通信學(xué)論文-塑料光纖產(chǎn)品發(fā)展簡(jiǎn)述摘要：自1970年美國(guó)康寧公司研制出石英玻璃光導(dǎo)纖維后，同年貝爾又試制成半導(dǎo)體激光器，這兩項(xiàng)新技術(shù)的結(jié)合，開創(chuàng)了光信息傳輸?shù)男聲r(shí)代。盡管玻璃光纖具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，但它有一個(gè)致命的弱點(diǎn)就是強(qiáng)度低，抗撓曲性能差，而且抗輻射性能也不好。因此，近20多年來，科學(xué)家們一直沒有停止過對(duì)塑料光纖的探索。目前，在“光纖到戶”的拉動(dòng)應(yīng)用下，塑料光纖展現(xiàn)了其巨大的市場(chǎng)潛力，本文將簡(jiǎn)述這一發(fā)展，以求對(duì)該產(chǎn)品的初步認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：塑料光纖光纖光纜光通訊POF一、前言自從業(yè)界開創(chuàng)了光纖通訊技術(shù)以來，大至歸納，光纖通訊比傳統(tǒng)的電銅通訊有3大優(yōu)點(diǎn)：一是通信容量大；二是抗電磁干擾、保密性能較好；三是重量輕，并可節(jié)省大量的銅，如鋪設(shè)1000公里長(zhǎng)的8芯光纜比鋪設(shè)同樣長(zhǎng)度的8芯電纜可節(jié)省1100噸銅，3700噸鉛。因此光纖光纜一經(jīng)問世就受到通信業(yè)界的歡迎，帶來了通訊領(lǐng)域的革命以及一輪投資發(fā)展熱潮。盡管玻璃光纖具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，但它有一個(gè)致命的弱點(diǎn)就是強(qiáng)度低，抗撓曲性能差，而且抗輻射性能也不好。因此，近20多年來，業(yè)界一直沒有停止過對(duì)光纖其他材料的代用研發(fā)，其中對(duì)塑料光纖的研發(fā)是目前業(yè)界最為感興趣的研究領(lǐng)域之一，目前已經(jīng)取得較大進(jìn)展，已經(jīng)有商用產(chǎn)品面世，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、CD播放機(jī)、工業(yè)電子系統(tǒng)、小型光盤系統(tǒng)和個(gè)人計(jì)算機(jī)中。今后還會(huì)有許多領(lǐng)域?qū)⑹褂盟芰瞎饫w，諸如傳感器、光子晶體光纖等。二、塑料光纖的優(yōu)點(diǎn)塑料光纖與玻璃光纖相比，雖透光性差一些，光損耗較大，初期一般為300分貝公里，傳輸光帶狹窄(限于可見光區(qū))，被認(rèn)為難以適應(yīng)多媒體通信網(wǎng)的需要，但它具有輕而柔軟、抗撓曲、抗沖擊強(qiáng)度高、價(jià)格便宜、抗輻照、易加工、并能制成大直徑(13毫米，以增大受光角度，擴(kuò)大使用范圍)等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以備受青睞。此外，光通過塑料光纖的中心部分的直徑約為1毫米，比玻璃光纖大100倍，與纖維之間的連接及與個(gè)人機(jī)等終端裝置的連接都十分容易。因此塑料光纖安裝費(fèi)用很低，安裝時(shí)采用十分簡(jiǎn)單的對(duì)準(zhǔn)連接插頭即可，這種插頭可用現(xiàn)有的技術(shù)生產(chǎn)。三、塑料光纖產(chǎn)品研發(fā)簡(jiǎn)述塑料光纖的研究始于二十世紀(jì)60年代。1968年美國(guó)杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯為芯材制備出塑料光纖，但光損耗較大。1974年日本三菱人造絲公司以PMMA和聚苯乙烯為芯材、以低折射率的氟塑料為包層開發(fā)出塑料光纖，其光損耗為3500dB/km，難以用于通信。80年代日本的一些大企業(yè)和大學(xué)對(duì)低損耗塑料光纖的制備進(jìn)行了大量的研究。1980年三菱公司以高純MMA單體聚合PMMA，使塑料光纖損耗下降到100-200dB/km。1983年NTT公司開始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光損耗可達(dá)到20dB/km，并可傳輸近紅外到可見光的光波。近幾年來，歐日等國(guó)的公司對(duì)塑料光纖的研制取得了重要的進(jìn)展。它們研制成的塑料光纖，光損耗率已降到259分貝公里。其工作波長(zhǎng)已擴(kuò)展到870微米(近紅外光)，接近石英玻璃光纖的實(shí)用水平。美國(guó)研制的一種PFX塑料系列光纖，有著優(yōu)異的抗輻照性能。此外，美國(guó)麻省波士頓光纖公司研制的Opti-Giga塑料光纖更是引人注目，它不僅比玻璃輕、柔性更好、成本更低，而且可在100米內(nèi)以每秒3兆比特的速度傳輸數(shù)據(jù)。這種光纖還可以利用光的折射或光在纖維內(nèi)的跳躍方式來達(dá)到較高的傳輸速度?，F(xiàn)在美歐日已把塑料光纖用于短途傳輸，如汽車、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)等。就目前塑料光纖生產(chǎn)量而言，日本是世界上最大的塑料光纖生產(chǎn)者，然而卻是歐洲推動(dòng)了塑料光纖新應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)并建立了光纖檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。2001年下半年是歐洲塑料光纖工業(yè)發(fā)展的重要階段，在這段時(shí)間內(nèi)建立了歐洲塑料光纖檢驗(yàn)和測(cè)量的新發(fā)展方針。世界上第一個(gè)專用塑料光纖應(yīng)用中心(POFAC)在德國(guó)Nuremberg落成。德國(guó)采用塑料光纖已經(jīng)研制成功了多媒體總線系統(tǒng)MOST(24Mbit/s)，并且有幾家轎車制造商已把該系統(tǒng)引入到自己的產(chǎn)品上。德國(guó)寶馬公司(BMW)在其新的7個(gè)系列產(chǎn)品中開創(chuàng)了使用100m塑料光纖的記錄。歐洲2001年塑料光纖學(xué)術(shù)交流會(huì)和歐洲光纖通信會(huì)議同時(shí)在荷蘭的阿姆斯特丹舉行。德國(guó)汽車工業(yè)不僅推動(dòng)了塑料光纖的應(yīng)用，而且也推動(dòng)了塑料光纖檢驗(yàn)和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的建立。日本也建立了塑料光纖標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)歐洲共同體是無效的。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)只給出了一種型號(hào)塑料光纖的標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)值孔徑為0.5，而且只有650nm一種波長(zhǎng)。該標(biāo)準(zhǔn)沒有提及在塑料光纖中的不同激勵(lì)光條件，也沒有規(guī)定必須在塑料光纖內(nèi)形成平衡模分布。此前建立的玻璃光纖檢驗(yàn)方法因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)瑞利散射而不適于檢驗(yàn)塑料光纖，現(xiàn)在市場(chǎng)上僅有瑞士新成立的Luciol儀器公司出售的一種檢驗(yàn)塑料光纖的儀器。德國(guó)工程師學(xué)會(huì)和電子工程學(xué)會(huì)研究小組已經(jīng)詳細(xì)規(guī)定了塑料光纖數(shù)值孔徑、衰減、傳輸和機(jī)械特性以及環(huán)境和壽命的測(cè)量方法。塑料光纖檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)的建立必將促進(jìn)國(guó)際塑料光纖貿(mào)易的發(fā)展，并消除貿(mào)易中的誤解。日本對(duì)塑料光纖的應(yīng)用十分重視，早在幾年前，NEC、富士通、住友電器工業(yè)公司等45家光通信、多媒體產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家就聯(lián)合宣布，將共同實(shí)現(xiàn)已在日本開發(fā)成功的塑料光纖的實(shí)用化。塑料光纖的成本低廉，被認(rèn)為是將多媒體引進(jìn)到家庭的關(guān)鍵技術(shù)，隨后一些生產(chǎn)廠家就著手建立生產(chǎn)線。?1986年，日本F富士通公司以PC為纖芯材料開發(fā)出SI型耐熱POF，耐熱溫度可達(dá)135攝氏度，衰減達(dá)450dB/km；1990年，日本慶應(yīng)大學(xué)的小池助教授開發(fā)成功折射率漸變型的塑料光纖，芯材為含氟PMMA、包層為含氟，用界面凝膠技術(shù)制造。該塑料光纖衰減在60db/km以下，光源650-1300nm，100m帶寬3GHz，傳輸速率10Gb/s，超過了GI型石英光纖，并被廣泛認(rèn)為是高速多媒體時(shí)代光纖入戶的新型光通信媒介；1996年，人們紛紛建議以塑料光纖為基礎(chǔ)建立極低成本的用戶網(wǎng)ATM物理層；1997年，日本NEC公司進(jìn)行了155Mbit/s的ATM、LAN的試驗(yàn)。在2000年OFC會(huì)議上，日本ASAHIGLASS公司報(bào)道了氟化梯度塑料光纖衰減系數(shù)在850nm為41dB/km，在1300nm為33dB/km，帶寬已達(dá)100MHz.km。用這種光纖成功地進(jìn)行了50m、2.5Gbit/s的高速傳輸試驗(yàn)和70攝氏度長(zhǎng)期熱老化試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為氟化梯度塑料光纖完全能滿足短距離的通信使用要求。從塑料光纖的研究發(fā)展來看，塑料光纖的研究重點(diǎn)主要集中在以下三個(gè)方面：1.降低光損耗；2.提高帶寬（由SI型轉(zhuǎn)為GI型）；3.提高耐熱性。（聚碳酸酯（PC）、硅樹脂、交聯(lián)丙烯酸和共聚物可使耐熱性提高到125-150攝氏度）塑料光纖在衰減與帶寬方面的最新實(shí)用進(jìn)展為：日本ASAHIGLASS公司2000年7月稱，該公司實(shí)施慶應(yīng)大學(xué)的GI-POF技術(shù)商品化，采用全氟化聚合物CYTOP制造GI光纖，命名為GI-GOF，商品名為L(zhǎng)ucina，衰減速率3Gb/s，帶寬大于200MHz.km。塑料光纖在耐熱性方面的最新實(shí)用進(jìn)展為：日本JSR與旭化株式會(huì)社聯(lián)合發(fā)展耐熱透明樹脂ARTON（norbornene,冰片烯）制造的SI-POF，耐熱170攝氏度，預(yù)計(jì)2001年上半年即可供應(yīng)汽車市場(chǎng)。四、塑料光纖產(chǎn)品的研發(fā)要點(diǎn)光纖結(jié)構(gòu)塑料光纖顧名思義，即構(gòu)成光纖的芯與包層都是塑料材料。與大芯徑50125和62.5125的石英玻璃多模光纖相比，塑料光纖的芯徑高達(dá)2001000，其接續(xù)時(shí)可使用不帶光纖定位套筒的便宜注塑塑料連接器，即便是光纖接續(xù)中芯對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生30偏差都不會(huì)影響耦合損耗。正是塑料光纖結(jié)構(gòu)賦予了其施工快捷，接續(xù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。另外，芯徑100或更大則能夠消除在石英玻璃多模光纖中存在的模間噪音；光纖材料塑料光纖材料選擇時(shí)，人們應(yīng)重點(diǎn)解決的問題是材料的本身衰減要低、色散要小、化穩(wěn)性要好、制造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等。選作塑料光纖芯材有：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚碳酸酯、氟化聚甲基丙烯酸酯和全氟樹脂等；選作塑料光纖包層有：聚甲基丙烯酸甲酯、氟塑料、硅樹脂等。究其原因是：這些聚合物具有透光性好，光學(xué)均勻、折射率調(diào)整便利等；以單體存在時(shí)通過減壓蒸餾方法就可以提純；形成光纖的能力強(qiáng)；加工和化穩(wěn)性好及價(jià)格便宜等；制造工藝目前業(yè)界用來制造塑料光纖的兩種方法：擠壓法和界面凝膠法都是由塑料生產(chǎn)加工工藝演變而來的。擠壓法主要用于制造階躍折射率分布塑料光纖。該工藝步驟大致如下：首先，將作為纖芯的聚甲基丙烯甲酯的單體甲基丙烯甲酯通過減壓蒸餾提純后，連同聚合引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑一并送入聚合容器中，接著再將該容器放入電烘箱中加熱，置放一定時(shí)間，以使單體完全聚合，最后，將盛有完全聚合的聚甲基丙烯甲酯的容器加溫至拉絲溫度，并用干燥的氮?dú)鈴娜萜鞯纳隙藢?duì)已熔融的聚合物加壓，該容器底部小嘴便擠出一根塑料光纖芯，同時(shí)使擠出的纖芯外再包覆一層低折射率的聚合物，就制成了階躍型塑料光纖。梯度折射率分布塑料光纖的制造方法為界面凝膠法，界面凝膠法的工藝步驟大致如下：首先將高折射率摻雜劑置于芯單體中制成芯混合溶液，其次把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑放入芯混合溶液，再將該溶液投入一根選作包層材料聚甲基丙烯甲酯（）的空心管內(nèi)，最后將裝有芯混合溶液管子放入一烘箱內(nèi)，在一定的溫度和條件下聚合。在聚合過程中，管內(nèi)逐漸被混合溶液溶脹，從而在管內(nèi)壁形成凝膠相。在凝膠相分子運(yùn)動(dòng)速度減慢，聚合反應(yīng)由于“凝膠作用”而加速，聚合物的厚度逐漸增厚，聚合終止于管子中心，從而獲得一根折射率沿徑向呈梯度分布的光纖預(yù)制棒，最后再將塑料光纖預(yù)制棒送入加熱爐內(nèi)加溫拉制成梯度折射率分布塑料光纖；光纖性能塑料光纖的性能研究重點(diǎn)則是衰減、色散、熱穩(wěn)定性等。（）衰減塑料光纖的衰減主要受限于芯包塑料材料的吸收損耗和色散損耗。人們是通過選用低折射率和等溫壓縮率小的塑料材料和通過穩(wěn)定塑料光纖制造工藝降低結(jié)構(gòu)缺陷（如芯直徑波動(dòng)，芯包界面缺陷等），來使塑料光纖獲得小的散射損耗，而塑料材料的吸收損耗則是由分子鍵（碳?xì)?、碳氟等）伸縮振動(dòng)吸收和電子躍吸收所致的。在碳?xì)滏I為基本骨架的塑料材料中，在波長(zhǎng)處的衰減系數(shù)大約為，如果用氟原子置換碳?xì)滏I中的氫所組成的氟化塑料材料，其不僅本征衰減小，而且色散也降低了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纖，其在紅外區(qū)無原子振動(dòng)引起的吸收損耗。故可制得在可見光至紅外范圍的衰減很小，即在波長(zhǎng)處衰減系數(shù)為，在波長(zhǎng)處衰減為的梯度折射率分布的塑料光纖。（）帶寬用作短距離光傳輸介質(zhì)的塑料光纖，按其折射率分布形狀可分為兩種：階躍折射率分布塑料光纖和梯度折射率分布塑料光纖。階躍折射率分布塑料光纖由于模間色散作用使入射光發(fā)生反復(fù)的反射，射出的波形相對(duì)于入射波形出現(xiàn)展寬，故其傳輸帶寬僅為幾十至上百。氟化梯度折射率分布塑料光纖從選擇低色散的材料出發(fā)，再以優(yōu)化的梯度折射率分布手段，即可將其折射率分布指數(shù)在波長(zhǎng)范圍內(nèi)選定為，從而抑制模間色散，控制出射光波相對(duì)于入射光波展寬的效果，進(jìn)而可制得傳輸帶寬高達(dá)幾百至的梯度折射率分布的塑料光纖。（）熱穩(wěn)定由于塑料光纖是由塑料材料構(gòu)成的，故其在高溫環(huán)境中工作會(huì)發(fā)生氧化降解。氧化降解是光纖芯材料中的羰基、雙鍵和交聯(lián)形成的。氧化降解將促使電子躍遷加快，進(jìn)而引起光纖損耗增大。為切實(shí)提高塑料光纖的熱穩(wěn)定性，通常的做法是：選用含氟或硅的塑料材料來制造塑料光纖；將塑料光纖的光源工作波長(zhǎng)選擇在大于，以求得塑料光纖熱穩(wěn)定性長(zhǎng)期可靠。五、技術(shù)關(guān)鍵目前對(duì)塑料光纖產(chǎn)品的技術(shù)關(guān)鍵攻關(guān)問題有兩個(gè)：一是設(shè)計(jì)新的透光材料和包皮材料。塑料光纖同石英玻璃光纖一樣由兩部分組成：一為芯材，二為皮層。要制造出高質(zhì)量的光纖二者都很重要，光纖的芯材要求透明度和折射率越高越好，而皮層則要求折射率小于芯材，并且兩者相差越大越好。但要提高芯材的折射率比較難，而降低皮層折射率還有潛力可挖，主要集中在含氟高聚物上。第二個(gè)攻關(guān)點(diǎn)是工藝條件，研究如何控制芯材聚合物分子量、均勻性和提高透明