塑料光纤材料的性能及应用

塑料光纤主要性能指标
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。
—维卡软化点：工程塑料、通用塑料等聚合物的试样于液体传热介质中，在一
定的载荷、一定的等速升温条件下，被1m㎡的压针压入1mm深度时的温度。 定的载荷、一定的等速升温条件下，被1m㎡的压针压入1mm深度时的温度。
氟化聚合物
由于氢的原子量是1，而氟的原子量是19，所以氟的吸收 由于氢的原子量是1，而氟的原子量是19，所以氟的吸收 带明显地移向红外波长区。氟化塑料光纤（PF-POF)的理 带明显地移向红外波长区。氟化塑料光纤（PF-POF)的理 论最小衰减系数小于0.2dB/km。在波长为1500nm处，PF论最小衰减系数小于0.2dB/km。在波长为1500nm处，PFPOF的衰减系数与石英玻璃光纤相当。 POF的衰减系数与石英玻璃光纤相当。
氘化聚合物
利用重原子置换氢可以明显地减小聚合物的吸收损耗。只 要用氘置换氢就可以简单地获得降低吸收损耗的效果，氘 的特性与氢基本相同。人们可以简单地使用所谓的重水 （D2O）作为合成的基本材料。 使用氘化聚合物制造的POF具有许多优点。就化学性质而 使用氘化聚合物制造的POF具有许多优点。就化学性质而 言，这些材料呈现由“正常”氢制成的物质的性能，而其 衰减系数则比PMMA-POF小一个数量级。这种光纤的特点 衰减系数则比PMMA-POF小一个数量级。这种光纤的特点 是，光纤会吸收空气中的水蒸气，质子（原子核）缓慢取 代氘，从而导致吸收损耗的再次增大。虽然，可以采用在 光纤上涂覆阻水层（包括接头）的方法来解决这个吸收损 耗问题，但是这样的做法就违背了获得价格便宜的塑料光 纤的目标。
塑料光纤主要性能指标 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。 PMMA塑料光纤的衰减要低最好是小于180dB/km。
塑料光纤主要性能指标 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 数据孔径，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 意材料色散，欲制得带宽为数Ghz•km是完全可行 的。
氟化PMMA 氟化PMMA
氟化PMMA具有高透明性、低折射率的性能，故它是现在 氟化PMMA具有高透明性、低折射率的性能，故它是现在 高宽带和低衰减POF纤芯的理想材料之一。以氟化PMMA 高宽带和低衰减POF纤芯的理想材料之一。以氟化PMMA 作为POF纤芯材料，明显降低了POF在红外线区域的管线 作为POF纤芯材料，明显降低了POF在红外线区域的管线 衰减，使光纤的工作波长向长波长方向移动，从而可以使 POF通信系统能够沿用光纤通信常用的850nm或者1310nm POF通信系统能够沿用光纤通信常用的850nm或者1310nm 的光电器件。只要衰减系数减小到20dB/km以下，POF允 的光电器件。只要衰减系数减小到20dB/km以下，POF允 许的传输距离就可以超过1000m。这个距离覆盖铜线数据 许的传输距离就可以超过1000m。这个距离覆盖铜线数据 电缆和玻璃多模光纤的现场应用范围。使得POF完全可以 电缆和玻璃多模光纤的现场应用范围。使得POF完全可以 进入光纤使用网中使用。
塑料光纤材料的性能和 应用
光纤通信的优点
通信容量大 中继距离长 不受电磁干扰 资源丰富 光纤重量轻、体积小
塑料光纤
塑料光纤（PlasticOpticalFiber）。塑料光纤 塑料光纤（PlasticOpticalFiber）。塑料光纤 （POF）是由高透明聚合物如聚苯乙烯 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 PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚 碳酸酯（PC）、氘化聚合物、氟化聚合物 碳酸酯（PC）、氘化聚合物、氟化聚合物 等作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮 等作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮 层材料的一类光纤（光导纤维）。不同的 材料具有不同的光衰减性能和温度应用范 围。
塑料光纤主要性能指标
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 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。
塑料光纤材料选择原则
光纤波导（折射率波导）结构分布决定了 光纤的传输性能。光纤原材料的选择和制 造工艺是保证生产出高质量光纤的必要条 件。在选择塑料光纤的原材料时，需要考 虑衰减、折射率、成纤能力、物化性能以 及生产成本等因素。
选择材料考虑因素
成形方便
材料必须能够制成细长、柔软的光纤。
材料透明
在特定光波长导光且光损耗小，材料必须是透明的材料。
性能兼容
要保证光纤芯/ 要保证光纤芯/包层物理性能彼此适应，必须使用那些具有 微小的折射率差，但物理性能彼此相近的材料。
选择材料考虑因素
材料成本
所用的原材料应该是来源丰富，价格便宜的原材料。
常用光纤原材料及其作用
常用光纤原材料及其作用
光纤的结构
来自百度文库
纤芯
包层
保护套
光纤的结构
纤芯core：折射率较高，用来传送光； 纤芯core：折射率较高，用来传送光； 包层coating：折射率较低，与纤芯一起形成 包层coating：折射率较低，与纤芯一起形成 全反射条件； 保护套jacket：强度大，能承受较大冲击， 保护套jacket：强度大，能承受较大冲击， 保护光纤。 3mm光缆橘色MM 3mm光缆橘色MM 黄色SM 黄色SM
不同聚合物的理论衰减数值
聚苯乙烯的应用
PS的折射率n=1.59,它可以用作PMMA-POF(PMMA的n=1.49) PS的折射率n=1.59,它可以用作PMMA-POF(PMMA的 的包层。PS的玻璃转变温度大约为100℃，比PMMA高5K。 的包层。PS的玻璃转变温度大约为100℃，比PMMA高5K。 尽管PS德原料价格便宜、购买方便，但是PS得光学和耐紫 尽管PS德原料价格便宜、购买方便，但是PS得光学和耐紫 外线辐射性能不及PMMA，所以用PS制成的PS-POF的耐温 外线辐射性能不及PMMA，所以用PS制成的PS-POF的耐温 性和柔软性都比较差，没有实用价值。 1972年，人们制造出了第一根PS-POF。该光纤的衰减系数 1972年，人们制造出了第一根PS-POF。该光纤的衰减系数 超过了1000dB/km.直到1995年，PS-POF在波长为670nm的 超过了1000dB/km.直到1995年，PS-POF在波长为670nm的 衰减系数才减小到114dB/km.PS-POF的使用温度为70℃ 衰减系数才减小到114dB/km.PS-POF的使用温度为70℃， 比PMMA-POF稍高。 PMMA-POF稍高。
材料的性能
与50/125µm石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤具有大的纤 50/125µm石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤具有大的纤 芯（500~750µm），允许使用价格便宜的注塑塑料光纤连 芯（500~750µm），允许使用价格便宜的注塑塑料光纤连 接器，从而显著地降低了整个传输路线的成本。因此，在 21世纪，低衰减、高宽带的GI-POF正逐渐成为短距离、 21世纪，低衰减、高宽带的GI-POF正逐渐成为短距离、 高速率、大容量数据传输的最佳光信号传输介质。
PMMA的物理性能 PMMA的物理性能
肖氏硬度：应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生 回跳。撞销是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻。用测得的撞销回 跳的高度来表示硬度。
PMMA的化学性能 PMMA的化学性能
每个MMA单体总共具有8 每个MMA单体总共具有8个C-H键，这个化合物的C-H键谐 键，这个化合物的C 振吸收是造成PMMA制成的POF衰减的主要原因。实际上， 振吸收是造成PMMA制成的POF衰减的主要原因。实际上， C-H键在627nm和736nm谐振是决定PMMA-POF吸收损耗的 键在627nm和736nm谐振是决定PMMA-POF吸收损耗的 重要原因。最早提出的降低PMMA-POF吸收损耗的方法是， 重要原因。最早提出的降低PMMA-POF吸收损耗的方法是， 以不同种的材料置换部分或者全部PMMA中的C 以不同种的材料置换部分或者全部PMMA中的C-H键。然 而这种仅仅是置换C 键，而不能够轻松地消除C 而这种仅仅是置换C-H键，而不能够轻松地消除C-H键。 研究发现，采用大原子量的元素置换氢，可以减小谐振吸 收，进而降低吸收损耗。例如，以原子量大的氯置换氢， 形成的C Cl键减小了谐振，降低了吸收损耗，从而既降低 形成的C-Cl键减小了谐振，降低了吸收损耗，从而既降低 了衰减，又扩宽了工作的波长范围。
聚苯乙烯
POF常用的另一种材料是聚苯乙烯（PS,Polystyrene）。PS POF常用的另一种材料是聚苯乙烯（PS,Polystyrene）。PS 是人们生活中常用的一种透光率>90%的材料。从理论研 是人们生活中常用的一种透光率>90%的材料。从理论研 究得知，PS的衰减要比PMMA小。下表是在没有考虑传输 究得知，PS的衰减要比PMMA小。下表是在没有考虑传输 的影响和包层的作用的情况下，通过计算而得到的不同聚 合物的理论衰减数值。表中的PMMA-d8代表的是进行氘化 合物的理论衰减数值。表中的PMMA-d8代表的是进行氘化 处理的PAMM-POF的数值。 处理的PAMM-POF的数值。
氘化聚合物的应用
2005年，日本庆应大学的小博康博等人采用界面凝胶法， 2005年，日本庆应大学的小博康博等人采用界面凝胶法， 以氘化聚合物为纤芯材料，PMMA为包层材料制成了氘化 以氘化聚合物为纤芯材料，PMMA为包层材料制成了氘化 聚合物GI-POF。该光纤纤芯直径为500µm，草曾直径为 聚合物GI-POF。该光纤纤芯直径为500µm，草曾直径为 750µm，在长度为100M的光纤上传输带宽打到了1.9GHz, 750µm，在长度为100M的光纤上传输带宽打到了1.9GHz, 为了进一步降低POF的衰减，延长其工作寿命，人们用氟 为了进一步降低POF的衰减，延长其工作寿命，人们用氟 化聚合物代替氘化聚合物制造POF。 化聚合物代替氘化聚合物制造POF。
聚甲基丙烯酸甲酯
POF最常用的材料是热塑性塑料聚甲基丙烯酸甲酯 POF最常用的材料是热塑性塑料聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA,PolymethylMethacylate）。PMMA是有乙烯、氢化 PMMA,PolymethylMethacylate）。PMMA是有乙烯、氢化 氰酸、甲醇制成的。它具有阻水、耐稀酸、汽油、矿物油 和松酯油侵蚀的能力。PMMA是有典型的分子量为10 和松酯油侵蚀的能力。PMMA是有典型的分子量为105的长 链形成的有机化合物。从材料的光透明特性来看，PMMA 链形成的有机化合物。从材料的光透明特性来看，PMMA 是聚合的非晶体结构。它具有优异的透光结构，在 360~780nm透光率高达92%，同时其具有良好的耐候性能、 360~780nm透光率高达92%，同时其具有良好的耐候性能、 电学性能和机械性能，故它是最早的制造POF纤芯的理想 电学性能和机械性能，故它是最早的制造POF纤芯的理想 材料之一。PMMA表面硬度低，容易被硬物擦伤。 材料之一。PMMA表面硬度低，容易被硬物擦伤。
塑料光纤传感器
塑料光纤 传感器
材料的性能
绝大多数通信用塑料光纤，即GI-POF是由PMMA、氘化 绝大多数通信用塑料光纤，即GI-POF是由PMMA、氘化 PMMA或氟化聚合物材料制成的。通常，GI-POF的衰减是 PMMA或氟化聚合物材料制成的。通常，GI-POF的衰减是 由吸收、散射和弯曲损耗共同作用造成的。要制造出低衰 减GI-POF的措施是：①减小掺杂剂的浓度来降低散射损 GI-POF的措施是：①减小掺杂剂的浓度来降低散射损 耗；②提高GI-POF的数值孔径，增加导光能力，改善弯 耗；②提高GI-POF的数值孔径，增加导光能力，改善弯 曲损耗。 减小GI-POF衰减的具体做法是利用高折射率的高分子材 减小GI-POF衰减的具体做法是利用高折射率的高分子材 料作为掺杂剂，使其掺杂浓度下降，从而减少了光纤中的 光散射。另外，采用高折射率的高分子材料作为掺杂剂还 可以提高GI-POF的数值孔径，如用5wt%联苯硫化物掺杂 可以提高GI-POF的数值孔径，如用5wt%联苯硫化物掺杂 剂获得GI-POF的数值孔径为0.27，而PMMA包层GI-POF的 剂获得GI-POF的数值孔径为0.27，而PMMA包层GI-POF的 数值孔径仅为0.21.一般，PF包层GI-POF在650NM波长的 数值孔径仅为0.21.一般，PF包层GI-POF在650NM波长的 衰减系数为130~160dB/km. 衰减系数为130~160dB/km.