塑料光纤的性能及其应用和制备.doc

塑料光纤的特性以及应用
080611338 丁宁
摘要：介绍了塑料光纤在局域网、汽车工业、传感器等领域的应用。通过对石英光纤、金属电缆与塑料光纤的性能进行比较，得到了塑料光纤具有芯径大、柔韧性好、价格低廉、制作简单等特点。就塑料光纤在局域网、汽车工业、传感器等领域的应用进行了分析、总结。此外还指出阻碍塑料光纤进一步发展的因素。
一、引言
随着通信产业的迅猛发展，光纤作为信息载体的光信号传输介质在大容量数据的高速传输中起着重要的桥梁和纽带作用。目前，石英光纤由于其宽带、低损耗、适合长距离通信传输，而占据着光通信的主要市场。然而，由于石英光纤芯径小、连接复杂、成本高，所以在光纤人户时遇到很大的困难。随着短距离、大容量的数据通信系统及汽车等工业的迅速发展，塑料光纤(P0F)以其芯径大、柔韧性可塑性强、重量轻、价格低廉等优点而受到国际的普遍关注。为了对塑料光纤有一个较为全面的认识，本在查阅有关文献的基础上，阐述塑料光纤的主要特性和应用以及制备方法。
二、基本原理
塑料光纤的定义：塑料光学纤维是以光学塑料为材料的一类重要的光学纤维。
塑料光纤传光原理：
1、子午光线在阶跃型塑料光纤中的传输
阶跃型塑料光纤是一种具有芯皮结构的光纤。子午平面指的是包含有光纤轴的平面，所谓子午线，就是光线的传播路径始终在同一平面内，子午光线总是和光纤轴相交的，光在一种均匀介质传播时是一种直线式传播：当光从一种介质传至另一介质表面时，一般同时发生反射和折射；如果光从折射率小的光疏介质射入折射率大的光密介质时，则折射角小于入射角；而当光从光密介质射入光疏介质时折射角将大于入射角，因而当光从光密介质射入光疏介质时就有可能出现只有反射而无折射的现象，这就是全反射，全反射是光折射的一种边界效应，即光从一种透明介质进入到另一种介质里而发生弯曲的现象。塑料光纤就是通过全反射原理进行光传输的。
2、子午线在阶跃型光纤中的几何行程和反射次数
由于子午光线入射光纤中并不是同一角度，故而其在光纤中的几何行程也不相同。无论是子午线在光线中的行程计算公式还是反射次数计算公式，都是假定光纤是处于非常理想状态下：光纤非常直，光纤直径均匀，光纤内部无缺陷和光纤入射端面平直等，倘若光纤不在这一理想条件下，则入射子午线全反射的状况就会发生变化，如有的会从光纤中反射出，有的反射角会发生变化等，因此光纤的传输损耗也会增加。
3、斜光线在阶跃型折射率塑料光纤中的传输
所谓斜面光线，就是光在光纤中传输中时，并不是像子午光线一样保证在同一平面内，它在光纤中传输时，其轨道通常是一空间螺旋曲线，其最大入射角比子午线的大，但通常以子午线传输表征光纤的传输特性，自然这是最理想的一种状况。
4、光在渐变型折射率分布塑料光纤中的传输
对于渐变型折射率GI 塑料光纤，同样有子午线和斜光纤，这种光纤折射率并不是一恒定常数，而是随着离轴距离的增加而折射率下降，其渐变折射分布图参见如下；抛物线型折射率分布光纤具有较小的模式色散的特点，渐变折射分布有多种形式，当折射率分布按二次方抛物线分布时，子午线在光纤中的传播路径为正弦曲线型，斜光纤的传播路径为螺旋曲线，渐变型折射率塑料光纤多用于短距离数据传输，用于光纤照明较少。
5、荧光塑料光纤的传光原理
荧光塑料光纤就是在塑料光纤芯材中掺入一定量的荧光剂制备而成的塑料光纤，这种塑料光纤经过特定波长的光照射后，将发出特定波长的光，其原理比较复杂，可简单认为基态分子中成键电子吸收光后激发，然后单线态分子返回到基态，即发出荧光。荧光塑料光纤按折射率分布结构分类，可分为荧光SI 塑料光纤和荧光GI 塑料光纤，掺杂有机染料的塑料光纤A最重要特性是在宽波长范围内提供高功率输出。它满足一般的SI 型光纤的传光特性，但入射光的波长不同于出射光的波长。荧光塑料光纤还有另一种传光方式，这就是入射光可从侧面照射荧光塑料光纤，出射光从光纤两端面出射，当然入射光的波长不同于出射光的传输波长。荧光材料的光特性主要依赖于基质材料，荧光塑料光纤增益放大特性同泵浦波长、荧光塑料光纤长度及所用掺杂剂和浓度有关。所谓增益G是指塑料光纤输出信号光功率Pout与输入光功率Pin之间的一种比值。
6、结语
塑料光纤之所以能传光是因为光纤具有芯皮结构，光在塑料光纤中传输是按全反射原理进行传光的，光在SI 塑料光纤中的传输方式为全反射式锯齿型，光在GI 塑料光纤中的传输方式为正弦曲线型；同时为了简化计算，选用子午线进行了参数计算，子午线就是光线的传播路径始终经过光纤轴并在同一平面内，这些参数计算包括最大入射角或发射光角度、数值孔径、子午线在阶跃型光纤中的几何行程及反射次数；侧面发光塑料光纤和荧光塑料光纤也是按全反射原理进行传光的，对于单芯侧面发光塑料光纤多是由非固有损耗导致侧面发光，而对于多芯侧面发光塑料光纤则是由弯曲损耗产生侧面发光的。荧光塑料光纤经过特定波长光激发后发出特定波长的光，而且激发光不仅可从端面入射，而且可从侧面入射。
三、基本性质
塑料光纤具有如下许多突出的优点：
（1） 重量轻。光学塑料的比重一般是0.83~1.5克/厘米3，大多在1克/厘米3左右，为玻璃比重的1/2~1/3。这在导弹、人造卫星、宇宙航行中有重要的应用。
（2） 韧性好。例如厚3毫米的聚碳酸酯材料，一般子弹既打不透也打不碎，抗冲击强度好。塑料光学纤维柔软性能好，直径2毫米仍可自有弯曲而不断裂，而玻璃光学纤维直径大于50微米就不能弯曲。
（3） 对不可见光波透过性能好。 在可见光和近红外波段的透过性能接近光学玻璃，在远红外和紫外波段，透过率可以大于50%，比光学玻璃好。
（4） 成本低、工艺简便。塑料的原材料比玻璃原料便宜，而且塑料光学纤维的操作温度通常在300ºC以下，而玻璃光学纤维的制作则需要1000ºC以上的高温，工艺 比玻璃光学纤维简单。
塑料光学纤维主要有如下缺点：
（1） 耐热性能差。一般只能在-40ºC~80ºC的温度范围内使用，只有少数塑料光学纤维可以在200ºC附近工作。当温度低于-40ºC时，塑料光学纤维将变硬、变脆。由于塑料的熔点低，比玻璃易老化。
（2） 抗化学腐蚀和表面磨损性能比玻璃差，因而表面易被划伤，影响光学质量。
（3） 易潮解。
由于塑料光学纤维具有上述优缺点，在光学纤维的广泛应用中可以用它来补充玻璃光学纤维之不足。因而，塑料光学纤维进来已成为光学纤维的一个极其重要的方面。
塑料光学纤维的特性：
1、光学特性
由于塑料光学纤维是一种纤维状长链分子，随着拉丝过程，长链分子的宏观取向将和光学纤维轴一致。同时塑料光学纤维是用单体聚合而成，很难得到密度均匀的材料，因而，光学不均匀性就很难避免，损耗难以大幅度下降。
2、机械性能
塑料光学纤维的一个显著的特点是柔软性好。例如，一毫米粗的塑料光学纤维，按曲率半径为6毫米做180º的来回弯曲100多次，对光学纤维毫无损害，透过率并无变化。总之，塑料光学纤维的曲率半径大于塑料光学纤维直径的3倍时，透过率仍无大的变化。
塑料光学纤维耐热性能差事一个大缺点。一般不能超过80ºC，这是因为塑料本身熔点低的缘故。
塑料硬度差，易破损，易老化。
3、化学性能
塑料光学纤维的化学稳定性较差，在丙酮，醋酸乙酯或者苯的作用下，光学性能会受到很大影响。
表一给出了塑料光学纤维的一些主要性能及与玻璃光学纤维的比较；表二给出了几种塑料光学纤维的主要性能。

表一：塑料光学纤维与玻璃光学纤维的比较
纤维
塑料光学纤维
玻璃光学纤维
光学性能
光吸收系数一般为0.008~0.0018厘米，实验室公认最低损耗为20分贝/公里（650~680毫微米波段），接近一般玻璃的光吸收，紫外和远红外透过性能好
光吸收系数一般为0.00002~0.00001/厘米，实验室中熔融硅的最低损耗0.2分贝/公里（在1.5微米）相应的吸收系数<10厘米，近红外波段通过性能好
热学性能
使用温度一般小于100C，个别可短时间在200C下工作
多组分光纤可用于300C，石英光纤波导可用于400C，塑料涂层玻璃光纤可用于150C以下
力学性能
柔软性能好，耐弯曲，耐冲击，光纤直径一般不小于50微米，作导光束用的塑料单纤维直径可大于2毫米，这时柔软性能仍很好
单纤维直径一般为5~150微米，大于100微米的光纤就不能弯曲，易折断
化学稳定性
在化学药品的浸蚀下，易着色，变质或老化
优良
耐辐射性
较差
差
加工性能
制作温度低，加工工艺简单
制作需要高温（如石英光纤需要1900C），工艺复杂
比重
比重小，一般在1左右，因而质量轻
比重大，一般在2.4左右，因而较重
成本
原料便宜，易于大量生产，成本低
原料较贵，可大批生产，成本高

表二：几种典型的塑料光纤的主要参数
制造厂与光纤牌号
材料
直径（微米）
光缆直径（毫米）
衰减（分贝/公里）
抗张强度（公斤）
弯曲半径（厘米）
N．
A．
最大长度（公里）
杜邦公司
PFX-P740
塑料
375

470
11
0.3

1
杜邦公司
PFX-P140R
塑料
400

470
40
0.1

1
杜邦公司
PFX-P240R
塑料
400

470
90
0.1

1
克林格
（A）
塑料
1015

1250
10
2

1
波利光学
1010
丙烯酸酯
200

1100
150
0.4
0.51
2
波利光学
1010
丙烯酸酯
500

1100
150
2.5
0.51
3
汤姆逊布兰特
ET1017
塑料
85
9.4
100
55
15

0.1
东芝
塑料
0.1~3

1270
620~950

0.56

三菱人造丝
公司（厄斯卡）
丙烯酸酯
0.1~2.5

1020
700~1300

0.50

茨城电气
研究所
芯：MMA
涂层：氟化丙烯酸酯

55

茨城电气
研究所
重氢化PMMA光纤

20

四、应用领域
塑料光纤已有3O多年的研究历史，最初应用于照明，后来应用于汽车、医疗和工业控制 以及短距离通讯网络。近年来，随着光纤到户(F1vrH)工程的推进，塑料光纤应用的市场空间将有很大的扩展。
4.1 FTTH
随着北京奥运、西部大开发、“村村通”工程以及 “三网合一”等各种新业务的蓬勃发展，接入网逐渐显得带宽不足。F1vrH是宽带接入的最佳解决方案，是未来光通信的发展方向。F1vrH是指将光网络单元 安装在住宅用户或企业用户处，是 F1vrx系列中除 FTTD(光纤到桌面)外最靠近用户的光接入网类型。 在连接密集的用户接入网中，如果采用传统石英光纤 组网，其安装和维护成本昂贵，用户不堪重负。FTTH的光缆结构将会不断地推陈出新，光纤的使用会由现在的多模光纤发展到单模光纤再到塑料光纤。利用塑料光纤芯径大、连接方便等优点组建局域网可以很好地解决最后100 m 的用户光纤问题。采用塑料光纤作为中心路由器到服务器和各个楼层塑料光纤交换机的传输媒质，且交换机到用户也都用塑料光纤进行连接，可实现真正意义上的m H，大幅低F1v1_H工程建设费用，从而进一步推动F1vrH的发展步伐。
CYTOP 塑料光纤是日本旭硝子公司与日本庆应大学小池康博教授合作研究出的一种新型 塑料光纤，具有低损耗(实验室的损耗达到 10 dB／km以下)、宽带宽(1 km 内传输速率达 1 Gb／s)的特性，应用范围达100 m，能解决最后 1 km的用户接入问题，实现千兆FTTD。日本旭硝子公司在2000年推出这种光纤的产品，其商标名为Lucina。在日本政府工业和贸易部门的支持下，日本开放了千兆塑料光纤城市示范工程，将庆应大学的校园网塑料光纤化，还连接了小学、医院和公寓楼，演示了高速数据传输、流媒体通信、会议电视、远程医疗和数字视频广播。在此基础上，日本从2003年起，首先在高层建筑中敷设 CYTOP 塑料光纤千兆以太网。
在国内，中科院化学所与中国科技大学合作，成功研制出PMMA GI 塑料光纤，并于 2000年在中科院化学所的图书馆构筑了中国第一个百兆塑料光纤网络，实现了 FTTD，传输速率达百兆。2004年，上海大学成功地构筑了中国第一个 CYTOP 塑料光纤以太示范网。实现了千兆 FTTD。
4.2 汽车工业
目前，包括数字音频和视频、导航系统以及通向其它车用总线的网关等在内的各种汽车终端应用不 断涌现，车中的电子器件变得越来越复杂。为了减轻电气配线重量，提高信号传输速度，排除电磁干扰，汽车制造商正在加快采用气囊与传感器的步伐。作为传播信息的通道，塑料光纤具有不放射电磁噪音、质量轻的特点，汽车制造商已正式开始采用其来构筑车内LAN。塑料光纤可以将车载、机载通信网和控制系统组成一个网络，将微机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中。通过由 塑料光纤组成的网络，从接入的公用网络和国际互联网中为用户提供个人所需的音乐、电影、视频游戏和购物等服务。目前，大量采用 塑料光纤的车辆 已经问世。
4.3 工业控制总线系统
随着计算机和自动控制技术的高速发展，工业自动化水平提高到一个崭新的高度。工业自动化根据其特点和使用方 向可分为过程控制自动化、面向生产和制造业的 自动化以及 自动化测量系统(工业测量仪表)。这些工业 自动化系统的建立和发展都有一个共同特点，即由直接控制系统向集散型控制系统发展，而这种集散型控制系统的发展均以各种工业网络为基础 。对 塑料光纤来说，工业控制总线系统是其最稳定和最大的市场之一。通 过 转 换 器，塑料光纤可以与RS232、RS422、100 Mbps以太网以及令牌网等标准协议接口相连，高速传输工业控制信号和指令，避免了因使用金属 电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的危险，从而在恶劣的工 业制 造环境中提供稳定 、可靠的通信线路。
4.4 消费电子
标准 1394b是消费电子领域的一套新标准。此标准可使用多种传输媒介，包括5类铜缆线、塑料光纤以及玻璃材料光纤 。此外，1394b的最大传输速率也 比1394a标准提高许多，超过 400 Mbps，最高可达3．Gbps。并且1394b明确指出将具有低损耗、高性能的 塑料光纤作为传输介质之一。
4.5 军事通信
在军事通信中，塑料光纤常用于高速传输大量的敏感、保密信息。由于它是网络和传感器的安全耐用的理想材料，因而可广泛用于战斗机、直升机和军舰。利用其重量轻、可挠性好、连接快捷及便于佩戴的特点，还可用于高科技军服中。士兵穿上这种既轻便又防水耐磨的电脑化军服，能够插入通信网络下载、存储、发送和接收任务信号，可从头上方的显示器上看到信息。塑料光纤不仅可用于军事常规通信领域，而且还可用于海下照明、导弹、运载火箭和电子对抗雷达等尖端领域。
另外，通过塑料光纤在飞机中组成通信网络，可从接入公共网络和国际互联网中为旅客提供电影、视频游戏、购物等服务，同时由于 塑料光纤重量轻，可明显降低飞机载重量；通过 塑料光纤可实现智能家电(家用 PC、HDTV、电话、数字成象设备、家庭安全设备 、空调、冰箱、音响系统和厨用电器等)联网，达到家庭自动化和远程控制管理 ；通过 塑料光纤可实现办公设备的联网，如计算机联网可以实现计算机并行处理，办公设备间数据的高速传输可大大提高工作效率，实现远程办公PS 塑料光纤还可用于制作光纤工艺品，如花卉、盆景、动物和光纤壁画、广告牌等。
4.6 结论
在光通信技术蓬勃发展的今天，极力推崇塑料光纤的专家们强调的是其网络成本的低廉价格。国外对塑料光纤的研究投入了相当大的财力和人力，相比之下， 我国对塑料光纤的研究则投入甚少，在研究、生产和应用等方面存在极大的差距。同时，塑料光纤行业的进一步发展也遇到了以下一些需设法解决的阻碍因素：
1)在目前的局域网中，与现有可升级的铜缆相比，使用塑料光纤的成本仍比较昂贵，因而企业在进行新线缆业务时会考虑光缆的使用率和价格是否合算 ；
2)研究机构因缺少市场意识与企业合作不紧密，导致有些技术即使取得实质性进展却不能实用化，同时企业也较难及时获悉市场与技术方面的相关信息；
3)整个塑料光纤行业统一标准制订与完善进展缓慢，不利于塑料光纤产业化 ；
4)塑料光纤开发者自身将目标定得太高，将主要精力投入到高端产业中，而这些产业需要更高的进入门槛和更先进的技术，使得塑料光纤本应成为主流的市场仍在大量使用铜缆；
5)缺少强有力的商业协会推动 塑料光纤发展；
6)高校缺少 塑料光纤相关课程等。
基于塑料光纤的发展趋势和潜在的巨大市场，我国研究者应加速 塑料光纤技术以及相关 塑料光纤器件(包括光 发射机和接收机、连接器、光开关以及耦合器等)的研究力度。随着生产工艺和技术的改进，塑料光纤的各项性能指标将不断得以优化，必将在光通信领域得到广泛应用。
五、制备方法
制备塑料光纤，通常主要有两种方法：
其一为直接挤出成纤法，即将高折射率的芯材聚合物和低折射率的皮材聚合物通过双层喷嘴挤出，用高聚物聚烯烃材料包覆后，降温、热处理，使芯皮界面融合同时拉伸至一定的直径，冷却即可得到GI 塑料光纤。
其二为预制棒拉纤法，即首先制得渐变型折射率预制棒。然后在适当的温度和拉力下，以一定的拉伸速率将预制棒拉伸，便可以得到梯度折射率分布的渐变型塑料光纤。
六、直接挤出法制备GI 塑料光纤
1.、制备步骤
通过具有不同折射率的单体在聚合物中的相互扩散，用封闭的挤压过程来制备渐变型塑料光纤(GI P0F)。
图1是挤压法制备 GI POF的原理图。其原理如下：容器 1中含有聚合物单体 A和至少一种单体B(包含有另外一种单体 c)的混合溶液；容器2中含有聚合物单体 D和至少另一种单体 E的混合溶液。 这两种溶液在 6o℃加热后。经转速比为 1／3的齿轮泵3和4以体积比 1：3进入到同心模头 5中，然后双层的复合单丝从模头的小孔中挤压出来，进入保持恒温 80℃的封闭扩散区域 6。当经过封闭扩散区域时，内层的单体 B和 c和外层的 E相互扩散在细丝中产生了连续分布的折射率。在扩散区的底部，细丝进入由四个紫外灯(每个 60 W／cm)构成的固化区 7，最后由卷绕辊通过滚筒 8获得光纤。

2、影响因素
该种方法制备的 GI POF不易于控制偏心度，而且因直接挤出纤维，没有中间测试控制手段，容易造成原材料浪费。
3、结果讨论
直接挤出法制备的 GI POF不易于控制偏心度，而且因直接拉出纤维，没有中间测试控制手段，容易造成原材料浪费。预制棒拉纤法是两步工艺法，可以通过测试棒的性能控制下一步拉纤，是制备 GI POF的主要方法。其中界面．凝胶法具有原材料廉价、设备简单等优点，成为制备 GI POF预制棒的主要方法。因此制备 GI POF最佳方法是：第一步用界面．凝胶法制备 GI POF预制棒，第二步是将性能合格的预制棒用如图3所示的装置拉制成纤维。
参考文献：
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2.李忠辉，等．渐变型聚合物光纤研究进展．光纤与光缆及其应用技术，2003：1—6．
3.耿玉慧，等．GI POF预制棒制备工艺的研究[J]．哈尔滨理工大学学报．2004.9：41—43．
4.张宁等．一种适用于塑料光纤局域网的收发器研究2007.1
5.徐晋平．塑料光纤——新型的光传输技术．国际线缆设备．2005.7
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