關(guān)于電氣材料聚合物多孔光纖的制備研究

吉家稍省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司）

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關(guān)于電氣材料聚合物多孔光纖的制備研究

吉家稍
（廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司）

【摘要】光纖自發(fā)明以來，便以其優(yōu)良的性能被廣泛應(yīng)用于通信行業(yè)。隨著技術(shù)的不斷進步，多孔光纖以其更大的傳輸量和更小的失真度，越來越受到人們的重視。多孔光纖主要分為光子晶體光纖和光子帶隙光纖兩大類，本文以光子晶體光纖為例，首先介紹了多孔光纖的原理，進而詳細(xì)論述了其制備過程，以期與同行交流。

【關(guān)鍵詞】電器材料；聚合物；多孔光纖；制備

隨著通訊技術(shù)的不斷發(fā)展進步，傳統(tǒng)光纖已經(jīng)越來越難以滿足人們對于現(xiàn)代通信的要求，多孔光纖由于其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠最大限度進行光傳輸而不造成光纖損傷，且具有更小的失真度。這使其受到了人們的高度重視，并取得了一系列的研究成果。光子光纖作為多孔光纖的一類，有著傳統(tǒng)光纖無法比擬的優(yōu)勢，由于其優(yōu)良的光學(xué)性能，正在越來越多的領(lǐng)域取代傳統(tǒng)光纖，極大地提高了原有產(chǎn)品的性能。筆者通過資料查閱以及實驗操作，對多孔光纖的制備過程做了簡要論述。

1　多孔光纖原理

多孔光纖又叫微結(jié)構(gòu)光纖，最早由Russell等人于1991年提出，1996年英國南安普頓大學(xué)試制成功第一根多孔光纖，它利用二維光子晶體做包層，用光子晶體周期性的缺陷做纖芯，從而實現(xiàn)光傳導(dǎo)。多孔光纖利用光子帶隙這一種微結(jié)構(gòu)，由兩種不同折射率的材料交替組成，從而實現(xiàn)對特定波長光波的選擇，是該光波在這兩種材料介質(zhì)間不斷發(fā)生發(fā)射，實現(xiàn)光信息的傳播。

2　聚合物多孔光纖制備

近年來，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，諸如美國、澳大利亞等世界主要科技強國都在對微結(jié)構(gòu)光線的制備技術(shù)進行研究。其具體過程主要分為兩部分，首先制備出結(jié)構(gòu)完整、規(guī)則的預(yù)制棒，其次將預(yù)制棒拉制成光纖。其拉制方法與傳統(tǒng)光纖的拉制方法相類似，但由于聚合物光纖受材料的影響，對溫度和工藝操作的要求與傳統(tǒng)光纖又有所不同。由于預(yù)制棒是整個多孔光纖制作的核心，所以預(yù)制棒的制作是這個制備工藝的重中之重。

2.1預(yù)制棒制備工藝研究

電氣材料聚合物多孔光纖預(yù)制棒的制備工藝來源于傳統(tǒng)光纖預(yù)制棒制備工藝，如今比較成熟的方法有預(yù)制棒鉆孔法、堆積法等。下面將重點介紹這兩種方法。

2.1.1鉆孔法

顧名思義，該方法類似于在工業(yè)生產(chǎn)方面被廣泛應(yīng)用的鉆床打孔的方法，世界上第一根多孔光纖就是用該方法制取成功的。在早期階段，人們曾嘗試用鉆孔法制備玻璃光纖預(yù)制棒，但由于玻璃材料本身的限制，最終沒能成功。而聚合物材料由于其特殊的性能，使得該方法極為適用。2001年澳大利亞研究小組首先報道了MPOF鉆孔制備技術(shù)，他們利用該方法成功實現(xiàn)了對聚甲基丙烯酸甲酯的微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒的制備。

該方法的出現(xiàn)對聚合物多孔光纖的制備產(chǎn)生了重大影響。它不僅可以實現(xiàn)對帶隙型多孔光纖預(yù)制棒的制備，還能實現(xiàn)梯度折射率型多孔光纖的制備，在高精度數(shù)控鉆床的控制下，可以實現(xiàn)對預(yù)制棒孔徑的精確控制。其中最精密的預(yù)制棒孔徑為1mm、長65mm，孔壁厚度0.1mm。即便如此，鉆孔法也有其本身的缺陷：第一，加工時間長，例如對MPOF預(yù)制棒的制備需要數(shù)天時間。第二，鉆孔過程存在誤差。由于鉆頭的飄逸，所以在制備較長的預(yù)制棒時，其誤差也就越大。因此，目前鉆孔法只能實現(xiàn)制備長度小于140mm的預(yù)制棒，嚴(yán)重影響其商業(yè)推廣。

2.1.2堆積法

第一根微結(jié)構(gòu)光纖自研制成功便引起了人們的重視。預(yù)制棒由硅材料制成，硅棒外徑為30mm，中間孔徑為16mm，外表面經(jīng)打磨后，成六棱柱結(jié)構(gòu)。在2000℃條件下，硅棒經(jīng)過三次拉絲工藝，最終形成孔間距為2μm的光子晶體光纖。此方法即為傳統(tǒng)的堆積法拉絲工藝。隨著技術(shù)的不斷進步，人們開發(fā)了更為簡單的方法。在一個較粗的玻璃管中，按照一定結(jié)構(gòu)放置長度一致的毛細(xì)管，然后用實心玻璃棒替換中心部分的毛細(xì)管，再通過拉絲工藝，制成多孔光纖。該方法較上一種相對簡單，但對毛細(xì)管的排列規(guī)則度要求很高，否則會出現(xiàn)空隙，影響光纖的質(zhì)量。

2.2微結(jié)構(gòu)光纖的拉制工藝研究

從光纖的制備過程可知，光纖由預(yù)制棒拉制而成。其拉制過程要求十分嚴(yán)格，尤其是聚合物光纖預(yù)制棒，由于其材質(zhì)不同于普通的石英或玻璃，因此對爐體溫度的要求也不盡相同。一般的聚合物預(yù)制棒拉制過程的溫度在幾百度，但PMMA、PS聚合物的拉絲溫度均在200℃以下。

2.2.1預(yù)制棒拉伸系統(tǒng)

拉絲的好壞將直接決定光纖的質(zhì)量，尤其是對聚合物多孔光纖的拉絲，一臺性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好的拉絲機對于拉絲工藝十分必要。由于聚合物材料特殊的材料構(gòu)成及熱力學(xué)特性，使其導(dǎo)熱慢，傳統(tǒng)的光纖拉絲塔的高度不能滿足其拉絲條件。此外，多孔光纖預(yù)制棒上有很多孔，在加熱拉絲的過程中，很容易造成形變。為了滿足對聚合物多孔光纖拉絲制備的要求，本實驗采用了拉絲塔高為12m的光纖拉絲機，一般來說，其包含了1步進電機、2滑動絲杠、3夾具、4 MPOF預(yù)制棒、5加熱電阻爐、6光纖、7減速器、8固定變向輪、9激光絲徑儀、10靜電消除裝置、11擺桿式張力與舞蹈控制器、12收絲、排線系統(tǒng)。

2.2.2光纖的拉制工藝

光纖拉絲過程中，拉絲速度的快慢將決定光纖直徑的大小。設(shè)光纖的牽引速度為Vdraw，預(yù)制棒送料速度為Vfeed，預(yù)制棒直徑為D，光纖直徑為d，在穩(wěn)定狀態(tài)下：

化簡可得光纖直徑與預(yù)制棒直徑的關(guān)系為：

光纖拉制過程如下：將預(yù)制棒懸掛于夾具中，然后接上升降系統(tǒng)，打開步進電機，待預(yù)制棒進入爐中指定位置時，密閉爐具開始加熱。為了保證材料質(zhì)量，加熱速度應(yīng)調(diào)成1.5℃/min的上升速度直至達(dá)到165℃。待預(yù)制棒某一界面變細(xì)拉長時，即可進行拉絲，并注意拉絲速度。經(jīng)過兩次拉絲后，得到成品。

3　結(jié)束語

隨著科技的不斷進步，人們對光纖的性能和生產(chǎn)水平提出了更高的要求，尤其是以光子光纖為主的多孔光纖，有著傳統(tǒng)光纖無法比擬的優(yōu)勢，由于其優(yōu)良的光學(xué)性能，正在越來越多的領(lǐng)域取代傳統(tǒng)光纖，極大地提高了原有產(chǎn)品的性能。而上述工藝的采用，將大大提高聚合物多孔光纖制備的質(zhì)量，利于大規(guī)模化生產(chǎn)預(yù)制棒，提高生產(chǎn)效率?！?/p>

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