梯度折射率塑料光纖的性能和應用

2019-11-04 22:47:51

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供稿：網友

　　摘要首先介紹了數據通信用梯度折射率塑料光纖的制造方法及性能；其次闡述了在高帶寬梯度折射率塑料光纖上進行的數據傳輸應用。
　　
　　要害詞數據通信帶寬梯度折射率塑料光纖
　　
　　前言多年來，單模石英玻璃光纖和梯度多模石英玻璃光纖一直是光網絡的唯一傳輸媒質。石英玻璃光纖的優點在于它們具有極大的帶寬、非常小的衰減和長期的可靠性。但是石英玻璃光纖也具有價格高、安裝時需要專門的接續技術等缺點，從而限制了它們在短距離數據傳輸光網絡中的廣泛應用。今天，移動通信環境用戶對數據通信業務帶寬的需求日益增長，從而帶動了短距離數據傳輸光纖通信網絡的不斷擴容。現在，連接個人計算機和工作站的局域網（LAN）80％以上使用的是以太網。以太網優于其他LAN之處是傳輸容量可以超過吉比特（Gbit/ｓ），甚至達到了幾十吉比特。作為吉比特以太網的傳輸媒質一直是人們探討的熱點。為了積極尋找低成本、高可靠、易連接的短距離數據傳輸用的新型光傳輸媒質，自20世紀60年代以來，眾多發達國家，如日本、美國、德國等國的聞名大學和研究機構紛紛展開了塑料光纖（POF）的研究。由于POF具有制造簡單、纖芯直徑非常大、接續方便（通過簡單剪斷后就可以進行機械和光學耦合）、線路成本便宜等優點，故被用作光纖線路的傳輸媒質。然而，早期的人們研究出的POF是階躍折射率塑料光纖（SI-POF）。SI-POF被應用于短距離、低速率的數據傳輸網。由于SI-POF是由聚甲基丙烯酸（PMMA）制成的，所以PMMA SI-POF在數據傳輸網中應用存在衰減大和帶寬小的問題。PMMA SI-POF在650nm波長的衰減系數可達到130dB/ｋｍ，最長傳輸距離為50 ｍ，帶寬也只有幾十ＭＨｚ•ｋｍ。為了解決PMMASI－POF的衰減和帶寬問題，1996年，日本研制出了由氟化聚合物（PF）制成的低衰減、高帶寬的梯度折射率塑料光纖（ＧＩ－ POF），其在1 300nm波長的衰減系數為50dB/ｋｍ，帶寬超過10 GHｚ•ｋｍ。
　　
　　最近幾年，在GI-POF、價格便宜的注塑連接器、光源和單信道及多信道數據傳輸試驗系統等研究方面已經取得了令人注目的成果，進而使GI-POF即將成為光纖到戶中數據傳輸線路的首選傳輸媒質。
　　
　　本文首先介紹數據通信用GI-PO的制造方法及性能，其次闡述在GI-PO上進行的單信道和多信道（波分復用）的數據傳輸應用情況，以供從事光纖通信工作的讀者參考。
　　
　　1 光纖制造
　　作為短距離、高帶寬數據傳輸媒質的GI-POF的制造，應該著重研究解決的問題有：
　　
　　ａ）從材料選擇和制造工藝上設法降低衰減；
　　
　　ｂ）以精確地控制折射率分布來獲得高的帶寬；
　　
　　ｃ）提高高溫、高濕下的穩定性；
　　
　　ｄ）改善彎曲損耗等。
　　
　　GI-POF是采用的先制棒后拉絲的兩步工藝法制造的方，即首先按照光纖波導要求設計出光纖的折射率分布結構，其次用界面凝膠聚合法制造一根外徑大約為22 ｍｍ的GI-POF光纖預制棒；再將該預制棒放入一個拉絲爐內，將預制棒加熱到220～230℃拉成芯徑大約為500 μｍ，外徑大約為750 μｍ的GI-POF。
　　
　　與傳統的石英玻璃光纖制造的氣相沉積法不同，GI-POF的制造采用界面凝膠聚合法。氣相沉積法是通過精密控制的高溫氣相沉積法來獲得所需要的波導結構的光纖。界面凝膠聚合法是利用界面凝膠聚合過程在用提純的甲基丙烯酸（MMA）單體通過聚合反應制成一根直徑為22 ｍｍ的PMMA管（管的內徑大約為外徑的60％）。PMMA管中被布滿著MMA單體、摻雜劑、聚合引發劑、鏈轉移劑的混合液。將布滿著這種單體混合液的PMMA管放入一個溫度為90℃的油浴中進行加熱，引起聚合反應。PMMA管的內壁逐漸被單體摻雜混合液溶脹，以形成聚合物的凝膠相。由于“膠體效應”，一般聚合反應的速率比凝膠相中的反應速率要快得多，因此，聚合物的生長是從PMMA管的內壁向管的中心進行的。在這個聚合反應過程中，與摻雜劑分子體積相比，MMA單體很輕易擴散進入凝膠相。究其原因是摻雜劑分子體積比單體分子體積大得多。這樣，摻雜劑分子就集中在PMMA管的中心區，從而形成了一個幾乎呈現平方律的折射率分布。在控制折射率分布中，聚合物反應起著十分重要的作用，因為聚合物反應速度影響著MMA單體和摻雜劑分子擴散進入到在PMMA管的內壁所形成的聚合物凝膠相。通過改變摻雜劑、聚合引發劑、鏈轉移劑的種類和濃度可以控制 GI-POF的折射率分布。
　　
　　2 光纖性能
　　2．1 幾何尺寸
　　
　　一般，GI-POF的纖芯直徑大約為500 μｍ，包層直徑大約是750～1 000μｍ。GI-POF的幾何尺寸受下列幾個因素的限制：
　　
　　ａ） GI-POF的纖芯直徑應該按照所要求的寬松的容差與注塑連接器進行連接；
　　
　　ｂ） GI-POF與現有的光收發器的耦合應該不會降低帶寬性能；
　　
　　ｃ）所選擇的GI-POF外徑應該滿足成纜工藝和管道安裝等操作所承受的負荷作用，如外徑為500μｍ以內的GI-POF，在1kg負荷作用下，不會產生永久變形的要求。
　　
　　2．2 衰減
　　
　　絕大多數通信用塑料光纖是由聚PMMA和ＰＦ制成的。通常，GI-POF的衰減是由吸收、散射和彎曲損耗共同作用造成的。每種材料都有著其本征的吸收損耗，一旦制造GI-POF的材料選定后，它的本征吸收損耗就確定了。要想制造出低衰減的GI-POF，需采取以下措施：
　　
　　ａ）減小摻雜劑的濃度，以降低散射損耗；
　　
　　ｂ）提高GI-POF的數值孔徑，增加導光能力，以改善彎曲損耗。
　　
　　減小GI-POF衰減的具體做法是利用高折射率的高分子材料作為摻雜劑，使其摻雜濃度下降，從而減少了光纖中的光散射。另外，采用高折射率的高分子材料作為摻雜劑還可以提高GI-POF的數值孔徑，如用5ｗT％聯苯硫化物摻雜劑獲得的GI-POF的數值孔徑為0．27，而由PMMA包層GI-POF的數值孔徑僅為0．21。一般，PF包層GI-POF在650nm波長的衰減系數為130～160 dB/ｋｍ。另外，由于PF包層GI-POF的摻雜濃度減少了1/2以上，使得光纖的彎曲損耗呈指數律下降。表1給出了兩種GI-POF的衰減和帶寬性能的最新水平。
　　　梯度折射率塑料光纖的性能和應用（圖一）

　　為了減小GI-POF的光散射損耗，塑料光纖預制棒采用兩步界面凝膠聚合工藝法，即首先在作為光纖包層的聚合物管子的內壁涂覆上一薄薄的均勻聚合層，在均勻聚合層聚合之后，再將單體/摻雜劑的混合物注入光纖包層的聚合物管中完成預制棒芯區域的聚合。包層的聚合物管內壁的均勻聚合層，可以有效地減小GI-POF的光散射損耗，以達到降低GI-POF衰減的目的。
　　
　　2．3　帶寬
　　
　　眾所周知，GI-POF的帶寬主要由光纖的模間色散和材料色散所決定。模間色散不僅與纖芯的折射率分布外形有關，而且與可能存在的模耦合程度和微分模衰減有關。
　　
　　一般減小模間色散的方法是想方設法在多模光纖中形成一個平方律的折射率分布。折射率分布外形，即折射率指數的參數ｇ對多模光纖的帶寬影響起著至關重要的作用。為了定量分析GI-POF的折射率分布和帶寬之間的關系，GI-POF纖芯的折射率分布可以用指數律公式描述。式（1）既可以解釋GI-POF的折射率分布外形，又可以反映優化折射率分布的GI-POF的最大帶寬：
　　　梯度折射率塑料光纖的性能和應用（圖二）

　　式中：
　　
　　n1——纖芯的折射率
　　
　　n2——包層的折射率
　　
　　r——離開纖芯中心的距離
　　
　　a——纖芯半徑
　　
　　g——折射率指數
　　
　　Δ——相對折射率差
　　
　　相對折射率差Δ可定義為
　　　梯度折射率塑料光纖的性能和應用（圖三）

　　g的值可以決定折射率分布的外形。
　　
　　為提高GI-POF的帶寬，在制造GI-POF時，要想方設法降低模間色散、材料色散和折射率分布色散，具體的做法是：通過調整摻雜劑、聚合引發劑、鏈轉移劑的種類、濃度和預制棒芯區聚合反應速度，控制 GI-POF的折射率指數ｇ為2．7左右。例如，日本慶應大學最近報道了用界面凝膠聚合法研制出的幾種POF的帶寬與折射率指數ｇ的關系（見表2）。
　　梯度折射率塑料光纖的性能和應用（圖四）

　　PMMAGI-POF的材料色散比石英玻璃的材料色散要高得多，而PFGI-POF的材料色散比石英玻璃的材料色散要小得多。GI-POF的理想折射率分布的潛在帶寬可以達到10 GHｚ•ｋｍ。
　　
　　在PFGI-POF的纖芯能夠觀察到非常大的低色散區，所以通過限制注入這個低色散區的光功率就可以簡單地提高PFGI-POF的有效帶寬。已經在PFGI-POF上進行了波長范圍為850～1 300nm，傳輸速率為10 GHｚ/ｓ的傳輸試驗。另外，因為GI-POF折射率分布外形是由摻雜劑的擴散而形成的，所以PFGI-POF的長期老化作用是否影響GI-POF的帶寬仍然是一個人們十分關心的問題。
　　
　　2．4 可靠性
　　
　　GI-POF的長期可靠性問題實質上就是在較高的溫度下工作時GI-POF的折射率分布外形是否穩定的問題。因為摻雜劑材料不能完全與聚合物相結合，所以GI-POF折射率分布外形的穩定性就取決于摻雜劑在玻璃態聚合物基體中的有效遷移率。抑制摻雜劑擴散的主要辦法是通過選擇大分子的摻雜劑和避免使GI-POF工作在聚合物/摻雜劑混合物的玻璃轉變溫度Tg四周。一般，GI-POF中所用的摻雜劑分子量單位（道爾頓）的范圍從幾百至幾千。
　　
　　在聚合物/摻雜劑混合物的玻璃轉變溫度Tg以上，摻雜劑主要是菲克擴散反應。在低溫度下，摻雜劑擴散反應幾乎遵循的是聚合物鏈的分子運動動力學。在系統的Tg所包含的一個小的溫度范圍，如－10～20℃摻雜劑擴散率降低了幾個數量級。摻雜劑擴散率主要由摻雜劑濃度所決定，因此，為了保證GI-POF長期可靠地工作，最好將GI-POF的工作溫度選擇在室溫或者聚合物/摻雜劑混合物的Tg以下。

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