新一代短距離光傳輸介質——塑料光纖

作者：胡先志 練海斌

　眾所周知，石英玻璃光纖以其衰減小、帶寬高等優(yōu)點被用作遠距離、高速率、大容量公用網(wǎng)的光傳輸介質。石英玻璃光纖以其原料純潔、制造復雜、價格昂貴、接續(xù)困難等缺點制約了其大量用作短距離接入網(wǎng)光傳輸介質。正是為降低短距離接入網(wǎng)中光纖網(wǎng)絡終端用戶的光纖接入成本(即傳輸介質、接續(xù)施工等)，日本、美國等發(fā)達國家的一些大學和公司已研究出新一代短距離光傳輸介質——塑料光纖。塑料光纖的優(yōu)點：制造簡單、價格便宜、接續(xù)快捷等。故其最適宜作為局域網(wǎng)中短距離通信、有線電視網(wǎng)、室內計算機之間的光傳輸介質。本文簡明扼要的闡述塑料光纖的研究歷程、研究要點、光纖性能、系統(tǒng)應用，以饗讀者。

　　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研究工作。

　　1987年，美國杜邦公司將其擁有的所有塑料光纖產品專利全部出售給日本三菱人造絲株式會社。三菱人造絲株式會社繼續(xù)進行塑料光纖產品開發(fā)和推廣應用工作。同年，法國塑料光纖聯(lián)合集團研制出的階躍折射率分布塑料光纖，其帶寬為5MHz.km.

　　1990年日本慶應大學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，小池康博等報道了用紅外激光器在100m長的塑料光纖上進行2.5Gbit/s的傳輸試驗。

　　1994年，日本慶應大學佐佐木等報道，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650mm LD，100m的小數(shù)值孔徑的階躍折射率分布塑料光纖進行了155Mbit/s的試驗。

　　1996年，人們紛紛建議以塑料光纖為基礎建立極低成本的用戶網(wǎng)ATM物理層。

　　1997年，日本NEC公司的山崎進行了155Mbit/s的ATM、LAN的試驗。

　　1998年，日本NEC公司的山崎在70m長塑料光纖上進行了400Kbit/s的傳輸試驗。日本硝子玻璃株式會社報道，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道，以1.3μm FP-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行了2.5Gbit/s試驗。

　　在OFC-98會議上，日本硝子玻璃株式會社報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，且有望進一步降低，其帶寬為(300-500)MHz.km，理論帶寬可達10GHz.km。該塑料光纖的穩(wěn)定工作溫度為(-40～+90)℃。XaQti吉比特半導體供應商用梯度折射率分布的氟化物塑料光纖進行了200m 10Gbit/s的傳輸試驗。

　　2000年，OFC會議上，日本硝子玻璃株式會社新技術發(fā)展部的NoriyukiYoshihara等報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100MHz.km。用這種塑料光纖成功地進行100m、11Gbit/s和50m、2.5Gbit/s的高速傳輸試驗和70℃長期熱老化試驗。實驗證明，氟化梯度折射塑料光纖完全滿足使用要求。

　　研究要點

　　1.光纖結構

　　塑料光纖顧名思義，即構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200-1000μm，其接續(xù)時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)中芯對準產生±30μm偏差都不會影響耦合損耗。正是塑料光纖結構賦予了其施工快捷，接續(xù)成本低等優(yōu)點。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，人們應重點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、價格低廉等。

　　當今，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，光學均勻、折射率調整便利等;②以單體存在時通過減壓蒸餾方法就可以提純;③形成光纖的能力強;④加工和化穩(wěn)性好及價格便宜等。

　　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，并用干燥的氮氣從容器的上端對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，最后將裝有芯混合溶液PMMA管子放入一烘箱內，在一定的溫度和條件下聚合。在聚合過程中，PMMA管內逐漸被混合溶液溶脹，從而在PMMA管內壁形成凝膠相。在凝膠相分子運動速度減慢，聚合反應由于“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制棒，最后再將塑料光纖預制棒送入加熱爐內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表面波導設想以來，光纖的研究由七十年代起至今經歷了由0.85μm多模光纖、1.31μm標準單模光纖、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與產品的飛躍。石英玻璃光纖性能的研究重點自始至終定位在衰減、色散、偏振模色散、非線性效應等;塑料光纖的性能研究重點則是衰減、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構缺陷(如芯直徑波動，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(碳氫、碳氟等)伸縮振動吸收和電子躍吸收所致的。

　　在碳氫鍵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氫鍵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)生反復的反射，射出的波形相對于入射波形出現(xiàn)展寬，故其傳輸帶寬僅為幾十至上百MHz.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波長范圍內選定為2.07-2.33，從而抑制模間色散，控制出射光波相對于入射光波展寬的效果，進而可制得傳輸帶寬高達幾百MHz.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成的，故其在高溫環(huán)境中工作會發(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，進而引起光纖損耗增大。

　　為切實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)轉換。塑料光纖網(wǎng)絡能開展的寬帶業(yè)務有：交互多媒體和遠程教學等。特別因為氟化梯度折射率塑料光纖具有低衰減、高帶寬、價格便宜、熱穩(wěn)定性好、大芯徑便于接續(xù)施工等優(yōu)點，同時借助當前商用的光收發(fā)端機和交換機成功進行了高速數(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。