塑料光纖

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塑料光纖(plastic optical fiber，POF)

　　塑料光纖是指纖芯和包層均由透明的導光高分子聚合物材料組成的圓柱形線性導光纖維。^[1]

　　塑料光纖具有以下特點：

　　(1)價格便宜，維護成本低。安裝簡單，可用剪刀任意剪切，不需熔接。

　　(2)重量輕、韌性好，耐側壓強，可靠性好。

　　(3)耦合性好，導光能力強。

　　(4)無電磁波輻射，無電雜訊影響，抗干擾能力強，保密性強，安全。

　　(5)節省銅資源，節能環保。

　　同其它通信傳輸介質一樣．表徵塑料光纖性能的主要指標有：損耗、色散和帶寬及相關的化學性質本文只討論塑料光纖在通信方面的性能。

　　1.損耗特性

　　塑料光纖的衰減主要受限於芯包塑料材料的吸收損耗和散射損耗吸收損耗主要來自碳氫鍵拉伸振動的本徵吸收：散射損耗是因為光在傳播過程中改變了傳播方向造成的能量衰減PMMA(Polymethy1methacrylate．PMMA)G~料光纖在650nm波長的理論損耗極限是106dB／km左右．實際做成的這類光纖傳輸損耗在100～300dB／km(650nin波長1GI—POF比SI—POF的損耗一般要略高一些．因為無論採用摻雜劑還是採用其它單體與MMA(Methylinethaerylate．MMA)共聚所形成的GI—POF．很難達到與純PMMA同樣低的損耗。PMMA塑料光纖的傳輸損耗已接近理論極限．從實驗結果觀測PMMA階躍型塑料光纖的損耗光譜．三個低損耗傳輸視窗分別位於可見光570nin波長處、650nm波長處和近紅外780nm波長處在650nin波長處的損耗值僅為110dB／km．非常接近於106dB／km的理論極限。為降低PMMA塑料光纖的損耗．可採用氟原子代替PMMA的氫原子．使基體材料吸收光譜的特征峰向長波長方向移動．從而使可見光與紅外區域的損耗降低，也使氟化聚合物芯fPF)塑料光纖的工作波長延伸到了840～13lOnm處。傳輸速率為2．5Gb／s，傳輸距離超過500m。日本AsahiGlass公司研製的氟化梯度折射塑料光纖的衰減繫數達到．在850nm波長處為41dB／km．130Ohm波長處為33dB／km。全氟化梯度型塑料光纖損耗的理論極限在1300mn波長為處0．25dB／km．在1500nm處的損耗可低至0．1d／km，這完全可以和石英光纖的損耗相比擬，為塑料光纖在通信中使用G．652光纖通信的部件提供了可能．也為塑料光纖在通信網中的廣泛應用奠定了基礎。

　　2.帶寬特性

　　帶寬是光纖波導的一個重要特點．帶寬大小決定了光纖的信息傳輸能力。增加光纖帶寬通常有兩種方法：減小光纖芯的數值孔徑(NA1．較小的NA使得光纖中具有傳輸較低階的模式．從而減小了模間色散．故能使光纖帶寬得到提高：改變光纖芯的折射率，當梯度折射率光纖具有接近於拋物型的最佳折射率分佈時，光纖的模間色散最小，可以獲得最佳帶寬性能。另外．當入射光源的孔徑較小時．光纖中只有部分模式激發．色散小於光纖中全部傳輸模被激發的情形，因而也可以獲得相對高的工作帶寬用作短距離光傳輸介質的塑料光纖．按其折射率分佈形狀可分為兩種：階躍折射率分佈塑料光纖和梯度折射率分佈塑料光纖。階躍折射率分佈塑料光纖由於模間色散作用使人射光發生反覆的反射．射出的波形相對於人射波形出現展寬，故其傳輸帶寬僅為幾十至上百兆赫茲／千米。氟化梯度折射率分佈塑料光纖從選擇低色散的材料出發．再以優化的梯度折射率分佈手段．即可將其折射率分佈指數在0．85～1．3txm波長範圍內選定為2．07～2．33，從而抑制模間色散，控制出射光波相對於人射光波展寬的效果．進而可制得傳輸帶寬高達幾百兆赫茲／千米至10GHz／km的梯度折射率分佈的塑料光纖。

　　3.色散特性

　　階躍型塑料光纖的數值孑L徑fNA1在0．5左右，帶寬距離可以達40MHz．100m．已應用於工業控制中．但由於其帶寬較小．不適於在航空和室內的通信網路中應用小NA階躍型塑料光纖的NA值約為0．25～0．3較小的NA使得光纖中只傳輸較低階的模式。從而減小了模式色散，使帶寬提高210MHz·km。為了保證良好的連接性能．NA值不能再小。多模梯度光纖的帶寬與光纖的折射率剖面、光源的譜寬和入射孑L徑有關。當光纖具有接近於拋物型的最佳折射率剖面時．光纖的色散最小．可以獲得最佳的帶寬性能因材料色散較大，在650nm波長的帶寬僅為3GHz．1O0m全氟化漸變型塑料光纖在650nm波長的帶寬大約是PMMA漸變型塑料光纖的3倍。材料在近紅外區的色散較小．全氟化漸變型塑料光纖在1300nm波長的帶寬可以達到IOOGHz·lOOm，比石英多模光纖的帶寬更高。

　　4.溫度特性

　　塑料光纖耐熱性能差是一大缺點．這主要是因為塑料本身的熔點低。在通信過程中．較高的環境溫度影響了GI一塑料光纖的折射率分佈形狀是否穩定．從而影響塑料光纖的性能。目前試驗中PMMAPOF連續200小時在85oC狀態下損耗增加小於0．15dB／m．常溫下連續工作150小時損耗增加小於0．02～0．035dB／m．穩定度接近200～700個小時。對於商用的梯度聚合物光纖，可工作於一4O～85oC的溫度範圍．長時間地加熱到70℃而不會對光纖截面的折射率分佈線型造成影響，同時也不會影響到光纖的帶寬和傳輸損耗。

　　塑料光纖質輕、柔軟，更耐破壞(振動和彎曲)。塑料光纖有著優異的拉伸強度、耐用性和占用空間小的特點。這些優點使得塑料光纖在汽車中成功應用尤為重要。一個典型的豪華車內部至少由幾公裡的銅線和銅纜，重量和成本大為增加。飛機、火車和其他所有交通工具莫不如此。

　　由於塑料光纖的大直徑和數值孔徑，光傳導能力大。塑料光纖比銅類傳輸介質(雙絞線和同軸電纜)有著高得多的帶寬能力。傳輸的頻率越高，運用塑料光纖的成本就越低。

　　塑料光纖的切割、佈線、粘結、拋光和其他加工容易。由於有較大直徑，塑料光纖安裝和與器件、光源、探測器等的連接變得容易和低成本，非專業人士也能勝任這些操作。準備塑料光纖的連接最多不超過1分鐘，也不需要特別的工具。即使是最簡單的剪刀也可以用來切割塑料光纖。塑料光纖收發模塊使用650nm波長的紅光，非常安全，使用者可見也容易判斷光纖的連接是否成功。另外，塑料光纖的連接對端面藏留的灰塵和碎屑不敏感。

　　塑料光纖不產生輻射，完全不受電磁干擾和無線電頻率干擾以及噪音的影響。這一點對視頻和音頻的分流尤為重要，很顯然這些干擾和噪音影響圖像和服務的品質。塑料光纖可以和銅纜在同一管道里或同一線束併排鋪放。塑料光纖不產生噪音，不會對目前的管網產生負面影響。

　　POF系統的成本低。據說用於家庭消費電子、家庭聯網和汽車包括音響、DVD、VCR等的每個連接的成本低於20美元。所以這些器件都可以在般商店裡買到。通過塑料光纖進行數據傳輸沒有可能被竊聽，這樣塑料光纖在一些安全程度要求高的場合，就非常適用。

　　雖然石英光纖廣泛用於遠距離幹線通信和光纖到戶，但塑料光纖被稱之為“平民化”光纖，理由是塑料光纖、相關的連接器件和安裝的總成本比較低。在光纖到戶、光纖到桌面整體方案中，塑料光纖是石英光纖的補充，可共同構築—個全光網路。

　　塑料光纖與玻璃光纖相比，雖透光性差一些，光損耗較大，初期一般為300分貝／公裡，傳輸光帶狹窄(限於可見光區)，被認為難以適應多媒體通信網的需要，但它具有輕而柔軟、抗撓曲、抗衝擊強度高、價格便宜、抗輻照、易加工、並能製成大直徑(1～3毫米，以增大受光角度，擴大使用範圍)等一系列優點，所以備受青睞。此外，光通過塑料光纖的中心部分的直徑約為1毫米，比玻璃光纖大100倍，與纖維之間的連接及與個人機等終端裝置的連接都十分容易。因此塑料光纖安裝費用很低，安裝時採用十分簡單的對準連接插頭即可，這種插頭可用現有的技術生產。