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塑料光纤及其传输系统
2008-5-24
 

来源: 作者:胡先志、谢德平

摘要本文简要综述了塑料光纤的结构、材料、制造方法、性能及通信系统的研究进展。
关键词 塑料光纤 传输 系统
1引言
近年来,为降低光纤网络终端用户的光纤接入成本,国外一些著名大学和研究机构竞相开发价格便宜、接续简捷、工作可靠的塑料光纤和通信系统。本文简要介绍了目前塑料光纤的结构、材料、制造方法、性能及通信系统的研究进展,旨在引起国内同仁的关注。
2塑料光纤
2.1结构
目前短距离通信用的塑料光纤,按其剖面的折射率分布可分为两种:阶跃型塑料光纤和梯度型塑料光纤。阶跃型塑料光纤由于其模间色散作用使人射光发生反复的反射,射出的波形相对于人射波形出现展宽,故其传输带宽为几十至上百MHz·km。梯度型塑料光纤以优化的梯度折射率分布来抑制模间色散,再从降低材料色散人手,进而可制得带宽高达几百MHZ·km至几GHz·km的梯度型塑料光纤。
2.2材料
选择塑料光纤材料时,人们主要考虑的因素是材料自身的透光性、折射率等。特别是纤芯材料除应透光性好、光学均匀、折射率适宜外,还应注意机械、化稳、热稳定、加工及成本等因素。
目前,常常选作塑料光纤纤芯材料有:聚甲基丙烯甲酯(PMMA)、聚苯丙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、氟化聚甲基丙烯酸酯(FPMMA)和全氟树脂等。常选作塑料光纤包层材料有:聚甲基丙烯甲酯、氟塑料、硅树脂等。
2.3制造
与石英玻璃光纤制造方法完全不同,通信塑料光纤的制造方法有:挤压法和界面凝胶法。
挤压法主要用于制造阶跃型塑料光纤。该工艺步骤大致如下:首先,将作为纤芯的聚甲基丙烯甲酯的单体甲基丙烯甲醋通过减压蒸馏提纯后,连同聚合引发剂和链转移剂一并送入聚合容器中,接着再将该容器放入电烘箱中加热,置放一定时间,以使单体完全聚合,最后,将盛有完全聚合的聚甲基丙烯甲酯的容器加温至拉丝温度,并用干燥的氮气从容器的上端对已熔融的聚合物加压,该容器底部小嘴便挤出一根塑料光纤芯同时使挤出的纤芯外再包覆一层低折射率的聚合物就制成了阶跃型塑料光纤。
梯度型塑料光纤的制造方法为界面凝胶法。界面凝胶法的工艺步骤大致如下:首先将高折射率掺杂剂置于芯单体中制成芯混合溶液,其次把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引发剂和链转移剂放入芯混合溶液中,再将该溶液投入一根选作包层材料聚甲基丙烯甲酯(PMMA)的空心管内,最后将装有芯混合溶液PMMA管子放入一烘箱内,在一定的温度和时间条件聚合。在聚合过程中,PMMA管内逐渐被混合溶液溶胀,从而在PMMA管内壁形成凝胶相。在凝胶相中分子运动速度减慢,聚合反应由于“凝胶作用”而加速,聚合物的厚度逐渐增厚,聚合终止于PMMA管子中心,从而获得一根折射率沿径向呈梯度分布的光纤预制律,最后再将塑料光纤预制棒送入加热炉内加温拉制成梯度型塑料光纤。
2.4性能
(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。通过选用低折射率且等温压缩率低的高分子材料可获得低的散射损耗,而吸收损耗则是分子键(碳氢:C-H,碳氘C-D,碳氟C-F等)伸缩振动吸收和电子跃迁吸收所致。在考虚近红外时,电子跃迁吸收作用可忽略不计。分子伸缩吸收损耗可由模斯势能理论求得。
(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,保持大的数据孔径,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
通常,塑料光纤在高湿环境中会发生氧化降解和损耗增大。氧化降解是由于构成光纤芯材中的谈基、双键和交联的形成所致。氧化降解促使电子跃迁加快,进而引起光纤的损耗增大。通过实验发现,经老化处理后的光纤,其工作波长为760nm的衰减增大要比其在680nm的衰减增大要小;另外,只要选用的光源工作波长大于660nm,塑料光纤的耐热性是长期可靠的。
3系统
目前,已研制出的短距离数据通信系统所依据的标准是IEEE1394(1998年2月),人们正按这个综合布线标准来建设下一代用户传输系统。IEEE1394规定了将用塑料光纤传输100Mbit/s信息的传输距离由4.5m延长到50m。
1998年,日本古河公司研制出工作波长为780nm的塑料光纤传输系统,该系统的光发射机的发光器件为780nm的LD,光接收机的光接收器件为780nm Si-PIN,其光探测面直径为0.8nm,弛豫频率为0.5GHz。发射机输出功率设定在-8dBm(按IEC825-1标准)。
4结语
本文简要地介绍了短距离数据通信用塑料光纤的材料、制造、性能及系统的最新研究成果,期盼国内广大同仁能对塑料光纤及系统的研究应用予以关注。
 

 
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