內蒙古金三角：微結構布拉格光纖邁進產業化

        光纖的研究、新產品的不斷更新和產品的持續突破給光纖開拓了新的應用領域。石英光纖(GOF)的誕生，使得世界的通信由電通信進入光通信，并成為現代長距離通信的主要媒介。

        微結構光纖(mPOF)可分為：光子晶體光纖(PCF)和布拉格(Bragg)光纖。PCF是一種由單一介質構成、并且在二維方向上呈現周期性緊密排列、而在三維空間基本保持不變的波長量級空氣孔構成的新型光纖;PCF以其獨特的結構和性能特點，為開發新型光纖器件提供了可能。

        Bragg光纖是一種空芯光纖，它具有比原來實芯光纖或光導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，直至上世紀九十年代才又獲得肯定。國內方面對微結構光纖研發較多的科研單位有中國科學院西安光機所和燕山大學，其中西安光機所是我國最早從事塑料光纖研究的單位，并首先研制出了國內第一根塑料光導纖維;燕山大學于榮金教授帶領的科研團隊對微結構光纖特別是微結構Bragg塑料光纖的研究為其工業化生產奠定了堅實的科學基礎，此外還有武漢、北京等科研單位對微結構塑料光纖也進行了一些研究。

        塑料光纖(Plastic Optical Fiber)簡稱POF以其大芯徑、柔軟、便于安裝施工等一系列優點，成為短距離、中小容量通信系統的可選傳輸媒質。但是與GOF相比，塑料光纖的主要問題是傳輸損耗大，難以進行較長距離信息傳輸。在“三網融合”和“光進銅退”的大趨勢下如何減小POF的傳輸損耗成為許多企業和科研院所研究的主要方向之一。本文研究設計了一套微結構Bragg塑料光纖連續擠出設備，通過實驗初步確定了微結構Bragg塑料光纖連續擠出工藝，加快了微結構塑料光纖通信領域應用的步伐。

        截至目前，報道的微結構Bragg光纖主要包括“全方位波導”光纖、環形結構包層光纖和蜘蛛網結構包層光纖。

        全方位波導光纖的包層由兩種折射率差很大的固體材料所構成;環形結構光纖的包層是由單一材料構成的，其中用孔環作為低折射率層;蜘蛛網結構光纖的包層是由單一材料構成的，其中用空氣層作為低折射率層。其中蜘蛛網結構包層空芯布拉格光纖通過采用支撐條結構解決了介質層之間的結構支撐問題，支撐條總是在圓截面上對稱分布的，并且使用與交替層相同的介質材料，因此無論從材料選擇到工藝實現還是提高包層中交替層的折射率差，蜘蛛網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擠出法和預制棒法。前者效率高，適合大批量工業生產，后者雖然不是連續工藝，但靈活、多樣、方便，適合制作漸變折射率型(GI)塑料光纖、光子晶體光纖和實驗室試制樣品。

        本實驗制作的微結構Bragg塑料光纖采用連續擠出法，通過計算設計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中，經擠出機擠出，通過特殊的模具形成具有一定微結構的光纖，然后由一臺高達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的光束縛在空心內傳輸，蜘蛛網包層結構可非常有效地在光纖橫向束縛光，從而達到大幅度降低光纖傳輸損耗的目的。擺脫了國際上從提高材料純度、材料改性或采用新材料出發的路線。

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

制造設備

        研究表明，由于支撐結構的引入，場分布略有變形。雖然有很小一部分功率會漏泄出去，但只要支撐結構的參數選取適當，損耗就會保持在一個很低的水平上，支撐條的數目和寬度應該盡可能小。

        模具、溫度和螺桿扭矩對微結構Bragg塑料光纖成型影響

        試驗所用材料為PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)這主要是因為：首先，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的相對分子質量大約為200萬，是長鏈的高分子化合物，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，流動溫度為160 ℃，分解溫度高達270℃，有很寬的熔融加工溫度范圍。但是，PMMA含有極性側甲基，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。

        微結構Bragg塑料光纖成型過程中影響材料流動性的主要因素有模具結構、溫度、和螺桿扭矩等。模具結構是決定微結構Bragg塑料光纖成型與否關鍵，本模具設計經過多方面的探討和研究以及后續的預試驗，證明PMMA經過模具擠壓后可以達到預期設計的結構。溫度作為影響微結構Bragg塑料光纖成型的重要因素是因為溫度過高，會分解PMMA并有異味產生，微結構Bragg塑料光纖的品質也隨之降低，其次會發生流延、不能正常成型;反之如果溫度過低，則連續擠出時候需要的壓力就大，耗能高，加之PMMA流動性不好，會產生氣泡，直接影響到微結構Bragg塑料光纖的質量。螺桿扭矩的大小，影響著泵前和泵后的壓力和進料量。螺桿轉速過快會導致扭矩增加，泵前壓力增大，影響成型效果;螺桿轉速過慢會導致進料量小，不能滿足熔體泵的需求，使熔體泵空轉進而生產氣泡，影響光纖成型，會導致出現不同成型條件獲得的微結構Bragg塑料光纖。

        通過研究微結構Bragg塑料光纖的制造工藝，包括模具加工和工藝設計，對影響微結構Bragg塑料光纖成型的因素：模具、溫度、螺桿扭矩進行了試驗，初步確定了制造工藝參數，為微結構塑料光纖批量生產奠定了基礎。

        我國塑料光纖從研發、到生產和應用經歷了近三十年的歷程，微結構塑料光纖傳輸可以從650nm擴大至1625nm波長，具有低損耗、單模、寬傳輸頻率范圍的特性，可以實現較長距離、高速率信息傳輸。在專業科研人員的共同努力下，微結構塑料光纖研究、生產和應用一定會有一個更大的發展空間，并逐漸形成微結構塑料光纖產業化。