新一代短距离光传输介质——塑料光纤
2019-11-04 22:46:53
供稿：网友
众所周知，石英玻璃光纤以其衰减小、带宽高等优点被用作远距离、高速率、大容量公用网的光传输介质。石英玻璃光纤以其原料纯洁、制造复杂、价格昂贵、接续困难等缺点制约了其大量用作短距离接入网光传输介质。正是为降低短距离接入网中光纤网络终端用户的光纤接入成本（即传输介质、接续施工等），日本、美国等发达国家的一些大学和公司已研究出新一代短距离光传输介质——塑料光纤。塑料光纤的优点：制造简单、价
格便宜、接续快捷等。故其最适宜作为局域网中短距离通信、有线电视网、室内计算机之间的光传输介质。本文简明扼要的阐述塑料光纤的研究历程、研究要点、光纤性能、系统应用，以飨读者。
研究历程
７０年代初，美国杜邦公司开始了数据通信用塑料光纤的基础研究工作。
１９８７年，美国杜邦公司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．
１９９０年日本庆应大学小池康博公布研制出带宽为３ＧＨｚ．ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纤。
１９９２年，美国ＩＢＭ公司的Ｂａｔｅｓ提出了在１００ｍ长的阶跃折射率分布塑料光纤传输５０Ｍｂｉｔ／ｓ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２．５Ｇｂｉｔ／ｓ的传输试验。
１９９４年，日本庆应大学佐佐木等报道，他们研制出了塑料光纤光放大器。
１９９５年，日本ＮＥＣ公司的山崎用小数值孔径６５０ｍｍ ＬＤ，１００ｍ的小数值孔径的阶跃折射率分布塑料光纤进行了１５５Ｍｂｉｔ／ｓ的试验。
１９９６年，人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网ＡＴＭ物理层。
１９９７年，日本ＮＥＣ公司的山崎进行了１５５Ｍｂｉｔ／ｓ的ＡＴＭ、ＬＡＮ的试验。
１９９８年，日本ＮＥＣ公司的山崎在７０ｍ长塑料光纤上进行了４００Ｋｂｉｔ／ｓ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三分之一。日本富土通公司的今井报道，以１．３μｍ ＦＰ－ＬＤ、ＩｎＧａＡｓ－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２．５Ｇｂｉｔ／ｓ试验。
在ＯＦＣ－９８会议上，日本硝子玻璃株式会社报道了氟化物塑料光纤的衰减系数：在（６５０－１３００）ｎｍ波长小于１００ｄｂ／ｋｍ，在（８５０－１３００）ｎｍ，约５０ｄｂ／ｋｍ，且有望进一步降低，其带宽为（３００－５００）ＭＨｚ．ｋｍ，理论带宽可达１０ＧＨｚ．ｋｍ。该塑料光纤的稳定工作温度为（－４０～＋９０）℃。ＸａＱｔｉ吉比特半导体供给商用梯度折射率分布的氟化物塑料光纤进行了２００ｍ １０Ｇｂｉｔ／ｓ的传输试验。
２０００年，ＯＦＣ会议上，日本硝子玻璃株式会社新技术发展部的ＮｏｒｉｙｕｋｉＹｏｓｈｉｈａｒａ等报道氟化梯度折射率塑料光纤的衰减系数：在８５０ｎｍ为４１ｄｂ／ｋｍ，１３００ｎｍ为３３ｄｂ／ｋｍ，其最大带宽已达１００ＭＨｚ．ｋｍ。用这种塑料光纤成功地进行１００ｍ、１１Ｇｂｉｔ／ｓ和５０ｍ、２．５Ｇｂｉｔ／ｓ的高速传输试验和７０℃长期热老化试验。实验证实，氟化梯度折射塑料光纤完全满足使用要求。
研究要点
１．光纤结构
塑料光纤顾名思义，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宜注塑塑料连接器，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、化稳性要好、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、聚苯乙烯聚碳酸酯、氟化聚甲基丙烯酸酯和全氟树脂等；选作塑料光纤包层有：聚甲基丙烯酸甲酯、氟塑料、硅树脂等。究其原因是：这些聚合物①具有透光性好，光学均匀、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加工和化稳性好及价格便宜等。
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入聚合容器中，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，英藉华人高锟提出光介质表面波导设想以来，光纤的研究由七十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。
（１）衰减
塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和色散损耗。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，而塑料材料的吸收损耗则是由分子键（碳氢、碳氟等）伸缩振动吸收和电子跃吸收所致的。
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，假如用氟原子置换碳氢键中的氢所组成的氟化塑料材料，其不仅本征衰减小，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收损耗。故可制得在可见光至红外范围的衰减很小，即在０．８５μｍ波优点衰减系数为４１ｄｂ／ｋｍ，在１．３μｍ波优点衰减为３３ｄｂ／ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纤。
（２）带宽
用作短距离光传输介质的塑料光纤，按其折射率分布外形可分为两种：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入射光发生反复的反射，射出的波形相对于入射波形出现展宽，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入射光波展宽的效果，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。
（３）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光传输链路确保了高速互联网接口快速、双向、清楚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。非凡因为氟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，所以氟化梯度折射率塑料将作为下一代短距离光传输系统用的光传输介质。
