塑料光纤——新型的光传输技术

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目前，塑料光纤因为其制造简单、价格便宜、接续快捷等优点，而备受瞩目。塑料光纤最先是由日本、美国等发达国家的一些大学和企业研究出来，进而成为新一代短距离光传输介质。塑料光纤主要应用于低速、短距离的传输中，在汽车、消费电子、工业控制总线系统和互联网领域发展前景良好，尤其适宜于局域网中短距离通信、有线电视网、室内计算机之间的先传输。

　　1 塑料光纤的发展
　　塑料光纤（POF）已有30多年的研究历史，最初用于照明，后来在汽车、医疗和工业控制等领域逐渐得到推广，最近在通信领域中也取得了突破性进展。
　　70年代初，美国杜邦企业开始了用户数据通信的塑料光纤的基础研究工作。
　　1987年，美国杜邦企业将其拥有的所有塑料光纤产品专利全部出售给日本三菱人造丝株式会社。三菱人造丝株式会社继续进行塑料光纤产品开发和推广应用工作。同年，法国塑料光纤联合集团研制出的阶跃折射率分布塑料光纤，其带宽为5MHz·km。
　　1992年，美国IBM企业的Bates提出了在100m长的阶跃折射率分布塑料光纤传输50Mbps的试验，小池康博等报道了用红外激光器在100m长的塑料光纤上进行2.5Gbps的传输试验。
　　1998年，日本NEC企业的山崎在70m长塑料光纤上进行了400kbps的传输试验。日本硝子玻璃株式会社报道，梯度折射分布的氟化物塑料光纤的衰减仅为掺杂的聚甲基丙烯酯塑料光纤衰减的1／3日本富士通企业的今井报道，以1. 3μmFP-LD、In-GaAs-APD为光源，在200m梯度折射率分布的氟化物塑料光纤上进行了2.5Gbps试验。
　　目前，塑料光纤应用于低速、短距离的传输中。最近分段分序POF技术的发展已把带宽提高到3GHz。新近开发的年模POF、POF中的光放大器、对1550nm。低损耗的新型POF材料以及更高功率更快的光源，都使得光纤分布式数据接口（FDDI）、异步传输模式（ATM）、企业系统连接体系结构（Escon）、光纤通道（FC）、同步光纤网（SONET）等应用都涉及塑料光纤领域。
　　然而，这种介质目前还不为标准所认可，因为现在可用的技术在要求的带宽下都限制在50m内。或许五年以后，低成本的POF会得到商业化的应用。

　　2 塑料光纤的应用
　　网络成本的降低、性能的提高（速度更快）、数字电子的引入、电磁干扰的减少以及相关标准的制定与完善正推动着电信、消费电子、汽车以及工控市场的迅猛发展，而这四个市场的进步又促使塑料光纤技术逐渐成为光通信产业的主流。同时，POF技术还在低损耗、高性能、氟化聚合物梯度折射率塑料光纤和新型光源方面具有诱人的魅力。
　　（1）汽车工业
　　随着汽车导航系统的飞速发展，信息量的增加，汽车制造商为了提高汽车的安全性能，正在加快采用气囊与传感器的步伐，以便在车内处理更多的信息。与原来使用的线束相比，POF具有不放射电磁噪音、质量轻的特点，因此越来越受到汽车制造商的欢迎。
　　（2）消费电子
　　1394b是消费电子领域的一套新标准，完全兼容1394a高速汇流排标准。新标准把传输距离从原来的4.5m大幅增至100m，让使用者能在家庭或小型办公楼内，通过电缆线建置一套高速传输网路。1394b标准也可以使用多种传输媒介，包括Cat.5铜缆线、塑胶光纤以及玻璃材料光纤。此外，1394b的最大传输速率也比1394a标准提高许多，传输速度超过400Mbps，最高可达3.2Gbps，并且明确指出将具有低损耗高性能的POF作为传输介质之一。
　　（3）工业控制总线系统
　　随着计算机和自动控制技术的高速发展，工业自动化水平提高到一个崭新的高度。工业自动化根据其特点和使用方向可分为过程控制自动化、面向生产和制造业的自动化以及自动化测量系统（工业测量仪表）。这些工业自动化系统的建立和发展都有一个共同特点，即由直接控制系统向集散型控制系统发展，而这种集散型控制系统的发展都是以各种工业网络为基础。通过这些形形色色的工业总线系统，各种工业设备构成一个既分散又统一的整体。对POF来说，工业控制总线系统是其最稳定和最大的市场之一。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，高速传输工业控制信号和指令，避免了因使用全属电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的危险。
　　（4）互联网
　　由于大型路由器、光交叉连接器和光转换器的速度已经达到了兆兆位，因此如何保持这些器件问信息的高速传输就显得极为重要。现在人们已经可以实现OC-192互联，它的最大速度可达到40Gbps。目前的主要问题是降低成本和复杂性，提高底板提供给元件间、电板间、底盘间、支架间配线的可靠性。
　　现在，越来越多的大型机构、数据中心和协同定位设施将不同类型的设备连接起来所以这些地方也安装了越来越多的系统。局域网的长度正不断扩展，从几英寸延长到几十米，这恰恰是目前新型塑料光纤的传输距离范围。塑料光纤在传输距离超过100m时，其传输速度也能达到11Gbps。
　　综上所述，塑料光纤的应用领域越来越广。由于这四个主要应用市场的快速发展，IGIC预测2002年POF市场规模为5.02亿美金，2006定将超过20亿美金。

　　3 塑料光纤技术
　　（1）光纤结构
　　顾名思义塑料光纤，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直注塑塑料连接器，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、制造简单、价格低廉等。
　　当今，选作塑料光纤芯材有：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚碳酸醋、氟化聚甲基丙烯酸酯和全氟树脂等；选作塑料光纤包层有：聚甲基丙烯酸甲醋、氟塑料、硅树脂等。究其原因是：这些聚合物①有透光性好、光学性质均匀、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加工及价格便宜等。
　　（3）制造工艺
　　今天，人们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人聚合容器中，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
　　自1966年，英藉华人高馄提出光介质表面波导设想以来，光纤的研究由70年代起至今经历了由0.85μm多模光纤、1.31μm标准单模光纤、1.55μm色散位移单模光纤、1.55μm非零色散移单模光纤和1.55μm大有效面积非零色散位移单模光纤几大技术与产品的飞跃。石英玻璃光纤性能的研究重点自始至终定位在衰减、色散、偏振模色散、非线性效应等；塑料光纤的性能研究重点则是衰减、色散、热稳定性等。
　　◆衰减
　　塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸取损耗和色散损耗。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，而塑料材料的吸取损耗则是由分子键（碳氢、碳氟等）伸缩振动吸取和电子跃吸取所致的。
　　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，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取损耗。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。
　　◆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人射光发生反复的反射，射出的波形相对于人射波形出现展宽，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人射光波展宽的效果，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。
　　◆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。
　　◆系统应用
　　塑料光纤在短距离通信光传输系统中用作先传输链路确保了高速互联网接口快速、双向、清晰地传送高分辨率图像和数据转换。塑料光纤网络能开展的宽带业务有：交互多媒体和远程教学等。特别因为氢化梯度折射率塑料光纤具有低衰减、高带宽、价格便宜、热稳定性好、大芯径、便于接续施工等优点，同时借助当前商用的光收发端机和交换机成功进行了高速数据、图像传输，所以氢化梯度折射率塑料将作为下一代短距离光传输系统用的先传输介质。
　　3．2 塑料光纤的技术发展
　　在局域网中，POF与其它传输介质相比，具有以下优点：POF对电磁干扰不敏感，不发生辐射，不同数据速率下的衰减恒定，可预测误码率，可以在电噪声环境中使用；尺寸较长，可降低接头设计中公差控制的要求，成网成本低。
　　有源塑料光纤的光源性能正不断改善。目前的光源主要有发光二极管（LED）光源和激光光源两种。LED光源造价比较低，但在LE D光源功率及散则等性能方面有一定的缺陷，因而多应用在短距离的局域网中。长距离的局域网主干中都使用传统的激光光源，但是激光光源设备昂贵。为了克服这两种光源的缺陷，近两年来，人们又研制出一种新型光源，这就是工作窗口为650nm的具有共振腔的发光二极管（RC-LED）。它与垂直腔体表面发射激光器（VCSEL）很相像，但结构更简单，这使得标准阶跃型（SI）聚甲基丙稀酸甲酯（PMMA）芯塑料光纤的连接性能得到提高。实验证明，当传输距离不超过50m时，SI-POF的传输速度可以达到500Mbps。
　　近期，世界领先的通信及医疗芯片供应商Zarlink Semicon-ductor推出了针对家庭、办公室和工厂使用的高速POF使用的发光二极管ZL6003。该器件是一种谐振腔发光二极管，采用高效率的半导体结构将电子信号转换为通过POF传输的精确的高速红色光脉冲。在50m塑料光纤上，它可以达到高达500Mbps的数据传输速率，同时也满足IEE 1394b标准。
　　梯度型塑料光纤（GI-POF）的发展潜力很大。2000年日本旭玻璃株式会社研制出的GI-POF的衰减为16dB（波长为1310nm），带宽为569MHz·km。2001年OFC’2001报道日本庆应大学研究出的氟化聚合物在1.0～1.3μm波长处的最低衰减系数为15dB/km，并以几个Gbps的速率传输了100m。正是这种玻璃态氟化聚合物中的氟化分子结构使得GI-POF具有大芯径、小衰减、高带宽和高可靠性的特点。美国Nanoptics企业称已开发出商用GI-POF产品，并将在2003年1月推向市场。PFGI-POF有望替代50/125μm和62.5/125μm多模光纤，成为下一代短距离高速传输系统中最好的先传输介质。
　　许多研究机构最近也正在开发POF光放大器、WDM系统和光纤光栅（FBG）等器件。最近有报道说去年澳大利亚的Redfem Polymer和韩国研究机构KAIST研制出聚合体光电晶体光纤。Redfem计划不久将聚合体光电晶体光纤推向市场。这些都表明越来越多的企业和机构开始关注POF的材料、器件及应用等。随着POF制造技术和原材料制备技术的不断进步，POF的相关成本仍会不断下降。同时随着激光器、光电子集成器件、连接器相关技术的不断进步以及生产规模的扩大，这些器件的成本也会不断下降，从而使得POF在接入通信中的优势更为明显。

　　4 塑料光纤的最新进展
　　作为一种光传输介质，POF目前的研究重点是：努力降低衰减；设法减少色散；完善制造工艺；提高环境性能；扩大应用领域。目前，POF行业本身已经取得了许多进展，例如1999年日本庆应大学、日本旭玻璃株式会社等研制出的氟化聚合物芯梯度折射率塑料光纤（GI POF），在工作波长为840nm和1310nm处，传输速率为2.5Gbps，传输距离超过500m。1999年美国贝尔实验室以830nm和1310nm波长，在氟化GI POF上进行了11Gbps的数据 传输试验。塑料光纤在衰减与带宽方面取得了新的进展，如日本ASAHI GLASS企业于2000年7月宣称，他们将日本庆应大学的GI-POF技术商品化，采用全氟聚合物CYTOP制造出GI光纤，该光纤的衰减速率为3Gbps，带宽大于200MHz·kin。2000年日本硝子玻璃株式会社研制出的GI POF的衰减为16dB／km（波长为1310nm），带宽为569MHz·km。2001年OFC’2001报道日本庆应大学研究出的氟化聚合物在1.0～1.3μm处的最低衰减为15dB/km，传输距离达到了100m。2002年3月，有消息报道，美国麻省波士顿光纤企业研制出一种塑料光纤，其传输速度比现用标准铜线快30倍，而且比玻璃纤维的重量轻、柔性好、成本低。这种光纤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，可在100m内以3Mbps的速度传输数据。
　　目前，世界上研究POF的主要机构和组织是美国的POFTO、法国的POFClub、日本的POF协会、韩国政府最近组织的POF协会以及德国POF应用中心（POFAC）在纽伦堡大学成立的德国联盟。同时。大家也应该看到，POF行业的进一步发展也遇到了一些阻碍因素，如：
　　（1）在目前的局域网中，与现有可升级的铜缆相比，使用塑料光纤的成本仍然较为昂贵，从而使得企业在准备进行新的线缆业务时，会考虑光缆的使用率和价格是否合算。因此，由铜缆向光缆的过渡仍然是一个较为缓慢的过程。
　　（2）研究机构缺少市场意识，与企业间的合作关系不太紧密，导致有些技术即使取得实质性进展却不能实用化。同时企业获得市场与技术方面的相关信息也较困难。
　　（3）虽然ATM论坛在1997年5月通过155Mbpa POF和硬塑料包层的标准，但整个行业统一标准的制定与完善却进展缓慢，从而不利于塑料光纤的产业化。
　　（4）POF开发者自身将目标定得过高，将主要的精力投入到高端产业中，而这些产业需要更高的进入门槛和更先进的技术使得本应成为POF主流的市场仍在大量使用铜缆。POF应该以低端产业为基石，逐步占领这些市场后，再向高端产业进军。
　　（5）缺少强有力的商业协会推动POF的发展。
　　（6）高校中缺少相关课程等等。
　　但总体来看，POF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、工控网络化以及车载机载通信网等方面的地位越来越重要。