塑料光纖的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景

宋 斌，尤慶亮，王亞珍

（江漢大學(xué) 光電化學(xué)材料與器件省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

塑料光纖的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景

宋 斌，尤慶亮，王亞珍*

（江漢大學(xué) 光電化學(xué)材料與器件省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

塑料光纖具有帶寬高、韌性好、抗干擾能力強(qiáng)、易接續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，在短距離（1～2 km）傳輸中有明顯優(yōu)勢(shì)。首先介紹了塑料光纖的背景和基本特征，然后分析了塑料光纖研制、生產(chǎn)的研究進(jìn)展，以及在光纖到戶、汽車、照明、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用，最后展望塑料光纖在國內(nèi)的發(fā)展前景。

塑料光纖；POF光器件；光纖通信

0 引言

塑料光纖（plastic optical fiber，POF）有別于普通石英玻璃光纖，是一類以聚合物為芯材及包層的光纖。在華人科學(xué)家高錕發(fā)明的石英光纖的蓬勃發(fā)展中，第一根塑料光纖在1968年由美國杜邦公司研制成功，其損耗為1 000 dB·km-1，材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。塑料光纖自問世以來，性能被不斷提高，1983年日本電報(bào)電話公司（NTT）成功研制了損耗僅為20 dB·km-1的全氘化PMMA塑料光纖，這一損耗水平大大接近了普通石英光纖。國內(nèi)一直致力于塑料光纖的相關(guān)研發(fā)工作，而國產(chǎn)的塑料光纖2006年才首次由江西圣大公司制成，衰減系數(shù)達(dá)到180 dB·km-1，在工藝上逐漸打破國外技術(shù)封鎖。2014年基于塑料光纖的家庭全網(wǎng)物理層收發(fā)器設(shè)計(jì)并制造出來，可實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)速傳輸。在歐洲、日本等大量科研人員支持及資金投入之下，塑料光纖的研究與開發(fā)正在快速發(fā)展［1］。

在石英光纖大規(guī)模發(fā)展的20世紀(jì)80-90年代，石英光纖價(jià)格為1 200～400元/km，而每千米的石英光纖的重量?jī)H為10～20 g，一盤20 km的光纖售價(jià)高達(dá)10 000～20 000元。這種高昂的光纖價(jià)格大大激發(fā)了科學(xué)技術(shù)工作者從事塑料光纖的研究與開發(fā)，因?yàn)橥ǔ？梢赃x用的原材料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或者聚苯乙烯（PS），這些原材料的價(jià)格僅為2萬元/t，低成本的塑料光纖具有了巨大的吸引力。與普通石英玻璃光纖相比較，塑料光纖還具有韌性好、芯徑大（是石英光纖的幾十倍）、易接續(xù)、保密性佳、帶寬高等優(yōu)點(diǎn)，作為短距離（1～2 km）通信潛力巨大，在特殊場(chǎng)合如汽車內(nèi)裝、工業(yè)控制、照明、醫(yī)療器械、軍事通訊等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 塑料光纖的基本特征

塑料光纖原材料是以聚合物為主體，這就決定了塑料光纖從原材料的選擇與制作工藝上與石英光纖有很大區(qū)別；在基本結(jié)構(gòu)和傳輸原理上基本相同；高分子材料結(jié)構(gòu)和功能的多樣性也使得塑料光纖的分類以及性能有所不同。

1.1 塑料光纖的原料

原材料的選擇既要考慮其光信息傳輸性能的要求又要兼顧光纖成本，因此首選那些損耗小、易成形、成本低、穩(wěn)定性佳、兼容性強(qiáng)以及透光性好的高分子材料。在過去近60年的研發(fā)歷程中，眾多研究者一般將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、氟化丙烯酸酯聚合物、氘化聚合物、聚苯乙烯（PS）等作為芯材；將透明氟樹脂（CYTOP）、聚四氟乙烯、PMMA作為包層；將聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、醋酸乙烯共聚物（EVA）等作為護(hù)套材料，以增強(qiáng)機(jī)械性能，提高耐化性等。

1.2 塑料光纖的基本結(jié)構(gòu)

塑料光纖內(nèi)部的剖面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)中心對(duì)稱，內(nèi)層為纖芯、外層為包層（如圖1所示）。

圖1 塑料光纖的剖面結(jié)構(gòu)Fig.1 Cross-section structure of POF

1.3 塑料光纖的分類

塑料光纖分為普通型和特殊型。普通塑料光纖按折射分布分為階躍型和漸變型；按應(yīng)用情況分為單模和多模。目前光纖中最常用的是階躍折射率分布（step index，SI）光纖和梯度折射率分布（graded index，GI）光纖。單模階躍塑料光纖的特點(diǎn)是模間色散小，且纖芯直徑一般是石英光纖的50倍，在光纖鋪設(shè)當(dāng)中具有接續(xù)方便、易對(duì)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。多模階躍型塑料光纖模間色散高、帶寬低，主要用于短途低速通信；而多模漸變型塑料光纖實(shí)現(xiàn)高帶寬、高速傳輸。

特殊塑料光纖分為功能、結(jié)構(gòu)兩類特殊塑料光纖，如閃爍塑料光纖（功能型）監(jiān)測(cè)核輻射，利用塑料光纖測(cè)量γ輻射距離［2］；微結(jié)構(gòu)塑料光纖（結(jié)構(gòu)型）具備新的傳輸特性等。

1.4 塑料光纖的性能

塑料光纖的基本材料決定其衰減，由于聚合物的結(jié)構(gòu)，分子鍵伸縮振動(dòng)和電子躍遷均產(chǎn)生吸收損耗，用F原子置換C-H鍵中的H原子，衰減就由120 dB·km-1降為原來的1/4。而折射率分布則決定其帶寬，階躍折射率分布塑料光纖存在模間色散，帶寬僅為幾百M(fèi)Hz·km，含氟塑料光纖折射率分布均勻，帶寬提升至10 GHz·km。

2 塑料光纖的技術(shù)進(jìn)展

塑料光纖研究的一個(gè)重點(diǎn)是降低衰減，需要降低吸收、散射以及彎曲損耗。首先，纖芯材料損耗要?。蝗缓?，摻雜劑結(jié)構(gòu)與纖芯材料相似，折射率較高，以降低散射損耗；最后適當(dāng)摻雜以降低纖芯本征損耗。塑料光纖研究的另一個(gè)重點(diǎn)是提高帶寬，需要降低模間色散、材料色散以及折射率分布色散。

塑料光纖性能的提高不僅取決于材料的選擇，而且取決于制造工藝。不同的制造工藝使折射率分布達(dá)到不同設(shè)計(jì)要求，決定了塑料光纖的性能。

POF的制造的工藝一般分為一步法和兩步法［3］：一步法，連續(xù)擠塑，一般用于生產(chǎn)SI-POF；兩步法，先制預(yù)制棒、后拉絲，一般用于生產(chǎn)GI-POF。常見的制造方法有界面凝膠聚合法、連續(xù)生產(chǎn)法等，如表1所示。其中，又以預(yù)制棒的生產(chǎn)最為關(guān)鍵。因此，研究者設(shè)計(jì)了行之有效的方法，如界面凝膠聚合法技術(shù)已經(jīng)很成熟，使折射率分布良好；離心聚合法使折射率分布呈漸變型；連續(xù)生產(chǎn)法，提高了生產(chǎn)效率，從而降低了成本；擴(kuò)散與旋轉(zhuǎn)組合法，縮短了聚合反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)旋轉(zhuǎn)速度差使得折射率分布呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱等。考慮到塑料光纖的功能與制造成本，采用不同的工藝來滿足相應(yīng)的需求。

表1 POF的制造方法Tab.1 Manufacturing methods for POF

20世紀(jì)70年代之后經(jīng)科研工作者的研究使塑料光纖性能得到極大提高。衰減最低達(dá)2.5 dB/km，已經(jīng)接近于石英光纖；帶寬也實(shí)現(xiàn)近千MHz·km，能滿足家居和工業(yè)的要求；傳輸速率最高達(dá)40 Gbit·s-1，能快速穩(wěn)定的傳輸信息；傳輸距離近千米，拓寬了塑料光纖的應(yīng)用范圍。不同生產(chǎn)廠家和研究者制造的塑料光纖數(shù)據(jù)［4］如表2所示。

表2 不同單位制造的POFTab.2 Data of different POF made in different factories

在其他方面：古河公司改變芯材實(shí)現(xiàn)耐熱達(dá)145℃，若用聚四氟乙烯作包層，可進(jìn)一步提高耐熱性；美國研制的PFX塑料光纖抗輻照性能優(yōu)異；美國麻省波士頓光纖公司研制的Opti-Giga塑料光纖柔性好［5］；匈牙利建筑師將光導(dǎo)纖維埋人混凝土［6］（屬于一種新穎的建材），不但可改善屋內(nèi)采光，還有裝飾作用；我國于2013年由中建三局研制了塑料光纖混凝土，并申請(qǐng)了發(fā)明專利。

3 塑料光纖的應(yīng)用

塑料光纖在光纖到戶、汽車內(nèi)裝、傳感器和工業(yè)控制總線系統(tǒng)、照明裝飾、特種通訊等領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)為帶寬高、傳輸快、穩(wěn)定、安全、性能獨(dú)特等。

3.1 光纖到戶

塑料光纖在短距離（100 m）傳輸中表現(xiàn)出良好的性能，如帶寬高、傳輸快、抗干擾強(qiáng)，重量輕，韌性好，易布線，接續(xù)成本低等［7］。因此，相比于石英光纖和銅線，塑料光纖有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在“光進(jìn)銅退”趨勢(shì)下實(shí)現(xiàn)全光傳輸，塑料光纖有著極大的潛力。

石英光纖在信息遠(yuǎn)距離傳輸中具有衰減小的突出優(yōu)點(diǎn)，但因其材料的原因易碎、不可小角度彎折、布線困難并需要專業(yè)人員、接續(xù)成本也高。相比之下塑料光纖克服了這些缺點(diǎn)。塑料光纖纖芯直徑是石英光纖的50倍，韌性好、易布線，安裝成本僅為石英光纖的1/10左右，連接費(fèi)用極低，安裝與維護(hù)成本大大降低。因此解決短距離高帶寬、大容量傳輸，具備石英光纖不具備的顯著優(yōu)點(diǎn)?？姷驴〉龋?］的研究實(shí)現(xiàn)了部分塑料光纖信號(hào)和石英光纖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以期解決光纖到戶的工作波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換問題。只要樓宇配備相應(yīng)的有源設(shè)備，那么石英光纖與塑料光纖之間的傳輸就水到渠成，改變以往最后100 m的光電傳輸（光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）為光光傳輸（光信號(hào)直接由石英光纖傳輸?shù)剿芰瞎饫w），這種方式將使得家庭可以直接高速接入互聯(lián)網(wǎng)更好地進(jìn)行“三網(wǎng)合一”，對(duì)于今后的智能家庭醫(yī)療、家庭課堂具有重要的意義。

銅纜在通信傳輸中性能有過多次提升，但基于為不產(chǎn)生干擾的原理，銅纜與電話線共用時(shí)限制了帶寬（Mbit·s-1）；而且銅資源有限，價(jià)格逐漸增高。塑料光纖與銅線相比，具有成本低、帶寬高（Gbit·s-1）、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。吳勝明等［9］利用易布線的塑料光纖傳輸，采用AT軟件協(xié)議提高自動(dòng)抄表效率。無線網(wǎng)雖然應(yīng)用廣泛，但抗干擾能力差，穩(wěn)定性不強(qiáng)。塑料光纖同時(shí)具備帶寬高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，將電視、電話和上網(wǎng)終端都連接在一起，三者能互不干擾，真正實(shí)現(xiàn)“三網(wǎng)融合”。日本、美國、韓國等國均加快塑料光纖的發(fā)展，瑞士電信一直專注于高清IPTV應(yīng)用，一致認(rèn)為塑料光纖是最佳介質(zhì)，并能提供給家庭用戶［10］；法國、美國對(duì)于塑料光纖的研究較早，也不斷推廣塑料光纖在家居中的應(yīng)用。塑料光纖在智能家居［11］中也有極大潛力，將空調(diào)、電視、燈等聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化與監(jiān)控。

3.2 汽車內(nèi)裝

塑料光纖具有低噪、傳輸效率高，傳播光線獨(dú)特且美觀等優(yōu)點(diǎn)。因此，在汽車內(nèi)裝的多媒體與燈飾中，具有高品質(zhì)的特點(diǎn)。

對(duì)于汽車，長(zhǎng)期在有干擾的環(huán)境下行駛，德國成功研制了MOST（24 Mbit·s-1）多媒體總線系統(tǒng)，并應(yīng)用于寶馬轎車，符合國際MOST標(biāo)準(zhǔn)。塑料光纖無輻射、無干擾、低噪，傳輸效率高，能夠?yàn)槎嗝襟w播放提供高品質(zhì)的圖像和音頻。車內(nèi)用塑料光纖連接線連接音響時(shí)的信號(hào)好且穩(wěn)定；其本身易卷曲、結(jié)實(shí)、價(jià)格低廉。在電腦、DVD、打印機(jī)等方面，塑料光纖的用量也很大，僅DVD跳線出口市場(chǎng)需求就超過1億元。

塑料光纖應(yīng)用于汽車已成為一種趨勢(shì)，又如車內(nèi)裝中塑料光纖燈飾光照柔和且無影（多燈共光源），帶來更為舒適的用戶體驗(yàn)。

3.3 傳感器和工業(yè)控制總線系統(tǒng)

塑料光纖傳輸穩(wěn)定，光信號(hào)監(jiān)測(cè)靈敏度高。因此，在傳感器和工業(yè)控制總線系統(tǒng)兩個(gè)方面性能優(yōu)良。

近幾年發(fā)展很快的一個(gè)方面是塑料光纖傳感器，其電絕緣性好、抗電磁能力強(qiáng)、靈敏度高等，實(shí)現(xiàn)了光電信號(hào)與被測(cè)信號(hào)之間聯(lián)系，測(cè)量量的改變引起光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率等參數(shù)的改變，響應(yīng)穩(wěn)定且靈敏。如人體心臟和呼吸傳感器［12］、高精度水位傳感器［13-14］、金屬板材形變傳感器［15］、尿酸濃度傳感器［16］、TNT濃度傳感器［17］、放射性診斷ESD傳感器［18］，這些傳感器測(cè)定信號(hào)可靠。在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面也有發(fā)展前途，如濕度傳感器、氧傳感器等。

另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化的水平越來越高，控制系統(tǒng)發(fā)展到FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）。其中，工業(yè)以太網(wǎng)具有傳輸速度高、兼容性好、成本低等特點(diǎn)；現(xiàn)場(chǎng)總線控制種類繁多，塑料光纖通過轉(zhuǎn)換器與RS485、千兆以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口相連，實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)控制和現(xiàn)場(chǎng)控制相結(jié)合。以數(shù)字信號(hào)顯示與控制，能提供穩(wěn)定可靠的通信［19］，能大數(shù)據(jù)量、高速率傳輸，并不受生產(chǎn)過程中電磁波的干擾。

3.4 照明裝飾

塑料光纖端點(diǎn)和中間均可發(fā)光，顏色多樣、結(jié)構(gòu)可控，因此，能設(shè)計(jì)出美觀的燈具結(jié)構(gòu)和美妙的燈光效果，在照明裝飾方面應(yīng)用廣泛，如文物保護(hù)、礦洞照明、娛樂場(chǎng)所、醫(yī)療器械、水景裝飾等。

塑料光纖照明安全、環(huán)保、節(jié)能、維修方便、效果獨(dú)特［20］，例如在文物保護(hù)中，實(shí)現(xiàn)光照可控，且光電分離，能消除隱患；在礦洞照明時(shí)，也能減少瓦斯爆炸等災(zāi)難的發(fā)生；在娛樂場(chǎng)所，組合各種豐富圖形、模擬星空效果（如圖2所示），美觀且經(jīng)濟(jì)；在醫(yī)療器械中，如各種內(nèi)窺鏡、淚道激光器、激光血療儀等，能提供良好的手術(shù)設(shè)備及環(huán)境。吳俊峰等［21］用塑料光纖使基底可調(diào)、增大視場(chǎng)角。在水景、道路、園林綠化等場(chǎng)合，也能發(fā)揮獨(dú)特的效果，并且安全性高，帶給人們舒適的生活體驗(yàn)。

圖2 塑料光纖照明Fig.2 POF for lighting

3.5 其他方面

塑料光纖保密性佳、韌性好、重量輕，制成的特種塑料光纖易攜帶，可以應(yīng)用于部分軍事通訊，發(fā)揮穩(wěn)定的性能。RICHARDS等［22］將SI-POF用于航空電子通信，引入兩步模擬方法后，比傳統(tǒng)的時(shí)間/頻率方法更快、更有效。

塑料光纖的材料以高分子作為主體，而且高分子的結(jié)構(gòu)和功能的多樣化，也將使得塑料光纖使用范圍逐漸變大。

4 塑料光纖的發(fā)展前景

目前塑料光纖的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手仍然是技術(shù)不斷成熟的石英光纖，自2002年年底互聯(lián)網(wǎng)泡沫破裂后，全球光纖光纜產(chǎn)業(yè)突然進(jìn)入生產(chǎn)過剩的局面，2001年多模光纖的價(jià)格仍然高居1 500元/km，而2002年年底多模光纖的價(jià)格就已經(jīng)只有120元/km，隨著市場(chǎng)的進(jìn)一步成熟及規(guī)?；瘍?yōu)勢(shì)其價(jià)格目前只有80～90元/km，石英光纖的跳水式降價(jià)大幅度擠壓了塑料光纖的研發(fā)熱情與生產(chǎn)積極性。

石英光纖的生產(chǎn)者也一直致力于改善石英光纖的抗彎曲特性，通過光纖涂料的優(yōu)化及光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司研發(fā)成功了的可用于墻角布線的抗彎曲G.657B3單模光纖，顯然在家用領(lǐng)域這種抗彎曲G.657B3單模光纖又成為了塑料光纖的強(qiáng)勁對(duì)手。

雖然如此，我國科技工作者仍在堅(jiān)持尋找塑料光纖的生命力所在。2014年3月中科院理化所能自主產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)PMMA塑料光纖，日產(chǎn)10萬m，衰減為170～200 dB·km-1，標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域具備了塑料光纖的生產(chǎn)能力。

據(jù)IGI Consulting的一項(xiàng)研究，預(yù)計(jì)全球塑料光纖產(chǎn)業(yè)銷售額到2015年將達(dá)47億美元，包括家用網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子、汽車、飛機(jī)、工控等領(lǐng)域［23］。隨著高分子材料的開發(fā)與性能研究的不斷深入，無論是平民化的還是特種化的塑料光纖都會(huì)有安全穩(wěn)定的效果。塑料光纖在我國占有比例遠(yuǎn)不及歐洲、美國等，因此，塑料光纖在多種行業(yè)中有巨大的發(fā)展空間。塑料光纖抗干擾性強(qiáng)、易布線、帶寬高，在今后智能家居中能穩(wěn)定、綜合、快速地反映信號(hào)，更多用途的傳感器也將被生產(chǎn)出來，不僅實(shí)現(xiàn)異地了解家居情況，也能可控化。開發(fā)塑料光纖的功能性與多樣性，以期滿足消費(fèi)者物質(zhì)與精神上多方面的要求，實(shí)現(xiàn)更好更舒適的用戶體驗(yàn)。

5 結(jié)語

基于塑料光纖韌性好、成本低、帶寬高、抗干擾、易對(duì)接等優(yōu)點(diǎn)，作為光纖通訊及光纖廣泛用途中的特定補(bǔ)充，塑料光纖也將迎來新的機(jī)會(huì)：塑料光纖在光纖到戶、智能家居、數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)控制、特殊照明等系統(tǒng)應(yīng)用潛力大。塑料光纖作為在短距離通訊傳輸中，作為替代石英光纖和銅線的最佳選擇之一，能夠提供穩(wěn)定的信號(hào)，低成本的服務(wù)，高品質(zhì)的享受。塑料光纖研究的重點(diǎn)依然是進(jìn)一步降低衰減，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，優(yōu)化生產(chǎn)流程，在其應(yīng)用方面也應(yīng)尋求更多的突破點(diǎn)，逐漸形成多功能并用體系，以增加適用范圍，形成規(guī)模優(yōu)勢(shì)。

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（責(zé)任編輯：范建鳳）

Research Progress and Applications of Plastic Optical Fiber

SONG Bin，YOU Qingliang，WANG Yazhen*
（Key Laboratory of Optoelectronic Chemical Materials and Devices of Ministry of Education，School of Chemistry and Environment Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Plastic optical fiber（POF）has obvious advantages in the short distances（1～2 km）of transmission，such as high bandwidth，good toughness，strong anti-interference ability and easily connecting.Firstly，the background and the basic characteristics of POF were introduced.Secondly，the research progress of development and production was analyzed，and the applications in many fields were reviewed，such as the optical fiber to the home（FTTH），car industry，lighting，industrial control，et al. Finally，the prospect was looked forward.

plastic optical fiber（POF）；POF optical device；optical fiber communication

TN818-39

A

1673-0143（2015）02-0127-06

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.02.006

2014-12-26

武漢市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目（201250499145-9）；江漢大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（01004210001）

宋 斌（1989—），男，碩士生，研究方向：電化學(xué)傳感與檢測(cè)。

*通訊作者：王亞珍（1973—），女，教授，博士，研究方向：電子化學(xué)材料。E-mail：yazhenwang@163.com