新一代短距離光傳輸介質——塑料光
訊石光通訊網
2006/2/23 9:36:51
眾所周知，石英玻璃光纖以其衰減小、帶寬高等優點被用作遠距離、高速率、大容量公用網的光傳輸介質。石英玻璃光纖以其原料純潔、制造復雜、價格昂貴、接續困難等缺點制約了其大量用作短距離接入網光傳輸介質。 正是為降低短距離接入網中光纖網絡終端用戶的光纖接入成本（即傳輸介質、接續施工等），日本、美國等發達國家的一些大學和公司已研究出新一代短距離光傳輸介質——塑料光纖。塑料光纖的優點：制造簡單、價格便宜、接續快捷等。故其最適宜作為局域網中短距離通信、有線電視網、室內計算機之間的光傳輸介質。本文簡明扼要的闡述塑料光纖的研究歷程、研究要點、光纖性能、系統應用，以饗讀者。
研究歷程
?。罚澳甏?，美國杜邦公司開始了數據通信用塑料光纖的基礎研究工作。
?。保梗福纺?，美國杜邦公司將其擁有的所有塑料光纖產品專利全部出售給日本三菱人造絲株式會社。三菱人造絲株式會社繼續進行塑料光纖產品開發和推廣應用工作。同年，法國塑料光纖聯合集團研制出的階躍折射率分布塑料光纖，其帶寬為５ＭＨｚ．ｋｍ．
?。保梗梗澳耆毡緫c應大學小池康博宣布研制出帶寬為３ＧＨｚ．ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纖。
?。保梗梗材?，美國ＩＢＭ公司的Ｂａｔｅｓ提出了在１００ｍ長的階躍折射率分布塑料光纖傳輸５０Ｍｂｉｔ／ｓ的試驗，小
池康博等報道了用紅外激光器在１００ｍ長的塑料光纖上進行２．５Ｇｂｉｔ／ｓ的傳輸試驗?！ 。保梗梗茨?，日本慶應大學佐佐木等報道，他們研制出了塑料光纖光放大器。
?。保梗梗的?，日本ＮＥＣ公司的山崎用小數值孔徑６５０ｍｍ ＬＤ，１００ｍ的小數值孔徑的階躍折射率分布塑料光纖進行了１５５Ｍｂｉｔ／ｓ的試驗。
?。保梗梗赌?，人們紛紛建議以塑料光纖為基礎建立極低成本的用戶網ＡＴＭ物理層。
?。保梗梗纺?，日本ＮＥＣ公司的山崎進行了１５５Ｍｂｉｔ／ｓ的ＡＴＭ、ＬＡＮ的試驗?！ 。保梗梗改?，日本ＮＥＣ公司的山崎在７０ｍ長塑料光纖上進行了４００Ｋｂｉｔ／ｓ的傳輸試驗。日本硝子玻璃株式會社報道，梯度折射分布的氟化物塑料光纖的衰減僅為摻雜的聚甲基丙烯酯塑料光纖衰減的三分之一。日本富土通公司的今井報道，以１．３μｍ ＦＰ－ＬＤ、ＩｎＧａＡｓ－ＡＰＤ為光源，在２００ｍ梯度折射率分布的氟化物塑料光纖上進行了２．５Ｇｂｉｔ／ｓ試驗。
在ＯＦＣ－９８會議上，日本硝子玻璃株式會社報道了氟化物塑料光纖的衰減系數：在（６５０－１３００）ｎｍ波長小于１００ｄｂ／ｋｍ，在（８５０－１３００）ｎｍ，約５０ｄｂ／ｋｍ，且有望進一步降低，其帶寬為（３００－５００）ＭＨｚ．ｋｍ，理論帶寬可達１０ＧＨｚ．ｋｍ。該塑料光纖的穩定工作溫度為（－４０～＋９０）℃。ＸａＱｔｉ吉比特半導體供應商用梯度折射率分布的氟化物塑料光纖進行了２００ｍ １０Ｇｂｉｔ／ｓ的傳輸試驗。
?。玻埃埃澳?，ＯＦＣ會議上，日本硝子玻璃株式會社新技術發展部的ＮｏｒｉｙｕｋｉＹｏｓｈｉｈａｒａ等報道氟化梯度折射率塑料光纖的衰減系數：在８５０ｎｍ為４１ｄｂ／ｋｍ，１３００ｎｍ為３３ｄｂ／ｋｍ，其最大帶寬已達１００ＭＨｚ．ｋｍ。用這種塑料光纖成功地進行１００ｍ、１１Ｇｂｉｔ／ｓ和５０ｍ、２．５Ｇｂｉｔ／ｓ的高速傳輸試驗和７０℃長期熱老化試驗。實驗證明，氟化梯度折射塑料光纖完全滿足使用要求。
研究要點
?。保饫w結構
塑料光纖顧名思義，即構成光纖的芯與包層都是塑料材料。與大芯徑５０／１２５μｍ和６２．５／１２５μｍ的石英玻璃多模光纖相比，塑料光纖的芯徑高達２００－１０００μｍ，其接續時可使用不帶光纖定位套筒的便宜注塑塑料連接器，即便是光纖接續中芯對準產生±３０μｍ偏差都不會影響耦合損耗。正是塑料光纖結構賦予了其施工快捷，接續成本低等優點。另外，芯徑１００μｍ或更大則能夠消除在石英玻璃多模光纖中存在的模間噪音。
?。玻饫w材料
塑料光纖材料選擇時，人們應重點解決的問題是材料的本身衰減要低、色散要小、化穩性要好、制造簡單、價格低廉等。
當今，選作塑料光纖芯材有：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樹脂等；選作塑料光纖包層有：聚甲基丙烯酸甲酯、氟塑料、硅樹脂等。究其原因是：這些聚合物①具有透光性好，光學均勻、折射率調整便利等；②以單體存在時通過減壓蒸餾方法就可以提純；③形成光纖的能力強；④加工和化穩性好及價格便宜等。
?。常圃旃に?BR>
今天，人們用來制造塑料光纖的兩種方法：擠壓法和界面凝膠法都是由塑料生產加工工藝演變而來的。
擠壓法主要用于制造階躍折射率分布塑料光纖。該工藝步驟大致如下：首先，將作為纖芯的聚甲基丙烯甲酯的單體甲基丙烯甲酯通過減壓蒸餾提純后，連同聚合引發劑和鏈轉移劑一并送入聚合容器中，接著再將該容器放入電烘箱中加熱，置放一定時間，以使單體完全聚合，最后，將盛有完全聚合的聚甲基丙烯甲酯的容器加溫至拉絲溫度，并用干燥的氮氣從容器的上端對已熔融的聚合物加壓，該容器底部小嘴便擠出一根塑料光纖芯，同時使擠出的纖芯外再包覆一層低折射率的聚合物，就制成了階躍型塑料光纖。
梯度折射率分布塑料光纖的制造方法為界面凝膠法，界面凝膠法的工藝步驟大致如下：首先將高折射率摻雜劑置于芯單體中制成芯混合溶液，其次把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引發劑和鏈轉移劑放入芯混合溶液，再將該溶液投入一根選作包層材料聚甲基丙烯甲酯（ＰＭＭＡ）的空心管內，最后將裝有芯混合溶液ＰＭＭＡ管子放入一烘箱內，在一定的溫度和條件下聚合。在聚合過程中，ＰＭＭＡ管內逐漸被混合溶液溶脹，從而在ＰＭＭＡ管內壁形成凝膠相。在凝膠相分子運動速度減慢，聚合反應由于“凝膠作用”而加速，聚合物的厚度逐漸增厚，聚合終止于ＰＭＭＡ管子中心，從而獲得一根折射率沿徑向呈梯度分布的光纖預制棒，最后再將塑料光纖預制棒送入加熱爐內加溫拉制成梯度折射率分布塑料光纖。
?。矗饫w性能
自１９６６年，英藉華人高錕提出光介質表面波導設想以來，光纖的研究由七十年代起至今經歷了由０．８５μｍ多模光纖、１．３１μｍ標準單模光纖、１．５５μｍ色散位移單模光纖、１．５５μｍ非零色散移單模光纖和１．５５μｍ大有效面積非零色散位移單模光纖幾大技術與產品的飛躍。石英玻璃光纖性能的研究重點自始至終定位在衰減、色散、偏振模色散、非線性效應等；塑料光纖的性能研究重點則是衰減、色散、熱穩定性等。
?。ǎ保┧p
塑料光纖的衰減主要受限于芯包塑料材料的吸收損耗和色散損耗。人們是通過選用低折射率和等溫壓縮率小的塑料材料和通過穩定塑料光纖制造工藝降低結構缺陷（如芯直徑波動，芯包界面缺陷等），來使塑料光纖獲得小的散射損耗，而塑料材料的吸收損耗則是由分子鍵（碳氫、碳氟等）伸縮振動吸收和電子躍吸收所致的。
在碳氫鍵為基本骨架的塑料材料中，在波長６５０ｎｍ處的衰減系數大約為１２０ｄｂ／ｋｍ，如果用氟原子置換碳氫鍵中的氫所組成的氟化塑料材料，其不僅本征衰減小，而且色散也降低了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纖，其在紅外區無原子振動引起的吸收損耗。故可制得在可見光至紅外范圍的衰減很小，即在０．８５μｍ波長處衰減系數為４１ｄｂ／ｋｍ，在１．３μｍ波長處衰減為３３ｄｂ／ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纖。
?。ǎ玻挕 ∮米鞫叹嚯x光傳輸介質的塑料光纖，按其折射率分布形狀可分為兩種：階躍折射率分布塑料光纖和梯度折射率分布塑料光纖。階躍折射率分布塑料光纖由于模間色散作用使入射光發生反復的反射，射出的波形相對于入射波形出現展寬，故其傳輸帶寬僅為幾十至上百ＭＨｚ．ｋｍ。氟化梯度折射率分布塑料光纖從選擇低色散的材料出發，再以優化的梯度折射率分布手段，即可將其折射率分布指數在０．８５－１．３μｍ波長范圍內選定為２．０７－２．３３，從而抑制模間色散，控制出射光波相對于入射光波展寬的效果，進而可制得傳輸帶寬高達幾百ＭＨｚ．ｋｍ至１０ＧＨｚ．ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纖。
?。ǎ常岱€定
由于塑料光纖是由塑料材料構成的，故其在高溫環境中工作會發生氧化降解。氧化降解是光纖芯材料中的羰基、雙鍵和交聯形成的。氧化降解將促使電子躍遷加快，進而引起光纖損耗增大。
為切實提高塑料光纖的熱穩定性，通常的做法是：①選用含氟或硅的塑料材料來制造塑料光纖；②將塑料光纖的光源工作波長選擇在大于６６０ｎｍ，以求得塑料光纖熱穩定性長期可靠?！ ?BR>
系統應用
塑料光纖在短距離通信光傳輸系統中用作光傳輸鏈路確保了高速互聯網接口快速、雙向、清晰地傳送高分辨率圖像和數據轉換。塑料光纖網絡能開展的寬帶業務有：交互多媒體和遠程教學等。特別因為氟化梯度折射率塑料光纖具有低衰減、高帶寬、價格便宜、熱穩定性好、大芯徑便于接續施工等優點，同時借助當前商用的光收發端機和交換機成功進行了高速數據、圖像傳輸，所以氟化梯度折射率塑料將作為下一代短距離光傳輸系統用的光傳輸介質。
研究歷程
?。罚澳甏?，美國杜邦公司開始了數據通信用塑料光纖的基礎研究工作。
?。保梗福纺?，美國杜邦公司將其擁有的所有塑料光纖產品專利全部出售給日本三菱人造絲株式會社。三菱人造絲株式會社繼續進行塑料光纖產品開發和推廣應用工作。同年，法國塑料光纖聯合集團研制出的階躍折射率分布塑料光纖，其帶寬為５ＭＨｚ．ｋｍ．
?。保梗梗澳耆毡緫c應大學小池康博宣布研制出帶寬為３ＧＨｚ．ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纖。
?。保梗梗材?，美國ＩＢＭ公司的Ｂａｔｅｓ提出了在１００ｍ長的階躍折射率分布塑料光纖傳輸５０Ｍｂｉｔ／ｓ的試驗，小
池康博等報道了用紅外激光器在１００ｍ長的塑料光纖上進行２．５Ｇｂｉｔ／ｓ的傳輸試驗?！ 。保梗梗茨?，日本慶應大學佐佐木等報道，他們研制出了塑料光纖光放大器。
?。保梗梗的?，日本ＮＥＣ公司的山崎用小數值孔徑６５０ｍｍ ＬＤ，１００ｍ的小數值孔徑的階躍折射率分布塑料光纖進行了１５５Ｍｂｉｔ／ｓ的試驗。
?。保梗梗赌?，人們紛紛建議以塑料光纖為基礎建立極低成本的用戶網ＡＴＭ物理層。
?。保梗梗纺?，日本ＮＥＣ公司的山崎進行了１５５Ｍｂｉｔ／ｓ的ＡＴＭ、ＬＡＮ的試驗?！ 。保梗梗改?，日本ＮＥＣ公司的山崎在７０ｍ長塑料光纖上進行了４００Ｋｂｉｔ／ｓ的傳輸試驗。日本硝子玻璃株式會社報道，梯度折射分布的氟化物塑料光纖的衰減僅為摻雜的聚甲基丙烯酯塑料光纖衰減的三分之一。日本富土通公司的今井報道，以１．３μｍ ＦＰ－ＬＤ、ＩｎＧａＡｓ－ＡＰＤ為光源，在２００ｍ梯度折射率分布的氟化物塑料光纖上進行了２．５Ｇｂｉｔ／ｓ試驗。
在ＯＦＣ－９８會議上，日本硝子玻璃株式會社報道了氟化物塑料光纖的衰減系數：在（６５０－１３００）ｎｍ波長小于１００ｄｂ／ｋｍ，在（８５０－１３００）ｎｍ，約５０ｄｂ／ｋｍ，且有望進一步降低，其帶寬為（３００－５００）ＭＨｚ．ｋｍ，理論帶寬可達１０ＧＨｚ．ｋｍ。該塑料光纖的穩定工作溫度為（－４０～＋９０）℃。ＸａＱｔｉ吉比特半導體供應商用梯度折射率分布的氟化物塑料光纖進行了２００ｍ １０Ｇｂｉｔ／ｓ的傳輸試驗。
?。玻埃埃澳?，ＯＦＣ會議上，日本硝子玻璃株式會社新技術發展部的ＮｏｒｉｙｕｋｉＹｏｓｈｉｈａｒａ等報道氟化梯度折射率塑料光纖的衰減系數：在８５０ｎｍ為４１ｄｂ／ｋｍ，１３００ｎｍ為３３ｄｂ／ｋｍ，其最大帶寬已達１００ＭＨｚ．ｋｍ。用這種塑料光纖成功地進行１００ｍ、１１Ｇｂｉｔ／ｓ和５０ｍ、２．５Ｇｂｉｔ／ｓ的高速傳輸試驗和７０℃長期熱老化試驗。實驗證明，氟化梯度折射塑料光纖完全滿足使用要求。
研究要點
?。保饫w結構
塑料光纖顧名思義，即構成光纖的芯與包層都是塑料材料。與大芯徑５０／１２５μｍ和６２．５／１２５μｍ的石英玻璃多模光纖相比，塑料光纖的芯徑高達２００－１０００μｍ，其接續時可使用不帶光纖定位套筒的便宜注塑塑料連接器，即便是光纖接續中芯對準產生±３０μｍ偏差都不會影響耦合損耗。正是塑料光纖結構賦予了其施工快捷，接續成本低等優點。另外，芯徑１００μｍ或更大則能夠消除在石英玻璃多模光纖中存在的模間噪音。
?。玻饫w材料
塑料光纖材料選擇時，人們應重點解決的問題是材料的本身衰減要低、色散要小、化穩性要好、制造簡單、價格低廉等。
當今，選作塑料光纖芯材有：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樹脂等；選作塑料光纖包層有：聚甲基丙烯酸甲酯、氟塑料、硅樹脂等。究其原因是：這些聚合物①具有透光性好，光學均勻、折射率調整便利等；②以單體存在時通過減壓蒸餾方法就可以提純；③形成光纖的能力強；④加工和化穩性好及價格便宜等。
?。常圃旃に?BR>
今天，人們用來制造塑料光纖的兩種方法：擠壓法和界面凝膠法都是由塑料生產加工工藝演變而來的。
擠壓法主要用于制造階躍折射率分布塑料光纖。該工藝步驟大致如下：首先，將作為纖芯的聚甲基丙烯甲酯的單體甲基丙烯甲酯通過減壓蒸餾提純后，連同聚合引發劑和鏈轉移劑一并送入聚合容器中，接著再將該容器放入電烘箱中加熱，置放一定時間，以使單體完全聚合，最后，將盛有完全聚合的聚甲基丙烯甲酯的容器加溫至拉絲溫度，并用干燥的氮氣從容器的上端對已熔融的聚合物加壓，該容器底部小嘴便擠出一根塑料光纖芯，同時使擠出的纖芯外再包覆一層低折射率的聚合物，就制成了階躍型塑料光纖。
梯度折射率分布塑料光纖的制造方法為界面凝膠法，界面凝膠法的工藝步驟大致如下：首先將高折射率摻雜劑置于芯單體中制成芯混合溶液，其次把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引發劑和鏈轉移劑放入芯混合溶液，再將該溶液投入一根選作包層材料聚甲基丙烯甲酯（ＰＭＭＡ）的空心管內，最后將裝有芯混合溶液ＰＭＭＡ管子放入一烘箱內，在一定的溫度和條件下聚合。在聚合過程中，ＰＭＭＡ管內逐漸被混合溶液溶脹，從而在ＰＭＭＡ管內壁形成凝膠相。在凝膠相分子運動速度減慢，聚合反應由于“凝膠作用”而加速，聚合物的厚度逐漸增厚，聚合終止于ＰＭＭＡ管子中心，從而獲得一根折射率沿徑向呈梯度分布的光纖預制棒，最后再將塑料光纖預制棒送入加熱爐內加溫拉制成梯度折射率分布塑料光纖。
?。矗饫w性能
自１９６６年，英藉華人高錕提出光介質表面波導設想以來，光纖的研究由七十年代起至今經歷了由０．８５μｍ多模光纖、１．３１μｍ標準單模光纖、１．５５μｍ色散位移單模光纖、１．５５μｍ非零色散移單模光纖和１．５５μｍ大有效面積非零色散位移單模光纖幾大技術與產品的飛躍。石英玻璃光纖性能的研究重點自始至終定位在衰減、色散、偏振模色散、非線性效應等；塑料光纖的性能研究重點則是衰減、色散、熱穩定性等。
?。ǎ保┧p
塑料光纖的衰減主要受限于芯包塑料材料的吸收損耗和色散損耗。人們是通過選用低折射率和等溫壓縮率小的塑料材料和通過穩定塑料光纖制造工藝降低結構缺陷（如芯直徑波動，芯包界面缺陷等），來使塑料光纖獲得小的散射損耗，而塑料材料的吸收損耗則是由分子鍵（碳氫、碳氟等）伸縮振動吸收和電子躍吸收所致的。
在碳氫鍵為基本骨架的塑料材料中，在波長６５０ｎｍ處的衰減系數大約為１２０ｄｂ／ｋｍ，如果用氟原子置換碳氫鍵中的氫所組成的氟化塑料材料，其不僅本征衰減小，而且色散也降低了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纖，其在紅外區無原子振動引起的吸收損耗。故可制得在可見光至紅外范圍的衰減很小，即在０．８５μｍ波長處衰減系數為４１ｄｂ／ｋｍ，在１．３μｍ波長處衰減為３３ｄｂ／ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纖。
?。ǎ玻挕 ∮米鞫叹嚯x光傳輸介質的塑料光纖，按其折射率分布形狀可分為兩種：階躍折射率分布塑料光纖和梯度折射率分布塑料光纖。階躍折射率分布塑料光纖由于模間色散作用使入射光發生反復的反射，射出的波形相對于入射波形出現展寬，故其傳輸帶寬僅為幾十至上百ＭＨｚ．ｋｍ。氟化梯度折射率分布塑料光纖從選擇低色散的材料出發，再以優化的梯度折射率分布手段，即可將其折射率分布指數在０．８５－１．３μｍ波長范圍內選定為２．０７－２．３３，從而抑制模間色散，控制出射光波相對于入射光波展寬的效果，進而可制得傳輸帶寬高達幾百ＭＨｚ．ｋｍ至１０ＧＨｚ．ｋｍ的梯度折射率分布的塑料光纖。
?。ǎ常岱€定
由于塑料光纖是由塑料材料構成的，故其在高溫環境中工作會發生氧化降解。氧化降解是光纖芯材料中的羰基、雙鍵和交聯形成的。氧化降解將促使電子躍遷加快，進而引起光纖損耗增大。
為切實提高塑料光纖的熱穩定性，通常的做法是：①選用含氟或硅的塑料材料來制造塑料光纖；②將塑料光纖的光源工作波長選擇在大于６６０ｎｍ，以求得塑料光纖熱穩定性長期可靠?！ ?BR>
系統應用
塑料光纖在短距離通信光傳輸系統中用作光傳輸鏈路確保了高速互聯網接口快速、雙向、清晰地傳送高分辨率圖像和數據轉換。塑料光纖網絡能開展的寬帶業務有：交互多媒體和遠程教學等。特別因為氟化梯度折射率塑料光纖具有低衰減、高帶寬、價格便宜、熱穩定性好、大芯徑便于接續施工等優點，同時借助當前商用的光收發端機和交換機成功進行了高速數據、圖像傳輸，所以氟化梯度折射率塑料將作為下一代短距離光傳輸系統用的光傳輸介質。
來源：泰迪網
新聞來源：本站原創