淺談塑料光纖

      塑料光纖也稱聚合物光纖（POF），在數(shù)據(jù)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(jīng)使用30多年了。由于技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在在寬帶高的通信市場，例如工業(yè)控制、電信市場和家
庭網(wǎng)絡(luò)中，POF正被廣泛地采用。
     1.塑料光纖發(fā)展受關(guān)注
　　自1970年美國康寧公司研制出石英玻璃光導(dǎo)纖維后，同年貝爾又試制成半導(dǎo)體激光器，這兩項新技
術(shù)的結(jié)合，開創(chuàng)了光信息傳輸?shù)男聲r代。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，科學(xué)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(yīng)用下，塑料光纖展現(xiàn)了其巨大的市場潛力。另外，現(xiàn)已
應(yīng)用于汽車、工業(yè)總線控制系統(tǒng)、工業(yè)電子系統(tǒng)、小型光盤系統(tǒng)和個人計算機中。
     2.塑料光纖產(chǎn)品研發(fā)史
      塑料光纖的研究始于二十世紀(jì)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。
     上世紀(jì)80年代日本的一些大企業(yè)和大學(xué)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(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(nèi)以每秒3兆
比特的速度傳輸數(shù)據(jù)。這種光纖還可以利用光的折射或光在纖維內(nèi)的跳躍方式來達到較高的傳輸速度。
現(xiàn)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(fù)印機等。
     日本對塑料光纖的應(yīng)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(chǎn)品的生產(chǎn)廠家就聯(lián)合宣布，將共同實現(xiàn)已在日本開發(fā)成功的塑料光纖的實用化。就目前塑
料光纖生產(chǎn)量而言，日本也是世界上最大的塑料光纖生產(chǎn)者，然而卻是歐洲推動了塑料光纖新應(yīng)用領(lǐng)域
的開發(fā)并建立了光纖檢驗標(biāo)準(zhǔn)。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(nèi)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(yīng)用中心(POFAC)在德國Nurember
g落成。德國采用塑料光纖已經(jīng)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(chǎn)品上。德國寶馬公司(BMW)在其新的7個系列產(chǎn)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(xué)術(shù)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(yīng)用，而且也推動了塑料光纖檢驗和測量標(biāo)準(zhǔn)的建立。
      日本也建立了塑料光纖標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)對歐洲共同體是無效的。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)只給出了一
種型號塑料光纖的標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)值孔徑為0.5，而且只有650nm一種波長。該標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)形成平衡模分布。
     3.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(rèn)為難以適應(yīng)多媒體通信網(wǎng)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(zhǔn)連接插頭即可，這種插頭可用現(xiàn)有的技術(shù)生產(chǎn)。
     4.階躍型塑料光纖（SI-POF）
     現(xiàn)今大多數(shù)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(fā)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(shù)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(xiàn)解決了SI-POF損耗大、帶寬窄的難題，其與SI-POF結(jié)構(gòu)
的比較如圖1所示。
圖1為SI-POF與GI-POF的結(jié)構(gòu)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(lián)距離
的比較
　　SI-POF內(nèi)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(yán)重的模式色散，而GI-POF內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸率可達到玻璃光纖的水平，但其成本更低、性能更優(yōu)越。
　　6.POF的應(yīng)用
　　家庭網(wǎng)絡(luò)將成為POF的重要市場?，F(xiàn)今，人們對高速互聯(lián)訪問的需求越來越高，數(shù)字裝置也廣泛使
用，如DVD播放器、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等。這些都需要一個家庭網(wǎng)絡(luò)將計算機、打印機、數(shù)碼相機、音樂錄播
設(shè)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(huán)境下低成本、點對點連接的常用選擇。在工業(yè)控制網(wǎng)
絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸率采用12～16 Mbit/s的Profibus和SERCOS標(biāo)準(zhǔn)及100 Mbit/s的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；將來的
發(fā)展方向是將以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來，并研究傳輸率達到G極的以太網(wǎng)，以進一步降低工廠生產(chǎn)
中的制造成本。因此，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中將應(yīng)用性能更優(yōu)良的GI-POF。
　　在電信互聯(lián)的工程中，如采用GI-POF就能在通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中使用低成本的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(fā)裝置與連接器，使采用GI-POF的新的互聯(lián)設(shè)
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(lián)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中連接器與收發(fā)器個別元件的校準(zhǔn)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(zhǔn)誤差，而典型連接中玻璃纖維只能承受±20μm的總校準(zhǔn)誤差。因
此，使用GI-POF可在保證傳輸質(zhì)量的前提下降低系統(tǒng)中所有元件的成本。
　　POF的試驗設(shè)備與玻璃光纖的類似，包括光功率計、660nm發(fā)光穩(wěn)定光源和一套接口附件。
　　7.塑料光纖發(fā)展展望
    塑料光纖作為短距離通信網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì)，在未來家庭智能化、辦公自動化、工控網(wǎng)絡(luò)化。
車載機載通信網(wǎng)、軍事通信網(wǎng)以及多媒體設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要的地位。
    通過塑料光纖，我們可實現(xiàn)智能家電（家用PC、HDTV、電話、數(shù)字成像設(shè)備、家庭安全設(shè)備、空
調(diào)、冰箱、音響系統(tǒng)、廚用電器等）的聯(lián)網(wǎng)，達到家庭自動化和遠程控制管理，提高生活質(zhì)量；通過塑
料光纖，我們可實現(xiàn)辦公設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，如計算機聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)計算機并行處理，辦公設(shè)備間數(shù)據(jù)的高速
傳輸可大大提高工作效率，實現(xiàn)遠程辦公等。
    在低速局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率小于100Mbps時，100米范圍內(nèi)的傳輸用SI型塑料光纖即可實現(xiàn)；150Mbp
s50米范圍內(nèi)的傳輸可用小數(shù)值孔徑POF實現(xiàn)。 POF在制造工業(yè)中可得到廣泛的應(yīng)用。通過轉(zhuǎn)換器，POF可
以與RS232、RS422、100Mbps以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)
致通信傳輸中斷的危險。
    隨著科技的發(fā)展，塑料光纖的應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用開發(fā)上已取得了較大的成果，且不斷在加大新的應(yīng)用研究投入，韓國、我國以及臺灣地區(qū)已經(jīng)有
廠商開始投入研發(fā)生產(chǎn)，因此產(chǎn)業(yè)界更應(yīng)就塑料光纖的研究和發(fā)展予以密切注視。