塑料光纤(POF)的研究及其应用

重庆工业职业技术学院1塑料光纤的研究及其应用重庆工业职业技术学院毕业论文学生姓名：陶有兴指导教师：陈媛媛专业：计算机通信重庆工业职业技术学院自动化系二O一二年十一月重庆工业职业技术学院2目录中文摘要.................................................4绪论.....................................................61网络与通信的发展趋势....................................81.1网络的发展趋势..........................................................81.2通信的发展趋势..........................................................82光纤通信的优势........................................112.1铜缆传输的缺陷.........................................................112.2采用光纤通信的优点.....................................................113塑料光纤...............................................133.1塑料光纤的概念.........................................................133.2塑料光纤和石英光纤的比较...............................................133.3塑料光纤的传光原理.....................................................143.3.1光的基础知识......................................................143.3.2几何光学理论......................................................153.3.3子午光线在阶跃型POF中的传输......................................153.3.4子午线在阶跃型光纤中的几何行程和反射次数..........................163.3.5斜光线在阶跃型折射率POF中的传输..................................163.3.6光在渐变型折射率分布POF中的传输..................................163.3.7侧面发光POF的传光原理............................................173.3.8荧光POF的传光原理................................................174塑料光纤在工程中应用...................................195塑料光纤研究中需解决的问题.............................206塑料光纤应用前景.......................................21重庆工业职业技术学院37结论...................................................22致谢....................................................23参考文献................................................24重庆工业职业技术学院4中文摘要塑料光纤(PlasticOpticalFiber简称POF)，是采用聚合物材料或有机材料制备而成的可传导光功率的传输线。POF有多种分类方法，按折射率结构分，可分为阶跃折射率分布型SIPOF和渐变折射率分布型GIPOF；按芯材分尝，可分为聚苯乙烯PS芯POF、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA芯POF等：若按光纤发光特性分类，可分为侧面发光(Side—Light)POF(简称SLPOF)、端发光(End—Li曲t)POF(简称ELPOF)。自1970年美国康宁公司研制出石英玻璃光纤后，同年贝尔又试制成半导体激光器，这两项新技术的结合，开创了光信息传输的新时代。玻璃光纤有一个致命的弱点就是强度低，抗挠曲性能差，而且抗辐射性能也不好。因此，近20多年来，科学家们一直没有停止过对塑料光纤的探索。目前，在“光纤到户”的拉动应用下，塑料光纤展现了其巨大的市场潜力。塑料光纤的研究始于二十世纪60年代．1968年美国杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯为芯材制备出塑料光纤，但光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以PMMA和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，其光损耗为3500dB／km，难以用于通信。80年代日本的一些大企业和大学对低损耗塑料光纤的制备进行了大量的研究。1980年三菱公司以高纯MMA单体聚合PMMA，使塑料光纤损耗下降到100．200dB／km。1983年NTT公司开始用氘取代聊仰d^中的H原子，使最低光损耗可达到20dB／km，并可传输近红外到可见光的光波。近几年来，欧日等国的公司对塑料光纤的研制取得了重要的进展。它们研制成的塑料光纤，光损耗率已降到25～9dB／km，其工作波长已扩展到870微米(近红外光)，接近石英玻璃光纤的实用水平。美国研制的一种PFX塑料系列光纤，有着优异的抗辐照性能。此外，美国麻省波士顿光纤公司研制的Opfi．Oiga塑料光纤更是引人注目，它不仅比玻璃轻、柔性更好、成本更低，而且可在100米内以每秒3兆比特的速度传输数据．这种光纤还可以利用光的折射或光在纤维内的跳跃方式来达到较高的传输速度。2001年下半年是欧洲塑料光纤工业发展的重要阶段，在这段时间内建立了欧洲塑料光纤检验和测量的新发展方针。世界上第一个专用塑料光纤应用中心(POFAC)在德田Nuremberg落成。德国采用塑料光纤已经研制成功了多媒体总线系统MOST(24MbiVs)，并且有几家轿车制造商己把该系统引入到自己的产品上。德国汽车工业不仅推动了塑料光纤的应用，而且也推动了塑料光纤检验和测量标准的建立。德国工程师学会和电子工程学会研究小组已经详细规定了塑料光纤数值孔径、衰减、传输和机械特性以及环境和全国第一届塑料光纤研究、生产和应用会议寿命的测量方法。塑料光纤检验方法和标准的建立必将促进国际塑料光纤贸易的发展，并消除贸易中的误解。日本对塑料光纤的应用十分重视，早在几年前，NEC、富士通、住友电器工业公司等45家光通信、多媒体产品的生产厂家就联合宣布，将共同实现己在日本开发成功的塑料光纤的实重庆工业职业技术学院5用化。1986年，日本F富士通公司以PC为纤芯材料开发出sI型耐热POF，耐热温度可达135摄氏度，衰减达450dB／km；1990年，日本庆应大学的小池助教授开发成功折射率渐变型的塑料光纤，芯材为含氟PMMA、包层为含氟，用界面凝胶技术制造，该塑料光纤衰减在60dB／km以下，光源650．1300nm，100m带宽3GHz，传输速率10Gb／s，超过了GI型石英光纤，并被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介。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公司进行了155Mbi以的ATM、LAN的试验。在2000年OFC会议上，日本ASAHIGLASS公司报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数在850nm为41dB／km，在1300nm为33dB／km，带宽已达100MHz。用这种光纤成功地进行了50m、2．5Gbit／s的高速传输试验和70摄氏度长期热老化试验。实验结论为氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离的通信使用要求。关键词：塑料光纤（POF），传输损耗，折射率塑料光纤(GI2POF)，采用吸附分离，传输带宽重庆工业职业技术学院6绪论塑料光纤的发展历史塑料光纤的研究始于二十世纪60年代。1968年美国杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯为芯材制备出塑料光纤，但光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以PMMA和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，其光损耗为3500dB/km，难以用于通信。80年代日本的一些大企业和大学对低损耗塑料光纤的制备进行了大量的研究。1980年三菱公司以高纯MMA单体聚合PMMA，使塑料光纤损耗下降到100-200dB/km。1983年NTT公司开始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光损耗可达到20dB/km，并可传输近红外到可见光的光波。近几年来，欧日等国的公司对塑料光纤的研制取得了重要的进展。它们研制成的塑料光纤，光损耗率已降到25～9分贝/公里。其工作波长已扩展到870微米(近红外光)，接近石英玻璃光纤的实用水平。美国研制的一种PFX塑料系列光纤，有着优异的抗辐照性能。此外，美国麻省波士顿光纤公司研制的Opti-Giga塑料光纤更是引人注目，它不仅比玻璃轻、柔性更好、成本更低，而且可在100米内以每秒3兆比特的速度传输数据。这种光纤还可以利用光的折射或光在纤维内的跳跃方式来达到较高的传输速度。现在美欧日已把塑料光纤用于短途传输，如汽车、医疗器械、复印机等。日本对塑料光纤的应用十分重视，早在几年前，NEC、富士通、住友电器工业公司等45家光通信、多媒体产品的生产厂家就联合宣布，将共同实现已在日本开发成功的塑料光纤的实用化。就目前塑料光纤生产量而言，日本也是世界上最大的塑料光纤生产者，然而却是欧洲推动了塑料光纤新应用领域的开发并建立了光纤检验标准。2001年下半年是欧洲塑料光纤工业发展的重要阶段，在这段时间内建立了欧洲塑料光纤检验和测量的新发展方针。世界上第一个专用塑料光纤应用中心(POFAC)在德国Nuremberg落成。德国采用塑料光纤已经研制成功了多媒体总线系统MOST(24Mbit/s)，并且有几家轿车制造商已把该系统引入到自己的产品上。德国宝马公司(BMW)在其新的7个系列产品中开创了使用100m塑料光纤的记录。欧洲2001年塑料光纤学术交流会和欧洲光纤通信会议同时在荷兰的阿姆斯特丹举行。德国汽车工业不仅推动了塑料光纤的应用，而且也推动了塑料光纤检验和测量标准的建立。日本也建立了塑料光纤标准，但这些标准对欧洲共同体是无效的。日本工业标准只给出了一种型号塑料光纤的标准，其数值孔径为0.5，而且只有650nm一种波长。该标准没有提及在塑料光纤中的不同激励光条件，也没有规定必须在塑料光纤内形成平衡模分布。重庆工业职业技术学院7国内外塑料光纤最新应用进展ＦＴＴＨ凭着接入带宽高、可靠性高等优势已经成为公认的接入网发展的长远目标和最终解决方案。近年来，我国光纤接入市场正进入一个前所未有的高速增长期，全国各地的ＦＴＴＨ商用工程更是如雨后春笋般涌现，部署规模和部署速度与往年相比有很大的飞跃。江苏等省份将全面停止ADSL铺设，全面实行光纤到户。江西省政府也提出在大中城市建设高速、大容量骨干传输，窄带、宽带相结合，固定、移动等方式灵活接入的智能用户接入网络，逐步地实现光纤到户。广东、安徽、北京等地的光纤到户发展速度也异常迅猛。但在FTTH建设中，石英光纤存在着连接难度大、生产成本高、系统安装及维护费用高等问题，大大提高了FTTH的建设成本，增加了用户的负担，阻碍了FTTH的进一步推广。为了解决这个问题，业界一直没有停止过对其它材料光纤的研发，其中对塑料光纤（POF）的研发是目前业界最热门的研究领域之一。POF以其芯径大、柔韧性好、可塑性强、质量轻、价格低廉等优点而受到国际上的普遍关注。因此利用通信用POF配合石英光纤，在FTTH的末端（家庭综合布线）将发挥很大效用，可以解决“最