塑料光纖的發(fā)展制作和應(yīng)用前景課件

五、POF的應(yīng)用一、塑料光纖（POF）的優(yōu)點二、POF技術(shù)的發(fā)展三、POF的分類四、POF的制備7/31/20231五、POF的應(yīng)用一、塑料光纖（POF）的優(yōu)點二、POF技術(shù)的一、塑料光纖（POF）的優(yōu)點簡單、安全的連通測試：采用650nm的LED紅光光源時，是對肉眼無害的可見光?？焖侔惭b：POF能夠很容易地通過狹小的穿線管；容易連接：POF不用拋光液能達到很好的連接效果，也不用為了連接而采用專用的設(shè)備；低廉成本：由于具備以上兩個優(yōu)點，所以采用POF做傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，其造價要比石英光纖接入系統(tǒng)低；堅固耐用：POF光纜比石英光纜更加柔軟耐用，彎曲半徑也?。?/31/20232一、塑料光纖（POF）的優(yōu)點簡單、安全的連通測試：采用6507/31/202337/27/20233二、POF技術(shù)的發(fā)展（一）、階躍型塑料光纖早期的塑料光纖都是大數(shù)值孔徑階躍型塑料光纖。由于這種光纖色散較大，帶寬只能達到5MHZ*km，不能滿足高速數(shù)據(jù)通信的要求，故一直以照明、汽車車燈監(jiān)控等非通信應(yīng)用為主。隨后通過一系列技術(shù)是它的傳輸性能得到大幅度的改善。7/31/20234二、POF技術(shù)的發(fā)展（一）、階躍型塑料光纖早期的塑料光纖都是1、用高純度單體來聚合PMMA，使傳送損耗下降到100-200dB/km聚甲基丙烯酸甲脂聚合物2、將PMMA中的氫原子（H）用氘（D）置換，使光波的傳輸范圍從可見光擴展到近紅外，且傳輸損耗下降到20dB/km。3、使用小數(shù)值孔徑階躍型光纖使帶寬擴展到210MHz*100m，而這個帶寬已接近階躍型塑料光纖的帶寬極限。7/31/202351、用高純度單體來聚合PMMA，使傳送損耗下降到100-20早期市場上的POF產(chǎn)品多為PMMA基質(zhì)多模SIPOF，雖然與石英玻璃光纖相比在短距離通信應(yīng)用中有低價、易處理的優(yōu)勢，但其窄帶寬（5MHz*km）和高固有衰減(150~300dB/km),不能適應(yīng)帶寬逐漸增大的多媒體社會的需要。為了增加帶寬，首先想到的解決方法是減小光纖的數(shù)值孔徑，采用單模SIPOF方案。但POF的最主要特點是大芯徑，因此不能期望將其發(fā)展成單模光纖以增加帶寬，這樣POF的低價格、易處理優(yōu)勢將失去。目前解決上述問題的較佳選擇是漸變型塑料光纖（GIPOF）。GIPOF的開發(fā)為塑料光纖在寬帶通信網(wǎng)中的應(yīng)用開拓了廣闊的前景。（二）、漸變型塑料光纖（GIPOF）的發(fā)展過程及現(xiàn)狀7/31/20236早期市場上的POF產(chǎn)品多為PMMA基質(zhì)多模SIPOF，雖然與一開始，只是將兩種不同活性和折射率的單體經(jīng)光共聚法形成預(yù)制棒，拉絲后制成損耗為4~5dB/m的GIPOF。隨后發(fā)明了“界面凝膠聚合”技術(shù)，顯著降低了GIPOF的損耗（在688nm波長處降至56dB/km）。經(jīng)過各國政府以及企業(yè)對塑料光纖工藝的重視和應(yīng)用，使之得以得到長久的發(fā)展。迄今為止，應(yīng)用前景最好的是全氟POF，其傳輸速度高，可以達到10Gb/s，并且柔軟性好，容易連接，其連接時間僅為石英光纖的1/10，可直接使用與現(xiàn)有的局域網(wǎng)設(shè)備。7/31/20237一開始，只是將兩種不同活性和折射率的單體經(jīng)光共聚法形成預(yù)制棒三、塑料光纖的分類特殊塑料光纖包括所有具有特殊性能的塑料光纖，比如激光染料摻雜塑料光纖、閃爍塑料光纖、電光塑料光纖等，還有具有特殊設(shè)計結(jié)構(gòu)的塑料光纖，比如微結(jié)構(gòu)塑料光纖和雙芯塑料光纖等。塑料光纖普通塑料光纖特殊塑料光纖包括所有的階躍型多模塑料光纖、漸變型多模塑料光纖以及單模塑料光纖。這類光纖與普通石英光纖類似，由纖芯和包層構(gòu)成，不同的纖芯折射率分布構(gòu)成了不同類型的光纖。7/31/20238三、塑料光纖的分類特殊塑料光纖包括所有具有特殊性能的塑料光纖多模光纖主要用在強度型傳感器的系統(tǒng)中，被測量的物理量直接影響輸出光信號的強度。漸變折射率多模塑料光纖可以解決帶寬窄的問題。在單模光纖中，單模石英光纖的缺點是纖芯芯徑非常細，只有5~10微米。而塑料單模光纖相對于石英光纖的特點就是芯徑粗，是石英光纖的50~100倍，對接容易、成本低，所以其在干涉型光纖傳感器中具有更出眾的特點。普通塑料光纖折射率分布應(yīng)用的情況一類是階躍型，另一類是漸變型。多模光纖單模光纖7/31/20239多模光纖主要用在強度型傳感器的系統(tǒng)中，被測量的物理量直接影響3、微結(jié)構(gòu)塑料光纖是近年來人們研究的一種新型的特殊塑料光纖，它是在纖芯中分布有規(guī)律的空氣孔，具備新的傳輸特性。這些新的傳輸特性包括寬波長范圍的單模工作，具有大的有效纖芯和模面積，在空氣中而不是在光纖材料中導(dǎo)光等。這些新的傳輸特性對于光纖傳感器的應(yīng)用來說是非常有意義的。特殊的塑料光纖1、閃爍塑料光纖是有源材料如熒光材料、激光染料摻雜的塑料光纖，主要用在高能輻射的測量。閃爍塑料光纖現(xiàn)在已經(jīng)實際應(yīng)用在核物理中監(jiān)測核輻射和跟蹤帶電高能粒子。2、電光塑料光纖是在纖芯中摻雜有很高的光學(xué)非線性并且響應(yīng)速度非?？斓挠袡C物，使得塑料光纖具備很高的光學(xué)非線性。很多有機物都具備光學(xué)非線性高和響應(yīng)速度快的特點，特別是塑料光纖有相對較低的加工制造溫度，這使得有很大范圍的功能材料可以摻人塑料光纖當(dāng)中。電光塑料光纖在電壓和電場傳感器方面具有巨大的、潛在的應(yīng)用前景。7/31/2023103、微結(jié)構(gòu)塑料光纖是近年來人們研究的一種新型的特殊塑料光纖，四、POF的制備預(yù)制棒拉絲法共擠法涂覆法連續(xù)聚合紡絲法7/31/202311四、POF的制備預(yù)制棒拉絲法7/27/202311預(yù)制棒拉絲法——將光纖的芯材和鞘材分別制成嚴(yán)格匹配的預(yù)制棒和套管，在加熱和抽真空情況下將兩者緊緊復(fù)合在一起拉制成絲。這當(dāng)中，最主要的是預(yù)制板的制作。7/31/202312預(yù)制棒拉絲法——將光纖的芯材和鞘材分別制成嚴(yán)格匹配的預(yù)制棒和光共聚法兩步共聚法界面凝膠法塑料光纖的預(yù)制棒的制作方法POF生產(chǎn)常用方法，該工藝?yán)米鳛榘鼘拥乃芰瞎芘c塑料管內(nèi)作為纖芯的混合液體之間發(fā)生的“界面凝膠”作用來形成POF的梯度折射率分布結(jié)構(gòu)的。折射率分布可控，而且分布均勻優(yōu)點缺點反應(yīng)需要很長的時間，所以該工藝的生產(chǎn)成本比較高。7/31/202313光共聚法兩步共聚法界面凝膠法塑料光纖的預(yù)制棒的制作方法POF共聚法是制造遞變光學(xué)塑料的方法，包括擴散共聚法、光共聚法、混合聚合溶解法、放電共聚法、加熱共聚法、引發(fā)共聚法、催化共聚法等。那么光共聚法的原理是什么呢？不飽和的或環(huán)狀的單體分子相互加成而析出小分子的反應(yīng)，稱之為加聚反應(yīng)或聚合反應(yīng)，由兩種或兩種以上單體進行加聚反應(yīng)稱之為共聚反應(yīng)。7/31/202314共聚法是制造遞變光學(xué)塑料的方法，包括擴散共聚法光共聚法就是把兩種單體混合物注入圓筒模具中，使其繞中心軸轉(zhuǎn)動，同時用紫外線照射，引發(fā)光共聚反應(yīng)。單體的數(shù)日可以多于兩種，形成三元或多元共聚物，可以制得最符合要求的折射率分布形式。由于邊緣處光較中心處強和離心力的作用，共聚物先在圓筒內(nèi)壁附近生成，然后逐步向中心處生長。由于各單體競聚率不同，轉(zhuǎn)化率和共聚物的組成將隨時間而變化，從而形成徑向的組分和折射率的梯度變化。7/31/202315光共聚法就是把兩種單體混合物注入圓筒模具中，使其繞中心軸轉(zhuǎn)動將擠出的纖芯通過鞘料的溶液，將溶劑去除后，鞘層包裹于芯層而成光纖的方法，其工藝流程見下圖。1、芯材流道；2、鞘材流道；3、分流錐；4、復(fù)合腔。d1:芯材復(fù)合前直徑；d2:分流錐末端外徑；D0：復(fù)合腔直徑；涂覆法7/31/202316將擠出的纖芯通過鞘料的溶液，將溶劑去除后，鞘層包裹于芯層而成在拉制POF過程中使用兩臺擠出機：一臺擠出芯材、另一臺擠出鞘材，兩臺擠出機通過同一模頭熔融擠出成型，再經(jīng)牽引收卷即拉制成POF。連續(xù)聚合紡絲法是目前最先進的光纖拉絲工藝，其先進性在于從單體聚合到紡絲成型全部在密封系統(tǒng)內(nèi)進行，大大減少了外界環(huán)境污染，從而使光纖的透光率得以大幅提高。共擠法連續(xù)聚合紡絲法7/31/202317在拉制POF過程中使用兩臺擠出機：一臺擠出芯材、另一臺五、POF的應(yīng)用塑料光纖以其所具有的柔軟易彎曲、芯徑大、易耦合、抗電磁干擾、電磁輻射(EMI/EMR)制造工藝簡單、成本低等優(yōu)點，廣泛地用于短距離、中小容量信息傳輸系統(tǒng)、傳感器、CD播放機、汽車、飛機信息傳輸網(wǎng)絡(luò)、多媒體網(wǎng)絡(luò)、軍事網(wǎng)絡(luò)、甚至可以用于宇航以及導(dǎo)彈的制導(dǎo)等。7/31/202318五、POF的應(yīng)用塑料光纖以其所具有的柔軟易彎曲、芯徑大、易耦（一）、POF在局域網(wǎng)（LAN）中的應(yīng)用。目前已有POF、無屏蔽對絞線（UTP）、屏蔽對絞線（STP）、同軸電纜和玻璃光纖應(yīng)用于LAN上.下表是POF與石英光纖、金屬電纜的特性比較。7/31/202319（一）、POF在局域網(wǎng)（LAN）中的應(yīng)用。目前已從上表可以看出，POF具有很多與玻璃光纖類相似的優(yōu)點，而成本則低得多。作為一種傳輸媒質(zhì)，POF幾乎與對絞線一樣便宜，而且兩者的接頭價格差不多。此外，POF的安裝成本極低。因此，如果包括光纜、安裝以及元件在內(nèi)，POF網(wǎng)確實比UTP網(wǎng)有價格上的優(yōu)勢。用UTP的唯一好處是，其節(jié)點上端機的價格比POF低，但隨著POF在LAN系統(tǒng)中的用量日益增長及相關(guān)技術(shù)的研制開發(fā)，其價格會有大幅度下降。隨著制造技術(shù)的成熟，POF自身的價格也會降低。7/31/202320從上表可以看出，POF具有很多與玻璃光纖類相似的優(yōu)點，而成本（二）、POF在汽車工業(yè)的應(yīng)用起初，塑料光纖作為照明光傳輸媒質(zhì)應(yīng)用在汽車上，將光傳輸?shù)侥切┆M小得不能安裝標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的位置或者傳輸?shù)讲煌娘@示牌。隨著計算機控制在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛，一輛汽車形成一個局域網(wǎng)（CAN），因此所要傳輸?shù)膶崟r信息量越來越大。為了避免電磁干擾、串音及這些不良現(xiàn)象所引起的數(shù)據(jù)延誤、丟失，系統(tǒng)需要選擇能承受高信息速率、保證安全的介質(zhì)材料。光波既不會產(chǎn)生電磁輻射，也不會被其它輻射干擾，另外使用光纖時不用考慮地面回路及電位短路，因此光纖成為CAN首選材料。7/31/202321（二）、POF在汽車工業(yè)的應(yīng)用起初，塑料光纖作為照明光傳輸媒隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加，汽車中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點越來越多。多節(jié)點，短距離的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求節(jié)點間的連接器價格低廉，POF的大直徑（1mm）和大的數(shù)值孔徑（約等于0.5）可以使POF之間的連接比GOF（玻璃光纖）簡單得多，而且價格低廉。手持式POF端面處理器和插入式POF連接器的出現(xiàn)，更使得POF的連接簡易、快速。另外，POF的高可撓性也決定了它是汽車系統(tǒng)中最佳的通信媒介。7/31/202322隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加，汽車中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點越來越多。多節(jié)點，短雖然目前POF已經(jīng)能夠滿足汽車數(shù)據(jù)系統(tǒng)所要求的傳輸速率(60Mb/s)和較高的溫度（120度），但隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對傳輸介質(zhì)的要求將會越來越高。這就要求研究、開發(fā)傳輸帶寬更高、耐溫更高、衰減更低的POF和與之相關(guān)的光源。7/31/202323雖然目前POF已經(jīng)能夠滿足汽車數(shù)據(jù)系統(tǒng)所要求的傳輸速率(60（三）、POF在其他領(lǐng)域的應(yīng)用POF適用于氣候惡劣的網(wǎng)絡(luò)和傳感器，能夠高速傳遞大量的保密性強的信息，塑料光纖可引入戰(zhàn)斗機、直升機和軍艦內(nèi)，作為戰(zhàn)時的信息傳輸媒質(zhì)。由于POF塑料光纖超強的抗電磁干擾和電磁輻射的能力還可用于導(dǎo)彈，實現(xiàn)不受干擾的準(zhǔn)確制導(dǎo)。所以塑料光纖在軍事上和核工業(yè)上有重要的戰(zhàn)略意義。7/31/202324（三）、POF在其他領(lǐng)域的應(yīng)用POF適用于氣候惡劣的網(wǎng)絡(luò)和光纖傳感器（OFS）相對于傳統(tǒng)傳感器有很多優(yōu)點：如抗電磁干擾能力強，無需外加電源，對電絕緣，體積?。尚纬煞植际絺鞲薪Y(jié)構(gòu)）等。引入POF作為光纖傳感器的材料，則為光纖傳感領(lǐng)域帶來了很多獨特的優(yōu)點；相對于石英光纖，POF可以有許多種不同尺寸；可撓性好；還可以摻入不同的材料以改變材料的結(jié)構(gòu)，從而達到各種傳感要求。另外，POF還應(yīng)用于照明、燈火監(jiān)控、燈光裝飾、醫(yī)用圖像傳輸（用GI-POF來制作內(nèi)窺鏡光纖束，微光纖直徑可減小到2.5微米）、感光探測、復(fù)印機內(nèi)部光路及數(shù)字化音響系統(tǒng)等。7/31/202325光纖傳感器（OFS）相對于傳統(tǒng)傳感器有很多優(yōu)點：如抗電磁干擾結(jié)論：塑料光纖作為一種光傳輸介質(zhì)，由于其獨特的性能而受到世界各國的關(guān)注。但是，塑料光纖損耗大的缺點卻一直制約著它在各種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。隨著化工技術(shù)的不斷提高及相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的不斷努力，POF已經(jīng)在