塑料光纤的发展、制作和应用前景

连续聚合 纺丝法
连续聚合纺丝法是目前最先进的光纤拉 丝工艺，其先进性在于从单体聚合到纺 丝成型全部在密封系统内进行，大大减 少了外界环境污染，从而使光纤的透光 率得以大幅提高。
2013-7-25
18
五、POF的应用
塑料光纤以其所具有的柔软易弯曲、芯径大、易耦 合、抗电磁干扰、电磁辐射 (EMI/ EMR) 制造工艺 简单、成本低等优点，广泛地用于短距离、中小容 量信息传输系统、传感器、CD 播放机、汽车、飞 机信息传输网络、多媒体网络、军事网络、甚至可 以用于宇航以及导弹的制导等。
2013-7-25
22
随着网络结构的复杂性增加，汽车中网络节点 越来越多。多节点，短距离的网络结构要求节 点间的连接器价格低廉，POF的大直径（1mm） 和大的数值孔径（约等于0.5）可以使POF之间 的连接比GOF（玻璃光纤）简单得多，而且价格 低廉。手持式POF端面处理器和插入式POF连接 器的出现，更使得POF的连接简易、快速。另外， POF的高可挠性也决定了它是汽车系统中最佳的 通信媒介。
2013-7-25
23
虽然目前POF已经能够满足汽车数据系统所要 求的传输速率(60 Mb/s)和较高的温度（120 度），但随着汽车工业的发展，数据处理系 统对传输介质的要求将会越来越高。这就要 求研究、开发传输带宽更高、耐温更高、衰 减更低的POF和与之相关的光源。
2013-7-25
24
（三）、POF在其他领域的应用
2013-7-25
7
一开始，只是将两种不同活性和折射率的单 体经光共聚法形成预制棒，拉丝后制成损耗 为4~5dB/m的GIPOF。随后发明了“界面凝 胶聚合”技术，显著降低了GIPOF的损耗 （在688nm波长处降至56dB/km）。经过各 国政府以及企业对塑料光纤工艺的重视和应 用，使之得以得到长久的发展。迄今为止， 应用前景最好的是全氟POF，其传输速度高， 可以达到10Gb/s，并且柔软性好，容易连接， 其连接时间仅为石英光纤的1/10，可直接使 用与现有的局域网设备。
2013-7-25
27
2013-7-25
28
2013-7-25 16
涂覆法
将挤出的纤芯通过鞘料的溶液，将溶剂去除后，鞘 层包裹于芯层而成光纤的方法，其工艺流程见下图。
1、芯材流道； 2、鞘材流道； 3、分流锥； 4、复合腔。 d1:芯材复合前直径； d2:分流锥末端外径； D0：复合腔直径；
2013-7-25
17
共挤法
பைடு நூலகம்
在拉制 P O F过程中使用两台挤出机：一 台挤出芯材、另一台挤出鞘材， 两台挤出 机通过同一模头熔融挤出成型，再经牵引 收卷即拉制成POF。
抗电磁性
可靠性
2013-7-25
优
优
优
优
优
良
优
良
优
良
优
良
优
良
良
良
20
从上表可以看出，POF具有很多与玻璃光纤类相似 的优点，而成本则低得多。作为一种传输媒质， POF几乎与对绞线一样便宜，而且两者的接头价格 差不多。此外，POF的安装成本极低。
因此，如果包括光缆、安装以及元件在内，POF 网确实比UTP网有价格上的优势。用UTP的唯一好 处是，其节点上端机的价格比POF低，但随着POF 在LAN系统中的用量日益增长及相关技术的研制 开发，其价格会有大幅度下降。随着制造技术的 成熟，POF自身的价格也会降低。
2013-7-25
26
结论：
塑料光纤作为一种光传输介质，由于其独特的性能而 受到世界各国的关注。但是，塑料光纤损耗大的缺点 却一直制约着它在各种领域的广泛应用。随着化工技 术的不断提高及相关领域学者的不断努力，POF已经 在LAN、CAN、OFS等领域实现了实用化。我国POF的研 究及生产相对比较落后，目前国产POF多用于广告、 装潢，而在工业、电子和通信领域中的应用几乎是空 白。进一步提高化工技术，保持POF研究、开发的系 统性和持续性是我们面临的迫切任务。
（一）、阶跃型塑料光纤
早期的塑料光纤都是大数值孔径阶跃型塑料光纤。由 于这种光纤色散较大，带宽只能达到5MHZ*km，不能 满足高速数据通信的要求，故一直以照明、汽车车灯 监控等非通信应用为主。随后通过一系列技术是它的 传输性能得到大幅度的改善。
2013-7-25
5
1、用高纯度单体来聚合PMMA，使传送损耗下降 到100-200dB/km
2013-7-25
9
普 通 塑 料 光 纤
折射率分布
一类是阶跃型， 另一类是渐变型。
应用的情况
单模光纤
多模光纤
多模光纤主要用在强度型传 感器的系统中，被测量的物 理量直接影响输出光信号的 强度。渐变折射率多模塑料 光纤可以解决带宽窄的问题。
2013-7-25
在单模光纤中，单模石英光纤 的缺点是纤芯芯径非常细，只 有5~10微米。而塑料单模光纤 相对于石英光纤的特点就是芯 径粗，是石英光纤的50~100倍， 对接容易、成本低，所以其在 干涉型光纤传感器中具有更出 众的特点。
2013-7-25
11
四、 POF的制备
预制棒拉丝法 共挤法
涂覆法
连续聚合纺丝法
2013-7-25
12
预制棒拉丝法——
将光纤的芯材和鞘材分别制成严格匹配 的预制棒和套管，在加热和抽真空情况 下将两者紧紧复合在一起拉制成丝。这 当中，最主要的是预制板的制作。
2013-7-25
13
界面凝胶法
第22组
组员
06光信息:陈仕龙、徐嘉、魏阿满、吕小亮、徐健
演讲人：陈仕龙
2013-7-25
1
一、塑料光纤（POF）的优点
二、POF技术的发展
三、POF的分类 四、 POF的制备 五、POF的应用
2013-7-25
2
一、塑料光纤（POF）的优点
快速安装：POF能够很容易地通过狭小的穿线管； 容易连接：POF不用抛光液能达到很好的连接效果，也不 用为了连接而采用专用的设备；
2013-7-25
19
（一）、POF在局域网（LAN）中的应用。
目前已有POF、无屏蔽对绞线（UTP）、屏蔽对绞线 （STP）、同轴电缆和玻璃光纤应用于LAN上.下表是POF与石 POF与石英光纤、金属电缆的性能比较 英光纤、金属电缆的特性比较。 POF 石英芯——聚合 石英光纤 金属电缆
物包层 SI 传输损耗 传输带宽 联结性 断面处理 优 良 很差 差 GI 优 良 差 差 GI 优 优 良 差 SI 优 差 良 差 GI 良 优 优 优 SI 良 很差 优 优 双绞线 良 很差 优 优 同轴 良 差 差 良
10
特 殊 的 塑 料 光 纤
2、电光塑料光纤是在纤芯中掺杂有很高的 光学非线性并且响应速度非常快的有机物， 3、微结构塑料光纤是近年来人们研究的 使得塑料光纤具备很高的光学非线性。很多 一种新型的特殊塑料光纤，它是在纤芯 1、闪烁塑料光纤是有源材料如荧光 有机物都具备光学非线性高和响应速度快的 中分布有规律的空气孔，具备新的传输 材料、激光染料掺杂的塑料光纤，主 特点，特别是塑料光纤有相对较低的加工制 特性。这些新的传输特性包括宽波长范 要用在高能辐射的测量。闪烁塑料光 造温度，这使得有很大范围的功能材料可以 围的单模工作，具有大的有效纤芯和模 纤现在已经实际应用在核物理中监测 掺人塑料光纤当中。电光塑料光纤在电压和 面积，在空气中而不是在光纤材料中导 核辐射和跟踪带电高能粒子。 电场传感器方面具有巨大的、潜在的应用前 光等。这些新的传输特性对于光纤传感 景。 器的应用来说是非常有意义的。
聚甲基丙烯酸甲脂聚合物
2、将PMMA中的氢原子（H）用氘（D）置换，使光 波的传输范围从可见光扩展到近红外，且传输损 耗下降到20dB/km。
3、使用小数值孔径阶跃型光纤使带宽扩展到 210MHz*100m，而这个带宽已接近阶跃型塑料光纤的 带宽极限。
2013-7-25 6
（二）、渐变型塑料光纤（GIPOF）的发展过程及现状
两步共聚法
光共聚法
POF生产常用方法，该 工艺利用作为包层的塑 料管与塑料管内作为纤 芯的混合液体之间发生 的“界面凝胶”作用来 形成POF的梯度折射率 分布结构的。
2013-7-25
优点 缺点
折射率分布可 控，而且分布 均匀
反应需要很长的 时间，所以该工 艺的生产成本比 较高。
14
共聚法是制造递变光学塑料的方法，包 括扩散共聚法、光共聚法、混合聚合溶解法、 放电共聚法、加热共聚法、引发共聚法、催 化共聚法等。 不饱和的或环状的单体分子相互加成 而析出小分子的反应，称之为加聚反应 或聚合反应，由两种或两种以上单体进 行加聚反应称之为共聚反应。
2013-7-25 8
三、塑料光纤的分类
塑料光纤
普通塑料光纤 特殊塑料光纤
包括所有的阶跃型多模塑料光 纤、渐变型多模塑料光纤以及 单模塑料光纤。这类光纤与普 通石英光纤类似，由纤芯和包 层构成，不同的纤芯折射率分 布构成了不同类型的光纤。
特殊塑料光纤包括所有具有特殊 性能的塑料光纤，比如激光染料 掺杂塑料光纤、闪烁塑料光纤、 电光塑料光纤等，还有具有特殊 设计结构的塑料光纤，比如微结 构塑料光纤和双芯塑料光纤等。
那么光共聚法的原理是什么呢？
2013-7-25 15
光共聚法就是把两种单体混合物注入圆筒模 具中，使其绕中心轴转动，同时用紫外线照 射，引发光共聚反应。 由于边缘处光较中心处强和离心力的作用， 共聚物先在圆筒内壁附近生成，然后逐步向 中心处生长。由于各单体竞聚率不同，转化 率和共聚物的组成将随时间而变化，从而形 成径向的组分和折射率的梯度变化。 单体的数日可以多于两种，形成三元或多元共 聚物，可以制得最符合要求的折射率分布形式。
POF 适用于气候恶劣的网络和传感器，能够 高速传递大量的保密性强的信息，塑料光纤 可引入战斗机、直升机和军舰内，作为战时 的信息传输媒质。由于POF 塑料光纤超强的 抗电磁干扰和电磁辐射的能力还可用于导弹， 实现不受干扰的准确制导。所以塑料光纤在 军事上和核工业上有重要的战略意义。
2013-7-25
早期市场上的POF产品多为PMMA基质多模SIPOF，虽 然与石英玻璃光纤相比在短距离通信应用中有低价、易 处理的优势，但其窄带宽（5MHz*km）和高固有衰减 (150~300dB/km),不能适应带宽逐渐增大的多媒体社会 的需要。为了增加带宽，首先想到的解决方法是减小光 纤的数值孔径，采用单模SIPOF方案。但POF的最主要 特点是大芯径，因此不能期望将其发展成单模光纤以增 加带宽，这样POF的低价格、易处理优势将失去。目前 解决上述问题的较佳选择是渐变型塑料光纤（GIPOF）。 GIPOF的开发为塑料光纤在宽带通信网中的应用开拓了 广阔的前景。
低廉成本：由于具备以上两个优点，所以采用POF做传输介 质的网络接入系统，其造价要比石英光纤接入系统低；
坚固耐用：POF光缆比石英光缆更加柔软耐用，弯曲半径也小； 简单、安全的连通测试：采用650nm的LED红光光源时，是 对肉眼无害的可见光。
2013-7-25
3
2013-7-25
4
二、POF技术的发展
2013-7-25 21
（二）、POF在汽车工业的应用
起初，塑料光纤作为照明光传输媒质应用在汽车上， 将光传输到那些狭小得不能安装标准白炽灯的位置或 者传输到不同的显示牌。随着计算机控制在汽车中的 应用越来越广泛，一辆汽车形成一个局域网（CAN）， 因此所要传输的实时信息量越来越大。为了避免电磁 干扰、串音及这些不良现象所引起的数据延误、丢失， 系统需要选择能承受高信息速率、保证安全的介质材 料。光波既不会产生电磁辐射，也不会被其它辐射干 扰，另外使用光纤时不用考虑地面回路及电位短路， 因此光纤成为CAN首选材料。
25
光纤传感器（OFS）相对于传统传感器有很多优 点：如抗电磁干扰能力强，无需外加电源，对 电绝缘，体积小（可形成分布式传感结构）等。 引入POF作为光纤传感器的材料，则为光纤传感 领域带来了很多独特的优点；相对于石英光纤， POF可以有许多种不同尺寸；可挠性好；还可以 掺入不同的材料以改变材料的结构，从而达到 各种传感要求。 另外，POF还应用于照明、灯火监控、灯光装 饰、医用图像传输（用GI-POF来制作内窥镜光 纤束，微光纤直径可减小到2.5微米）、感光 探测、复印机内部光路及数字化音响系统等。