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1、塑料光纤的发展制作和应用前景第1页，本讲稿共28页5/7/20231五、五、POF的应用的应用一、塑料光纤（塑料光纤（POF）的优点）的优点二、二、POF技术的发展技术的发展三、三、POF的分类的分类四、四、POF的制备的制备第2页，本讲稿共28页5/7/20232一、塑料光纤（塑料光纤（POF）的优点）的优点简单、安全的连通测试简单、安全的连通测试：采用650nm的LED红光光源时，是对肉眼无害的可见光。快速安装快速安装：POF能够很容易地通过狭小的穿线管；容易连接容易连接：POF不用抛光液能达到很好的连接效果，也不用为了连接而采用专用的设备；低廉成本低廉成本：由于具备以上两个优点，所以采用
2、POF做传输介质的网络接入系统，其造价要比石英光纤接入系统低；坚固耐用坚固耐用：POF光缆比石英光缆更加柔软耐用，弯曲半径也小；第3页，本讲稿共28页5/7/20233第4页，本讲稿共28页5/7/20234二、二、POF技术的发展技术的发展（一）、阶跃型塑料光纤（一）、阶跃型塑料光纤早期的塑料光纤都是大数值孔径阶跃型塑料光纤。由于这早期的塑料光纤都是大数值孔径阶跃型塑料光纤。由于这种光纤色散较大，带宽只能达到种光纤色散较大，带宽只能达到5MHZ*km5MHZ*km，不能满足高速数，不能满足高速数据通信的要求，故一直以照明、汽车车灯监控等非通信应据通信的要求，故一直以照明、汽车车灯监控等非通信
3、应用为主。随后通过一系列技术是它的传输性能得到大幅度用为主。随后通过一系列技术是它的传输性能得到大幅度的改善。的改善。第5页，本讲稿共28页5/7/202351、用高纯度单体来聚合用高纯度单体来聚合PMMAPMMA，使传送损耗下降到使传送损耗下降到100-200dB/km100-200dB/km聚甲基丙烯酸甲脂聚合物聚甲基丙烯酸甲脂聚合物2、将将PMMAPMMA中的中的氢原子（氢原子（H H）用氘（）用氘（D D）置换）置换，使光波的，使光波的传输范围从可见光扩展到近红外，且传输损耗下降到传输范围从可见光扩展到近红外，且传输损耗下降到20dB/km20dB/km。3、使用小数值孔径阶跃型光纤使
4、使用小数值孔径阶跃型光纤使带宽扩展到带宽扩展到210MHz*100m210MHz*100m，而这个带宽已接近阶跃型塑料光纤的带宽极限。而这个带宽已接近阶跃型塑料光纤的带宽极限。第6页，本讲稿共28页5/7/20236早期市场上的POF产品多为PMMA基质多模基质多模SIPOF，虽然与石英玻璃光纤相比在短距离通信应用中有低价、易处理的优势，但其窄带宽（但其窄带宽（5MHz*km）和高固有衰减）和高固有衰减(150300dB/km),不能适应带宽逐渐增大的多媒体社会的需要。为了增加带宽，首先想到的解决方法是减小光纤的数值孔径，减小光纤的数值孔径，采用单模采用单模SIPOF方案方案。但POF的最主要
5、特点是大芯径，因此不能期望将其发展成单模光纤以增加带宽，这样POF的低价格、易处理优势将失去。目前解决上述问题的较佳选择是渐变型塑较佳选择是渐变型塑料光纤（料光纤（GIPOF）。）。GIPOF的开发为塑料光纤在宽带通信网中的应用开拓了广阔的前景。（二）、（二）、渐变型塑料光纤（渐变型塑料光纤（GIPOF）的发展过程及现状）的发展过程及现状第7页，本讲稿共28页5/7/20237一开始，只是将两种不同活性和折射率的单体经光共聚法形成预制棒，拉丝后制成损耗为45dB/m的GIPOF。随后发明了“界面凝胶聚合界面凝胶聚合”技术，显著降低了GIPOF的损耗（在688nm波长处降至56dB/km）。经过
6、各国政府以及企业对塑料光纤工艺的重视和应用，使之得以得到长久的发展。迄今为止，应用前景最好的是全氟全氟POF，其传输速度高，可以达到10Gb/s，并且柔软性好，容易连接，其连接时间仅为石英光纤的1/10，可直接使用与现有的局域网设备。第8页，本讲稿共28页5/7/20238三、塑料光纤的分类三、塑料光纤的分类特殊塑料光纤包括所有具有特殊性能的塑料光纤，比如激光染料掺杂塑料激光染料掺杂塑料光纤、闪烁塑料光纤、电光塑料光纤光纤、闪烁塑料光纤、电光塑料光纤等，还有具有特殊设计结构的塑料光纤，比如微结构塑料光纤和双芯塑料光微结构塑料光纤和双芯塑料光纤纤等。塑料光纤塑料光纤普通塑料光纤普通塑料光纤特殊塑
7、料光纤特殊塑料光纤包括所有的阶跃型多模塑料光纤、阶跃型多模塑料光纤、渐变型多模塑料光纤以及单模塑渐变型多模塑料光纤以及单模塑料光纤料光纤。这类光纤与普通石英光纤类似，由纤芯和包层构成，不同的纤芯折射率分布构成了不同类型的光纤。第9页，本讲稿共28页5/7/20239多模光纤主要用在强度型传感器的系统中，被测量的物理量直接影响输出光信号的强度。渐变折射率多模塑料光纤可以解决带宽窄的问题。在单模光纤中，单模石英光纤的缺点是纤芯芯径非常细，只有510微米。而塑料单模光纤相对于石英光纤的特点就是芯径粗，是石英光纤的50100倍，对接容易、成本低，所以其在干涉型光纤传感器中具有更出众的特点。普普通通塑塑
8、料料光光纤纤折射率分布应用的情况一类是阶跃型，另一类是渐变型。多模光纤单模光纤第10页，本讲稿共28页5/7/2023103、微结构塑料光纤是近年来人们研究的一种新型的特殊塑料光纤，它是在纤芯中分布有规律的空气孔，具备新的传输特性。这些新的传输特性包括宽波长范围的单模工作，具有大的有效纤芯和模面积，在空气中而不是在光纤材料中导光等。这些新的传输特性对于光纤传感器的应用来说是非常有意义的。特特殊殊的的塑塑料料光光纤纤1 1、闪烁塑料光纤是有源材料如荧光材料、闪烁塑料光纤是有源材料如荧光材料、激光染料掺杂的塑料光纤，主要用在高能激光染料掺杂的塑料光纤，主要用在高能辐射的测量。闪烁塑料光纤现在已经实
9、际辐射的测量。闪烁塑料光纤现在已经实际应用在核物理中监测核辐射和跟踪带电高应用在核物理中监测核辐射和跟踪带电高能粒子。能粒子。2 2、电光塑料光纤是在纤芯中掺杂有很高的光学、电光塑料光纤是在纤芯中掺杂有很高的光学非线性并且响应速度非常快的有机物，使得塑非线性并且响应速度非常快的有机物，使得塑料光纤具备很高的光学非线性。很多有机物都料光纤具备很高的光学非线性。很多有机物都具备光学非线性高和响应速度快的特点，特别具备光学非线性高和响应速度快的特点，特别是塑料光纤有相对较低的加工制造温度，这使是塑料光纤有相对较低的加工制造温度，这使得有很大范围的功能材料可以掺人塑料光纤当得有很大范围的功能材料可以掺
10、人塑料光纤当中。电光塑料光纤在电压和电场传感器方面具中。电光塑料光纤在电压和电场传感器方面具有巨大的、潜在的应用前景。有巨大的、潜在的应用前景。第11页，本讲稿共28页5/7/202311四、四、POF的制备的制备 预制棒拉丝法 共挤法 涂覆法 连续聚合纺丝法第12页，本讲稿共28页5/7/202312预制棒拉丝法预制棒拉丝法将光纤的芯材和鞘材分别制成严格匹配的预制棒和套管，在加热和抽真空情况下将两者紧紧复合在一起拉制成丝。这当中，最主要的是预制板的制作。第13页，本讲稿共28页5/7/202313光共聚法光共聚法两步共聚法两步共聚法界面凝胶法界面凝胶法POF生产常用方法，该工艺生产常用方法，
11、该工艺利用作为包层的塑料管与塑利用作为包层的塑料管与塑料管内作为纤芯的混合液体料管内作为纤芯的混合液体之间发生的之间发生的“界面凝胶界面凝胶”作作用来形成用来形成POF的梯度折射率的梯度折射率分布结构的。分布结构的。折射率分布可控，折射率分布可控，而且分布均匀而且分布均匀优点优点缺点缺点反应需要很长的时间，反应需要很长的时间，所以该工艺的生产成所以该工艺的生产成本比较高。本比较高。第14页，本讲稿共28页5/7/202314 共聚法是制造递变光学塑料的方法，包括扩散共聚法是制造递变光学塑料的方法，包括扩散共聚法、光共聚法、混合聚合溶解法、放电共聚法、共聚法、光共聚法、混合聚合溶解法、放电共聚法
12、、加热共聚法、引发共聚法、催化共聚法等。加热共聚法、引发共聚法、催化共聚法等。那么光共聚法的原理是什么呢？那么光共聚法的原理是什么呢？不饱和的或环状的单体分子相互加成而析出不饱和的或环状的单体分子相互加成而析出小分子的反应，称之为小分子的反应，称之为加聚反应加聚反应或或聚合反应聚合反应，由由两种或两种以上单体两种或两种以上单体两种或两种以上单体两种或两种以上单体进行加聚反应称之为进行加聚反应称之为共聚反应共聚反应。第15页，本讲稿共28页5/7/202315光共聚法光共聚法就是把两种单体混合物注入圆筒模具就是把两种单体混合物注入圆筒模具中，使其绕中心轴转动，同时用紫外线照射，中，使其绕中心轴转
13、动，同时用紫外线照射，引发光共聚反应。引发光共聚反应。单体的数日可以多于两种，形成三元或多元共聚物，单体的数日可以多于两种，形成三元或多元共聚物，可以制得最符合要求的折射率分布形式。可以制得最符合要求的折射率分布形式。由于边缘处光较中心处强和离心力的作用，共聚物由于边缘处光较中心处强和离心力的作用，共聚物先在圆筒内壁附近生成，然后逐步向中心处生长。先在圆筒内壁附近生成，然后逐步向中心处生长。由于各单体竞聚率不同，转化率和共聚物的组成将由于各单体竞聚率不同，转化率和共聚物的组成将随时间而变化，从而形成径向的组分和折射率的梯随时间而变化，从而形成径向的组分和折射率的梯度变化。度变化。第16页，本讲
14、稿共28页5/7/202316将挤出的纤芯通过鞘料的溶液，将溶剂去除后，鞘层包裹于芯层而成光纤的方法，其工艺流程见下图。1、芯材流道；、芯材流道；2、鞘材流道；、鞘材流道；3、分流锥；、分流锥；4、复合腔。、复合腔。d1:芯材复合前直径；芯材复合前直径；d2:分流锥末端外径；分流锥末端外径；D0：复：复合腔直径；合腔直径；涂覆法涂覆法第17页，本讲稿共28页5/7/202317在拉制在拉制 P O F过程中使用两台挤出机：一台挤出过程中使用两台挤出机：一台挤出芯材、另一台挤出鞘材，芯材、另一台挤出鞘材，两台挤出机通过同一两台挤出机通过同一模头熔融挤出成型，再经牵引收卷即拉制成模头熔融挤出成型，
15、再经牵引收卷即拉制成POF。连续聚合纺丝法是目前最先进的光纤拉丝工艺，连续聚合纺丝法是目前最先进的光纤拉丝工艺，其先进性在于从单体聚合到纺丝成型全部在密封其先进性在于从单体聚合到纺丝成型全部在密封系统内进行，大大减少了外界环境污染，从而使系统内进行，大大减少了外界环境污染，从而使光纤的透光率得以大幅提高。光纤的透光率得以大幅提高。共挤法共挤法连续聚合连续聚合纺丝法纺丝法第18页，本讲稿共28页5/7/202318五、五、POF的应用的应用塑料光纤以其所具有的柔软易弯曲、芯径大、易耦合、抗电磁干扰、电磁辐射(EMI/EMR)制造工艺简单、成本低等优点，广泛地用于短距离、中小容量信息传输系统、短距
16、离、中小容量信息传输系统、传感器、传感器、CD CD 播放机、汽车、飞机信息传输网络、多播放机、汽车、飞机信息传输网络、多媒体网络、军事网络、甚至可以用于宇航以及导弹的媒体网络、军事网络、甚至可以用于宇航以及导弹的制导等。制导等。第19页，本讲稿共28页5/7/202319（一）、（一）、（一）、（一）、POFPOF在局域网（在局域网（在局域网（在局域网（LANLAN）中的应用。）中的应用。）中的应用。）中的应用。目前已有POF、无屏蔽对绞线（UTP）、屏蔽对绞线（STP）、同轴电缆和玻璃光纤应用于LAN上.下表是POF与石英光纤、金属电缆的特性比较。POF与石英光与石英光纤纤、金属、金属电缆
17、电缆的性能比的性能比较较石英光石英光纤纤石英芯石英芯聚合聚合物包物包层层POF金属金属电缆电缆SIGIGISIGISI双双绞线绞线同同轴轴传输损传输损耗耗优优优优优优优优良良良良良良良良传输带宽传输带宽良良良良优优差差优优很差很差很差很差差差联结联结性性很差很差差差良良良良优优优优优优差差断面断面处处理理差差差差差差差差优优优优优优良良抗抗电电磁性磁性优优优优优优优优优优优优优优良良可靠性可靠性优优优优良良良良良良良良良良良良第20页，本讲稿共28页5/7/202320从上表可以看出，POF具有很多与玻璃光纤类相似的优点，而成本则低得多。作为一种传输媒质，POF几乎与对绞线一样便宜，而且两者的
18、接头价格差不多。此外，POF的安装成本极低。因此，如果包括光缆、安装以及元件在内，POF网确实比UTP网有价格上的优势。用UTP的唯一好处是，其节点上端机的价格比POF低，但随着POF在LAN系统中的用量日益增长及相关技术的研制开发，其价格会有大幅度下降。随着制造技术的成熟，POF自身的价格也会降低。第21页，本讲稿共28页5/7/202321（二）、（二）、POF在汽车工业的应用在汽车工业的应用起初，塑料光纤作为照明光传输媒质应用在汽车上，将光传输到起初，塑料光纤作为照明光传输媒质应用在汽车上，将光传输到那些狭小得不能安装标准白炽灯的位置或者传输到不同的显示牌。那些狭小得不能安装标准白炽灯的
19、位置或者传输到不同的显示牌。随着计算机控制在汽车中的应用越来越广泛，一辆汽车形成一个随着计算机控制在汽车中的应用越来越广泛，一辆汽车形成一个局域网（局域网（CANCAN），因此所要传输的实时信息量越来越大。为了避），因此所要传输的实时信息量越来越大。为了避免电磁干扰、串音及这些不良现象所引起的数据延误、丢失，系免电磁干扰、串音及这些不良现象所引起的数据延误、丢失，系统需要选择能承受高信息速率、保证安全的介质材料。光波既不统需要选择能承受高信息速率、保证安全的介质材料。光波既不会产生电磁辐射，也不会被其它辐射干扰，另外使用光纤时不用会产生电磁辐射，也不会被其它辐射干扰，另外使用光纤时不用考虑地面
20、回路及电位短路，因此光纤成为考虑地面回路及电位短路，因此光纤成为CANCAN首选材料。首选材料。第22页，本讲稿共28页5/7/202322随着网络结构的复杂性增加，汽车中网络节点越来越多。多节点，短距离的网络结构要求节点间的连接器价格低廉，POF的大直径（1mm）和大的数值孔径（约等于0.5）可以使POF之间的连接比GOF（玻璃光纤）简单得多，而且价格低廉。手持式POF端面处理器和插入式POF连接器的出现，更使得POF的连接简易、快速。另外，POF的高可挠高可挠性性也决定了它是汽车系统中最佳的通信媒介。第23页，本讲稿共28页5/7/202323虽然目前POF已经能够满足汽车数据系统所要求的
21、传输速率传输速率(60 Mb/s)(60 Mb/s)和较高的温度（和较高的温度（120120度），度），但随着汽车工业的发展，数据处理系统对传输介质的要求将会越来越高。这就要求研究、开发传输带宽更高、耐温更高、衰减更低的POF和与之相关的光源。第24页，本讲稿共28页5/7/202324（三）、POF在其他领域的应用POF 适用于气候恶劣的网络和传感器，能够高速传递大量的保密性强的信息，塑料光纤可引入战斗机、直升机和军舰内，作为战时的信息传输媒质。由于POF 塑料光纤超强的抗电磁干扰和电磁辐射的能力还可用于导弹，实现不受干扰的准确制导。所以塑料光纤在军事上和核工业上有重要的战略意义。第25页，
22、本讲稿共28页5/7/202325光纤传感器（OFS）相对于传统传感器有很多优点：如抗电磁干扰能力强，无需外加电源，对电绝缘，体积如抗电磁干扰能力强，无需外加电源，对电绝缘，体积小（可形成分布式传感结构）等小（可形成分布式传感结构）等。引入POF作为光纤传感器的材料，则为光纤传感领域带来了很多独特的优点；相对于石英光纤，POF可以有许多种不同尺寸；可挠性好；还可以掺入不同的材料以改变材料的结构，从而达到各种传感要求。另外，POF还应用于照明、灯火监控、灯光装饰、医用图像传输（用用GI-POFGI-POF来制作内窥镜光纤束，微光来制作内窥镜光纤束，微光纤直径可减小到纤直径可减小到2.52.5微米
23、微米）、感光探测、复印机内部光路及数字化音响系统等。第26页，本讲稿共28页5/7/202326结论：结论：塑料光纤作为一种光传输介质，由于其独特的性能而受到世界各国的关注。但是，塑料光纤损耗大的缺点却一直制约着它在各种领域的广泛应用。随着化工技术的不断提高及相关领域学者的不断努力，POF已经在LAN、CAN、OFS等领域实现了实用化。我国POF的研究及生产相对比较落后，目前国产POF多用于广告、装潢，而在工业、电子和通信领域中的应用几乎是空白。进一步提高化工技术，保持POF研究、开发的系统性和持续性是我们面临的迫切任务。第27页，本讲稿共28页5/7/202327第28页，本讲稿共28页5/7/202328