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用于高速数据通信的渐变折射率的聚合物光纤Takaaki Ishigure, Eisuke Nihei, and Yasuhiro Koike我们通过使用界面凝胶聚合技术成功地获得了具有高带宽（1GHz km）和低损失（90 dB/ km，波长在0.572Plm）的渐变折射率的聚合物光纤，其中我们使用了惰性成分来获得二次折射率分布。这种具有高带宽的渐变折射率的聚合物光纤使在短距离网络中传输高速光学信号成为可能，而当我们使用阶跃折射率型商用聚合物光纤时，这是不可能的。关键词：梯度折射率 聚合物光纤，界面凝胶聚合技术，高带宽，损耗低对于长距离光通信而言，由于其单高透明度和高带宽，单模玻璃光纤已被广泛使用。与此相反，对于短距离通讯，最近人们对聚合物光纤（POFs）的开发发生了相当大的兴趣。在短距离通讯（如局域网系统，互连，光纤到户终端领域和国内无源光网络concepts3）许多结口和两根光纤的连接将是必要的。单模光纤的纤芯直径约为5-10pLms，当一个连接了两个纤维，几微米的微量位移便会造成重大耦合损耗。该塑料光纤是这个问题很有希望的解决方案之一，因为商用塑料光纤通常直径很大，如1毫米。因此，塑胶光纤需要低传输损耗和高带宽才能被用作短距离通信媒体。然而，所有商用塑胶光纤都属于阶跃折射率（SI）的类型。因此，即使在短距离光通信中，阶跃折射率塑胶光纤将无法涵盖数百兆赫的带宽，在不久的将来，这在快速数据链或局域网系统中是必要的带宽，因为阶跃折射率塑胶光纤的带宽只有约5 MHz km。与此相反，渐变折射率聚合物光纤预计将有比阶跃折射率塑胶光纤具有更高的带宽，同时保持较大的直径。我们提出了一些GI POF的共聚制备技术。在此，我们通使用了不同的技术得到具有低损耗，高带宽和良好灵活性的GI POF。在此我们描述了GI的形成和该GI POF的光学特性。制备的渐变折射率材料直径10毫米的预制件，其折射率从中心轴逐渐减小到外围，是由界面凝胶聚合技术制备而成。在前面的界面凝胶聚合技术中，具有不同的折射率和反应性的67两种单体Ml和M2，是共聚而成的。例如，甲基丙烯酸甲酯（MMA）和醋酸乙烯酯（VB）中分别被选为Ml和M2单体。在界面凝胶聚合技术中，我们选用具有低折射率的Ml单体以及一个具有高折射率（而不是M2单体）的惰性成分来构成GI预制件。在这里，我们分别选用MMA和溴苯（BB）作为Ml单体和惰性成分，其属性如表1所示。表1 所使用的单体，均聚物，和惰性成分的属性单体 MMA（和光化学公司）纯化如下：我们用0.5N的氢氧化钠水溶液漂洗从单体中去除抑制剂，然后我们多次用蒸馏水冲出余下的氢氧化钠。单体经钙氢化物烘干后，通过孔径大小为0.2的膜过滤器过滤，然后再减压蒸馏。BB（和光化学有限公司）的使用无需进一步净化。1,1-双（叔丁基过）3,5,5-三甲基（来自日本油脂公司）被用来作为一个引发剂，N butylmercaptan（和光化学有限公司）被用来作为链转移剂，二者都无需进一步净化。渐变折射率的形成正如我们上文所述，我们使用BB而不是M2单体作为具有高折射率的惰性充分。我们把特点数目的1,1-双（叔丁基过）3,5,5-三甲基和N - butylmercaptan的MA和BB单体混合物安置在我们的实验室制备的一聚（甲基丙烯酸甲酯）（有机玻璃）管，该管的内，外直径分别为10和6毫米。填满单体混合物的PMMA管被放置在90-95 C的炉中达24小时。首先，PMMA管内壁略向单体混合物膨胀，然后凝胶相在管内壁形成。该状态如图1（A）所示。在此，因为凝胶效应使凝胶里面的聚合反应速度比单体液相更快，聚合从管的内壁产生。图1 界面凝胶聚合技术示意图随着聚合物相增厚，由于从管中进入单体液相的聚甲基丙烯酸甲酯均聚物的溶解和进入凝胶相的MMA分子与BB分子逐渐扩散，在液相中的单体分子的浓度逐渐在M2管中心区域增加。在此，由于BB的分子体积比MMA稍大， MMA分子可以比BB分子更容易扩散到凝胶相。因此，MMA单体中心区域的的BB浓度增加。这如图1（B）所示。接着，如图1（C）所示，聚合物相达成PMMA管的中心轴并得到GI 预制棒。我们在110C0.2 Torr时对GI瓶坯热处理24小时，实现完全聚合。我们通过在160-190C下对预制棒热处理得到GI光纤。我们通过控制该纤维所采取的速度获得了所需直径的GI POF。该实验中GI POF的直径被控制在0.5毫米。结果与讨论渐变折射率预制棒的特征折射率分布我们通过利用纵向干涉技术测得预制棒的折射率分布，如图2的曲线（A），（B）和（C）所示，其中no和nc分别是中心轴和距离中心轴距离为r处的折射率， Rp为预制棒的半径。所有的预制棒都有与PMMA管相对应的包层，并在核心区域含有近乎二次折射率分布。如果MMA/ BB（ MMA/ BB，wt/wt）比率提高，no与nc之间折射率的差别（包层折射率）将减小，因为核心区的BB浓度也将随之变高。图2 GI预制件的折射率分布光散射损耗众所周知，光通过光纤传输衰减吸收和散射造成的。为了测量光散射损耗和探究预制棒内的异质性，我们利用散射角为的氦氖激光（波长为0.633）测量极化（VV）的和去极化（Hv）的光散射强度。虽然Hv强度与散射角无关，约为0.00001-0.000001cm，但随着散射角向0.00001-0.000001cm的散射范围内减小VV强度强烈增加。随机化聚合物原液中，各向同性部分Vvisoo，f Vv由下面给出因此，观察到的Vv散射分为三个方面，Vv1iso，Vv2iso，以及（4 / 3）Hv，具体如下：其中Vv1iso表示与散射角无关的各向同性背景散射，Vv2iso也是各向同性散射，它依赖与大面积异质性所造成的散射角。最后，总散射损耗（每公里分贝）有下面的公式得到这里at可分为三个方面，a1iso，a2iso和aaniso。也就是说为了采用Vviso的角依赖性探究异质结构，我们使用了德拜的波动理论，其中相关函数y（r）由exp（- r/a）逼近。在这里，所有介电常数变动的均方平均值的异质结构由（q2）描述。这些从Vv2iso详细的估算方法在别处描述。表2显示了GI预制棒与那些前面提到的MMA- VB GI预制棒相比较的散射数据的结果。据证实，Vv2iso是由（f2）=10-8，尺寸为500-1200A异质性所造成的。表2 MMA- BB和MMA- VB的GI POF在0.633Rm范围类的散射参数值得注意的是，在GI预制棒MMA/ BB为5.0（wt/wt）时，总散射损耗仅约30 dB/km，可与PMMA均聚合物相比。就MMA- VB系统预制件而言，角依存（liso）各向同性散射损耗与MMA- BB系统预制件情况几乎相同，而角独立各向同性度散射损耗是其两倍。由于这些异质性源自内部共聚物玻璃，我们也应该探讨共聚物组成分布的影响。在MMA- VB的预制件中，我们能够从单体的竞聚率计算出共聚物的组成分布，其详情在他处描述。计算结果如图 3所示，其中MMA-BB与MMA- VB比例为4 / 1（wt/wt）。图3表明，聚（MMA co- VB）的成分分布（co代表共聚物）主要分为两个部分：一个是在聚合反应初期形成的共聚物，其组成与PMMA非常相似，另一个是在聚合最后阶段形成的共聚物，其几乎是一个VB均聚合物。从这个结果我们看出，共聚物实际上与MMA和VB均聚物的混合聚合物类似。假设这些预制棒异质性是由两相组成，与PMMA对应的体积分数为+和与（聚乙烯基苯甲酸）对应的体积分数为b2，其折射率分别为n1和和n2，我们看到，（2）由下式给出图3 当MMA/ VB=4 / 1（wt/wt）时100聚合后共聚物的组成分布其中S是两个阶段之间的边界总面积，V为总体积，n为平均折射率。与此相反，在 MMA- BB系统预制体的情况下， PMMA和BB分子没有相分离，而是完全混溶。表2显示了MMA- BB系统GI预制体光散射测量的实验结果。应该指出的是，各向同性的MMA- BB预制体散射损耗变得比MMA- VB预制体的散射损耗更低。因此，人们认为BB分子不是聚合在一起而是随机分布的，而且在MMA- BB预制体中，并没有足够大的异质结构可以造成高散射的损失。渐变折射率聚合物光纤的光学性质折射率分布我们使用横向干涉技术来测量G IPOF的折射率分布。与曲线PS预制棒的折射率分布相比，其中no和nc分别是中心轴和离中心轴距离为r的折射率，图4曲线F5所示的是MMA/ BB= 5（wt/wt）时纤维的折射率分布。纤维的折射率分布几乎是归一化半径（r/ RP）的平方，和预制棒的几乎相同。从折射率差估计数值孔径大约为0.21。图4 MMA- BB的预制体和GI POF的折射率分布光传输衰减我们使用频谱分析仪（爱德模型TQ8345）测量通过GI光纤传输的光传输总衰减频谱。 MMA/ BB= 5（wt/wt）纤维的结果如图5所示。波长为0.572m,MMA/ BB= 5纤维时最低的总衰减为90分贝/公里。应当指出， MMA- BB系统光纤的衰减几乎与商用的SI POF（100-300分贝/公里）相同或更小。与前面有关MMA- VB衰减（在波长为0.652m时为134分贝/公里）和MMA-乙烯基苯（在波长为0.651m时为143分贝/公里）共聚物GIPOF的结果相比，衰减的急剧下降是归因于上述散射损耗的减小。值得注意的是， MMA- BB GI POF的光学窗口靠近0.57m波长，而共聚物系统GI POF例如MMA-co-VB或MMA- co-VPA的光学窗口位于0.65m波长附近。带宽我们通过确定光纤的脉冲响应函数测定了GI和SI POF的带宽。该检测系统的实验装置如图6所示。一个从激光二极管InGaAlP（波长为0.67）的10兆赫脉冲被注入（N.A.，0.5）到55米长的光纤中。我们用采样头（滨松光电模型 OOS- 01）检测到输出脉冲。 MMA- BB GI POF与SI POF的比较结果如图7所示。这里非常值得注意的是，虽然通过SI POF的输出脉冲传播得相当广泛，但即使在55米的信号传输之后通过GIPOF的脉冲几乎与输入脉冲相同。SI POF的带宽在脉冲响应函数为3分贝时估计为5 MHz km，然而图7中MMA- BB GI POF带宽是1.0GHz km，这要比SI POF大200倍。图5 GI POF总衰减频谱参数g为幂定律的指数形式，由于对于GI POFA=0.01-0.02，当G约为2时能达到最大带宽。图6 脉冲响应函数测量的实验装置；LD，激光二极管众所周知，人们可以通过优化纤维芯折射率分布的形状来最大限度地减少带宽。当指数分布用幂定律的形式表达带宽最大达在此公式中A是一个测量相对折射率差的参数，no和nc分别是在核心中心和在光纤包层的指数值，Rp是纤芯半径。图7 同时通过GI和SI POF的输出脉冲 图 8 MMA- BB GI POF的折射率分布（实线），带宽为1 GHz，指数轮廓（虚线）由Eq（7）近似表示这一高带宽GI POF的折射率分布如图8的实线所示。使用最小二乘技术用Eq （7）近似表示的指数轮廓如图8的虚线所示。图9总结了的各种GI POF带宽，以及SI POE的带宽。对于MMA- BB纤维而言，最大带宽在g= 2附近，为1 GHzkm，这是SI POF带宽的200倍。即使是50米的短距离通信，与传统的SI POF带宽相比，GI POF的高带宽由实验进行了确认。在100 mm/ min的速率下，我们通过拉长100毫米的POF测量了 GI POF的