯径大( 0 3 1 0 r a m ) ，接续时可使用简单的p o f 连接器，即使是 光纤接续中心对准产生3 0 9 i n 的偏差也不会影响耦合衰减；数值孔径 大( n a = 0 5 左右) ，受光角可达6 0 0 ，而石英玻璃光纤只有1 6 0 ，可 用便宜的l e d ，并且耦合效率高；挠曲性好，易于加工和使用；在可 见光区有低衰减窗口；重量轻；成本及加工费用低【2 1 1 。 3 红外及短距离移动通信等无线技术：此种技术在目前比较热门， 世界各国对移动通讯的技术研究投入很大，技术也日新月异，相关产 品更新换代速度很快，但当数据无线传输技术应用于象室内、交通工 具内这样的短距离通讯时其使用成本就比较高，且电磁干扰问题、环 境影响问题、传输色散和速率问题，或为解决这些问题所必须的高研 究成本和昂贵的使用设备投入等将会是其在短距离通信中应用的主 要障碍。 下表1 2 可以简单说明梯度分布折射率聚合物光纤在接入网中的 应用优势。 表l - 4 以6 2 2 m b i t s 传送1 0 0 m 以上时的各种媒体的特性 玻璃光纤 聚合物光纤金属电缆 s m 型g i 型g i 型s i 型 双扭线同轴 传输损耗oooooo 传输带宽ooo 连接特性 ooo 操作性 0oo 端面处理 oooo 电磁噪声oo0o o 可靠性oooooo o 非常好o 良好较差非常差 9 东华大学硕士论文 第一章绪论 从现实实用和技术研究发展趋势看，要克服铜导线和无线传输技 术的缺陷，p o f 是实现短距离高速传输的优先选择。p o f 网络在局域 网系统中这些传输介质相比，具有明显的优点：p o f 对电磁干扰不敏 感，也不发生辐射，不同数据速率下的衰减恒定，误码率可预测，能 在电噪声环境中使用；其尺寸较大，可降低接头设计中公差控制的要 求，故成网成本较低等。 综上所述，随着p o f 制造技术和原材料制备技术的不断进步，p o f 的生产成本还会不断的降低；从目前的激光器、光电子集成器件、连 接器的发展情况看，国内及国际的相关技术进步很快，随着生产规模 的不断扩大，相信发送接收器件的成本会有较