降低塑料光纤传输损耗 来自蜘蛛网的结构变革

与石英光纤相比，塑料光纤的主要问题是传输损耗大，采用蜘蛛网结构包层空芯布拉格光纤，可以极大地降低塑料光纤光纤损耗，从根本上解决了塑料光纤损耗大的问题。在此基础上，充分利用塑料光纤柔软、易弯曲的优点，可以实现光的所有波段信息和能量的低损耗传输，新一代塑料光纤将成为普遍和大量应用的光纤。

从十九世纪开始，人们就知道以全内反射机理来制作光的传输元件。因此，利用光纤芯区材料折射率大于包层材料折射率在其界面形成全内反射来传输光有其悠久的历史和深刻的物理内涵。但另一种传光机理也在1978年提出来，即利用布拉格反射，可以在芯区折射率小于包层介质折射率的光纤中得到无损耗束缚传播。但几年后被人否定，之后无多少人过问。空芯布拉格光纤和空芯光子带隙光纤，直到1999年才从实验上作了第一次演示。

与石英玻璃材料相比，塑料的重要优势是它的柔软性。塑料的弹性极限高，可以制作直径在1mm以上柔软的光纤。而石英玻璃只有在很小直径才能保持光纤的柔软性。石英玻璃固有的脆性需要对易碎的芯-包层结构加一个富有弹性的塑料涂层，以保护它的表面，并防止格里菲思裂纹扩展和顺向断裂。因而在石英光纤包层上加一个塑料涂层(第3层)，已成为一根石英裸光纤的基本组成部分。

采用蜘蛛网结构包层空芯布拉格光纤，可以极大地降低塑料光纤光纤损耗，从根本上解决了塑料光纤损耗大的问题

1966年美国杜邦公司推出了第一个塑料光纤，它的理论损耗极限值在可见光650nm波长处为100dB/km。因此，以PMMA为芯或以聚苯乙烯(PS)为芯的塑料光纤产品主要用于装饰、照明、传感和短距离数据传输系统。国际学术界解决塑料光纤损耗大的问题找到最有效的办法，是20世纪80年代用氘化PMMA、90年代用全氟化聚合物分别实现了损耗达20dB/km和低于20dB/km的水平。然而，因材料成本过高等原因，至今没有进入市场和大量应用。因而如何以一种新的方式有效解决塑料光纤损耗大的问题，是一个世界性老大难问题。

依靠实芯的全内反射机理，无法解决某些波长(如太赫兹波段)以及运用塑料来制作低损耗同时又低成本的光纤。因为实芯光纤的传输损耗一般都大于(至少等于)构成光纤芯区材料的损耗。面对这种问题，必须采用空芯光纤结构，而且空芯光纤的包层应具有很强束缚导波横向漏泄之能力。我们通过多年努力，终于在这方面取得了突破。

空心光纤

空芯光纤大体可以分成4类：包层折射率大于芯区折射率的光纤;由金属、玻璃或塑料管内表面淀积具有高反射涂层的空芯光纤;空芯光子带隙光纤;空芯布拉格光纤。属于空芯布拉格光纤的有“全方位波导”光纤网结构包层光纤。经验证环形结构空芯光纤包层虽然只用单一材料，但其低折射率层是由含许多小孔的同一材料组成，其折射率介于该材料的折射率与空气折射率(n=1)之间，构成包层的材料折射率差没有蜘蛛网结构包层的材料折射率差大，因而环形结构光纤对导波横向漏泄的束缚能力要小于我们提出的蜘蛛网结构光纤的能力。

我们在对所有空芯光纤，尤其是近十年发展起来的空芯光子带隙光纤和二种空芯布拉格光纤进行深入分析的基础上，搞清了它们对导波横向束缚的潜力以及优缺点，提出了一种改进的包层结构——蜘蛛网结构包层空芯布拉格光纤。

设计蜘蛛网结构包层空芯布拉格光纤时，与TE01模(最低损耗模)允许的归一化频率范围有关的一些重要结构参数、及其变化规律，我们用平面波展开法作了分析。这为蜘蛛网结构包层空芯布拉格光纤的设计，提供了一般规律和基本依据。

新一代塑料光纤及其功能开发

过去几十年的塑料光纤都是由实芯构成并通过全内反射机理传光的，一直被材料损耗大、因而光纤损耗大这个问题所困扰。新一代塑料光纤采用蜘蛛网结构包层空芯布拉格光纤的功能包括：传输可见至近红外光的塑料光纤、红外塑料光纤、传输太赫兹波塑料光纤、保持圆偏振态单模塑料光纤。

此外，利用塑料和蜘蛛网结构空芯布拉格光纤，可以设计传送太阳光的空芯波导，用于太阳光照明等，它具有比原来实芯塑料光纤或光导管低得多的传输损耗，显著提高传输效率;可以设计用于充气空芯布拉格非线性光纤，实现飞秒激光的高次谐波产生、受激转动拉曼散射、光孤子产生等，在损耗、单模性和传输波长范围等性能方面，超越现有各种空芯光子带隙光纤;高强度、易弯曲、抗冲击、延伸率大和长寿命的塑料光纤，可以在医疗系统和光纤制导技术方面发挥作用。

制作技术

塑料光纤的制作技术，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。预制棒法虽然不是连续工艺，但灵活、多样、方便，例如制作各种聚合物微结构光纤预制棒，除使用毛细管堆积法外，还可采用钻孔法、单体或预聚物注塑成型法、挤出法等。

蜘蛛网结构包层空芯塑料光纤，既可以采用挤出法，也可以采用预制棒法。从大批量工业生产角度，应采用连续挤出法。连续挤出法在工业生产阶跃型塑料光纤的几十年历史中，是成熟的。但要生产布拉格空芯光纤，主要技术难点是包层高折射率材料厚度仅为光波长的几分之一，而现在挤出模具挤出料的最小厚度一般为0.5mm，因此在短波段，挤出模具尺寸要比光纤尺寸放大几百倍至上千倍。如果模具挤出料的最小厚度可以降至0.3mm，甚至0.1mm(国外已能做成产品)，这个难点就能消除。另一方面，从光纤设计上，可以寻找低损耗蜘蛛网结构包层空芯塑料光纤的其他束缚机理，增大高折射率包层的厚度，问题也可解决。预计批量连续化生产蜘蛛网结构包层空芯塑料光纤，是一定能够实现的。

我们实验室正在采用预制棒法制作蜘蛛网结构包层空芯塑料光纤，不久就能实现。

利用各种塑料和蜘蛛网结构包层构成的新一代空芯塑料光纤，开拓了在各种光波长、低损耗、单模、宽传输频率范围(1～2个倍频程)、大芯径、易弯曲和低成本的光纤，实现长距离、高速率信息传输;利用耐热聚合物，可以构成医用激光治疗仪、激光加工等所需要的传能光纤，特别在红外区，既具有低损耗又易弯曲的塑料光纤，可以消除现有红外光纤的普遍缺憾。像光纤直径大于几个毫米还具有弯曲性能的太赫兹低损耗波导，塑料光纤可能是一种不可替代的光纤。

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