光电材料论文

光纤材料--塑料光纤的特点、制备及发展应用论文

摘要：随着科学技术的发展，时代的进步，许多新发明、新发现不断地涌现在人们面前，这是时代发展的需求，同样也是社会进步的要求。只有通过不断地发明发现和探索，人类社会才能不断地进步。新型材料光纤作为一种新型材料以质量轻、传输损耗小、不受外界电磁波干扰、保密性好等优点逐渐被人们所重视，而在光纤领域内，塑料光纤由于具有有柔韧性好、加工性好、价格便宜等特点，而在短距通信、传感器及显示等方面获得了更广泛的应用。

关键字：光纤、塑料光纤、工作原理、性能参数、分类、制作工艺、塑料光纤优点、发展及应用领域

正文：

1、光纤、塑料光纤的定义以及其应用工作原理

光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。

塑料光纤（POF）是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤（光导纤维）【1】。

2、光纤的工作原理

光纤是利用光的全反射原理，光纤纤芯是光密介质，包层是光疏介质，只要光线射入的角度合适，那么光线就能在光纤中不断发生全反射，而传到光纤的另一端【2】。

3、塑料光纤的性能指标

（1）衰减塑料光纤的衰减主要取决于所选用的材料的散射损耗和吸收损耗。要想作为通信级塑料光纤，一个最基本要求就是PMMA塑料光纤的衰减要低最好是小于180dB/km。

（2）带宽梯度型塑料光纤是折射率呈梯度分布的光纤，其折射率由芯至包层逐渐降低。只要所形成的梯度折射率分布适宜，便可获得抑制模色散，保持大的数值孔径，控制出射光波相对于人射光波展宽的效果。如折射率分布妥当，那么材料色散就成为决定传输带宽的主要因素。只要在选择时充分注意材料色散，欲制得带宽为数Ghz·km是完全可行的。

（3）耐热性最重要的是，塑料光纤的耐热性主要由其成分性能决定。耐热性好的材料成分，决定塑料光纤具有比较好的耐热性。判断材料耐热性的指标有玻璃化温度、维卡软化点、热变形温度等指标。

（4）连接性通信塑料光纤多采用直径1mm的光纤，是石英光纤的8～20倍。粗的塑料光纤的连接比石英光纤要容易得很多。

4、塑料光纤的分类

目前常用的塑料光纤芯材有三类：（1）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（2）基苯乙烯（PS）系列（3）氘化聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-d）。其中第一类光纤特性好且价格便宜，目前被广泛应用。第二类线芯材料较脆，传输损耗大，而且随放置时间延长黄色指数上升，透明率下降，故目前较少使用。第三类光纤由于以氘代替了氢，传输损耗可降低至20dB\Km，是一种理想芯材，

目前已有商品化产品，但价格较贵。

5、塑料光纤的制作工艺

塑料光纤的制造主要分阶跃型塑料光纤的制造和梯度型塑料光纤的制造【2】

（1）阶跃型塑料光纤常采用管棒法、涂覆法、复合拉丝法三种成型方法制备。管棒法是先将芯材聚合物制成棒状，外面套上包层材料管，然后将此管棒进行热拉伸成纤。涂覆法是先将包层材料溶于溶剂或使之熔融，然后将纤芯丝通过溶液或熔体进行涂覆，从而形成纤芯—包层结构的纤维。复合拉丝法是将芯层聚合物与包层聚合物分别在两台挤出机中同时熔融挤出到一个同心圆口模中芯层聚合物从中心挤出，包层聚合物从外环挤出，在模口处两种材料粘合成包复式纤维。（2）梯度性光纤是利用数种具有不同折射率和聚合反应速度的单体注入一垂直的聚合管中，在旋转的情况下，通过光激发或加热使之发生共聚，聚合物从管壁向轴中心逐渐析出，随着单体转化为聚合物的转化率上升，共聚物的折射率也逐渐发生变化，最后进行热拉伸得到自聚焦的光纤。

6、塑料光纤的优点

塑料光纤的优点：

（1）塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯曲）。塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。这些优点使得塑料光纤在汽车中成功应用尤为重要。一个典型的豪华车内部至少由几公里的铜线和铜缆，重量和成本大为增加。飞机、火车和其他所有交通工具莫不如此。（2）由于塑料光纤的大直径和数值孔径，光传导能力大。塑料光纤比铜类传输介质（双绞线和同轴电缆）有着高得多的带宽能力。传输的频率越高，运用塑料光纤的成本就越低。

塑料光纤的切割、布线、粘结、抛光和其他加工容易。由于有较大直径，塑料光纤安装和与器件、光源、探测器等的连接变得容易和低成本，非专业人士也能胜任这些操作。准备塑料光纤的连接最多不超过1分钟，也不需要特别的工具。即使是最简单的剪刀也可以用来切割塑料光纤。塑料光纤收发模块使用650nm波长的红光，非常安全，使用者可见也容易判断光纤的连接是否成功。另外，塑料光纤的连接对端面藏留的灰尘和碎屑不敏感。

（3）塑料光纤不产生辐射，完全不受电磁干扰和无线电频率干扰以及噪音的影响。这一点对视频和音频的分流尤为重要，很显然这些干扰和噪音影响图像和服务的品质。塑料光纤可以和铜缆在同一管道里或同一线束并排铺放。塑料光纤不产生噪音，不会对目前的管网产生负面影响。

（4）POF系统的成本低。据说用于家庭消费电子、家庭联网和汽车包括音响、DVD、VCR 等的每个连接的成本低于20美金。所以这些器件都可以在一般商店里买到。

通过塑料光纤进行数据传输没有可能被窃听，这样塑料光纤在一些安全程度要求高的场合，就非常适用。

虽然石英光纤广泛用于远距离干线通信和光纤到户，但塑料光纤被称之为“平民化”光纤，理由是塑料光纤、相关的连接器件和安装的总成本比较低。在光纤到户、光纤到桌面整体方案中，塑料光纤是石英光纤的补充，可共同构筑一个全光网络。

POF与石英光纤相比，具有以下优点：模量低，芯径大(0.3-1.0mm)，接续时可使用简单的POF连接器，即使是光纤接续中心对准产生30μm的偏差也不会影响耦合损耗；数值孔径大

(NA0.5左右)，受光角可达60°，而石英光纤只有16°，可用便宜的LED，并且耦合效率高；挠曲性好，易于加工和使用；在可见光区有低损耗窗口；重量轻；成本及加工费用低。

POF网络在局域网系统中与其他传输介质相比，也具有明显的优点：POF对电磁干扰不敏感，也不发生辐射，不同数据速率下的衰减恒定，误码率可预测，能在电噪声环境中使用；其尺寸较长，可降低接头设计中公差控制的要求，故成网成本较低等。

7、塑料光纤的发展及应用领域

（1）塑料光纤的发展【1】

塑料光纤的研究始于二十世纪60年代。1968年美国杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯为芯材制备出塑料光纤，但光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以PMMA和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，其光损耗为3500dB/km，难以用于通信。

80年代日本的一些大企业和大学对低损耗塑料光纤的制备进行了大量的研究。1980年三菱公司以高纯MMA单体聚合PMMA，使塑料光纤损耗下降到100-200dB/km。1983年NTT公司开始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光损耗可达到20dB/km，并可传输近红外到可见光的光波。

近几年来，欧日等国的公司对塑料光纤的研制取得了重要的进展。它们研制成的塑料光纤，光损耗率已降到25～9分贝/公里。其工作波长已扩展到870微米(近红外光)，接近石英玻璃光纤的实用水平。美国研制的一种PFX塑料系列光纤，有着优异的抗辐照性能。此外，美国麻省波士顿光纤公司研制的Opti-Giga塑料光纤更是引人注目，它不仅比玻璃轻、柔性更好、成本更低，而且可在100米内以每秒3兆比特的速度传输数据。这种光纤还可以利用光的折射或光在纤维内的跳跃方式来达到较高的传输速度。现在美欧日已把塑料光纤用于短途传输，如汽车、医疗器械、复印机等。

就目前塑料光纤生产量而言，日本是世界上最大的塑料光纤生产者，然而却是欧洲推动了塑料光纤新应用领域的开发并建立了光纤检验标准。2001年下半年是欧洲塑料光纤工业发展的重要阶段，在这段时间内建立了欧洲塑料光纤检验和测量的新发展方针。世界上第一个专用塑料光纤应用中心(POFAC)在德国Nuremberg落成。德国采用塑料光纤已经研制成功了多媒体总线系统MOST(24Mbit/s)，并且有几家轿车制造商已把该系统引入到自己的产品上。德国宝马公司(BMW)在其新的7个系列产品中开创了使用100m塑料光纤的记录。欧洲2001年塑料光纤学术交流会和欧洲光纤通信会议同时在荷兰的阿姆斯特丹举行。德国汽车工业不仅推动了塑料光纤的应用，而且也推动了塑料光纤检验和测量标准的建立。

日本也建立了塑料光纤标准，但这些标准对欧洲共同体是无效的。日本工业标准只给出了一种型号塑料光纤的标准，其数值孔径为0.5，而且只有650nm一种波长。该标准没有提及在塑料光纤中的不同激励光条件，也没有规定必须在塑料光纤内形成平衡模分布。

此前建立的玻璃光纤检验方法因为会出现瑞利散射而不适于检验塑料光纤，现在市场上仅有瑞士新成立的Luciol仪器公司出售的一种检验塑料光纤的仪器。

德国工程师学会和电子工程学会研究小组已经详细规定了塑料光纤数值孔径、衰减、传输和