塑料光纤及其应用
随着信息的爆炸性增长和信息社会的到来，Internet、可视电话、远程教育、电视购物、视频点播、高清晰度电视及交互式有线电视等对通信业务的发展提出了进一步实现网络高速化和宽带化的迫切要求，同时也需要在短距离内形成连接密集型网络。大容量的高速传输网技术发展迅猛，其传输速率和容量每年在成倍增长，这无疑对最后lkm接入技术也提出更严峻的考验。由于其极低的损耗和色散特性，石英光纤理所当然是长距离、高速率、大容量传输网的最佳选择。但在连接密集的接入和局域网以及其他低速网络中，其复杂昂贵的连接工艺增加了网络成本。与石英光纤相比，塑料光纤由于其制造简单、价格便宜、接续快捷、抗冲击强度高、抗辐射等优点，非常适用于局域网中的短距离通信、有线电视网、室内计算机之间连接，成为短距离宽带通信网的理想选择。塑料光纤将取代金属电缆而成为短距离高速率的传输媒介的核心。
2塑料光纤的发展历程塑料光纤尽管具有诸多石英光纤无可比拟的优点，但其光传输损耗大却是不容忽视的缺点。石英光纤的损耗值在0.l5dB/km，相当于光在光纤中传输约20k：后光强度降低一半，塑料光纤的损耗约l00dB/km~300dB/km，光传输20：甚至更短强度就降低一半。1964年，美国杜邦公司首先开发以聚甲基丙烯酸甲脂PMMA)为纤芯的有机塑料光纤，其传输损耗高达1000dB/km.其后，日本在降低POF的光损耗，提高其耐热性和研究开发梯度折射率塑料光纤Bi-pof)等方面取得了重大成就。1992年，YoshiroKoike宣布用界面凝胶法生产出新型的梯度折射率光纤，明显降低了塑料光纤的损耗，有效提高了塑料光纤的带宽，为塑料光纤用于宽带通信网开拓了广阔的应用前景。美国在塑料光纤的发展历程中也起到推动性作用，美国政府资助开发了对美国的军事和工业都有重要战略意义的芯子技术。作为项目的一部分，成立了高速塑料网络“1SPN)组织以开发GI-POF技术。HSPN包括Fiber6F)等公司，在短短的3年时间内，他们将POF技术推向宇航、汽车以及数据通信市场。并于1997年制定并通过了第一个POF的工业标准。
近年来，随着GI-POF研究的进一步深入，低损耗渐变折射率光纤有了长足的进展，科研人员想方设法进一步降低GI-POF的传输损耗，除了改进GI-POF制备方法完善其工艺外，还从低损耗GI-POF研究历程中得到了有益的启示。在充分降低GI-POF非固有损耗后，最重要的目标是降低GI-POF的固有损耗，塑料光纤中的本征损耗来自C-H的谐波共振吸收，采用含氟的塑料制成的塑料光纤损耗可明显降低。选用氘D或氟F取代GI-POF中CH键中的氢，可降低GI-POF中CH键的含量，氟原子代替氢原子不仅降低分子振动吸收，也降低瑞利散射损耗。这一取代方法不仅降低GI -POF的传输损耗，而且也可将GI -POF光传输窗口从可见光区移向近红外区域。但这种制备工艺难度大，成本较高。
通过在聚合物基体中掺入小的掺杂分子，渐变折射率分布的可重复性得到了改善。氟化塑料光纤损耗的最新报道是在1300nm处为16dB/km.值得注意的是，全氟化GI -POF损耗的理论极限在1300nm处为0.25dB/km，在1500nm处为0.1dB/km，与石英光纤的损耗极限相当。塑料光纤的特性基本上与其纤芯的物理特性紧密相关，不同纤芯构成的塑料光纤其特性也大不相同。
3塑料光纤的基本特性3.1塑料光纤的损耗塑料光纤的最大缺点是损耗大。根据损耗机理的不同，在可见及红外区域POF的损耗可以分为散射损耗和吸收损耗。其中散射损耗有因为波导结构不完善如聚合物杂质、光纤中的微空隙、尘埃和气泡、纤芯直径不均匀不完整性、方位双折射、纤芯与包层间的粘合缺陷)引起的损耗及由于瑞利散射引起的损耗。使用合适的包层材料和控制聚合物聚合度与分子量分布，可降低散射损耗。光导介质中微观不规则结构物理尺寸比波长小一个数量级或更小，就引起瑞利散射，瑞利散射还可由材料结构和浓度的波动引起。除了POF中所含杂质的吸收外，吸收损耗还包括紫外吸收光谱在可见及近红外区域的带缘吸收和紫外带缘吸收损耗。如同所有的固体一样，聚合物在紫外光区具有光谱吸收，其机理是材料内键的电子能级间跃迁引起的吸收。在PMMA中，最重要的吸收是由大分子脂基团中双键的n轨道向!轨道的跃迁引起的。聚合物合成过程中所使用的其他化合物，如链转移剂中的n向的跃迁以及引发剂偶氮化合物中偶氮基团!向!的跃迁也引起相似的吸收，并且紫外吸收随着波长的升高呈指数关系下降。芯材杂质引起吸收损耗，主要以过渡金属离子在可见光波区引起的吸收最为明显，其中Co离子在530nm、590nm、及650nm显示有最大的吸收峰，并且相互之间发生重叠引起一个大的吸收峰。PMMA中还有水的吸收，在可见光谱区由于羟基振动引起吸收损耗。
纤芯直径在轴向的变化、芯-包层界面缺陷及灰尘、气泡、微粒的散射尺度远大于波长长度)引起的损耗与波长无关。其中前两项和POF的制造工艺有关。随着对POF的研究深入，其工艺日趋完整，这两项基本已降低到下限。每个灰尘、气泡、微粒或缺陷能造成10-3dB/km左右的损耗。而POF的最重要损耗因素是C-H键的高次谐波在可见及红外区域的吸收。为此，可用较重的原子氘或氟替代其中的氢，制成氘化或氟化POF.例如NTT试制的全氘化PMMA光纤达到650nm波长的传输损耗为20dB/km，通过部分氟化或氘化，还可能将损耗降至5.8dB/km.但是，氘化或氟化POF还无实用性，由于吸湿，氘会重新被置换成氢原子，且氘化物价格高昂;另一方面，氟化会降低纤芯的折射率，使纤芯与包层(包层亦为氟聚合物)的折射率差减小，使SI型POF的弯曲损耗极度增大。为了突破这一限制，正在研究开发部分氟化PMMA纤芯GI-POF. 3.2塑料光纤的带宽光纤波导最重要的特点是其带宽，带宽确定了其信息传输能力，多模石英光纤和塑料光纤在带宽上的主要限制因素是模间色散。光纤中模式光机电信息3/2002不同，传播速度不同，其色散随长度呈线性增加。
但是理论和试验表明，在塑料光纤中模与模之间并不互相独立，而是密切相关的，从而使其带宽出乎意料的提高。最近对塑料光纤的实验研究表明，由于随机折射率微扰和模耦合使带宽明显展宽。当输入信号脉冲的能量包沿波导传播时，其在不同的时间与不同的模耦合，会使模间色散降低。光纤传播方向上的随机微扰就会发生上述情况，微扰引起不同模间的耦合并且造成能量包随机向前一个和后一个模转移，就像汽车换车道一样。存在模式耦合的情况下，模不再独立，而承载于模中的能量包也以一种平均的群速度基本上同时到达波导的输出端。结果输出脉冲展宽减小而导致带宽增加。由于有了模耦合，脉冲展宽与光纤长度的平方根成正比，不再满足线性关系。在阶跃塑料光纤中，模式耦合带来的带宽增加远比梯度折射率光纤要多。增加光纤的带宽有两种方法，一是减小光纤芯的NA，二是改变光纤芯的折射率分布。当梯度折射率光纤具有接近于抛物型的最佳折射率分布时，光纤的模间色散最小，可以获得最佳带宽性能。梯度塑料光纤的制作工艺发展很快，提出的方法很多，如稀释剂膨胀法、热扩散共聚法、光敏共聚法和随机共聚法即界面凝胶法)。其中界面凝胶聚合技术是实用性最强的梯度塑料光纤制作方法。实验研究表明，用脉冲响应法测量得到100m长的PMMA梯度塑料光纤和全氟化梯度塑料光纤在不同的折射率分布幂指数下的带宽值，其PMMA梯度塑料光纤因材料色散较大，在最优折射率剖面时，650nm波长处的带宽为3GHz/100m，而全氟化梯度塑料光纤在650nm波长的带宽大约是PMMA梯度塑料光纤的3倍。材料在近红外区域的色散较小，全氟化梯度塑料光纤(g<2. 09)在1300nm波长处的带宽可以达到100GHV100m.梯度塑料光纤的实际带宽比用WKB方法计算得出的理论带宽要大，其原因是光纤中存在强模式耦合和差分模式耦合。
3.3热稳定性塑料光纤的耐热性往往是使用者关心的问题，因此性能往往与包层在一定环境下保持的时间和湿度等条件有关。由于塑料熔点低，耐热性能差，比玻璃易老化。当温度低于-40°C时，塑料光纤将变硬、变脆。塑料光纤在高温环境中会发生氧化降解和损耗增大，氧化降解是由于构成光纤芯材中的羟基、双键和交联的形成所致。氧化降解促使电子跃迁加快，进而引起光纤的损耗增大。
热稳定性和长期可靠性是梯度塑料光纤的一个主要问题。掺杂体系梯度塑料光纤，其折射率分布是掺杂物质浓度沿径向分布形成的，使用过程中，掺杂物的扩散和迁移使折射率分布发生变化，偏离最佳折射率分布，从而使光纤性能变差。另外，在高湿度环境中，传输损耗的稳定性也是一个重要的问题，光纤芯的玻璃化转变温度决定了折射率分布的稳定性。掺杂体系梯度塑料光纤中的小分子量掺杂物质降低了光纤的玻璃化转变温度，使光纤的稳定性变差，能与纤芯聚合物充分融合的掺杂物质也具有较高的塑化和扩散性能，从而降低折射率分布的稳定性和寿命。在高温、高湿度环境下，梯度塑料光纤中损耗的增加主要取决于掺杂物。3MM，吸收水分子的重量百分比最多为E，由于在3MM，阶跃塑料光纤中吸收的水分子没有汇聚成族，因此不会造成额外的散射损耗。商品化的PMMA阶跃塑料光纤在高湿度环境下的额外损耗非常小。对于芳香族掺杂体系的梯度塑料光纤来说，虽然吸收水分子的重量百分比小于1E，但吸收的水分子易于汇聚成族而造成额外散射损耗，该损耗取决于PMMA、掺杂物质和水分子三者的融合性能。因此，选择掺杂物质不但要考虑到折射率分布的稳定性，而且也要考虑到损耗的稳定性。
4传输实验早在1989年就有报道利用塑料光纤代替同轴电缆作为传输声音数据局域网的传输介质，其看好的就是塑料光纤比同轴电缆带宽大，价格便宜，重量轻。不过由于当时光纤技术及其他器件技术并不先进，当时的传输速率只有几百K/Gi. PMMASI-POF中演示了265MGit/s和531MGit/s的传输。使用的光源是波长652nm、光功率为2.7mW的激光二极管，采用模式选择入射和探测以及对光纤模式色散进行电的预补偿和后补偿。
1995年，日本Keio大学Ishigure等报道了利用界面凝胶聚合技术制作的PMMAGI-POF(650nm波长损耗为200dB/km)、647nm高速激光二极管和SiPIN光电二极管实现的2.5G/s、100m的传输。这是首次报道数据传输速率在Git/s以上，传输距离超过100m，而又不使用电调速器件的系统。1999年，Giaretta等人在100m长的梯度化聚合物光纤上进行了传输速率高达11Git/s的数据传输实验。系统采用波长1300nm非冷却无隔离的Fabry-Perot激光器和低成本的PIN接收器，成功实现了误码率10-10、功率预算9dB，在较严格的注入条件下高损耗、高色散的高阶模群不被激发)，带宽可达1GHz.该光纤的损耗是年，德国Ulm大学的P.Schnitzer等人用775nm、功率500!W的垂直腔面发射激光器作光源，在1m长、芯径120pm的POF上进行了数据速率为2.5Git/s的传输实验，该光纤在780nm处的损耗小于1dB/km.荷兰Eindhoven技术大学的W.Li等人在塑料光纤传输网方面作了很多工作。1999年，他们首先报道了利用Mitsubishi公司的低损耗164dB/km)PMMAGI-POF、波长为645nm的窄光谱激光器和一个硅雪崩光电二极管-PD)实现了传输。后来又在POF99上，报道了他们应用全氟化聚合物GI进行2.5Git/s的传输实验，传输距离均为550m，其光纤损耗在1310nm波长为31dB/km、长实验时，采用高灵敏度大光敏面积的APD接收器，使GI-POF和APD之间实现低损耗光互连，光源采用5GHz的DFB.在进行840nm波长实验时，采用了2GHz带宽的VCSEL和APD，其中使用均衡电路补偿光源的带宽不足。同时在5塑料光纤器件的现状由于塑料光纤有较大的芯径，其连接多采用注塑的连接器，直接将塑料光纤插入，每个连接器的损耗在5dB.对一般短距离系统，该损耗可以接受。由于塑料光纤材料的原因，塑料光纤不可能采用熔融拉锥方法制成耦合器。就塑料光纤耦合器而言，混合棒光纤耦合器是一种特别适用于塑料光纤的耦合器结构。大直径塑料光纤的包层很薄，使光纤束的横截面上光纤芯占截面总面积的比率很高，从而确保耦合器具有很高的耦合效率。混合棒塑料光纤耦合器的结构简单，因而制作起来也相对容易。对有源耦合器曾有过报道，两根剥去了包层的塑料光纤间是一层液晶，光纤芯上淀积金属层作为电极，可以通过加载电流使液晶极化，制成的耦合器插入损耗小于2.5dB，隔离度大于30dB. 5.1塑料光纤放大器受石英光纤放大器的启发，为克服塑料光纤损耗大的缺点，人们想到尝试在塑料光纤中掺杂稀土元素化合物制成塑料光纤放大器(POFA)。但由于稀土类元素化合物与塑料光纤聚合物基体的难相溶性，使掺杂物成为塑料光纤的一个极大的散射中心，带来很难降低的散射损耗。另外，塑料光纤由于C-H谐振吸收在稀土元素离子的荧光谱波段有很大的吸收损耗，因此，稀土类塑料光纤放大器没有取得大的进展。聚合物中染料的放大作用已有多年历史，利用染料的受激发射原理研制的染料激光器技术已相当成熟。近年来，人们开始尝试在塑料光纤中掺杂各种有机染料制作塑料光纤放大器。诺丹明族染料中具有代表性的有机染料吸光面大，是稀土类离子的10000倍。荧光量子产生率高，在纤芯直径近1000!m的POF中也易被激励至粒子数反转分布状态且数量很多。从原理上讲，从可见光至近红外区间内任一波段均有可能实现光放大。另外，由于受激发射截面较大，掺杂有机染料的POFA在很短的光纤上就能获得数百倍的高增益。掺杂的染料重量比一般在0.1数ppm之间，机械特性与POF相同。若POFA中的有机染料未被充分激励，有机染料就会吸收信号光，因此，调整泵浦光强度分布，使其与有机染料半径方向一致是实现高效泵浦的重要保证。目前尚未对放大过程中有机染料的劣化现象进行详细研究分析，但从POFA连续工作10h、放大增益为30dB的实验中，未发现有机染料的劣化现象，这也许是因为有机染料的掺杂浓度非常低和POFA工作期间每单位体积内蓄热量小的缘故。
等人发表了有关塑料光纤放大器的文章。其实验所用的是诺丹明B染料掺杂GI -POF，在591nm波长的增益是27dB，采用的泵浦功率高达15kW，能量转换效率为15E.>.D.Peng等人采用诺丹明6G和诺丹明B掺杂塑料光纤，在波长624nm处获得的最大增益为25dB，泵浦功率为700W，波长532nm下5ns的脉冲宽度。信号功率在20W以上和泵浦功率在700W以上，就会出现增益饱和。我国对塑料光纤放大器的研究在中也有报道。采用诺丹明B掺杂，泵浦激光器功率为10W，光纤长度50m，掺杂浓度为2.5ppm，信号光为0.01W时，得到最大增益15dB.这些结果的重要意义在于：放大发生在接近PMMAPOF最常用的传输窗口的波长下。这类诺丹明B掺杂塑料光纤在脉冲光放大方面性能优良，它必将在脉冲光放大器领域得到广泛应用。但是具有激励状态的有机染料分子常因项间交差而产生光谱三重线能级吸收，难以实现连续光放大，解决这一问题是今后实现连续光放大的关键。目前的塑料光纤放大器的研究距POF网络光放大器实用化目标还有很长一段距离。随着分子能量跃迁及发光过程进一步被揭示，未来有可能探寻到解决有机染料、稀土类聚合物现有难点的方法，并且发现具有很高性能的新型发光材料。!应用前景作为短距离通信网络的理想传输介质，塑料光纤在未来家庭智能化、办公自动化、工业控制网络化、车载机载通信网、军事通信网的数据传输中具有重要地位。利用塑料光纤可以组成家庭网络，把家用pc、娱乐设施、数字设备、家庭安全设备连成网络，达到家庭自动化和远程控制管理，提高生活质量，还可以实现办公设备的联网，实现远程办公。POF在制造工业中也将得到广泛应用。耐用的POF网络具有很大的柔初性，能避免工厂地面很强的噪声干扰，高速传输工业控制信号和指令，避免因使用金属电缆线路而受电磁干扰导致通信传输中断的危险，从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路。POF可以将车载、机载通信网络和控制系统组成一个网络，将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中。旅客还可以通过POF网络在座位上享受音乐、电影、视频、购物等服务。POF在飞机中也可得到广泛应用，可以通过有POF组成的通信网络，从接入的共同网络和国际互联网中为旅客提供个人所需的电影、视频游戏、购物等服务。同时由于塑料光纤重量轻，可以明显降低飞机的载重量。在军事通信上，POF得到了进一步开发以用于高速传输大量的敏感、保密信息，如利用POF重量轻、可扰性好、连接快捷、适用于在身佩带的特点，用于士兵穿戴式的轻型计算机系统，并能够插入通信网络下载、存储、发送、接受关键任务信息，且在头盔显示器中显示。由此可见，塑料光纤具有广阔的应用前景。
塑料光纤用于短距离通信的局域网和接入网的潜力不可估量，因此，进一步提高其性能刻不容缓。目前在技术方面仍需解决两个主要难题：一是设计新的透光材料和包层材料，光纤的纤芯要求透明度和折射率越高越好。而包层则要求折射率小于芯材，两者相差越大越好。要提高纤芯的折射率较困难，而降低包层折射率还有潜力可挖;二是工艺条件，研究如何控制纤芯聚合物分子量、均匀性和提高透明性的新的光纤技术，进一步提高光的传输效率，降低光损耗。这两个问题一旦得以圆满解决，塑料光纤不仅可用于常规通信，而且可用于海下照明、导弹、运载火箭和电子对抗雷达等尖端领域。在推广塑料光纤网络中，要考虑的主要问题是成本，研制价格低廉、性能可靠的塑料光纤器件包括光发射机和接收机、连接器、光开关、耦合器等)目前仍面临巨大挑战6)
审核编辑：汤梓红
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