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1、聚合物光纤的制作及应用的研究 报告人：张国生 2016年5月10日 汇 报 提 纲 1 2 3 聚合物光纤的应用 聚合物光纤的研究 聚合物光纤的制作 POF在通信领域的应用： 问题：石英光纤具有带宽宽，衰减低等特点，是长距离通信干 线的理想的传输介质,但在光纤入户时却遇到巨大困难。 石英光纤芯细,在光纤耦合互接中需要高精密度对准,几微米的连 接偏差就会引起很大的耦合损耗，连接器件成本和安装费用大大 增加了系统的造价,据估算若在接入网中采用单模石英光纤其成 本将达到300/户。这对接入用户来说将难以接受。 直径大于100m的石英光纤由于材料脆性以及弯曲性能不好。对于 入户来看这是一个非常明显的缺
2、点，不适用于多接点的入户网。 方案：应用聚合物光纤（POF） 毫米量级的尺寸及大的数值孔径使它在连接和安装处理方面比较 容易； 价格低廉，可塑性强， 重量轻，施工方便； 无电磁兼容(EMC)问题；可以使用廉价的LED及LD。 光纤入户“最后1米的难题” 4 “聚合物光纤（POF）”的应用 POF工艺品 POF装饰装潢（端点发光传光束） 投射照明 天花吊顶等 POF照明 点照明 线照明 面照明 POF传感器 POF短距离数据传输 “聚合物光纤“应用实例 光纤工艺品水帘光纤 园艺装饰 聚合物光纤材料的要求 6 聚合物光纤所用材料的基本要求： 1.高透明度；只有材料具有良好的透明度，光才得以在光纤中
3、长距 离传导 2.材料的折射率；不只是起到约束光的作用，还影响着光传输的质 量（模式数量、模式色散程度等等） 3.材料的耐候性、吸湿性、包层-芯层相容性等 性能石英光纤聚合物光纤 损耗（dB/km）0.20.310300 断裂伸长率（% ） 12510 典型的石英光纤和聚合物光纤性能对比 常见的聚合物光纤的材料 Nb2O5NNNN Nb2O5 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）：最早用于制备 POF 的材料之一，也是目前最 常见的 POF 制造材料。它是一种热塑性聚合物。PMMA 在可见光波段透光率 达 92 %，且具有优良的耐候性和机械性能；它对红光（650 nm）的折射率为 1.492。它曾在很
4、长时间内是可见光透过率最高的聚合物材料。 聚苯乙烯（PS，或 PSt）：一种非晶态无定形透明聚合物，透光率大于 90% 。九十年代，PS 芯 POF 在国内发展迅速，PS 芯 POF（以 PMMA 为包层） 的传输损耗较大，在 1200 dB/km 左右，因而使用长度最多只有几米，多用于 装饰、广告领域。另外，PS 光纤的耐温性、光化学稳定性、柔韧性等都比较 差；但吸湿系数较 PMMA 材料低，在潮湿环境中更稳定。 聚碳酸酯（PC）：泛指分子主链含有碳酸酯结构的一大类聚合物，而光纤用 聚碳酸酯（PC）指的是双酚 A 型芳香族 PC。PC 是一种机械性能优异的热塑 性工程塑料，但透明度较 PMM
5、A 略差；PC 耐候性较差，在潮湿强光环境易 发黄变脆；PC 耐热性好，可在 125 C 长期使用，因而是适合制造耐热 POF 。 其它常见 POF 材料：耐热 ARTON 树脂、特氟龙 AF、THV 系列氟塑料、聚 全氟乙丙烯FEP、CYTOP、氘代聚合物等等 聚合物光纤材料性能 吸收损耗 碳氢键、氮氢键、碳氧双键的振动 光纤的传输损耗 散射损耗 常见光纤聚合物结构材料 聚合物中通常含有大量碳氢键，碳氢键 振动的高次谐波在通讯波段带来了很大的吸 收损耗。以 PS 芯 POF 为例，脂肪族 C-H 振动吸收峰出现在 758 nm、646nm 和 562 nm 处；苯环上 C-H 振动吸收峰出现
6、在 714 nm、648 nm 和 532 nm 处；且后者强于前 者。而在 PMMA 中，C-H 键的简谐振动， 直接导致了 627 nm（六次谐波）和 736 nm（五次谐波）两处强 烈的损耗 化学键的吸收波段及波数 化学键波数化学键波数 Si-O9.010.011111000C-H3.33.530302857 C-Cl11.718. 2 855550C-D4.52222 C-C7.610.013161000C-F7.610.013161000 O-H2.8357C-07.910.012661000 针对不同的目的，光纤用聚合物材料改性有很多种途径 。以 PMMA 为例，为提高材料的耐热性
7、能，可使用的方法 有主链修饰（引入大体积侧链或主链引入环状结构）、交联 、引入氢键等等 PMMA为基质的POF谱损图 阶跃折射率POF谱损梯度折射率POF谱损 一般梯度折射率POF的损耗比阶跃折射率POF的损耗稍大。POF的传输损失 主要由材料的C-H键振动及电子跃迁的吸收，还有本征Rayleigh散射，外部不理想 波导(例如光纤芯径半径的波动)这几种因素导致的 术语解释 I. 谐波：一个数学或物理学概念，根据傅里叶级数的原理， 周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函 数和余弦函数之和。谐波是指周期函数或周期性的波形中 能用常数、与原函数的最小正周期相同的正弦函数和余弦 函数的线性
8、组合表达的部分。 II. 谐波的频率：等于基波的频率的整数倍，基波频率3倍的波 称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此 类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。 III. 波数：原子、分子和原子核的光谱学中的频率单位。符号 为或v。等于真实频率除以光速，即波长()的倒数，或在 光的传播方向上每单位长度内的光波数。在波传播的方向 上单位长度内的波周数目称为波数(常写为k)，其倒数称为 波长。k=1/。 聚合物光纤的制作工艺 预制棒拉制法 将事先制备好的光纤预制棒放置在熔炉中，通过热熔拉伸的方法，将预制棒拉成光纤 聚合物光纤的制作工艺 共挤出法 使用两台挤出机分别将芯层和包层的聚合物从一
9、个模头熔融挤出，一次成型 聚合物光纤的制作工艺 涂覆法 在挤出或热熔拉制的芯层外，直接涂覆上包层材料熔体（或溶液），固化后形成结构 完整的光纤 3种制作工艺的比较 I. 预制棒法中，光纤的材料构成与物理结构比例在预制棒制作阶 段就已完成，仅热熔拉伸过程改变型材的直径，由棒拉伸变成 细纤。因此，预制棒法可以很好地对光纤参数进行精确控制， 适合渐变折射率光纤以及特殊结构光纤的制造，但不适合大规 模连续化生产。 II.共挤出法和涂覆法则可以实现不间断生产，且较适合阶跃折射 率光纤制造。 展望 温度稳定性和长期可靠性是POF应用 的主要问题之一。目前高温高湿条件下梯 度折射率POF的稳定性已有明显改善，未 来的希望是通过对新型聚合物/掺杂和无 掺杂系统的研究来实现其稳定性
