研究歷程 70年代初，美國杜邦公司開始了數(shù)據(jù)通信用塑料光纖的基礎(chǔ)研究工作。 1987年，美國杜邦公司將其擁有的所有塑料光纖產(chǎn)品專利全部出售給日本三菱人造絲株式會(huì)社。三菱人造絲株式會(huì)社繼續(xù)進(jìn)行塑料光纖產(chǎn)品開發(fā)和推廣應(yīng)用工作。同年，法國塑料光纖聯(lián)合集團(tuán)研制出的階躍折射率分布塑料光纖，其帶寬為5MHz．km． 1990年日本慶應(yīng)大學(xué)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。 1992年，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(yàn)，小 池康博等報(bào)道了用紅外激光器在100m長的塑料光纖上進(jìn)行2．5Gbit／s的傳輸試驗(yàn)。1994年，日本慶應(yīng)大學(xué)佐佐木等報(bào)道，他們研制出了塑料光纖光放大器。 1995年，日本NEC公司的山崎用小數(shù)值孔徑650mmLD，100m的小數(shù)值孔徑的階躍折射率分布塑料光纖進(jìn)行了155Mbit／s的試驗(yàn)。 1996年，人們紛紛建議以塑料光纖為基礎(chǔ)建立極低成本的用戶網(wǎng)ATM物理層。 1997年，日本NEC公司的山崎進(jìn)行了155Mbit／s的ATM、LAN的試驗(yàn)。 1998年，日本NEC公司的山崎在70m長塑料光纖上進(jìn)行了400Kbit／s的傳輸試驗(yàn)。日本硝子玻璃株式會(huì)社報(bào)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(bào)道，以1．3μmFP－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(jìn)行了2．5Gbit／s試驗(yàn)。 在OFC－98會(huì)議上，日本硝子玻璃株式會(huì)社報(bào)道了氟化物塑料光纖的衰減系數(shù)：在（650－1300）nm波長小于100db／km，在（850－1300）nm，約50db／km，且有望進(jìn)一步降低，其帶寬為（300－500）MHz．km，理論帶寬可達(dá)10GHz．km。該塑料光纖的穩(wěn)定工作溫度為（－40~＋90）℃。XaQti吉比特半導(dǎo)體供應(yīng)商用梯度折射率分布的氟化物塑料光纖進(jìn)行了200m10Gbit／s的傳輸試驗(yàn)。 2000年，OFC會(huì)議上，日本硝子玻璃株式會(huì)社新技術(shù)發(fā)展部的NoriyukiYoshihara等報(bào)道氟化梯度折射率塑料光纖的衰減系數(shù)：在850nm為41db／km，1300nm為33db／km，其最大帶寬已達(dá)100MHz．km。用這種塑料光纖成功地進(jìn)行100m、11Gbit／s和50m、2．5Gbit／s的高速傳輸試驗(yàn)和70℃長期熱老化試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，氟化梯度折射塑料光纖完全滿足使用要求。 研究要點(diǎn) 1．光纖結(jié)構(gòu) 塑料光纖顧名思義，即構(gòu)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(dá)200－1000μm，其接續(xù)時(shí)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(xù)中芯對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生±30μm偏差都不會(huì)影響耦合損耗。
正是塑料光纖結(jié)構(gòu)賦予了其施工快捷，接續(xù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。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。 2．光纖材料 塑料光纖材料選擇時(shí)，人們應(yīng)重點(diǎn)解決的問題是材料的本身衰減要低、色散要小、化穩(wěn)性要好、制造簡單、價(jià)格低廉等。 當(dāng)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(xué)均勻、折射率調(diào)整便利等；②以單體存在時(shí)通過減壓蒸餾方法就可以提純；③形成光纖的能力強(qiáng)；④加工和化穩(wěn)性好及價(jià)格便宜等。 3．制造工藝 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(chǎn)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(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)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(shí)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?dú)鈴娜萜鞯纳隙藢?duì)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(shí)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(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)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(nèi)，最后將裝有芯混合溶液PMMA管子放入一烘箱內(nèi)，在一定的溫度和條件下聚合。在聚合過程中，PMMA管內(nèi)逐漸被混合溶液溶脹，從而在PMMA管內(nèi)壁形成凝膠相。在凝膠相分子運(yùn)動(dòng)速度減慢，聚合反應(yīng)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(yù)制棒，最后再將塑料光纖預(yù)制棒送入加熱爐內(nèi)加溫拉制成梯度折射率分布塑料光纖。 4．光纖性能 自1966年，英藉華人高錕提出光介質(zhì)表面波導(dǎo)設(shè)想以來，光纖的研究由七十年代起至今經(jīng)歷了由0．85μm多模光纖、1．31μm標(biāo)準(zhǔn)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(shù)與產(chǎn)品的飛躍。
石英玻璃光纖性能的研究重點(diǎn)自始至終定位在衰減、色散、偏振模色散、非線性效應(yīng)等；塑料光纖的性能研究重點(diǎn)則是衰減、色散、熱穩(wěn)定性等。 （1）衰減 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(wěn)定塑料光纖制造工藝降低結(jié)構(gòu)缺陷（如芯直徑波動(dòng)，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?xì)?、碳氟等）伸縮振動(dòng)吸收和電子躍吸收所致的。 在碳?xì)滏I為基本骨架的塑料材料中，在波長650nm處的衰減系數(shù)大約為120db／km，如果用氟原子置換碳?xì)滏I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(qū)無原子振動(dòng)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(shù)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。 （2）帶寬 用作短距離光傳輸介質(zhì)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(fā)生反復(fù)的反射，射出的波形相對(duì)于入射波形出現(xiàn)展寬，故其傳輸帶寬僅為幾十至上百M(fèi)Hz．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(fā)，再以優(yōu)化的梯度折射率分布手段，即可將其折射率分布指數(shù)在0．85－1．3μm波長范圍內(nèi)選定為2．07－2．33，從而抑制模間色散，控制出射光波相對(duì)于入射光波展寬的效果，進(jìn)而可制得傳輸帶寬高達(dá)幾百M(fèi)Hz．km至10GHz．km的梯度折射率分布的塑料光纖。 （3）熱穩(wěn)定 由于塑料光纖是由塑料材料構(gòu)成的，故其在高溫環(huán)境中工作會(huì)發(fā)生氧化降解。氧化降解是光纖芯材料中的羰基、雙鍵和交聯(lián)形成的。氧化降解將促使電子躍遷加快，進(jìn)而引起光纖損耗增大。 為切實(shí)提高塑料光纖的熱穩(wěn)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(wěn)定性長期可靠。 系統(tǒng)應(yīng)用 塑料光纖在短距離通信光傳輸系統(tǒng)中用作光傳輸鏈路確保了高速互聯(lián)網(wǎng)接口快速、雙向、清晰地傳送高分辨率圖像和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。塑料光纖網(wǎng)絡(luò)能開展的寬帶業(yè)務(wù)有：交互多媒體和遠(yuǎn)程教學(xué)等。特別因?yàn)榉荻日凵渎仕芰瞎饫w具有低衰減、高帶寬、價(jià)格便宜、熱穩(wěn)定性好、大芯徑便于接續(xù)施工等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)借助當(dāng)前商用的光收發(fā)端機(jī)和交換機(jī)成功進(jìn)行了高速數(shù)據(jù)、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(tǒng)用的光傳輸介質(zhì)。
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