塑料光纖產品發(fā)展簡述

一、前言
    自從業(yè)界開創(chuàng)了光纖通訊技術以來，大至歸納，光纖通訊比傳統(tǒng)的電銅通訊有3大優(yōu)點：一是通信容量大；二是抗電磁干擾、保密性能較好；三是重量輕，并可節(jié)省大量的銅，如鋪設1000公里長的8芯光纜比鋪設同樣長度的8芯電纜可節(jié)省1100噸銅，3700噸鉛。因此光纖光纜一經問世就受到通信業(yè)界的歡迎，帶來了通訊領域的革命以及一輪投資發(fā)展熱潮。 
    盡管玻璃光纖具有上述一系列優(yōu)點，但它有一個致命的弱點就是強度低，抗撓曲性能差，而且抗輻射性能也不好。因此，近20多年來，業(yè)界一直沒有停止過對光纖其他材料的代用研發(fā)，其中對塑料光纖的研發(fā)是目前業(yè)界最為感興趣的研究領域之一，目前已經取得較大進展，已經有商用產品面世，現已廣泛應用于汽車、CD播放機、工業(yè)電子系統(tǒng)、小型光盤系統(tǒng)和個人計算機中。今后還會有許多領域將使用塑料光纖，諸如傳感器、光子晶體光纖等。

二、塑料光纖的優(yōu)點 
    塑料光纖與玻璃光纖相比，雖透光性差一些，光損耗較大，初期一般為300分貝／公里，傳輸光帶狹窄(限于可見光區(qū))，被認為難以適應多媒體通信網的需要，但它具有輕而柔軟、抗撓曲、抗沖擊強度高、價格便宜、抗輻照、易加工、并能制成大直徑(1～3毫米，以增大受光角度，擴大使用范圍)等一系列優(yōu)點，所以備受青睞。此外，光通過塑料光纖的中心部分的直徑約為1毫米，比玻璃光纖大100倍，與纖維之間的連接及與個人機等終端裝置的連接都十分容易。因此塑料光纖安裝費用很低，安裝時采用十分簡單的對準連接插頭即可，這種插頭可用現有的技術生產。

三、塑料光纖產品研發(fā)簡述 
    塑料光纖的研究始于二十世紀60年代。1968年美國杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯為芯材制備出塑料光纖，但光損耗較大。1974年日本三菱人造絲公司以PMMA和聚苯乙烯為芯材、以低折射率的氟塑料為包層開發(fā)出塑料光纖，其光損耗為3500dB/km，難以用于通信。
80年代日本的一些大企業(yè)和大學對低損耗塑料光纖的制備進行了大量的研究。1980年三菱公司以高純MMA單體聚合PMMA，使塑料光纖損耗下降到100-200dB/km。1983年NTT公司開始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光損耗可達到20dB/km，并可傳輸近紅外到可見光的光波。
近幾年來，歐日等國的公司對塑料光纖的研制取得了重要的進展。它們研制成的塑料光纖，光損耗率已降到25～9分貝／公里。其工作波長已擴展到870微米(近紅外光)，接近石英玻璃光纖的實用水平。美國研制的一種PFX塑料系列光纖，有著優(yōu)異的抗輻照性能。此外，美國麻省波士頓光纖公司研制的Opti-Giga塑料光纖更是引人注目，它不僅比玻璃輕、柔性更好、成本更低，而且可在100米內以每秒3兆比特的速度傳輸數據。這種光纖還可以利用光的折射或光在纖維內的跳躍方式來達到較高的傳輸速度。現在美歐日已把塑料光纖用于短途傳輸，如汽車、醫(yī)療器械、復印機等。 
    就目前塑料光纖生產量而言，日本是世界上最大的塑料光纖生產者，然而卻是歐洲推動了塑料光纖新應用領域的開發(fā)并建立了光纖檢驗標準。2001年下半年是歐洲塑料光纖工業(yè)發(fā)展的重要階段，在這段時間內建立了歐洲塑料光纖檢驗和測量的新發(fā)展方針。世界上第一個專用塑料光纖應用中心(POFAC)在德國Nuremberg落成。德國采用塑料光纖已經研制成功了多媒體總線系統(tǒng)MOST(24Mbit/s)，并且有幾家轎車制造商已把該系統(tǒng)引入到自己的產品上。德國寶馬公司(BMW)在其新的7個系列產品中開創(chuàng)了使用100m塑料光纖的記錄。歐洲2001年塑料光纖學術交流會和歐洲光纖通信會議同時在荷蘭的阿姆斯特丹舉行。德國汽車工業(yè)不僅推動了塑料光纖的應用，而且也推動了塑料光纖檢驗和測量標準的建立。 
    日本也建立了塑料光纖標準，但這些標準對歐洲共同體是無效的。日本工業(yè)標準只給出了一種型號塑料光纖的標準，其數值孔徑為0.5，而且只有650nm一種波長。該標準沒有提及在塑料光纖中的不同激勵光條件，也沒有規(guī)定必須在塑料光纖內形成平衡模分布。 
    此前建立的玻璃光纖檢驗方法因為會出現瑞利散射而不適于檢驗塑料光纖，現在市場上僅有瑞士新成立的Luciol儀器公司出售的一種檢驗塑料光纖的儀器。 
    德國工程師學會和電子工程學會研究小組已經詳細規(guī)定了塑料光纖數值孔徑、衰減、傳輸和機械特性以及環(huán)境和壽命的測量方法。塑料光纖檢驗方法和標準的建立必將促進國際塑料光纖貿易的發(fā)展，并消除貿易中的誤解。 
    日本對塑料光纖的應用十分重視，早在幾年前，NEC、富士通、住友電器工業(yè)公司等45家光通信、多媒體產品的生產廠家就聯合宣布，將共同實現已在日本開發(fā)成功的塑料光纖的實用化。塑料光纖的成本低廉，被認為是將多媒體引進到家庭的關鍵技術，隨后一些生產廠家就著手建立生產線。? 
    1986年，日本F富士通公司以PC為纖芯材料開發(fā)出SI型耐熱POF，耐熱溫度可達135攝氏度，衰減達450dB/km； 
    1990年，日本慶應大學的小池助教授開發(fā)成功折射率漸變型的塑料光纖，芯材為含氟PMMA、包層為含氟，用界面凝膠技術制造。該塑料光纖衰減在60db/km以下，光源650-1300nm，100m帶寬3GHz，傳輸速率10Gb/s，超過了GI型石英光纖，并被廣泛認為是高速多媒體時代光纖入戶的新型光通信媒介； 
    1996年，人們紛紛建議以塑料光纖為基礎建立極低成本的用戶網ATM物理層；1997年，日本NEC公司進行了155Mbit/s的ATM、LAN的試驗。 
    在2000年OFC會議上，日本ASAHI GLASS公司報道了氟化梯度塑料光纖衰減系數在850nm為41dB/km，在1300nm為33dB/km，帶寬已達100MHz.km。用這種光纖成功地進行了50m、2.5Gbit/s的高速傳輸試驗和70攝氏度長期熱老化試驗。實驗結論為氟化梯度塑料光纖完全能滿足短距離的通信使用要求。 
    從塑料光纖的研究發(fā)展來看，塑料光纖的研究重點主要集中在以下三個方面： 
    1.降低光損耗； 
    2.提高帶寬（由SI型轉為GI型）； 
    3.提高耐熱性。（聚碳酸酯（PC）、硅樹脂、交聯丙烯酸和共聚物可使耐熱性提高125-150攝氏度）
　　塑料光纖在衰減與帶寬方面的最新實用進展為：日本ASAHI GLASS公司2000年7月稱，該公司實施慶應大學的GI-POF技術商品化，采用全氟化聚合物CYTOP制造GI光纖，命名為GI-GOF，商品名為Lucina，衰減速率3Gb/s，帶寬大于200MHz.km。
塑料光纖在耐熱性方面的最新實用進展為：日本JSR與旭化株式會社聯合發(fā)展耐熱透明樹脂ARTON（norbornene,冰片烯）制造的SI-POF，耐熱170攝氏度，預計2001年上半年即可供應汽車市場。

    四、塑料光纖產品的研發(fā)要點 
    １．光纖結構 
    塑料光纖顧名思義，即構成光纖的芯與包層都是塑料材料。與大芯徑50／125μｍ和62.5／125μｍ的石英玻璃多模光纖相比，塑料光纖的芯徑高達200－1000μｍ，其接續(xù)時可使用不帶光纖定位套筒的便宜注塑塑料連接器，即便是光纖接續(xù)中芯對準產生±30μｍ偏差都不會影響耦合損耗。正是塑料光纖結構賦予了其施工快捷，接續(xù)成本低等優(yōu)點。另外，芯徑100μｍ或更大則能夠消除在石英玻璃多模光纖中存在的模間噪音；

    ２．光纖材料 
    塑料光纖材料選擇時，人們應重點解決的問題是材料的本身衰減要低、色散要小、化穩(wěn)性要好、制造簡單、價格低廉等。 
    選作塑料光纖芯材有：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚碳酸酯、氟化聚甲基丙烯酸酯和全氟樹脂等；選作塑料光纖包層有：聚甲基丙烯酸甲酯、氟塑料、硅樹脂等。究其原因是：這些聚合物①具有透光性好，光學均勻、折射率調整便利等；②以單體存在時通過減壓蒸餾方法就可以提純；③形成光纖的能力強；④加工和化穩(wěn)性好及價格便宜等；

    ３．制造工藝 
    目前業(yè)界用來制造塑料光纖的兩種方法：擠壓法和界面凝膠法都是由塑料生產加工工藝演變而來的。
擠壓法主要用于制造階躍折射率分布塑料光纖。該工藝步驟大致如下：首先，將作為纖芯的聚甲基丙烯甲酯的單體甲基丙烯甲酯通過減壓蒸餾提純后，連同聚合引發(fā)劑和鏈轉移劑一并送入聚合容器中，接著再將該容器放入電烘箱中加熱，置放一定時間，以使單體完全聚合，最后，將盛有完全聚合的聚甲基丙烯甲酯的容器加溫至拉絲溫度，并用干燥的氮氣從容器的上端對已熔融的聚合物加壓，該容器底部小嘴便擠出一根塑料光纖芯，同時使擠出的纖芯外再包覆一層低折射率的聚合物，就制成了階躍型塑料光纖。 
    梯度折射率分布塑料光纖的制造方法為界面凝膠法，界面凝膠法的工藝步驟大致如下：首先將高折射率摻雜劑置于芯單體中制成芯混合溶液，其次把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引發(fā)劑和鏈轉移劑放入芯混合溶液，再將該溶液投入一根選作包層材料聚甲基丙烯甲酯（ＰＭＭＡ）的空心管內，最后將裝有芯混合溶液ＰＭＭＡ管子放入一烘箱內，在一定的溫度和條件下聚合。在聚合過程中，ＰＭＭＡ管內逐漸被混合溶液溶脹，從而在ＰＭＭＡ管內壁形成凝膠相。在凝膠相分子運動速度減慢，聚合反應由于“凝膠作用”而加速，聚合物的厚度逐漸增厚，聚合終止于ＰＭＭＡ管子中心，從而獲得一根折射率沿徑向呈梯度分布的光纖預制棒，最后再將塑料光纖預制棒送入加熱爐內加溫拉制成梯度折射率分布塑料光纖；

    ４．光纖性能 
    塑料光纖的性能研究重點則是衰減、色散、熱穩(wěn)定性等。

    （１）衰減 
    塑料光纖的衰減主要受限于芯包塑料材料的吸收損耗和色散損耗。人們是通過選用低折射率和等溫壓縮率小的塑料材料和通過穩(wěn)定塑料光纖制造工藝降低結構缺陷（如芯直徑波動，芯包界面缺陷等），來使塑料光纖獲得小的散射損耗，而塑料材料的吸收損耗則是由分子鍵（碳氫、碳氟等）伸縮振動吸收和電子躍吸收所致的。
在碳氫鍵為基本骨架的塑料材料中，在波長６５０ｎｍ處的衰減系數大約為１２０ｄｂ／ｋｍ，如果用氟原子置換碳氫鍵中的氫所組成的氟化塑料材料，其不僅本征衰減小，而且色散也降低了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纖，其在紅外區(qū)無原子振動引起的吸收損耗。故可制得在可見光至紅外范圍的衰減很小，即在０．８５μｍ波長處衰減系數為４１ｄｂ／ｋｍ，在１．３μｍ波長處衰減為３３ｄｂ／ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纖。

    （２）帶寬 
    用作短距離光傳輸介質的塑料光纖，按其折射率分布形狀可分為兩種：階躍折射率分布塑料光纖和梯度折射率分布塑料光纖。階躍折射率分布塑料光纖由于模間色散作用使入射光發(fā)生反復的反射，射出的波形相對于入射波形出現展寬，故其傳輸帶寬僅為幾十至上百ＭＨｚ．ｋｍ。氟化梯度折射率分布塑料光纖從選擇低色散的材料出發(fā)，再以優(yōu)化的梯度折射率分布手段，即可將其折射率分布指數在０．８５－１．３μｍ波長范圍內選定為２．０７－２．３３，從而抑制模間色散，控制出射光波相對于入射光波展寬的效果，進而可制得傳輸帶寬高達幾百ＭＨｚ．ｋｍ至１０ＧＨｚ．ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纖。

    （３）熱穩(wěn)定 
    由于塑料光纖是由塑料材料構成的，故其在高溫環(huán)境中工作會發(fā)生氧化降解。氧化降解是光纖芯材料中的羰基、雙鍵和交聯形成的。氧化降解將促使電子躍遷加快，進而引起光纖損耗增大。為切實提高塑料光纖的熱穩(wěn)定性，通常的做法是：①選用含氟或硅的塑料材料來制造塑料光纖；②將塑料光纖的光源工作波長選擇在大于６６０ｎｍ，以求得塑料光纖熱穩(wěn)定性長期可靠。

    五、技術關鍵 
    目前對塑料光纖產品的技術關鍵攻關問題有兩個：一是設計新的透光材料和包皮材料。塑料光纖同石英玻璃光纖一樣由兩部分組成：一為芯材，二為皮層。要制造出高質量的光纖二者都很重要，光纖的芯材要求透明度和折射率越高越好，而皮層則要求折射率小于芯材，并且兩者相差越大越好。但要提高芯材的折射率比較難，而降低皮層折射率還有潛力可挖，主要集中在含氟高聚物上。第二個攻關點是工藝條件，研究如何控制芯材聚合物分子量、均勻性和提高透明度的新的光纖技術，進一步提高光的傳輸效率，降低光損耗率。這兩個問題一旦得以圓滿解決，則塑料光纖將完全可取代石英光纖。 
    近年來，日本公司針對塑料光纖透光性較差進行了分析和改進，他們認為，其主要原因在于樹脂內的碳氫結合吸收了近紅外波長。為此，旭玻璃制造公司開發(fā)了一種全氟樹脂材料，因為不含氫所以不會吸收近紅外波長。同時，由于其具有的環(huán)狀構造是非晶質的，可見光的透光率已達95％以上。
　　 光纖內側的芯線，光的折射率高，而外側的金屬包層折射率低。因此，要采用在芯線中軸線處光的折射率最高，向四周逐漸降低的緩變折射率的結構形式。采用此種結構，能夠擴大傳送帶域，可以每秒傳送1 吉字節(jié)的速度將信息傳送200～500米。旭玻璃制造公司將視樣品上市情況，在一兩年內將這種新型光纖投入批量生產。這些新開發(fā)的塑料光纖改善了中心部分的折射率，克服了信號容易衰減的缺點，每條纖維的傳輸能力可達1～ 2.5GB／秒，同時在纖維連接時，不需要精確對準位置，在這方面優(yōu)于玻璃光纖。
    在塑料光纖的容量方面，日本三菱人造纖維公司研制的高容量塑料光纖，有可能取代石英玻璃光纖。這種塑料光纖的原料很普通，由一種在60年代發(fā)明的稱之為Polym-ethyl methacrylate的合成樹脂制成。三菱人造纖維公司采用一種從光纖中央到邊緣遞減的漸變折射技術，使信號能夠以恒定的正弦曲線在光纖內有效地通過，傳輸容量是普通塑料光纖的30倍。 與直徑為0．1—0．01mm的玻璃光纖相比，這種直徑1mm的塑料光纖截面大，較易聯接，因此安裝成本也只有玻璃光纖的1／10左右，與普通銅纜線差不多。過去的玻璃光纖連接一處需花費2萬一3萬日元，而新塑料光纖的連接費用只要1O日元，可大幅度地節(jié)省費用。有關人士稱，從成本的角度考慮，若沒有此技術，將光纖鋪設到家庭是不能實現的。

    六、發(fā)展展望 
    塑料光纖作為短距離通信網絡的理想傳輸介質，在未來家庭智能化、辦公自動化、工控網絡化。車載機載通信網、軍事通信網以及多媒體設備中的數據傳輸中具有重要的地位。
通過塑料光纖，我們可實現智能家電（家用PC、HDTV、電話、數字成象設備、家庭安全設備、空調、冰箱、音響系統(tǒng)、廚用電器等）的聯網，達到家庭自動化和遠程控制管理，提高生活質量；通過塑料光纖，我們可實現辦公設備的聯網，如計算機聯網可以實現計算機并行處理，辦公設備間數據的高速傳輸可大大提高工作效率，實現遠程辦公等。 
    在低速局域網的數據速率小于100Mbps時，100米范圍內的傳輸用SI型塑料光纖即可實現；150Mbps50米范圍內的傳輸可用小數值孔徑POF實現。 
    POF在制造工業(yè)中可得到廣泛的應用。通過轉換器，POF可以與RS232、RS422、100Mbps以太網、令牌網等標準協(xié)議接口相連，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。能夠高速地傳輸工業(yè)控制信號和指令，避免因使用金屬電纜線路而受電磁干擾導致通信傳輸中斷的危險。
POF重量輕且耐用，可以將車載機通信網絡和控制系統(tǒng)組成一個網絡，將微型計算機、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，旅客還可通過塑料光纖網絡在座位上享受音樂、電影、視頻游戲、購物、Internet等服務。 
    在軍事通信上，POF正在被開發(fā)用于高速傳輸大量的第三、保密信息，如利用POF重量輕、可撓性好、連接快捷，適用于在身配戴的特點，用于士兵穿戴式的輕型計算機系統(tǒng)，并能夠插入通信網絡下載、存儲、發(fā)送、接收關鍵任務信息，且在頭盔顯示器中顯示。 
    綜上所述，隨著科技的發(fā)展，塑料光纖的應用領域越來越廣，其市場的發(fā)展會越來越廣闊。國外在塑料光纖的應用開發(fā)上已取得了較大的成果，且不斷在在加大新的應用研究投入，韓國、我國以及臺灣地區(qū)已經有廠商開始投入研發(fā)生產，因此產業(yè)界更應就塑料光纖的研究和發(fā)展予以密切注視。