The polymer optical fiber (POF) is a strong candidate for next generation optical transmission medium of high data transmission rate. In this thesis, after introduction to the general aspect of the polymer optical fiber including the advantages, the problems, the production method and the optical measurements, it has been investigated that three different methods for production of the PMMA-based copolymer gradient refractive index (GRIN) preform possessing a parabolic-like refractive index gradient
The first method for the fabrication of the graded index-polymer optical fiber (GI-POF) is the laminar shear mixing (LSM) method. A GRIN preform was successfully prepared by using LSM, and the GI-POF satisfied IEEE1394b specification was obtained. To fabricate the GRIN rod a liquid monomer mixture with a relatively low refractive index was placed in a prepared cylindrical glass reactor, and a transparent polymer rod with a higher refractive index was introduced at the center of the reactor. The reactor and the polymer rod were then rotated concurrently with a small rotating speed difference to generate a Couette flow in the liquid phase. The centrifugal force generated by rotation and the polymer diffusion into the liquid monomer mixture developed a graded concentration profile in a radial direction. The Couette flow could reduce the concentration fluctuation in a tangential direction. In addition, the graded index profile could be controlled by the copolymer composition of the rod and its diameter.
The second method to manufacture the GI-POF is the use of automatic refilling (AR) reactor. In order to overcome the volume shrinkage problem of the bulk radical polymerization of an acrylic monomer during manufacturing of the preform with radial GRIN for the PMMA-based GI-. POF, it was designed the novel cylindrical reactor with a three dimensional structure which can prevent the vacancy due to the volume shrinkage from propagating into the main reaction part of the reactor, namely, cavity-preventing type or AR reactor and its novel processing method. By using the AR reactor and several monomer-feeding routes, it can be successfully fabricated a large sized graded-index preform. Especially, it is needless to adopt an additional monomer charging process by which the possibility of contamination is increased considerably.
The third method is the successive UV polymerization in conjunction with AR reactor. A GRIN polymeric object was successfully fabricated from binary comonomer system irrespective of monomers' reactivity ratio and molar volume criteria of GRIN development using copolymerization in a closed system. The volume shrinkage, an inevitable shortcoming for fabricating polymeric object by bulk polymerization, is exploited to the contrary. The theoretical features of the refractive index profile (RIP) generation of our method are compatible with those of the other conventional methods for GRIN preform reported previously.
본 연구에서는 고분자 광섬유 (Polymer optical fiber, POF) 의 제조를 위하여 경사형 굴절률 (Gradient refractive index, GRIN) 을 가지는 모재를 제조하기 위한 굴절률 조절 기술 개발에 관해 연구하였다. POF는 차세대 고속 광 데이터 전송의 강력한 대안 매체로서 각광받고 있다. 처본 연구에서는 PMMA계 공중합체 경사형 굴절률을 가지는 모재를 제조하는 세가지 방법과 각각의 방법에 의해 제조된 GI-POF의 광학특성 평가에 대해 연구하였다.
제 2장에서는 라미나 전단 혼합법 (Laminar shear mixing, LSM)에 의해 GI-POF를 제조하는 방법에 대해 연구하였다. GRIN형의 모재를 제조하기 위하여 상대적으로 굴절률이 낮은 모노머 액상으로 채워진 실린더형의 튜브 반응기의 중앙에 굴절률이 높은 공중합체로 제조된 실린더형의 막대를 넣고 튜브형 반응기와 공중합체 막대를 비슷한 속도로 회전시키면서 녹여서 확산시켜 반경방향으로 조성변화에 따른 굴절률 분포를 형성한 다음 액상의 모노머를 중합시켜 GRIN 모재를 제조하였다. 튜브 반응기와 공중합체 막대의 회전속도를 약간 달리하여 액상에서 쿠에트 (Couette) 흐름을 유도하여 농도 분포의 불균일성을 낮출 수 있었다. 또한, 굴절률 분포의 모양은 공중합체 막대의 조성과 반지름을 조절함으로서 가능하였다. 결론적으로LSM법에 의해 GRIN 모재가 성공적으로 제조되었으며, 이에 의해 제조된 GI-POF는 IEEE1394b 스펙을 만족하는 성능을 보였다.
제 3장에서는 자동 충진 반응기 (Automatic refilling reactor, AR reactor)를 고안하여 이를 이용한 GI-POF 제조 방법에 대해 연구하였다. 아크릴계 고분자를 벌크 중합시키면 어쩔수 없이 발생하게 되는 부피 수축의 단점을 반대로 이용하여 주반응부에서의 부피 수축이 일어나더라도 도입부에서 액상의 모노머가 자동으로 충진 되도록 3차원의 소위 중공 방지 (Cavity preventing, CP) 구조를 고안하였으며, 이러한 AR 반응기를 다양한 모노머 충진 조건으로 중공이 없는 대형의 아크릴계 공중합체 GRIN 모재를 제조하는데 성공하였다. 특히 이 방법은 다른 GRIN 모재 제조방법과 달리 추가로 모노머를 투입시키는 과정이 필요 없으므로 추가 투입에 따른 오염요인을 크게 줄여 안정된 광학특성을 가지는 GI-POF를 제조할 수 있었다.
제 4장에서는 전 장에서 고안한 AR 반응기를 사용하여 단계적 UV 중합에 의해 대형의 모재를 제조하는 방법에 대해 연구하였다. 특히 이 방법에 의하면 기존에 알려진 공중합체 GI-POF의 제조방법과는 달리 완벽하게 외부와 차단된 배치 프로세스를 통해 모노머의 화학적 제한, 즉 몰랄 부피와 반응성비의 제약조건 없이 GRIN 모재를 성공적으로 제조할 수 있는 새로운 방법을 제공하였다. 제 3장에서 보인 바와 같이 AR 반응기를 사용하여 부피 수축 문제가 해결되었다. 또한 굴절률 분포 (Refractive index profile, RIP)의 형성 원리에 대한 이론적인 해석을 수행하였고 본 장에서 고안된 방법이 기존에 알려져 있는 공중합체 GI-POF 제조 방법에 적용하여 GRIN 모재를 제조할 수 있다는 사실을 보였다.
