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光纤材料--塑料光纤的特点、制备及发展应用论文
摘要：随着科学技术的发展，时代的进步，许多新发明、新发现不断地涌现在人们面前，这是时代发展的需求，同样也是社会进步的要求。只有通过不断地发明发现和探索，人类社会才能不断地进步。新型材料光纤作为一种新型材料以质量轻、传输损耗小、不受外界电磁波干扰、保密性好等优点逐渐被人们所重视，而在光纤领域内，塑料光纤由于具有有柔韧性好、加工性好、价格便宜等特点，而在短距通信、传感器及显示等方面获得了更广泛的应用。
关键字：光纤、塑料光纤、工作原理、性能参数、分类、制作工艺、塑料光纤优点、发展及应用领域 正文：
1、光纤、塑料光纤的定义以及其应用工作原理
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
塑料光纤（POF）是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤（光导纤维）【1】。
2、光纤的工作原理
光纤是利用光的全反射原理，光纤纤芯是光密介质，包层是光疏介质，只要光线射入的角度合适，那么光线就能在光纤中不断发生全反射，而传到光纤的另一端【2】。
3、塑料光纤的性能指标
（1）衰减
塑料光纤的衰减主要取决于所选用的材料的散射损耗和吸收损耗。要想作为通信级塑料光纤，一个最基本要求就是PMMA塑料光纤的衰减要低最好是小于180dB/km。
（2）带宽
梯度型塑料光纤是折射率呈梯度分布的光纤，其折射率由芯至包层逐渐降低。只要所形成的梯度折射率分布适宜，便可获得抑制模色散，保持大的数值孔径，控制出射光波相对于人射光波展宽的效果。如折射率分布妥当，那么材料色散就成为决定传输带宽的主要因素。只要在选择时充分注意材料色散，欲制得带宽为数Ghz·km是完全可行的。
（3）耐热性
最重要的是，塑料光纤的耐热性主要由其成分性能决定。耐热性好的材料成分，决定塑料光纤具有比较好的耐热性。判断材料耐热性的指标有玻璃化温度、维卡软化点、热变形温度等指标。
（4）连接性
通信塑料光纤多采用直径1mm的光纤，是石英光纤的8～20倍。粗的塑料光纤的连接比石英光纤要容易得很多。
4、塑料光纤的分类
目前常用的塑料光纤芯材有三类：（1）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（2）基苯乙烯（PS）系列（3）氘化聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-d）。其中第一类光纤特性好且价格便宜，目前被广泛应用。第二类线芯材料较脆，传输损耗大，而且随放置时间延长黄色指数上升，透明率下降，故
目前较少使用。第三类光纤由于以氘代替了氢，传输损耗可降低至20dBKm，是一种理想芯材，目前已有商品化产品，但价格较贵。
5、塑料光纤的制作工艺
塑料光纤的制造主要分阶跃型塑料光纤的制造和梯度型塑料光纤的制造【2】
（1）阶跃型塑料光纤常采用管棒法、涂覆法、复合拉丝法三种成型方法制备。管棒法是先将芯材聚合物制成棒状，外面套上包层材料管，然后将此管棒进行热拉伸成纤。涂覆法是先将包层材料溶于溶剂或使之熔融，然后将纤芯丝通过溶液或熔体进行涂覆，从而形成纤芯—包层结构的纤维。复合拉丝法是将芯层聚合物与包层聚合物分别在两台挤出机中同时熔融挤出到一个同心圆口模中芯层聚合物从中心挤出，包层聚合物从外环挤出，在模口处两种材料粘合成包复式纤维。（2）梯度性光纤是利用数种具有不同折射率和聚合反应速度的单体注入一垂直的聚合管中，在旋转的情况下，通过光激发或加热使之发生共聚，聚合物从管壁向轴中心逐渐析出，随着单体转化为聚合物的转化率上升，共聚物的折射率也逐渐发生变化，最后进行热拉伸得到自聚焦的光纤。
6、塑料光纤的优点 塑料光纤的优点：
（1）塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯曲）。塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。这些优点使得塑料光纤在汽车中成功应用尤为重要。一个典型的豪华车内部至少由几公里的铜线和铜缆，重量和成本大为增加。飞机、火车和其他所有交通工具莫不如此。（2）由于塑料光纤的大直径和数值孔径，光传导能力大。塑料光纤比铜类传输介质（双绞线和同轴电缆）有着高得多的带宽能力。传输的频率越高，运用塑料光纤的成本就越低。
塑料光纤的切割、布线、粘结、抛光和其他加工容易。由于有较大直径，塑料光纤安装和与器件、光源、探测器等的连接变得容易和低成本，非专业人士也能胜任这些操作。准备塑料光纤的连接最多不超过1分钟，也不需要特别的工具。即使是最简单的剪刀也可以用来切割塑料光纤。塑料光纤收发模块使用650nm波长的红光，非常安全，使用者可见也容易判断光纤的连接是否成功。另外，塑料光纤的连接对端面藏留的灰尘和碎屑不敏感。
（3）塑料光纤不产生辐射，完全不受电磁干扰和无线电频率干扰以及噪音的影响。这一点对视频和音频的分流尤为重要，很显然这些干扰和噪音影响图像和服务的品质。塑料光纤可以和铜缆在同一管道里或同一线束并排铺放。塑料光纤不产生噪音，不会对目前的管网产生负面影响。
（4）POF系统的成本低。据说用于家庭消费电子、家庭联网和汽车包括音响、DVD、VCR等的每个连接的成本低于20美金。所以这些器件都可以在一般商店里买到。
通过塑料光纤进行数据传输没有可能被窃听，这样塑料光纤在一些安全程度要求高的场合，就非常适用。
虽然石英光纤广泛用于远距离干线通信和光纤到户，但塑料光纤被称之为“平民化”光纤，理由是塑料光纤、相关的连接器件和安装的总成本比较低。在光纤到户、光纤到桌面整体方案中，塑料光纤是石英光纤的补充，可共同构筑一个全光网络。
POF与石英光纤相比，具有以下优点：模量低，芯径大(0.3-1.0mm)，接续时可使用简单的POF连接器，即使是光纤接续中心对准产生30μm的偏差也不会影响耦合损耗；数值孔径大(NA0.5左右)，受光角可达60°，而石英光纤只有16°，可用便宜的LED，并且耦合效率高；挠曲性好，易于加工和使用；在可见光区有低损耗窗口；重量轻；成本及加工费用低。
POF网络在局域网系统中与其他传输介质相比，也具有明显的优点：POF对电磁干扰不敏感，也不发生辐射，不同数据速率下的衰减恒定，误码率可预测，能在电噪声环境中使用；其尺寸较长，可降低接头设计中公差控制的要求，故成网成本较低等。
7、塑料光纤的发展及应用领域（1）塑料光纤的发展【1】
塑料光纤的研究始于二十世纪60年代。1968年美国杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯为芯材制备出塑料光纤，但光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以PMMA和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，其光损耗为3500dB/km，难以用于通信。
80年代日本的一些大企业和大学对低损耗塑料光纤的制备进行了大量的研究。1980年三菱公司以高纯MMA单体聚合PMMA，使塑料光纤损耗下降到100-200dB/km。1983年NTT公司开始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光损耗可达到20dB/km，并可传输近红外到可见光的光波。
近几年来，欧日等国的公司对塑料光纤的研制取得了重要的进展。它们研制成的塑料光纤，光损耗率已降到25～9分贝/公里。其工作波长已扩展到870微米(近红外光)，接近石英玻璃光纤的实用水平。美国研制的一种PFX塑料系列光纤，有着优异的抗辐照性能。此外，美国麻省波士顿光纤公司研制的Opti-Giga塑料光纤更是引人注目，它不仅比玻璃轻、柔性更好、成本更低，而且可在100米内以每秒3兆比特的速度传输数据。这种光纤还可以利用光的折射或光在纤维内的跳跃方式来达到较高的传输速度。现在美欧日已把塑料光纤用于短途传输，如汽车、医疗器械、复印机等。
就目前塑料光纤生产量而言，日本是世界上最大的塑料光纤生产者，然而却是欧洲推动了塑料光纤新应用领域的开发并建立了光纤检验标准。2001年下半年是欧洲塑料光纤工业发展的重要阶段，在这段时间内建立了欧洲塑料光纤检验和测量的新发展方针。世界上第一个专用塑料光纤应用中心(POFAC)在德国Nuremberg落成。德国采用塑料光纤已经研制成功了多媒体总线系统MOST(24Mbit/s)，并且有几家轿车制造商已把该系统引入到自己的产品上。德国宝马公司(BMW)在其新的7个系列产品中开创了使用100m塑料光纤的记录。欧洲2001年塑料光纤学术交流会和欧洲光纤通信会议同时在荷兰的阿姆斯特丹举行。德国汽车工业不仅推动了塑料光纤的应用，而且也推动了塑料光纤检验和测量标准的建立。
日本也建立了塑料光纤标准，但这些标准对欧洲共同体是无效的。日本工业标准只给出了一
种型号塑料光纤的标准，其数值孔径为0.5，而且只有650nm一种波长。该标准没有提及在塑料光纤中的不同激励光条件，也没有规定必须在塑料光纤内形成平衡模分布。
此前建立的玻璃光纤检验方法因为会出现瑞利散射而不适于检验塑料光纤，现在市场上仅有瑞士新成立的Luciol仪器公司出售的一种检验塑料光纤的仪器。
德国工程师学会和电子工程学会研究小组已经详细规定了塑料光纤数值孔径、衰减、传输和机械特性以及环境和寿命的测量方法。塑料光纤检验方法和标准的建立必将促进国际塑料光纤贸易的发展，并消除贸易中的误解。
日本对塑料光纤的应用十分重视，早在几年前，NEC、富士通、住友电器工业公司等45家光通信、多媒体产品的生产厂家就联合宣布，将共同实现已在日本开发成功的塑料光纤的实用化。塑料光纤的成本低廉，被认为是将多媒体引进到家庭的关键技术，随后一些生产厂家就着手建立生产线。
1986年，日本F富士通公司以PC为纤芯材料开发出SI型耐热POF，耐热温度可达135摄氏度，衰减达450dB/km;1990年，日本庆应大学的小池助教授开发成功折射率渐变型的塑料光纤，芯材为含氟PMMA、包层为含氟，用界面凝胶技术制造。该塑料光纤衰减在60db/km以下，光源650-1300nm，100m带宽3GHz，传输速率10Gb/s，超过了GI型石英光纤，并被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介;1996年，人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网ATM物理层;1997年，日本NEC公司进行了155Mbit/s的ATM、LAN的试验。
在2000年OFC会议上，日本ASAHI GLASS公司报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数在850nm为41dB/km，在1300nm为33dB/km，带宽已达100mhz/km。用这种光纤成功地进行了50m、2.5Gbit/s的高速传输试验和70摄氏度长期热老化试验。实验结论为氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离的通信使用要求。
中国科学家经过多年努力，终于攻克了从本体聚合法直接生产聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）突变型塑料光纤的技术难关，掌握了批量连续化生产塑料光纤技术。中科院理化技术研究所现已累计生产出数百万米低损耗突变型塑料光纤，破除了日本公司在国际上的垄断地位。
目前中科院理化所已研制成功日产10万米PMMA塑料光纤的全自动流水线，连续数月稳定生产出光衰减在170-200dB/km的PMMA光纤，累计生产出数百万米低损耗塑料光纤，表明这一产业化技术已经成熟。同时，该所还具备批量生产光衰减为150dB/km的阶跃型PMMA光纤潜能，产品技术指标达到国际同类产品的最好水平。低衰减PMMA光纤连续化批量生产技术的问世，标志我国在该领域跻身世界先进行列。
当今信息技术的发展迫切需要信息容量大的光纤材料，对通讯网络带宽的要求越来越高。塑料光纤具有芯径大、质地柔软、联结容易、质量轻、价格便宜、传输带宽大等优点，在宽带接人
网系统、家庭智能网络系统、数据传输系统、汽车智能系统、工业控制系统以及纺织、照明、太阳能利用系统等方面的应用市场潜力巨大【3】。（2）塑料光纤的应用
目前塑料光纤在我国的应用场合有：室内装饰、水景照明、溶洞照明、易燃易爆场合、太阳光的利用。此外，塑料光纤在工业，特别是汽车工业、农业及国防建设中也得到了大量的应用【4】。
网络成本的降低、性能的提高、数字传播技术的引入、电磁干扰的减少以及塑料光纤标准的制定与完善都使得塑料光纤在工业、农业、国防建设中得到大量应用，并推动着塑料光纤产业逐渐成为光通信的主流产业。目前，塑料光纤主要应用于低速、短距离的通信传输中。由于塑料光纤具有通信容量大、不放射电磁噪音、质量轻等特点，因而在汽车制造工业中得到广泛使用。宝马公司已在其最新产品中使用塑料光纤，用于汽车制造系统的通信。
在工业控制总线系统中，通过转换器，塑料光纤可与RS232、RS422、100 Mb/s以太网、令牌网等标准协议接口连接，从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信路线，高速传输工业控制信号和指令，避免了因使用金属电缆线路受干扰而导致通信中断的危险。
塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质，在未来家庭智能化、办公自动化中也将得到广泛应用。在Internet服务中，塑料光纤由于重量轻且耐用，因而被用来将车载机通信网络和控制系统连接成一个网络，将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中，旅客可通过塑料光纤网络在座位上享受音乐、电影、视频游戏、购物。当塑料光纤在传输距离不超过100m时，其传输速率能达到11Gb/s，因此在互联网短距离传输中可以用塑料光纤代替双绞线和同轴电缆，从而保证了互联网中短距离的大容量通信【5】。
在单兵作战系统中，重量轻、可挠性好、连接快捷的塑料光纤，被用于士兵穿戴式的轻型计算机系统。塑料光纤也被用在飞机、战舰、导弹等高科技智能武器的控制系统中【5】。
随着科技的发展，塑料光纤的应用领域越来越广，其市场的发展会越来越广阔。国外在塑料光纤的应用开发上已取得了较大的成果，且不断在加大新的应用研究投入，在韩国、中国以及我国台湾地区已经有厂商开始投入研发生产，因此产业更应就塑料光纤的研究和发展予以密切注视。深圳大圣光电技术有限公司在塑料的研制和生产方面已取得很大进展，目前在国内外已有较大的市场。总之，随着科技的高速发展，塑料光纤的应用领域会越来越广，必将给光通信带来一场新的革命。
【1】《塑料光纤基础及运用》作者：胡先志 胡佳妮
人民邮电出版社
2010年4月1日 【2】《光纤光缆的设计与制造》作者：陈炳炎 2003年03月 【3】《电子设计工程》 作者：杨永辉 2010年11月
【4】《塑料光纤的现状与实用化动向》作者：王田虎 2005年12月
【5】《光纤通信》作者：刘增基，周洋溢等编著，西安电子科技大学出版社，2003年
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