CN1396467A - 空芯光子晶体塑料光纤及其制作技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有空芯光子晶体结构的空芯塑料光纤及其制造技术。这种光纤用于传递光能量的芯区是中空的，包层具有光子晶体结构。由于光子晶体的局域特性，光波在塑料材料构成的光子晶体结构包层所包围的空气介质中传输，光纤的损耗将会很小，并有利于改进塑料光纤的色散特性。本发明还给出了制造该塑料光纤的相关技术，包括材料制备、光纤预制棒制备及其拉伸设备与拉制方法等，保证了该光纤具有制造简单、成本低、光损耗小等优点，可适用于在局域网中的短距离通信、有线电视网及室内计算机之间联网。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及一种空芯光子晶体塑料光纤及其制作技术。
(二)背景技术：
目前，尚未实现真正意义上的光纤入户，其主要原因是现有的光纤接入技术造价昂贵，技术要求高、难度大。而低成本的塑料光纤(ROF)将成为将来光缆入户和实现家庭数字化的家庭小型局域网的主流。然而，作为塑料光纤纤芯的聚甲基丙烯甲酯材料本身的分子结构特性使得塑料光纤的损耗很大，其典型值为160-300dB/km，而改进后的塑料光纤由碳与氟形成的树脂(一般塑料光纤用碳与氢形成的树脂)作为材料，由于未使用氢，不会吸收分子的振动，信号就可以传输到更远的距离，其损耗得到了较大的改进，但该损耗仍然很高。经文献检索在1995年8月23日中国专利局公开了申请号：94101036.8，公开号：CN1107232A，发明人为李秋更等的一项“塑料空心光纤及其制作方法”的发明专利，该专利涉及的光纤的制造方法是利用化学镀膜技术，在一种塑料管的内壁上形成反射膜来实现全反射传光，用于传导波长为10.6微米的二氧化碳激光束，该发明其缺点是使用范围很窄，同样不能自由使用在电视影像等大量信息的PC的信息家电之间及构造数字化家庭网络。随着信息时代Internet、电视会议、可视电话、视频点播等多媒体通信的发展，用户对通信带宽及高速度的需求迅速增长，而且还需要在短距离内构成连接器密集的网络，因而，需求一种传光损耗低，色散特性好，制作简单，成本低，可适用于局域网中的短距离宽带通信及有线电视网、室内计算机联网等的塑料光纤。
(三)发明内容：
本发明公开了一种空芯光子晶体塑料光纤及其制作技术，这种光纤用于传递光能的芯区是中空的，包层具有光子晶体结构。光等价于在空气介质中传输，因此可进一步降低塑料光纤的损耗，同时也有利于改进塑料光纤的色散特性。该光纤的结构形式为：用于传递光能的芯区[1]是以空气为介质的中心空腔，而包层[2]具有光子晶体结构，用于保证光能无损耗的在芯区[1]中传输，外包层[3]用来对光纤结构起保护作用。由于该光纤的包层[2]具有光子晶体结构，就保证了光能在芯区[1]内传递时损耗很小，理论值接近零损耗，这是由于光子晶体所具有的光学特性决定的，光子晶体(Photoniccrystal)的概念是在1987年分别由S.John和E.Yablonovitch等人提出来的，John同时指出：在一种经过细心设计的介电材料组成的光子晶体中，光子呈现出很强的Anderson局域。如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，和缺陷态频率吻合的光子就被局域在缺陷位置，一旦其偏离缺陷位置处光就将迅速衰减。当光子晶体理想无缺陷时，根据其边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。但是，一旦晶体原有的对称性被破坏，在光子晶体的禁带中央就可能出现频宽极窄的缺陷态。光子晶体有点缺陷和线缺陷。在垂直于线缺陷的平面上，光被局域在缺陷的位置上，只能沿线缺陷方向传播，仿佛是光在传递过程中，被全反射墙完全包裹起来。利用该特性制造出来的具有光子晶体结构的空心塑料光纤可以实现光的近乎理想的无损耗传递。另一方面，光子晶体还具有“光子频率禁带”，即具有“光子频率禁带”的材料可称作为光子晶体，而“光子频率禁带”的出现依赖于具有光子晶体结构的光子晶体包层[2]的几可形状，同时与光子晶体包层[2]的材料与芯区[1]中的空气这两种介质的介电常数的配比相关。损耗小、成本低的空芯光子晶体塑料光纤就是依据上述原理和现有的工艺技术而设计的。
空芯光子晶体塑料光纤的制备设备及工艺流程为：
1.塑料材料的制备：先选取具有高折射率的物质作为塑料的配比材料，然后用基础聚合物按比例混合经聚合反应后制成颗料状的小球备用。配比材料的折射率一般在1.49～1.63范围内，而基础聚合物为非结晶高分子物质，例如，聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯已烯、聚碳酸酯等或甲基丙烯酸酯类、苯乙烯基化合物类、氟代丙烯酸酯类等的单体。
2.空芯光子晶体光纤塑料预制棒的制备：将备好的塑料聚合物颗粒小球均匀混合加热熔化后，再进行捏合挤压，经事先设计好的成型模具制成具有光子晶体结构形状的塑料预制棒。该塑料预制棒的光子晶体结构的几何形状由按比例设计要求制作的塑料预制棒成型模具的形状决定，所以成型模具可按设计要求制成各种形状，而本发明给出如附图1、2、3三种光子晶体结构几何图形，保证了包层[2]具有光子晶体结构。
3.空芯光子晶体塑料光纤的拉伸：如附图[4]，将制备好的光子晶体塑料预制棒[5]经送料装置送入热拉伸炉[6]，在丝径监控装置[7]的调控下，保证该光纤拉伸形成的直径达到设计要求。
4.空芯光子晶体塑料光纤涂覆层的生成：把拉伸好的塑料光纤经过涂覆层生成装置[8]将配置好的涂覆材料均匀的涂覆在塑料光纤的外层，涂覆层的厚度由设计要求决定，涂覆材料的选取要满足生成该光纤的外包层[3]后其具有很好的柔韧性。
5.速度控制与盘绕：该发明塑料光纤直径大小是由丝径监控装置[7]进行监控的，并实时控制盘绕光纤的绕盘[10]的转速，来确保光纤质量和性能达到设计指标要求。
通过上述制备技术所制造出的空芯光子晶体塑料光纤具有工艺简单、成本低、光损耗小等特点，可适用于在局域网中的短距离通讯、有线电视网及室内计算机之间联网。
(四)附图说明：
附图1、具有密布微孔圆形空芯包层的空芯光子晶体塑料光纤横剖面结构示意图；
附图2、具有密布微孔六角形空芯包层的空芯光子晶体塑料光纤横剖面结构示意图；
附图3、具有密布微管中空芯包层的空芯光子晶体塑料光纤横剖面结构示意图；
附图4、空芯光子晶体塑料光纤的制备设备及工艺流程示意图。
(五)具体实施方式：1.光子晶体塑料材料制备：
将MMA与二苯硫醚混合，重量比为83∶17。在混合物中，加入一定量的过氧化淑丁基(PDB)作为聚合引发剂。搅拌后，通过把空气泵出而把此混合物置于1乇的真空之下。在充分除去空气之后，将此混合物在真空下在40℃热水浴中慢慢搅拌48小时，在此期间聚合反应被引发，然后将此混合物在真空下在60℃热空气浴中再聚合24小时，如此得到的聚合物的分子量为120,000～150,000。再把此聚合物用微锤粉碎机粉碎成颗粒径为3mm的颗粒材料备用。2.空芯光子晶体塑料预制棒制备：
将制备好的聚合物颗粒制成小球，为使这些小球的质量差异均匀化，将这些小球均匀混合，加热融化，控制加热器温度在220℃的温度下，将这些聚合物捏合挤压，经端口成型模具后硬化形成剖面结构如附图4所示的光子晶体塑料预制棒[5]。3.空芯光子晶体塑料光纤的拉伸：
将制备好的光子晶体塑料预制棒[5]夹固在附图4中的送料装置[4]上，送入拉伸加热炉[6]中，通过热拉伸过程，将光纤拉伸成所需要的直径。4.空芯光子晶体塑料光纤涂覆层生成：
在附图4中的涂覆层生成装置[8]中，将聚甲基丙烯酸和三氟乙酯的混合物在120℃-130℃熔化，并在光纤周围挤出，形成均匀的涂覆层。5.速度控制与盘绕
通过附力4中的丝径监测装置[7]对光纤直径进行监测，并对光纤绕盘[10]的转速进行实时控制，以确保光纤[9]的质量和性能一致。
Claims (5)
1.一种空芯光子晶体塑料光纤及其制作技术，以空气为介质芯区[1]的塑料光纤，其特征在于构成芯区[1]的中空的几何形状是由具有光子晶体结构的包层[2]围成并决定的，光纤包层[2]具有光子晶体结构，其光子晶体结构可设计成多种几何形状，外包层[3]包围在光子晶体包层[2]的外层。
2.根据权力要求1所述，一种空芯光子晶体塑料光纤，其制作技术特征在于先选取具有高折射率物质作为光子晶体包层[2]的配比材料同基础聚合物为非结晶高分子物质混合经聚合反应物后再经成型模具挤压成型制成光子晶体塑料预制棒[5]，塑料预制棒[5]的光子晶体几何形状由成型模具形状决定，将制备好的塑料预制棒[5]通过送料装置[4]送入热拉伸加热炉[6]进行拉伸，塑料光纤[9]的拉伸直径大小通过丝径监控装置[7]监测和控制绕盘[10]的转速来完成。
3.根据权力要求1所述，一种空芯光子晶体塑料光纤及其制作技术，其特征在于，光纤包层[2]的光子晶体结构制成具有密布微孔圆形空芯包层。
4.根据权力要求1所述，一种空芯光子晶体塑料光纤及其制作技术，其特征在于，光纤包层[2]的光子晶体结构制成具有密布微孔的六角形空芯包层。
5.根据权力要求1所述，一种空芯光子晶体塑料光纤及其制作技术，其特征在于，光纤包层[2]的光子晶体结构制成具有密布微管的中空芯形包层。
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