引言
自1986年美國杜邦公司首次研制出階躍折射率(SI)塑料光纖(POF)以來，至今已30余年。由于當時POF的傳輸損耗大且缺乏特殊的商用需求，多年來進展緩慢。但自從日本慶應(yīng)大學(xué)1982年提出漸變折射率(GI)塑料光纖、1990年研制成功第一根高速率傳輸GI POF以及1996年研制出第一根低損耗全氟化光纖以來，塑料光纖技術(shù)有了很大的發(fā)展，塑料光纖也備受關(guān)注。預(yù)計今后幾年P(guān)OF將大量應(yīng)用于光通信領(lǐng)域。
本文將簡要介紹光通信用塑料光纖的
結(jié)構(gòu)、分類、制備方法、主要性能參數(shù)、機械性能和熱性能、發(fā)展方向、最新研究進展以及技術(shù)難點和未來研究重點。
2 塑料光纖(POF)
2．1 POF的結(jié)構(gòu)
用于光通信的POF的橫截面是圓形的，一般分為纖芯、包層和護套三層。纖芯半徑通常為125～490 mm，大部分光沿纖芯傳播。纖芯外為折射率較低的包層。護套或涂覆層起到機械保護光纖、提供高強度的作用，一般由聚乙烯制成，也可以采用聚氯乙烯和氯化聚乙烯制作。
2．2 分類
從傳播的觀點來看，POF可以分為單模光纖和多模光纖。前者具有相對較小的纖芯，它要求傳輸光波模式；后者的纖芯相當大，足以用幾何射線跟蹤模式進行分析。若按照實際用途來分，POF可分為通信用POF、耐高溫(熱)POF、照明用粗徑POF和醫(yī)用像束POF等。而按照纖芯材料的不同，POF又可分為聚甲基丙烯酸甲酯POF(PMMA POF)、聚苯乙烯POF(PSPOF)和聚碳酸酯POF(PC POF)三種。
2．3 制備方法
制備POF需要兩個步驟。首先制備一根稱為預(yù)制棒的固體圓柱形棒，長度大約為0．5～1 m，直徑為幾毫米。這一預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)將決定纖芯和包層的折射率分布。第二步是擠制預(yù)制棒，拉制出500米至幾公里長的POF。利用先進的生產(chǎn)技術(shù)可以制造出廉價、高質(zhì)量、低損耗的POF.目前，生產(chǎn)階躍折射率(SI)POF主要采用熔融旋轉(zhuǎn)法，通過連續(xù)擠出或分批擠出獲得光纖；而生產(chǎn)GI POF則主要采用界面凝膠聚合法和擴散法。
2．4 主要性能參數(shù)
2．4．1 衰減
POF的衰減取決于纖芯直徑，它隨纖芯直徑減小而增大。在570 nIn處，直徑為0．5 mm 的PMMA
POF的衰減為70 dB／km，直徑為0．25 mm 的PM—MA POF的衰減則為130 dB／km。這一特性是由于直徑較小的光纖存在著大量的幾何和結(jié)構(gòu)缺陷。此外，衰減還取決于頻譜寬度和所用光源的數(shù)值
孔徑(NA)。頻譜寬度或光源的NA增大會導(dǎo)致衰減增大 例如，當NA為0．1時，PMMA POF的衰減僅
為70 dB／km，而NA為0．65時衰減則為88 dB／km。
2．4．2 色散和帶寬
大多數(shù)光纖傳輸系統(tǒng)是數(shù)字的，也就是說，信息以脈沖的形式傳輸通過光纖。脈沖在通過光纖傳輸
時經(jīng)歷瞬間展寬，叫做瞬間色散，簡稱色散。色散也會影響模擬通信，因為它使信號波形失
真。因此在任何光纖通信鏈路中都可以觀察到，色散是決定可傳輸通過光纖的最大帶寬的參數(shù)。影響波形失真的因素主要有三個：模色散(也叫做模間色散)、材料色散以及波導(dǎo)色散，后兩種色散可以組合在一起稱作色散或模內(nèi)色散。POF的帶寬是限制傳輸速率的重要性能參數(shù)。
當前提高POF帶寬的具體方法有兩種：一是改變光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是選用不同的折射率剖面結(jié)構(gòu)。前一種方法是將階躍折射率(SI)POF的數(shù)值孔徑由0．5減小至0．3，以此減小模色散，將該光纖的帶寬由7．5 MHz·km提高到12 MHz·km。后一種方法是將POF的折射率分布形式由階躍型改為漸變型(GI)，這樣做可以將模延遲減到最小，使POF的最大帶寬高達3．5 GHz·km。
2．4．3 數(shù)值孔徑(NA)
NA是光纖的一個非常重要的參數(shù)，因為它表示光纖接收和導(dǎo)向光的能力。數(shù)值孔徑較大的光纖可以接收更奪的光。與玻璃光纖相比，典型POF的數(shù)值孔徑非常大，大約為0．5，便于光耦合進入光纖。
此外還有數(shù)值孔徑減小的光纖，它們用來實現(xiàn)較高的傳輸速度。數(shù)值孔徑越小，帶寬就越高，因為有較少的模傳輸通過光纖，模色散減小。至于發(fā)射機和探測器，它們也有其自身的數(shù)值孔徑，取決于發(fā)射角和接收角。尤其重要的是應(yīng)使光纖的數(shù)值孔徑與光源相匹配，以便將發(fā)射功率有效地耦合到光纖中。
2．5 機械性能
有關(guān)人員研究了POF的機械性能。研究集中于彎曲、拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力產(chǎn)生的衰減。與玻璃光纖不同，POF由塑料制成，其楊氏模量幾乎比石英光纖低兩個數(shù)量級(PMMA POF大約為2．1 GPa)。為此，按照典型的光纖結(jié)構(gòu)，即使是直徑為1 mm 的POF也相當柔軟，可以安裝。同理，POF的最小彎曲半徑
也較小，因為塑料比石英更柔軟且更容易彎曲。PCPOF也獲得了類似的結(jié)果，其楊氏模量．55-2．55
GPa范圍內(nèi)。POF的傳輸速率同樣取決于某些機械性能。例如，如果POF的伸長達到其長度的10％，則衰減增加小于0．1 dB。其它因素也可以改變POF的光學(xué)性能，如周期彎曲會導(dǎo)致衰減變化，使衰減達到某一極限(1 mmPMMAPOF在彎曲半徑為5 0 mm、彎曲1 000次后衰減<0．15 dB)。
2．6 熱性能
由于POF是由聚合物制成的，所以它一般可以在80～100℃ 的溫度下工作。超出這一范圍，POF開始失去其堅固性和透光性。采用交聯(lián)聚乙烯或聚烯烴彈性體制成的護套，可以使POF的工作溫度提高到125℃ ，甚至135℃ 。另一方面，POF的耐高溫性能很大程度上取決于濕度。這一特性是由可見范圍內(nèi)強烈的OH一吸收帶引起的。氟化物光纖不吸收水，所以它們的衰減受濕度的影響不明顯。高帶寬GI POF同時具有高的熱穩(wěn)定性，即使在85℃下老化10 000小時也未觀察到帶寬失真。3 POF的發(fā)展方向和最新研究進展
3．1 POF的發(fā)展方向
從國外的研究發(fā)展來看，POF的研究重點主要集中在以下幾個方面：
· 降低光損耗；
· 提高帶寬(由SI型轉(zhuǎn)為GI型)；
· 提高耐熱性。
聚碳酸酯、硅樹脂、交聯(lián)丙烯酸酯和共聚物可使耐熱性提高到125～150℃ 。
3．2 POF的最新研究進展
POF在衰減和帶寬方面的最新實用進展為：日本Asahi Glass公司2000年7月宣稱，該公司實施慶應(yīng)大學(xué)的GI POF技術(shù)，采用全氟化聚合物Cytop制造GI光纖，商品名為Lucina，衰減為25～50 dB／km，
波長為600～1 300 nm，傳輸速率為3 Gb／s，帶寬大于200 MHz·km，在很寬的波長窗口表現(xiàn)出低的衰減。POF在耐熱性方面的最新實用進展為：日本JSR與旭化成株式會社聯(lián)合開發(fā)的、采用耐熱透明樹脂ARPON制造的SI POF，耐熱已達170℃。
4 技術(shù)難點和未來研究重點
4．1 技術(shù)難點
目前在技術(shù)方面，POF需要解決兩個主要難題。一是設(shè)計新的透光材料和包層材料。塑料光纖同石英光纖一樣由纖芯和包層兩部分組成，要制造出高質(zhì)量的光纖，兩者都很重要。光纖的纖芯要求透明度和折射率越高越好，而包層則要求折射率小于芯材，并且兩者相差越大越好。提高纖芯的折射率較難，但降低包層的折射率還有潛力可挖，主要集中在含氟高聚物上。第二個難題是工藝條件，研究控制纖芯聚合物分子量、均勻性和提高透明性的新的光纖技術(shù)，進一步提高光的傳輸效率，降低光損耗。這兩個問題一旦得以圓滿解決，POF將可取代石英光纖。那時它不僅可用于常規(guī)通信，而且還可用于海下照明、導(dǎo)彈、運載火箭、大型轟炸機和電子對抗雷達等尖端領(lǐng)域。
4．2 未來研究重點
目前已經(jīng)開發(fā)出具有不同特性的多種類型的POF，以滿足不同用途的要求。通過擴大業(yè)務(wù)，POF必將成為不可缺少的短距離高速率的傳輸媒質(zhì)。POF不可避免地要與金屬電纜進行競爭而成為短距離高速率傳輸通路的核心。今后在POF方面的研究重點是：
· 提高POF的知名度和認可程度；
· 繼續(xù)降低POF的衰減；
· 提高GI POF的長期穩(wěn)定性；
·POF連接器的標準化；
· 降低POF本身的成本；
· 納入相應(yīng)標準。
5 結(jié)語
本文簡要介紹了光通信用塑料光纖的結(jié)構(gòu)、分類、制備方法、主要性能參數(shù)以及塑料光纖的研究和
進展情況。隨著光纖技術(shù)的進步，與塑料光纖相關(guān)的外圍技術(shù)、材料技術(shù)、器件技術(shù)的研究將更加深入，相信會有更多實用性強、成本低的產(chǎn)品問世。今后，塑料光纖應(yīng)在提高性能、降低成本、擴大傳輸距離、降低傳輸損耗等方面再下工夫，創(chuàng)造新的業(yè)績，以適應(yīng)高速通信發(fā)展的需要。