塑料光纤产品发展简述
摘要：自1970年美国康宁公司研制出石英玻璃光导纤维后，同年贝尔又试制成半导体激光器，这两项新技术的结合，开创了光信息传输的新时代。尽管玻璃光纤具有上述一系列优点，但它有一个致命的弱点就是强度低，抗挠曲性能差，而且抗辐射性能也不好。因此，近20多年来，家们一直没有停止过对塑料光纤的探索。目前，在“光纤到户”的拉动应用下，塑料光纤展现了其巨大的市场潜力，本文将简述这一，以求对该产品的初步认识。
关键词：塑料光纤 光纤 光缆 光通讯 POF
一、前言
自从业界开创了光纤通讯技术以来，大至归纳，光纤通讯比传统的电铜通讯有3大优点：一是通信容量大；二是抗电磁干扰、保密性能较好；三是重量轻，并可节省大量的铜，如铺设1000公里长的8芯光缆比铺设同样长度的8芯电缆可节省1100吨铜，3700吨铅。因此光纤光缆一经问世就受到通信业界的欢迎，带来了通讯领域的革命以及一轮投资发展热潮。
尽管玻璃光纤具有上述一系列优点，但它有一个致命的弱点就是强度低，抗挠曲性能差，而且抗辐射性能也不好。因此，近20多年来，业界一直没有停止过对光纤其他材料的代用研发，其中对塑料光纤的研发是目前业界最为感兴趣的研究领域之一，目前已经取得较大进展，已经有商用产品面世，现已广泛应用于汽车、CD播放机、系统、小型光盘系统和个人机中。今后还会有许多领域将使用塑料光纤，诸如传感器、光子晶体光纤等。
二、塑料光纤的优点
塑料光纤与玻璃光纤相比，虽透光性差一些，光损耗较大，初期一般为300分贝／公里，传输光带狭窄(限于可见光区)，被认为难以适应多媒体通信网的需要，但它具有轻而柔软、抗挠曲、抗冲击强度高、价格便宜、抗辐照、易加工、并能制成大直径(1～3毫米，以增大受光角度，扩大使用范围)等一系列优点，所以备受青睐。此外，光通过塑料光纤的中心部分的直径约为1毫米，比玻璃光纤大100倍，与纤维之间的连接及与个人机等终端装置的连接都十分容易。因此塑料光纤安装费用很低，安装时采用十分简单的对准连接插头即可，这种插头可用现有的技术生产。
三、塑料光纤产品研发简述
塑料光纤的研究始于二十世纪60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，但光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以PMMA和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，其光损耗为3500dB/km，难以用于通信。
80年代日本的一些大和大学对低损耗塑料光纤的制备进行了大量的研究。1980年三菱公司以高纯MMA单体聚合PMMA，使塑料光纤损耗下降到100-200dB/km。1983年NTT公司开始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光损耗可达到20dB/km，并可传输近红外到可见光的光波。
近几年来，欧日等国的公司对塑料光纤的研制取得了重要的进展。它们研制成的塑料光纤，光损耗率已降到25～9分贝／公里。其工作波长已扩展到870微米(近红外光)，接近石英玻璃光纤的实用水平。美国研制的一种PFX塑料系列光纤，有着优异的抗辐照性能。此外，美国麻省波士顿光纤公司研制的Opti-Giga塑料光纤更是引人注目，它不仅比玻璃轻、柔性更好、成本更低，而且可在100米内以每秒3兆比特的速度传输数据。这种光纤还可以利用光的折射或光在纤维内的跳跃方式来达到较高的传输速度。现在美欧日已把塑料光纤用于短途传输，如汽车、医疗器械、复印机等。
就目前塑料光纤生产量而言，日本是世界上最大的塑料光纤生产者，然而却是欧洲推动了塑料光纤新应用领域的开发并建立了光纤检验标准。2001年下半年是欧洲塑料光纤工业发展的重要阶段，在这段时间内建立了欧洲塑料光纤检验和测量的新发展方针。世界上第一个专用塑料光纤应用中心(POFAC)在德国Nuremberg落成。德国采用塑料光纤已经研制成功了多媒体总线系统MOST(24Mbit/s)，并且有几家轿车制造商已把该系统引入到自己的产品上。德国宝马公司(BMW)在其新的7个系列产品中开创了使用100m塑料光纤的记录。欧洲2001年塑料光纤学术交流会和欧洲光纤通信会议同时在荷兰的阿姆斯特丹举行。德国汽车工业不仅推动了塑料光纤的应用，而且也推动了塑料光纤检验和测量标准的建立。
日本也建立了塑料光纤标准，但这些标准对欧洲共同体是无效的。日本工业标准只给出了一种型号塑料光纤的标准，其数值孔径为0.5，而且只有650nm一种波长。该标准没有提及在塑料光纤中的不同激励光条件，也没有规定必须在塑料光纤内形成平衡模分布。
此前建立的玻璃光纤检验方法因为会出现瑞利散射而不适于检验塑料光纤，现在市场上仅有瑞士新成立的Luciol仪器公司出售的一种检验塑料光纤的仪器。
德国工程师学会和电子工程学会研究小组已经详细规定了塑料光纤数值孔径、衰减、传输和机械特性以及环境和寿命的测量方法。塑料光纤检验方法和标准的建立必将促进国际塑料光纤贸易的发展，并消除贸易中的误解。
日本对塑料光纤的应用十分重视，早在几年前，NEC、富士通、住友电器工业公司等45家光通信、多媒体产品的生产厂家就联合宣布，将共同实现已在日本开发成功的塑料光纤的实用化。塑料光纤的成本低廉，被认为是将多媒体引进到家庭的关键技术，随后一些生产厂家就着手建立生产线。?
1986年，日本F富士通公司以PC为纤芯材料开发出SI型耐热POF，耐热温度可达135摄氏度，衰减达450dB/km；
1990年，日本庆应大学的小池助教授开发成功折射率渐变型的塑料光纤，芯材为含氟PMMA、包层为含氟，用界面凝胶技术制造。该塑料光纤衰减在60db/km以下，光源650-1300nm，100m带宽3GHz，传输速率10Gb/s，超过了GI型石英光纤，并被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介；
1996年，人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网ATM物理层；1997年，日本NEC公司进行了155Mbit/s的ATM、LAN的试验。
在2000年OFC会议上，日本ASAHI GLASS公司报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数在850nm为41dB/km，在1300nm为33dB/km，带宽已达100MHz.km。用这种光纤成功地进行了50m、2.5Gbit/s的高速传输试验和70摄氏度长期热老化试验。实验结论为氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离的通信使用要求。
从塑料光纤的研究发展来看，塑料光纤的研究重点主要集中在以下三个方面：
1.降低光损耗；
2.提高带宽（由SI型转为GI型）；
3.提高耐热性。（聚碳酸酯（PC）、硅树脂、交联丙烯酸和共聚物可使耐热性提高到125-150摄氏度）
塑料光纤在衰减与带宽方面的最新实用进展为：日本ASAHI GLASS公司2000年7月称，该公司实施庆应大学的GI-POF技术商品化，采用全氟化聚合物CYTOP制造GI光纤，命名为GI-GOF，商品名为Lucina，衰减速率3Gb/s，带宽大于200MHz.km。
塑料光纤在耐热性方面的最新实用进展为：日本JSR与旭化株式会社联合发展耐热透明树脂ARTON（norbornene,冰片烯）制造的SI-POF，耐热170摄氏度，预计2001年上半年即可供应汽车市场。
四、塑料光纤产品的研发要点
１．光纤结构
塑料光纤顾名思义，即构成光纤的芯与包层都是塑料材料。与大芯径50／125μｍ和62.5／125μｍ的石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤的芯径高达200－1000μｍ，其接续时可使用不带光纤定位套筒的便宜注塑塑料连接器，即便是光纤接续中芯对准产生±30μｍ偏差都不会影响耦合损耗。正是塑料光纤结构赋予了其施工快捷，接续成本低等优点。另外，芯径100μｍ或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪音；
２．光纤材料
塑料光纤材料选择时，人们应重点解决的问题是材料的本身衰减要低、色散要小、化稳性要好、制造简单、价格低廉等。
选作塑料光纤芯材有：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树脂等；选作塑料光纤包层有：聚甲基丙烯酸甲酯、氟塑料、硅树脂等。究其原因是：这些聚合物①具有透光性好，光学均匀、折射率调整便利等；②以单体存在时通过减压蒸馏方法就可以提纯；③形成光纤的能力强；④加工和化稳性好及价格便宜等；
３．制造工艺
目前业界用来制造塑料光纤的两种方法：挤压法和界面凝胶法都是由塑料生产加工工艺演变而来的。
挤压法主要用于制造阶跃折射率分布塑料光纤。该工艺步骤大致如下：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，以使单体完全聚合，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已熔融的聚合物加压，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。
梯度折射率分布塑料光纤的制造方法为界面凝胶法，界面凝胶法的工艺步骤大致如下：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聚甲基丙烯甲酯（ＰＭＭＡ）的空心管内，最后将装有芯混合溶液ＰＭＭＡ管子放入一烘箱内，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。在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．光纤性能
塑料光纤的性能研究重点则是衰减、色散、热稳定性等。
（１）衰减
塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和色散损耗。人们是通过选用低折射率和等温压缩率小的塑料材料和通过稳定塑料光纤制造工艺降低结构缺陷（如芯直径波动，芯包界面缺陷等），来使塑料光纤获得小的散射损耗，而塑料材料的吸收损耗则是由分子键（碳氢、碳氟等）伸缩振动吸收和跃吸收所致的。
在碳氢键为基本骨架的塑料材料中，在波长６５０ｎｍ处的衰减系数大约为１２０ｄｂ／ｋｍ，如果用氟原子置换碳氢键中的氢所组成的氟化塑料材料，其不仅本征衰减小，而且色散也降低了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纤，其在红外区无原子振动引起的吸收损耗。故可制得在可见光至红外范围的衰减很小，即在０．８５μｍ波长处衰减系数为４１ｄｂ／ｋｍ，在１．３μｍ波长处衰减为３３ｄｂ／ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纤。
（２）带宽
用作短距离光传输介质的塑料光纤，按其折射率分布形状可分为两种：阶跃折射率分布塑料光纤和梯度折射率分布塑料光纤。阶跃折射率分布塑料光纤由于模间色散作用使入射光发生反复的反射，射出的波形相对于入射波形出现展宽，故其传输带宽仅为几十至上百ＭＨｚ．ｋｍ。氟化梯度折射率分布塑料光纤从选择低色散的材料出发，再以优化的梯度折射率分布手段，即可将其折射率分布指数在０．８５－１．３μｍ波长范围内选定为２．０７－２．３３，从而抑制模间色散，控制出射光波相对于入射光波展宽的效果，进而可制得传输带宽高达几百ＭＨｚ．ｋｍ至１０ＧＨｚ．ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纤。
（３）热稳定
由于塑料光纤是由塑料材料构成的，故其在高温环境中工作会发生氧化降解。氧化降解是光纤芯材料中的羰基、双键和交联形成的。氧化降解将促使电子跃迁加快，进而引起光纤损耗增大。为切实提高塑料光纤的热稳定性，通常的做法是：①选用含氟或硅的塑料材料来制造塑料光纤；②将塑料光纤的光源工作波长选择在大于６６０ｎｍ，以求得塑料光纤热稳定性长期可靠。
五、技术关键
目前对塑料光纤产品的技术关键攻关问题有两个：一是设计新的透光材料和包皮材料。塑料光纤同石英玻璃光纤一样由两部分组成：一为芯材，二为皮层。要制造出高质量的光纤二者都很重要，光纤的芯材要求透明度和折射率越高越好，而皮层则要求折射率小于芯材，并且两者相差越大越好。但要提高芯材的折射率比较难，而降低皮层折射率还有潜力可挖，主要集中在含氟高聚物上。第二个攻关点是工艺条件，研究如何控制芯材聚合物分子量、均匀性和提高透明度的新的光纤技术，进一步提高光的传输效率，降低光损耗率。这两个问题一旦得以圆满解决，则塑料光纤将完全可取代石英光纤。
近年来，日本公司针对塑料光纤透光性较差进行了分析和改进，他们认为，其主要原因在于树脂内的碳氢结合吸收了近红外波长。为此，旭玻璃制造公司开发了一种全氟树脂材料，因为不含氢所以不会吸收近红外波长。同时，由于其具有的环状构造是非晶质的，可见光的透光率已达95％以上。?
光纤内侧的芯线，光的折射率高，而外侧的金属包层折射率低。因此，要采用在芯线中轴线处光的折射率最高，向四周逐渐降低的缓变折射率的结构形式。采用此种结构，能够扩大传送带域，可以每秒传送1 吉字节的速度将信息传送200～500米。旭玻璃制造公司将视样品上市情况，在一两年内将这种新型光纤投入批量生产。这些新开发的塑料光纤改善了中心部分的折射率，克服了信号容易衰减的缺点，每条纤维的传输能力可达1～ 2.5GB／秒，同时在纤维连接时，不需要精确对准位置，在这方面优于玻璃光纤。?
在塑料光纤的容量方面，日本三菱人造纤维公司研制的高容量塑料光纤，有可能取代石英玻璃光纤。这种塑料光纤的原料很普通，由一种在60年代发明的称之为Polym-ethyl methacrylate的合成树脂制成。三菱人造纤维公司采用一种从光纤中央到边缘递减的渐变折射技术，使信号能够以恒定的正弦曲线在光纤内有效地通过，传输容量是普通塑料光纤的30倍。 与直径为0．1—0．01mm的玻璃光纤相比，这种直径1mm的塑料光纤截面大，较易联接，因此安装成本也只有玻璃光纤的1／10左右，与普通铜缆线差不多。过去的玻璃光纤连接一处需花费2万一3万日元，而新塑料光纤的连接费用只要1O日元，可大幅度地节省费用。有关人士称，从成本的角度考虑，若没有此技术，将光纤铺设到家庭是不能实现的。
六、展望
塑料光纤作为短距离通信的理想传输介质，在未来家庭智能化、办公自动化、工控网络化。车载机载通信网、军事通信网以及多媒体设备中的数据传输中具有重要的地位。
通过塑料光纤，我们可实现智能家电（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、厨用电器等）的联网，达到家庭自动化和远程控制管理，提高生活质量；通过塑料光纤，我们可实现办公设备的联网，如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，实现远程办公等。
在低速局域网的数据速率小于100Mbps时，100米范围内的传输用SI型塑料光纤即可实现；150Mbps50米范围内的传输可用小数值孔径POF实现。
POF在制造中可得到广泛的应用。通过转换器，POF可以与RS232、RS422、100Mbps以太网、令牌网等标准协议接口相连，从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路。能够高速地传输工业控制信号和指令，避免因使用金属电缆线路而受电磁干扰导致通信传输中断的危险。
POF重量轻且耐用，可以将车载机通信网络和控制系统组成一个网络，将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中，旅客还可通过塑料光纤网络在座位上享受、电影、视频游戏、购物、Internet等服务。
在军事通信上，POF正在被开发用于高速传输大量的第三、保密信息，如利用POF重量轻、可挠性好、连接快捷，适用于在身配戴的特点，用于士兵穿戴式的轻型计算机系统，并能够插入通信网络下载、存储、发送、接收关键任务信息，且在头盔显示器中显示。
综上所述，随着科技的发展，塑料光纤的应用领域越来越广，其市场的发展会越来越广阔。国外在塑料光纤的应用开发上已取得了较大的成果，且不断在在加大新的应用研究投入，韩国、我国以及地区已经有厂商开始投入研发生产，因此产业界更应就塑料光纤的研究和发展予以密切注视。
