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光纤新材料技术

时间:2021-11-04 百科知识 版权反馈
【摘要】:氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗远红外光纤,它是以ZrF4-BaF2、HfF4-BaF2两系统为基体材料的多组分玻璃光纤。特殊的环境对光纤有特殊的要求,石英光纤的纤芯和包层材料具有很好的耐热性,耐热温度达到400~500℃,所以光纤的使用温度取决于光纤的涂覆材料。

光纤若按其本身的材料组成不同,可分为二氧化硅为主要成分的石英光纤,由多种组分玻璃组成的玻璃光纤,在某种细管内充以一种传光的液体材料的液芯光纤,以塑料为材料的传光、传像光纤。石英玻璃光纤传输信号损失最小,最适合用来做大量、长距离通信传输;塑料光纤虽然信号损失严重,长期可靠性差,但是由于塑料光纤性能日益精进,以及短距离局域网络宽频需求日增,塑料光纤便宜的价格、高可绕性、末端容易加工等优势,其也有一定的市场发展。

以SiO2材料为主的光纤,工作在0.8~1.6μm的近红外波段,目前所能达到的最低理论损耗在1 550nm波长处为0.16dB/km,已接近石英光纤理论上的最低损耗极限。如果再将工作波长加大,由于受到红外线吸收的影响,衰减常数反而增大。因此,许多科学工作者一直在寻找超长波长(2μm)窗口的光纤材料。这种材料主要有两种,即非石英的玻璃材料和结晶材料,晶体光纤材料主要有AgCl、AgBr、KBr、CsBr以及KRS-5等,目前AgCl单晶光纤的最低损耗在106μm波长处为0.1dB/km。因此,需要寻求新型基体材料光纤,以满足超大带宽、超低损耗、高码速通信的需要。氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗远红外光纤,它是以ZrF4-BaF2、HfF4-BaF2两系统为基体材料的多组分玻璃光纤。1989年,日本NTT公司研制成功的2.5μm氟化物玻璃光纤的损耗只有0.01dB/km,目前ZrF4玻璃光纤在2.3μm处的损耗达到0.7dB/km,这离氟化物玻璃光纤的理论最低损耗1×10-3dB/km相距很远,仍然有相当大的潜力。能否在该领域研制出更好的光纤,对于开辟超长波长的通信窗口具有深远的意义。硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域(l.2~12μm),有利于多信道的复用,而且硫化物玻璃光纤具有较宽的光学间隙,自由电子跃迁造成的能量吸收较少,而且温度对损耗的影响较小,其损耗水平在6μm波长处为0.2dB/km,是非常有前途的光纤。而且,硫化物玻璃光纤具有很大的非线性系数,用它制作的非线性器件,可以有效地提高光开关的速率,开关速率可以达到数百Gbit/s以上。重金属氧化物玻璃光纤具有优良的化学稳定性和机械物理性能,但红外性质不如卤化物玻璃好,区域可透性差,散射也大,但若把卤化物玻璃与重金属氧化物玻璃的优点结合起来,制造成性能优良的卤-重金属氧化物玻璃光纤具有重要的意义。日本Furukawa电子公司,用VAD工艺制得的GeO2-Sb2O3系统光纤,损耗在2.05μm波长处达到了13dB/km,如果经过进一步脱OH-工艺处理,可以达到0.1dB/km。聚合物光纤自19世纪60年代美国杜邦公司首次发明以来,取得了很大的发展。1968年杜邦公司研制的聚甲基丙烯酸甲酷(PMMA)阶跃型塑料光纤(SI POF),其损耗为1 000dB/km。1983年,NTT公司的全氖化PMMA塑料光纤在650nm波长处的损耗降低到20dB/km。由于C—F键谐波吸收在可见光区域基本不存在,即使延伸到1 500nm波长的范围内,其强度也小于1dB/km。全氟化渐变型PMMA光纤损耗的理论极限在1 300nm处为0.25dB/km,在1 500nm处为0.1dB/km,有很大的潜力。近年来YKOIKE等以MMA单体与TFPMA(四氟丙基丙烯酸甲酯)为主要原材料,采用离心技术制成了渐变折射率聚合物预制棒,然后拉制成GI POF(渐变折射率聚合物光纤),具有极宽的带宽,衰减在688nm波长处为56dB/km,适合短距离通信。国内有人以MMA及BB(溴苯)、BP(联苯)为主要原材料,采用IGP技木成功地制备了渐变型塑料光纤。日本NTT公司最近开发出氟化聚酰亚胺材料,FULPI在近红外波段有较高的透射性,同时还具有折射率可调、耐热及耐湿的优点,解决了聚酰亚胺透光性差的问题,现已经用于光的传输。聚碳酸酷、聚苯乙烯的研究也在不断进行中,相信在不久的未来会有更好性能的聚合物光纤材料得到开发和利用。(www.guayunfan.com)

特殊的环境对光纤有特殊的要求,石英光纤的纤芯和包层材料具有很好的耐热性,耐热温度达到400~500℃,所以光纤的使用温度取决于光纤的涂覆材料。目前,梯型硅氧烷聚合物(LSP)涂层的热固化温度达400℃以上,在600℃时的光传输性能和机械性能仍然很好。采用冷的有机体在热的光纤表面进行非均匀成核热化学反应(HNTD),然后在光纤表面进行裂解生成碳黑,即碳涂覆光纤。碳涂覆光纤的表面致密性好,具有极低价扩散系数,而且可以消除光纤表面的微裂纹,解决了光纤的“疲劳”问题。