聚合物光纖的制作及應用研究

聚合物光纖的制作及應用的研究報告人：張國生2016年5月10日匯報提綱123聚合物光纖的應用聚合物光纖的研究聚合物光纖的制作

POF在通信領域的應用：

問題：石英光纖具有帶寬寬，衰減低等特點，是長距離通信干線的理想的傳輸介質,但在光纖入戶時卻遇到巨大困難。石英光纖芯細,在光纖耦合互接中需要高精密度對準,幾微米的連接偏差就會引起很大的耦合損耗，連接器件成本和安裝費用大大增加了系統(tǒng)的造價,據估算若在接入網中采用單模石英光纖其成本將達到＄300/戶。這對接入用戶來說將難以接受。直徑大于100m的石英光纖由于材料脆性以及彎曲性能不好。對于入戶來看這是一個非常明顯的缺點，不適用于多接點的入戶網。

方案：應用聚合物光纖（POF）毫米量級的尺寸及大的數值孔徑使它在連接和安裝處理方面比較容易；價格低廉，可塑性強，

重量輕，施工方便；無電磁兼容(EMC)問題；可以使用廉價的LED及LD。光纖入戶“最后1米的難題”4“聚合物光纖（POF）”的應用POF工藝品POF裝飾裝潢（端點發(fā)光傳光束）投射照明天花吊頂等POF照明點照明線照明面照明POF傳感器POF短距離數據傳輸“聚合物光纖“應用實例

光纖工藝品水簾光纖園藝裝飾聚合物光纖材料的要求6聚合物光纖所用材料的基本要求：高透明度；只有材料具有良好的透明度，光才得以在光纖中長距離傳導材料的折射率；不只是起到約束光的作用，還影響著光傳輸的質量（模式數量、模式色散程度等等）材料的耐候性、吸濕性、包層-芯層相容性等性能石英光纖聚合物光纖損耗（dB/km）0.2～0.310～300斷裂伸長率（%）1～25～10典型的石英光纖和聚合物光纖性能對比常見的聚合物光纖的材料Nb2O5NNNNNb2O5聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）：最早用于制備POF的材料之一，也是目前最常見的POF制造材料。它是一種熱塑性聚合物。PMMA在可見光波段透光率達92%，且具有優(yōu)良的耐候性和機械性能；它對紅光（650nm）的折射率為1.492。它曾在很長時間內是可見光透過率最高的聚合物材料。聚苯乙烯（PS，或PSt）：一種非晶態(tài)無定形透明聚合物，透光率大于90%。九十年代，PS芯POF在國內發(fā)展迅速，PS芯POF（以PMMA為包層）的傳輸損耗較大，在1200dB/km左右，因而使用長度最多只有幾米，多用于裝飾、廣告領域。另外，PS光纖的耐溫性、光化學穩(wěn)定性、柔韌性等都比較差；但吸濕系數較PMMA材料低，在潮濕環(huán)境中更穩(wěn)定。聚碳酸酯（PC）：泛指分子主鏈含有碳酸酯結構的一大類聚合物，而光纖用聚碳酸酯（PC）指的是雙酚A型芳香族PC。PC是一種機械性能優(yōu)異的熱塑性工程塑料，但透明度較PMMA略差；PC耐候性較差，在潮濕強光環(huán)境易發(fā)黃變脆；PC耐熱性好，可在125°C長期使用，因而是適合制造耐熱POF。其它常見POF材料：耐熱ARTON樹脂、特氟龍AF、THV系列氟塑料、聚全氟乙丙烯FEP、CYTOP、氘代聚合物等等聚合物光纖材料性能

吸收損耗

碳氫鍵、氮氫鍵、碳氧雙鍵的振動光纖的傳輸損耗

散射損耗常見光纖聚合物結構材料聚合物中通常含有大量碳氫鍵，碳氫鍵振動的高次諧波在通訊波段帶來了很大的吸收損耗。以PS芯POF為例，脂肪族C-H振動吸收峰出現在758nm、646nm和562nm處；苯環(huán)上C-H振動吸收峰出現在714nm、648nm和532nm處；且后者強于前者。而在PMMA中，C-H鍵的簡諧振動，直接導致了627nm（六次諧波）和736nm（五次諧波）兩處強烈的損耗化學鍵的吸收波段及波數化學鍵波數化學鍵波數Si-O9.0~10.01111~1000C-H3.3~3.53030~2857C-Cl11.7~18.2855~550C-D4.52222C-C7.6~10.01316~1000C-F7.6~10.01316~1000O-H2.8357C-07.9~10.01266~1000針對不同的目的，光纖用聚合物材料改性有很多種途徑。以PMMA為例，為提高材料的耐熱性能，可使用的方法有主鏈修飾（引入大體積側鏈或主鏈引入環(huán)狀結構）、交聯、引入氫鍵等等PMMA為基質的POF譜損圖階躍折射率POF譜損梯度折射率POF譜損一般梯度折射率POF的損耗比階躍折射率POF的損耗稍大。POF的傳輸損失主要由材料的C-H鍵振動及電子躍遷的吸收，還有本征Rayleigh散射，外部不理想波導(例如光纖芯徑半徑的波動)這幾種因素導致的術語解釋諧波：一個數學或物理學概念，根據傅里葉級數的原理，周期函數都可以展開為常數與一組具有共同周期的正弦函數和余弦函數之和。諧波是指周期函數或周期性的波形中能用常數、與原函數的最小正周期相同的正弦函數和余弦函數的線性組合表達的部分。諧波的頻率：等于基波的頻率的整數倍，基波頻率3倍的波稱之為三次諧波，基波頻率5倍的波稱之為五次諧波，以此類推。不管幾次諧波，他們都是正弦波。波數：原子、分子和原子核的光譜學中的頻率單位。符號為σ或v。等于真實頻率除以光速，即波長(λ)的倒數，或在光的傳播方向上每單位長度內的光波數。在波傳播的方向上單位長度內的波周數目稱為波數(常寫為k)，其倒數稱為波長。k=1/λ。聚合物光纖的制作工藝預制棒拉制法將事先制備好的光纖預制棒放置在熔爐中，通過熱熔拉伸的方法，將預制棒拉成光纖聚合物光纖的制作工藝共擠出法使用兩臺擠出機分別將芯層和包層的聚合物從一個模頭熔融擠出，一次成型聚合物光纖的制作工藝涂覆法在擠出或熱熔拉制的芯層外，直接涂覆上包層材料熔體（或溶液），固化后形成結構完整的光纖3種制作工藝的比較預制棒法中，光纖的材料構成與物理結構比例在預制棒制作階段就已完成，僅熱熔拉伸過程改變型材的直徑，由棒拉伸變成細纖。因此，預制棒法可以很好地對光纖參數進行精確控制，適合漸變折射率光纖以及特殊結構光纖的制造，但不