（材料物理与化学专业论文）pmma梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究.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 i 恝同更 日期 一易年2 月沙日 6川5 4删4m i舢8 i耵i li脚y 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 保密舀在j 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 日期 7 1 口参年2 月 口日 沈同薮指导教师签名 互尸 参 1 日期 匆石秘厣2 日 东华大学硕上论文 p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究 p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究 摘要 梯度折射率聚合物光纤具有制造简单 价格便宜 质量轻 韧性 和可绕性好 数值孔径大 中继距离长 抗干扰 保密性好等优点非 常适用于局域网中的短距离连接 以及开发制造数字化士兵服装 医 疗仪器光传感产品 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 研制梯度折射率聚合物光纤预制棒 并用以 制备出高带宽梯度折射率聚合物光纤 本论文进行了1 0 0 余次实验 筛选出由偶氮二异丁腈a i b n 和十 二硫醇组成的引发剂 链转移剂体系 和热稳定性好的二苯亚砜作为 搀杂小分子 解决了搀杂小分子与甲基丙稀酸甲酯 m m a 相容性 明确了聚合过程中因单体挥发 引发剂分解产生气泡和因聚合物体积 收缩产生真空泡 是聚合过程中的关键技术问题 为了解决聚合过程中产生气泡这一工艺技术关键 本论文探索两 条制备工艺方法 一是在第二步反应中 采用加压与界面凝胶聚合相 结合的制备方法 二是在第二步反应中 采用旋转离心与界面凝胶本 体聚合相结合的制备方法 采用加压法制备预制棒的过程中 遇到了很多问题 如产生气泡 时间难以预料 反应需要相当长的时间等 测试结果和拉丝实验表明 东华大学硕士论文 p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究 制备出的预制棒 防止气泡的效果不是很理想 经过数百次实验研究 本论文探索得到了具有自主知识产权的旋 转离心与界面凝胶聚合相结合的制备梯度折射率聚合物光纤预制棒 工艺设备和技术 第一步利用m m a 单体的本体聚合反应制备空心 管 第二步在空心管中利用m m a 单体的本体聚合和界面凝胶效应制 备出梯度折射率聚合物光纤 g i p o f 预制棒 本论文通过凝胶渗透色谱 远场扫描等测试手段对在不同的配方 和反应条件下制备得到的聚合物光纤空心预制棒进行了分子量和分 子量分布以及预制棒折射率分布的测试分析 研究工艺配方和工艺条 件对预制棒化学性能和折射率分布的的影响规律 改进聚合设备和工 艺方法 调整聚合配方 控制聚合工艺条件 聚合制得小分子搀杂剂 与聚甲基丙稀酸甲酯 孙心压a 本体无相分离 无气泡 外观形态和 光学性能良好的梯度折射率预制棒 通过改变聚合配方和工艺条件可 以制造不同折射率分布的预制棒 利用制备的预制棒热拉伸成纤 得到传输距离带宽积达到 5 7 2 g h z m 的高带宽p m m ag i p o f 达到国内领先水平 关键字 聚合物光纤 梯度折射率 空心预制棒 界面凝胶效应 本体聚合 东华大学硕士论文 p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究 s t u d y o nt h ep r e p a r a t i o no fp m m ag r a d e di n d e x p o l y m e ro p t i c a lf i b e r g i p o f r o d a b s t r a c t g i p o fh a sal o to fa d v a n t a g e p r e p o n d e r a n c e s s u c ha s e a s y p r e p a r a t i o n c h e a pp r i c e l i g h tw e i g h t g o o dt e n a c i t y l a r g e ra p e r t u r e n u m e r i c a lv a l u e l o n gr e l a yd i s t a n c e a n t i j a m m i n ga n dg o o ds e c r e c y s oi t i sv e r ys u i t a b l ef o rt h el a n t h e a n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so ft h em a t e r i a li st h e k e y a n dh a sb e e nd o n e m m ai sc h o s e na st h em a i nr a wm a t e r i a lb e c a u s e i ti sc h e a pa n do fg o o dp e r f o r m a n c e at w o s t e pm e t h o di sa d o p t e dt o p r e p a r e t h eg i p o fr o d p m m at u b ei sd o n eb ym m an o u m e n o n p o l y r e a c t i o n t h e n t h em i x t u r eo fm m aa n dt h er e f r a c t i v ei n d e x r e g u l a t o ri sa d d e d t op m m at u b et og e tg i p o fr o db ym m an o u m e n o n p l o y r e a c t i o nw i t ht h ei n t e r f a c i a lg e le f f e c t t w ok i n d so fc o m m o ni n i t i a t o r s a i b na n db p oa r ec h o s e na st h e i n i t i a t o ra c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fi n i t i a t o r i ti s p r o v e dt h a tt h e i n i t i a t i o ne f f i c i e n c yo fb p oi sb e u e rt h a na i b n t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a n dt h em e a s u r e m e n to ft h em o l e c u l a rw e i g h tt e s t b u tb p oc a nc a u s et o t h eo x i d a t i o no fp m m a w h i c hc a nm a k eg i p o fr o dy e l l o we a s i l y f i n a l l ya i b n i sc h o s e nt ob et h ei n i t i a t o r 3 东华大学硕士论文 p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究 e v e r yk i n do fr a w m a t e r i a l ss h o u l eb er e f i n e dt oi n d u c eb u b b l e si n r o d sa n d g e tl o w a t t e n u a t i o ni no p t i c a lf i b e r s t w om e t h o d sa r ed e s i g n e do nt h eb a s i so fu t i l i z i n gi n t e r f a c eg e l e f f e c tt op r e p a r eg i p o fr o di no r d e rt op r e v e n t a c c e l e r a t i n gt h ee f f e c t a u t o m a t i c a l l y d u r i n gt h es e c o n ds t e p t h eo n em e t h o di sp r e s s u r i z i n gt h e p m m at u b ew h e r et h eg e le f f e c ti si np r o c e s sd u r i n gt h es e c o n ds t e p t h e o t h e ri sr o t a t i n gt h ep m m at u b ew h e r et h eg e le f f e c ti si np r o c e s sd u r i n g t h es e c o n d s t e p d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ef i r s tm e t h o d al o to fq u e s t i o n st a k ep l a c e a n da r en o te a s yt ob eo v e r c o m e s u c ha sb u b b l e sa n dt a k e sq u i t el o n g r e a c t i o nt i m e f u t h e rm o r e t h er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l eo ft h er o di sn o t i d e a l s ot h eh o l l o wg i p o fr o di sd o n eb yt h es e c o n dm e t h o d t h eh o l l o wg i p o fr o d su n d e rd i f f e r e n tr e a c t i o nc o n d i t i o n sa r e d i f f e r e n t s u c h a st h er o t a t i o n s p e e d t h e c o n t e n to ft h e r e g u l a r t e m p e r a t u r e t i m e a n ds oo n al o to fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n et o c e r t i f yd i f f e r e n te f f e c t sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tf a c t o r sb ym e a s u r e m e n t so f t h em o l e c u l a rw e i g h ta n dt h er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e a f t e rt h a tt h e e x p e f i m e n t a t i v ep r e s c r i p t i o na n d r e a c t i o n a lt e r m sa r ec o n f i r m e d 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 e p r i n c i p l e sa n d r u l e so np r o c e s so fp m m ag i p o fr o di so b t a i n e d w h i c h a l s op r o m o t eo p t i m i z i n gt h ep r o c e s so fp m m ag i p o fa n di m p r o v ei t s b a n d w i d t ha n da t t e n u a t i o n t h et r a n s p a r e n th o l l o wp m m ag i p o fr o d 4 东华大学硕士论文p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究 w i t h o u tb u b b l e si sa c h i e v e do nt h es u i t a b l ep r o c e s sa c c o r d i n gt ot h e s e p r i n c i p l e sa n d r u l e s a n di tc a nb ed r a w e dt ot h es o l i do p t i c a lf i b e ro nt h e s u i t a b l ed r a w i n g p r o c e s s s h e ng u o y i n g m a t e r i a lp h y s i c sa n dc h e m i s t r y s u p e r v i s e db yp r o f q i 坠q 煦 k e yw o r d p o l y m e ro p t i c a lf i b r e g r a d e di n d e x h o l l o wr o d t h e i n t e r f a c i a lg e le f f e c t n o u m e n a lp o l y r e a c t i o n 东华大学硕士论文 p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究 目录 第一章绪论 1 1 1 聚合物光纤概述 1 1 2 聚合物光纤的研究和发展状况 1 1 3 聚合物光纤的种类和材料 3 1 3 1 聚合物光纤的种类 3 1 3 2 聚合物光纤用材料 5 1 4 聚合物光纤的基本特性 6 1 4 1 聚合物光纤的损耗 6 1 4 2 聚合物光纤的带宽 6 1 5 聚合物光纤的制备方法 8 1 5 1 界面凝胶法 8 1 5 2 光聚合法 9 1 5 3 同芯多层挤出法 9 1 6 本论文研究的意义 目标和内容 9 1 6 1 研究意义 9 1 6 2 研究目标 1 0 1 6 3 研究内容 1o 参考文献 1 1 第二章梯度折射率聚合物光纤的传输原理 1 3 2 1 梯度折射率聚合物光纤传输原理 1 3 2 1 1 光线在梯度聚合物光纤中的传输轨迹方程 1 3 2 1 2 梯度聚合物光纤的最佳折射率指数分布 1 4 2 2 梯度折射率分布聚合物光纤的传输特性 1 5 2 2 1 损耗 1 5 2 2 2 色散 16 参考文献 18 第三章梯度折射率聚合物光纤预制棒制备工艺原理 1 9 东华大学硕上论文 p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究 3 1 引言 19 3 2 本体聚合的特点 1 9 3 3 本体聚合的反应机理 1 9 3 3 1 自由基聚合 2 0 3 3 2 链引发反应 2 l 3 3 3 链转移反应 2 2 3 4 界面凝胶聚合法 2 3 参考文献 一2 4 第四章p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒制备原料 2 5 4 1 引言 2 5 4 2 聚合物光纤对材料的要求 2 5 4 3 聚合物光纤原料的选择 2 7 4 3 1 原料的选择 2 7 4 3 2 引发剂的选择 2 8 4 3 3 链转移剂的选择 3 0 4 3 4 掺杂剂的选择 31 4 4 实验部分 3 2 4 4 1 实验原料 3 2 4 4 2m m a 单体的精制 3 2 4 4 3 引发剂的精制 3 6 4 4 3 1 过氧化二苯甲酰 b p o 的精制 3 6 4 4 3 2 偶氮二异丁腈 a i b n 3 6 参考文献 3 7 第五章p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的制备 3 8 5 1 引言 3 8 5 2 气泡产生的原因 3 8 5 2 1 原料中含有低沸点杂质 3 9 5 2 2 本体聚合本身的 自动加速效应 3 9 5 2 3 反应体积收缩 3 9 h 东华大学硕士论文 p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究 5 3 渐变型聚合物光纤 g i p o f 预制棒制备工艺路线的提出 3 9 5 3 1 静态加压与界面凝胶聚合相结合 4 0 5 3 2 旋转离心与界面凝胶聚合相结合 4 0 5 4 实验部分 4 0 5 4 1 原料 4 0 5 4 2 原料精制 4 1 5 4 3p o f 空心管的制备 4 l 5 4 4 静态加压p m m ag i p o f 预制棒制备 4 2 5 4 5 旋转离心空心p m m ag i p o f 预制棒的制备 4 3 5 4 6 测 式 4 4 5 4 6 1p m m a 管分子量的测试 4 4 5 4 6 2 预制棒折射率分布的测试 4 4 5 5 结果与讨论 4 4 5 5 1 离心旋转精确控温聚合设备 4 4 5 5 1 1 水平度 4 4 5 5 1 2 加热稳定性 4 5 5 5 1 3 转速 4 5 5 5 1 3 1p m m a 空心管壁的确定 4 5 5 5 1 3 2 最小转速的确定 4 6 5 5 2 工艺路线一 4 9 5 5 3 工艺路线二 5 3 5 5 3 1 转速对空心预制棒折射率分布的影响 5 4 5 5 3 2 空心p m m ag i p o f 预制棒拉丝 5 5 5 5 4 温度 5 6 5 5 5 反应时间 5 9 5 5 6 引发剂和链转移剂 6 0 5 5 7 掺杂剂 6 4 参考文献 6 6 第六章光纤预制棒基本参数的测试 6 7 i i i 东华大学硕士论文 p m m a 梯度折射率聚合物光纤预制棒的研究 6 1 引言 6 7 6 2 分子量的测试 6 7 6 2 1 凝胶渗透色谱法测试原理 6 7 6 2 2 测试 6 8 6 3 光纤预制棒折射率分布的测试 6 8 6 3 1 远场扫描法测试原理 6 8 6 3 2 测试结果 6 9 6 4 光纤带宽的测试 7 0 6 5 光纤衰减的测试 7 0 参考文献 7 0 第七章总结与展望 7 1 7 1 总结 7 1 7 2 展望 7 2 硕士在学期间发表的学术论文目录 7 4 致谢 7 5 i v 东华大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 聚合物光纤概述 聚合物光纤 p o l y m e ro p t i c a lf i b e r 简称p o f 就是采用聚合物材料或有机 材料制备而成的细丝状可传导光功率的传输线 l 1 9 6 4 年 美国杜邦公司首次研 制成功了聚甲基丙烯酸甲酯 p o l y m e t h ym e t h a c r y l a t e 简称p m m a 聚合物光 纤 2 1 但由于其损耗大 大于3 0 0 0 d b k m 未受重视 随着信息的爆炸性增长和信息社会的到来 数据通讯的急剧增长和网络的高 速发展给传输介质的数据通信能力提出了更高的要求 石英光纤因其具有优良的 透明度 较宽的带宽和较低的衰减等特点 成为长距离 高速率 大容量传输网 的理想介质 但在连接密集的接入和局域网中 因其复杂昂贵的连接工艺 大的 连接损耗 较差的柔韧性 很不适合用于多接点的入户刚引 目前用于短距离传 输介质还是以铜系电缆为主 它是采用电脉冲传输数据信号 其信号衰减随信息 传输速率的增大而增大 从而限制了铜系电缆传输速率的提高 并且铜系电缆易 产生辐射 这些缺点使得其很不适合用于连接密集的接入和局域网中 4 1 聚合物光纤因其制造简单 价格便宜 质量轻 韧性和可绕性好 数值孔径 大 中继距离长 抗干扰 保密性好等优点非常适用于局域网中的短距离连接 所以塑料光纤已成为目前研究的一个热点 5 1 它是目前用于短距离传输最有前景 的传输介质 但是塑料光纤用于网络还需进一步提高其性能 目前在技术方面仍 需解决的两个主要难题是 一是设计新的透光材料和包层材料 光纤的纤芯要求 透明度和折射率越高越好 而包层则要求折射率小于芯材 两者相差越大越好 二是工艺条件 研究如何控制纤芯聚合物分子量 均匀性和提高透明性的新的光 纤技术 进一步提高光的传输效率 降低光纤损耗 在推广塑料光纤网络中 还 要考虑的主要问题是成本 研制价格低廉 性能可靠的塑料光纤器件 包括光发 射机和接收机 连接器件 光开关 耦合器等 目前仍面临巨大的挑战 1 2 聚合物光纤的研究和发展状况 1 8 4 1 年 d a n i e lc o l l a d o n 通过实验观察到光线能够沿着盛水的弯曲通道而 东华大学硕士论文 第一章绪论 传播 6 1 9 2 7 年 英国的j d b a i r d 首先提出了应用光的全反射原理而制成石英 纤维 1 9 3 0 年 德国的l a m m 将直径为4 0 u m 的石英纤维有规则的排列起来用 于肠道检查 但效果不理想 1 9 5 1 年 荷兰的a c sv a nh e e l 和英国的 h h h o p k i n s 及n s k a p a n y 分别进行了光纤的研究工作 1 9 5 3 年 v a nh e e l 将 一种折射率为1 4 7 的塑料涂敷在玻璃纤维上 制成了玻璃芯 塑料涂层的光纤 满足了全内反射条件 但因塑料涂层不均匀使得传光效果不理想 1 9 5 5 年 美 国的b j h i r s c h o w i t z 把高折射率的玻璃棒套在低折射率的玻璃管中 放在高温炉 中拉制 初步解决了光纤的光绝缘问题 1 9 5 8 年 k a p a n y 提出了拉制复合光纤 的新工艺 并在纤维丝上增加吸收套层以减少杂散光影响 使得光纤面板得到了 实用 随着光纤理论的发展 工艺的改进 光纤在国民经济各个领域获得了广泛 的应用 纤维光学 逐步发展成为一个新的重要科学 7 1 1 9 6 4 年 美国杜邦公司首次研制成功了p m m a 聚合物光纤 但由于其损耗 大 大于3 0 0 0 d b k m 未受重视 1 9 7 7 年 杜邦公司报道的氘化p m m a 芯塑料 光纤的损耗为1 8 0 d b k m 5 7 0 n m 的p m m a 芯塑料光纤 从此 塑料光纤已能用 于短距离的光传输 1 9 7 8 年 日本电信电报公司茨城电气通信研究所开始研究 低损耗塑料光纤 当年就把p m m a 芯光纤的损耗降低到8 9 d b k m 经过三十多 年来的发展 塑料光纤获得了极大的进展 尤其是日本k e i o 大学在塑料光纤研 究应用方面作出了最重要的贡献 1 9 9 2 年 y o s h i r ok o i k e 宣布用界面凝胶法生 产出新型的梯度折射率光纤 明显降低了塑料光纤的损耗 有效的提高了塑料光 纤的带宽 为塑料光纤用于宽带通信网开拓了广阔的应用前景 8 美国在塑料光 纤的发展历程中也起到了推动性作用 美国政府资助开发了对美国的军事和工业 都有重要战略意义的芯子技术 作为项目的一部分 成立了 高速塑料网络 组织 以开发g i p o f 技术 h s p n 包括b o e i n g h o n e y w e l l p a c k a r dh u g h e s b o s t o n o p t i c a lf i b e r 等公司 9 在短短的三年时间内 他们将p o f 技术推向宇航 汽车 以及数据通信市场 而在国内 未见g i 型p o f 研制成功的报道 0 1 仅见制备g i 型预制棒的报 道 随着全球通信网络日趋扩张 自主研制开发g i p o f 或引进消化吸收g i p o f 制备技术是我国通信发展的当务之急 也是我国聚合物光纤发展的必然要求 2 东华大学硕士论文第一章绪论 1 3 聚合物光纤的种类和材料 1 3 1 聚合物光纤的种类 1 按照折射率分布来分 聚合物光纤按其折射率分布可分为阶跃 s t e pi n d e x 简称s i 型和梯度 g r a d e di n d e x 简称g i 型两种 l l 图1 1 聚合物光纤剖面图 o 图1 2 阶跃型聚合 物光纤剖面分布图 图1 3 渐变型聚合 物光纤剖面分布图 n n 二 m t n l 1 2 a r 7 v 2 心 n c r 2 n 2 口 口 6 1 2 东华大学硕上论文第一章绪论 所谓模式 实质上是电磁场的一种场型结构分布形式 模式不同 其场型结 构不同 根据光纤中传输模式数量 可分为单模光纤和多模光纤 1 2 1 光纤中只传输一种模式时 叫做单模光纤 单模光纤的纤芯直径较小 约为 4 1 0 1 t m 通常纤芯的折射率分布认为是均匀分布的 其折射率分布为阶跃型的 由于单模光纤只传输基模 从而完全避免了模式色散 使传输带宽大大加宽 因 此 它适用于大容量 长距离的光纤通信 单模光纤中的光波传输轨迹如图1 4 a 所示 在一定的工作波长下 能传输多种模式的介质波导 叫做多模光纤 多模光 纤可以采用阶跃型折射率分布 也可以采用渐变型即梯度折射率分布 它们的光 波传输轨迹如图1 4 b c 所示 一 n 4 1 一 n i 支 公 l 4 1 0 p m 名 c 气r a 阶跃型单模光纤 包层 纤芯 包层 层 芯 层 包层 纤芯 包层 一 一 一 一 一一 一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一 一一一 一一一一 一 图1 4 光纤中光波传输轨迹 表1 1 列出了两种光纤的典型参数 3 1 3 4 一 n ri 一 i 东华大学硕士论文 第一章绪论 表1 1 光纤的典型参数 参数阶跃型单模光纤 阶跃型多模光纤渐变型多模光纤 0 0 0 3 0 0 0 20 0 1 5 芯径2 a o n 7 1 01 0 0 5 0 6 2 5 包层直径2 b k t m 1 2 51 4 0 1 2 5 可用光源l dl e dl e d l d 工作波长1 3 1 0 1 5 5 08 5 0 1 3 1 0 1 5 5 0 8 5 0 1 3 1 0 1 5 5 0 应用场合长距离 高速率短距离 低速率 中距离 高速率 1 3 2 聚合物光纤用材料 由于光或光信号的传输主要在纤芯中 所以芯材特性决定了p o f 的固有传 输损耗 因此为使p o f 有较低的固有损耗 必须对p o f 芯材料有严格的要求 p o f 芯材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 故一般p o f 芯材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1 3 1 4 为降低光或光信号在皮材中的吸收 亦要求低损耗p o f 皮材为高透明无定 形聚合物 其要求同芯材 一般而言 对皮材的要求略低于芯材 1 4 1 6 目前被用作p o f 芯皮料的高分子材料有以下几种 如表1 2 所示 表1 2p o f 用材料 芯 材皮材 名称 折射率n 1 名称 折射率n 2 聚甲基丙烯酸甲酯 聚苯乙烯 p s 1 5 91 4 9 p l 仆 i a 聚甲基丙烯酸甲酯四氟乙烯和偏氟乙烯的共 1 4 9 1 4 0 p m m a 聚物 f 2 4 氘化聚甲基丙烯酸甲酯全氟烷基侧链甲基丙烯酸 1 4 81 3 9 p m m a d 8 甲酯 f p 仆4 a 东华大学硕士论文第一章绪论 1 4 聚合物光纤的基本特性 1 4 1 聚合物光纤的损耗 聚合物光纤的最大的缺点是损耗大 根据损耗机理不同可分为固有损耗和非 固有损耗 固有损耗与制造p o f 的材料有关 一旦材料选定 光损耗值也就固 定了 非固有损耗与制造工艺有关 我们可以通过预先对原料进行精制 去除原 料中的过渡金属离子 有机杂质和尘埃等方式降低其非固有损耗 经实验室分析 测定 表1 2 中所列的3 种芯料的光损耗的界限值如表1 3 所示 3 1 7 1 8 表1 3p o f 的光损耗界限值 d b k m 材料及光的透过窗口 p m m ap m n t a d 8p s 波长 n m 5 2 05 7 06 5 06 8 07 8 08 5 05 8 06 2 56 7 0 损 固有吸收 l78 8093 61 52 62 6 耗 瑞利散射 2 82 01 21 0647 85 84 3 因 构造不完整性损耗 2 81 04 5 素 损耗界值 2 92 71 0 01 01 54 09 3 8 46 9 实验室制品损耗 5 75 51 2 82 02 55 01 3 81 2 9 1 1 4 从表1 3 中可以看出 用p m m a d 8 材料 可以使得可见光区的损耗大幅度 下降 但价格昂贵 以此材料为芯的p o f 目前还没有商品化 商品化的p o f 只 有以p m m a 为芯和以p s 为芯2 类 以聚苯乙烯 p s 为芯的p o f 光散射耗 损很大 且p s 的抗老化性能较差 在聚合过程中 要加入抗老化剂 光吸收损 耗变大 这样在很大程度上影响了光纤的透光率 对p m m a 的聚合来讲 基本 上不存在p s 聚合时的问题 因此以p m m a 为芯的p o f 的工业化产品的光损耗 已基本上接近了实验制品的数值 光损耗低于2 0 0 d b k m 的p o f 使用范围可以 达到5 0 1 0 0 m 可以用于短距离的传输 1 4 2 聚合物光纤的带宽 光纤波导最重要的特点是其带宽 带宽确定了其信息传输能力 阶跃型聚合 物光纤在带宽上的主要限制因素是模间色散 光纤中模式不同 传播速度不同 其色散随长度呈线性增加 但是理论和实验表明 在聚合物光纤中模与模之间并 6 东华大学硕士论文 第一章绪论 不相互独立 而是密切相关的 从而使其带宽出乎意料的提高 最近对塑料光纤 的实验研究表明 由于随机折射率微扰和模耦合使带宽明显展宽 当输入信号脉 冲的能量包沿波导传播时 其在不同的时间与不同的模耦合 会使模间色散降低 光纤传播方向上的随机微扰就会发生上述情况 微扰引起不同模间的耦合并且造 成能量包随机向前一个和后一个模转移 就像汽车换车道一样 存在模式耦合的 情况下 模不再独立 而承载于模中的能量包也以一种平均的群速度基本上同时 到达波导的输出端 结果输出脉冲展宽减小而导致带宽增加 由于有了模耦合 脉冲展宽与光纤长度的平方根成正比 不再满足线性关系 在阶跃塑料光纤中 模式耦合带来的带宽增加远比梯度折射率光纤要多 1 9 1 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 ooo 端面处理 oooo 电磁噪声oooo o 光纤成本o ooo 系统价格 ooo 可靠性o0oooo o 非常好 良好 较差 非常差 对于g i 型p o f 其折射率从光纤轴中心至边缘呈抛物线形折射率分布 即 从光纤中心至光纤边缘 其折射率值是逐渐下降的 而光的传输速率同其媒质折 射率成反比 这样所传输的无论是低次模光还是高次模光皆以相近的传输速率在 光纤中传输 从而保证了数据信号波形在传输一段距离后展开极小 从而保证 g i p o f 有较大的传输带宽或高的传输速率 表1 4 中列出了几种光纤的特性 从表中可以看出g i 型聚合物光纤具有优良的特性 此外 对于g i p o f 由于其直径比较大相对于玻璃g i 型光纤连接损耗比较 7 东华大学硕士论文 第一章绪论 小 表1 5 列出了玻璃g i 型光纤和聚合物g i 型光纤离轴连接的理论损耗值 从 该表中可以看出聚合物g i 型光纤连接损耗明显小于玻璃g i 型光纤 2 0 表1 5 玻璃g i 型光纤和聚合物g i 型光纤离轴连接的理论损耗值 离轴量玻璃g i 型光纤聚合物g i 型光纤 t a n 纤芯直径5 0 a n纤芯直径5 0 0 t o n 2 50 1 9 d bo 0 1 8 d b 5 00 3 9 d b0 0 3 7 d b 7 50 5 9 d b0 0 5 6 d b 5 0 00 3 9 d b 7 5 o0 5 9 d b 1 5 聚合物光纤的制备方法 目前用于制备g i p o f 的方法 2 1 3 1 有 界面凝胶法 光聚合法及同芯多层挤出 法 1 5 1 界面凝胶法 这种方法利用高分子自由基聚合时的凝胶加速效应 形成渐变折射率的聚合 物光纤的预制棒 然后拉丝制得g i 型聚合物光纤 具体的过程以p m m ag i p o f 预制棒制备为例 先将单体m m a 与适量的引发剂 链转移剂 掺杂剂 折射率 高于m m a 均匀混合 然后注入一根预先制备的p m m a 管 在一定的温度下 聚合 首先 单体混合物使p m m a 管内壁溶胀 在管内壁形成凝胶相 这时由 于凝胶效应使得凝胶相中的聚合反应速度远远高于液相中的反应速度 聚合反应 主要从管内壁凝胶相开始 由于开始时m m a 浓度大于掺杂剂浓度 以及掺杂剂 分子扩散常数稍小于m m a 所以开始时m m a 比掺杂剂分子更容易扩散进入凝 胶相 随着反应进行 凝胶相增厚 在管中心区域掺杂剂浓度逐渐增加 故后形 成的凝胶相中掺杂剂浓度大于先形成的凝胶相 当聚合反应到达p m m a 中心轴 处 便可形成g i 塑料光纤预制棒 将预制棒放入拉丝炉内拉制成g i p o f 8 东华大学硕上论文第一章绪论 1 5 2 光聚合法 光聚合法是利用紫外光作为聚合反应引发和控制的能源 通过控制光强和照 射时间合成预制棒的方法 具体过程为 将特定的光敏引发剂和链转移剂与两种 或三种单体的混合物至于一根玻璃管内 各单体的折射率和聚合反应活性均不相 同 将玻璃管置于旋转车床上 使玻璃管绕其轴心旋转 然后用紫外光沿径向 照射玻璃管 由于紫外光的作用先在管壁上形成聚合物 随着照射时间的延长 聚合物由管壁至管芯逐渐的增厚直至最终管内的单体完全聚合 而形成一根折射 率在径向上呈渐变折射率分布的聚合物光纤预制棒 将其放入拉丝炉内拉制成渐 变聚合物光纤 1 5 3 同芯多层挤出法 这种方法是采用挤出和扩散原理 具体过程为 将折射率不同的聚酯类 聚 烯烃 丙烯酸聚合物和其它热塑性聚合物分别投入多台挤塑机 通过一同心复合 模具 共挤出一根同心多层塑料光纤 其折射率分布由芯向外各层依次先呈直方 突变型 再利用加热扩散作用使各层界面分子扩散到邻近层去 使其折射率分布 进一步圆滑为所需的渐变分布形式 为确保同芯多层聚合物光纤各层折射率具有必要的特性 对挤出机的挤出速 率应予以精确的控制 保证送至挤出机机头的各种物料均匀 熔化温度适宜 挤 出机头模具及挤出机工艺参数都直接影响光纤各层的直径和折射率分布 1 6 本论文研究的意义 目标和内容 1 6 1 研究意义 梯度分布折射率聚合物光纤 g i p o f 技术在国外已发展到一定程度 不 论是美国 日本还是欧盟 对这项新技术都非常重视 从基础技术研究 生产工 艺研究和技术标准的制定上都取得了很大的进展 迄今为止 国外研制开发的 g i 型p o f 其传输损耗已低至1 0 0 d b k m 带宽已达3 g h z k m 已满足近距离 通信的要求 目前主要采用界面凝胶法制备梯度折射率预制棒 再经热拉伸涂覆包层制得 g ip o f 界面凝胶法的发明人k o i k e 的论文总是阐述聚合原理和g ip o f 的性能 9 东华大学硕士论文 第一章绪论 从未详述过聚合工艺细节和技术关键 国际会议及论文也多如此 g ip o f 的制 造技术及知识产权一直被日本和美国所垄断 因g ip o f 的战略价值 产品不向 中国出售 样品也被封锁 近年来 国际上研制氟化g ip o f 稀土掺杂功能 g ip o f 高温热稳定g ip o f p o f 元器件 聚合物光纤光栅 并根据聚合物光 纤的光学性能和传输特性的理论研究通过优选掺杂剂 优化折射率分布等途径增 大带宽 减低损耗 进一步提高各种g ip o f 的性能 其研究深度和广度呈现不 断加速的趋势 由于国际上技术保密 g ip o f 的制造技术关键被日美垄断 国内缺乏对聚 合和成纤加工设备和工艺技术研究 市场上也没有光学性能良好的g ip o f 成品 问世 对g ip o f 的光学性能和传输特性的理论的研究几为空白 所以进行本课 题的研究有其可行性和重要的现实性 1 6 2 研究目标 本文是上海市重大光科技行动计划项目 梯度折射率聚合物光纤的研究 的一部分 探索静态加压聚合法和旋转层聚法制备p m m a 梯度折射率预制棒的 新工艺 掌握预制棒制造中对其光学性能产生决定影响的材料和工艺因素 以及 工艺设备设计的技术关键 希望获得拥有自主知识产权的技术 通过在梯度折射率预制棒聚合和热拉伸成纤 结合预制棒光学性能表征和 g ip o f 传输特性测试这两方面理论技术的多学科联合研究 获得传输性能优良 的g ip o f 打破国际技术垄断 取得具有国际水平的理论成果和自主知识产权 的新技术 1 6 3 研究内容 选择合适的引发剂 链转移剂 掺杂剂 根据界面凝胶聚合原理 采用两步 法m m a 本体聚合制备折射率呈梯度分布的光纤预制棒 寻找最佳的预制棒聚合 工艺路线和工艺配方 用预制棒热拉伸制得传输性能优良的g i p o f 1 0 东华大学硕上论文第一章绪论 参考文献 1 王辉主编 光纤通信 2 0 0 4 电子工业出版社 北京 2 7 2 宋军 明海 聚合物光纤技术的最新进展 1 9 9 9 6 1 2 3 1 5 3 江源 邹宁宇编著 聚合物光纤 2 0 0 2 化学工业出版社 北京 6 9 7 1 4 葛文萍等 塑料光纤及其应用 光学纤维 2 0 0 2 3 31 3 5 5 曹维敏 用于多媒体通信的塑料光纤 光通信技术 1 9 9 8 2 2 1 1 3 1 6 6 t a k a a k ii s h i g u l e e i s u k en i h e ia n dy a s u h i r ok o i k e g r a d e d i n d e xp o l y m e r o p t i c a lf i b e rf o rh i g h s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n a p p l i e do p t i c s 19 9 4 3 3 9 4 2 6 1 4 2 6 6 7 王利亚 国外塑料光纤研究概况 石化技术与应用 1 9 9 8 1 7 1 4 5 4 8 8 张耀明 非通信光纤的研究和发展 玻璃纤维 2 0 0 3 5 1 9 9 李九生等 通信用塑料光纤 广东通信技术 2 0 0 3 2 2 3 2 1 0 1 2 1 0 杨春等 用于短距离通信的塑料光纤技术 高技术通信 2 0 0 0 2 1 0 7 1 1 0 1 1 高炜烈等编 光纤通信原理 1 9 9 4 人民邮电出版社 河北 4 6 4 9 1 2 王辉主编 光纤通信 2 0 0 4 电子工业出版社 北京 2 7 1 3 江源等 近距离通信用聚合物光纤 玻璃光纤 2 0 0 0 l 3 5 3 9 1 4 皇甫浩 罗德春 低损耗塑料光纤的制造工艺 西安公路交通大学学报 1 9 9 9 7 1 0 0 1 0 4 1 5 江源 马永红 低损耗聚合物光纤 玻璃纤维 1 9 9 9 3 1 4 1 9 1 6 胡先志 谢德平 短矩离数据通信用塑料光纤的新动向 光纤与电缆及其应用技 术 1 9 9 8 6 4 1 4 3 17 e i s u k en i h e l t a k a a k ii s h i g u r ea n dy a s u h r ok o i k e h i g hb a n d w i d t hg 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 rf o rn e a r i n f r a r e du s e a p p l i e do p t i c s 19 9 6 3 5 3 6 7 0 8 5 7 0 9 1 8 徐炽焕 聚合物光纤的开发 化工新型材料 1 9 9 6 9 2 2 2 5 1 9 高德清 车会生 聚合物光纤的发展状况 光电子技术与信息 1 9 9 7 6 1 6 2 0 2 0 丁东等 聚合物光纤技术的发展及应用 2 0 0 0 1 2 2 3 4 2 8 7 2 9 0 2 1 储九龙等 折射率梯度型塑料光纤棒的制备与模拟 高等学校化学报 2 0 0 2 3 5 0 0 5 0 3 2 2 y a s u h i r ok o i k ee t a 1 h i g h b a n d w i d t hg r a d e d i n d e xp o l y m e ro p f i c a l f i b e r 东华大学硕士论文第一章绪论 j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y 1 9 9 5 1 3 7 1 4 7 5 1 4 8 9 2 3 胡先志 钱峰等 数据通信用低衰减宽带宽渐变型塑料光纤 光通信技术 1 9 9 6 4 3 0 3 3 0 6 2 4 y a s u j io h t s u k ae t a l c o n t r o lo fr e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o no fp l a s t i cr a d i a l g r a d i e n ti n d e x r o d b yp h o t o c o p o l y m e r i z a t i o n a p p l i e do p t i c s 19 8 5 2 4 2 4 4 31 6 4 3 2 0 2 5 sy a m a z a k ie t a l