塑料光纖及其應(yīng)用

隨著信息的爆炸性增長和信息社會的到來，Internet、可視電話、遠(yuǎn)程教育、電視購物、視頻點播、高清晰度電視及交互式有線電視等對通信業(yè)務(wù)的發(fā)展提出了進(jìn)一步實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高速化和寬帶化的迫切要求，同時也需要在短距離內(nèi)形成連接密集型網(wǎng)絡(luò)。大容量的高速傳輸網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，其傳輸速率和容量每年在成倍增長，這無疑對最后lkm接入技術(shù)也提出更嚴(yán)峻的考驗。由于其極低的損耗和色散特性，石英光纖理所當(dāng)然是長距離、高速率、大容量傳輸網(wǎng)的最佳選擇。但在連接密集的接入和局域網(wǎng)以及其他低速網(wǎng)絡(luò)中，其復(fù)雜昂貴的連接工藝增加了網(wǎng)絡(luò)成本。與石英光纖相比，塑料光纖由于其制造簡單、價格便宜、接續(xù)快捷、抗沖擊強度高、抗輻射等優(yōu)點，非常適用于局域網(wǎng)中的短距離通信、有線電視網(wǎng)、室內(nèi)計算機(jī)之間連接，成為短距離寬帶通信網(wǎng)的理想選擇。塑料光纖將取代金屬電纜而成為短距離高速率的傳輸媒介的核心。

2塑料光纖的發(fā)展歷程塑料光纖盡管具有諸多石英光纖無可比擬的優(yōu)點，但其光傳輸損耗大卻是不容忽視的缺點。石英光纖的損耗值在0.l5dB/km，相當(dāng)于光在光纖中傳輸約20k：后光強度降低一半，塑料光纖的損耗約l00dB/km~300dB/km，光傳輸20：甚至更短強度就降低一半。1964年，美國杜邦公司首先開發(fā)以聚甲基丙烯酸甲脂PMMA)為纖芯的有機(jī)塑料光纖，其傳輸損耗高達(dá)1000dB/km.其后，日本在降低POF的光損耗，提高其耐熱性和研究開發(fā)梯度折射率塑料光纖Bi-pof)等方面取得了重大成就。1992年，YoshiroKoike宣布用界面凝膠法生產(chǎn)出新型的梯度折射率光纖，明顯降低了塑料光纖的損耗，有效提高了塑料光纖的帶寬，為塑料光纖用于寬帶通信網(wǎng)開拓了廣闊的應(yīng)用前景。美國在塑料光纖的發(fā)展歷程中也起到推動性作用，美國政府資助開發(fā)了對美國的軍事和工業(yè)都有重要戰(zhàn)略意義的芯子技術(shù)。作為項目的一部分，成立了高速塑料網(wǎng)絡(luò)“1SPN)組織以開發(fā)GI-POF技術(shù)。HSPN包括Fiber6F)等公司，在短短的3年時間內(nèi)，他們將POF技術(shù)推向宇航、汽車以及數(shù)據(jù)通信市場。并于1997年制定并通過了第一個POF的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，隨著GI-POF研究的進(jìn)一步深入，低損耗漸變折射率光纖有了長足的進(jìn)展，科研人員想方設(shè)法進(jìn)一步降低GI-POF的傳輸損耗，除了改進(jìn)GI-POF制備方法完善其工藝外，還從低損耗GI-POF研究歷程中得到了有益的啟示。在充分降低GI-POF非固有損耗后，最重要的目標(biāo)是降低GI-POF的固有損耗，塑料光纖中的本征損耗來自C-H的諧波共振吸收，采用含氟的塑料制成的塑料光纖損耗可明顯降低。選用氘D或氟F取代GI-POF中CH鍵中的氫，可降低GI-POF中CH鍵的含量，氟原子代替氫原子不僅降低分子振動吸收，也降低瑞利散射損耗。這一取代方法不僅降低GI -POF的傳輸損耗，而且也可將GI -POF光傳輸窗口從可見光區(qū)移向近紅外區(qū)域。但這種制備工藝難度大，成本較高。

通過在聚合物基體中摻入小的摻雜分子，漸變折射率分布的可重復(fù)性得到了改善。氟化塑料光纖損耗的最新報道是在1300nm處為16dB/km.值得注意的是，全氟化GI -POF損耗的理論極限在1300nm處為0.25dB/km，在1500nm處為0.1dB/km，與石英光纖的損耗極限相當(dāng)。塑料光纖的特性基本上與其纖芯的物理特性緊密相關(guān)，不同纖芯構(gòu)成的塑料光纖其特性也大不相同。

3塑料光纖的基本特性3.1塑料光纖的損耗塑料光纖的最大缺點是損耗大。根據(jù)損耗機(jī)理的不同，在可見及紅外區(qū)域POF的損耗可以分為散射損耗和吸收損耗。其中散射損耗有因為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善如聚合物雜質(zhì)、光纖中的微空隙、塵埃和氣泡、纖芯直徑不均勻不完整性、方位雙折射、纖芯與包層間的粘合缺陷)引起的損耗及由于瑞利散射引起的損耗。使用合適的包層材料和控制聚合物聚合度與分子量分布，可降低散射損耗。光導(dǎo)介質(zhì)中微觀不規(guī)則結(jié)構(gòu)物理尺寸比波長小一個數(shù)量級或更小，就引起瑞利散射，瑞利散射還可由材料結(jié)構(gòu)和濃度的波動引起。除了POF中所含雜質(zhì)的吸收外，吸收損耗還包括紫外吸收光譜在可見及近紅外區(qū)域的帶緣吸收和紫外帶緣吸收損耗。如同所有的固體一樣，聚合物在紫外光區(qū)具有光譜吸收，其機(jī)理是材料內(nèi)鍵的電子能級間躍遷引起的吸收。在PMMA中，最重要的吸收是由大分子脂基團(tuán)中雙鍵的n軌道向!軌道的躍遷引起的。聚合物合成過程中所使用的其他化合物，如鏈轉(zhuǎn)移劑中的n向的躍遷以及引發(fā)劑偶氮化合物中偶氮基團(tuán)!向!的躍遷也引起相似的吸收，并且紫外吸收隨著波長的升高呈指數(shù)關(guān)系下降。芯材雜質(zhì)引起吸收損耗，主要以過渡金屬離子在可見光波區(qū)引起的吸收最為明顯，其中Co離子在530nm、590nm、及650nm顯示有最大的吸收峰，并且相互之間發(fā)生重疊引起一個大的吸收峰。PMMA中還有水的吸收，在可見光譜區(qū)由于羥基振動引起吸收損耗。

纖芯直徑在軸向的變化、芯-包層界面缺陷及灰塵、氣泡、微粒的散射尺度遠(yuǎn)大于波長長度)引起的損耗與波長無關(guān)。其中前兩項和POF的制造工藝有關(guān)。隨著對POF的研究深入，其工藝日趨完整，這兩項基本已降低到下限。每個灰塵、氣泡、微?；蛉毕菽茉斐?0-3dB/km左右的損耗。而POF的最重要損耗因素是C-H鍵的高次諧波在可見及紅外區(qū)域的吸收。為此，可用較重的原子氘或氟替代其中的氫，制成氘化或氟化POF.例如NTT試制的全氘化PMMA光纖達(dá)到650nm波長的傳輸損耗為20dB/km，通過部分氟化或氘化，還可能將損耗降至5.8dB/km.但是，氘化或氟化POF還無實用性，由于吸濕，氘會重新被置換成氫原子，且氘化物價格高昂;另一方面，氟化會降低纖芯的折射率，使纖芯與包層(包層亦為氟聚合物)的折射率差減小，使SI型POF的彎曲損耗極度增大。為了突破這一限制，正在研究開發(fā)部分氟化PMMA纖芯GI-POF. 3.2塑料光纖的帶寬光纖波導(dǎo)最重要的特點是其帶寬，帶寬確定了其信息傳輸能力，多模石英光纖和塑料光纖在帶寬上的主要限制因素是模間色散。光纖中模式光機(jī)電信息3/2002不同，傳播速度不同，其色散隨長度呈線性增加。

但是理論和試驗表明，在塑料光纖中模與模之間并不互相獨立，而是密切相關(guān)的，從而使其帶寬出乎意料的提高。最近對塑料光纖的實驗研究表明，由于隨機(jī)折射率微擾和模耦合使帶寬明顯展寬。當(dāng)輸入信號脈沖的能量包沿波導(dǎo)傳播時，其在不同的時間與不同的模耦合，會使模間色散降低。光纖傳播方向上的隨機(jī)微擾就會發(fā)生上述情況，微擾引起不同模間的耦合并且造成能量包隨機(jī)向前一個和后一個模轉(zhuǎn)移，就像汽車換車道一樣。存在模式耦合的情況下，模不再獨立，而承載于模中的能量包也以一種平均的群速度基本上同時到達(dá)波導(dǎo)的輸出端。結(jié)果輸出脈沖展寬減小而導(dǎo)致帶寬增加。由于有了模耦合，脈沖展寬與光纖長度的平方根成正比，不再滿足線性關(guān)系。在階躍塑料光纖中，模式耦合帶來的帶寬增加遠(yuǎn)比梯度折射率光纖要多。增加光纖的帶寬有兩種方法，一是減小光纖芯的NA，二是改變光纖芯的折射率分布。當(dāng)梯度折射率光纖具有接近于拋物型的最佳折射率分布時，光纖的模間色散最小，可以獲得最佳帶寬性能。梯度塑料光纖的制作工藝發(fā)展很快，提出的方法很多，如稀釋劑膨脹法、熱擴(kuò)散共聚法、光敏共聚法和隨機(jī)共聚法即界面凝膠法)。其中界面凝膠聚合技術(shù)是實用性最強的梯度塑料光纖制作方法。實驗研究表明，用脈沖響應(yīng)法測量得到100m長的PMMA梯度塑料光纖和全氟化梯度塑料光纖在不同的折射率分布冪指數(shù)下的帶寬值，其PMMA梯度塑料光纖因材料色散較大，在最優(yōu)折射率剖面時，650nm波長處的帶寬為3GHz/100m，而全氟化梯度塑料光纖在650nm波長的帶寬大約是PMMA梯度塑料光纖的3倍。材料在近紅外區(qū)域的色散較小，全氟化梯度塑料光纖(g<2. 09)在1300nm波長處的帶寬可以達(dá)到100GHV100m.梯度塑料光纖的實際帶寬比用WKB方法計算得出的理論帶寬要大，其原因是光纖中存在強模式耦合和差分模式耦合。

3.3熱穩(wěn)定性塑料光纖的耐熱性往往是使用者關(guān)心的問題，因此性能往往與包層在一定環(huán)境下保持的時間和濕度等條件有關(guān)。由于塑料熔點低，耐熱性能差，比玻璃易老化。當(dāng)溫度低于-40°C時，塑料光纖將變硬、變脆。塑料光纖在高溫環(huán)境中會發(fā)生氧化降解和損耗增大，氧化降解是由于構(gòu)成光纖芯材中的羥基、雙鍵和交聯(lián)的形成所致。氧化降解促使電子躍遷加快，進(jìn)而引起光纖的損耗增大。

熱穩(wěn)定性和長期可靠性是梯度塑料光纖的一個主要問題。摻雜體系梯度塑料光纖，其折射率分布是摻雜物質(zhì)濃度沿徑向分布形成的，使用過程中，摻雜物的擴(kuò)散和遷移使折射率分布發(fā)生變化，偏離最佳折射率分布，從而使光纖性能變差。另外，在高濕度環(huán)境中，傳輸損耗的穩(wěn)定性也是一個重要的問題，光纖芯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度決定了折射率分布的穩(wěn)定性。摻雜體系梯度塑料光纖中的小分子量摻雜物質(zhì)降低了光纖的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使光纖的穩(wěn)定性變差，能與纖芯聚合物充分融合的摻雜物質(zhì)也具有較高的塑化和擴(kuò)散性能，從而降低折射率分布的穩(wěn)定性和壽命。在高溫、高濕度環(huán)境下，梯度塑料光纖中損耗的增加主要取決于摻雜物。3MM，吸收水分子的重量百分比最多為E，由于在3MM，階躍塑料光纖中吸收的水分子沒有匯聚成族，因此不會造成額外的散射損耗。商品化的PMMA階躍塑料光纖在高濕度環(huán)境下的額外損耗非常小。對于芳香族摻雜體系的梯度塑料光纖來說，雖然吸收水分子的重量百分比小于1E，但吸收的水分子易于匯聚成族而造成額外散射損耗，該損耗取決于PMMA、摻雜物質(zhì)和水分子三者的融合性能。因此，選擇摻雜物質(zhì)不但要考慮到折射率分布的穩(wěn)定性，而且也要考慮到損耗的穩(wěn)定性。

4傳輸實驗早在1989年就有報道利用塑料光纖代替同軸電纜作為傳輸聲音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)，其看好的就是塑料光纖比同軸電纜帶寬大，價格便宜，重量輕。不過由于當(dāng)時光纖技術(shù)及其他器件技術(shù)并不先進(jìn)，當(dāng)時的傳輸速率只有幾百K/Gi. PMMASI-POF中演示了265MGit/s和531MGit/s的傳輸。使用的光源是波長652nm、光功率為2.7mW的激光二極管，采用模式選擇入射和探測以及對光纖模式色散進(jìn)行電的預(yù)補償和后補償。

1995年，日本Keio大學(xué)Ishigure等報道了利用界面凝膠聚合技術(shù)制作的PMMAGI-POF(650nm波長損耗為200dB/km)、647nm高速激光二極管和SiPIN光電二極管實現(xiàn)的2.5G/s、100m的傳輸。這是首次報道數(shù)據(jù)傳輸速率在Git/s以上，傳輸距離超過100m，而又不使用電調(diào)速器件的系統(tǒng)。1999年，Giaretta等人在100m長的梯度化聚合物光纖上進(jìn)行了傳輸速率高達(dá)11Git/s的數(shù)據(jù)傳輸實驗。系統(tǒng)采用波長1300nm非冷卻無隔離的Fabry-Perot激光器和低成本的PIN接收器，成功實現(xiàn)了誤碼率10-10、功率預(yù)算9dB，在較嚴(yán)格的注入條件下高損耗、高色散的高階模群不被激發(fā))，帶寬可達(dá)1GHz.該光纖的損耗是年，德國Ulm大學(xué)的P.Schnitzer等人用775nm、功率500!W的垂直腔面發(fā)射激光器作光源，在1m長、芯徑120pm的POF上進(jìn)行了數(shù)據(jù)速率為2.5Git/s的傳輸實驗，該光纖在780nm處的損耗小于1dB/km.荷蘭Eindhoven技術(shù)大學(xué)的W.Li等人在塑料光纖傳輸網(wǎng)方面作了很多工作。1999年，他們首先報道了利用Mitsubishi公司的低損耗164dB/km)PMMAGI-POF、波長為645nm的窄光譜激光器和一個硅雪崩光電二極管-PD)實現(xiàn)了傳輸。后來又在POF99上，報道了他們應(yīng)用全氟化聚合物GI進(jìn)行2.5Git/s的傳輸實驗，傳輸距離均為550m，其光纖損耗在1310nm波長為31dB/km、長實驗時，采用高靈敏度大光敏面積的APD接收器，使GI-POF和APD之間實現(xiàn)低損耗光互連，光源采用5GHz的DFB.在進(jìn)行840nm波長實驗時，采用了2GHz帶寬的VCSEL和APD，其中使用均衡電路補償光源的帶寬不足。同時在5塑料光纖器件的現(xiàn)狀由于塑料光纖有較大的芯徑，其連接多采用注塑的連接器，直接將塑料光纖插入，每個連接器的損耗在5dB.對一般短距離系統(tǒng)，該損耗可以接受。由于塑料光纖材料的原因，塑料光纖不可能采用熔融拉錐方法制成耦合器。就塑料光纖耦合器而言，混合棒光纖耦合器是一種特別適用于塑料光纖的耦合器結(jié)構(gòu)。大直徑塑料光纖的包層很薄，使光纖束的橫截面上光纖芯占截面總面積的比率很高，從而確保耦合器具有很高的耦合效率?；旌习羲芰瞎饫w耦合器的結(jié)構(gòu)簡單，因而制作起來也相對容易。對有源耦合器曾有過報道，兩根剝?nèi)チ税鼘拥乃芰瞎饫w間是一層液晶，光纖芯上淀積金屬層作為電極，可以通過加載電流使液晶極化，制成的耦合器插入損耗小于2.5dB，隔離度大于30dB. 5.1塑料光纖放大器受石英光纖放大器的啟發(fā)，為克服塑料光纖損耗大的缺點，人們想到嘗試在塑料光纖中摻雜稀土元素化合物制成塑料光纖放大器(POFA)。但由于稀土類元素化合物與塑料光纖聚合物基體的難相溶性，使摻雜物成為塑料光纖的一個極大的散射中心，帶來很難降低的散射損耗。另外，塑料光纖由于C-H諧振吸收在稀土元素離子的熒光譜波段有很大的吸收損耗，因此，稀土類塑料光纖放大器沒有取得大的進(jìn)展。聚合物中染料的放大作用已有多年歷史，利用染料的受激發(fā)射原理研制的染料激光器技術(shù)已相當(dāng)成熟。近年來，人們開始嘗試在塑料光纖中摻雜各種有機(jī)染料制作塑料光纖放大器。諾丹明族染料中具有代表性的有機(jī)染料吸光面大，是稀土類離子的10000倍。熒光量子產(chǎn)生率高，在纖芯直徑近1000!m的POF中也易被激勵至粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)且數(shù)量很多。從原理上講，從可見光至近紅外區(qū)間內(nèi)任一波段均有可能實現(xiàn)光放大。另外，由于受激發(fā)射截面較大，摻雜有機(jī)染料的POFA在很短的光纖上就能獲得數(shù)百倍的高增益。摻雜的染料重量比一般在0.1數(shù)ppm之間，機(jī)械特性與POF相同。若POFA中的有機(jī)染料未被充分激勵，有機(jī)染料就會吸收信號光，因此，調(diào)整泵浦光強度分布，使其與有機(jī)染料半徑方向一致是實現(xiàn)高效泵浦的重要保證。目前尚未對放大過程中有機(jī)染料的劣化現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)研究分析，但從POFA連續(xù)工作10h、放大增益為30dB的實驗中，未發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料的劣化現(xiàn)象，這也許是因為有機(jī)染料的摻雜濃度非常低和POFA工作期間每單位體積內(nèi)蓄熱量小的緣故。

等人發(fā)表了有關(guān)塑料光纖放大器的文章。其實驗所用的是諾丹明B染料摻雜GI -POF，在591nm波長的增益是27dB，采用的泵浦功率高達(dá)15kW，能量轉(zhuǎn)換效率為15E.>.D.Peng等人采用諾丹明6G和諾丹明B摻雜塑料光纖，在波長624nm處獲得的最大增益為25dB，泵浦功率為700W，波長532nm下5ns的脈沖寬度。信號功率在20W以上和泵浦功率在700W以上，就會出現(xiàn)增益飽和。我國對塑料光纖放大器的研究在中也有報道。采用諾丹明B摻雜，泵浦激光器功率為10W，光纖長度50m，摻雜濃度為2.5ppm，信號光為0.01W時，得到最大增益15dB.這些結(jié)果的重要意義在于：放大發(fā)生在接近PMMAPOF最常用的傳輸窗口的波長下。這類諾丹明B摻雜塑料光纖在脈沖光放大方面性能優(yōu)良，它必將在脈沖光放大器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是具有激勵狀態(tài)的有機(jī)染料分子常因項間交差而產(chǎn)生光譜三重線能級吸收，難以實現(xiàn)連續(xù)光放大，解決這一問題是今后實現(xiàn)連續(xù)光放大的關(guān)鍵。目前的塑料光纖放大器的研究距POF網(wǎng)絡(luò)光放大器實用化目標(biāo)還有很長一段距離。隨著分子能量躍遷及發(fā)光過程進(jìn)一步被揭示，未來有可能探尋到解決有機(jī)染料、稀土類聚合物現(xiàn)有難點的方法，并且發(fā)現(xiàn)具有很高性能的新型發(fā)光材料。!應(yīng)用前景作為短距離通信網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì)，塑料光纖在未來家庭智能化、辦公自動化、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)化、車載機(jī)載通信網(wǎng)、軍事通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要地位。利用塑料光纖可以組成家庭網(wǎng)絡(luò)，把家用pc、娛樂設(shè)施、數(shù)字設(shè)備、家庭安全設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到家庭自動化和遠(yuǎn)程控制管理，提高生活質(zhì)量，還可以實現(xiàn)辦公設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程辦公。POF在制造工業(yè)中也將得到廣泛應(yīng)用。耐用的POF網(wǎng)絡(luò)具有很大的柔初性，能避免工廠地面很強的噪聲干擾，高速傳輸工業(yè)控制信號和指令，避免因使用金屬電纜線路而受電磁干擾導(dǎo)致通信傳輸中斷的危險，從而在惡劣的工業(yè)制造環(huán)境中提供穩(wěn)定、可靠的通信線路。POF可以將車載、機(jī)載通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)組成一個網(wǎng)絡(luò)，將微型計算機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、移動電話、傳真等外設(shè)納入機(jī)車整體設(shè)計中。旅客還可以通過POF網(wǎng)絡(luò)在座位上享受音樂、電影、視頻、購物等服務(wù)。POF在飛機(jī)中也可得到廣泛應(yīng)用，可以通過有POF組成的通信網(wǎng)絡(luò)，從接入的共同網(wǎng)絡(luò)和國際互聯(lián)網(wǎng)中為旅客提供個人所需的電影、視頻游戲、購物等服務(wù)。同時由于塑料光纖重量輕，可以明顯降低飛機(jī)的載重量。在軍事通信上，POF得到了進(jìn)一步開發(fā)以用于高速傳輸大量的敏感、保密信息，如利用POF重量輕、可擾性好、連接快捷、適用于在身佩帶的特點，用于士兵穿戴式的輕型計算機(jī)系統(tǒng)，并能夠插入通信網(wǎng)絡(luò)下載、存儲、發(fā)送、接受關(guān)鍵任務(wù)信息，且在頭盔顯示器中顯示。由此可見，塑料光纖具有廣闊的應(yīng)用前景。

塑料光纖用于短距離通信的局域網(wǎng)和接入網(wǎng)的潛力不可估量，因此，進(jìn)一步提高其性能刻不容緩。目前在技術(shù)方面仍需解決兩個主要難題：一是設(shè)計新的透光材料和包層材料，光纖的纖芯要求透明度和折射率越高越好。而包層則要求折射率小于芯材，兩者相差越大越好。要提高纖芯的折射率較困難，而降低包層折射率還有潛力可挖;二是工藝條件，研究如何控制纖芯聚合物分子量、均勻性和提高透明性的新的光纖技術(shù)，進(jìn)一步提高光的傳輸效率，降低光損耗。這兩個問題一旦得以圓滿解決，塑料光纖不僅可用于常規(guī)通信，而且可用于海下照明、導(dǎo)彈、運載火箭和電子對抗雷達(dá)等尖端領(lǐng)域。在推廣塑料光纖網(wǎng)絡(luò)中，要考慮的主要問題是成本，研制價格低廉、性能可靠的塑料光纖器件包括光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、連接器、光開關(guān)、耦合器等)目前仍面臨巨大挑戰(zhàn)6)

審核編輯：湯梓紅