浅谈塑料光纤

      塑料光纤也称聚合物光纤（POF），在数据传输率低和使用的电缆长度不到100m的某些专门
用途中已经使用30多年了。由于技术的发展，现在在宽带高的通信市场，例如工业控制、电信市场和家
庭网络中，POF正被广泛地采用。
     1.塑料光纤发展受关注
　　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，科学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。另外，现已
应用于汽车、工业总线控制系统、工业电子系统、小型光盘系统和个人计算机中。
     2.塑料光纤产品研发史
      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。
     上世纪80年代日本的一些大企业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PMM
A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。
     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。就目前塑
料光纤生产量而言，日本也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Nurember
g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。
     3.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。
     4.阶跃型塑料光纤（SI-POF）
     现今大多数POF为阶跃型塑料光纤（SI-POF）。其塑料光纤包层直径为1mm，光纤芯直径为980
μm。一般来说，其光纤芯材料采用聚甲基丙烯酸酯（PMMA）或丙烯酸树脂，光纤包层材料采用氟化聚合
物。POF抗冲击强度高，易加工（可用激光刀片来切割，切割端的抛光也不难）。POF的封接有多种方
法，常用的方法是将纤维的端头加热，然后推压成镜面。在光纤连接时，即使纤维两端有点损坏，或者
光轴有所偏心，它仍能传输光线。典型的POF连接器要比玻璃光纤成本低得多。但是，SI-POF也有损耗
大、带宽窄等缺点，在用650nm红色发光二极管（LED）作为光源时，其损耗为0.15～0.20dB/m；而它的
带宽受制于光纤的数值孔径和其模式色散的作用。因此，多年来SI-POF仅适用于传输速率低及连接相对
短的场合。
      5.渐变折射率型光纤（GI-POF）
      渐变折射率型光纤（GI-POF）的出现解决了SI-POF损耗大、带宽窄的难题，其与SI-POF结构
的比较如图1所示。
图1为SI-POF与GI-POF的结构比较图　　图2为双芯铜绞线、GI-POF及多模玻璃光纤的传输率与互联距离
的比较
　　SI-POF内部光传输是通过光线在纤芯与包层上折、反射进行的。由于材料的限制（其纤芯与包层的
折射率相差不大），使其存在严重的模式色散，而GI-POF内光的传输成正弦抛物线型，因此模式色散大
大降低。目前，GI-POF长距离传输时的带宽可达2 G Hz•km。图2为双芯铜绞线、GI-POF及多模玻璃光纤
的性能比较。从图2中可知GI-POF数据传输率可达到玻璃光纤的水平，但其成本更低、性能更优越。
　　6.POF的应用
　　家庭网络将成为POF的重要市场。现今，人们对高速互联访问的需求越来越高，数字装置也广泛使
用，如DVD播放器、视频监视系统等。这些都需要一个家庭网络将计算机、打印机、数码相机、音乐录播
设备和将来所有的家用电器互相连接起来。使用低成本、高效率的GI-POF将是不错的选择。
　　目前，POF仍然是工厂和有干扰EMI/BFI装置环境下低成本、点对点连接的常用选择。在工业控制网
络中，数据传输率采用12～16 Mbit/s的Profibus和SERCOS标准及100 Mbit/s的工业以太网标准；将来的
发展方向是将以太网与现场总线标准结合起来，并研究传输率达到G极的以太网，以进一步降低工厂生产
中的制造成本。因此，工业控制网络中将应用性能更优良的GI-POF。
　　在电信互联的工程中，如采用GI-POF就能在通信网络基础设施的建设中使用低成本的网络设备。在
与玻璃光纤同时使用时，GI-POF可采用不太昂贵的信号收发装置与连接器，使采用GI-POF的新的互联设
备的总成本可以减少到原来的75%，并且在小于30m的传输中可达到10Gbit/s的速度要求。在今后几年中
将可能广泛使用40Gbit/s的光互联系统。这种系统中连接器与收发器个别元件的校准误差只有玻璃纤维
直径的±10%（5μm），但使用这样的元件比较昂贵。180μm直径的POF，其直径是多模玻璃光纤直径的3
倍，在连接时能承受±85μm的总校准误差，而典型连接中玻璃纤维只能承受±20μm的总校准误差。因
此，使用GI-POF可在保证传输质量的前提下降低系统中所有元件的成本。
　　POF的试验设备与玻璃光纤的类似，包括光功率计、660nm发光稳定光源和一套接口附件。
　　7.塑料光纤发展展望
    塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质，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、数字成像设备、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，如计算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；150Mbp
s50米范围内的传输可用小数值孔径POF实现。 POF在制造工业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。
    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，且不断在加大新的应用研究投入，韩国、我国以及台湾地区已经有
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。