引言
自1986年美国杜邦公司首次研制出阶跃折射率(SI)塑料光纤(POF)以来，至今已30余年。由于当时POF的传输损耗大且缺乏特殊的商用需求，多年来进展缓慢。但自从日本庆应大学1982年提出渐变折射率(GI)塑料光纤、1990年研制成功第一根高速率传输GI POF以及1996年研制出第一根低损耗全氟化光纤以来，塑料光纤技术有了很大的发展，塑料光纤也备受关注。预计今后几年POF将大量应用于光通信领域。
本文将简要介绍光通信用塑料光纤的
结构、分类、制备方法、主要性能参数、机械性能和热性能、发展方向、最新研究进展以及技术难点和未来研究重点。
2 塑料光纤(POF)
2．1 POF的结构
用于光通信的POF的横截面是圆形的，一般分为纤芯、包层和护套三层。纤芯半径通常为125～490 mm，大部分光沿纤芯传播。纤芯外为折射率较低的包层。护套或涂覆层起到机械保护光纤、提供高强度的作用，一般由聚乙烯制成，也可以采用聚氯乙烯和氯化聚乙烯制作。
2．2 分类
从传播的观点来看，POF可以分为单模光纤和多模光纤。前者具有相对较小的纤芯，它要求传输光波模式；后者的纤芯相当大，足以用几何射线跟踪模式进行分析。若按照实际用途来分，POF可分为通信用POF、耐高温(热)POF、照明用粗径POF和医用像束POF等。而按照纤芯材料的不同，POF又可分为聚甲基丙烯酸甲酯POF(PMMA POF)、聚苯乙烯POF(PSPOF)和聚碳酸酯POF(PC POF)三种。
2．3 制备方法
制备POF需要两个步骤。首先制备一根称为预制棒的固体圆柱形棒，长度大约为0．5～1 m，直径为几毫米。这一预制棒的结构将决定纤芯和包层的折射率分布。第二步是挤制预制棒，拉制出500米至几公里长的POF。利用先进的生产技术可以制造出廉价、高质量、低损耗的POF.目前，生产阶跃折射率(SI)POF主要采用熔融旋转法，通过连续挤出或分批挤出获得光纤；而生产GI POF则主要采用界面凝胶聚合法和扩散法。
2．4 主要性能参数
2．4．1 衰减
POF的衰减取决于纤芯直径，它随纤芯直径减小而增大。在570 nIn处，直径为0．5 mm 的PMMA
POF的衰减为70 dB／km，直径为0．25 mm 的PM—MA POF的衰减则为130 dB／km。这一特性是由于直径较小的光纤存在着大量的几何和结构缺陷。此外，衰减还取决于频谱宽度和所用光源的数值
孔径(NA)。频谱宽度或光源的NA增大会导致衰减增大 例如，当NA为0．1时，PMMA POF的衰减仅
为70 dB／km，而NA为0．65时衰减则为88 dB／km。
2．4．2 色散和带宽
大多数光纤传输系统是数字的，也就是说，信息以脉冲的形式传输通过光纤。脉冲在通过光纤传输
时经历瞬间展宽，叫做瞬间色散，简称色散。色散也会影响模拟通信，因为它使信号波形失
真。因此在任何光纤通信链路中都可以观察到，色散是决定可传输通过光纤的最大带宽的参数。影响波形失真的因素主要有三个：模色散(也叫做模间色散)、材料色散以及波导色散，后两种色散可以组合在一起称作色散或模内色散。POF的带宽是限制传输速率的重要性能参数。
当前提高POF带宽的具体方法有两种：一是改变光纤的结构参数；二是选用不同的折射率剖面结构。前一种方法是将阶跃折射率(SI)POF的数值孔径由0．5减小至0．3，以此减小模色散，将该光纤的带宽由7．5 MHz·km提高到12 MHz·km。后一种方法是将POF的折射率分布形式由阶跃型改为渐变型(GI)，这样做可以将模延迟减到最小，使POF的最大带宽高达3．5 GHz·km。
2．4．3 数值孔径(NA)
NA是光纤的一个非常重要的参数，因为它表示光纤接收和导向光的能力。数值孔径较大的光纤可以接收更夺的光。与玻璃光纤相比，典型POF的数值孔径非常大，大约为0．5，便于光耦合进入光纤。
此外还有数值孔径减小的光纤，它们用来实现较高的传输速度。数值孔径越小，带宽就越高，因为有较少的模传输通过光纤，模色散减小。至于发射机和探测器，它们也有其自身的数值孔径，取决于发射角和接收角。尤其重要的是应使光纤的数值孔径与光源相匹配，以便将发射功率有效地耦合到光纤中。
2．5 机械性能
有关人员研究了POF的机械性能。研究集中于弯曲、拉伸或扭转应力产生的衰减。与玻璃光纤不同，POF由塑料制成，其杨氏模量几乎比石英光纤低两个数量级(PMMA POF大约为2．1 GPa)。为此，按照典型的光纤结构，即使是直径为1 mm 的POF也相当柔软，可以安装。同理，POF的最小弯曲半径
也较小，因为塑料比石英更柔软且更容易弯曲。PCPOF也获得了类似的结果，其杨氏模量．55-2．55
GPa范围内。POF的传输速率同样取决于某些机械性能。例如，如果POF的伸长达到其长度的10％，则衰减增加小于0．1 dB。其它因素也可以改变POF的光学性能，如周期弯曲会导致衰减变化，使衰减达到某一极限(1 mmPMMAPOF在弯曲半径为5 0 mm、弯曲1 000次后衰减<0．15 dB)。
2．6 热性能
由于POF是由聚合物制成的，所以它一般可以在80～100℃ 的温度下工作。超出这一范围，POF开始失去其坚固性和透光性。采用交联聚乙烯或聚烯烃弹性体制成的护套，可以使POF的工作温度提高到125℃ ，甚至135℃ 。另一方面，POF的耐高温性能很大程度上取决于湿度。这一特性是由可见范围内强烈的OH一吸收带引起的。氟化物光纤不吸收水，所以它们的衰减受湿度的影响不明显。高带宽GI POF同时具有高的热稳定性，即使在85℃下老化10 000小时也未观察到带宽失真。3 POF的发展方向和最新研究进展
3．1 POF的发展方向
从国外的研究发展来看，POF的研究重点主要集中在以下几个方面：
· 降低光损耗；
· 提高带宽(由SI型转为GI型)；
· 提高耐热性。
聚碳酸酯、硅树脂、交联丙烯酸酯和共聚物可使耐热性提高到125～150℃ 。
3．2 POF的最新研究进展
POF在衰减和带宽方面的最新实用进展为：日本Asahi Glass公司2000年7月宣称，该公司实施庆应大学的GI POF技术，采用全氟化聚合物Cytop制造GI光纤，商品名为Lucina，衰减为25～50 dB／km，
波长为600～1 300 nm，传输速率为3 Gb／s，带宽大于200 MHz·km，在很宽的波长窗口表现出低的衰减。POF在耐热性方面的最新实用进展为：日本JSR与旭化成株式会社联合开发的、采用耐热透明树脂ARPON制造的SI POF，耐热已达170℃。
4 技术难点和未来研究重点
4．1 技术难点
目前在技术方面，POF需要解决两个主要难题。一是设计新的透光材料和包层材料。塑料光纤同石英光纤一样由纤芯和包层两部分组成，要制造出高质量的光纤，两者都很重要。光纤的纤芯要求透明度和折射率越高越好，而包层则要求折射率小于芯材，并且两者相差越大越好。提高纤芯的折射率较难，但降低包层的折射率还有潜力可挖，主要集中在含氟高聚物上。第二个难题是工艺条件，研究控制纤芯聚合物分子量、均匀性和提高透明性的新的光纤技术，进一步提高光的传输效率，降低光损耗。这两个问题一旦得以圆满解决，POF将可取代石英光纤。那时它不仅可用于常规通信，而且还可用于海下照明、导弹、运载火箭、大型轰炸机和电子对抗雷达等尖端领域。
4．2 未来研究重点
目前已经开发出具有不同特性的多种类型的POF，以满足不同用途的要求。通过扩大业务，POF必将成为不可缺少的短距离高速率的传输媒质。POF不可避免地要与金属电缆进行竞争而成为短距离高速率传输通路的核心。今后在POF方面的研究重点是：
· 提高POF的知名度和认可程度；
· 继续降低POF的衰减；
· 提高GI POF的长期稳定性；
·POF连接器的标准化；
· 降低POF本身的成本；
· 纳入相应标准。
5 结语
本文简要介绍了光通信用塑料光纤的结构、分类、制备方法、主要性能参数以及塑料光纤的研究和
进展情况。随着光纤技术的进步，与塑料光纤相关的外围技术、材料技术、器件技术的研究将更加深入，相信会有更多实用性强、成本低的产品问世。今后，塑料光纤应在提高性能、降低成本、扩大传输距离、降低传输损耗等方面再下工夫，创造新的业绩，以适应高速通信发展的需要。