塑料光纖(polymer optical fiber, 簡寫為POF)是由高折射率的聚合物材料為纖芯和低折射率的聚合物材料為包層所構(gòu)成的光纖。

      和石英光纖一樣，塑料光纖傳光也是利用光的全反射原理，光纖纖芯是光密介質(zhì)，包層是光密介質(zhì)，這樣，只要一個光線射入的角度合適，那么這束光線就會在光纖內(nèi)部不停地進行全反射而傳向另一端。         

塑料光纖的優(yōu)點及分類

      光纖通信比傳統(tǒng)的電（銅）纜通信有3大優(yōu)點：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。 盡管石英（玻璃）光纖具有上述一系列優(yōu)點，但它有一個致命的弱點就是強度低，抗撓曲性能差，而且抗輻射性能也不好。

       與石英光纖相比，塑料光纖是近20多年來在聚合物科學(xué)領(lǐng)域中具有理論研究意義和應(yīng)用前景的信息產(chǎn)業(yè)用材料之一，具有以下特點：

     (1)直徑大，一般可達0.5～1mm，大的纖芯使其連接變得簡便，易對準，從而可以使用廉價的注塑連接器，安裝成本很低；

     (2)數(shù)值孔徑(NA)大，約為0.3～0.5，與光源和接收器件的耦合效率高；

     (3)材料便宜，制造成本低，用途廣泛。

塑料光纖分類

     塑料光纖按照其芯-皮折射率分布不同可分為階躍折射率(step index，簡稱SI)分布型塑料光纖(SI-POF)和漸變折射率(graded index，簡稱GI)分布型塑料光纖(GI-POF)。

     SI-POF具有明顯的芯-皮界面，塑料光纖的折射率在芯-皮界面發(fā)生突變，即在芯徑內(nèi)塑料光纖的芯材折射率為n1，在皮層突變的皮層折射率為n2，且n1>n2。入射光在芯-皮界面發(fā)生全反射，光線在纖芯內(nèi)的傳遞依靠這種全反射以鋸齒形前進。由于入射光的入射角不同，導(dǎo)致各模光線到達接收器的時間不同，并出現(xiàn)脈沖展寬現(xiàn)象。在展寬有限條件下，SI-POF傳輸?shù)娜肷涔獾娜肷浣怯邢?，造成其帶寬受限?GI-POF的折射率從軸中心至邊緣逐漸降低，沿徑向呈拋物線變化。由于GI-POF的折射率不再是個常數(shù)，使各模光線在其中的傳輸速度不同，而它們到達接收器的時間幾乎相同，輸出脈沖展寬不大，所以GI-POF的帶寬要比SI-POF的大得多。

塑料光纖的材料

      塑料光纖所用芯皮材的基本條件是透光性好，即要求聚合物的透光率大于90%，透光率越高，塑料光纖的傳輸損耗就越低。透光性好的聚合物大多為無定形結(jié)構(gòu)，各向同性，不含有發(fā)色基團，且具有均一的折射率。作為纖芯材料，典型的聚合物有：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)。

塑料光纖用于通信

      塑料光纖通常被稱為“裸纖”，由于沒有披覆層的保護，很容易損壞，因此用于通信的塑料光纖其實是經(jīng)過塑料披覆的塑料光纜，就像用于通信的銅纜和石英光纜一樣。要傳輸數(shù)據(jù)，光纖（纜）還必須與其它部分組成光傳輸系統(tǒng)，一個典型的光傳輸系統(tǒng)由三部分構(gòu)成。光傳輸?shù)墓ぷ鬟^程是在光發(fā)射機、光纖和光接收機三者之間進行的。光發(fā)射機把輸入的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，轉(zhuǎn)換后的光信號由光纖傳傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備—光接收機，光接收機把從光纖中獲取的光信號還原成電信號。            

      要實現(xiàn)光纖通信,一個重要的問題是盡可能地降低光纖的傳輸損耗，這樣才能保證光纖具有一定的傳輸距離。當光從光纖的一端射入，從另一端射出時，光的強度會減弱。這意味著光信號通過光纖傳播后，光能量衰減了一部分。這說明光纖中有某些物質(zhì)或因某種原因，阻擋光信號通過，這就是光纖的傳輸損耗。只有降低光纖損耗，才能使光信號暢通無阻。

     造成光纖傳輸損耗（衰減）的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接等。

     本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

     彎曲：光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉，造成損耗。

     擠壓：光纖受到擠壓時產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。

     雜質(zhì)：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。

     不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。

     對接：光纖對接時產(chǎn)生的損耗，如：不同軸，端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。那么與材料本身有關(guān)的的損耗是與材料中含的雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。

     光纖的損耗用損耗系數(shù)a來表示，定義為每千米光功率損耗的分貝數(shù)，單位為dB/km。目前在國際市場上已經(jīng)大量生產(chǎn)的低損耗塑料光纖是指損耗<200dB/km的塑料光纖。

國內(nèi)外現(xiàn)狀

      塑料光纖的研究始于二十世紀60年代，1968年美國杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯為芯材制備出塑料光纖，但光損耗較大。1974年日本三菱人造絲公司以PMMA和聚苯乙烯為芯材、以低折射率的氟塑料為包層開發(fā)出塑料光纖，其光損耗為3500dB/km，難以用于通信。 80年代日本的一些大企業(yè)和大學(xué)對低損耗塑料光纖的制備進行了大量的研究。1980年日本三菱公司以高純MMA單體聚合PMMA，使塑料光纖損耗下降到100~200dB/km。1983年NTT公司開始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光損耗可達到20dB/km，并可傳輸近紅外到可見光的光波。近幾年來，歐日等國的公司對塑料光纖的研制取得了重要的進展。塑料光纖已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于寬帶接入網(wǎng)系統(tǒng)、家庭智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、汽車智能系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)以及紡織、照明、太陽能利用系統(tǒng)等領(lǐng)域。目前生產(chǎn)塑料光纖的國外企業(yè)主要有日本的三菱公司、東麗公司等。

      我國在塑料光纖方面的研究落后于世界發(fā)達國家的水平。國內(nèi)從二十世紀80年代才開始從事塑料光纖的研究，主要有中科院、南京玻璃纖維研究院、天津紡織工學(xué)院和西安交通大學(xué)電氣絕緣研究中心等。但近幾年國內(nèi)的塑料光纖的研究水平提高很快，2006年由中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員甄珍、劉新厚領(lǐng)導(dǎo)的有機光波導(dǎo)材料及器件研究中心，攻克了從本體聚合法直接生產(chǎn)PMMA光纖(塑料光纖)的技術(shù)難關(guān)，提出了單分子擴散轉(zhuǎn)移原材料提純新技術(shù)和平推式薄層本體聚合新技術(shù)制備高純度光纖級PMMA原料以及與之相配套的包層材料，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高純度光纖級PMMA光學(xué)模塑料(芯層材料)以及皮層材料制備的核心技術(shù)，成功地解決了產(chǎn)業(yè)化途徑中的關(guān)鍵技術(shù)問題和批量生產(chǎn)設(shè)備與工藝，已基本形成了光衰減在150dB/km的PMMA光纖的批量生產(chǎn)的潛能力，產(chǎn)品技術(shù)指標達到國際同類產(chǎn)品的最好水平。

      河北燕山大學(xué)信息學(xué)院于榮金課題組攻克了塑料光纖在信息和能量傳輸時損耗大的難題，其科研成果《降低塑料光纖損耗的一種新方法》已被荷蘭的《光通信》雜志（OTICS COMMUNICATIONS）采用。光纖采用單一材料的蜘蛛網(wǎng)包層結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)工藝上采用擠出、拉絲連續(xù)性一步工藝。通過光纖結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新，解決了塑料光纖傳輸損耗大的國際性難題，而且光纖兼有高帶寬和大芯徑、生產(chǎn)效率高和成本低等特點。

      在生產(chǎn)方面90年代初期國產(chǎn)塑料光纖產(chǎn)品投入市場，都為PS光纖，只能用于圣誕樹、工藝品制作等勞動密集型產(chǎn)業(yè)。不能達到低損耗塑料光纖的水平。振奮人心的是，由“深圳市中技源”研制的通信級低損耗塑料光纖開始在深圳投產(chǎn)，衰減為150－200dB／km，H可以用于實現(xiàn)50~100米的數(shù)據(jù)傳輸，打破了日本企業(yè)的全球壟斷地位，還直接將全球價格拉低了近80％。

       隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國對塑料光纖的需求和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，塑料光纖也得到了國家的重視。2006年5月31日，中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布了“中華人民共和國通信行業(yè)標準——通信用塑料光纖”，從此塑料光纖有了應(yīng)用于我國的通信行業(yè)的國家標準，標志著我國塑料光纖的應(yīng)用到了一個新的歷史階段，塑料光纖在通信領(lǐng)域的應(yīng)用必定會有突飛猛進的發(fā)展。

塑料光纖技術(shù)發(fā)展趨勢及市場

       塑料光纖的研究重點主要集中在以下三個方面：降低光損耗； 提高帶寬（由SI型轉(zhuǎn)為GI型）； 提高耐熱性。塑料光纖在降低光損耗與帶寬方面的最新實用進展為：日本ASAHI GLASS公司2000年7月稱，該公司實施慶應(yīng)大學(xué)的GI-POF技術(shù)商品化，采用全氟化聚合物CYTOP制造GI光纖，命名為GI-GOF，商品名為Lucina，衰減速率3Gb/s，帶寬大于200MHz.km。 塑料光纖在耐熱性方面的最新實用進展為：日本JSR與旭化株式會社聯(lián)合發(fā)展耐熱透明樹脂ARTON（norbornene,冰片烯）制造的SI-POF，耐熱溫度170℃，可供應(yīng)汽車市場。

塑料光纖的市場

        近幾年全球塑料光纖的需求量迅速增加，在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域2002年的銷售額為4.61億美元，Information Gatekeepers和Beach Communications公司預(yù)測到2006年，該市場增加到11.4億美元，年增長率為25%。         

應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下幾方面

光纖到戶

       90年代開始，通信技術(shù)高速發(fā)展，移動通信，衛(wèi)星傳輸和光纖通信，將通信演變?yōu)楦咚?、大容量、?shù)字化和綜合的多媒體業(yè)務(wù)。在ITU-T的推動下，光纖通信的各種標準紛紛制定，如PDH、SDH、DWDM、AN和B-ISDN等。因此，美國首先提出建立國家信息高速公路的構(gòu)想：國家信息基礎(chǔ)建設(shè)（NII），之后各國紛紛制定計劃，并推出全球的信息技術(shù)建設(shè)計劃（GII）。70年代，光纖網(wǎng)絡(luò)主要用于市內(nèi)等大容量業(yè)務(wù)區(qū)，80年代向市外長途干線發(fā)展，到90年代逐步向用戶方向延伸，即所謂FTTx應(yīng)用，也就是光纖到路邊（FTTC）、至大樓（FTTB）、光纖到公寓（FTTA），和光纖到戶（FTTH）。目前也有采用電纜到家庭（如：CABLE MODEM和ADSL技術(shù)）的經(jīng)濟方式，

光纖到戶是指從干網(wǎng)到小區(qū)、用戶間的最后接入網(wǎng)階段全部使用光纖，實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、廣播電視及各類智能化系統(tǒng)功能的一種接入方式，有利于整合網(wǎng)絡(luò)功能和各種資源。光纖到戶正在世界各地得到推廣，日本的光纖到戶普及率最高，用戶去年底已達到250萬戶，預(yù)計今年底將達到400萬。美國從2004年底開始發(fā)力，截至今年3月線路建設(shè)履蓋用戶160萬，實際開通業(yè)務(wù)接近20萬戶。以網(wǎng)絡(luò)游戲領(lǐng)先全球的韓國，同樣對光纖到戶給予了很高的期望，從2003年起韓國的電信運營商陸續(xù)在光纖到戶上加大投資，從2005年開始，寬帶投資中光纖到戶成為主流。韓國政府預(yù)測，到2010年，光纖到戶家庭普及率將達到70%。歐洲的英國、德國、瑞典等都在加快發(fā)展光纖到戶。

       光纖到戶代表著一個國家寬帶的未來，對光器件、光纖光纜等行業(yè)有很大的促進作用，我國信息產(chǎn)業(yè)部已開始制定FTTH的有關(guān)標準，專家預(yù)測國內(nèi)FTTH市場將在2006年全面啟動并進入大規(guī)模建設(shè)期，北京、長沙、武漢已開始了FTTH試點，如武漢市已搭建國內(nèi)首個光纖到戶試點平臺，已建成和在建的光纖到戶項目近10個，用戶規(guī)模約為5000戶，預(yù)計2006年至2007年用戶將達到5萬戶。目前國內(nèi)已有2500萬寬帶用戶，到2007年每年還將新增1200萬用戶，如果有20％左右的用戶采用FTTH將形成800億元左右的FTTH設(shè)備市場規(guī)模，年運營業(yè)務(wù)收入將達180億元以上。據(jù)國家信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院信息所的統(tǒng)計和預(yù)測，未來5-10年內(nèi)，全球的光纖接入市場將迅速增長，用于光纖到戶的資本將從今年的50億美元增長到228億美元，其中亞太地區(qū)的資本支出為120億美元。中國和印度將成為發(fā)展最快的國家，估計中國的光纖到戶投資將占亞太地區(qū)的1/3。

        另外，我國一些城市相繼提出了升級電信網(wǎng)絡(luò)、加快光纖到戶步伐的目標。北京奧運會組委會宣布，2008年前將投資66億美元擴展和升級電信網(wǎng)絡(luò)，上海也提出2010年前電信營業(yè)收入由現(xiàn)在的100多億元增至435億元，再加上我國設(shè)施落后的西部在大開發(fā)過程中也將加快信息化步伐，這些都為光纖到戶的市場空間提供了現(xiàn)實依據(jù)。

汽車應(yīng)用

        現(xiàn)代轎車的各種新功能要求快速可靠地傳輸更大數(shù)據(jù)量。多媒體汽車意味著常常要在較差的環(huán)境中不受干擾地傳輸視頻和音頻等信號，國際MOST標準與IDB標準規(guī)定使用塑料光纖。塑料光纖汽車網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)用在級別較高的轎車上，并經(jīng)受住了長時間的考驗。如：戴姆勒－克萊斯勒（奔馳）“S級”系列以及寶馬的“BMW7”系列等。目前，在歐洲大概有16個車型采用了塑料光纖通信系統(tǒng)。

        我國部分車型也開始考慮使用塑料光纖通信系統(tǒng)。根據(jù)測試專業(yè)之Faztec Optronics宜捷威科技的行銷企劃報告指出，光通訊之Polymer Optical Fiber塑料光纖于車用電子中已成為汽車零組件發(fā)展的新主流，目前使用于車內(nèi)通訊與車內(nèi)娛樂視聽系統(tǒng)，例如車內(nèi)電視，車內(nèi)音響，車內(nèi)燈具，車內(nèi)開關(guān)之聯(lián)接線路均陸續(xù)改用塑料光纖。隨著全球汽車工業(yè)配合時代趨勢調(diào)整內(nèi)裝更改為塑料光纖，預(yù)估到2010年時，全球車用電子產(chǎn)品市場規(guī)模將達1500億美元，主要市場仍集中于歐洲、北美、日本等地區(qū)，所占比重超過80％，而中國大陸是最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d市場，近5年來的年復(fù)合成長率約維持2成。

消費電子和傳感器

        塑料光纖在傳感器、消費電子領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，如電腦、視頻攝像機、CD-ROM、DVD、VCD、TV、打印機、掃描儀、磁盤和立體聲系統(tǒng)等。例如我國DVD行業(yè)DVD年產(chǎn)量約為3000萬臺，用于DVD跳線用的塑料光纖需求量為30000km，價值1200萬元；如加工成光纜，價值3000萬元，如加工成DVD跳線，價值1.5億元?？紤]到國內(nèi)主要是把塑料光纖加工成光纜或DVD跳線出口到日本、韓國、臺灣、歐美等國家與地區(qū)，塑料光纖在國內(nèi)這方面的市場需求至少有1億元。

工業(yè)控制總線系統(tǒng)

        隨著計算機和自動控制技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)自動化水平提高到一個嶄新的高度。工業(yè)自動化根據(jù)其特點和使用方向可分為過程控制自動化、面向生產(chǎn)和制造業(yè)的自動化以及自動化測量系統(tǒng)（工業(yè)測量儀表）。這些工業(yè)自動化系統(tǒng)的建立和發(fā)展都有一個共同特點，即由直接控制系統(tǒng)向集散型控制系統(tǒng)發(fā)展，而這種集散型控制系統(tǒng)的發(fā)展都是以各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。通過這些形形色色的工業(yè)總線系統(tǒng)，各種工業(yè)設(shè)備構(gòu)成一個既分散又統(tǒng)一的整體。對POF來說，工業(yè)控制總線系統(tǒng)是其最穩(wěn)定和最大的市場之一。通過轉(zhuǎn)換器，POF可以與RS232、RS422、100Mbps以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)等標準協(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、可靠的通信線路，高速傳輸工業(yè)控制信號和指令，避免了因使用全屬電纜線路受電磁干擾而導(dǎo)致通信中斷的危險。

照明及太陽能利用

        由于塑料光纖照明和其它方式相比具有獨特優(yōu)點，所以它已廣泛地應(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：

（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。 

（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點遺憾。由于光纖照明實現(xiàn)了光電分離，用光纖照明作為水景的點綴，不但顏色鮮艷新穎，而且絕對安全可靠，實屬最佳搭配。 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）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，屬于免維護產(chǎn)品，大大減低了運營費用。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。

（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。

（5）道路照明 

      在景觀道路上，裝上星星點點的端發(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。 

（6）溶洞照明 

     溶洞是一種自然景觀，由于它沒有陽光照射，全靠燈光來展現(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。 

（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，既安全又能達到理想的藝術(shù)效果。 

（8）易燃易爆場合 

      在油庫、礦區(qū)等嚴禁火種入內(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。

（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，可讓永遠見不到陽光的地方能重見光明。

參考資料：

[1]聚合物光纖，江源，鄒寧宇編著，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.6 

[2]塑料光纖技術(shù)前景廣闊，國外塑料，2003， 21卷，6期 

[3]“全國第二屆塑料光纖、聚合物光子器件研究、生產(chǎn)和應(yīng)用會議”資料 

[4]FTTH發(fā)展給光纖光纜行業(yè)帶來的機遇和挑戰(zhàn)， 

[5]塑料光纖 

資訊來源：塑料光纜 生產(chǎn)商 江蘇田信塑料光纖有限公司