塑料光纤及其在通信网中的应用

2.塑料光纤的现状和发展
塑料光纤的研究始于二十世纪的六十年代。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，但损耗较大、带宽窄，达不到通信应用的需求，仅仅用于照明系统。1982年，宽带GI型塑料光纤在日本问世，由于其损耗更低，带宽更大的特点，使它成为研究重点。近几年来，欧洲及日本的一些公司及大学对POF的研究取得了重要的进展，无论在光纤衰减系数、带宽和工作波长等发面均有了很大的改善，欧日等国的公司研制成的塑料光纤，衰减系数己降到25～9dB/km，其工作波长已扩展到870μm，接近石英玻璃光纤的实用水平。目前，己经在氟化梯度折射率聚合物光纤(PF－GI－POF)上进行了波长范围为850～1300nm，传输速率为10Gbps的传输试验。而且，在GI－POF、价格便宜的注塑连接器、光源和单信道及多信道数据传输试验系统等研究方面已经取得了令人注目的成果，进而使GI－POF成为光纤到户中数据传输线路的一种理想的传输媒质。
国内在二十世纪八十年代有许多单位对聚合物光纤进行了一系列研究与生产开发，如西安光机所报道的以PMMA为纤芯的聚合物光纤，达到一定生产规模;武汉邮电科学院则以聚苯乙烯（PS）为纤芯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为包层，对聚合物光纤作了大量研究。进入90年代末期，很多高校对塑料光纤进行研究，从而使中国塑料光纤的研究水平达到了新的高度，缩短了与国外研究水平的差距。
据报道, 由深圳市中技源专利城有限公司和深圳大圣光电技术有限公司联合研制的两条生产线近日投产, 日产衰减为150～200dB/ km的塑料光纤12万芯米, 可实现50 米以上电信级应用,不仅打破了日本企业的全球垄断地位, 还直接将全球价格拉低了近80%。上述光纤都已达到了通信光纤的基本要求，可广泛应用于通信、控制、网络、照明以及对防干扰、防静电、防磁、防火等特定场所的需求。
虽然国内外有关POF的研究在降低传输损耗、提高耐热性、提高带宽、提高耐湿性等方面取得了一定的成果，我们应注意到，需要尽快完善POF行业的统一标准，形成POF及相关设备的生产产业化和规模化，发展功能型POF，提高塑料光纤的知名度,使塑料光纤应用在人们的生活的各个方面。

3 .塑料光纤的结构，分类和制造工艺
塑料光纤是工作在光频段的一种介质波导。它的形状通常呈圆柱形，其结构一般是由双层的同心圆柱体组成，如图1所示，纤芯折射率n1，包层折射率n2，n1略大于n2。与纤芯和包层直径分别为50/125μm和62.5 /125μm的石英多模光纤相比，塑料光纤的纤芯直径高达200～1000μm，包层厚度为5～50μm。

图1. 塑料光纤结构示意图

从折射率分布来看，POF主要可分为阶跃塑料光纤(SI－POF)和渐变型塑料光纤(GI－POF)两类;按实际用途来分，POF可分为通信用POF、耐高温(热)POF、照明用粗径POF和医用像束POF等;按纤芯材料来分，最常见的有聚苯乙烯POF (PSPOF)，聚甲基丙烯酸甲酯POF (PMMA POF )，此外还有聚碳酸酯POF (PC POF )，全氟树酯POF(CYTOPPOF)等。
塑料光纤的制造工艺主要有两种:挤压法和界面凝胶法。挤压法主要适用于制造阶跃折射率分布塑料光纤(SI－POF)。工艺流程如下:首先，将作为纤芯的聚甲基丙烯甲酯的单体甲基丙烯甲酯通过减压，蒸馏提纯后，连同聚合引发剂和链转移剂一并送入聚合容器中，接着再将该容器放入电烘箱中加热，置放一定时间让单体完全聚合，最后，将盛有完全聚合的聚甲基丙烯甲酯的容器加温至拉丝温度，并用干燥的氮气从容器的上端对己熔融的聚合物加压，该容器底部小嘴便挤出一根塑料光纤芯，同时使挤出的纤芯外再包覆一层低折射率的聚合物，就制成了阶跃型塑料光纤。
界面凝胶法适用于梯度折射率分布塑料光纤(GI－POF)的制造，工艺流程如下:首先将高折射率掺杂剂置于芯单体中制成芯混合溶液，其次把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引发剂和链转移剂放入芯混合溶液，再将该溶液投入一根选作包层材料 (PMMA)的空心管内，最后将装有芯混合溶液PMMA管子放入烘箱内，在一定的温度和条件下聚合。在聚合过程中，PMMA管内逐渐被混合溶液溶胀，从而在PMMA管内壁形成凝胶相。凝胶相分子运动速度减慢，聚合反应由于“凝胶作用”而加速，聚合物的厚度逐渐增厚，聚合终止于PMMA管子中心，从而获得一根折射率沿径向呈梯度分布的光纤预制棒，最后再将塑料光纤预制棒送入加热炉内加温拉制成梯度折射率分布塑料光纤。
4.POF的传输特性
POF的特性主要包括几何特性、光学特性、传输特性、温度特性和机械特性等几个方面。下面重点介绍其传输特性和相关标准。
4.1损耗特性
塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和散射损耗，吸收损耗主要来自碳氢键拉伸振动的本征吸收。散射损耗是因为光在传播的过程中改变了传播方向造成的能量的衰减。PMMA芯塑料光纤在650nm波长的理论损耗极限是100dB/km左右，实际做成的这类光纤传输损耗在120～300dB/km(650nm波长)。GI-POF比SI-POF的损耗一般要略高一些，因为无论采用掺杂剂还是采用其它单体与MMA共聚所形成的GI-POF，很难达到与纯PMMA同样低的损耗。PMMA POF的低损耗传输窗口,分别位于570nm,650nm和780nm波长处。氟化聚合物芯（PF）POF的工作波长延伸到了840nm和1310nm处，传输速率为2.5Gb/s,传输距离超过500m。最近，N.Tanio从理论上预测了无定形全氟聚丁烯乙烯基醚在1300mn处的理论损耗极限为0.3dB/km，在500nm处的损耗可低至0.15dB/km，这完全可以和石英光纤的损耗相比拟。一般POF在波长850nm处的典型的衰减系数大约为100～200dB/km，相比G.652光纤在1310nm的典型的衰减系数大约为0.35dB/km，有很大的差距。所以，POF光纤的损耗降低方面仍是研究重点。
4.2色散特性
阶跃型塑料光纤的数值孔径(NA)在0.5左右，带宽距离可以达到40MHz•100m。其在工业控制中的应用已经成熟，但由于带宽较小，不适于在航空和室内的通信网络中应用。小NA阶跃型塑料光纤的NA值约为0.25～0.3。较小的NA使得光纤中只传输较低阶的模式，从而减小了模式色散，使带宽提高到210MHz•Km。为了保证良好的连接性能，NA值不能再小。
. 多模梯度光纤的带宽与光纤的折射率剖面、光源的谱宽和入射孔径有关。当光纤具有接近于抛物型的最佳折射率剖面时，光纤的色散最小，可以获得最佳的带宽性能。另外，当入射光源的孔径较小时，光纤中只有部分模式被激发，色散小于光纤中全部传播模被激发的情形，因而可以获得相对较高的工作带宽。因材料色散较大，在650nm波长的带宽仅为3GHz•100m。全氟化渐变型塑料光纤在650nm波长的带宽大约是PMMA渐变型塑料光纤的3倍。材料在近红外区的色散较小，全氟化渐变型塑料光纤在1300nm波长的带宽可以达到100GHz•100m，比石英多模光纤的带宽更高。
4.3温度特性
塑料光纤耐热性能差是一大缺点。主要因为塑料本身的熔点低。在通信过程中，较高的环境温度影响了GI-POF的折射率分布形状是否稳定，从而影响塑料光纤的性能。目前试验中PMMA POF连续200小时85℃状态下损耗增加小于0.15 dB/m，常温下连续工作150小时损耗增加小于0.02-0.035dB/m,稳定度接近200到700个小时。对于商用的梯度聚合物光纤，可工作于－40～85℃的温度范围，长时间的加热到70℃而不会对光纤截面的折射率分布线型造成影响，同时也不会影响到光纤的带宽和传输损耗。
5. POF相关标准
POF早已被纳入ATM论坛、IEEE1394等多个标准中。1997年5月，ATM论坛通过155Mb/sPOF和硬塑料包层光纤的标准，标准规定在传输距离为50m，用155Mb/s速率传输时使用POF。
IEEE1394是高速串行数据接口，具有传输速率高、支持热插拔、即插即用，对等传输，允许各接点直接连接的特点，可用于计算机外部总线、消费电子产品接口，适用于汽车网络和未来的家庭网络。IEEE1394制定了支持三种速率100Mb/s、200Mb/s和400Mb/s的标准。
POF在汽车内布线的应用标准主要有:①MOST标准，主要适用于汽车内各项娱乐设施的控制;②BYEEFLIGHT标准，主要适用于汽车内“关键性功能”安全气囊的控制;③FLEXRAY标准，旨在替换目前的机械驱动装置，使得汽车转向，刹车，以及齿轮切换采用全电子系统;④IDEI394，基于IEEE1394的车内数据传输标准。
SERCOS标准，工业控制中的现场总线、过程控制和数字驱动等众多场合都使用塑料光纤作为传输介质，它可以抗电磁干扰和电磁辐射。典型的标准是SERCOS，它是德国机床制造协会与电器制造协会的一些主要厂家于1988年制定的串行实时通信系统标准，于1995年被采纳为国际标准IEC61491，是目前唯一的数字驱动与控制间通信的国际标准。采用塑料光纤作为传输介质，节点与节点间的最大长度为40m，传输速率可达2～16 Mb/s。
国际电工技术委员会标准IEC60793-2-40Ed.2.0中详细规定了塑料光纤（A4类光纤）的分类、结构、折射率分布形式、传输性能及机械性能。（参见表1）。可用于短距离、高速率的电话系统、数据传输、建筑物内外光纤布线及家用电器、工业和汽车网络。