一種新型共軛聚合物塑料光纖放大器材料制備及性能研究

摘 要：針對傳統(tǒng)塑料光纖在傳輸過程中損耗大，使用長度較短的問題，提出在光纖連接部位制備一種新型共軛聚合物CN-PPV摻雜塑料光纖放大器材料，并對其制備工藝、熒光特性和增益特性進行研究。試驗結果表明，在25 mL MMA、0.032 g BPO、20～75 μL n-BM的工藝條件下制備的預制棒表面狀態(tài)良好，內(nèi)部無氣泡出現(xiàn)，并在拉伸溫度為150～177 ℃的條件下成功拉絲。塑料光纖最大發(fā)射截面為1.7×10-20m2；當泵浦光傳輸距離增加，光譜出現(xiàn)明顯紅移現(xiàn)象，最大紅移波長為12 nm。在光纖長度為50 cm的條件下，摻雜質(zhì)量濃度為1 mg/L的光纖存在最大增益值，達到25 dB。而摻雜質(zhì)量濃度為0.2 mg/L的光纖具備持續(xù)光放大能力，更適合作為光纖放大器的制備材料。

關鍵詞：共軛聚合物；塑料光纖；光纖放大器；熒光特性；增益特性

中圖分類號：

TQ342+.82

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0102-04

A study on the preparation and performance of a novel conjugated polymer plastic optical fiber amplifier materials

KANG Jian，LIU Jun，TAO Zhenghui，LI Rui，CHEN Jinjun

（State Grid Gansu Electric Power Company Tianshui Power Supply Company，Tianshui 741000，Gansu China）

Abstract：Aiming at the problems of large loss and short service length of traditional plastic optical fiber in the transmission process，a novel conjugated polymer CN-PPV doped plastic optical fiber amplifier material was proposed at the fiber connection part，and its preparation process，fluorescence characteristics and gain characteristics were studied.The test results showed that the preform prepared under the technological conditions of 25 mL MMA，0.032 g BPO，20～75 μL n-BM had a good surface condition without bubbles inside，and the wire was successfully drawn at the stretching temperature of 150～177 ℃.The maximum emission cross section of plastic optical fiber was 1.7 × 10-20m2.When the transmission distance of the pump light increased，the spectrum showed obvious red shift，and the maximum red shift wavelength was 12 nm.When the fiber length was 50 cm，the fiber with doping concentration of 1 mg/L had a maximum gain value of 25 dB.The fiber doped with 0.2 mg/L concentration had the ability of continuous optical amplification，which was more suitable for the preparation material of optical fiber amplifier .

Key words：conjugated polymer;plastic optical fiber; fiber amplifier;fluorescence characteristics; gain characteristic; connection

隨著現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術的普及，對數(shù)據(jù)交互速度和容量也有了更高的要求。但目前所用的塑料光纖在使用過程中，存在損耗大，使用長度較短的問題，使得塑料光纖的應用受到了較大的限制。為了提升塑料光纖的應用性能，部分學者也進行了很多研究，如為提升光纖傳輸數(shù)據(jù)的靈敏度，研究了新型結構的塑料光纖傳感器，用于提升塑料光纖傳輸數(shù)據(jù)的靈敏度［1］。研究了塑料光纖在滲透穩(wěn)定性監(jiān)測方面的應用［2］。以上學者的研究為塑料光纖的應用提供了參考;但沒有解決塑料光纖在傳輸過程中損耗大，使用長度較短的問題。如提出通過光放大器對光纖的傳輸效率進行改善［3］。通過光放大器改善塑料纖維光載微波信號的傳輸效率［4］。以上學者的研究表明了光放大器能有效改善傳輸信號，但在塑料光纖放大器材料方面的研究還存在盲區(qū)?；诖?，試驗以文獻［5］方法為參考，對新型共軛聚合物CN-PPV摻雜塑料光纖放大器連接材料的熒光特性和增益特性進行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：甲基丙烯酸甲酯（MMA，AR）， 曙爾生物科技；過氧化二苯甲酰（BPO，AR），裕才化工。

主要設備：YZ型超聲清洗機（越眾儀器）；101A型電熱烘箱（金壇良友儀器）；RE-3010型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（艾瑞德儀器）。

1.2 試驗方法

1.2.1 原料的提純

MMA單體提純：將一定量氫氧化鈉與MMA單體混合，以中和單體中的阻聚劑，待反應一段時間后，用蒸餾水反復清洗MMA單體至中性。通過氯化鈣固體干燥劑對MMA干燥1 d，以去除其中的水分。干燥結束后將氯化鈣固體過濾出來，然后用RE-3010型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對MMA單體進行精餾處理，精餾溫度為30 ℃，得到純凈的MMA單體。

BPO提純：將BPO配制成氯仿飽和溶液后過濾，然后將適量冷甲醇放入濾液中析出結晶物，濾出結晶物并烘干，得到純凈的BPO。

1.2.2 試驗條件的優(yōu)化

聚合氣氛優(yōu)化：在聚合過程中，氧氣可以作為自由基俘獲劑，與引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基進行反應，使得聚合反應速度變緩，重復性變差。因此，在進行聚合反應前，應提前將氮氣充入反應器，避免因為氧氣對聚合反應產(chǎn)生影響［6-7］。

預聚溫度優(yōu)化：若預聚溫度較高，會快速的發(fā)生聚合反應，使得預聚過程變得難以控制。預聚溫度較低，預聚緩慢，預聚時間長。綜合相關方法，選擇適合的反應溫度和反應時間分別為85 ℃和25 min［8-9］。

升溫過程優(yōu)化：在制備光纖預聚棒的過程中，合理的溫度控制是減少氣泡出現(xiàn)的關鍵。一般來說，低溫反應階段需要保持24 h，過早升溫可能造成暴聚現(xiàn)象，使得試驗提前終止。而保持長時間高溫，可以減少拉制過程中的小氣泡［10-11］。綜合考慮，選擇適合的60、70、80、90、100 ℃，每種溫度保持時間為24 h。

1.2.3 CN-PPV摻雜POF的制備

（1）按照一定比例依次將MMA單體、引發(fā)劑BPO和鏈轉(zhuǎn)移劑n-BM放入干凈的三口燒瓶中，然后放入一定量的CN-PPV粉末，充分搖晃使其混合均勻;

（2）在三口燒瓶中通入高純氮氣，然后在恒溫油浴鍋的作用下85 ℃油浴加熱25 min。在加熱過程中需要不停攪拌，避免聚合反應不均勻，出現(xiàn)暴聚現(xiàn)象，待混合物開始出現(xiàn)小氣泡便停止加熱，得到預聚液;

（3）將預聚液倒入干凈試管，然后在YZ-600DB型超聲清洗機的作用下進行超聲處理，超聲時間為30 min。超聲結束后，在烘箱內(nèi)加熱聚合。聚合溫度上升過程為60、70、80、90、100 ℃，每個溫度保持時間為24 h，得到預制棒;

（4）在熔融狀態(tài)下，保持一定拉絲溫度將制備的預制棒拉制成絲。

1.3 性能測試

1.3.1 吸收光譜和發(fā)射光譜

吸收光譜：通過UV-2550型紫外可見光光度計對CN-PPV的四呋氫喃溶液進行測試，得到吸收光譜［12-13］。

發(fā)射光譜：通過F4500熒光光譜儀在激發(fā)波長450 nm的條件下對摻有CN-PPV的PMMA薄片進行測量，得到發(fā)射光譜［14］。

1.3.2 泵浦光傳輸距離與發(fā)射光譜的關系

由于塑料光纖具備較好的柔韌性和較小的直徑，因此在進行切割后，端面會相對粗糙，具備較大的損耗［15］。若泵浦光選擇從端面注入，則發(fā)射光譜隨光纖長度的變化發(fā)生變化，因此需要不斷對光纖斷面進行拋光處理，試驗過程復雜，故選擇側面泵浦的方式，實現(xiàn)試驗過程的簡化［16-17］。通過自己搭建的側面泵浦方法對其關系進行表征。具體過程為：以激光器3倍頻產(chǎn)生的355 nm脈沖激光作為泵浦光，然后通過柱形透鏡聚焦，以線性光斑的形態(tài)垂直打在光纖表面，通過光譜儀檢測熒光光譜，測定的數(shù)量在PC端顯示。在測試過程中，通過對線性光斑中點到熒光光譜輸出端的距離進行改變，得到不同泵浦傳輸光距離的熒光光譜。

2 結果與討論

2.1 塑料光纖制備條件的優(yōu)化

在制備過程中，原料配比及拉絲溫度均對光纖玻璃棒的狀態(tài)產(chǎn)生影響，若制備的預制棒內(nèi)部有氣泡存在，會影響塑料光纖的性能［18-19］。以預制棒外觀為指標，對塑料光纖原料配比和拉絲溫度進行優(yōu)化，結果見表1。

由表1可知，在幾種組合中，只有組別2和組別3制出的預制棒外觀符合要求，因此可認定塑料光纖適合配比為25 mL MMA、0.032 g BPO、20～75 μL n-BM，拉伸溫度為150～177 ℃。

鏈轉(zhuǎn)移劑在聚合反應中起終止作用，因此直接影響聚合物分子量，進而影響熱拉伸過程。當聚合物相對分子質(zhì)量超過2×105 時，分子內(nèi)部受鏈纏繞效應的影響，無法進行拉伸。而聚合物相對分子較小時，制備的塑料光纖無法達到理想的拉伸強度。

而拉絲溫度也是影響塑料光纖的主要因素，這是因為塑料光纖的制備并不是百分百轉(zhuǎn)化，因此在預聚棒中存在部分未反應的MMA單體，因此過高的拉絲溫度會使得內(nèi)部單體氣化，預制棒內(nèi)部出現(xiàn)氣泡，影響光纖質(zhì)量［20］。

2.2 光纖拋光

由于制備的塑料光纖具備較好的柔韌性，因此光纖切割刀對其進行切割后，斷面粗糙且具有較多的毛刺，具備較高的斷面損耗，因此在進行進一步測試前，需要進行拋光處理。本試驗選擇的纖維端面拋光方式為多步研磨紙。具體過程：依次用顆粒大小分別為9、3、3和 1 μm 的拋光紙進行拋光處理，得到拋光后塑料光纖。

2.3 吸收光譜和發(fā)射光譜測試結果

吸收光譜主要是用于表征發(fā)光物質(zhì)對不同波長光的吸收行為，進而確定最佳泵浦波長，并以此為標準選擇合適的泵浦源。而發(fā)射光譜則是對在一定波長泵浦光的激勵下，發(fā)光物質(zhì)的熒光特性進行描述，進而對物質(zhì)放大器的最佳信號光波長和可以放大信號光波長的范圍進行表征。圖1為發(fā)光物質(zhì)的吸收和發(fā)射波長。

由圖1可知，在460 nm和350 nm處均存在較強的吸收峰，結合實驗室能提供的條件，選擇適合的泵浦光源為355 nm脈沖激光，其寬度和重復頻率分別為8 ns和10 Hz。發(fā)射光譜峰值約為544 nm，這說明物質(zhì)放大器的最佳信號光波長位于材料損耗較小的波段。

圖2為發(fā)射截面分析結果。

由圖2可知，塑料光纖最大發(fā)射截面為1.7× 10-20 m2。試驗假設吸收截面最大值與發(fā)射截面相同，然后通過吸收光譜對吸收截面與波長的關系進行定義。

2.4 發(fā)射光譜與泵浦光傳輸距離的關系

發(fā)射光譜與泵浦光傳輸距離的關系：峰值位置隨泵浦光傳輸距離的增加而發(fā)生紅移，直至位置達到12 nm，半高全寬則逐漸的變小，當傳輸距離增加至26 cm時，半高全寬逐漸從100 nm減小至83 nm，這是由自吸收引起的。因此熒光光譜受自吸收現(xiàn)象的影響較明顯，可觀察到較明顯的光譜移動現(xiàn)象。

2.5 光纖穩(wěn)態(tài)增益特性

在上述討論中，已經(jīng)基本確定了塑料光纖的性能，設定塑料光纖芯徑和長度分別為100 μm和50 cm，摻雜質(zhì)量濃度分別為0.2 mg/L和1.0 mg/L，信號光功率為 0.01 W，確定光纖穩(wěn)態(tài)增益特性，結果見圖3。

從圖3可知，摻雜質(zhì)量濃度為 0.2 mg/L的POFA信號光表現(xiàn)出持續(xù)放大的變化趨勢。而摻雜質(zhì)量濃度為1.0 mg/L的POFA 信號光則表現(xiàn)先放大再持續(xù)衰減的趨勢，在光線長度為10～20 cm時，得到最大的增益。同時，在圖3（b）中還可觀察到，摻雜質(zhì)量濃度為1.0 mg/L的POFA，光纖長度達到18 cm就可以達到25 dB的增加。綜上，塑料光纖放大器的最大增益受泵浦功率的影響，當泵浦光功率升高，最大增益開始慢慢朝固定值接近。

對不同泵浦功率條件下的增益進行統(tǒng)計，結果見圖4。

由圖4可知，0.2 mg/L質(zhì)量濃度的光纖在不用泵浦功率增益時，曲線明顯高于1.0 mg/L質(zhì)量濃度的光纖，也就是說，摻雜質(zhì)量濃度為0.2 mg/L的光纖具備較好的信號放大特性，更適合作為光纖放大器的制備材料。

3 結語

（1）塑料光纖的最佳配比和工藝為25 mL MMA、0.032 g BPO、20～75 μL n-BM，拉伸溫度為150～177 ℃。在此優(yōu)化工藝下制備的預制棒表面狀態(tài)良好，內(nèi)部無氣泡出現(xiàn);

（2）吸收光譜和發(fā)射光譜測試結果為：塑料光纖最大發(fā)射截面為1.7× 10-20 m2；

（3）通過側面泵浦，對摻雜光纖發(fā)射光譜與泵浦光傳輸距離的關系進行探討，當泵浦光傳輸距離增加，光譜最大紅移波長為12 nm;

（4）光纖穩(wěn)態(tài)增益特性分析結果表明，在光纖長度為50 cm的條件下，摻雜質(zhì)量濃度為1 mg/L的光纖存在最大增益值，達到25 dB。而摻雜質(zhì)量濃度為0.2 mg/L的光纖具備持續(xù)光放大能力，表現(xiàn)出較好的信號放大特性，更適合作為光纖放大器的制備材料。

【參考文獻】

［1］ 馮利民，鐘用，巫濤江，等.高靈敏度塑料光纖倏逝波傳感器研究［J］.激光雜志，2021，42（5）：22-26.

［2］ 胡安玉，包騰飛，胡雨菡.塑料光纖在滲透穩(wěn)定性監(jiān)測中的應用方法研究［J］.水電能源科學，2021，39（2）：127-130.

［3］ 李曉博，王海龍，馬利男，等.基于光子晶體的量子點半導體光放大器波長轉(zhuǎn)換特性［J］.光學學報，2022，42（2）：9-16.

［4］ 肖永川，王超，張浩，等.光放大器對光載微波信號傳輸效率的改善［J］.中國光學，2020，13（5）：995-1000.

［5］ 尹飛翔.用于光放大器的塑料光纖制備及其光學特性研究［D］.長春：吉林大學，2015.

［6］ 張皓瑜，王梅，芶小珊.基于塑料光纖技術的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)研究［J］.塑料科技，2020，48（4）：108-111.

［7］ 談仲緯，呂超.光纖通信技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.中國工程科學，2020，22（3）：100-107.

［8］ 塑料粘接知識——表面處理［J］.粘接，2020，43（9）：69-76.

［9］ 譚中偉，楊婧雅，劉艷，等.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的增敏型光纖彎曲傳感器［J］.光學精密工程，2020，28（7）：1454-1461.

［10］ 靳越，巫濤江，李玉潔，等.光致發(fā)光發(fā)熱光分頻利用光纖研究［J］.壓電與聲光，2020，42（6）：791-795.

［11］ 李玉成，孫言，朱守宇.玻璃鋼構件粘接用環(huán)氧膠粘劑性能研究［J］.纖維復合材料，2021，38（3）：60-64.

［12］ 劉闊，范曉健，孫思文，等.基于全光纖網(wǎng)絡的電力抄表系統(tǒng)［J］.吉林大學學報（信息科學版），2020，38（6）：633-639.

［13］ 李偉，黃媛媛，萬宏強.具備太陽追蹤功能的室內(nèi)采光系統(tǒng)設計及實驗［J］.能源與節(jié)能，2021（8）：13-15.

［14］ 許斌.基于FPGA的SPR型塑料光纖折射率檢測研究［J］.粘接，2021，48（11）：78-81.

［15］ 牛芳芳.聚氨酯保溫管的粘接工藝［J］.粘接，2020，41（3）：37-38.

［16］ 劉曉淵，高萬榮，牟善祥.基于半導體光放大器的激光信號產(chǎn)生的研究［J］.激光與光電子學進展，2022，59（7）：184-189.

［17］ 陳致遠，董興法，劉志偉.基于H型結構光纖SPR的折射率傳感研究［J］.蘇州科技大學學報（自然科學版），2021，38（4）：51-55.

［18］ 孫凡，文峰，武保劍，等.基于雙向正交泵浦半導體光放大器結構的全光相位保持幅度再生技術［J］.物理學報，2022，71（20）：103-112.

［19］ 李茂輝，陸有軍，陳志杰，等.塑料光纖透光混凝土的力學性能及光學性能探究［J］.混凝土，2021（10）：6-9.

［20］ 牟鵬林，李鳳艷，趙天波.高芯材含量聚苯乙烯石蠟微膠囊的制備及性能研究［J］.化學研究，2020，31（1）：67-73.