塑料光纤及其放大器的研究（王寿泰 徐传骧 范明海 储九荣）
摘要：研究了塑料光纤从材料合成到光纤成丝的整个工艺过程。探讨聚合方式对塑
料光纤光性能的影响。研究聚甲基丙烯酸甲酯及苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物材料
作为纤芯的塑料光纤。采用新颖的引发剂含氟自由基合成塑料光纤的原料。使用各
种包层涂覆工艺涂覆塑料光纤的包层，并将紫外光聚合工艺应用到POF的包层涂覆中
，从而获得性能优异的塑料光纤。用有机染料掺杂塑料光纤，得到具有光放大作用
的连续波塑料光纤放大器。
关键词：塑料光纤；损耗；塑料光纤放大器
1 前言
塑料光纤（POF）相比于石英光纤，具有柔韧性能好、数值孔径大、易耦合、数字
脉冲的传播距离长、重量轻、制造简单、成本低等优点。在世界上，自198O年美国杜
邦公司研究出聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）芯的塑料光纤以来，历经十几年的不断研究
发展，塑料光纤的技术愈来愈成熟。在照明光传输、局域网（LAN）、汽车 工业、医
疗设备、光传感器、数字化音响等领域获得广泛的应用。而塑料光纤最大的不足是光
传输的衰减大，因此，降低衰减是塑料光纤发展的首要关键问题，为弥补此不足，亦
可探索其放大器的制作。
2 阶跃型塑料光纤
2.1 塑料光纤纤芯
采用含氟自由基作为引发剂，以本体法聚合甲基丙烯酸甲酯，得到大分子链端不
含引发剂端基的聚甲基丙烯酸甲酯。从而在以此为纤芯材料的塑料光纤中避免了端基
所引起的光学损耗。
实验中A试样以0.01mol/L的偶氮二异丁腈作为引发剂， B试样则以0.01mol/L的
含氟自由基作为引发剂，分别引发甲基丙烯酯甲酯聚合得到聚甲丙烯酸甲酯，然后分
别拉制成塑料光纤，并用截断法测量各试样在氦氖激光器光源632.8nm波长下的光学
衰减。反应所采用的甲基丙烯酸甲酯单体经过精馏、过滤，加入分子量调节剂，于
100℃下的恒温水浴中反应完全。制得聚甲基丙烯酸甲酯光学纤芯预制棒，再拉制成
纤芯直径为0.6mm的塑料光纤。
2.2 塑料光纤包层
以安息香乙醚作为光引发剂，引发聚合MMA及丙烯酸甲酯（MA）涂层分别作为塑
料光纤的包层。
在相同的引发剂含量下，紫外光引发聚合MMA的涂层所需时间较MA多，可能是由
于MMA的1，1’-二取代的作用，在形成大分子链时取代基之间相互作用引起的聚合
体空间张力，导致聚合反应的△H值降低，从而降低了MMA光引发聚合反应速率。
随着光引发剂浓度的提高，涂层材料的光透过率有明显的下降，塑料光纤的衰减
没有随之而显著上升。这是因为塑料光纤在传输光时，大部分的光由塑料光纤的纤芯
传输，光纤的包层中只传输几百之几的光，所以光纤包层的光透过率对塑料光纤的衰
减影响不大。
3 梯度型塑料光纤
根据对各种方法的对比，可以发现界面-凝胶共聚法是目前世界上最先进的方法
。于是我们采用界面-凝胶共聚法，制备掺杂型和共聚型的梯度型塑料光纤棒。
我们利用甲基丙烯酸甲酯（MMA）和溴苯（BB）作为单体M1和M2，再加入引发剂
和链转移剂，混合均匀后加入聚甲基丙烯酸甲酯细管中，于适当的温度下反应，并在
较高的温度下进行固化。
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参数
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MMA
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PMMA
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BB
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分子量
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100.1
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1.57
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密度
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0.94
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1.19
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1.5
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折射率
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1.42
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149
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1.56
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由表1可见，BB的折射率、分子体积均大于MMA，在PMMA管内壁凝胶层中，MMA因
为其分子体积小，与PMMA溶度参数相近，比BB容易进入凝胶层。在起始形成的凝胶层
中，MMA比BB扩散得多，因而溶液中的MMA浓度比BB降低得快；在后期形成的凝胶层中
，BB的含量增加，在管的中心点达到最大值。由于BB的折射率比MMA大，根据折射率
的加和性原理，可以认为沿PMMA管的径向分布，由外向里，逐渐增加。所制得的梯度
型塑料光纤棒的折射率为
棒外缘折射率n（r=2.5mm）=1.490
棒中心的折射率n0=n（r=0）=1.498
n（r）=1.498（ l-1/2×0.0016r(平方)）=1.498（1-
0.0008r(平方)）
梯度型棒的折射率分布函数为
n（r）=1.498（1-0.0008r(平方)）
4 塑料光纤放大器
本文采用的氩离子连续激光输出的泵浦激光光斑直径约为2mm，它直接通过一直径
为2mm的自聚焦透镜耦合到光纤中。氦氖激光器输出的激光经过光衰减器作为信号光，
并经全反射镜的反射也通过自聚焦透镜耦合入光纤中，氦氖激光器输出激光的光斑直
径小于1mm；光纤和自聚焦透镜之间用MMA的预聚液粘合，以减少它们之间的反射损耗。
光纤另一端输出的光信号经过单色仪选频后被光电倍增管所检测。氦氖激光器其输出的
激光波长为632.8nm，初始功率为2mW。
为得到染料掺杂浓度对放大倍数的影响，在泵浦激光器功率为10W，信号功率为
0.01mW时，采用各种不同掺杂浓度的50cm长POF得到了不同的放大倍数。
5 结论
（1）使用含氟自由基引发聚合甲基丙烯酸甲酯作塑料光纤纤芯材料，从而得到在
国内比较领先的，具有较低损耗的塑料光纤（在670nm波长时最低损耗为139dB/km）。
（2）将紫外光固化方法引入塑料光纤包层的涂覆工艺，利用其快速、方便等优点，
可得到性能较传统涂覆包层好的塑料光纤。
（3）制得了梯度型塑料光纤棒，其折射率分布呈抛物线分布。
（4）研究了在通信领域中有实用意义的连续波塑料光纤放大器，利用若丹明作为
光放大介质。首次得到具有最大光放大作用35倍（相当于15dB增益）的连续波塑料光纤
放大器。
摘自《电线电缆》
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