塑料光纤材料的性能及应用

塑料光纤材料的性能和应用光纤通信的优点通信容量大中继距离长不受电磁干扰资源丰富光纤重量轻、体积小塑料光纤塑料光纤（PlasticOpticalFiber）。塑料光纤（POF）是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、氘化聚合物、氟化聚合物等作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤（光导纤维）。不同的材料具有不同的光衰减性能和温度应用范围。塑料光纤主要性能指标衰减塑料光纤的衰减主要取决于所选用的材料的散射损耗和吸收损耗。要想作为通信级塑料光纤，一个最基本要求就是PMMA塑料光纤的衰减要低最好是小于180dB/km。塑料光纤主要性能指标带宽梯度型塑料光纤是折射率呈梯度分布的光纤，其折射率由芯至包层逐渐降低。只要所形成的梯度折射率分布适宜，便可获得抑制模色散，保持大的数据孔径，控制出射光波相对于人射光波展宽的效果。如折射率分布妥当，那么材料色散就成为决定传输带宽的主要因素。只要在选择时充分注意材料色散，欲制得带宽为数Ghz•km是完全可行的。塑料光纤主要性能指标耐热性最重要的是，塑料光纤的耐热性主要由其成分性能决定。耐热性好的材料成分，决定塑料光纤具有比较好的耐热性。判断材料耐热性的指标有玻璃化温度、维卡软化点、热变形温度等指标。—维卡软化点：工程塑料、通用塑料等聚合物的试样于液体传热介质中，在一定的载荷、一定的等速升温条件下，被1m㎡的压针压入1mm深度时的温度。塑料光纤主要性能指标连接性通信塑料光纤多采用直径1mm的光纤，是石英光纤的8～20倍。粗的塑料光纤的连接比石英光纤要容易得很多。塑料光纤材料选择原则光纤波导（折射率波导）结构分布决定了光纤的传输性能。光纤原材料的选择和制造工艺是保证生产出高质量光纤的必要条件。在选择塑料光纤的原材料时，需要考虑衰减、折射率、成纤能力、物化性能以及生产成本等因素。选择材料考虑因素成形方便材料必须能够制成细长、柔软的光纤。材料透明在特定光波长导光且光损耗小，材料必须是透明的材料。性能兼容要保证光纤芯/包层物理性能彼此适应，必须使用那些具有微小的折射率差，但物理性能彼此相近的材料。选择材料考虑因素材料成本所用的原材料应该是来源丰富，价格便宜的原材料。常用光纤原材料及其作用常用光纤原材料及其作用光纤的结构纤芯包层保护套光纤的结构纤芯core：折射率较高，用来传送光；包层coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；保护套jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。3mm光缆橘色MM黄色SM聚甲基丙烯酸甲酯POF最常用的材料是热塑性塑料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA,PolymethylMethacylate）。PMMA是有乙烯、氢化氰酸、甲醇制成的。它具有阻水、耐稀酸、汽油、矿物油和松酯油侵蚀的能力。PMMA是有典型的分子量为105的长链形成的有机化合物。从材料的光透明特性来看，PMMA是聚合的非晶体结构。它具有优异的透光结构，在360~780nm透光率高达92%，同时其具有良好的耐候性能、电学性能和机械性能，故它是最早的制造POF纤芯的理想材料之一。PMMA表面硬度低，容易被硬物擦伤。PMMA的物理性能肖氏硬度：应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳。撞销是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻。用测得的撞销回跳的高度来表示硬度。PMMA的化学性能每个MMA单体总共具有8个C-H键，这个化合物的C-H键谐振吸收是造成PMMA制成的POF衰减的主要原因。实际上，C-H键在627nm和736nm谐振是决定PMMA-POF吸收损耗的重要原因。最早提出的降低PMMA-POF吸收损耗的方法是，以不同种的材料置换部分或者全部PMMA中的C-H键。然而这种仅仅是置换C-H键，而不能够轻松地消除C-H键。研究发现，采用大原子量的元素置换氢，可以减小谐振吸收，进而降低吸收损耗。例如，以原子量大的氯置换氢，形成的C-Cl键减小了谐振，降低了吸收损耗，从而既降低了衰减，又扩宽了工作的波长范围。聚苯乙烯POF常用的另一种材料是聚苯乙烯（PS,Polystyrene）。PS是人们生活中常用的一种透光率90%的材料。从理论研究得知，PS的衰减要比PMMA小。下表是在没有考虑传输的影响和包层的作用的情况下，通过计算而得到的不同聚合物的理论衰减数值。表中的PMMA-d8代表的是进行氘化处理的PAMM-POF的数值。不同聚合物的理论衰减数值聚苯乙烯的应用PS的折射率n=1.59,它可以用作PMMA-POF(PMMA的n=1.49)的包层。PS的玻璃转变温度大约为100℃，比PMMA高5K。尽管PS德原料价格便宜、购买方便，但是PS得光学和耐紫外线辐射性能不及PMMA，所以用PS制成的PS-POF的耐温性和柔软性都比较差，没有实用价值。1972年，人们制造出了第一根PS-POF。该光纤的衰减系数超过了1000dB/km.直到1995年，PS-POF在波长为670nm的衰减系数才减小到114dB/km.PS-POF的使用温度为70℃，比PMMA-POF稍高。氘化聚合物利用重原子置换氢可以明显地减小聚合物的吸收损耗。只要用氘置换氢就可以简单地获得降低吸收损耗的效果，氘的特性与氢基本相同。人们可以简单地使用所谓的重水（D2O）作为合成的基本材料。使用氘化聚合物制造的POF具有许多优点。就化学性质而言，这些材料呈现由“正常”氢制成的物质的性能，而其衰减系数则比PMMA-POF小一个数量级。这种光纤的特点是，光纤会吸收空气中的水蒸气，质子（原子核）缓慢取代氘，从而导致吸收损耗的再次增大。虽然，可以采用在光纤上涂覆阻水层（包括接头）的方法来解决这个吸收损耗问题，但是这样的做法就违背了获得价格便宜的塑料光纤的目标。氘化聚合物的应用2005年，日本庆应大学的小博康博等人采用界面凝胶法，以氘化聚合物为纤芯材料，PMMA为包层材料制成了氘化聚合物GI-POF。该光纤纤芯直径为500μm，草曾直径为750μm，在长度为100M的光纤上传输带宽打到了1.9GHz,为了进一步降低POF的衰减，延长其工作寿命，人们用氟化聚合物代替氘化聚合物制造POF。氟化聚合物由于氢的原子量是1，而氟的原子量是19，所以氟的吸收带明显地移向红外波长区。氟化塑料光纤（PF-POF)的理论最小衰减系数小于0.2dB/km。在波长为1500nm处，PF-POF的衰减系数与石英玻璃光纤相当。氟化PMMA氟化PMMA具有高透明性、低折射率的性能，故它是现在高宽带和低衰减POF纤芯的理想材料之一。以氟化PMMA作为POF纤芯材料，明显降低了POF在红外线区域的管线衰减，使光纤的工作波长向长波长方向移动，从而可以使POF通信系统能够沿用光纤通信常用的850nm或者1310nm的光电器件。只要衰减系数减小到20dB/km以下，POF允许的传输距离就可以超过1000m。这个距离覆盖铜线数据电缆和玻璃多模光纤的现场应用范围。使得POF完全可以进入光纤使用网中使用。材料的性能与50/125μm石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤具有大的纤芯（500~750μm），允许使用价格便宜的注塑塑料光纤连接器，从而显著地降低了整个传输路线的成本。因此，在21世纪，低衰减、高宽带的GI-POF正逐渐成为短距离、高速率、大容量数据传输的最佳光信号传输介质。塑料光纤传感器塑料光纤传感器材料的性能绝大多数通信用塑料光纤，即GI-POF是由PMMA、氘化PMMA或氟化聚合物材料制成的。通常，GI-POF的衰减是由吸收、散射和弯曲损耗共同作用造成的。要制造出低衰减GI-POF的措施是：①减小掺杂剂的浓度来降低散射损耗；②提高GI-POF的数值孔径，增加导光能力，改善弯曲损耗。减小GI-POF衰减的具体做法是利用高折射率的高分子材料作为掺杂剂，使其掺杂浓度下降，从而减少了光纤中的光散射。另外，采用高折射率的高分子材料作为掺杂剂还可以提高GI-POF的数值孔径，如用5wt%联苯硫化物掺杂剂获得GI-POF的数值孔径为0.27，而PMMA包层GI-POF的数值孔径仅为0.21.一般，PF包层GI-POF在650NM波长的衰减系数为130~160dB/km.塑料光纤的特点柔韧性好联结方便制备方便成本低廉容易进行分子设计和分子结构设计光学非线性强、响应时间快是接入网光信息传输介质最优选择塑料光纤的应用塑料光纤在未来家庭智能化、办公自动化、工业控制网络化、车载机载通信网和军事通信网的数据传输中具有重要地位。利用塑料光纤可以组成家庭网络，把家用PC、娱乐设施、数字设备、家庭安全设备连成网络，达到家庭自动化和远程控制管理，提高生活质量，还可以实现办公设备的联网，实现远程办公。塑料光纤由于重量轻耐用，可以将车载机通信网络和控制系统组成一个网络，将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中、旅客还可通过塑料光纤网络在座位上享受音乐、电影、视频游戏、购物、Internet等服务。但是，从塑料光纤自身的特点来看，塑料光纤的应用领域以短距离、中小容量通信系统比较合适，可作为大容量、长距离石英单模光纤的补充，共同构成完整的全光信息网络有线传输系统。塑料光纤的应用随着计算机和自动控制技术的高速发展，工业自动化水平提高到一个崭新的高度。工业自动化根据其特点和使用方向可分为过程控制自动化、面向生产和制造业的自动化以及自动化测量系统(工业测量仪表)。这些工业自动化系统的建立和发展都有一个共同特点，即由直接控制系统向集散型控制系统发展，而这种集散型控制系统的发展都是以各种工业网络为基础。通过这些形形色色的工业总线系统，各种工业设备构成一个既分散又统一的整体。对塑料光纤来说，工业控制总线系统是其最稳定和最大的市场之一。通过转换器，POF可以与RS232、RS422、100Mbit／s以太网、令牌网等标准协议接口相连，从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路，高速传输工业控制信号和指令，避免了因使用金属电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的危险。