新一代短距离光传输介质——塑料光纤

1、    新一代短距离光传输介质塑料光纤作者：胡先志练海斌众所周知，石英玻璃光纤以其衰减小、带宽高等优点被用作远距离、高速率、大容量公用网的光传输介质。石英玻璃光纤以其原料纯洁、制造复杂、价格昂贵、接续困难等缺点制约了其大量用作短距离接入网光传输介质。正是为降低短距离接入网中光纤网络终端用户的光纤接入成本(即传输介质、接续施工等)，日本、美国等发达国家的一些大学和公司已研究出新一代短距离光传输介质塑料光纤。塑料光纤的优点：制作者：胡先志 练海斌 众所周知，石英玻璃光纤以其衰减小、带宽高等优点被用作远距离、高速率、大容量公用网的光传输介质。石英玻璃

2、光纤以其原料纯洁、制造复杂、价格昂贵、接续困难等缺点制约了其大量用作短距离接入网光传输介质。正是为降低短距离接入网中光纤网络终端用户的光纤接入成本(即传输介质、接续施工等)，日本、美国等发达国家的一些大学和公司已研究出新一代短距离光传输介质塑料光纤。塑料光纤的优点：制造简单、价格便宜、接续快捷等。故其最适宜作为局域网中短距离通信、有线电视网、室内计算机之间的光传输介质。本文简明扼要的阐述塑料光纤的研究历程、研究要点、光纤性能、系统应用，以飨读者。研究历程70年代初，美国杜邦公司开始了数据通信用塑料光纤的基础研究工作。1987年，美国杜邦公司将其拥有的所有塑料光纤产品专利全部出售给日本三菱人造丝

3、株式会社。三菱人造丝株式会社继续进行塑料光纤产品开发和推广应用工作。同年，法国塑料光纤联合集团研制出的阶跃折射率分布塑料光纤，其带宽为5MHz.km.1990年日本庆应大学小池康博宣布研制出带宽为3GHz.km的梯度折射率分布的塑料光纤。1992年，美国IBM公司的Bates提出了在100m长的阶跃折射率分布塑料光纤传输50Mbit/s的试验，小池康博等报道了用红外激光器在100m长的塑料光纤上进行2.5Gbit/s的传输试验。1994年，日本庆应大学佐佐木等报道，他们研制出了塑料光纤光放大器。1995年，日本NEC公司的山崎用小数值孔径650mm LD，100m的小数值孔径的阶跃折射率分布塑

4、料光纤进行了155Mbit/s的试验。1996年，人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网ATM物理层。1997年，日本NEC公司的山崎进行了155Mbit/s的ATM、LAN的试验。1998年，日本NEC公司的山崎在70m长塑料光纤上进行了400Kbit/s的传输试验。日本硝子玻璃株式会社报道，梯度折射分布的氟化物塑料光纤的衰减仅为掺杂的聚甲基丙烯酯塑料光纤衰减的三分之一。日本富土通公司的今井报道，以1.3μm FP-LD、InGaAs-APD为光源，在200m梯度折射率分布的氟化物塑料光纤上进行了2.5Gbit/s试验。在OFC-98会议上，日本硝子玻璃株式会社报道了

5、氟化物塑料光纤的衰减系数：在(650-1300)nm波长小于100db/km，在(850-1300)nm，约50db/km，且有望进一步降低，其带宽为(300-500)MHz.km，理论带宽可达10GHz.km。该塑料光纤的稳定工作温度为(-40+90)。XaQti吉比特半导体供应商用梯度折射率分布的氟化物塑料光纤进行了200m 10Gbit/s的传输试验。2000年，OFC会议上，日本硝子玻璃株式会社新技术发展部的NoriyukiYoshihara等报道氟化梯度折射率塑料光纤的衰减系数：在850nm为41db/km，1300nm为33db/km，其最大带宽已达100MHz.km。用这种塑料光

6、纤成功地进行100m、11Gbit/s和50m、2.5Gbit/s的高速传输试验和70长期热老化试验。实验证明，氟化梯度折射塑料光纤完全满足使用要求。研究要点1.光纤结构塑料光纤顾名思义，即构成光纤的芯与包层都是塑料材料。与大芯径50/125m和62.5/125m的石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤的芯径高达200-1000m，其接续时可使用不带光纤定位套筒的便宜注塑塑料连接器，即便是光纤接续中芯对准产生±30m偏差都不会影响耦合损耗。正是塑料光纤结构赋予了其施工快捷，接续成本低等优点。另外，芯径100m或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪音。2.光纤材料塑料光纤材料选择时，

7、人们应重点解决的问题是材料的本身衰减要低、色散要小、化稳性要好、制造简单、价格低廉等。当今，选作塑料光纤芯材有：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树脂等;选作塑料光纤包层有：聚甲基丙烯酸甲酯、氟塑料、硅树脂等。究其原因是：这些聚合物具有透光性好，光学均匀、折射率调整便利等;以单体存在时通过减压蒸馏方法就可以提纯;形成光纤的能力强;加工和化稳性好及价格便宜等。3.制造工艺今天，人们用来制造塑料光纤的两种方法：挤压法和界面凝胶法都是由塑料生产加工工艺演变而来的。挤压法主要用于制造阶跃折射率分布塑料光纤。该工艺步骤大致如下：首先，将作为纤芯的聚甲基丙烯甲酯的单体甲基丙烯甲酯

8、通过减压蒸馏提纯后，连同聚合引发剂和链转移剂一并送入聚合容器中，接着再将该容器放入电烘箱中加热，置放一定时间，以使单体完全聚合，最后，将盛有完全聚合的聚甲基丙烯甲酯的容器加温至拉丝温度，并用干燥的氮气从容器的上端对已熔融的聚合物加压，该容器底部小嘴便挤出一根塑料光纤芯，同时使挤出的纤芯外再包覆一层低折射率的聚合物，就制成了阶跃型塑料光纤。梯度折射率分布塑料光纤的制造方法为界面凝胶法，界面凝胶法的工艺步骤大致如下：首先将高折射率掺杂剂置于芯单体中制成芯混合溶液，其次把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引发剂和链转移剂放入芯混合溶液，再将该溶液投入一根选作包层材料聚甲基丙烯甲酯(PMMA)的空心管内

9、，最后将装有芯混合溶液PMMA管子放入一烘箱内，在一定的温度和条件下聚合。在聚合过程中，PMMA管内逐渐被混合溶液溶胀，从而在PMMA管内壁形成凝胶相。在凝胶相分子运动速度减慢，聚合反应由于“凝胶作用”而加速，聚合物的厚度逐渐增厚，聚合终止于PMMA管子中心，从而获得一根折射率沿径向呈梯度分布的光纤预制棒，最后再将塑料光纤预制棒送入加热炉内加温拉制成梯度折射率分布塑料光纤。4.光纤性能(1)衰减塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和色散损耗。人们是通过选用低折射率和等温压缩率小的塑料材料和通过稳定塑料光纤制造工艺降低结构缺陷(如芯直径波动，芯包界面缺陷等)，来使塑料光纤获得小的散射损

10、耗，而塑料材料的吸收损耗则是由分子键(碳氢、碳氟等)伸缩振动吸收和电子跃吸收所致的。在碳氢键为基本骨架的塑料材料中，在波长650nm处的衰减系数大约为120db/km，如果用氟原子置换碳氢键中的氢所组成的氟化塑料材料，其不仅本征衰减小，而且色散也降低了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纤，其在红外区无原子振动引起的吸收损耗。故可制得在可见光至红外范围的衰减很小，即在0.85m波长处衰减系数为41db/km，在1.3m波长处衰减为33db/km的梯度折射率分布的塑料光纤。(2)带宽用作短距离光传输介质的塑料光纤，按其折射率分布形状可分为两种：阶跃折射率分布塑料光纤和梯度折射率分布塑料光纤。阶跃折射率分布塑料光纤由于模间色散作用使入射光发生反复的反射(3)热稳定由于塑料光纤是由塑料材料构成的，故其在高温环境中工作会发生氧化降解。氧化降解是光纤芯材料中的羰基、双键和交联形成的。氧化降解将促使电子跃迁加快，进而引起光纤损耗增大。为切实提高塑料光纤的热稳定性，通常的做法是：选用含氟或硅的塑料材料来制造塑料光纤;将塑料光纤的光源工作波长选择在大于660nm，以求得塑料光纤热稳定性长期可靠。系统应用塑料光纤在短距离通信光传输系统中用作光传输链路确保了高速互联网接口快速