塑料光纤/聚合物光纤（精选7篇）
塑料光纤/聚合物光纤 篇1
0 引 言
随着空间技术的发展,迫切需要一种在辐照环境下仍能正常传输信号的光纤。人们对耐辐照石英光纤做了大量的研究[1,2,3,4],取得了不小的进展。然而石英光纤由于其材质的原因,在卫星发射的猛烈震动下容易断裂(特别是作为光传输通道用的粗光纤),因而耐辐照石英光纤不能满足空间技术应用的要求。而塑料的硬度很高,倘若用塑料取代石英,制作耐辐照塑料光纤,那么这个问题就可以迎刃而解了。目前,研究耐辐照塑料光纤的机构很少。美国佛罗里达大学Stan研究组致力于闪烁光纤的耐辐照研究[5,6],虽然闪烁光纤也是用塑料做成的,但其提出的方案不能直接应用于耐辐照塑料光纤。比如,他们提出用聚硅氧烷系列材料来代替聚苯乙烯做纤芯,但实际上聚硅氧烷系列材料的透明度不是特别高,损耗比较大,不适合做光纤的材料;并且这种材料的硬度比较低,因而也不适合空间技术的应用。本课题组在塑料光纤的辐照效应方面做了一些基础工作[7,8,9,10], 但仅仅给出了普通塑料光纤在辐照下的光信号透过率的变化,而没有给出如何预防或减小这种变化的方法。我们对耐辐照塑料光纤的设计作了一些尝试性研究,提出两种可以从根本上提高塑料光纤耐辐照能力的方案。
1 聚合物的辐照效应
高能辐照作用于聚合物将会在聚合物分子内部产生电离和激发,从而导致一系列辐照效应:分子链之间形成化学键——辐照交联;大分子主链断裂,平均分子量下降——辐照裂解;不饱和键含量发生变化;氧化及产生一些陷落自由基;释放出气体;产生异构化和环化反应等。这些变化过程可以同时发生,各种过程进行的相对速度取决于聚合物的化学性质。这些变化都可能导致聚合物材料物性方面的改变,如结晶度、玻璃化转变温度、熔点、密度、溶解性能、电性能、弹性模量、抗张强度、硬度、透气性等。
以上变化中,最核心的是聚合物分子链的断裂和交联,这两种效应同时进行,但有些物质以断链为主,而有些物质以交联为主。辐照交联是聚合物分子之间通过键桥联在一起的现象,其结果是聚合物分子量随吸收剂量的增加而增大。辐照裂解是聚合物在高能辐照作用下主链发生断裂的过程,生成两个或多个较短的聚合物分子,结果是聚合物分子量随吸收剂量的增加而下降,甚至有些聚合物分子裂解变成单体分子。分子量的变化将导致物质熔点、硬度、密度、强度、特性黏度等的变化。辐照稳定性不但与聚合物内部的能量转移有关,还与分子的空间效应有关。
目前常用的塑料光纤纤芯材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚碳酸酯(PC)。塑料光纤在辐照下,由于分子结构的改变,光纤损耗会增大。为了研究辐照剂量与光纤损耗间的关系,我们观察了一根塑料光纤在不同剂量的辐照下信号的透过率,并与一根同规格的未被辐照的光纤的透过率进行比较,获得辐照感生的损耗,即:
式中Tr为辐照后的信号透过率,T0为辐照前的信号透过率。实验表明,在较低的辐照剂量(<102 Gy)下,光纤损耗较小,且基本上可以在5天内恢复,但当辐照剂量较大(>103 Gy),时,光纤损耗较大,恢复时间也增加了,并且一部分损耗是永久性的。例如,1 m长的PMMA塑料光纤在辐照剂量104 Gy下,将产生2.86 dB的初始损耗,尽管这些损耗有一部分可以得到恢复,但是最终还是有1.2 dB的永久性损耗。
2 金属共聚物设计方案
在有机聚合物材料中混入一定比例的金属氧化物[11,12,13],在一定条件下共聚,可以形成能吸收部分射线的材料。这些材料除了可以吸收射线,起到防护作用外,还可以改善材料的其它物理化学性能,如稳定性、硬度、玻璃化转变温度和折光指数等。
在透明树脂分子链中引入金属氧化物后需要考虑材料透光率问题。引入金属的有机材料,在某些混合比例条件下会变得半透明甚至完全不透明,这种现象叫分相。因此,需要研究不同单体比例下,共聚材料的透光率变化,并用相图的形式来表示。在确定各种单体的配比时,需要参照该相图,确保共聚材料的高透光率。实验表明,在金属氧化物含量不是很高,质量分数低于30%的情况下,共聚物的透光率在可见光和红外波段变化不大(略有减低,但金属质量分数越高,减低程度会增大),而紫外波段透光率很低。但是,考虑到实际应用中塑料光纤工作在可见光或850 nm窗口,在这些波段金属材料对信号光的吸收很小,因而该方案可行性是很大的。
镉(Cd)、铅(Pb)、钡(Ba)、钆(Gd)以及镝(Dy)形成的金属有机共聚物具有较好的射线吸收能力。其中,镉对x射线和热中子的吸收很强,铅、钡、钆、镝对x射线和γ射线的吸收很强。金属有机共聚物对射线的吸收视金属在共聚物中的质量分数而定。金属的质量分数越高,则吸收越强。10%铅的共聚物可以吸收99.8%的x射线和2.3%～4.4%的γ射线;24%铅的共聚物可以吸收近100%的x射线和10.0%～15.2%的γ射线。钆、镝有机共聚物吸收射线的能力更强,0.5%钆的共聚物可以吸收86%的x射线和4.8%～16.5%的γ射线;2%钆的共聚物可以吸收92.9%的x射线和5.5%～24.6%的γ射线。因此,在透光率、工艺、成本等兼顾的情况下,可考虑适当提高金属的质量分数。
考虑到金属有机共聚物在拉丝工艺上的困难,可以考虑用这种材料作包层,而纤芯还是用传统的聚合物材料来制作。由于钆和镝属于稀土金属,比较昂贵,这里主要考虑铅和钡的金属共聚物。甲基丙烯酸铅(Pb(MA)2)、甲基丙烯酸(MA)、 苯乙烯(St)的共聚物折射率为1.52～1.57;肉桂酸钡(Ba(CA)2)、MA、St的共聚物折射率为1.55～1.59。可见含铅共聚物的折射率小于PS(聚苯乙烯)的折射率(1.58～1.60),但大于PMMA的折射率(1.49～1.50)。因此,选用Pb(MA)2、MA和St的共聚物做包层,PS做纤芯。
实验证明,当三者的质量百分比为20%∶40%∶40%时,竞聚率为0.2,因而可以实现很好的共聚,且这种配比的共聚物在相图上是透明的,因而可以很好地应用于实际中。
3 有机材料添加剂设计方案
裂解断链是聚合物的主要辐照效应,这一效应导致了聚合物材料的稳定性发生变化,并最终引起塑料光纤的损耗增大。多年以来,科学家和工程师们致力于防塑料降解的研究,提出了一些切实可行的方案,其中采用有机材料添加剂的方案可以在塑料光纤中应用。
有机材料添加剂在辐照激发下,会与聚合物单体竞争,吸收辐照能量,起到保护聚合物材料的作用。这种保护的实质是一种能量的转移。因此,只要被辐照激发的聚合物分子有相对较长的寿命,在它们发生断链以前,能量可以分散于整个大分子结构,这些能量就可以为这些添加剂所吸收。
在PMMA中引入10%的有机添加剂,如烯丙基硫脲、二间甲苯基硫脲、苯胺、8-羧基喹啉或苯基喹啉,都能对PMMA起到保护作用。由于PMMA的辐照效应主要体现在分子链断裂降解,因此可以用分子量变化的情况来反映其受辐照的影响程度。表1列出了各种添加剂对PMMA断链降解的保护情况,其中保护系数S定义如下:
式中Re为在无添加剂时产生给定分子量变化所需的辐照剂量,R为在有添加剂情况下产生同样分子量变化所需的辐照剂量。表1中的单位剂量是指在密度为1017/cm2的慢中子流下辐照16 h。
注:1) PMMA的原始平均分子量约为3.5×106。
从表1中可以看出,不同的添加剂对PMMA的降解有不同程度的保护作用,其中,二间甲苯基硫脲和苯基喹啉的保护作用最为明显。将这种添加剂引入塑料光纤,可以减小聚合物的断链,提高光纤的稳定性,降低光纤的辐照感生损耗。保护系数S越大,光纤感生损耗越小。因此,可以用这两种添加剂中的一种掺入PMMA,制作耐辐照塑料光纤。
跟引入金属氧化物相比,采用有机添加剂的方案有两个优点:a.重金属往往有毒,特别是铅,其毒性很大,因而用重金属氧化物做成的耐辐照光纤在人流比较多的场合要慎用,而有机添加剂是没有毒性的;b.金属质量很大,引入金属氧化物后,塑料光纤质量增加从而影响其应用,因而在同样的性能下,有机添加剂的方案更可行。
4 结 论
本文分析了塑料以及塑料光纤在辐照下的效应,提出了两种耐辐照塑料光纤的设计方案,第一种方案利用塑料和金属氧化物的共聚物做包层,PS做纤芯。由于金属可以吸收一部分射线,这种塑料光纤有一定的耐辐照作用。第二种方案采用在聚合物中引入有机添加剂,这些添加剂能够与聚合物单体竞争吸收辐照能量,有利于保持聚合物分子的稳定性,因而也能起到较好的耐辐照作用。这两种方案的核心思路都是能量的转移,通过吸收射线,保持塑料光纤性能的稳定,从而起到抗辐照的作用。
塑料光纤/聚合物光纤 篇2
梯度型聚合物光纤中折射率分布的洛仑兹函数模型应用
利用洛仑兹函数对梯度型聚合物光纤(棒)中折射率分布曲线进行模拟, 建立折射率分布的`洛仑兹函数模型. 该模型只需掺杂物的初始浓度、分子体积和聚合温度3个基本参数. 利用该模型对各种高折射率的掺杂物掺杂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制备的梯度型聚合物光纤中的折射率分布进行了预测, 发现掺杂物的折射率比分子体积对折射率梯度的影响更大; 惰性掺杂物中二苯硫(DPS)掺杂效率最高; 共聚掺杂物中苯甲酸乙烯酯(VB)掺杂效率最高.
作 者：储九荣 温序铭 丁文 徐传骧 作者单位：储九荣(西安交通大学电气工程学院,西安,710049;中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710068)温序铭,丁文,徐传骧(西安交通大学电气工程学院,西安,710049)
刊 名：高等学校化学学报 ISTIC SCI PKU英文刊名：CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 年，卷(期)： 24(4) 分类号：O631 关键词：梯度型聚合物光纤 折射率分布 洛仑兹函数新型色条塑料光纤光缆的研制 篇3
由于塑料光纤（Plastic Optical Fiber，POF）具有无电磁干扰和辐射，保密性、安全性、抗干扰能力极强，连接简单，操作方便，无需接头等优点，因此近年来广泛地应用于信息传输、电力、工业传感及工控、汽车等领域。为了保证POF的传输性能、机械力学性能以及耐环境性能，POF外层再套一层黑色聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）或尼龙（PA）等护套，形成POF光缆。
1 色条POF光缆的特点
在数据传输领域应用中，为了实现全双工或者多点控制，保证铺线的紧凑美观、不凌乱，很多场合下POF光缆大都采用平行双芯光缆、平行4芯光缆或其他多芯光缆。在现有的技术中，POF光缆的外观颜色为同一颜色，当多根光缆同管、同槽敷设时或多芯光缆在使用时，存在不易辨认的缺点，这增加了安装、维护以及检测等困难。为了易于标识，目前通常采用油墨喷码、机械印码、激光印码、全彩缆、热缩管标识等方法，但这些方法在生产和应用中存在各种问题。下面对各种光缆标识方法进行对比：
（1）油墨喷码方法的优点是可在PVC护套的光缆上标识型号规格、生产厂家以及计米。缺点是喷码机价格昂贵，耗材消耗较大；油墨在光缆表面黏附力差，在使用环境以及机械摩擦下容易脱落；标识不是太明显，需仔细辨认；适应性不强，当光缆直径小于3.0mm时，喷码困难。
（2）机械印码方法的优点是投资较少。缺点是当3根以上光缆同槽、同管使用时，标识困难；机械印码的油墨裸露在空气中，挥发大，不利于环保；油墨在光缆表面黏附力差，在使用环境下以及机械摩擦下容易脱落；容易损伤光缆外观，并对光纤的传输性能产生影响。
（3）激光印码方法的优点是可标识图案文字。缺点是当3根以上光缆同槽、同管使用时，标识困难；激光印码机价格昂贵，设备维护困难；激光印码对光缆表面有损伤，降低了光缆的美观度。
（4）全彩光缆方法的优点是颜色鲜艳，标识明显；不增加设备投资。缺点是全彩护套材料没有添加炭黑，护套的耐老化性能较差；由于全彩护套材料是本色透明护套料加相应色母料，抗紫外线性能较差，且可透过护套表面看到光纤漏光，影响使用效果；外界光线容易干扰光纤中的信号传输。
（5）热缩管标识方法的优点是不增加设备投资。缺点是热缩管的切断及固定需要花费大量的时间，生产效率低下，不利于工业化生产；人工成本较多；热风枪固定热缩管色标时容易烫伤光缆，降低了产品的合格率，增加了生产成本；后续的使用过程中热缩管色标容易脱落，增加了标识难度，也影响了产品外观。
对此，四川汇源塑料光纤有限公司开发了一种结构简单、易于识别的具有色条标识的（多芯）POF光缆，并对其申请了相关专利：专利号ZL201020135905.7（具有色条标识的塑料光纤光缆）和专利号ZL201020575693.4（具有色条标识的多芯塑料光纤光缆）[1,2]。色条标识方法的优点是在多根光缆同管、同槽使用时，光缆上不同颜色色条具有明显标识优势；色条POF光缆与传统POF光缆的传输性能、机械力学性能以及耐环境性能相同，保证产品的性能稳定；可实现工业化连续生产，大大提高了生产效率；可生产不同直径规格的光缆，适应性强。该方法的缺点是需要增加一台小型色条挤出机。
2 色条POF光缆的结构
色条POF光缆是在传统的POF光缆的护套层中嵌入一条或多条连续的或间断的色彩鲜艳的色条，使光缆在安装、维护及检修时容易识别，确保连接正确，其典型结构如图1所示。
3 色条POF光缆的护套选材和挤制
色条POF光缆的护套材料应具有可绕性、易于敷设、耐磨性好、耐老化性优异、耐环境应力开裂、耐热、耐气候老化、耐低温脆性等性能，在某些应用场合还需要具有阻燃性。因此，一般选用PE、PVC、PA、聚氨酯（PU）以及其他一些热塑性聚烯烃护套料。色条护套料是在上述本色护套料中加入一定比例的色母粒，并在塑料混合机上混合均匀。通常要求本色护套料、色母粒与主护套料的性能一致，以保证色条护套料与主护套料在机头处汇合时完全相容。为保证色条POF光缆表面光滑，不管是主护套料还是色条护套料都需要干燥处理。根据护套材料的不同，干燥温度设置在65～100℃，干燥时间2～4h；挤出机料斗一般选用干燥料斗，并配合真空上料装置，以实现及时的供料并进行护套干燥。
根据色条POF光缆的结构，在生产色条POF光缆护套时需要两台挤出机，其中一台主挤出机用于黑色护套料挤出，另一台色条挤出机用于彩色色条（如红色、黄色、绿色、白色等）挤出。一般色条POF光缆的外径为2.2mm，双层护套色条POF光缆的外径为3.0～6.0mm。总体来说护套厚度不厚，挤出量不大，故主挤出机一般选用螺杆直径为30mm或者45mm的单螺杆挤出机；对于挤出量更少的色条挤出，色条挤出机我们选用了螺杆直径为20mm或30mm的单螺杆挤出机；为保证护套料充分塑化，选用长径比30∶1的螺杆。
POF通过放线架并穿过机头的模芯，两种护套料在机头处交汇，并在机头的模套出口处包覆POF，再经过冷却、牵引、收线等工序，最后卷绕到光缆盘，整个色条POF光缆的护套生产工艺流程如图2所示。色条POF光缆护套挤制工艺流程的关键在于主护套料与色条护套料的相容性和色条POF光缆护套的包紧度，同时还要严格控制挤出机的温度，在保证光缆表面光滑的前提下，应防止因温度过高而烫伤POF，导致POF损耗的增加。
注：1）对于双芯POF光缆DCW-1000的结构尺寸的检测要求为（2.2±0.1）mm×（4.4±0.1）mm，其检测结果为（2.14～2.27）mm×（4.22～4.45）mm，同时两芯光缆撕裂性良好。
挤出模具可分为挤管式、半挤压式和挤压式。其中挤管式模具的生产效率较高，但需增加真空泵抽真空的方式来保证色条POF光缆护套的包紧度；而挤压式模具的生产效率不高，但无需增加真空泵的情况下就可以保证色条POF光缆护套的包紧度。对此，我们根据产品要求，选用相应的模具，并设计了的具有调节偏心功能挤出模具，以保证色条POF光缆的同心度。
挤出温度是生产色条POF光缆的关键工艺参数，一方面它决定了护套材料的塑化效果，另一方面又会影响POF的直径进而影响POF的损耗。CCR-1000（红色色条）POF光缆护套的挤出温度的设置如表1所示。实际生产中，应根据光缆外观、光缆直径以及光纤损耗等主要指标，对挤出温度以及其他相关参数进行设置和调整，以期获得最佳的生产工艺参数。
℃
4 色条POF光缆的性能
目前我公司生产的色条POF光缆的型号有：CCR-1000（红色色条）、CCY-1000（黄色色条）、CCG-1000（绿色色条）、CCW-1000（白色色条）、DCW-1000（白色色条的双芯光缆），也可以根据客户的要求，提供其他颜色的色条POF光缆。经检测，这些型号的色条POF光缆的各项性能指标均满足要求，其检测结果如表2所示。
本公司生产的色条POF光缆外观光滑，色条标识鲜明，不容易改变，使光缆在使用安装、维护及检修时容易识别，确保连接正确。色条POF光缆与传统POF光缆的传输性能、机械力学性能以及耐环境性能相同，保证了产品的性能稳定。另外，实现色条POF光缆只需增加一台小型色条挤出机，其生产是连续生产，大大提高了生产效率，可实现工业化连续生产。色条POF光缆在生产、应用中具有显著的优势，因而其将有较好的发展前景。
参考文献
[1]张海龙,吴祥君,储九荣,等.具有色条标识的塑料光纤光缆:中国,ZL201020135905.7[P].2010-03-19.
双包层聚合物光纤放大器的研究 篇4
聚合物光纤的芯直径很粗,连接耦合方便,而且可以使用廉价的连接器和耦合器,是光纤局域网的理想传输介质。但存在的问题是其损耗较大,限制了通信距离,因此,对POFA性能的研究也就成为必然。本文主要研究双包层POFA的泵浦问题,提出一种新的方法来计算泵浦光的吸收系数,从而能够更精确地找出最佳的双包层结构,并且根据新的方法能准确地计算出最佳光纤长度。
1 双包层POFA的泵浦问题
1.1 泵浦光的吸收效率
在有吸收的双包层光纤模式场的传输过程中,双包层光纤放大器为了增加泵浦光的耦合效率,内包层和外包层之间的折射率差应该比较大,数值孔径也较大,而芯区和内包层之间的折射率差应比较小,以保证芯区内信号光的单模传输。对于双包层POFA,虽然不要求芯区是单模的,但是芯与内包层之间的折射率差还是要尽量的小。
1.2 泵浦光的吸收系数
在处理泵浦光在芯区传输的问题时,为了简化问题,将内包层与芯区的折射率差忽略,认为泵浦光是在内包层和外包层所组成的多模光纤中传输,内包层和纤芯的主要差别是它们对泵浦光的吸收系数不同。这样处理使问题简化了许多,且误差较小。所以能否精确计算泵浦光的吸收系数对于最佳双包层结构的选取至关重要。
本文以同心圆为例对模式场进行分析研究,对于计算泵浦光吸收系数,首先采用传统的计算平均值方法,然后再用特定函数法,通过计算、仿真,得出实验结果。
2 泵浦光吸收系数的计算研究
在研究有吸收的介质时,可以认为介质的折射率undefined是一个复数,实数部分nR就是介质的一般折射率,而虚数部分nI则表征介质对光功率的吸收。通常nI≪nR,那么有吸收的光纤中的模式场问题就完全可以用微扰理论来处理。
2.1 同心圆结构吸收效率
芯半径为r0,内包层半径为R0,内外包层是同心圆,其中r0=80 μm,R0=400 μm。为了减少计算量,在处理内模式场为同心圆的模式场时,考虑到模式场主要分布在焦散面和外包层之间,可以认为所有满足焦散面半径大于纤芯半径的模式就是未被吸收的模式场的集合。对于同心圆光纤,用本征方程表示如下:
undefined
式中,U=(kundefinednundefined-β2)1/2;V=k0(nundefined-nundefined)1/2为归一化频率;λ为波长;k0=2π/λ;n1、n2分别为纤芯和外包层的折射率;β为传播常数;m和n为模式数目;N为模式的总数。根据方程(1),求出Umn和模式的总数N=4π2Rundefined(nundefined-nundefined)/λ2,根据吸收效率的公式η=(N-M)/N,可以得到泵浦光吸收效率η,式中,M代表不能被吸收的模式的数目。光纤芯区功率百分比为undefined, 式中,S为对积分区域面积的积分;φm为模式m的横向场。图1给出了m=50时的光纤芯区功率百分比,其他的m也有类似的结果。
把解出的N和M值代入η=(N-M)/N中,求得吸收效率η=0.254。
2.2 平均值法获取吸收系数
以往在计算增益特性时,一般都是采用传统的功率传输方程和速率方程。方程中的undefined按以往的惯例来计算,由于双包层光纤中模式数目极多,而且每个模式的芯区功率百分比γm各不相同,因此对于可以被吸收的泵浦光功率而言,吸收系数通常是做平均处理,即对γm作平均。计算结果表明,同心圆的≈r0/R0,这种方法存在着一定的局限性,在后续的增益特性计算中也只能代入一个具体的数值,而不是一个函数,一个变量,这会造成结果的精确度存在着一些问题,使结果不是很严谨。
2.3 特定函数法获取吸收系数
为了使计算更准确,本文对undefined做了修改,希望能用一个精确的函数来代替原有的常数,这样在后续的增益特性计算中就可以将函数形式的undefined代入,求出精确的解。
首先将原表达式化简为undefined,可以表示成一个常数,利用公式undefined,式中,z为模式的总数目,i的取值为0～z,计算过程中取z为500,代入计算得出一组相应的数值,以得到的数值为基础,利用Mathematica数学工具构造方程进行求解,经过大量的分析比较,得到了特定函数undefined
为了验证所得函数的正确性,根据特定的函数undefined就可以很精确地画出图形,同心圆双包层光纤吸收系数如图2所示。
对根据特定函数undefined得到的图形,采用对特殊值进行分析的方法,也就是对最大值、最小值和拐点以及取值的区间进行的分析比较,发现取得的结果完全符合要求,验证了使用特定函数计算吸收系数的正确性。
3 POFA的增益特性
利用上述模型可以计算出掺罗丹明B的双包层POFA的增益特性。在信号光和泵浦光功率传输方程和速率方程初始条件已知的情况下,利用增益公式undefined, 其中z为模式数目,就可以确定放大器的增益特性。下面分别介绍如何采用平均值法和特定函数法来获取最大增益。
3.1 采用平均值法获取最大增益
当泵浦功率为7 kW,信号光功率为0.01 mW,undefined0.2时,同心圆结构的POFA最大增益约为15.95 dB。同心圆结构的POFA信号增益与光纤长度的关系曲线如图3所示。
3.2 采用特定函数法获取最大增益
当undefined时,根据z的取值,取到500,可以得出一组具体的数值,使用Origin画出图形,利用增益公式undefined,得出信号光的最大增益为12.34 dB, 同心圆结构的POFA的信号增益与光纤长度的关系如图4所示。
从图中可以看出,用此函数能很好地描述信号光的增益,计算结果精确,更具有科学性。以后可以根据方程精确计算得到最大同心圆结构的POFA的信号增益对应的光纤长度的值,这样就可以根据最大增益确定最佳光纤长度。
4 结束语
本文主要研究了双包层POFA的泵浦问题,重点计算了同心圆结构的泵浦效率和泵浦光的吸收系数,对以往的泵浦光吸收系数的平均值方法进行改进,得到了精确的用特定函数进行计算的方法,为以后选取最佳双包层结构提供了很好的模型。最后通过对POFA的增益特性的计算得到了验证。
参考文献
[1]陈婉,董淑福,刘红军.双泵浦光纤参量放大器光纤长度的选取研究[J].光通信研究,2008,(2):51-53.
[2]张宁,于荣金.一种用于塑料光纤接入网的多优先级控制协议设计[J].光子学报,2003,32(10):1 192-1195.
[3]史洪印,于荣金,李炳新,等.双包层塑料光纤放大器热漂白现象的研究[J].光电子.激光,2002,13(7):657-660.
[4]Doya V,legrand O,Mortessagne F.Optimized ab-sorption in a chaotic double-clad fiber amplifier[J].Optic Letters,2001,26(12):872-874.
短距离高速率传送用的塑料光纤 篇5
塑料光纤 (Plastic Optical Fiber, POF) 是纤芯和包层均由塑料组成的光纤。与石英玻璃光纤相比, POF具有芯径大、柔韧性好和接续方便等特点。POF的大芯径使得其连接不需要采用高精度定位连接器件, 允许使用注塑连接器, 从而大大降低了连接成本。POF具有的良好柔韧性使得施工安装更为简单和快捷。因此, POF目前主要用于短距离、高速率通信, 如用作局域网和数据中心的连接等的传输媒质。
为了推动POF的实用化进程, 日本、美国和德国等发达国家的著名大学和研究机构一直在致力于POF的制造工艺、衰减和带宽等传输性能、简易连接器件、接续方法和配套的传输系统的研究。截止至2008年, 发达国家对POF光器件和传输系统的研究已经取得了一系列令入瞩目的成果, 例如低衰减 、高带宽氟化聚合物梯度折射率分布塑料光纤 (Perfluorinated Polymer Graded-Index POF, PF GI-POF ) 、塑料光缆、接续与成端方法和试验传输系统已逐渐转入实际工程应用。
本文综述了2008年世界光纤会议文献所报道的POF及其传输系统的最新研究成果, 以供从事短距离、高速率传送研究工作的读者参考。
1 光纤性能
1.1 衰 减
自1968年美国的Dupont公司开发出第1根阶跃折射率分布聚甲基丙烯酸塑料光纤 (Polymethyl Methacrylate Step Index POF, PMMA SI-POF) 至2000年日本硝子玻璃公司推出了PF GI-POF商品 (其商品名称为“Lucina”) , 人们对POF的研究定位在两个方面: (1) 制造出低衰减、高带宽的POF; (2) 推动POF传输系统工程应用。
POF的研究重点是降低衰减和提高带宽。GI-POF的衰减是由吸收、散射和弯曲损耗共同作用所决定的。要想制造出低衰减的GI-POF, 具体措施如下: (1) 选择与纤芯材料结构相似的掺杂剂来减小散射损耗; (2) 降低掺杂剂的浓度来降低散射损耗; (3) 利用掺杂方法降低纤芯材料的本征吸收损耗等。
减小POF衰减的最具体的做法是:选择吸收损耗小的材料作为纤芯, 如以PMMA为纤芯基本材料, 选择小分子量的掺杂剂 (其结构与PMMA相似) 掺入纤芯PMMA中, 通过界面凝胶聚合反应, 可以形成所需要的梯度折射率分布结构。由于选用的掺杂剂的结构与PMMA相似, 减小了因掺杂剂和纤芯材料PMMA的结构不均匀所造成的散射, 从而大大降低了POF的衰减。
我们也可以利用具有高折射率的小分子材料作为掺杂剂, 使其掺杂浓度下降, 减小因纤芯和包层材料不同而引起的光散射。这种掺杂方法可以降低纤芯材料的本征吸收损耗。众所周知, POF一般是用碳氢聚合物制造而成的。由于碳氢键伸展振动, 使得这种聚合物呈现出非常大的本征吸收损耗。然而, 通过以氟置换碳氢聚合物中的碳氢键中的氢, 可以制造出在波长1 310 nm处衰减非常小的PF GI -POF。表1 给出了两种已经进入商用的塑料光纤 (PMMA GI-POF和PF GI-POF) 的性能。由表1可以看出, PF GI-POF的性能优于PMMA GI-POF, 原因是PF材料的性能比PMMA材料的性能好得多[1]。
1.2 带 宽
由光波理论得知, 限制多模光纤带宽的主要因素是模间色散。减小模间色散的惯用做法是力求在多模光纤径向形成一个平方律的折射率分布。为了定量分析PF GI-POF的折射率分布和带宽之间的关系, 可以用指数律公式 (1) 来描述PF GI-POF纤芯的折射率分布。式 (1) 既可以解释PF GI-POF的折射率分布形状, 又可以解释优化折射率分布的GI-POF的最大带宽:
式中, g为折射率指数的参数;n1和n2分别是纤芯和包层的折射率;r为离开纤芯中心的距离;a为纤芯半径;Δ为相对折射率差, Δ=n
因为PF GI-POF的折射率分布直接影响着PF GI-POF的带宽大小, 所以精确地控制折射率分布形状和折射率指数g对PF GI-POF的带宽起着十分重要的作用。为提高 PF GI-POF的带宽, 在制造PF GI-POF时, 要想方设法降低模间色散、材料色散和折射率分布色散。提高PF GI-POF带宽的具体做法是通过调整预制棒芯区聚合反应速度来保证折射率指数g≈2.7。这样, 可使制得的PF GI-POF的最大带宽达到10 Gbit/s的水平。
商用PF GI-POF 的带宽是由其折射率分布形状所决定的。PF GI-POF的制造采用界面凝胶聚合法制造预制棒和高度拉丝两步工艺。界面凝胶聚合法的预制棒的具体制备过程如下:首先将制造纤芯的单体和为形成折射率分布形状而使用的掺杂剂的混合物注入一根作为光纤包层的聚合物管子里, 然后将装有混合物的管子放入一个加热炉内, 加热该管内的混合物使其在一定的温度下慢慢地聚合, 通过扩散聚合最终在由管芯至管边沿形成一个梯度折射率分布。在这个扩散聚合反应过程中, 随着聚合物管内壁的逐渐溶解和单体混合物不断增多, 进而在固-液界面处逐渐形成了聚合的凝胶相。在聚合的凝胶相中的掺杂剂浓度及分布直接决定着PF GI-POF的折射率分布形状。最后通过扩散聚合而制得预制棒并将其放入一个温度为220～230 ℃的拉丝炉内, 拉制成芯径为50～120 μm、外径为245～1 000 μm的PF GI-POF。
1.3 光纤性能
为了规范POF产品的性能, 推动POF在短距离、高速率传输中的应用, 国际电工委员会 (International Electrotechnical Commission, IEC) 制定了POF标准。该标准按照制造POF所用的基础材料不同, 将POF分成两大类:PMMA GI-POF和PF GI-POF, 并对每一类中的各个子类 GI-POF的几何尺寸和传输性能进行了具体的规定。有兴趣的读者可查阅IEC 60793-2-40标准。
在遵循IEC 60793-2-40标准的前提下, 日本三菱公司、日本硝子化学公司、日本硝子玻璃公司和法国Nexans公司都已经生产出了PF GI-POF和PMMA GI-POF商品。为了使我国的读者能够及时了解POF产品的性能情况, 表2列出了2008年世界光纤会议所报告的最新的POF商品性能参数与石英玻璃多模光纤性能的比较[2,3]。
2 系统应用
2.1 光缆接续
POF的纤芯粗, 其光缆结构简单, 接续可采用由两三个部件构成的注塑连接器, 这使得它们的连接既快又便宜, 从而可大大降低系统投资和施工费用。
PMMA GI-POF有两种应用形式:带有缓冲层光纤或带有紧套缓冲层但没有加强件的软线光缆。PMMA GI-POF软线光缆大多采用单芯或者双芯结构。PMMA GI-POF采用加热平板端接, 这种加热端接过程是将POF插入连接器插针, 切除多余的光纤, 用加热的镜面平板将光纤端头压至与插针头平整, 冷却已经形成的端头, 最后从端头上拆除加热镜面板。
PF GI-POF的应用形式采用的是具有增强材料的轻松套管光缆, 如以扁平光缆、8字形光缆形式进入实际工程应用。PF GI-POF的连接可以采用石英玻璃光纤使用的连接器, 如模塑插拔连接器 (SC) 、插孔闩锁连接器 ( LC) 等。商用时直接插拔SC连接器可以使PF GI-POF的终接变得既简单又方便。PF GI-POF一般采用抛光端接。
2.2 光收发模块
PMMA GI-POF光收发模块的工作波长为650 nm。现在一些光电器件公司已经开发出了供PMMA GI-POF使用的光收发模块产品。例如, 650 nm、250 Mbit/s塑料光纤光收发模块, 模块的性能满足IEC 62149-6标准要求。
PF GI-POF的工作波长范围为850～1 310 nm, 其光收发模块可以选择为石英玻璃光纤设计的通用光收发模块。这样既扩大了光收发模块的可选范围, 又提高了系统维护的可靠性, 从而为PF GI-POF在短距离、高速率传送中的推广使用奠定了坚实的物质基础。
2.3 系统应用
目前PMMA GI-POF主要用于短距离数据传输, 如工厂自动控制、数字音频接口和计算机局域网等。PF GI-POF具有低衰减和高带宽的特点, 所以其主要用作光纤接入网、数据中心连接等短距离、高速率传输系统的传输媒质。
为了探索PF GI-POF的短距离、高速率传输的性能, Arup Polley等人利用纤芯为50 μm的PF GI-POF, 在工作波长1 325 nm, 进行了传输速率为40 Gbit/s、传输距离为100 m的传输试验。试验装置由一个50 Gbit/s脉冲发生器、一个激光发射机、一段长度为100 m的被测PF GI-POF光缆、一个多模光接收机, 其后面接一个误码分析仪组成。
光发射机由低插入损耗、调制带宽>30 GHz 的铌酸锂强度调制器和工作波长为1 325 nm 、光谱宽度为3 nm的FP激光器组成。光接收机中所用的光电检测器的3 dB带宽>25 GHz, 且转换增益为13.6 V/W。在这个光电检测器后面接入一个线性后置放大器, 其增益为3 dB、带宽为30 kHz～38 GHz。被测光纤是通过SC连接起来的芯径为50 μm、长度为100 m的 PF GI-POF光缆。光信号通过一单模光纤注入PF GI-POF的输入端。在PF GI-POF的输出端, 光信号则是通过一段芯径为50 μm的梯度折射率分布石英玻璃多模光纤和一个自聚焦透镜耦合至光电检测器的[4]。
Arup Polley等人对上述试验系统进行了一些传输性能的测试。眼图和误码率的测量数据表明, 光纤码间干扰的光功率代价大约为1 dB。这个数据说明, 这条由PF GI-POF构成的传输链路的带宽-距离的乘积是目前POF构成的链路的世界最高水平。他们测得的每个连接器的光损耗<1 dB, 100 m的PF GI-POF链路损耗为3.4 dB, 从而进一步证明, 这个试验系统的光功率允许的传输距离可以达到200 m。
3 结 论
由上述短距离、高速率传输试验结果, 我们可以得到的结论是:PF GI-POF本身具有衰减低、工作波长宽、接续简单和接续快捷等特点, 而且与其配套使用的光收发模块、PF GI-POF光缆和连接器也已商品化。因此, PF GI-POF将成为局域网与数据中心连接的短距离、高速率传送的最佳传输媒质。
摘要：文章综述了一些发达国家塑料光纤、塑料光缆、光电器件、接续方法和传输试验系统的最新研究情况。由于氟化聚合物梯度折射率分布塑料光纤具有衰减低、带宽宽和价格便宜等特点, 故其在短距离、高速率传送中逐渐得到应用。文章阐述了降低塑料光纤衰减和提高塑料光纤带宽的具体措施。同时, 也描述了构建塑料光纤传输系统所用的光缆结构、接续方法和光收发模块。传输试验证明, 塑料光纤是短距离、高速率传送的最佳传输媒质。
关键词：氟化聚合物,梯度折射率,塑料光纤,通信系统
参考文献
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塑料光纤/聚合物光纤 篇6
智能电网具有显著的综合效益和广阔的发展前景, 已经成为全球电力工业应对未来挑战的共同选择。在这种背景下, 多个国家提出了加快建设智能电网的目标, 以全面提高电网的资源优化配置能力和电力系统的运行效率, 保障安全、优质、可靠的电力供应。
智能电网主要由四部分构成:高级计量架构 (AMI) 、高级配电运行 (ADO) 、高级输电运行 (ATO) 、高级资产管理 (AAM) 。技术上智能电网是通过以上四部分之间的密切配合来实现的。发展智能电网的顺序会影响成本和效益, 一般来讲AMI的实施是实现智能电网的第一步[1]。AMI系统是一个使用智能电表通过多种通信介质, 按需或以设定的方式测量、收集并分析用户用电数据、提供开放式双向通信的系统, 是智能电网的基础信息平台[2]。
目前在国内AMI系统普遍遇到了采集成功率难以提高和维护工作量较大的问题, 其主要原因是智能电表的数量巨大, 要在系统主站和每个智能电表之间建立一个实时、可靠、而且成本较低的通信通道是一件非常困难的事情, 也就是说, 通信是其中的核心问题。本文结合塑料光纤的特点, 提出了一种采用塑料光纤作为本地通信方式的设计方案, 可以有效解决智能电表和系统主站之间难以实时通信的难题。
2、国内AMI系统对通信的需求与现状
2.1 国内AMI对通信的需求
国家电网公司在建设AMI系统之初, 就对智能电表和AMI系统整体提出了全覆盖、全采集、全费控的总体要求。我们认为国内AMI系统对通信的要求有以下几个重要特点:
(1) 通信准确性、实时性要求高:由于用电信息采集涉及到计量等结算数据, 对数据的准确性要求很高;另由于预付费、远程通断电以及阶梯电价等功能的需要, 用电信息采集系统需要能及时实现和电表的可靠通信。
(2) 支持电表主动上报的能力:电表档案不清晰是AMI系统实用化的一个大难题, 最主要的原因是电表档案清理起来工作量巨大, 也容易出错, 还有一个重要原因是在运行过程中会不断新增、拆除、或者更换电表, 档案将不断变化, 需要通信技术来支撑表计档案的自动上报。
(3) 安装设置简单:由于电表的安装人员不具备专业的通信知识, 难以理解通信中的各类参数设置, 因此, 必须让通信的设置非常简单, 最好是不让他做任何设置, 能通过简单的指示灯来判断是否安装完成;
(4) 成本、功耗等指标要求严格:由于电表的数量巨大, 仅中国在运行的电表数量就达数亿只, 通信通道的成本、功耗需要控制在合理的范围。
2.2 用电信息采集系统的通信现状
目前, 一般将AMI系统中的通信部分分为两类, 一类是终端到系统主站之间的通信, 即远程通信;另一类是终端到智能电表之间的通信, 即本地通信, 系统结构如 (图1) 。
远程通信目前主要采用GPRS、CDMA、Ethernet、光纤等方式, 其中GPRS采用最广泛, 技术和应用都比较成熟, 从行业总体情况来看, 目前在运行的GPRS数据采集终端的上线率在9 7%左右, 总体情况较好。本地通信目前主要有电力线载波 (PLC) 、RS485总线和短距离无线三种方式, 这三种方式都有一定量的实际应用。近几年来, PLC技术有了较大的进步, 但由于电力线信道固有的诸多缺陷, 其在不同台区、不同时段, 通信成功率有较大差异, 还不能达到实时的可靠通信;RS485总线应用时间很长, 通信稳定可靠, 但RS485初始安装工程量比较大, 对安装工人的要求较高;短距离无线具有通信速度快的优点, 但存在无法穿越屏蔽、容易受到干扰的缺点。
正是在这种状况下, 我们设计了一种低成本的塑料光纤通信方案, 以解决目前智能电表和采集系统间本地通信的难题。
3、塑料光纤通信应用
塑料光纤 (Plastic Optical Fiber, 简称POF) 近几年发展迅速, 塑料光纤是由高透明聚合物如聚苯乙烯 (PS) 、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 、聚碳酸酯 (PC) 作为芯层材料, PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤[3]。塑料光纤与石英光纤相比, 塑料光纤在高速段距离通信网络中具有显著地竞争优势, 特别在1000m范围内带宽可达数GHz, 而成本则与对称电缆相当[4]。同时, 塑料光纤具有易连接, 可绕性好, 易于弯曲, 成本低等优势。
结合塑料光纤的优点, 我们提出了一种以塑料光纤做为本地通道的通信方案, 系统结构如 (图2) :
(图2) 中是一个智能电表箱的典型结构, 在每个智能电表箱中, 安装一个集中器, 集中器再分别采用一根塑料光纤和每个智能电表通信做为本地通信通道。每个集中器最多可接入16只智能电表, 集中器的面板上具有16个指示灯来分别指示每个光通道中的智能电表通信状态。每个智能电表中含有一个POF光通信模块, 此模块和国网智能电表的载波、无线模块兼容, 可直接替换, 每个POF光纤模块上也有一个连接指示灯, 此指示灯的闪烁状态可以指示塑料光纤模块和集中器之间、塑料光纤模块和智能电表之间的通信是否正常, 用于现场简单判断故障类型。
4、特点与优势
4.1 档案主动上报
由于每只智能电表到集中器之间有一个单独的通信通道, 因此智能电表可以主动向集中器上报档案和各类事件, 无论是新装、拆除、还是更换智能电表, 主站可以立即接到档案变动的事件报告, 这个特点具有重大的现实意义, 可以彻底改变目前智能电表档案难以核对的问题, 并且主站的档案将和现场同步变化, 不会因为各种拆换表而造成混乱, 大大简化电力公司的管理流程。
4.2 安装维护方便
工程人员在安装智能电表时, 仅比安装普通机械电表多一个动作, 即连接智能电表和集中器之间的塑料光纤, 其它不需要做任何的设置, 连接完之后, 还可以通过指示灯来判断是否连接好, 只要指示灯指示正确, 就说明安装工作全部完成, 其余都由智能电表和集中器自动完成, 解决了PLC、RS485总线、RF短距离无线等通信方式现场故障非常难以排查的问题, 大大简化了安装工作流程。并且在平时的故障排查中, 也可以通过集中器和智能电表上的指示灯, 简单地判断出是集中器、光纤、塑料光纤通信模块、还是智能电表的故障, 普通的工程人员经过简单培训就可以很快完成这类工作。
4.3 支持智能电表的高级应用
智能电表的核心问题是通信, 这是目前大家的共识, 解决好通信问题, 其它问题都将迎刃而解。显而易见, 塑料光纤通信方案为智能电表和主站之间提供了一个可靠、实时的通信通道, 不但目前的远程通断电、预付费、阶梯电价等功能能够轻易实现, 未来智能电表的各种高级应用也能通过这个通信通道来完成。
4.4 成本、功耗都能有效控制
由于塑料光纤的光收发器件比较便宜, 批量使用时, 智能电表中的光通信模块成本低于目前载波模块的成本。而且塑料光纤通信模块的平均功耗仅100m W, 峰值功耗不超过250m W, 使用这种光通信模块, 智能电表的本体不需要做改动。
5、结语
采用塑料光纤通信作为本地通讯方式的集中器与智能电表产品, 较好的解决了数据采集可靠性与实时性不高、档案设置与安装维护繁琐等问题, 较好的满足了用电信息采集对于通信技术的需求, 因此具有在未来AMI系统建设中广泛应用的巨大潜力。
摘要：本文分析了高级计量架构 (AMI) 国内应用的现状, 分析了AMI系统对于通信的要求, 提出了采用塑料光纤作为本地通信方式的设计方案, 使智能电表与系统主站之间实现实时通信, 并具有可靠性高、功耗低、投资相对较小的优点, 对于智能电表集中安装的环境, 这是一种用电信息采集的理想方案。
关键词：智能电网,AMI塑料光纤,智能电表
参考文献
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塑料光纤/聚合物光纤 篇7
近年来, 一些集成传感器和传感器系统都是由光学传感器[1,2,3]、碳纳米管传感器[4]、电化学传感器[5]和表面等离子体传感器[6]等构成的。在这些传感器中, 聚合物光学微环谐振器具有灵敏度高、封装小和适合光子集成等优点, 从而受到较多关注[7]。在生物传感应用中, 微环谐振器具有巨大的潜在优势, 如同在FBG (光纤布拉格光栅) 传感器阵列中一样, 它也可以实现多波长复用。制作聚合物微环谐振器容易实现微影图案化, 一般不需要复杂的技术手段, 其定向耦合器压印工艺中亚微米间隙的难点也正在解决中[8]。通过监测谐振波长, 可以把应变、温度、包层材料和注入载流子等影响有效折射率或微环谐振腔长度的外部参数检测出来。传感信号一般通过测量波长位移来解调, 但是笨重、昂贵的可调激光器或光谱仪等不适合现场使用。本文提出一种基于CFG (啁啾光纤光栅) 和波长可调的LPG (长周期光栅) 滤波器的新型解调技术, 通过使用直传输信号和微环传感器的下载端口信号, 在每个通道的带宽2.4 nm范围内, 可以得到较高的灵敏度。这是微环传感器的全光纤化解调方案, 可以工作在准静态模式或动态模式, 易实现高速解调。
1 聚合物微环传感器原理与制作
基本的微环谐振器如图1所示, 包含作为谐振腔的环形波导和与它相耦合的两个直波导, 见图1 (a) 。光从Input端口入射, 当传输至第一个耦合区时, 部分光耦合至环中, 在环中传输半周后到达另一个耦合区, 再次发生耦合, 至Drop端口输出。当谐振环的光程是2π的整数倍时, 在第1耦合区发生光的相干加强, 此波长向环内耦合功率最大, 从而使第2耦合区进入Drop端口的光功率也最大, 产生谐振。与此相反, 若某波长在环内光程是π的奇数倍, 则耦合入环的功率最小。谐振波长和FSR (自由光谱范围) 分别为
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式中, λc为谐振波长;neff为导模的有效折射率;L为微环周长;m为一个整数。微环器件在直传输端口和下载端口的特征光谱分别如图1 (b) 和1 (c) 所示。根据式 (1) , 当外部条件改变neff和L时, 将导致λc的变化, 如式 (3) 所示:
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微环谐振器能够实用化的关键是提高其Q值, 当弯曲损耗和界面散射损耗小到一定程度时, Q值可达104或更高, 从而具有半强宽很窄的谐振波长。微环谐振器用于折射率传感时, 包层折射率直接导致芯的有效折射率变化, 谐振波长的微小移动即表征测量介质折射率的变化。由于谐振波长线宽很窄, 所以对折射率探测具有很高的灵敏度, 甚至可测到介质分子数量的变化, 因此在生物传感上有巨大的优势。
使用纳米压印技术制作微环传感器[9], 设计的PS (聚苯乙烯) 微环谐振器具有1.85 μm×2.3 μm的波导截面, 光波长为1 550 nm时为单模传播。为了获得高灵敏度, 谐振器应具有高Q因子, 即应降低其3种损耗:弯曲损耗、底基渗漏损耗和粗糙表面散射所致的损耗。直波导和微环之间的耦合系数与两者的间隙指数关联, 微环和直波导间的耦合间隙是几百纳米。其中一个微环的共振波长约为1 554 nm, FSR约为7.5 nm, 半强宽约为0.5 nm, 实际测的Q值可以用谐振波长除以峰的半强宽来求得, 它的Q值近似为3 000。典型的TM偏振模式光谱如图2所示。
2 解调系统设计
将微环器件安装在一块200 μm厚的板上, 用带有锥形尖端的单模光纤把光耦合入波导。为了检测波长位移并补偿光强度漂移, 用单模光纤和多模光纤分别连接至下载端口和直传输端口, 用紫外光固化环氧树脂固定, 并尽量减少每个连接端面的反射损耗。把准备好的微环传感器安装在悬臂梁表面, 同时安装另一个压电传感器。宽带光源BBS入射微环产生TM模式, 下载端口的信号通过3 dB耦合器输到一个CFG, 解调系统示意图如图3所示。
注:PD表示光电探测器
由于CFG具有与微环传感器波长位移范围相匹配的反射光谱, 只有波长带宽内的信号反射到LPG进行边缘滤波。由式 (4) 计算可知, 下载端口的传感信号具有高斯波形;由式 (5) 计算可知, CFG的反射光谱是矩形。
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式中, Ir为微环下载端口传感信号的峰值强度;λr和Δλr分别为峰值波长和峰的半强宽 (光强3 dB的处带宽) ;Rs和Δλs分别为CFG的反射率和反射波长范围。PD2检测的光强由式 (4) 和LPG波长滤波函数对波长积分决定。将LPG浸入水或其他液体中, 调节它的滤波区间, 这样可以获得高线性的滤波。波长调谐的LPG传输光谱如图4所示。调节峰值波长为1 554 nm的微环传感器, 使该峰值位于LPG的线性范围的中间点, 同时匹配CFG的频谱。在1 554 nm±1.2 nm的线性滤波范围内, 光透过率从31%改变到76%。当波长从1 552.8 nm变化到1 555.2 nm时, PD2的输出功率则从5.25 nW变到13.05 nW。通过补偿入射光强漂移, PD2检测达到0.1 nW的精度, 在线性范围内实现了31 pm的波长分辨率。
设计的聚合物微环双传感器的解调系统如图5所示。另一个微环谐振波长约为1 559 nm。为了查询微环阵列上的每个传感器, 用CFG来反射第一微环传感器波段范围的传感信号, 再进行边沿滤波, 然后通过PD1检测。透过CFG的光谱是复合的, 其中包含第2个微环传感信号。用一个波长调谐的LPG2对第2个微环传感器波段范围的信号进行边沿滤波, PD2检测其光功率。该双通道解调实现了波长带宽2.4 nm线性范围内31 pm的灵敏度。
3 结束语
本文提出了一种应用于聚合物微环传感器和微环传感器阵列的信号解调方法, 利用CFG和波长可调LPG, 该方法能达到31 pm的高灵敏度。系统采用全光纤器件, 因此可以工作在准静态模式或动态模式, 从而实现高速解调。实验结果表明, 聚合物微环谐振器可以用作现场使用的传感器网络, 如果用三角形FBG替代LPG, 系统的线性度会更好。
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