塑料光纤

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塑料光纤(plastic optical fiber，POF)

　　塑料光纤是指纤芯和包层均由透明的导光高分子聚合物材料组成的圆柱形线性导光纤维。^[1]

　　塑料光纤具有以下特点：

　　(1)价格便宜，维护成本低。安装简单，可用剪刀任意剪切，不需熔接。

　　(2)重量轻、韧性好，耐侧压强，可靠性好。

　　(3)耦合性好，导光能力强。

　　(4)无电磁波辐射，无电噪声影响，抗干扰能力强，保密性强，安全。

　　(5)节省铜资源，节能环保。

　　同其它通信传输介质一样．表征塑料光纤性能的主要指标有：损耗、色散和带宽及相关的化学性质本文只讨论塑料光纤在通信方面的性能。

　　1.损耗特性

　　塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和散射损耗吸收损耗主要来自碳氢键拉伸振动的本征吸收：散射损耗是因为光在传播过程中改变了传播方向造成的能量衰减PMMA(Polymethy1methacrylate．PMMA)G~料光纤在650nm波长的理论损耗极限是106dB／km左右．实际做成的这类光纤传输损耗在100～300dB／km(650nin波长1GI—POF比SI—POF的损耗一般要略高一些．因为无论采用掺杂剂还是采用其它单体与MMA(Methylinethaerylate．MMA)共聚所形成的GI—POF．很难达到与纯PMMA同样低的损耗。PMMA塑料光纤的传输损耗已接近理论极限．从实验结果观测PMMA阶跃型塑料光纤的损耗光谱．三个低损耗传输窗口分别位于可见光570nin波长处、650nm波长处和近红外780nm波长处在650nin波长处的损耗值仅为110dB／km．非常接近于106dB／km的理论极限。为降低PMMA塑料光纤的损耗．可采用氟原子代替PMMA的氢原子．使基体材料吸收光谱的特征峰向长波长方向移动．从而使可见光与红外区域的损耗降低，也使氟化聚合物芯fPF)塑料光纤的工作波长延伸到了840～13lOnm处。传输速率为2．5Gb／s，传输距离超过500m。日本AsahiGlass公司研制的氟化梯度折射塑料光纤的衰减系数达到．在850nm波长处为41dB／km．130Ohm波长处为33dB／km。全氟化梯度型塑料光纤损耗的理论极限在1300mn波长为处0．25dB／km．在1500nm处的损耗可低至0．1d／km，这完全可以和石英光纤的损耗相比拟，为塑料光纤在通信中使用G．652光纤通信的部件提供了可能．也为塑料光纤在通信网中的广泛应用奠定了基础。

　　2.带宽特性

　　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：减小光纤芯的数值孔径(NA1．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：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百兆赫兹／千米。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0．85～1．3txm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百兆赫兹／千米至10GHz／km的梯度折射率分布的塑料光纤。

　　3.色散特性

　　阶跃型塑料光纤的数值孑L径fNA1在0．5左右，带宽距离可以达40MHz．100m．已应用于工业控制中．但由于其带宽较小．不适于在航空和室内的通信网络中应用小NA阶跃型塑料光纤的NA值约为0．25～0．3较小的NA使得光纤中只传输较低阶的模式。从而减小了模式色散，使带宽提高210MHz·km。为了保证良好的连接性能．NA值不能再小。多模梯度光纤的带宽与光纤的折射率剖面、光源的谱宽和入射孑L径有关。当光纤具有接近于抛物型的最佳折射率剖面时．光纤的色散最小．可以获得最佳的带宽性能因材料色散较大，在650nm波长的带宽仅为3GHz．1O0m全氟化渐变型塑料光纤在650nm波长的带宽大约是PMMA渐变型塑料光纤的3倍。材料在近红外区的色散较小．全氟化渐变型塑料光纤在1300nm波长的带宽可以达到IOOGHz·lOOm，比石英多模光纤的带宽更高。

　　4.温度特性

　　塑料光纤耐热性能差是一大缺点．这主要是因为塑料本身的熔点低。在通信过程中．较高的环境温度影响了GI一塑料光纤的折射率分布形状是否稳定．从而影响塑料光纤的性能。目前试验中PMMAPOF连续200小时在85oC状态下损耗增加小于0．15dB／m．常温下连续工作150小时损耗增加小于0．02～0．035dB／m．稳定度接近200～700个小时。对于商用的梯度聚合物光纤，可工作于一4O～85oC的温度范围．长时间地加热到70℃而不会对光纤截面的折射率分布线型造成影响，同时也不会影响到光纤的带宽和传输损耗。

　　塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏(振动和弯曲)。塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。这些优点使得塑料光纤在汽车中成功应用尤为重要。一个典型的豪华车内部至少由几公里的铜线和铜缆，重量和成本大为增加。飞机、火车和其他所有交通工具莫不如此。

　　由于塑料光纤的大直径和数值孔径，光传导能力大。塑料光纤比铜类传输介质(双绞线和同轴电缆)有着高得多的带宽能力。传输的频率越高，运用塑料光纤的成本就越低。

　　塑料光纤的切割、布线、粘结、抛光和其他加工容易。由于有较大直径，塑料光纤安装和与器件、光源、探测器等的连接变得容易和低成本，非专业人士也能胜任这些操作。准备塑料光纤的连接最多不超过1分钟，也不需要特别的工具。即使是最简单的剪刀也可以用来切割塑料光纤。塑料光纤收发模块使用650nm波长的红光，非常安全，使用者可见也容易判断光纤的连接是否成功。另外，塑料光纤的连接对端面藏留的灰尘和碎屑不敏感。

　　塑料光纤不产生辐射，完全不受电磁干扰和无线电频率干扰以及噪音的影响。这一点对视频和音频的分流尤为重要，很显然这些干扰和噪音影响图像和服务的品质。塑料光纤可以和铜缆在同一管道里或同一线束并排铺放。塑料光纤不产生噪音，不会对目前的管网产生负面影响。

　　POF系统的成本低。据说用于家庭消费电子、家庭联网和汽车包括音响、DVD、VCR等的每个连接的成本低于20美元。所以这些器件都可以在般商店里买到。通过塑料光纤进行数据传输没有可能被窃听，这样塑料光纤在一些安全程度要求高的场合，就非常适用。

　　虽然石英光纤广泛用于远距离干线通信和光纤到户，但塑料光纤被称之为“平民化”光纤，理由是塑料光纤、相关的连接器件和安装的总成本比较低。在光纤到户、光纤到桌面整体方案中，塑料光纤是石英光纤的补充，可共同构筑—个全光网络。

　　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。