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Climatic stability of polymer optical fibers (POF)

  • Polymer optical fibers (POFs) are a rather new tool for high-speed data transfer by modulated light. They allow the transport of high amounts of data over distances up to about 100 m without be influenced by external electromagnetic fields. Due to organic chemical nature of POFs, they are sensitive to the climate of their environment and therefore the optical fiber properties are as well. Hence, the optical stability is a key issue for long-term applications of POFs. The causes for a loss of optical transmission due to climatic exposures (aging/degradation) are researched by means of chemical analytical tools such as chemiluminescence (CL) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy for five different (with respect to manufacturers) step-index multimode PMMA based POFs and for seven different climatic conditions. Three of the five POF samples are studied more in detail to realize the effects of individual parameters and for forecasting longterm optical stability by short-term exposure tests. At first, the unexposed POFPolymer optical fibers (POFs) are a rather new tool for high-speed data transfer by modulated light. They allow the transport of high amounts of data over distances up to about 100 m without be influenced by external electromagnetic fields. Due to organic chemical nature of POFs, they are sensitive to the climate of their environment and therefore the optical fiber properties are as well. Hence, the optical stability is a key issue for long-term applications of POFs. The causes for a loss of optical transmission due to climatic exposures (aging/degradation) are researched by means of chemical analytical tools such as chemiluminescence (CL) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy for five different (with respect to manufacturers) step-index multimode PMMA based POFs and for seven different climatic conditions. Three of the five POF samples are studied more in detail to realize the effects of individual parameters and for forecasting longterm optical stability by short-term exposure tests. At first, the unexposed POF components (core, cladding, and bare POF as combination of core and cladding) are characterized with respect to important physical and chemical properties. The glass transition temperature Tg, and the melting temperature Tm are in the region of 120 °C to 140 °C, the molecular weight (Mw) of cores is in the order of 105 g mol-1. POFs are found to have different chemical compositions of their claddings as could be detected by FTIR, but identical compositions of their cores. Two of the POFs are exposed as cables (core, cladding and jacket) for about 3300 hours to the climate 92 °C / 95 % relative humidity (RH) resulting in a different transmission decrease. Investigating the related unexposed and exposed bare POFs for degradation using CL, FTIR, thermogravimetry (TG), UV/visible transmittance and gel permeation chromatography (GPC) suggest that claddings of POFs are more affected than cores. Probably the observed loss of transmission is mainly due to increased light absorption and imperfections at the core-cladding boundary caused by a large degradation of claddings. Hence, it is highly possible that the optical transmission stability of POFs is governed mainly by the thermo-oxidative stability of the cladding and minor of the core. Three bare POFs (core and cladding only) are exposed for different duration of exposure time (30 hours to 4500 hours) to 92 °C / 95 %RH, 92 °C / 50 %RH, 50 °C / 95 %RH, 90 °C / low humidity, 100 °C / low humidity, 110 °C / low humidity and 120 °C / low humidity. In these climates their transmission variations are found to be different from each other, too. The outcomes strongly inform that under high temperature and high humid climates physical changes such as volume expansion, are the main sources for the loss of optical transmission. Also, the optical transmission stability of POFs is found to be dependent on chemical compositions of claddings. Under high temperature and low humid conditions, a loss of transmission at the early stages of the exposure is mainly caused by physical changes, presumable by corecladding interface imperfections. For the later stages of exposures it is proposed to an additional increase of light absorption by core and cladding owes to degradation. Optical simulation results obtained parallel by Mr. L. Jankowski (a PhD student of BAM) are found to confirm these results. For bare POFs, too, the optical stability of POFs seems to depend on their thermo-oxidative stability. Some short-term exposure tests are conducted to realize influences of individual climatic parameters on the transmission property of POFs. It is found that at stationary high temperature and variable humidity conditions POFs display to a certain amount a reversible transmission loss due to physically absorbed water. But in the case of varying temperature and constant high humidity such reversibility is hardly noticeable. However, at room temperature and varying humidity, POFs display fully reversible transmission loss. The whole research described above has to be regarded as a starting point for further investigations. The restricted distribution of fundamental POF data by the manufacturers and the time consuming aging by climatic exposures restrict the results more or less to the samples, investigated here. Significant general statements require for example additional information concerning the variation of POF properties due to production. Nevertheless the tests, described here, have the capability for approximating and forecasting the long-term optical transmission stability of POFs. -------------- Auch im Druck erschienen: Appajaiah, Anilkumar: Climatic stability of polymer optical fibers (POF) / Anilkumar Appajaiah. - Bremerhaven : Wirtschaftsverl. NW, Verl. für neue Wiss., 2005. - Getr. Zählung [ca. 175 S.]. : Ill., graph. Darst. - (BAM-Dissertationsreihe ; 9) ISBN 3-86509-302-7show moreshow less
  • Optische Polymerfasern stellen ein relativ neues Medium zur Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mittels moduliertem Licht dar. Sie gestatten die Verbreitung großer Datenmengen über Entfernungen bis zu ca. 100 m, ohne eine Beeinflussung durch externe elektromagnetischen Feldern. Jedoch reagieren die Fasern und somit auch ihre optischen Eigenschaften aufgrund des organischchemischen Faseraufbaus empfindlich auf das Klima ihrer Umgebung. Die Ursachen für die Abnahme der optischen Transmission aufgrund von klimatischen Einflüssen (Alterung, Degradation) werden mittels chemisch analytischer Verfahren wie Chemilumineszenz (CL) und Fourier Transform Infrarot (FTIR) Spektroskopie untersucht. Dabei kommen fünf, von verschiedenen Herstellern bezogene, Multimode- POFs aus PMMA in sieben verschiedenen Klimaten zum Einsatz. Drei dieser fünf POFs werden genauer untersucht, um den Einfluss einzelner Parameter festzustellen und optische Langzeitstabilität aufgrund von Kurzzeittests vorherzusagen. Als erstes erfolgt eine Kennzeichnung unbeanspruchterOptische Polymerfasern stellen ein relativ neues Medium zur Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mittels moduliertem Licht dar. Sie gestatten die Verbreitung großer Datenmengen über Entfernungen bis zu ca. 100 m, ohne eine Beeinflussung durch externe elektromagnetischen Feldern. Jedoch reagieren die Fasern und somit auch ihre optischen Eigenschaften aufgrund des organischchemischen Faseraufbaus empfindlich auf das Klima ihrer Umgebung. Die Ursachen für die Abnahme der optischen Transmission aufgrund von klimatischen Einflüssen (Alterung, Degradation) werden mittels chemisch analytischer Verfahren wie Chemilumineszenz (CL) und Fourier Transform Infrarot (FTIR) Spektroskopie untersucht. Dabei kommen fünf, von verschiedenen Herstellern bezogene, Multimode- POFs aus PMMA in sieben verschiedenen Klimaten zum Einsatz. Drei dieser fünf POFs werden genauer untersucht, um den Einfluss einzelner Parameter festzustellen und optische Langzeitstabilität aufgrund von Kurzzeittests vorherzusagen. Als erstes erfolgt eine Kennzeichnung unbeanspruchter POF Komponenten (Kern, Mantel und nackte POF als Kombination von Kern und Mantel) über ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften. Die Glas- und die Schmelztemperaturen liegen im Bereich von 120 °C bis 140 °C, das Molekulargewicht des Kerns bei größenordnungsmäßig 105 g mol-1 ;. FTIR-Messungen zeigen zwar Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Mäntel aber keine Unterschiede bei den Kernen. Bei zwei der POF Proben , die als Kabel (Kern, Mantel und Schutzhülle) für 3300 Stunden einem Klima aus 92 °C und 95 % relativer Feuchte (r.F.) ausgesetzt waren, verringern sich daraufhin die optische Transmissionen in unterschiedlicher Weise. Die Untersuchung der zugehörigen nackten POFs mittels CL, FTIR, Thermogravimetrie (TG), UV/VIS und Gel Permeation Chromatographie (GPC) lässt eine stärkere Schädigung der Mäntel als der Kerne vermuten. Wahrscheinlich führt eine starke Manteldegradation zu einer erhöhten Absorption und Fehlstellen im Mantel und damit zu einer Transmissionsabnahme. Daher scheint die optische Stabilität der POF stärker durch die thermo-oxidative Stabilität des Mantels bestimmt zu sein als durch die des Kernes. Drei nackte POFs (Kern und Mantel) sind unterschiedlich lang (30 Stunden bis 3000 Stunden) folgenden Klimaten ausgesetzt: 92 °C / 95 % r.F., 92 °C / 50 % r.F., 50 °C / 95 % r.F., 90 °C / geringe Feuchte, 100 °C / geringe Feuchte, 110 °C / geringe Feuchte and 120 °C / geringe Feuchte. Auch in diesen Klimaten ergaben sich probenbedingte unterschiedliche Transmissionsänderungen. Die Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass bei gleichzeitig hoher Temperatur und hoher Feuchte physikalische Änderungen wie die Volumenausdehnung die Hauptursachen für die Abnahme der optischen Transmission bilden. Ein weiterer Einflussfaktor ist die chemische Zusammensetzung der Mäntel. Bei Kombination von hoher Temperatur und geringer Feuchte erzeugen in den Anfangsstadien der Alterung physikalische Änderungen Transmissionsabnahmen, vermutlich entstehen Fehlstellen in der Kern-Mantel-Grenzschicht. Hinzukommen in den späteren Stadien wahrscheinlich zunehmende Lichtabsorption in Kern und Mantel. L. Jankowski (Doktorand in der BAM) bestätigt diese Annahme durch parallel ausgeführte optische Simulationsrechnungen. Auch für nackte POFs scheint also die thermo-oxidative Stabilität die optische Stabilität zu bestimmen. Kurzzeitalterungstests sollen Aufschluss über den Einfluss individueller Klimaparameter auf die POF Eigenschaften geben. Es zeigt sich bei dauerhaft hoher Temperatur und variabler Feuchte aufgrund des physikalisch absorbierten Wassers bis zu einem gewissen Grad ein reversibles Verhalten des Transmissionsverlustes. Dieses Verhalten tritt aber nur kaum merkbar auf, wenn bei konstanter hoher Feuchte die Temperatur variiert wird. Bei Raumtemperatur und variabler Feuchte stellt sich jedoch ein voll reversibles Verhalten des Transmissionsverlustes ein. Die hier beschriebenen Untersuchungen sind als Ausgangspunkt für weitergehende Forschungen zu verstehen. Die begrenzte Zurverfügungstellung von POF Basisdaten durch die Hersteller und der zeitaufwendige klimabedingte Alterungsprozess beschränken die Ergebnisse mehr oder weniger auf die untersuchten Proben. Signifikante allgemeine Aussagen erfordern aber beispielsweise zusätzliche statistische Daten der Produktionsschwankungen von POF Eigenschaften. Dennoch besitzen die hier beschriebenen Tests das Potential für eine Annäherung an die optische Langzeitstabilität und deren Vorhersage.show moreshow less

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Metadaten
Author:Anilkumar AppajaiahGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0001661
Title Additional (English):Climatic stability of polymer optical fibers (POF)
Advisor:Hans Poisel, Prof. Dr.
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2004
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2004/10/27
Release Date:2005/02/14
Tag:POF; Reliabilität; Abbau; Chemilumineszenz
POF; reliability; degradation; chemiluminescence
RVK - Regensburg Classification:VE 5070
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften