内蒙古金三角：微结构布拉格光纤迈进产业化

        光纤的研究、新产品的不断更新和产品的持续突破给光纤开拓了新的应用领域。石英光纤(GOF)的诞生，使得世界的通信由电通信进入光通信，并成为现代长距离通信的主要媒介。

        微结构光纤(mPOF)可分为：光子晶体光纤(PCF)和布拉格(Bragg)光纤。PCF是一种由单一介质构成、并且在二维方向上呈现周期性紧密排列、而在三维空间基本保持不变的波长量级空气孔构成的新型光纤;PCF以其独特的结构和性能特点，为开发新型光纤器件提供了可能。

        Bragg光纤是一种空芯光纤，它具有比原来实芯光纤或光导管低得多的传输损耗，可以显著提高传输效率，1978年Bragg提出但被人否定，直至上世纪九十年代才又获得肯定。国内方面对微结构光纤研发较多的科研单位有中国科学院西安光机所和燕山大学，其中西安光机所是我国最早从事塑料光纤研究的单位，并首先研制出了国内第一根塑料光导纤维;燕山大学于荣金教授带领的科研团队对微结构光纤特别是微结构Bragg塑料光纤的研究为其工业化生产奠定了坚实的科学基础，此外还有武汉、北京等科研单位对微结构塑料光纤也进行了一些研究。

        塑料光纤(Plastic Optical Fiber)简称POF以其大芯径、柔软、便于安装施工等一系列优点，成为短距离、中小容量通信系统的可选传输媒质。但是与GOF相比，塑料光纤的主要问题是传输损耗大，难以进行较长距离信息传输。在“三网融合”和“光进铜退”的大趋势下如何减小POF的传输损耗成为许多企业和科研院所研究的主要方向之一。本文研究设计了一套微结构Bragg塑料光纤连续挤出设备，通过实验初步确定了微结构Bragg塑料光纤连续挤出工艺，加快了微结构塑料光纤通信领域应用的步伐。

        截至目前，报道的微结构Bragg光纤主要包括“全方位波导”光纤、环形结构包层光纤和蜘蛛网结构包层光纤。

        全方位波导光纤的包层由两种折射率差很大的固体材料所构成;环形结构光纤的包层是由单一材料构成的，其中用孔环作为低折射率层;蜘蛛网结构光纤的包层是由单一材料构成的，其中用空气层作为低折射率层。其中蜘蛛网结构包层空芯布拉格光纤通过采用支撑条结构解决了介质层之间的结构支撑问题，支撑条总是在圆截面上对称分布的，并且使用与交替层相同的介质材料，因此无论从材料选择到工艺实现还是提高包层中交替层的折射率差，蜘蛛网包层空芯光纤都是更有利的。

制造工艺

        目前，塑料光纤的制造工艺大多采用连续挤出法和预制棒法。前者效率高，适合大批量工业生产，后者虽然不是连续工艺，但灵活、多样、方便，适合制作渐变折射率型(GI)塑料光纤、光子晶体光纤和实验室试制样品。

        本实验制作的微结构Bragg塑料光纤采用连续挤出法，通过计算设计了一套特殊的挤出模具，采用了保温炉体，保证锥形拉丝速度。其具体制造方法是：将聚合物材料置于挤出机中，经挤出机挤出，通过特殊的模具形成具有一定微结构的光纤，然后由一台高达14米的拉丝塔拉制成直径为500～1000微米的光纤。这种特殊的模具制造出的光纤依靠包层的布拉格反射或反共振反射可以把所传输的光束缚在空心内传输，蜘蛛网包层结构可非常有效地在光纤横向束缚光，从而达到大幅度降低光纤传输损耗的目的。摆脱了国际上从提高材料纯度、材料改性或采用新材料出发的路线。

        拉丝塔生产微结构Bragg塑料光纤的装置中，模具、温度和螺杆扭矩是影响微结构Bragg塑料光纤成型的主要因素。

制造设备

        研究表明，由于支撑结构的引入，场分布略有变形。虽然有很小一部分功率会漏泄出去，但只要支撑结构的参数选取适当，损耗就会保持在一个很低的水平上，支撑条的数目和宽度应该尽可能小。

        模具、温度和螺杆扭矩对微结构Bragg塑料光纤成型影响

        试验所用材料为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)这主要是因为：首先，PMMA的重量轻，密度大约在1.15~1.19kg/m3之间，只有玻璃密度的一半，其次，PMMA的相对分子质量大约为200万，是长链的高分子化合物，其抗拉伸和抗冲击的性能是普通玻璃的7～18倍;最后，PMMA的黏度大，流动温度为160 ℃，分解温度高达270℃，有很宽的熔融加工温度范围。但是，PMMA含有极性侧甲基，具有较明显的吸湿性，吸水率一般在0.3%~0.4%，水分和气泡对Bragg光纤成型有很大的影响，因此，使用前在80℃条件下干燥2h。

        微结构Bragg塑料光纤成型过程中影响材料流动性的主要因素有模具结构、温度、和螺杆扭矩等。模具结构是决定微结构Bragg塑料光纤成型与否关键，本模具设计经过多方面的探讨和研究以及后续的预试验，证明PMMA经过模具挤压后可以达到预期设计的结构。温度作为影响微结构Bragg塑料光纤成型的重要因素是因为温度过高，会分解PMMA并有异味产生，微结构Bragg塑料光纤的品质也随之降低，其次会发生流延、不能正常成型;反之如果温度过低，则连续挤出时候需要的压力就大，耗能高，加之PMMA流动性不好，会产生气泡，直接影响到微结构Bragg塑料光纤的质量。螺杆扭矩的大小，影响着泵前和泵后的压力和进料量。螺杆转速过快会导致扭矩增加，泵前压力增大，影响成型效果;螺杆转速过慢会导致进料量小，不能满足熔体泵的需求，使熔体泵空转进而生产气泡，影响光纤成型，会导致出现不同成型条件获得的微结构Bragg塑料光纤。

        通过研究微结构Bragg塑料光纤的制造工艺，包括模具加工和工艺设计，对影响微结构Bragg塑料光纤成型的因素：模具、温度、螺杆扭矩进行了试验，初步确定了制造工艺参数，为微结构塑料光纤批量生产奠定了基础。

        我国塑料光纤从研发、到生产和应用经历了近三十年的历程，微结构塑料光纤传输可以从650nm扩大至1625nm波长，具有低损耗、单模、宽传输频率范围的特性，可以实现较长距离、高速率信息传输。在专业科研人员的共同努力下，微结构塑料光纤研究、生产和应用一定会有一个更大的发展空间，并逐渐形成微结构塑料光纤产业化。