光纤新技术研究与发展论文(1)

光纤新技术研究与发展机10-4 胡青平10101030423摘要:自1970年美国康宁公司研制出石英玻璃光导纤维后，同年贝尔又试制成半导体激光器，这两项新技术的结合，开创了光信息传输的新时代。

尽管玻璃光纤具有上述一系列优点，但它有一个致命的弱点就是强度低，抗挠曲性能差，而且抗辐射性能也不好。

因此，近20多年来，科学家们一直没有停止过对塑料光纤的探索。

关键词：塑料光纤光纤光缆光通讯前言:自从业界开创了光纤通讯技术以来，大至归纳，光纤通讯比传统的电铜通讯有3大优点：一是通信容量大；二是抗电磁干扰、保密性能较好；三是重量轻，并可节省大量的铜，如铺设1000公里长的8芯光缆比铺设同样长度的8芯电缆可节省1100吨铜，3700吨铅。

因此光纤光缆一经问世就受到通信业界的欢迎，带来了通讯领域的革命以及一轮投资发展热潮。

一、塑料光纤的发展历程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宣布研制出带宽为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。

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。

实验证明，氟化梯度折射塑料光纤完全满足使用要求。

塑料光纤在耐热性方面的最新实用进展为：日本JSR与旭化株式会社联合发展耐热透明树脂ARTON（norbornene,冰片烯）制造的SI-POF，耐热170摄氏度，2001年上半年已供应汽车市场。

二．塑料光纤的原理塑料光纤的工作原理为：当光线以一定角度从光密介质射向光疏介质时，就会发生光线在界面上的全反射，光线重新折回光密介质中，光纤就是利用全反射的原理将光从一端传至另一端的。

构成塑料光纤的材料有两种，高折射率和低折射率的两种透明聚合物，而且低折射率的材料必须完整地包住高折射率的材料，即皮材必须包覆住芯材。

塑料光纤的芯材和皮材必须满足以下几个条件：（1）两者都是透明的无定型聚合物，具有耐高温性和强韧性；（2）两者的折射率之差应满足的条件，以确保有一定的受光角；（3）两者具有良好的匹配性，界面粘接性良好。

三、塑料光纤的优点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。

四．塑料光纤性能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，如果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。

（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。

五、塑料光纤产品的研发要点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。

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；六、塑料光纤的技术关键目前对塑料光纤产品的技术关键攻关问题有两个：一是设计新的透光材料和包皮材料。

塑料光纤同石英玻璃光纤一样由两部分组成：一为芯材，二为皮层。

要制造出高质量的光纤二者都很重要，光纤的芯材要求透明度和折射率越高越好，而皮层则要求折射率小于芯材，并且两者相差越大越好。

但要提高芯材的折射率比较难，而降低皮层折射率还有潜力可挖，主要集中在含氟高聚物上。

第二个攻关点是工艺条件，研究如何控制芯材聚合物分子量、均匀性和提高透明度的新的光纤技术，进一步提高光的传输效率，降低光损耗率。

这两个问题一旦得以圆满解决，则塑料光纤将完全可取代石英光纤。

在塑料光纤的容量方面，日本三菱人造纤维公司研制的高容量塑料光纤，有可能取代石英玻璃光纤。

这种塑料光纤的原料很普通，由一种在60年代发明的称之为Polym-ethyl methacrylate的合成树脂制成。

三菱人造纤维公司采用一种从光纤中央到边缘递减的渐变折射技术，使信号能够以恒定的正弦曲线在光纤内有效地通过，传输容量是普通塑料光纤的30倍。

与直径为0．1—0．01mm的玻璃光纤相比，这种直径1mm的塑料光纤截面大，较易联接，因此安装成本也只有玻璃光纤的1／10左右，与普通铜缆线差不多。

过去的玻璃光纤连接一处需花费2万一3万日元，而新塑料光纤的连接费用只要1O日元，可大幅度地节省费用。

有关人士称，从成本的角度考虑，若没有此技术，将光纤铺设到家庭是不能实现的。

七．塑料光纤的缺点尽管POF具有众多的优点，但也存在一些缺点。

由于POF的衰减主要是由芯包塑料材料的吸收损耗和色散损耗形成，因此造成了POF的衰减过大。

在通信过程中，环境温度的对塑料光纤性能的影响很大，导致了POF耐温性差。

由于POF是由塑料材料制成的，具有良好的延展性，因此在实际施工过程中，非正常的工程操作会导致POF的弯曲、拉伸，使其衰减程度增大，影响正常传输指标。

八．塑料光纤与其它类型光纤的对比1. 石英光纤是以二氧化硅（SiO2）为主要原料，并按不同的掺杂量，来控制纤芯和包层的折射率分布的光纤。

石英（玻璃）系列光纤，具有低耗、宽带的特点，现在已广泛应用于有线电视和通信系统。

掺氟光纤（Fluorine Doped Fiber）为石英光纤的典型产品之一。

通常，作为1.3Pm波域的通信用光纤中，控制纤芯的掺杂物为二氧化绪（GeO2），包层是用SiO炸作成的。

但接氟光纤的纤芯，大多使用SiO2，而在包层中却是掺入氟素的。

由于，瑞利散射损耗是因折射率的变动而引起的光散射现象。

所以，希望形成折射率变动因素的掺杂物，以少为佳。

氟素的作用主要是可以降低SIO2的折射率。

因而，常用于包层的掺杂。

由于掺氟光纤中，纤芯并不含有影响折射率的氟素掺杂物。

由于它的瑞利散射很小，而且损耗也接近理论的最低值。

所以多用于长距离的光信号传输。

石英光纤（Silica Fiber）与其它原料的光纤相比，还具有从紫外线光到近红外线光的透光广谱，除通信用途之外，还可用于导光和传导图像等领域。

2. 红外光纤作为光通信领域所开发的石英系列光纤的工作波长，尽管用在较短的传输距离，也只能用于2pm。

为此，能在更长的红外波长领域工作，所开发的光纤称为红外光纤。

红外光纤（Infrared Optical Fiber）主要用于光能传送。

例如有：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等等，普及率尚低。

3.复台光纤复合光纤（Compound Fiber）在SiO2原料中，再适当混合诸如氧化钠（Na2O）、氧化硼（B2O2）、氧化钾（K2O2）等氧化物的多成分玻璃作成的光纤，特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。