淺談塑料光纖

      塑料光纖也稱聚合物光纖（POF），在數據傳輸率低和使用的電纜長度不到100m的某些專門
用途中已經使用30多年了。由于技術的發展，現在在寬帶高的通信市場，例如工業控制、電信市場和家
庭網絡中，POF正被廣泛地采用。
     1.塑料光纖發展受關注
　　自1970年美國康寧公司研制出石英玻璃光導纖維后，同年貝爾又試制成半導體激光器，這兩項新技
術的結合，開創了光信息傳輸的新時代。盡管玻璃光纖具有上述一系列優點，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，科學家們一直沒有停止過對塑
料光纖的探索。目前，在“光纖到戶”的拉動應用下，塑料光纖展現了其巨大的市場潛力。另外，現已
應用于汽車、工業總線控制系統、工業電子系統、小型光盤系統和個人計算機中。
     2.塑料光纖產品研發史
      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
料為包層開發出塑料光纖，其光損耗為3500dB/km，難以用于通信。
     上世紀80年代日本的一些大企業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PMM
A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、醫療器械、復印機等。
     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成功的塑料光纖的實用化。就目前塑
料光纖生產量而言，日本也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
的開發并建立了光纖檢驗標準。2001年下半年是歐洲塑料光纖工業發展的重要階段，在這段時間內建立
了歐洲塑料光纖檢驗和測量的新發展方針。世界上第一個專用塑料光纖應用中心(POFAC)在德國Nurember
g落成。德國采用塑料光纖已經研制成功了多媒體總線系統MOST(24Mbit/s)，并且有幾家轎車制造商已把
該系統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
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，也沒有規定必須在塑料光纖內形成平衡模分布。
     3.塑料光纖的優點
     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)，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。
     4.階躍型塑料光纖（SI-POF）
     現今大多數POF為階躍型塑料光纖（SI-POF）。其塑料光纖包層直徑為1mm，光纖芯直徑為980
μm。一般來說，其光纖芯材料采用聚甲基丙烯酸酯（PMMA）或丙烯酸樹脂，光纖包層材料采用氟化聚合
物。POF抗沖擊強度高，易加工（可用激光刀片來切割，切割端的拋光也不難）。POF的封接有多種方
法，常用的方法是將纖維的端頭加熱，然后推壓成鏡面。在光纖連接時，即使纖維兩端有點損壞，或者
光軸有所偏心，它仍能傳輸光線。典型的POF連接器要比玻璃光纖成本低得多。但是，SI-POF也有損耗
大、帶寬窄等缺點，在用650nm紅色發光二極管（LED）作為光源時，其損耗為0.15～0.20dB/m；而它的
帶寬受制于光纖的數值孔徑和其模式色散的作用。因此，多年來SI-POF僅適用于傳輸速率低及連接相對
短的場合。
      5.漸變折射率型光纖（GI-POF）
      漸變折射率型光纖（GI-POF）的出現解決了SI-POF損耗大、帶寬窄的難題，其與SI-POF結構
的比較如圖1所示。
圖1為SI-POF與GI-POF的結構比較圖　　圖2為雙芯銅絞線、GI-POF及多模玻璃光纖的傳輸率與互聯距離
的比較
　　SI-POF內部光傳輸是通過光線在纖芯與包層上折、反射進行的。由于材料的限制（其纖芯與包層的
折射率相差不大），使其存在嚴重的模式色散，而GI-POF內光的傳輸成正弦拋物線型，因此模式色散大
大降低。目前，GI-POF長距離傳輸時的帶寬可達2 G Hz?km。圖2為雙芯銅絞線、GI-POF及多模玻璃光纖
的性能比較。從圖2中可知GI-POF數據傳輸率可達到玻璃光纖的水平，但其成本更低、性能更優越。
　　6.POF的應用
　　家庭網絡將成為POF的重要市場。現今，人們對高速互聯訪問的需求越來越高，數字裝置也廣泛使
用，如DVD播放器、視頻監視系統等。這些都需要一個家庭網絡將計算機、打印機、數碼相機、音樂錄播
設備和將來所有的家用電器互相連接起來。使用低成本、高效率的GI-POF將是不錯的選擇。
　　目前，POF仍然是工廠和有干擾EMI/BFI裝置環境下低成本、點對點連接的常用選擇。在工業控制網
絡中，數據傳輸率采用12～16 Mbit/s的Profibus和SERCOS標準及100 Mbit/s的工業以太網標準；將來的
發展方向是將以太網與現場總線標準結合起來，并研究傳輸率達到G極的以太網，以進一步降低工廠生產
中的制造成本。因此，工業控制網絡中將應用性能更優良的GI-POF。
　　在電信互聯的工程中，如采用GI-POF就能在通信網絡基礎設施的建設中使用低成本的網絡設備。在
與玻璃光纖同時使用時，GI-POF可采用不太昂貴的信號收發裝置與連接器，使采用GI-POF的新的互聯設
備的總成本可以減少到原來的75%，并且在小于30m的傳輸中可達到10Gbit/s的速度要求。在今后幾年中
將可能廣泛使用40Gbit/s的光互聯系統。這種系統中連接器與收發器個別元件的校準誤差只有玻璃纖維
直徑的±10%（5μm），但使用這樣的元件比較昂貴。180μm直徑的POF，其直徑是多模玻璃光纖直徑的3
倍，在連接時能承受±85μm的總校準誤差，而典型連接中玻璃纖維只能承受±20μm的總校準誤差。因
此，使用GI-POF可在保證傳輸質量的前提下降低系統中所有元件的成本。
　　POF的試驗設備與玻璃光纖的類似，包括光功率計、660nm發光穩定光源和一套接口附件。
　　7.塑料光纖發展展望
    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、數字成像設備、家庭安全設備、空
調、冰箱、音響系統、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；150Mbp
s50米范圍內的傳輸可用小數值孔徑POF實現。 POF在制造工業中可得到廣泛的應用。通過轉換器，POF可
以與RS232、RS422、100Mbps以太網、令牌網等標準協議接口相連，從而在惡劣的工業制造環境中提供穩
定、可靠的通信線路。能夠高速地傳輸工業控制信號和指令，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。
    隨著科技的發展，塑料光纖的應用領域越來越廣，其市場的發展會越來越廣闊。國外在塑料光纖
的應用開發上已取得了較大的成果，且不斷在加大新的應用研究投入，韓國、我國以及臺灣地區已經有
廠商開始投入研發生產，因此產業界更應就塑料光纖的研究和發展予以密切注視。