吉家稍省建筑科學研究院集團股份有限公司)
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關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)良的性能被廣泛應用于通信行業(yè)。隨著技術的不斷進步,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,進而詳細論述了其制備過程,以期與同行交流。
【關鍵詞】電器材料;聚合物;多孔光纖;制備
隨著通訊技術的不斷發(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)良的光學性能,正在越來越多的領域取代傳統(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。
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。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。
近年來,隨著通信技術的飛速發(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)則的預制棒,其次將預制棒拉制成光纖。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。由于預制棒是整個多孔光纖制作的核心,所以預制棒的制作是這個制備工藝的重中之重。
2.1預制棒制備工藝研究
電氣材料聚合物多孔光纖預制棒的制備工藝來源于傳統(tǒng)光纖預制棒制備工藝,如今比較成熟的方法有預制棒鉆孔法、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,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)對預制棒孔徑的精確控制。其中最精密的預制棒孔徑為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的預制棒,嚴重影響其商業(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管,然后用實心玻璃棒替換中心部分的毛細管,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,光纖由預制棒拉制而成。其拉制過程要求十分嚴格,尤其是聚合物光纖預制棒,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)成及熱力學特性,使其導熱慢,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。設光纖的牽引速度為Vdraw,預制棒送料速度為Vfeed,預制棒直徑為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制棒直徑的關系為:
光纖拉制過程如下:將預制棒懸掛于夾具中,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,加熱速度應調(diào)成1.5℃/min的上升速度直至達到165℃。待預制棒某一界面變細拉長時,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。
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)良的光學性能,正在越來越多的領域取代傳統(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)?;a(chǎn)預制棒,提高生產(chǎn)效率?!?/p>
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