（电子科学与技术专业论文）塑料光纤纤芯折射率分布测量.pdf

a b s tr a c t t h er e f r a c t i r ei n d e xo ft h ef i b e rd e t e r m i n e si t st o t a la b i l i t yt ot r a n s m i td a d a t h ek n o w l e d g eo ft h er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l eo fo p t i c a lf i b e r si si m p o r t a n tn o t o n l yi na s s e s s i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i b e ri nag i v es y s t e mb u ta l s oa sa na i d t of i b e rf a b r i c a t i o ni ni m p r o v i n gt h e i rp r o d u c t s i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo f t h eg ip o f sr e f r a c t i o ni n d e xd e t e r m i n a t i o nt h r o u g hf o c u s i n gm e t h o dw i t hac c dc a m e r a i si n t r o d u c e d ，i m a g ep r o c e s s i n gw i t hc o m p u t e ri sd e s c r i b e di nd e t a i l ，a n da n a l y z e t h ee r r o re s t i m a t eo ft h es y s t e ma sw e l l t h i sp a p e rf o c u s e so nt h em e a s u r e m e n to ft h ei n d e xd i s t r i b u t i o no fp l a s t i c o p t i c a lf i b e r a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a c k g r o u n do ft h ea p p l i c a t i o no fg r a d e di n d e x p o fi nl a n s ，w ec o n c l u d et h es i g n i f i c a n c eo fp o fa n dt h em e a n i n go fd e t e r m i n a t i o n o ft h er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e d i ao fn e t w o r k i n g ， g o fa n dp o f ，t h is p a p e rp r e s e n t st h ec a p a b i l i t yo fp o fa n dg ip o fi n l a n s s e v e r a l t e c h n i q u e s t om e a s u r et h e p r o f i l e h a v eb e e ni n t r o d u c e d ，a n dt h e s u p e r i o r i t yo ff o c u s i n gm e t h o di ss h o w e d t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l e so f f o c u s i n gm e t h o d c o n s i d e r a t i o no fi n t e g r a lf u n c t i o n sa n dd e d u c et h es o l u t i o n so f t h o s ef u n c t i o n s t h ek e yo ft h ist h e s i si st h ed e s i g n i n go ft h ep o fr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t s y s t e mw h i c hi su s i n gf o c u s i n gm e t h o d i nt h i sp a p e r ，w ee s t a b l i s ht h em e a s u r i n g c o m p u t e a i d e dv i d e o a n a l y s i s s y s t e m ，c o n t r i v ee x p e r i m e n td e v i c e s ，r e c o r dt h e p i c t u r e so fi n t e n s i t yd i s t r i b u t i o ni nt h ef i b e ri m a g e ，a n a l y z et h ei n t e n s i t yr e c o r d s ， c o m p u t e t h er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e ，o b t a i nt h ea c c u r a t er e f r a c t i v ei n d e x d is t r i b u t i o nc u r v e ，t h e np r e s e n tt h ee r r o re s t i m a t e so ft w oe r r o ro r i g i n s ，a n dg i v e t h en u m e r i c a le r r o rc a l c u l a t i o no ff o c u s i n gm e t h o d i ns u m m a r y ，t h ep a p e ra n a l y z e st h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ed e d u c t i o no ft h e p r i n c i p l e s ，s t i l lw o r ki sd o n ei nt h ei n v e s t i g a t i o no fe x p e r i m e n t si m p l e m e n ta n d d e v i c eo ft h ee q u i p m e n ta n dd e s i g n i n go fs o f t w a r eo fm e a s u r e m e n t w i t hi t sm e t h o d o fc o m p u t i n ga n da n a l y s i s ，a n dt h es o f t w a r e ，t h i sp a p e r ，s h o u l db eb e n e f i c i a l i n t h el a t e rr e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：g ip o f ：r e f r a c t i o ni n d e xd e t e r m i n a t i o n ：f o c u s i n g m e t h o d ：i m a g ep r o c e s s i n g i i 浙江大学硕士生毕业论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 网络的发展与塑料光纤的应用 由于国际互联网( i n t e r n e t ) 的兴起，人们日常使用的通信概念发生了极大的改变， 传统的电信业务正逐渐从普通的电话、传真等窄带业务向集语音、高速数据和可变视频为 一体的多媒体宽带业务方向发展。通信网上的数据信息业务量已逐步超过传统的电话通信 业务。 与此同时，可视通信、可视会议及居家的文化娱乐如( v o d m o d ) 等业务也比过去更为 人们所需要。美国贝尔通信研究所的调查显示，对于小企事业用户和居民用户，近期的主 要宽带业务需求主要有下面5 类：点播电视( v o d ) ；交互式图象游戏，这类业务允许用户 通过网络玩电子游戏，电子图象游戏库有大量的丰富多采的节目可供选用：交互式图象业 务，这类业务允许用户控制所看的节目，例如用户可以控制摄像机的角度，参加游戏节目， 获取新闻或体育节目的额外信息等；广泛的远程教育，这类服务可以使用户非常方便的享 受自主的知识积累，选择感兴趣的内容进行学习；海量多媒体库，这类业务允许用户进行 交互式搜索，并能看、读、听多媒体信息，即有视听读能力。 另外可以预期的中长期的宽带业务需求主要有下面几类：广播电视，通过网路进行目 前由有线电视提供的广播电视服务；事务业务( 电子商务) ，这类业务允许用户参与交互 式事务，诸如银行、购物、要求服务、预购机票、预订旅馆等；目标型广告，这类业务允 许作广告的公司选择某一类人或群体看他们的广告，或者为特定的个人或群体选择广告类 型：其他还有图象信箱业务和可视电视业务等。 除了公共通信网外，各个单位内部也建立起各种各样的局域网，实现计算机互连。这 个方向目前正在突飞猛进地发展，还提出了家庭网络的概念，就是家庭内部各种设备实现 联网，构成一个小型的家庭局域网。从上面的种种需求可以看出，很多服务是针对小型办 公室或者家庭用户使用的。而科学技术的人性化也越来越成为科研工作的重点目标。为了 实现这种信息量巨大的多媒体信息社会，在各个小型办公室或者家庭内必须要能够送入g h z 数量级的高速信息。 因此，计算机通信的将来将实现数据、话音及图象三者紧密配合的多媒体通信。要满 足这种发展的要求，必须逐步建立起能同时传输多种业务的宽带综合业务数字网。也就是 说，通信的发展从单一的语音业务，向集语音、数据、图象为一体的多媒体通信发展。面 对信息时代i n t e r n e t 、电视会议、可视电话、视频点播等多媒体通信的发展，和急剧增加 的通信业务量和通信种类，能提供大容量、高速率的通信传输媒质以其无比优越的优点大 大发挥作用。 二十世纪最伟大的科学家爱因斯坦，当他以光速来修正牛顿运动定律，再以近光速时间 浙江大学硕士生毕业论文 第1 章绪论 会减慢的理论公诸于世时，人们开始对于光就有无限的寄望与憧憬，所以当人们谈到光纤 时，虽不懂理论，却也绝对且毫不怀疑相信光纤是未来传输主流之一的论点。 光纤发展至今已有三十余年，其技术已趋成熟稳定，过去因价格的关系迟迟无法进入 大量铺设。现在随着电子技术、光电子技术和计算机技术的飞速发展，i n t e r n e t 也得到了 飞速的发展，其数据通信量的发展大概是每6 个月翻一番，数据包的交换对传统的电路交 换发起了猛烈的冲击，为光通信技术的发展创造了非常好的条件，使得光通信也得以快速 地发展，近年来光纤制造技术的提升及产量的增加，使得价格下降，光纤才大量的应用在 骨干网路上。 自从7 0 年代末，光纤通信初次在通信网现场实验成功后，公用通信网包括市内和长途 的骨干网越来越多地推广使用光纤光缆线路。进入8 0 年代，光纤通信更显得兴旺发达，在 所有通信技术中越来越引人注目，此后，全世界范围内掀起了光纤通信研究和应用的热潮。 并逐步在实践中发现了它的独特的优点：1 ) 超大传输容量，特别是单模光纤能提供可命名 用的带宽超过5 0 0 0 0 0 g h z ，这一频带超过了所有现有通信技术使用频段的好几个数量级；2 ) 传输信号质量高，不受电磁波和无线电射频的干扰等：3 ) 与传统的传输材料如铜线相比， 重量更轻，强度更高，抗腐蚀性更好；4 ) 容量价格比高。因此，近年来通讯事业的迅猛发 展，己使得用光纤制的光缆横跨世界各地的高山大川、穿越大洋深海或是埋干都市地下， 其应用领域己遍及邮电通信干线，铁路电力系统、广播电视、交通监控系统，计算机网络 和国防军事等领域。 总的来说，光通信在高速、大容量方面和宽带、综合、低成本接入方面都在迅速发展。 据估计，全球光网络市场2 0 0 0 年约为3 5 0 亿美元，到2 0 0 3 年将超过6 0 0 亿美元。 现在可以预计大概在2 0 0 5 年前后数据通信量将大于话音。这就是说i p 高速交换路由 器有可能取代现有的程控交换机，全世界耗费近十万亿美元建立的通信网有可能被取代， 科学技术的发展是飞速的，也是无情的。但是实际上这是人类历史上的一次革命，也是通 信信息发展的主流和方向 1 。 但是当我们一直在谈论光纤光缆的需求时，很少会去问或关心到光纤的分类，什么样 的光缆适合安装于什么样的场合。 光纤主要分为两类：石英系光纤和塑料光纤，目前应用主要以石英系光纤为主。但是， 石英光纤在通向各家各户即光纤入户( f t t h ) 或到桌面( f t t d ) 的过程中存在着几乎不可 逾越的障碍：1 ) 成本高。从价格和使用价值两方面考虑，对于短距离而言实显昂贵，一股 家庭难以承受：2 ) 难以处理。石英光纤细小的纤芯( 8 - 1 0 0 u m ) 使得光纤与光纤的端接及 与有关器件苛刻的对中极为困难，技术要求高，成本也昂贵；3 ) 玻璃光纤性跪，易断裂、 在弯曲的场合易损坏。而使用电缆网络又需昂贵的电子设备来保证信号的强度和完整性。 但是i n t e r n e t 、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，都要求还需要在短距离内构成连接器密集的网络。 这样，更便宜和易于使用的塑料光纤( p o f ) 便受到人们的青睐，用塑料光纤制的光缆 2 浙江大学硕士生毕业论文 第1 章绪论 比普通电缆可更为快捷地传送信息，并几乎可提供无限容量来满足信息时代的需要。因而， p o f 近来已发展成为光纤的一个极为重要的研究方向。 塑料光纤是在2 0 世纪6 0 年代由美国杜邦公司( d u p o n t ) 开始研究的，当时仅仅是作 为照明的材料，1 9 6 6 年向市场推出的p o f 是聚甲基丙烯酸甲酯( p 姒a ) 芯p o f 。但早期的p o f 由于受到制作工艺和条件的限制，损耗较大。1 9 7 4 年日本三菱人造丝公司采用熔融法制造 的p o f 最小损耗为3 0 0 d b k m ，故其应用受到限制。p o f 较早的研究重点之就是降低损耗。 1 9 8 0 年，日本n t t 公司公布了p o f 的基础研究结果，表明大幅度降低损耗是可能的，从此 研制低损耗p o f 工作日趋活跃。到了1 9 9 0 年日本庆应大学小池康博宣布研制出带宽为3 g h z k m 的渐变折射率分布的塑料光纤。 2 目前塑料光纤在近距离高速通信领域使得传统的石英光纤显得多少有些落伍了。与用 作距离远、速度高、容量大的公用网传输媒质的石英玻璃光纤相比，p o f 由于制造简单、 价格便宜、接续快捷等优点，非常适合用在局域网中的短距离通信、有线电视网、室内计 算机之间，从而成为短距离宽带通信网的理想选择。进入2 0 世纪9 0 年代，增大p o f 的传 输带宽成为研究热点。尤其是渐变折射率塑料光纤( g ip o f ) ，在i 0 0 一1 0 0 0 m 范围内带宽 可达数g n z ，其发展十分迅速 3 。目前，p o f 有关标准的制定也在进行中。 图1 1p o f 和相关接口 4 p o f 具有比较大的直径，通常为i n 。阶跃折射率的p o f ( s lp o f ) 一直是p o f 的唯一 类型。到了1 9 9 5 年三菱人造丝( m i t s u b i s h ir a y o n ) 宣布研制成功了第一种传输速率为i g b p s 的渐变折射率塑料光纤( g ip o f ) 。g ip o f 内侧的纤心折射率高，而外侧的包层折射率低， 采用在芯线中轴线处光的折射率最高、向四周逐渐降低的渐缓变化的折射率的结构形式。 采用此种结构，能够扩大传送带宽，不易失真，可以每秒传送1 g 以上字节的速度将信息传 送2 0 旺5 0 0 米。 美国、欧洲和日本己在塑料光纤和全光网的研发计划中投入巨额资金，9 7 年美国通过 了p o f 局域网或接入网的工业标准，并设立了6 0 0 0 万经费的研发项目，希望在国际日趋激 烈的知识经济竞争中占据有利的位置。 塑堡奎兰亟主圭生些堡塞 茎! 童堑堡 图l 一2p o f 应用于家庭网络 5 把塑料光纤作为一种横向数据传输的媒质已经有很多年了，塑料光纤产业开始发现家 庭和小型办公室的应用，特别是消费类电子产品的应用为塑料光纤提供了一个非常有潜力 的市场。其实家庭网络环境对塑料光纤并不是一个全新的概念，在消费类电子产品内部使 用塑料光纤的实践已经有好多年的历史了，现在只不过是把塑料光纤作为一个数据链路的 媒质把这些设备都相互链接起来。 消费类电子产品的应用并不是塑料光纤的唯一的目标市场。据美国唯一的塑料光纤制 造商波士顿光纤( b o s t o no p t i c a lf i b e r ) 的总裁e d w a r db e r m a n 说，“我们正瞄准高速的 应用，不管是用在公司的商业场合还是在家庭应用，在过去的几年，塑料光纤的应用局限 在办公室的局域网。但是最近的家庭电子产品的发展和家庭网络的需要给塑料光纤在这些 场合的应用带来了极大的机遇。” 6 尽管各大厂商已经可以有办法将高品质的数字图像传输到电视上面，但是他们对于在 卧室或者厨房处理同样的图片却无能为力。更复杂的是在未来的1 0 年内，很可能所有的音 频和视频信号都会来自i n t e r n e t 。屏幕显示将会指导我们进行各种操作和应用，包括分布 式的音频和视频，电话( 语音、电子邮件、传真、移动电话和信息中心) ，厨房的应用，直 至安全保卫和照明设施等等。 4 浙江大学硕士生毕业论文 第1 章绪论 一_-_-_ 因此家庭网络对带宽的要求即将有很大的提高。数字电视以及d v d 播放器，家庭自动 化设备和其他高端消费类娱乐产品要求比目前更多的带宽。这样家庭网络的市场也即将起 飞。各大厂商，包括i b m ，朗讯，i n t e l ，微软，康柏和索尼，都已经开始加入到这个新兴 的市场中来。 这种情况的出现是由于三个原因：消费类电子产品的层出不穷；计算机技术的发展； 电信技术的飞跃。这三个产业正在逐步的合并为一个新的信息化产业。数字相机可以通过 接驳普通p c 直接来编辑和显示：互联网络可以通过计算机和加载机顶盒的电视机进行浏 览。下一个消费类电子产品的浪潮例如d v d ，d t v ，v c r 和摄像机、机顶盒都将是数字化的。 所有的这一切都在以一个惊人的速度发展着，对于带宽的要求也在惊人的提高着。 家庭中的更多的计算机也是一个对带宽更多要求的原因。目前世界上有1 5 ，0 0 0 ，0 0 0 个 家庭拥有两台或者更多的计算机。估计在2 0 0 1 年这个数字将会达到4 0 ，0 0 0 ，0 0 0 。共享外 围设备盒网络入口将是对家庭网络的一个强大的推动力。事实很清楚，计算机产业将在家 庭内部的网络中发挥重要作用，例如如何让你的电视机和微波炉相互通信。如果假设将会 有1 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 个家庭平均投资1 ，0 0 0 美元用于更新布线和电子产品，这就很容易发现为 什么电子产品公司把家庭网络看作下一个新的市场前沿。 目前有很多的家庭网络解决方案：家庭电子系统、电话线、1 3 9 4 b 、c e 总线结构、玻 璃光纤和塑料光纤、同轴电缆、5 类线、无线接入、u s b 接口和x 一1 0 协议。唯一的问题是 到底那个方案会成为标准 7 。 p o f 市场在高达l k m 距离内的、从低速到高速包含了非常广泛的应用。这些应用包括 用户电子、横向房屋布线( 家庭和商务) 、局域网( 以太网( 1 0 b 1 0 0 0 m b s ) 、a t m 、令牌环 和f d d i ) 和工业控制等。这些应用都在阶跃折射率和渐变折射率p o f 范围内。能够发挥p o f 潜力的市场主要为：房屋布线、汽车和航空领域及1 3 9 4 市场。1 3 9 4 市场是巨大的。它包 括大范围的用户应用互连，如p c s 、视频摄像机、c d - r 傩、d v d 、v c r 、t v 、打印机、扫描 仪、磁盘和立体声系统等。据i n s t a t s a nj o s e 咨询会预测，到2 0 0 1 年，5 0 以上的总 用户器件市场将与1 3 9 4 兼容。 塑料光纤在短距离通信光传输系统中用作光传输链路，确保了高速互联网接口快速、 双向、清晰地传送高分辩率图像和数据转换。塑料光纤网络能开展的宽带业务有：交互多 媒体和远程教学等。在o f c - 2 0 0 0 会议上，日本旭硝子( a s a h i ) 玻璃株式会社新技术发展 部报道了氟化渐变塑料光纤的衰减系数：在8 5 0 h m 为4 1 d b k m ，1 3 0 0 n m 为3 3 d b k m ，其最 大带宽达i o o m h z k m 。用这种p o f 成功进行了1 0 0 m 、1 1 g b s 和5 0 m 、2 5 g b s 的高速传输 试验和7 0 c 长期老化试验。因此，p o f 特别是渐变塑料光纤由于低衰减、高带宽、价格便 宜、热稳定性好、大芯径便于接续等优点，同时借助当前商用的光收发端机和交换机成功 进行了高速数据、图像传输，因此将成为下一代短距离宽带光传输系统的主要传输媒质 8 。 目前，塑料光纤无论在性能、制造工艺还是应用和标准方面发展都很快，而且市场潜 力很大。今后的工作重点应致力于解决p o f 的技术争论点、市场批量供应以及标准编制等 浙江大学硕士生毕业论文 第l 章绪论 方面。相信随着科技的发展，塑料光纤将更有效地发挥其作用。 对于我国目前普遍较国外更为集中的居住条件而言，发展高性能、低成本的入户聚合 物光纤网络和室内近距离的通信用塑料光纤网络，具有更为巨大的经济和社会效益。以上 可以看出，通信网络发展到今天，除了建设高速、长距离的骨干网外，高速短距离的通信 也变得非常重要。而塑料光纤是实现高性能短距离宽带传输的有效途径，发展塑料光网络， 具有很高的社会效益和经济效益。 1 2 塑料光纤参数的测量 光纤技术是当代新技术之一，光纤通信发展迅速，在工程应用方面也日趋成熟，。光纤 技术在通信领域的应用使得有线通信发生了划时代的变化。在世界上很多国家中，进入实 际应用的光纤系统也在急剧增加，光纤网络的各种用途都不断的展现。人们对光纤的兴趣 越来越大，而且光纤的生产工艺也越来越成熟，对于光纤的一个重要的指标一一折射率的 测量就变得非常重要了。 光纤通信领域的进步是离不开对光纤作出精确的测量。光纤测试是对光纤特性的实验 验证，对光纤特性要求的检验和评价。这些无论是在光纤传输的理论研究，或者是为纤维 设计和工艺提供反馈信息，甚至于对于生产过程的质量控制、产品检验、铺设安装、线路 维护等等都是有十分重要的意义 9 。另外还可以指导光纤的用户。 光纤测量技术作为- - a t 新技术，测试原理、测试方法、甚至测试的内容、参数的定义 都还不是非常的成熟，另外由于光纤的特性的敏感性，使得光纤呈现的特性除了与光纤本 身的结构有关以外，对各种外部因素的影响都比较敏感。在测量中，光源的稳定、发射技 术、耦合或者透射方式、测试条件、样品的处理和检测信息的处理等等都和我们测量的结 果有密切的关系。因此在设计光纤测量实验的方法和设备的时候，需要非常仔细和精确。 其次如何精确而又是可重复测量光纤参数也是一个很重要的问题 1 0 。 塑料光学纤维由于具有重量轻、韧性好、接口容易，综合成本低等优点，在局域网或 接入网系统中聚合物光纤的突出特点是连接器和光源非常便宜( 6 5 0 h m 激光光源约1 美元 个) ，因而受到广泛重视，使其成为高速信息局域网或接入网中的关键技术之一。特别是渐 变折射率分布塑料光纤可以提供近距离高速率的通信。在只有一根纤芯的典型阶跃折射率 光纤中，光束会在光纤外表层处突然改变方向，限制频带宽度。塑料光纤的关键是渐变折 射率纤芯，光纤纤芯由很多不同的材质层构成，它允许光束从纤芯到外表层之间渐变，使 得总体的折射率分布近似为一个抛物线的形状，光束可沿更弯曲的轨迹传输，由于光线在 光疏媒质中行进的速度快，在光密媒质中的速度慢，所以光在光纤纤芯外层传输的快，在 光纤纤芯中心传输的慢。这样，一个合理建构的折射率分布可以补偿由于不同模式路径长 度不同带来的差异，从而通过纤芯传输更多的数据，可以比阶跃折射率光纤的带宽提高1 0 0 倍。 6 塑望丕兰堡主生望些堡奎 蔓! 童堑堡 1 2 1 折射率分布 图i - - 3 为b e n ( b e n z y lb e n z o a t e ) 掺杂的g i p o f 的折射率分布，三个不同的分布由不 同的聚合引发剂浓度获得 2 9 。引入折射率分布指数舒折射率分布可写成幂律近似 胛。，= 厅。 ，一i ( 云) 8 2 。，口 。一。， l n ，r 口 ：竺尊。生旦 ( 1 - 2 ) 2 门j托 、一 式中，z l 和n 2 是纤芯中心和包层的折射率，a 是纤芯半径，是折射率的相对差。g i - p o f 的 分布指数f 可由最小二乘法决定。 图1 3b e n 掺杂的g i p o f 的折射率分布。 实线为测量曲线，虚线为幂律近似曲线，( a )严l _ 9 6 ：( b ) 8 = 2 4 5 ：( c ) g = 5 o o 图l - 3 中虚线表示式( 1 ) 的近似结果，曲线a 、b 、c 的分布指数f 分别为1 9 6 、2 3 和5 0 。可以看出，幂律近似能较好地描述g i p o f 的折射率剖面。 如前所述，g i - p o f 的折射率剖面由p 埘a 管的内壁膨胀过程来控制。管内壁充分膨胀 能获得接近抛物线的折射率分布。相反，不充分的膨胀则导致阶跃折射率剖面。所以，为 了充分膨胀纤芯，聚合的反应速度必须很慢。在自由辐射聚合过程中，聚合速率随着聚合 引发剂的浓度降低而降低。引发剂浓度的加大，分布指数f 也变大，f 足够大时折射率剖 面就接近于阶跃。因此，控制引发剂浓度，能优化分布指数f 的值。 光纤纤芯折射率分布的测量，国外一般使用横向干涉法 1 1 ，此法所需设备简单，样 品无需处理，能对约l o o p m 长的光纤段进行测量，这种方法适合于光纤制造过程中的实验 7 x童ii点苗占显 浙江大学硕士生毕业论文 第1 章绪论 测试，因为不必细心地制备光纤。但横向干涉法不能得到有关光纤圆对称性方面的信息， 不是国际电信联盟建议的基准测试法。 我们选用的聚焦法 1 2 是一种非破坏性的方法，它可以广泛的应用于光纤和预制棒， 在设计了实验设各以后，只需使用电子显微镜拍摄光纤的光强分布图，可以通过同一套仪 器和计算机软件对光纤进行折射率分布的测量。一般来讲，聚焦法比横向干涉法更加精确， 而且对于对称的光纤( 圆形或者椭圆形) 光纤，如果使用的方法和设计的实验比较精确， 也是可以达到切片法的精度。 1 2 2 数值孔径 受纤芯一包层界面处全反射临界角的限制，光线从光纤端面入射于纤芯区并成形导模的 入射角存在一个最大值日。- 一般说来，以小于口。的角度入射的光线能在芯区中长距离传输， 而以大于眈的角度入射率光线则会作为包层模损失掉。这个最大见称为孔径角，数值孔径 定义为： n a = s i n o 。= n 卜n ；z l 压 g i p o f 的数值孔径如同折射率分布一样可通过变换杂质种类得到控制。例如，因为 d p s ( d i p h e n y ls u l f i d e ) 的折射率是1 6 3 3 ，比b e n 的折射率( 1 5 6 8 ) 高，这样能获得大 的数值孔径g i p o f 。 1 2 3 色散 在光纤通信中，色散是不同波长或不同模式的光沿光纤传输的群速不同，从而使同时 从始端发出的光，在传输一定距离后产生时间先后的分散。由于色散的存在，脉冲信号在 光纤中传输时会逐渐展宽，从而影响数字信号传输速率的提高。 光纤中的色散可分为两类三种。一类是模间色散；另一类是模内色散。模内色散又可 细分为材料色散和波导色散。 模间色散又称模式色散，是指不同模式在光纤中传输时的传播常数不同，从而传输同 样长的距离后产生群时延差，模间色散是多模光纤中特有的。模内色散又可称为颜色色散， 主要是由于光源有一定的谱宽，从而信号光中含有不同的波长成分而引起的。当考虑纤芯 材料的折射率因光波长而变化，从而使得不同的波长的光在纤芯中传播速度出现差异时， 便说明传输中存在材料色散。当考虑芯区的折射率分布因光波长而变化，也就是说“光纤” 这种光波导的结构因光波长而变化时，其中某种传导模的场型和传输群速度也会发生变异。 此时便说传输中存在波导色散。 对于s i p o f ，模式色散占主要地位，其它二种色散都可忽略。然而，对于g i p o f ，用 界面一凝胶聚合法可有效控制折射率剖面，使之近似于抛物线分布。g i p o f 中的抛物线折 8 浙江大学硕士生毕业论文 第1 章绪论 射率分布可以明显地减少模式色散，这时就要考虑材料色散的影响。因此，为了准确地分 析g i p o f 的带宽特性，必须同时考虑模式色散和材料色散。测量色散系数的方法主要有相 移法和时延法。 1 2 4 带宽 塑料光纤的带宽可以通过测量冲击响应得到。在时域的实验包括产生一个非常窄的脉 冲信号并馈入光纤，然后在光纤的输出端检测并记录经过光纤传输后的脉冲信号。时域测 量过程包括产生和发射一个短光脉冲进入样品，探测和记录光纤输出端的失真脉冲波形。 从激光二极管发出的一个的光脉冲注入p o f 。输出脉冲由一个取样头探测。光纤的传输函 数可由输入、输出波形的傅利叶变换得到。光纤带宽由传输函数的一3 d b 带宽得到。 由实验结果可知，经过s ip o f 传输后的脉冲波形延展较大，而经由g ip o f 的脉冲信 号相对而言几乎没有什么变化。通过对输入和输出脉冲进行傅立叶变换，得到光纤的传输 函数，从而得到3 d b 带宽。传统的s ip o f 带宽为5 删z k m ，而g ip o f 带宽高达2 o g h z k m ， 是s ip o f 的4 0 0 倍。 图1 - - 4l o o m 长b e n 掺杂的p m m ag i p o f 带宽和折射率分布指数g 的关系曲线。 点为实验数据，实线为理论曲线，( a ) 只考虑模式色散：( 8 ) 同时考虑模式色散和材料色散。 图l 一4 为对l o o m 长b e n 掺杂的p h 眦g i p o f 用时域测量方法测得的带宽和折射率分 布指数g 的关系曲线 3 0 ，测量用光源为i n g a a i p 激光二极管( 波长6 5 5 r l m ，谱宽3 r i m ) ，p , i a g i p o f 的数值孔径为0 3 。图中实线为理论曲线用于和测量值作比较，理论曲线a 只考虑 模式色散，曲线b 同时考虑模式色散和材料色散。在理论计算中，假定1 5 w t 的b e n 掺杂 进纤芯中心，材料色散由测量块状样品的的折射率和波长的关系估算出来。 多模光纤的带宽在很大程度上还依赖于入射条件。据测量，无论对于g ip o f 还是s i p o f ，当入射n a 比较小时，能够获得比较大的带宽。但当入射n a 大于g ip o f 的数值孔径 时，带宽将和入射n a 无关，因为更高阶的模式在传输过程中被散射了。 9 塑坚盔兰婴主兰望些堡塞 塑! 童堑堡 由于材料色散强烈地依赖于光源谱宽。如果只考虑模式色散，g i p o f 的带宽高于1 0 g h z ( 萨1 9 7 ) ，如曲线a 所示。但由于p m i a 的材料色散，带宽大大降低，如曲线b 所示。 从图l 一4 可以看出，理论和实验值吻合得相当好。折射率分布指数为1 9 6 时的g i p o f 带宽测量值为1 3 g h z ，和近似曲线b 相一致。从理论曲线b 和实验值都可以看出，得到最 大带宽的最优化折射率分布指数g 的值为2 3 左右。当g i - p o f 的折射率分布指数g 为2 7 时，远离其最佳值2 3 ，实验得出其带宽为1 0 6 g h z ，同时考虑模式色散和材料色散的理论 值为1 0 8 g h z ，和实验值几乎相等。 在短距离通信中，比如传输距离为5 0 m ，g ip o f 同样表现出比s ip o f 更高的带宽。 1 2 5 衰减 g i p o f 的内在衰减一般可分为三类：a ) 电子迁移吸收；b ) 碳一氢( c - - h ) 振动吸收； c ) 由于材质和热密度变化引起的内部散射。其中a ) c ) 随着波长的增加而减小山) 从6 0 0 n m 到红外区为增函数 3 1 图i - - 5 几种g i - p o f 的总损耗谱( a ) 氟化聚合物；( b ) 氘代p 吼a ：( c ) p i i 。 以下着重说明前两种衰减。 电子迁移吸收 材料电子能级的跃迁引起电子迁移吸收效应：固体吸收一个光子后，能级跃迁到激发 态。对于聚苯乙烯材料，由于电子迁移吸收引起的衰减在5 0 0 n m 波长时为1 0 0 d b k m ，在 6 0 0 m n 波长时为7 d b k m ；而p m m a 材料在5 0 0 r i m 波长以上的衰减都在l d b k m 以下。一 般考虑g ip o f 的衰减时，应该考虑电子迁移吸收所引起的衰减。但是在6 5 0 a m 处的电子 迁移吸收效应很小，几乎与掺杂物质无关。 碳氢键谐振吸收 虽然据测定p m m a 芯p o f 在5 6 8 n m 处的衰减只有3 5 d b k m ，但采用的l d 的波长只能是 6 5 0 1 a m 、7 8 0 n m 或者更长。在这些波长上，必须考虑由于碳氢键( c h ) 谐振吸收所引起的 衰减。对于m m a 基的g ip o f ，由于碳氢键谐振吸收，7 3 5 n m 处的最大衰减为2 8 8 5 d b k m ： 而部分氟化g ip o f 的衰减则降低到8 1 5 d b k m ，这是因为原来个p 阔c , a 单体中的八个氢在 l o 浙江大学硕士生毕业论文 第1 章绪论 氟化后的丙烯酸中减少到了三个。而p 姗a d 8g ip o f 则没有因为碳氢键谐振吸收而引起的 衰减，这种低衰减p o f 还可以应用于现有的近红外和红外装置。 1 2 6 热稳定性 要将p o f 应用于高速网络系统，精确控制的折射率剖面必须保持很长一段时间。由于 是杂质浓度分布导致g i p o f 的折射率分布，杂质迁移或扩散会破坏原有的折射率剖面，因 此g i p o f 的热稳定性非常重要。实验研究证实如果选择合适的杂质材料，g i p o f 的抛物 线折射率剖面在8 5 。c 下能保持5 0 0 0 多个小时，其l o o m 传输带宽还能保持i g h z 。 3 2 。 塑料光纤的热稳定性和长期使用的可靠性是g i p o f 实际应用中非常重要的因素之一。 掺杂分子在g i p o f 中的分布形成了渐变折射率分布曲线，所以为了获得热稳定的折射率分 布，杂质分子的扩散和迁移必须得到抑制。 g i p o f 折射率分布的热稳定性直接影响p o f 的带宽特性，对折射率分布热稳定性的分 析研究能为g i p o f 的长期可靠性提供重要信息。可靠性测试的过程如下：由界面一凝胶聚 合法制各的g i p o f 在8 5 9 0 。c 及室内湿度下老化，p o f 和石英光纤的热稳定性一般在8 5 0 下测试，这是石英光纤光缆的一个热稳定性标准。测量老化后的g i p o f 折射率分布，并和 老化前的折射率分布相比较 3 3 。 虽然可探测到的折射率分布变化很小，但这- - + 的变化直接影响了光纤带宽。因此， 带宽的稳定性测试也需进行。 实验发现折射率分布的热稳定性和使用的掺杂材料有很大的关系。为了增大光纤的数 值孔径，需要高的掺杂浓度，但这会减弱折射率分布的稳定性。因此要求掺杂材料具有大 的折射率和差的增塑效应。以上测试都是在室内湿度下进行，必须指出高的湿度对p o f 带 宽和损耗都有影响。 1 3 本文工作和章节安排 信息高速局域网的关键聚合物光电连接材料和系统，是中科院知识创新工程。针对2 l 世纪信息领域的国家经济和国防安全的重大需求，中国科学院化学所联合浙江大学信电系、 中科大材料系与物理系等研究单位，发展中国拥有自己独立知识产权的折射率梯度分布聚 合物光纤( g ip o f ) 生产技术及信息高速局域网或接入网集成示范系统。根据我国国情， 对信息高速局域网或接入网集成系统开展研究，是信息通信技术高速发展、国家经济和国 防安全重大需求所决定的，以期在关键的新型信息材料和器件领域拥有自己特色的理论和 技术成果，这对我国在2 1 世纪信息科学技术和国民经济的发展将具有重要意义和产生深远 影响，将为我国的国民经济的持续快速发展作出重要贡献。 该项目总体目标是： 1 ) 发展具有原始技术创新、拥有独立知识产权的的g ip o f 制各技术和测试系统。 塑望查堂堡主竺呈些堡苎 蔓! 童堑堡 2 ) 形成信息高速局域网的关键聚合物光电连接材料宽频低耗聚合物光学纤维产业化 技术。 3 ) 完成信息高速局域网示范模型的系统集成。 本文围绕这一项目做了一些研究探讨，在大量文献、专利调研的基础上开展预研，通 过对g ip o f 的基础理论研究，对建立一个基于计算机辅助拍摄处理计算的测量折射率分布 的系统做了设计和分析。本文主要的工作及成果包括： 1 ) 了解国内外最新塑料光纤研究成果，讨论了塑料光纤在短距离局域网的应用前景和 可行性。 2 ) 介绍了渐变折射率塑料光纤的基本参数和制各过程。 3 ) 研究了使用聚焦法来测定o ip o f 折射率分布中的理论基础。 4 ) 设计了测量折射率的实验装置和设备。 5 ) 开发了图象处理和分析软件，使用计算机辅助计算折射率分布。 6 ) 对设计的实验和软件进行分析和讨论，总结了误差来源。 全文共分6 章，各章安排如下： 第1 章，首先介绍了近年来网络与通信的发展的背景，说明家庭网络对带宽的要求即 将有一个质的飞跃，从而引出了使用塑料光纤的意义和应用场合；还阐述了测量塑料光纤 的参数对于了解光纤性能的重要性，分析了色散、带宽、衰减等参数。 第2 章，讨论通信用渐变折射率塑料光纤( g ip o f ) 。首先分析了传统通信网络媒质 和光纤的区别；然后系统介绍了短途通信用的塑料光纤和g ip o f 的性能。 第3 章，介绍了各种常用的测量光纤折射率分布的方法的特点，阐明了使用聚焦法的 意义和优越性；然后详细论述了本文所使用的聚焦法的工作原理，光束偏转和实验目的的 关系，对于复杂数值积分的考虑，推导和证明了一些作为理论基础的公式。为具体实践做 好了基础准备工作。 第4 章，具体的设计了使用聚焦法测量g ip o f 的折射率分布的实验，介绍了一些关键 设备的设计和原理，讨论了实验遇到的一些问题的处理和介绍了采用的图象采集卡和摄像 头的性能：然后提出了图象拍摄处理计算的程序设计思想和设计流程，具体分析了几个关 键功能的实现，分析了拍摄的g ip o f 的图片和计算的折射率分布数据的结果。 第5 章，对第4 章的方法进行了严密的误差分析，讨论了折射率差n ( r ) 一r 1 2 的误差 和光强的随机误差的关系和折射率差n ( r ) 一r 1 2 的误差和光源强度的长期涨落的关系两个 误差的来源，并给出做了具体数值的计算表明来聚焦法测量的误差情况。 第6 章，对本文进行了总结。并展望了未来p o f 的广泛应用和发展前景。 1 2 浙江大学硕士毕业论文 第2 章渐变折射率塑料光纤简介 2 1 引言 第2 章渐变折射率塑料光纤介绍 对于光纤来说，不论它是什么材质，都不受电磁噪声的影响。这是光纤比以非屏蔽双 绞线为代表的铜线优越的一个重要之处。而石英玻璃光纤以其衰减小、带宽高等优点被用 作远距离、高速率、大容量公用网的光传输介质。但是以其原料纯洁、制造复杂、价格昂 贵、接续困难等缺点制约了其大量用作短距离接入网光传输介质。 正是为降低短距离接入网中光纤网络终端用户的光纤接入成本( 即传输介质、接续施 工等) ，世界各国都在研究新一代短距离光传输介质塑料光纤。塑料光纤比玻璃光纤 价格便宜，使得总体费用较低。塑料光纤的优点是制造简单、价格便宜、接续快捷等。故 其最适宜作为局域网中短距离通信、有线电视网、室内计算机之间的光传输介质。 目前，塑料光纤可以提供一个高速的、中近距离的、廉价的、不受电磁干扰影响的桌 面局域网系统的最终解决方案，这也是异步传输模式局域网( a t m l a n ) 和快速以太网( f a s t e t h e r n e t ) 的要求。 2 2 传统网络传输媒质和光纤的比较 目前在使用的网络传输媒质主要有：铜线有非屏蔽双绞线( u t p ) 、屏蔽双绞线( s t p ) 和同轴电缆。光纤有玻璃光纤、塑料包层玻璃光纤( p c f ) 和塑料光纤( p o f ) 。 使用铜线作为网络传输媒质，各地电位不全相同，或者地电位上带有很强的干扰噪声， 外界的强电磁干扰很容易通过传输线路耦合而进入通信系统。传输线路本身也对周围造成 辐射干扰，数据速率越高，辐射越强。这些影响可能削弱信号的传递和危及通过网络的关 键数据。线路终端始终需要负载匹配，否则就会引起信号反射。铜线在使用中至少有以下 四种电气危害非常明显：( 1 ) l a n 电缆或部件和照明电路的直接接触；( 2 ) l a n 电缆和部件 上累积的静电荷；( 3 ) 耦合到l a n 电缆系统