內(nèi)蒙古金三角：微結(jié)構(gòu)布拉格光纖邁進(jìn)產(chǎn)業(yè)化

        光纖的研究、新產(chǎn)品的不斷更新和產(chǎn)品的持續(xù)突破給光纖開(kāi)拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。石英光纖(GOF)的誕生，使得世界的通信由電通信進(jìn)入光通信，并成為現(xiàn)代長(zhǎng)距離通信的主要媒介。

        微結(jié)構(gòu)光纖(mPOF)可分為：光子晶體光纖(PCF)和布拉格(Bragg)光纖。PCF是一種由單一介質(zhì)構(gòu)成、并且在二維方向上呈現(xiàn)周期性緊密排列、而在三維空間基本保持不變的波長(zhǎng)量級(jí)空氣孔構(gòu)成的新型光纖;PCF以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)新型光纖器件提供了可能。

        Bragg光纖是一種空芯光纖，它具有比原來(lái)實(shí)芯光纖或光導(dǎo)管低得多的傳輸損耗，可以顯著提高傳輸效率，1978年Bragg提出但被人否定，直至上世紀(jì)九十年代才又獲得肯定。國(guó)內(nèi)方面對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖研發(fā)較多的科研單位有中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所和燕山大學(xué)，其中西安光機(jī)所是我國(guó)最早從事塑料光纖研究的單位，并首先研制出了國(guó)內(nèi)第一根塑料光導(dǎo)纖維;燕山大學(xué)于榮金教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖特別是微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖的研究為其工業(yè)化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，此外還有武漢、北京等科研單位對(duì)微結(jié)構(gòu)塑料光纖也進(jìn)行了一些研究。

        塑料光纖(Plastic Optical Fiber)簡(jiǎn)稱POF以其大芯徑、柔軟、便于安裝施工等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為短距離、中小容量通信系統(tǒng)的可選傳輸媒質(zhì)。但是與GOF相比，塑料光纖的主要問(wèn)題是傳輸損耗大，難以進(jìn)行較長(zhǎng)距離信息傳輸。在“三網(wǎng)融合”和“光進(jìn)銅退”的大趨勢(shì)下如何減小POF的傳輸損耗成為許多企業(yè)和科研院所研究的主要方向之一。本文研究設(shè)計(jì)了一套微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖連續(xù)擠出設(shè)備，通過(guò)實(shí)驗(yàn)初步確定了微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖連續(xù)擠出工藝，加快了微結(jié)構(gòu)塑料光纖通信領(lǐng)域應(yīng)用的步伐。

        截至目前，報(bào)道的微結(jié)構(gòu)Bragg光纖主要包括“全方位波導(dǎo)”光纖、環(huán)形結(jié)構(gòu)包層光纖和蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層光纖。

        全方位波導(dǎo)光纖的包層由兩種折射率差很大的固體材料所構(gòu)成;環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖的包層是由單一材料構(gòu)成的，其中用孔環(huán)作為低折射率層;蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)光纖的包層是由單一材料構(gòu)成的，其中用空氣層作為低折射率層。其中蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯布拉格光纖通過(guò)采用支撐條結(jié)構(gòu)解決了介質(zhì)層之間的結(jié)構(gòu)支撐問(wèn)題，支撐條總是在圓截面上對(duì)稱分布的，并且使用與交替層相同的介質(zhì)材料，因此無(wú)論從材料選擇到工藝實(shí)現(xiàn)還是提高包層中交替層的折射率差，蜘蛛網(wǎng)包層空芯光纖都是更有利的。

制造工藝

        目前，塑料光纖的制造工藝大多采用連續(xù)擠出法和預(yù)制棒法。前者效率高，適合大批量工業(yè)生產(chǎn)，后者雖然不是連續(xù)工藝，但靈活、多樣、方便，適合制作漸變折射率型(GI)塑料光纖、光子晶體光纖和實(shí)驗(yàn)室試制樣品。

        本實(shí)驗(yàn)制作的微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖采用連續(xù)擠出法，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)了一套特殊的擠出模具，采用了保溫爐體，保證錐形拉絲速度。其具體制造方法是：將聚合物材料置于擠出機(jī)中，經(jīng)擠出機(jī)擠出，通過(guò)特殊的模具形成具有一定微結(jié)構(gòu)的光纖，然后由一臺(tái)高達(dá)14米的拉絲塔拉制成直徑為500～1000微米的光纖。這種特殊的模具制造出的光纖依靠包層的布拉格反射或反共振反射可以把所傳輸?shù)墓馐`在空心內(nèi)傳輸，蜘蛛網(wǎng)包層結(jié)構(gòu)可非常有效地在光纖橫向束縛光，從而達(dá)到大幅度降低光纖傳輸損耗的目的。擺脫了國(guó)際上從提高材料純度、材料改性或采用新材料出發(fā)的路線。

        拉絲塔生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖的裝置中，模具、溫度和螺桿扭矩是影響微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖成型的主要因素。

制造設(shè)備

        研究表明，由于支撐結(jié)構(gòu)的引入，場(chǎng)分布略有變形。雖然有很小一部分功率會(huì)漏泄出去，但只要支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)選取適當(dāng)，損耗就會(huì)保持在一個(gè)很低的水平上，支撐條的數(shù)目和寬度應(yīng)該盡可能小。

        模具、溫度和螺桿扭矩對(duì)微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖成型影響

        試驗(yàn)所用材料為PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)這主要是因?yàn)椋菏紫?，PMMA的重量輕，密度大約在1.15~1.19kg/m3之間，只有玻璃密度的一半，其次，PMMA的相對(duì)分子質(zhì)量大約為200萬(wàn)，是長(zhǎng)鏈的高分子化合物，其抗拉伸和抗沖擊的性能是普通玻璃的7～18倍;最后，PMMA的黏度大，流動(dòng)溫度為160 ℃，分解溫度高達(dá)270℃，有很寬的熔融加工溫度范圍。但是，PMMA含有極性側(cè)甲基，具有較明顯的吸濕性，吸水率一般在0.3%~0.4%，水分和氣泡對(duì)Bragg光纖成型有很大的影響，因此，使用前在80℃條件下干燥2h。

        微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖成型過(guò)程中影響材料流動(dòng)性的主要因素有模具結(jié)構(gòu)、溫度、和螺桿扭矩等。模具結(jié)構(gòu)是決定微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖成型與否關(guān)鍵，本模具設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多方面的探討和研究以及后續(xù)的預(yù)試驗(yàn)，證明PMMA經(jīng)過(guò)模具擠壓后可以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。溫度作為影響微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖成型的重要因素是因?yàn)闇囟冗^(guò)高，會(huì)分解PMMA并有異味產(chǎn)生，微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖的品質(zhì)也隨之降低，其次會(huì)發(fā)生流延、不能正常成型;反之如果溫度過(guò)低，則連續(xù)擠出時(shí)候需要的壓力就大，耗能高，加之PMMA流動(dòng)性不好，會(huì)產(chǎn)生氣泡，直接影響到微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖的質(zhì)量。螺桿扭矩的大小，影響著泵前和泵后的壓力和進(jìn)料量。螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)導(dǎo)致扭矩增加，泵前壓力增大，影響成型效果;螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致進(jìn)料量小，不能滿足熔體泵的需求，使熔體泵空轉(zhuǎn)進(jìn)而生產(chǎn)氣泡，影響光纖成型，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不同成型條件獲得的微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖。

        通過(guò)研究微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖的制造工藝，包括模具加工和工藝設(shè)計(jì)，對(duì)影響微結(jié)構(gòu)Bragg塑料光纖成型的因素：模具、溫度、螺桿扭矩進(jìn)行了試驗(yàn)，初步確定了制造工藝參數(shù)，為微結(jié)構(gòu)塑料光纖批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

        我國(guó)塑料光纖從研發(fā)、到生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)歷了近三十年的歷程，微結(jié)構(gòu)塑料光纖傳輸可以從650nm擴(kuò)大至1625nm波長(zhǎng)，具有低損耗、單模、寬傳輸頻率范圍的特性，可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離、高速率信息傳輸。在專業(yè)科研人員的共同努力下，微結(jié)構(gòu)塑料光纖研究、生產(chǎn)和應(yīng)用一定會(huì)有一個(gè)更大的發(fā)展空間，并逐漸形成微結(jié)構(gòu)塑料光纖產(chǎn)業(yè)化。