关于电气材料聚合物多孔光纤的制备研究

吉家稍省建筑科学研究院集团股份有限公司）



关于电气材料聚合物多孔光纤的制备研究

吉家稍
（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司）

【摘要】光纤自发明以来，便以其优良的性能被广泛应用于通信行业。随着技术的不断进步，多孔光纤以其更大的传输量和更小的失真度，越来越受到人们的重视。多孔光纤主要分为光子晶体光纤和光子带隙光纤两大类，本文以光子晶体光纤为例，首先介绍了多孔光纤的原理，进而详细论述了其制备过程，以期与同行交流。

【关键词】电器材料；聚合物；多孔光纤；制备

随着通讯技术的不断发展进步，传统光纤已经越来越难以满足人们对于现代通信的要求，多孔光纤由于其特殊的内部结构，能够最大限度进行光传输而不造成光纤损伤，且具有更小的失真度。这使其受到了人们的高度重视，并取得了一系列的研究成果。光子光纤作为多孔光纤的一类，有着传统光纤无法比拟的优势，由于其优良的光学性能，正在越来越多的领域取代传统光纤，极大地提高了原有产品的性能。笔者通过资料查阅以及实验操作，对多孔光纤的制备过程做了简要论述。

1　多孔光纤原理

多孔光纤又叫微结构光纤，最早由Russell等人于1991年提出，1996年英国南安普顿大学试制成功第一根多孔光纤，它利用二维光子晶体做包层，用光子晶体周期性的缺陷做纤芯，从而实现光传导。多孔光纤利用光子带隙这一种微结构，由两种不同折射率的材料交替组成，从而实现对特定波长光波的选择，是该光波在这两种材料介质间不断发生发射，实现光信息的传播。

2　聚合物多孔光纤制备

近年来，随着通信技术的飞速发展，诸如美国、澳大利亚等世界主要科技强国都在对微结构光线的制备技术进行研究。其具体过程主要分为两部分，首先制备出结构完整、规则的预制棒，其次将预制棒拉制成光纤。其拉制方法与传统光纤的拉制方法相类似，但由于聚合物光纤受材料的影响，对温度和工艺操作的要求与传统光纤又有所不同。由于预制棒是整个多孔光纤制作的核心，所以预制棒的制作是这个制备工艺的重中之重。

2.1预制棒制备工艺研究

电气材料聚合物多孔光纤预制棒的制备工艺来源于传统光纤预制棒制备工艺，如今比较成熟的方法有预制棒钻孔法、堆积法等。下面将重点介绍这两种方法。

2.1.1钻孔法

顾名思义，该方法类似于在工业生产方面被广泛应用的钻床打孔的方法，世界上第一根多孔光纤就是用该方法制取成功的。在早期阶段，人们曾尝试用钻孔法制备玻璃光纤预制棒，但由于玻璃材料本身的限制，最终没能成功。而聚合物材料由于其特殊的性能，使得该方法极为适用。2001年澳大利亚研究小组首先报道了MPOF钻孔制备技术，他们利用该方法成功实现了对聚甲基丙烯酸甲酯的微结构光纤预制棒的制备。

该方法的出现对聚合物多孔光纤的制备产生了重大影响。它不仅可以实现对带隙型多孔光纤预制棒的制备，还能实现梯度折射率型多孔光纤的制备，在高精度数控钻床的控制下，可以实现对预制棒孔径的精确控制。其中最精密的预制棒孔径为1mm、长65mm，孔壁厚度0.1mm。即便如此，钻孔法也有其本身的缺陷：第一，加工时间长，例如对MPOF预制棒的制备需要数天时间。第二，钻孔过程存在误差。由于钻头的飘逸，所以在制备较长的预制棒时，其误差也就越大。因此，目前钻孔法只能实现制备长度小于140mm的预制棒，严重影响其商业推广。

2.1.2堆积法

第一根微结构光纤自研制成功便引起了人们的重视。预制棒由硅材料制成，硅棒外径为30mm，中间孔径为16mm，外表面经打磨后，成六棱柱结构。在2000℃条件下，硅棒经过三次拉丝工艺，最终形成孔间距为2μm的光子晶体光纤。此方法即为传统的堆积法拉丝工艺。随着技术的不断进步，人们开发了更为简单的方法。在一个较粗的玻璃管中，按照一定结构放置长度一致的毛细管，然后用实心玻璃棒替换中心部分的毛细管，再通过拉丝工艺，制成多孔光纤。该方法较上一种相对简单，但对毛细管的排列规则度要求很高，否则会出现空隙，影响光纤的质量。

2.2微结构光纤的拉制工艺研究

从光纤的制备过程可知，光纤由预制棒拉制而成。其拉制过程要求十分严格，尤其是聚合物光纤预制棒，由于其材质不同于普通的石英或玻璃，因此对炉体温度的要求也不尽相同。一般的聚合物预制棒拉制过程的温度在几百度，但PMMA、PS聚合物的拉丝温度均在200℃以下。

2.2.1预制棒拉伸系统

拉丝的好坏将直接决定光纤的质量，尤其是对聚合物多孔光纤的拉丝，一台性能优良、稳定性好的拉丝机对于拉丝工艺十分必要。由于聚合物材料特殊的材料构成及热力学特性，使其导热慢，传统的光纤拉丝塔的高度不能满足其拉丝条件。此外，多孔光纤预制棒上有很多孔，在加热拉丝的过程中，很容易造成形变。为了满足对聚合物多孔光纤拉丝制备的要求，本实验采用了拉丝塔高为12m的光纤拉丝机，一般来说，其包含了1步进电机、2滑动丝杠、3夹具、4 MPOF预制棒、5加热电阻炉、6光纤、7减速器、8固定变向轮、9激光丝径仪、10静电消除装置、11摆杆式张力与舞蹈控制器、12收丝、排线系统。

2.2.2光纤的拉制工艺

光纤拉丝过程中，拉丝速度的快慢将决定光纤直径的大小。设光纤的牵引速度为Vdraw，预制棒送料速度为Vfeed，预制棒直径为D，光纤直径为d，在稳定状态下：

化简可得光纤直径与预制棒直径的关系为：

光纤拉制过程如下：将预制棒悬挂于夹具中，然后接上升降系统，打开步进电机，待预制棒进入炉中指定位置时，密闭炉具开始加热。为了保证材料质量，加热速度应调成1.5℃/min的上升速度直至达到165℃。待预制棒某一界面变细拉长时，即可进行拉丝，并注意拉丝速度。经过两次拉丝后，得到成品。

3　结束语

随着科技的不断进步，人们对光纤的性能和生产水平提出了更高的要求，尤其是以光子光纤为主的多孔光纤，有着传统光纤无法比拟的优势，由于其优良的光学性能，正在越来越多的领域取代传统光纤，极大地提高了原有产品的性能。而上述工艺的采用，将大大提高聚合物多孔光纤制备的质量，利于大规模化生产预制棒，提高生产效率。●

【参考文献】

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