现代电子技术与生活
——塑料光纤
摘要：简要叙述了塑料光纤的历史，研究现状，及其优点在各个领域中的运用, 分析了塑
料光纤在通信领域中运用的可行性，并对塑料光纤的未来前景进行了展望。
关键词：光纤传输，塑料光纤，POF，传输损耗，传输带宽，通信领域， 传输媒质 正文：
1. 前言
塑料光纤是光纤领域中非常重要的一类，克服塑料光纤 在各光波段大的固有吸收损耗后，可以构成柔软、易弯大芯径、低损耗和低成本的各种光纤，在信息和能量的传输中发挥着重要的作用。人类已经进入信息时代，对信息需求激增,接入网在向光纤到户迈进。以往使用的石英光纤在连接及系统安装方面都存在着许多不尽人意的地方,特别是当其直径小于0.1mm时，抗冲击的能力较差,不易连接，生产的成本也比较高,不仅提高了局域网建设的成本，也增加了用户的负担。为了解决这个问题，人们又在寻找用其它新型材料作通信传输介质的途径，其中被大力开发的一种就是塑料光纤（POF）。
2. 塑料光纤的发展历程
塑料光纤已有 30 多年的历史,最初用于传光、照明和传相等,其后在汽车、医疗和工业控制等方面也取得了成熟的应用和推广,最近在宽带通信领域中也取得了突破性进展。
最早的塑料光纤是美国杜邦公司于1964年开发的以聚甲苯丙烯酸甲酯(PMMA)为纤芯的塑料光纤,其传输损耗大约为1000dB/km。
其后,日本的NTT和三菱人造丝公司在杜邦公司拉丝技术的基础上致力于降低塑料光纤的损耗,在提高其耐热性和研究梯度折射率塑料光纤(GI2POF)等方面取得了重大成就。
1992年,Yoshiro、Koike等人用界面凝胶法制造出的梯度折射率光纤,明显降低了塑料光纤的损耗,有效提高了塑料光纤的带宽,为塑料光纤在通信网络中开拓了广阔的应用前景。
2000 年,OFC会议上,日本硝子玻璃株式会社报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数：在850nm为41dB/km、1300nm为33dB/km,其带宽已达100MHz/km。用这种光纤成功地进行了100m、
11Gbit/s和5.0m、2.5Gbit/s的高速传输试验和70℃长期热老化试验。通过实验得出结论,氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离通信的使用要求。
美国在塑料光纤的发展历程中也起到了推动作用,美国政府委托波音、BOF等公司于1992 年成立了高速塑料网络联合体(HSPA) ,目标是研制渐变型塑料光纤。通过三年的努力,该联合体已经将塑料光纤技术推向航空、汽车和数据通信市场 ,并于1997年5月通过了渐变型塑料光纤的第一个工业标准。
塑料光纤之所以得到世界上许多国家和组织的积极开发,就在于塑料光纤将用于通信网络中1千米范围内的网络连接,成为短距离高速通信网络主要的传输媒质。
3．塑料光纤的原理
塑料光纤的工作原理为：当光线以一定角度从光密介质射向光疏介质时，就会发生光线在界面上的全反射，光线重新折回光密介质中，光纤就是利用全反射的原理将光从一端传至另一端的。构成塑料光纤的材料有两种，高折射率和低折射率的两种透明聚合物，而且低折射率的材料必须完整地包住高折射率的材料，即皮材必须包覆住芯材。
塑料光纤的芯材和皮材必须满足以下几个条件：
（1）两者都是透明的无定型聚合物，具有耐高温性和强韧性； （2）两者的折射率之差应满足
n芯?n皮?0.05的条件，以确保有一定的受光角；
4．塑料光纤的优点
（3）两者具有良好的匹配性，界面粘接性良好。
塑料光纤与玻璃光纤相比，尽管有着透光性差、光损耗较大、传输光带狭窄、难以适应多媒体通信网的需要等缺点，但它具有质地轻柔、抗冲击强度高、生产价格低廉、抗挠曲性能强、抗辐射性能强、易加工、能制成大直径等一系列优点，所以一直倍受业界人士的青睐。
5.塑料光纤的性能
目前石英玻璃光纤性能的研究主要定位在损耗、色散、偏振模色散、非线性效应等 ,而塑料光纤的性能研究重点则是损耗、色散、热稳定性、机械性能等。
塑料光纤的最大缺点是损耗大。塑料光纤的损耗主要取决于所选材料的散射损耗和吸收损耗。其中散射损耗有因为波导结构不完善(如聚合物杂质、光纤中的微空隙、尘埃和气泡、纤芯直径的不均匀不完整性等)所引起的损耗以及由于瑞利散射引起的损耗。使用合适的包层材料和控制聚合物聚合度与分子量分布,可降低散射损耗。而吸收损耗则是由分子键 (碳氢 、碳氘等)伸缩振动吸收以及分子键中的不同能级间的电子跃迁引发吸收所致。在以碳氢
键为基本骨架的高分子材料中,波长为650nm处的吸收损耗大约为120db/km。如果用氟原子替代碳氢键中的氢原子后所组成的氟化塑料材料,这样不仅降低了损耗,而且也降低了色散。用氟化塑料制成的梯度折射率光纤,由于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损耗很小,即在1.3um波长处吸收损耗为33db/km的梯度型折射率分布的塑料光纤。
带宽是光纤波导的一个重要特点,带宽大小决定了光纤的信息传输能力。增加光纤带宽通常有两种方法：一是减小光纤芯的数值孔径(NA)。较小的NA使得光纤中具有传输较低阶的模式,从而减小了模间色散，故能使光纤带宽得到提高。二是改变光纤芯的折射率。当梯度折射率光纤具有接近于抛物型的最佳折射率分布时,光纤的模间色散最小,可以获得最佳带宽性能。另外,当入射光源的孔径较小时,光纤中只有部分模式激发,色散小于光纤中全部传输模被激发的情形,因而也可以获得相对高的工作带宽。
塑料光纤是由塑料材料制成的,由于塑料熔点低,耐热性能差,通常塑料光纤在高温环境中会发生氧化降解和损耗增大。氧化降解是由于构成光纤芯材料中的羰基、双键和交联形成的。氧化降解促使电子跃迁加快,进而引起光纤的损耗增大。当温度低于-20℃时,塑料光纤将变硬、变脆。
为提高塑料光纤的热稳定性,通常采用的做法是：选用含氟或硅的塑料材料制造塑料光纤；降塑料光纤的光源工作波长选择在大于660nm,以求得塑料光纤的耐热型长期稳定有效。
塑料光纤的一个显著的特点是柔软性能好。例如 ,一毫米粗的塑料光纤按曲率半径为6 毫米作180度的来回弯曲100多次,对塑料光纤毫无损害,透过率并无变化,所以塑料光纤可以十分方便地安装在光纤分线箱内。
6．塑料光纤在通信领域中的应用
塑料光纤通常被称为“裸纤”，由于没有披覆层的保护，很容易损坏，因此用于通信的塑料光纤其实是经过塑料披覆的塑料光缆，就像用于通信的铜缆和石英光缆一样。要传输数据，光纤（缆）还必须与其它部分组成光传输系统，一个典型的光传输系统由三部分构成。光传输的工作过程是在光发射机、光纤和光接收机三者之间进行的。光发射机把输入的电信号转换成光信号，转换后的光信号由光纤传传输到接收设备—光接收机，光接收机把从光纤中获取的光信号还原成电信号。
要实现光纤通信,一个重要的问题是尽可能地降低光纤的传输损耗，这样才能保证光纤具有一定的传输距离。当光从光纤的一端射入，从另一端射出时，光的强度会减弱。这意味着光信号通过光纤传播后，光能量衰减了一部分。这说明光纤中有某些物质或因某种原因，阻挡光信号通过，这就是光纤的传输损耗。只有降低光纤损耗，才能使光信号畅通无阻。 造成光纤传输损耗（衰减）的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接
等。
本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。 弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。 挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。 杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。 不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。
对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴，端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。那么与材料本身有关的的损耗是与材料中含的杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。
光纤的损耗用损耗系数a来表示，定义为每千米光功率损耗的分贝数，单位为dB/km。目前在国际市场上已经大量生产的低损耗塑料光纤是指损耗<200dB/km的塑料光纤
8．塑料光纤在汽车领域中的运用
现代轿车的各种新功能要求快速可靠地传输更大数据量。多媒体汽车意味着常常要在较差的环境中不受干扰地传输视频和音频等信号，国际MOST标准与IDB标准规定使用塑料光纤。塑料光纤汽车网络已经用在级别较高的轿车上，并经受住了长时间的考验。如：戴姆勒－克莱斯勒（奔驰）“S级”系列以及宝马的“BMW7”系列等。目前，在欧洲大概有16个车型采用了塑料光纤通信系统。
我国部分车型也开始考虑使用塑料光纤通信系统。根据测试专业之Faztec Optronics宜捷威科技的行销企划报告指出，光通讯之Polymer Optical Fiber塑料光纤于车用电子中已成为汽车零组件发展的新主流，目前使用于车内通讯与车内娱乐视听系统，例如车内电视，车内音响，车内灯具，车内开关之联接线路均陆续改用塑料光纤。随着全球汽车工业配合时代趋势调整内装更改为塑料光纤，预估到2010年时，全球车用电子产品市场规模将达1500亿美元，主要市场仍集中于欧洲、北美、日本等地区，所占比重超过80％，而中国大陆是最具发展潜力的新兴市场，近5年来的年复合成长率约维持2成。
9．塑料光纤在照明与太阳能领域中的运用
由于塑料光纤照明和其它方式相比具有独特优点，所以它已广泛地应用于各种场合，并在不断地推广中。现将目前国内应用情况和场合简述如下： （1）室内装饰
在室内装饰中，用侧发光光纤来构成轮廊线条，光照均匀、颜色柔和，给人一种和谐幸福的感觉；细端光的合理利用，在家里营造出浪漫温馨的气息，在自己的家里也如同沐浴
酒吧的感觉。在酒店大厅中，安装流星光纤制作的水晶吊灯，通过各种色彩和亮点的变化，更显得华丽别致，给人耳目一新的感觉；在ktv包房和演艺大厅里面，利用端光光纤，拼组成具有艺术效果的图案，同时还可以利用端光光纤吊顶，可模拟星空效果，忽明忽暗，使人有无限的太空遐想。 （2）水景照明
水景离开了照明就失去了迷人的景色。而普通照明又给游人带来危险的隐患，我们游览水景时，通常都可以看见“请勿戏水，小心有电”等字样，无疑给我们的游览带来点点遗憾。由于光纤照明实现了光电分离，用光纤照明作为水景的点缀，不但颜色鲜艳新颖，而且绝对安全可靠，实属最佳搭配。 光纤照明除了针对水体照明时，使水色更为艳丽动人外，也可用侧光光纤来构成水池的轮廊线。使垂直的彩色水姿与横向的水池轮廓，形成协调的线条美。 （3）城市建筑
在灯光工程中，用侧发光光纤来构成建筑轮廓线是最常见应用实例。特别是对一个城市的形象建筑，以多彩的线条把建筑轮廓在夜色中显得更蔚蔚壮观。同时光纤使用寿命很长，属于免维护产品，大大减低了运营费用。另外，可以改变光纤装饰照明的光色，使建筑物轮廓的色彩随季节或气候而变化，给人们一种人性化的感觉。 （4）园林绿化
在园林绿化中，用端发光光纤来作亭院灯、地埋灯，使绿地、道路在照明的同时也有色彩变化。 （5）道路照明
在景观道路上，装上星星点点的端发光光纤，成为光纤甬道，更增加了景观的趣味性，同时可以将流星光缆平铺于地面，人们走在上面如同在光色中浮游，给游玩的人们无穷的遐想。
（6）溶洞照明
溶洞是一种自然景观，由于它没有阳光照射，全靠灯光来展现它的风采。多变的光色和柔性的光纤，对无规则溶石和湖岸更显出它的有用武之地，使溶洞的景色更迷人。而最重要的是清除了对游客的不安全隐患。 （7）古建筑物及文物照明
在一般的灯光照射下，因紫外光的作用，使图书文物、木结构等建筑物加速老化。同时有电会造成大火的危险。而用光纤照明，既安全又能达到理想的艺术效果。 （8）易燃易爆场合
在油库、矿区等严禁火种入内的危险场合中。应用其他各种照明都有明火的隐患。如不小心就会酿成大祸。从安全角度看，因光与电分开，所以光纤照明应是一种最理想的照明。 （9）太阳光的利用
在我们常见的太阳能利用中，都是把太阳光转换为热能或电能，而光纤可将太阳光直接加以利用，用来改善居室照明，对于阴暗的地下室、隧道，采用光纤照明，可让永远见不到阳光的地方能重见光明。
10．塑料光纤的发展前景
国内FTTH产业的发展，面临进一步降低成本的压力，其中接入线缆占FTTH实施成本的25%-30%。国内的FTTH接入，多采用烽火科技提出的FTTB+LAN方案，光纤只布设到楼宇，而楼宇内部仍采用传统的双绞线，双绞线的原材料是铜，随着国际铜价一路上扬，“光进铜退”成为必然趋势。塑料光纤产业已经发展多年而市场规模仍然有限，如今在国内FTTH应用中发现了自己的机遇（国外的FTTH一般是光纤到每户，塑料光纤机会很少），正在努力把自己打造成室内铜缆的替代品。
华经纵横通信产业研究中心认为，塑料光纤必将在我国FTTH产业中发挥重要的角色，未来十年将是我国光纤到户的快速发展阶段，更将是塑料光纤产业蓬勃发展的时期。
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