塑料光纤

塑料光纤，Plastic Optical Fiber。截止2014年，通信光缆所用的光纤，基本上都是采用石英光纤，由高纯度二氧化硅SiO2加入适量掺杂剂组成的。近年来，还逐步开发出塑料光纤（POF），它是用一种透光聚合物制成的光纤。因为可以利用聚合物成熟的简单拉制工艺，故成本比较低，且比较柔软，坚固，直径较大（约达1mm），接续损耗较低。

制作POF主要的材料有两类：一类是聚甲基丙烯酸甲酯聚合物PMMA（Polymer Polymethylmethacrylate）；另一类是含氟聚合物（Perfluorinated polymers ）。

1、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。

2、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，保持大的数值孔径，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。

3、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。

4、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。

塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯曲）。塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。这些优点使得塑料光纤在汽车中成功应用尤为重要。一个典型的豪华车内部至少由几公里的铜线和铜缆，重量和成本大为增加。飞机、火车和其他所有交通工具莫不如此。

由于塑料光纤的大直径和数值孔径，光传导能力大。塑料光纤比铜类传输介质（双绞线和同轴电缆）有着高得多的带宽能力。传输的频率越高，运用塑料光纤的成本就越低。

塑料光纤的切割、布线、粘结、抛光和其他加工容易。由于有较大直径， 塑料光纤安装和与器件、光源、探测器等的连接变得容易和低成本，非专业人士也能胜任这些操作。准备塑料光纤的连接最多不超过1分钟，也不需要特别的工具。即使是最简单的剪刀也可以用来切割塑料光纤。塑料光纤收发模块使用650nm波长的红光，非常安全，使用者可见也容易判断光纤的连接是否成功。另外，塑料光纤的连接对端面藏留的灰尘和碎屑不敏感。

塑料光纤不产生辐射，完全不受电磁干扰和无线电频率干扰以及噪音的影响。 这一点对视频和音频的分流尤为重要，很显然这些干扰和噪音影响图像和服务的品质。塑料光纤可以和铜缆在同一管道里或同一线束并排铺放。塑料光纤不产生噪音，不会对目前的管网产生负面影响。

POF系统的成本低。据说用于家庭消费电子、家庭联网和汽车包括音响、DVD、VCR等的每个连接的成本低于20美金。所以这些器件都可以在一般商店里买到。

通过塑料光纤进行数据传输没有可能被窃听，这样塑料光纤在一些安全程度要求高的场合，就非常适用。

虽然石英光纤广泛用于远距离干线通信和光纤到户，但塑料光纤被称之为“平民化”光纤，理由是塑料光纤、相关的连接器件和安装的总成本比较低。在光纤到户、光纤到桌面整体方案中，塑料光纤是石英光纤的补充，可共同构筑一个全光网络。

POF与石英光纤相比，具有以下优点：模量低，芯径大(0.3-1.0mm)，接续时可使用简单的POF连接器，即使是光纤接续中心对准产生30μm的偏差也不会影响耦合损耗；数值孔径大(NA0.5左右)，受光角可达60°，而石英光纤只有16°，可用便宜的LED，并且耦合效率高；挠曲性好，易于加工和使用；在可见光区有低损耗窗口；重量轻；成本及加工费用低。

POF网络在局域网系统中与其他传输介质相比，也具有明显的优点：POF对电磁干扰不敏感，也不发生辐射，不同数据速率下的衰减恒定，误码率可预测，能在电噪声环境中使用；其尺寸较长，可降低接头设计中公差控制的要求，故成网成本较低等。

从国内情况来看，塑料光纤接口标准没有完全建立起来，芯片、光模块的系统尚未开发，大部分仍需要进口，这些都是塑料光纤在发展中所面临的问题。

家庭和办公室智能网络（三网合一）

由于塑料光纤的大直径和数值孔径，比铜类传输介质有更强的带宽能力。8根铜丝的传播速度和容量相当于2根塑料光纤。但是，每吨铜的价格却高达20~30万元，并且价格在逐年上涨。而一根直径1毫米重1克长1米的塑料光纤却只有0.2~0.3元。"三网融合"战略中的三网指的就是电信网、广播电视网、互联网。随着该项战略的推进，用塑料光纤这一根线代替以上这三种信号的传输，而且传输成本会大幅下降。

光纤到户代表着一个国家宽带的未来，对光器件、光纤光缆等行业有很大的促进作用，我国信息产业部已开始制定FTTH的有关标准，专家预测国内FTTH市场将在2006年全面启动并进入大规模建设期，北京、长沙、武汉已开始了FTTH试点，如武汉市已搭建国内首个光纤到户试点平台，已建成和在建的光纤到户项目近10个，用户规模约为5000户，预计2006年至2007年用户将达到5万户。目前国内已有2500万宽带用户，到2007年每年还将新增1200万用户，如果有20%左右的用户采用FTTH将形成800亿元左右的FTTH设备市场规模，年运营业务收入将达180亿元以上。据国家信息产业部电信研究院信息所的统计和预测，未来5-10年内，全球的光纤接入市场将迅速增长，用于光纤到户的资本将从今年的50亿美元增长到228亿美元，其中亚太地区的资本支出为120亿美元。中国和印度将成为发展最快的国家，估计中国的光纤到户投资将占亚太地区的1/3。

另外，我国一些城市相继提出了升级电信网络、加快光纤到户步伐的目标。北京奥运会组委会宣布，2008年前将投资66亿美元扩展和升级电信网络，上海也提出2010年前电信营业收入由现在的100多亿元增至435亿元，再加上我国设施落后的西部在大开发过程中也将加快信息化步伐，这些都为光纤到户的市场空间提供了现实依据。

现代轿车的各种新功能要求快速可靠地传输更大数据量。多媒体汽车意味着常常要在较差的环境中不受干扰地传输视频和音频等信号，国际MOST标准与IDB标准规定使用塑料光纤。塑料光纤汽车网络已经用在级别较高的轿车上，并经受住了长时间的考验。如：戴姆勒－克莱斯勒（奔驰）“S级”系列以及宝马的“BMW7”系列等。目前，在欧洲大概有16个车型采用了塑料光纤通信系统。

我国部分车型也开始考虑使用塑料光纤通信系统。根据测试专业之Faztec Optronics宜捷威科技的行销企划报告指出，光通讯之Polymer Optical Fiber塑料光纤于车用电子中已成为汽车零组件发展的新主流，目前使用于车内通讯与车内娱乐视听系统，例如车内电视，车内音响，车内灯具，车内开关之联接线路均陆续改用塑料光纤。随着全球汽车工业配合时代趋势调整内装更改为塑料光纤，预估到2010年时，全球车用电子产品市场规模将达1500亿美元，主要市场仍集中于欧洲、北美、日本等地区，所占比重超过80%，而中国大陆是最具发展潜力的新兴市场，近5年来的年复合成长率约维持2成。

塑料光纤在传感器、消费电子领域具有明显的优势，如电脑、视频摄像机、CD-ROM、DVD、VCD、TV、打印机、扫描仪、磁盘和立体声系统等。例如我国DVD行业DVD年产量约为3000万台，用于DVD音频光纤跳线的塑料光纤需求量为30000km，价值1200万元；如加工成光缆，价值3000万元，如加工成音频光纤跳线，价值1.5亿元。考虑到国内主要是把塑料光纤加工成光缆或音频光纤跳线出口到日本、韩国、台湾、欧美等国家与地区，塑料光纤在国内这方面的市场需求至少有1亿元。

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POF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、100Mbps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，避免了因使用全属电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的危险。

由于塑料光纤照明和其它方式相比具有独特优点，所以它已广泛地应用于各种场合，并在不断地推广中。现将目前国内应用情况和场合简述如下：

（1）室内装饰

在室内装饰中，用侧发光光纤来构成轮廊线条，光照均匀、颜色柔和，给人一种和谐幸福的感觉；细端光的合理利用，在家里营造出浪漫温馨的气息，在自己的家里也如同沐浴酒吧的感觉。在酒店大厅中，安装流星光纤制作的水晶吊灯，通过各种色彩和亮点的变化，更显得华丽别致，给人耳目一新的感觉；在KTV包房和演艺大厅里面，利用端光光纤，拼组成具有艺术效果的图案，同时还可以利用端光光纤吊顶，可模拟星空效果，忽明忽暗，使人有无限的太空遐想。

（2）水景照明

水景离开了照明就失去了迷人的景色。而普通照明又给游人带来危险的隐患，我们游览水景时，通常都可以看见“请勿戏水，小心有电”等字样，无疑给我们的游览带来点点遗憾。由于光纤照明实现了光电分离，用光纤照明作为水景的点缀，不但颜色鲜艳新颖，而且绝对安全可靠，实属最佳搭配。 光纤照明除了针对水体照明时，使水色更为艳丽动人外，也可用侧光光纤来构成水池的轮廊线。使垂直的彩色水姿与横向的水池轮廓，形成协调的线条美。

（3）城市建筑

在灯光工程中，用侧发光光纤来构成建筑轮廓线是最常见应用实例。特别是对一个城市的形象建筑，以多彩的线条把建筑轮廓在夜色中显得更蔚蔚壮观。同时光纤使用寿命很长，属于免维护产品，大大减低了运营费用。另外，可以改变光纤装饰照明的光色，使建筑物轮廓的色彩随季节或气候而变化，给人们一种人性化的感觉。

（4）园林绿化

在园林绿化中，用端发光光纤来作亭院灯、地埋灯，使绿地、道路在照明的同时也有色彩变化。

（5）道路照明

在景观道路上，装上星星点点的端发光光纤，成为光纤甬道，更增加了景观的趣味性，同时可以将流星光缆平铺于地面，人们走在上面如同在光色中浮游，给游玩的人们无穷的遐想。

（6）溶洞照明

溶洞是一种自然景观，由于它没有阳光照射，全靠灯光来展现它的风采。多变的光色和柔性的光纤，对无规则溶石和湖岸更显出它的有用武之地，使溶洞的景色更迷人。而最重要的是清除了对游客的不安全隐患。

（7）古建筑物及文物照明

在一般的灯光照射下，因紫外光的作用，使图书文物、木结构等建筑物加速老化。同时有电会造成大火的危险。而用光纤照明，既安全又能达到理想的艺术效果。

（8）易燃易爆场合

在油库、矿区等严禁火种入内的危险场合中。应用其他各种照明都有明火的隐患。如不小心就会酿成大祸。从安全角度看，因光与电分开，所以光纤照明应是一种最理想的照明。

（9）太阳光的利用

在我们常见的太阳能利用中，都是把太阳光转换为热能或电能，而光纤可将太阳光直接加以利用，用来改善居室照明，对于阴暗的地下室、隧道，采用光纤照明，可让永远见不到阳光的地方能重见光明。

在军事通信上，POF正在被开发用于高速传输大量的第三、保密信息，如利用POF重量轻、可挠性好、连接快捷，适用于随身配戴的特点，用于士兵穿戴式的轻型计算机系统，并能够插入通信网络下载、存储、发送、接收关键任务信息，且在头盔显示器中显示。

中国科学家经过多年努力，终于攻克了从本体聚合法直接生产聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）突变型塑料光纤的技术难关，掌握了批量连续化生产塑料光纤技术。中科院理化技术研究所现已累计生产出数百万米低损耗突变型塑料光纤，破除了日本公司在国际上的垄断地位。

近几年全球塑料光纤的需求量迅速增加，2005年国际上PMMA塑料光纤销售额已经达到数十亿美元。而适用于数据传输的低损耗PMMA塑料光纤，目前只有日本三菱公司能够生产，每年我国均从日本进口大量的PMMA塑料光纤。

该项目负责人甄珍和刘新厚研究员介绍，中科院理化所掌握了从原材料提纯、经本体聚合直接拉制光纤整套技术。其核心技术是高纯度光纤级PMMA光学模塑料（芯层材料）以及皮层材料的制备技术。在研制过程中，中国科学院理化技术所先后开发了具有自主知识产权的单分子扩散转移原料提纯新技术，平推式薄层管式与双螺杆复合系统的本体聚合制备高纯度光纤级PMMA原料以及与之相配套的包层材料技术，并成功地解决了产业化的相关问题。

目前该所已研制成功日产10万米PMMA塑料光纤的全自动流水线，连续数月稳定生产出光衰减在170-200dB/km的PMMA光纤，累计生产出数百万米低损耗塑料光纤，表明这一产业化技术已经成熟。同时，该所还具备批量生产光衰减为150dB/km的阶跃型PMMA光纤潜能，产品技术指标达到国际同类产品的最好水平。低衰减PMMA光纤连续化批量生产技术的问世，标志我国在该领域跻身世界先进行列。

当今信息技术的发展迫切需要信息容量大的光纤材料，对通讯网络带宽的要求越来越高。塑料光纤具有芯径大、质地柔软、联结容易、质量轻、价格便宜、传输带宽大等优点，在宽带接人网系统、家庭智能网络系统、数据传输系统、汽车智能系统、工业控制系统以及纺织、照明、太阳能利用系统等方面的应用市场潜力巨大。

塑料光纤的研究始于二十世纪60年代。1968年美国杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯为芯材制备出塑料光纤，但光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以PMMA和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，其光损耗为3500dB/km，难以用于通信。

80年代日本的一些大企业和大学对低损耗塑料光纤的制备进行了大量的研究。1980年三菱公司以高纯MMA单体聚合PMMA，使塑料光纤损耗下降到100-200dB/km。1983年NTT公司开始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光损耗可达到20dB/km，并可传输近红外到可见光的光波。

近几年来，欧日等国的公司对塑料光纤的研制取得了重要的进展。它们研制成的塑料光纤，光损耗率已降到25～9分贝/公里。其工作波长已扩展到870微米(近红外光)，接近石英玻璃光纤的实用水平。美国研制的一种PFX塑料系列光纤，有着优异的抗辐照性能。此外，美国麻省波士顿光纤公司研制的Opti-Giga塑料光纤更是引人注目，它不仅比玻璃轻、柔性更好、成本更低，而且可在100米内以每秒3兆比特的速度传输数据。这种光纤还可以利用光的折射或光在纤维内的跳跃方式来达到较高的传输速度。现在美欧日已把塑料光纤用于短途传输，如汽车、医疗器械、复印机等。

就目前塑料光纤生产量而言，日本是世界上最大的塑料光纤生产者，然而却是欧洲推动了塑料光纤新应用领域的开发并建立了光纤检验标准。2001年下半年是欧洲塑料光纤工业发展的重要阶段，在这段时间内建立了欧洲塑料光纤检验和测量的新发展方针。世界上第一个专用塑料光纤应用中心(POFAC)在德国Nuremberg落成。德国采用塑料光纤已经研制成功了多媒体总线系统MOST(24Mbit/s)，并且有几家轿车制造商已把该系统引入到自己的产品上。德国宝马公司(BMW)在其新的7个系列产品中开创了使用100m塑料光纤的记录。欧洲2001年塑料光纤学术交流会和欧洲光纤通信会议同时在荷兰的阿姆斯特丹举行。德国汽车工业不仅推动了塑料光纤的应用，而且也推动了塑料光纤检验和测量标准的建立。

日本也建立了塑料光纤标准，但这些标准对欧洲共同体是无效的。日本工业标准只给出了一种型号塑料光纤的标准，其数值孔径为0.5，而且只有650nm一种波长。该标准没有提及在塑料光纤中的不同激励光条件，也没有规定必须在塑料光纤内形成平衡模分布。

此前建立的玻璃光纤检验方法因为会出现瑞利散射而不适于检验塑料光纤，现在市场上仅有瑞士新成立的Luciol仪器公司出售的一种检验塑料光纤的仪器。

德国工程师学会和电子工程学会研究小组已经详细规定了塑料光纤数值孔径、衰减、传输和机械特性以及环境和寿命的测量方法。塑料光纤检验方法和标准的建立必将促进国际塑料光纤贸易的发展，并消除贸易中的误解。

日本对塑料光纤的应用十分重视，早在几年前，NEC、富士通、住友电器工业公司等45家光通信、多媒体产品的生产厂家就联合宣布，将共同实现已在日本开发成功的塑料光纤的实用化。塑料光纤的成本低廉，被认为是将多媒体引进到家庭的关键技术，随后一些生产厂家就着手建立生产线。?

1986年，日本F富士通公司以PC为纤芯材料开发出SI型耐热POF，耐热温度可达135摄氏度，衰减达450dB/km;

1990年，日本庆应大学的小池助教授开发成功折射率渐变型的塑料光纤，芯材为含氟PMMA、包层为氟化塑，用界面凝胶技术制造。该塑料光纤衰减在60db/km以下，光源650-1300nm，100m带宽3GHz，传输速率10Gb/s，超过了GI型石英光纤，并被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介;

1996年，人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网ATM物理层;1997年，日本NEC公司进行了155Mbit/s的ATM、LAN的试验。

在2000年OFC会议上，日本ASAHI GLASS公司报道了氟化梯度塑料光纤（GI-POF）衰减系数在850nm为70dB/km，在1300nm为33dB/km，带宽已达100mhz/km。用这种光纤成功地进行了50m、2.5Gbit/s的高速传输试验和70摄氏度长期热老化试验。实验结论为氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离的通信使用要求。

目前塑料光纤在我国的应用场合有：室内装饰、水景照明、溶洞照明、易燃易爆场合、太阳光的利用。此外，塑料光纤在工业，特别是汽车工业、农业及国防建设中也得到了大量的应用。

网络成本的降低、性能的提高、数字传播技术的引入、电磁干扰的减少以及塑料光纤标准的制定与完善都使得塑料光纤在工业、农业、国防建设中得到大量应用，并推动着塑料光纤产业逐渐成为光通信的主流产业。目前，塑料光纤主要应用于低速、短距离的通信传输中。　由于塑料光纤具有通信容量大、不放射电磁噪音、质量轻等特点，因而在汽车制造工业中得到广泛使用。宝马公司已在其最新产品中使用塑料光纤，用于汽车制造系统的通信。

在工业控制总线系统中，通过转换器，塑料光纤可与RS232、RS422、100 Mb/s以太网、令牌网等标准协议接口连接，从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信路线，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干扰而导致通信中断的危险。

通过塑料光纤，我们可实现智能家电（家用PC、HDTV、电话、数字成像设备、空调、冰箱、音响系统、厨用电器等）的联网，达到家庭自动化和远程控制管理，提高生活质量；通过塑料光纤，我们可实现办公设备的联网，如计算机联网可以实现计算机并行处理，办公设备间数据的高速传输可大大提高工作效率，实现远程办公等。在低速局域网的数据速率小于100Mb/S时，100m范围内的传输用SI型塑料光纤即可实现；150Mb/s50m范围内的传输可用小数值孔径POF实现。POF在制造工业中可得到广泛的应用。通过转换器，POF可以与RS232、RS422、100 Mb/S以太网、令牌网等标准协议接口相连，从而在恶劣的工作制造环境中提供稳定、可靠的通信线路。能够高速地传输工业控制信号和指令，避免因使用金属电缆线路而受电磁干扰导致通信传输中断的危险。

塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质，在未来家庭智能化、办公自动化中也将得到广泛应用。在Internet服务中，塑料光纤由于重量轻且耐用，因而被用来将车载机通信网络和控制系统连接成一个网络，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。当塑料光纤在传输距离不超过100m时，其传输速率能达到11Gb/s，因此在互联网短距离传输中可以用塑料光纤代替双绞线和同轴电缆，从而保证了互联网中短距离的大容量通信。

在单兵作战系统中，重量轻、可挠性好、连接快捷的塑料光纤，被用于士兵穿戴式的轻型计算机系统。塑料光纤也被用在飞机、战舰、导弹等高科技智能武器的控制系统中。

随着科技的发展，塑料光纤的应用领域越来越广，其市场的发展会越来越广阔。国外在塑料光纤的应用开发上已取得了较大的成果，且不断在加大新的应用研究投入，在韩国、中国以及我国台湾地区已经有厂商开始投入研发生产，因此产业更应就塑料光纤的研究和发展予以密切注视。