塑料光纖的特性與應用

1、塑料光纖的特性以及應用080611338 丁寧摘要：介紹了塑料光纖在局域網(wǎng)、汽車工業(yè)、傳感器等領域的應用。通過對石英光纖、金屬電纜與塑料光纖的性能進行比較，得到了塑料光纖具有芯徑大、柔韌性好、價格低廉、制作簡單等特點。就塑料光纖在局域網(wǎng)、汽車工業(yè)、傳感器等領域的應用進行了分析、總結(jié)。此外還指出阻礙塑料光纖進一步發(fā)展的因素。一、引言隨著通信產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，光纖作為信息載體的光信號傳輸介質(zhì)在大容量數(shù)據(jù)的高速傳輸中起著重要的橋梁和紐帶作用。目前，石英光纖由于其寬帶、低損耗、適合長距離通信傳輸，而占據(jù)著光通信的主要市場。然而，由于石英光纖芯徑小、連接復雜、成本高，所以在光纖人戶時遇到很大的困難。隨著短

2、距離、大容量的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及汽車等工業(yè)的迅速發(fā)展，塑料光纖(P0F)以其芯徑大、柔韌性可塑性強、重量輕、價格低廉等優(yōu)點而受到國際的普遍關注。為了對塑料光纖有一個較為全面的認識，本在查閱有關文獻的基礎上，闡述塑料光纖的主要特性和應用以及制備方法。二、基本原理塑料光纖的定義：塑料光學纖維是以光學塑料為材料的一類重要的光學纖維。塑料光纖傳光原理：1、子午光線在階躍型塑料光纖中的傳輸階躍型塑料光纖是一種具有芯皮結(jié)構(gòu)的光纖。子午平面指的是包含有光纖軸的平面，所謂子午線，就是光線的傳播路徑始終在同一平面內(nèi)，子午光線總是和光纖軸相交的，光在一種均勻介質(zhì)傳播時是一種直線式傳播：當光從一種介質(zhì)傳至另一介質(zhì)表面時

3、，一般同時發(fā)生反射和折射；如果光從折射率小的光疏介質(zhì)射入折射率大的光密介質(zhì)時，則折射角小于入射角；而當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時折射角將大于入射角，因而當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時就有可能出現(xiàn)只有反射而無折射的現(xiàn)象，這就是全反射，全反射是光折射的一種邊界效應，即光從一種透明介質(zhì)進入到另一種介質(zhì)里而發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。塑料光纖就是通過全反射原理進行光傳輸?shù)摹?、子午線在階躍型光纖中的幾何行程和反射次數(shù)由于子午光線入射光纖中并不是同一角度，故而其在光纖中的幾何行程也不相同。無論是子午線在光線中的行程計算公式還是反射次數(shù)計算公式，都是假定光纖是處于非常理想狀態(tài)下：光纖非常直，光纖直徑均勻，光纖內(nèi)部無缺陷

4、和光纖入射端面平直等，倘若光纖不在這一理想條件下，則入射子午線全反射的狀況就會發(fā)生變化，如有的會從光纖中反射出，有的反射角會發(fā)生變化等，因此光纖的傳輸損耗也會增加。3、斜光線在階躍型折射率塑料光纖中的傳輸所謂斜面光線，就是光在光纖中傳輸中時，并不是像子午光線一樣保證在同一平面內(nèi)，它在光纖中傳輸時，其軌道通常是一空間螺旋曲線，其最大入射角比子午線的大，但通常以子午線傳輸表征光纖的傳輸特性，自然這是最理想的一種狀況。4、光在漸變型折射率分布塑料光纖中的傳輸對于漸變型折射率GI 塑料光纖，同樣有子午線和斜光纖，這種光纖折射率并不是一恒定常數(shù)，而是隨著離軸距離的增加而折射率下降，其漸變折射分布圖參見如

5、下；拋物線型折射率分布光纖具有較小的模式色散的特點，漸變折射分布有多種形式，當折射率分布按二次方拋物線分布時，子午線在光纖中的傳播路徑為正弦曲線型，斜光纖的傳播路徑為螺旋曲線，漸變型折射率塑料光纖多用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，用于光纖照明較少。5、熒光塑料光纖的傳光原理熒光塑料光纖就是在塑料光纖芯材中摻入一定量的熒光劑制備而成的塑料光纖，這種塑料光纖經(jīng)過特定波長的光照射后，將發(fā)出特定波長的光，其原理比較復雜，可簡單認為基態(tài)分子中成鍵電子吸收光后激發(fā)，然后單線態(tài)分子返回到基態(tài)，即發(fā)出熒光。熒光塑料光纖按折射率分布結(jié)構(gòu)分類，可分為熒光SI 塑料光纖和熒光GI 塑料光纖，摻雜有機染料的塑料光纖A最重要特性是

6、在寬波長范圍內(nèi)提供高功率輸出。它滿足一般的SI 型光纖的傳光特性，但入射光的波長不同于出射光的波長。熒光塑料光纖還有另一種傳光方式，這就是入射光可從側(cè)面照射熒光塑料光纖，出射光從光纖兩端面出射，當然入射光的波長不同于出射光的傳輸波長。熒光材料的光特性主要依賴于基質(zhì)材料，熒光塑料光纖增益放大特性同泵浦波長、熒光塑料光纖長度及所用摻雜劑和濃度有關。所謂增益G是指塑料光纖輸出信號光功率Pout與輸入光功率Pin之間的一種比值。6、結(jié)語塑料光纖之所以能傳光是因為光纖具有芯皮結(jié)構(gòu)，光在塑料光纖中傳輸是按全反射原理進行傳光的，光在SI 塑料光纖中的傳輸方式為全反射式鋸齒型，光在GI 塑料光纖中的傳輸方式為

7、正弦曲線型；同時為了簡化計算，選用子午線進行了參數(shù)計算，子午線就是光線的傳播路徑始終經(jīng)過光纖軸并在同一平面內(nèi)，這些參數(shù)計算包括最大入射角或發(fā)射光角度、數(shù)值孔徑、子午線在階躍型光纖中的幾何行程及反射次數(shù)；側(cè)面發(fā)光塑料光纖和熒光塑料光纖也是按全反射原理進行傳光的，對于單芯側(cè)面發(fā)光塑料光纖多是由非固有損耗導致側(cè)面發(fā)光，而對于多芯側(cè)面發(fā)光塑料光纖則是由彎曲損耗產(chǎn)生側(cè)面發(fā)光的。熒光塑料光纖經(jīng)過特定波長光激發(fā)后發(fā)出特定波長的光，而且激發(fā)光不僅可從端面入射，而且可從側(cè)面入射。三、基本性質(zhì)塑料光纖具有如下許多突出的優(yōu)點：（1） 重量輕。光學塑料的比重一般是0.831.5克/厘米3，大多在1克/厘米3左右，為玻

8、璃比重的1/21/3。這在導彈、人造衛(wèi)星、宇宙航行中有重要的應用。（2） 韌性好。例如厚3毫米的聚碳酸酯材料，一般子彈既打不透也打不碎，抗沖擊強度好。塑料光學纖維柔軟性能好，直徑2毫米仍可自有彎曲而不斷裂，而玻璃光學纖維直徑大于50微米就不能彎曲。（3） 對不可見光波透過性能好。 在可見光和近紅外波段的透過性能接近光學玻璃，在遠紅外和紫外波段，透過率可以大于50%，比光學玻璃好。（4） 成本低、工藝簡便。塑料的原材料比玻璃原料便宜，而且塑料光學纖維的操作溫度通常在300ºC以下，而玻璃光學纖維的制作則需要1000ºC以上的高溫，工藝 比玻璃光學纖維簡單。塑料光學纖維主要有如

9、下缺點：（1） 耐熱性能差。一般只能在-40ºC80ºC的溫度范圍內(nèi)使用，只有少數(shù)塑料光學纖維可以在200ºC附近工作。當溫度低于-40ºC時，塑料光學纖維將變硬、變脆。由于塑料的熔點低，比玻璃易老化。（2） 抗化學腐蝕和表面磨損性能比玻璃差，因而表面易被劃傷，影響光學質(zhì)量。（3） 易潮解。由于塑料光學纖維具有上述優(yōu)缺點，在光學纖維的廣泛應用中可以用它來補充玻璃光學纖維之不足。因而，塑料光學纖維進來已成為光學纖維的一個極其重要的方面。塑料光學纖維的特性：1、光學特性由于塑料光學纖維是一種纖維狀長鏈分子，隨著拉絲過程，長鏈分子的宏觀取向?qū)⒑凸鈱W纖維軸一致。

10、同時塑料光學纖維是用單體聚合而成，很難得到密度均勻的材料，因而，光學不均勻性就很難避免，損耗難以大幅度下降。2、機械性能塑料光學纖維的一個顯著的特點是柔軟性好。例如，一毫米粗的塑料光學纖維，按曲率半徑為6毫米做180º的來回彎曲100多次，對光學纖維毫無損害，透過率并無變化?？傊?，塑料光學纖維的曲率半徑大于塑料光學纖維直徑的3倍時，透過率仍無大的變化。塑料光學纖維耐熱性能差事一個大缺點。一般不能超過80ºC，這是因為塑料本身熔點低的緣故。塑料硬度差，易破損，易老化。3、化學性能 塑料光學纖維的化學穩(wěn)定性較差，在丙酮，醋酸乙酯或者苯的作用下，光學性能會受到很大影響。 表一給出

11、了塑料光學纖維的一些主要性能及與玻璃光學纖維的比較；表二給出了幾種塑料光學纖維的主要性能。表一：塑料光學纖維與玻璃光學纖維的比較纖維塑料光學纖維玻璃光學纖維光學性能光吸收系數(shù)一般為0.0080.0018厘米，實驗室公認最低損耗為20分貝/公里（650680毫微米波段），接近一般玻璃的光吸收，紫外和遠紅外透過性能好光吸收系數(shù)一般為0.000020.00001/厘米，實驗室中熔融硅的最低損耗0.2分貝/公里（在1.5微米）相應的吸收系數(shù)<10厘米，近紅外波段通過性能好熱學性能使用溫度一般小于100C，個別可短時間在200C下工作多組分光纖可用于300C，石英光纖波導可用于400C，塑料涂層玻

12、璃光纖可用于150C以下力學性能柔軟性能好，耐彎曲，耐沖擊，光纖直徑一般不小于50微米，作導光束用的塑料單纖維直徑可大于2毫米，這時柔軟性能仍很好單纖維直徑一般為5150微米，大于100微米的光纖就不能彎曲，易折斷化學穩(wěn)定性在化學藥品的浸蝕下，易著色，變質(zhì)或老化優(yōu)良耐輻射性較差差加工性能制作溫度低，加工工藝簡單制作需要高溫（如石英光纖需要1900C），工藝復雜比重比重小，一般在1左右，因而質(zhì)量輕比重大，一般在2.4左右，因而較重成本原料便宜，易于大量生產(chǎn)，成本低原料較貴，可大批生產(chǎn)，成本高表二：幾種典型的塑料光纖的主要參數(shù)制造廠與光纖牌號材料直徑（微米）光纜直徑（毫米）衰減（分貝/公里）抗張強

13、度（公斤）彎曲半徑（厘米）NA最大長度（公里）杜邦公司PFX-P740塑料375470110.31杜邦公司PFX-P140R塑料400470400.11杜邦公司PFX-P240R塑料400470900.11克林格（A）塑料101512501021波利光學1010丙烯酸酯20011001500.40.512波利光學1010丙烯酸酯50011001502.50.513湯姆遜布蘭特ET1017塑料859.410055150.1東芝塑料0.1312706209500.56三菱人造絲公司（厄斯卡）丙烯酸酯0.12.5102070013000.50茨城電氣研究所芯：MMA涂層：氟化丙烯酸酯55茨城電氣研究

14、所重氫化PMMA光纖20四、應用領域 塑料光纖已有3O多年的研究歷史，最初應用于照明，后來應用于汽車、醫(yī)療和工業(yè)控制 以及短距離通訊網(wǎng)絡。近年來，隨著光纖到戶(F1vrH)工程的推進，塑料光纖應用的市場空間將有很大的擴展。 4.1 FTTH隨著北京奧運、西部大開發(fā)、“村村通”工程以及 “三網(wǎng)合一”等各種新業(yè)務的蓬勃發(fā)展，接入網(wǎng)逐漸顯得帶寬不足。F1vrH是寬帶接入的最佳解決方案，是未來光通信的發(fā)展方向。F1vrH是指將光網(wǎng)絡單元 安裝在住宅用戶或企業(yè)用戶處，是 F1vrx系列中除 FTTD(光纖到桌面)外最靠近用戶的光接入網(wǎng)類型。 在連接密集的用戶接入網(wǎng)中，如果采用傳統(tǒng)石英光纖 組網(wǎng)，其安裝和

15、維護成本昂貴，用戶不堪重負。FTTH的光纜結(jié)構(gòu)將會不斷地推陳出新，光纖的使用會由現(xiàn)在的多模光纖發(fā)展到單模光纖再到塑料光纖。利用塑料光纖芯徑大、連接方便等優(yōu)點組建局域網(wǎng)可以很好地解決最后100 m 的用戶光纖問題。采用塑料光纖作為中心路由器到服務器和各個樓層塑料光纖交換機的傳輸媒質(zhì)，且交換機到用戶也都用塑料光纖進行連接，可實現(xiàn)真正意義上的m H，大幅低F1v1_H工程建設費用，從而進一步推動F1vrH的發(fā)展步伐。 CYTOP 塑料光纖是日本旭硝子公司與日本慶應大學小池康博教授合作研究出的一種新型 塑料光纖，具有低損耗(實驗室的損耗達到 10 dBkm以下)、寬帶寬(1 km 內(nèi)傳輸速率達 1 G

16、bs)的特性，應用范圍達100 m，能解決最后 1 km的用戶接入問題，實現(xiàn)千兆FTTD。日本旭硝子公司在2000年推出這種光纖的產(chǎn)品，其商標名為Lucina。在日本政府工業(yè)和貿(mào)易部門的支持下，日本開放了千兆塑料光纖城市示范工程，將慶應大學的校園網(wǎng)塑料光纖化，還連接了小學、醫(yī)院和公寓樓，演示了高速數(shù)據(jù)傳輸、流媒體通信、會議電視、遠程醫(yī)療和數(shù)字視頻廣播。在此基礎上，日本從2003年起，首先在高層建筑中敷設 CYTOP 塑料光纖千兆以太網(wǎng)。 在國內(nèi)，中科院化學所與中國科技大學合作，成功研制出PMMA GI 塑料光纖，并于 2000年在中科院化學所的圖書館構(gòu)筑了中國第一個百兆塑料光纖網(wǎng)絡，實現(xiàn)了 F

17、TTD，傳輸速率達百兆。2004年，上海大學成功地構(gòu)筑了中國第一個 CYTOP 塑料光纖以太示范網(wǎng)。實現(xiàn)了千兆 FTTD。4.2 汽車工業(yè) 目前，包括數(shù)字音頻和視頻、導航系統(tǒng)以及通向其它車用總線的網(wǎng)關等在內(nèi)的各種汽車終端應用不 斷涌現(xiàn)，車中的電子器件變得越來越復雜。為了減輕電氣配線重量，提高信號傳輸速度，排除電磁干擾，汽車制造商正在加快采用氣囊與傳感器的步伐。作為傳播信息的通道，塑料光纖具有不放射電磁噪音、質(zhì)量輕的特點，汽車制造商已正式開始采用其來構(gòu)筑車內(nèi)LAN。塑料光纖可以將車載、機載通信網(wǎng)和控制系統(tǒng)組成一個網(wǎng)絡，將微機、衛(wèi)星導航設備、移動電話、傳真等外設納入機車整體設計中。通過由 塑料光纖

18、組成的網(wǎng)絡，從接入的公用網(wǎng)絡和國際互聯(lián)網(wǎng)中為用戶提供個人所需的音樂、電影、視頻游戲和購物等服務。目前，大量采用 塑料光纖的車輛 已經(jīng)問世。4.3 工業(yè)控制總線系統(tǒng) 隨著計算機和自動控制技術的高速發(fā)展，工業(yè)自動化水平提高到一個嶄新的高度。工業(yè)自動化根據(jù)其特點和使用方 向可分為過程控制自動化、面向生產(chǎn)和制造業(yè)的 自動化以及 自動化測量系統(tǒng)(工業(yè)測量儀表)。這些工業(yè) 自動化系統(tǒng)的建立和發(fā)展都有一個共同特點，即由直接控制系統(tǒng)向集散型控制系統(tǒng)發(fā)展，而這種集散型控制系統(tǒng)的發(fā)展均以各種工業(yè)網(wǎng)絡為基礎 。對 塑料光纖來說，工業(yè)控制總線系統(tǒng)是其最穩(wěn)定和最大的市場之一。通 過 轉(zhuǎn) 換 器，塑料光纖可以與RS232

19、、RS422、100 Mbps以太網(wǎng)以及令牌網(wǎng)等標準協(xié)議接口相連，高速傳輸工業(yè)控制信號和指令，避免了因使用金屬 電纜線路受電磁干擾而導致通信中斷的危險，從而在惡劣的工 業(yè)制 造環(huán)境中提供穩(wěn)定 、可靠的通信線路。4.4 消費電子 標準 1394b是消費電子領域的一套新標準。此標準可使用多種傳輸媒介，包括5類銅纜線、塑料光纖以及玻璃材料光纖 。此外，1394b的最大傳輸速率也 比1394a標準提高許多，超過 400 Mbps，最高可達3Gbps。并且1394b明確指出將具有低損耗、高性能的 塑料光纖作為傳輸介質(zhì)之一。4.5 軍事通信 在軍事通信中，塑料光纖常用于高速傳輸大量的敏感、保密信息。由于它

20、是網(wǎng)絡和傳感器的安全耐用的理想材料，因而可廣泛用于戰(zhàn)斗機、直升機和軍艦。利用其重量輕、可撓性好、連接快捷及便于佩戴的特點，還可用于高科技軍服中。士兵穿上這種既輕便又防水耐磨的電腦化軍服，能夠插入通信網(wǎng)絡下載、存儲、發(fā)送和接收任務信號，可從頭上方的顯示器上看到信息。塑料光纖不僅可用于軍事常規(guī)通信領域，而且還可用于海下照明、導彈、運載火箭和電子對抗雷達等尖端領域。另外，通過塑料光纖在飛機中組成通信網(wǎng)絡，可從接入公共網(wǎng)絡和國際互聯(lián)網(wǎng)中為旅客提供電影、視頻游戲、購物等服務，同時由于 塑料光纖重量輕，可明顯降低飛機載重量；通過 塑料光纖可實現(xiàn)智能家電(家用 PC、HDTV、電話、數(shù)字成象設備、家庭安全設

21、備 、空調(diào)、冰箱、音響系統(tǒng)和廚用電器等)聯(lián)網(wǎng)，達到家庭自動化和遠程控制管理 ；通過 塑料光纖可實現(xiàn)辦公設備的聯(lián)網(wǎng)，如計算機聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)計算機并行處理，辦公設備間數(shù)據(jù)的高速傳輸可大大提高工作效率，實現(xiàn)遠程辦公PS 塑料光纖還可用于制作光纖工藝品，如花卉、盆景、動物和光纖壁畫、廣告牌等。4.6 結(jié)論 在光通信技術蓬勃發(fā)展的今天，極力推崇塑料光纖的專家們強調(diào)的是其網(wǎng)絡成本的低廉價格。國外對塑料光纖的研究投入了相當大的財力和人力，相比之下， 我國對塑料光纖的研究則投入甚少，在研究、生產(chǎn)和應用等方面存在極大的差距。同時，塑料光纖行業(yè)的進一步發(fā)展也遇到了以下一些需設法解決的阻礙因素： 1)在目前的局域網(wǎng)中

22、，與現(xiàn)有可升級的銅纜相比，使用塑料光纖的成本仍比較昂貴，因而企業(yè)在進行新線纜業(yè)務時會考慮光纜的使用率和價格是否合算 ； 2)研究機構(gòu)因缺少市場意識與企業(yè)合作不緊密，導致有些技術即使取得實質(zhì)性進展卻不能實用化，同時企業(yè)也較難及時獲悉市場與技術方面的相關信息；3)整個塑料光纖行業(yè)統(tǒng)一標準制訂與完善進展緩慢，不利于塑料光纖產(chǎn)業(yè)化 ； 4)塑料光纖開發(fā)者自身將目標定得太高，將主要精力投入到高端產(chǎn)業(yè)中，而這些產(chǎn)業(yè)需要更高的進入門檻和更先進的技術，使得塑料光纖本應成為主流的市場仍在大量使用銅纜； 5)缺少強有力的商業(yè)協(xié)會推動 塑料光纖發(fā)展； 6)高校缺少 塑料光纖相關課程等?；谒芰瞎饫w的發(fā)展趨勢和潛在的

23、巨大市場，我國研究者應加速 塑料光纖技術以及相關 塑料光纖器件(包括光 發(fā)射機和接收機、連接器、光開關以及耦合器等)的研究力度。隨著生產(chǎn)工藝和技術的改進，塑料光纖的各項性能指標將不斷得以優(yōu)化，必將在光通信領域得到廣泛應用。五、制備方法制備塑料光纖，通常主要有兩種方法：其一為直接擠出成纖法，即將高折射率的芯材聚合物和低折射率的皮材聚合物通過雙層噴嘴擠出，用高聚物聚烯烴材料包覆后，降溫、熱處理，使芯皮界面融合同時拉伸至一定的直徑，冷卻即可得到GI 塑料光纖。 其二為預制棒拉纖法，即首先制得漸變型折射率預制棒。然后在適當?shù)臏囟群屠ο?，以一定的拉伸速率將預制棒拉伸，便可以得到梯度折射率分布的漸變型塑料光纖。六、直接擠出法制備GI 塑料光纖1.、制備步驟通過具有不同折射率的單體在聚合物中的相互擴散，用封閉的擠壓過程來制備漸變型塑料光纖(GI P0F)。圖1是擠壓法制備 GI POF的原理圖。其原理如下：容器 1中含有聚合物單體 A和至少一種單體B(包含有另外一種單體 c)的混合溶液；容器2中含有聚合物單體 D和至少另一種