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相關(guān)專題：
1.前言
光纖通訊比傳統(tǒng)的電纜通訊有3大優(yōu)點(diǎn)：一是通信容量大；二是抗電磁干擾、保密性能較好；三是重量輕，并可節(jié)省大量的銅，如鋪設(shè)1000公里長的8芯光纜比鋪設(shè)同樣長度的8芯電纜可節(jié)省1100噸銅，3700噸鉛。因此光纖光纜一經(jīng)問世就受到通信業(yè)界的歡迎，帶來了通訊領(lǐng)域的革命以及一輪投資發(fā)展熱潮。但我們在以往的光纖通訊中，傳輸媒介均采用玻璃光纖，玻璃光纖有一個致命的弱點(diǎn)就是強(qiáng)度低，抗撓曲性能差，而且抗輻射性能也不好。因此，近20多年來，業(yè)界一直沒有停止過對光纖其他材料的代用研發(fā)。近些年隨著對塑料光纖傳輸原理的研究及產(chǎn)品的成功試制、試用，發(fā)現(xiàn)其已能在部分領(lǐng)域代替玻璃光纖，用塑料光纖制成的商用產(chǎn)品在一些領(lǐng)域已進(jìn)行廣泛應(yīng)用，如照明、信息傳輸?shù)取?
2.光在塑料光纖中的傳輸原理
2.1 子午光線在階躍型POF中的傳輸階躍型POF是一種具有芯皮結(jié)構(gòu)的光纖。
子午平面指的是包含有光纖軸的平面，所謂子午線，就是光線的傳播路徑始終在同一平面內(nèi)，子午光線總是和光纖軸相交的，光在一種均勻介質(zhì)傳播時是一種直線式傳播：當(dāng)光從一種介質(zhì)傳至另一介質(zhì)表面時，一般同時發(fā)生反射和折射；如果光從折射率小的光疏介質(zhì)射入折射率大的光密介質(zhì)時，則折射角小于入射角；而當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時折射角將大于入射角，因而當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時就有可能出現(xiàn)只有反射而無折射的現(xiàn)象，這就是全反射，全反射是光折射的一種邊界效應(yīng)，即光從一種透明介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)里而發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。POF就是通過全反射原理進(jìn)行光傳輸?shù)摹?/p>
由折射定律公式可得出：
n1sinθ1=n2sinθ2
這里n1、n2分為芯皮折射率，θ1、θ2分為入射角和折射角，設(shè)發(fā)生全反射的臨界角為θm,此時θ2=90°，故而當(dāng)入射角θ1>θm時，則光在芯皮界面上發(fā)生全反射，而當(dāng)入射角θ1<θm時，則光在芯皮表面上出現(xiàn)折射，有一部分光從芯材泄漏至皮層外。由全反射臨界角同樣可推出光纖截面臨界入射光纖角θ0，在空氣和光纖截面界面上，同樣有：
n0sinθ0=n1sin(90°－θm)=n1cosθm
其中，n0為空氣折射率，設(shè)定其值同于真空折射率值1.0，即n0=1.0。
只有當(dāng)外界光入射角θ小于θ0時，光線才能在光纖中以全反射的形式向前傳播，從光纖一端傳至光纖另一端，所以，光纖臨界接受角為θ0。所以光在SI POF光纖的傳輸方式為全反射式鋸齒型。
光纖數(shù)值孔徑是光纖一個重要指標(biāo)之一，NA值越大，則θ0越大，光纖臨界入射角越大，則光纖端面接受光或發(fā)射光角度越大，光纖的集光能力愈強(qiáng)，愈便于光纖同光纖連接或同光源耦合。常規(guī)POF的光纖數(shù)值孔徑參見如下表。
POF PS芯 PMMA PC芯 側(cè)面發(fā)光POF
POF 芯POF POF (ESK-PH)
芯材折射率 1.59 1.495 1.59 1.475
皮材折射率 1.49 1.402 1.31 1.34
數(shù)值孔徑NA 0.55 0.5 0.9 0.65
最大入射角 67° 60° 28° 75°
2.2 子午線在階躍型光纖中的幾何行程和反射次數(shù)
由于子午光線入射光纖中并不是同一角度，故而其在光纖中的幾何行程也不相同。無論是子午線在光線中的行程計(jì)算公式還是反射次數(shù)計(jì)算公式，都是假定光纖是處于非常理想狀態(tài)下——光纖非常直，光纖直徑均勻，光纖內(nèi)部無缺陷和光纖入射端面平直等，倘若光纖不在這一理想條件下，則入射子午線全反射的狀況就會發(fā)生變化，如有的會從光纖中反射出，有的反射角會發(fā)生變化等，因此光纖的傳輸損耗也會增加。
2.3 斜光線在階躍型折射率POF中的傳輸
所謂斜面光線，就是光在光纖中傳輸時，并不是像子午光線一樣保證在同一平面內(nèi)，它在光纖中傳輸時，其軌道通常是一空間螺旋曲線，其最大入射角比子午線的大，但通常以子午線傳輸表征光纖的傳輸特性，自然這是最理想的一種狀況。
2.4 光在漸變型折射率分布POF中的傳輸
對于漸變型折射率GI POF，同樣有子午線和斜光線，這種光纖折射率并不是一恒定常數(shù)，而是隨著離軸距離的增加而折射率下降；拋物線型折射率分布光纖具有較小的模式色散的特點(diǎn)，漸變折射分布有多種形式，當(dāng)折射率分布按二次方拋物線分布時，子午線在光纖中的傳播路徑為正弦曲線型，斜光線的傳播路徑為螺旋曲線，漸變型折射率POF多用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，用于光纖照明較少。
這種光纖傳輸?shù)募す饽芰糠植冀咏麲auss分布，即在光纖軸附近具有更高的光能量密度，也就是說激光能量更為集中，其傳輸?shù)募す夤β拭芏龋ɑ蚍Q激光強(qiáng)度）I可認(rèn)為與纖芯直徑α的平方成正比。若保持光纖傳輸?shù)募す夤β什蛔兊脑�，減小光纖芯徑即減小傳輸激光能量的光纖纖芯的橫截面面積，則光纖傳輸?shù)募す夤β拭芏葘⒃黾�，�?dāng)光在這種GI POF傳輸時，可以說是一種極低能量的傳輸。
2.5側(cè)面發(fā)光POF的傳光原理
側(cè)面發(fā)光POF是指光在光纖傳輸過程中，不僅將傳輸光從光纖的入射端面?zhèn)鬏斨脸錾涠嗣�，而且還有一部分光從光纖包覆層透射出來，從而形成光纖側(cè)面發(fā)光的現(xiàn)象，這種光纖被稱為側(cè)面發(fā)光POF，其實(shí)質(zhì)是傳輸光有一部分從光纖側(cè)面泄漏出，是一種光散射的結(jié)果，對于單芯側(cè)面發(fā)光POF多是由非固有損耗產(chǎn)生的，而對于多芯側(cè)面發(fā)光POF則是由于彎曲損耗產(chǎn)生的。
側(cè)面發(fā)光POF最顯著的特征是側(cè)面發(fā)光，側(cè)面發(fā)光POF的側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度是隨其長度的增加而呈指數(shù)性下降的，發(fā)光強(qiáng)度與其傳輸長度的關(guān)系如下：
假定a)側(cè)面發(fā)光的原理僅被認(rèn)為是由于光纖芯傳輸輻射引起的。
b)所有最初的側(cè)面散射光沒有損耗的穿透光纖圓形表面，而是均勻地傳輸至光纖外表面。
則側(cè)面發(fā)光POF在長度為X米處的發(fā)光強(qiáng)度Is(x)可用如下公式表示：
Is(x)=Aexp(-kx)
其中K為側(cè)面發(fā)光系數(shù)，A為一常數(shù)。
因此在實(shí)際使用過程中，為保證側(cè)面發(fā)光POF側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度的均勻性，通常限制側(cè)面發(fā)光POF的使用長度，并且在側(cè)面發(fā)光POF的兩端皆設(shè)置相同功率的光源或者一端設(shè)置全反射鏡或反光膜，當(dāng)然前者在更長的使用長度上保證光纖側(cè)面發(fā)光的均勻性，選用雙光源的側(cè)面發(fā)光POF在某一處的發(fā)光強(qiáng)度IS2(x)可用如下公式計(jì)算。
IS2(x)=A
其中L為側(cè)面發(fā)光POF總長度。
選用全反射鏡計(jì)算的側(cè)面發(fā)光POF強(qiáng)度可用如下公式計(jì)算：
ISR(x)=A
其中R為鏡面反射率。
因存在光傳輸損耗，側(cè)面發(fā)光的亮度將隨著與光源距離的增大而減小，為使光纖單位長度內(nèi)的亮度接近一致，可對單端光源的光纖按長度進(jìn)行刻痕處理，隨光纖長度遞增，刻痕間距遞減。在實(shí)際使用過程中，當(dāng)側(cè)面發(fā)光POF的使用長度在30m以下時，多配用一臺150W金鹵燈光源，另端配用反光鏡或反光膜；當(dāng)側(cè)面發(fā)光POF的使用長度在30～60m之間時，多配用兩臺150W金鹵燈光源,以保證側(cè)面發(fā)光POF的側(cè)面發(fā)光的均勻性。
2.6 熒光POF的傳光原理
熒光POF就是在POF芯材中摻入一定量的熒光劑制備而成的POF，這種POF經(jīng)過特定波長的光照射后，將發(fā)出特定波長的光，其原理比較復(fù)雜，可簡單認(rèn)為基態(tài)分子中成鍵電子吸收光后激發(fā)，然后單線態(tài)分子返回到基態(tài)，即發(fā)出熒光。熒光POF按折射率分布結(jié)構(gòu)分類，可分為熒光SI POF 和熒光GI POF，摻雜有機(jī)染料的POFA最重要特性是在寬波長范圍內(nèi)提供高功率輸出。熒光POF的傳光原理滿足一般的SI型光纖的傳光特性，但入射光的波長不同于出射光的波長。
熒光POF還有另一種傳光方式，這就是入射光可從側(cè)面照射熒光POF，出射光從光纖兩端面出射，當(dāng)然入射光的波長不同于出射光的傳輸波長。
熒光材料的光特性主要依賴于基質(zhì)材料，熒光POF增益放大特性同泵浦波長、熒光POF長度及所用摻雜劑和濃度有關(guān)。所謂增益G是指POF輸出信號光功率Pout與輸入光功率Pin之間的一種比值。
3.塑料光纖的應(yīng)用
通過對塑料光纖的傳光原理的研究及相關(guān)材料的開發(fā)，歐日等國的公司對塑料光纖的研制取得了重要的進(jìn)展。它們研制成的塑料光纖，光損耗率已降到25～9dB/Km。其工作波長已擴(kuò)展到870nm(近紅外光)，接近石英玻璃光纖的實(shí)用水平。美國研制的一種PFX塑料系列光纖，有著優(yōu)異的抗輻照性能。
此外，美國麻省波士頓光纖公司研制的Opti-Giga塑料光纖更是引人注目，它不僅比玻璃輕、柔性更好、成本更低，而且可在100米內(nèi)以每秒3兆比特的速度傳輸數(shù)據(jù)。這種光纖還可以利用光的折射或光在纖維內(nèi)的跳躍方式來達(dá)到較高的傳輸速度。
現(xiàn)在美歐日已把塑料光纖用于短途傳輸，如汽車、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)等。
就目前塑料光纖生產(chǎn)量而言，日本是世界上最大的塑料光纖生產(chǎn)者，然而卻是歐洲推動了塑料光纖新應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)并建立了光纖檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。2001年下半年是歐洲塑料光纖工業(yè)發(fā)展的重要階段，在這段時間內(nèi)建立了歐洲塑料光纖檢驗(yàn)和測量的新發(fā)展方針。世界上第一個專用塑料光纖應(yīng)用中心(POFAC)在德國Nuremberg落成。德國采用塑料光纖已經(jīng)研制成功了多媒體總線系統(tǒng)MOST (24Mbit/s)，并且有幾家轎車制造商已把該系統(tǒng)引入到自己的產(chǎn)品上。德國寶馬公司(BMW)在其新的7個系列產(chǎn)品中開創(chuàng)了使用100m塑料光纖的記錄。
塑料光纖現(xiàn)實(shí)應(yīng)用最廣泛的還是照明中的應(yīng)用。由于光纖照明的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，它已廣泛地應(yīng)用于各種場合，并在不斷地推廣中�，F(xiàn)將目前國內(nèi)應(yīng)用情況和場合簡述如下：
3.1室內(nèi)裝飾
在室內(nèi)裝飾中，用側(cè)發(fā)光光纖來構(gòu)成輪廊線條，光照均勻、顏色柔和，給人一種和諧幸福的感覺；細(xì)端光的合理利用，在家里營造出浪漫溫馨的氣息，在自己的家里也如同沐浴酒吧的感覺。在酒店大廳中，安裝流星光纖制作的水晶吊燈，通過各種色彩和亮點(diǎn)的變化，更顯得華麗別致，給人耳目一新的感覺；在KTV包房和演藝大廳里面，利用端光光纖，拼組成具有藝術(shù)效果的圖案，同時還可以利用端光光纖吊頂，可模擬星空效果，忽明忽暗，使人有無限的太空遐想。
3.2 水景照明
水景離開了照明就失去了迷人的景色。而普通照明又給游人帶來危險的隱患，我們游覽水景時，通常都可以看見“請勿戲水，小心有電”等字樣，無疑給我們的游覽帶來點(diǎn)點(diǎn)遺憾。由于光纖照明實(shí)現(xiàn)了光電分離，用光纖照明作為水景的點(diǎn)綴，不但顏色鮮艷新穎，而且絕對安全可*，實(shí)屬最佳搭配。 光纖照明除了針對水體照明時，使水色更為艷麗動人外，也可用側(cè)光光纖來構(gòu)成水池的輪廊線。使垂直的彩色水姿與橫向的水池輪廓，形成協(xié)調(diào)的線條美。
3.3城市建筑
在燈光工程中，用側(cè)發(fā)光光纖來構(gòu)成建筑輪廓線是最常見應(yīng)用實(shí)例。特別是對一個城市的形象建筑，以多彩的線條把建筑輪廓在夜色中顯得更蔚蔚壯觀。同時光纖使用壽命很長，屬于免維護(hù)產(chǎn)品，大大減低了運(yùn)營費(fèi)用。另外，可以改變光纖裝飾照明的光色，使建筑物輪廓的色彩隨季節(jié)或氣候而變化，給人們一種人性化的感覺。
3.4 園林綠化
在園林綠化中，用端發(fā)光光纖來作亭院燈、地埋燈，使綠地、道路在照明的同時也有色彩變化。
3.5道路照明
在景觀道路上，裝上星星點(diǎn)點(diǎn)的端發(fā)光光纖，成為光纖甬道，更增加了景觀的趣味性，同時可以將流星光纜平鋪于地面，人們走在上面如同在光色中浮游，給游玩的人們無窮的遐想。
3.6溶洞照明
溶洞是一種自然景觀，由于它沒有陽光照射，全*燈光來展現(xiàn)它的風(fēng)采。多變的光色和柔性的光纖，對無規(guī)則溶石和湖岸更顯出它的有用武之地，使溶洞的景色更迷人。而最重要的是清除了對游客的不安全隱患。
3.7古建筑物及文物照明
在一般的燈光照射下，因紫外光的作用，使圖書文物、木結(jié)構(gòu)等建筑物加速老化。同時有電會造成大火的危險。而用光纖照明，既安全又能達(dá)到理想的藝術(shù)效果。
3.8易燃易爆場合
在油庫、礦區(qū)等嚴(yán)禁火種入內(nèi)的危險場合中。應(yīng)用其他各種照明都有明火的隱患。如不小心就會釀成大禍。從安全角度看，因光與電分開，所以光纖照明應(yīng)是一種最理想的照明。
3.9太陽光的利用
在我們常見的太陽能利用中，都是把太陽光轉(zhuǎn)換為熱能或電能，而光纖可將太陽光直接加以利用，用來改善居室照明，對于陰暗的地下室、隧道，采用光纖照明，可讓永遠(yuǎn)見不到陽光的地方能重見光明。
4.發(fā)展展望
塑料光纖作為短距離通信網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì)，在未來家庭智能化、辦公自動化、工控網(wǎng)絡(luò)化。車載機(jī)載通信網(wǎng)、軍事通信網(wǎng)以及多媒體設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要的地位。
通過塑料光纖，我們可實(shí)現(xiàn)智能家電（家用PC、HDTV、電話、數(shù)字成象設(shè)備、家庭安全設(shè)備、空調(diào)、冰箱、音響系統(tǒng)、廚用電器等）的聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到家庭自動化和遠(yuǎn)程控制管理，提高生活質(zhì)量；通過塑料光纖，我們可實(shí)現(xiàn)辦公設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，如計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)并行處理，辦公設(shè)備間數(shù)據(jù)的高速傳輸可大大提高工作效率，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程辦公等。
在低速局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率小于100Mbps時，100米范圍內(nèi)的傳輸用SI型塑料光纖即可實(shí)現(xiàn)；150Mbps50米范圍內(nèi)的傳輸可用小數(shù)值孔徑POF實(shí)現(xiàn)。
POF在制造工業(yè)中可得到廣泛的應(yīng)用。通過轉(zhuǎn)換器，POF可以與RS232、RS422、100Mbps以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口相連，從而在惡劣的工業(yè)制造環(huán)境中提供穩(wěn)定、可*的通信線路。能夠高速地傳輸工業(yè)控制信號和指令，避免因使用金屬電纜線路而受電磁干擾導(dǎo)致通信傳輸中斷的危險。
POF重量輕且耐用，可以將車載機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)組成一個網(wǎng)絡(luò)，將微型計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、移動電話、傳真等外設(shè)納入機(jī)車整體設(shè)計(jì)中，旅客還可通過塑料光纖網(wǎng)絡(luò)在座位上享受音樂、電影、視頻游戲、購物、Internet等服務(wù)。
在軍事通信上，POF正在被開發(fā)用于高速傳輸大量的第三、保密信息，如利用POF重量輕、可撓性好、連接快捷，適用于在身配戴的特點(diǎn)，用于士兵穿戴式的輕型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并能夠插入通信網(wǎng)絡(luò)下載、存儲、發(fā)送、接收關(guān)鍵任務(wù)信息，且在頭盔顯示器中顯示。
綜上所述，隨著科技的發(fā)展，塑料光纖的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，其市場的發(fā)展會越來越廣闊。國外在塑料光纖的應(yīng)用開發(fā)上已取得了較大的成果，且不斷在在加大新的應(yīng)用研究投入，韓國、我國以及臺灣地區(qū)已經(jīng)有廠商開始投入研發(fā)生產(chǎn)，因此產(chǎn)業(yè)界更應(yīng)就塑料光纖的研究和發(fā)展予以密切注視。(通華光電)
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作者簡介：臧文超，男，江蘇漣水人，1973年生，1995年畢業(yè)于北京科技大學(xué)，2003年入東南大學(xué)攻讀工程碩士，現(xiàn)就職于安徽通華光電有限公司，從事常規(guī)光纜設(shè)計(jì)、生產(chǎn)多年。
