东莞市达索光纤有限公司

塑料光纤及其使用
焦点提醒:  跟着信息的爆炸性增加和信息社会的到来,Internet、可视电话、远程教育、电视购物、视频点播、高清晰度电视及交互式有线电视等对通讯业务的开展提出了进一步实现网络高速化和宽带化的火急要求,同时也需

  跟着信息的爆炸性增加和信息社会的到来,Internet、可视电话、远程教育、电视购物、视频点播、高清晰度电视及交互式有线电视等对通讯业务的开展提出了进一步实现网络高速化和宽带化的火急要求,同时也需求在短距离内构成毗连密集型网络。大容量的高速传输网技术发展迅猛,其传输速率和容量每一年在成倍增加,这无疑对最初lkm接入手艺也提出更严重的磨练。因为其极低的消耗和色散特性,石英光纤天经地义是长距离、高速率、大容量传输网的最好挑选。但在毗连麋集的接入和局域网以及其他低速网络中,其庞大高贵的毗连工艺增长了网络本钱。与石英光纤比拟,塑料光纤因为其制造简朴、价格便宜、继续快速、抗打击强度高、抗辐射等长处,十分适用于局域网中的短距离通讯、有线电视网、室内计算机之间毗连,成为短距离宽带通信网的幻想挑选。塑料光纤将代替金属电缆而成为短距离高速率的传输序言的焦点。

  2塑料光纤的开展过程塑料光纤虽然具有诸多石英光纤无与伦比的长处,但其光传输消耗大却是不容忽视的缺陷。石英光纤的消耗值在0.l5dB/km,相当于光在光纤中传输约20k:后光强度低落一半,塑料光纤的消耗约l00dB/km~300dB/km,光传输20:以至更短强度就低落一半。1964年,美国杜邦公司起首开辟以聚甲基丙烯酸甲脂PMMA)为纤芯的有机塑料光纤,其传输消耗高达1000dB/km.厥后,日本在低落POF的光消耗,提高其耐热性和研讨开辟梯度折射率塑料光纤Bi-pof)等方面取得了严重成绩。1992年,YoshiroKoike颁布发表用界面凝胶法消费出新型的梯度折射率光纤,较着低落了塑料光纤的消耗,有用提高了塑料光纤的带宽,为塑料光纤用于宽带通信网开辟了宽广的使用远景。美国在塑料光纤的开展过程中也起到鞭策性感化,美国政府赞助开辟了对美国的军事和产业都有主要战略意义的芯子手艺。作为项目的一部分,建立了高速塑料网络“1SPN)构造以开辟GI-POF手艺。HSPN包罗Fiber6F)等公司,在短短的3年时间内,他们将POF手艺推向宇航、汽车以及数据通信市场。并于1997年订定并经由过程了第一个POF的产业尺度。

  近年来,跟着GI-POF研讨的进一步深化,低消耗突变折射率光纤有了长足的停顿,科研人员费尽心机进一步低落GI-POF的传输消耗,除了改良GI-POF制备办法完美其工艺外,还从低消耗GI-POF研讨过程中得到了无益的启迪。在充实低落GI-POF非固有消耗后,最重要的目的是低落GI-POF的固有消耗,塑料光纤中的本征消耗来自C-H的谐波共振吸收,接纳含氟的塑料制成的塑料光纤消耗可较着低落。选用氘D或氟F代替GI-POF中CH键中的氢,可低落GI-POF中CH键的含量,氟原子替代氢原子不只低落份子振动吸取,也低落瑞利散射消耗。这一代替办法不只低落GI -POF的传输消耗,并且也可将GI -POF光传输窗口从可见光区移向近红外地区。但这类制备工艺难度大,本钱较高。

  经由过程在聚合物基体中掺入小的搀杂份子,突变折射率散布的可重复性得到了改进。氟化塑料光纤消耗的最新报导是在1300nm处为16dB/km.值得留意的是,全氟化GI -POF消耗的实际极限在1300nm处为0.25dB/km,在1500nm处为0.1dB/km,与石英光纤的消耗极限相称。塑料光纤的特性基本上与其纤芯的物理特性严密相干,差别纤芯组成的塑料光纤其特性也大不不异。

  3塑料光纤的根本特性3.1塑料光纤的消耗塑料光纤的最大缺陷是消耗大。按照消耗机理的差别,在可见及红外地区POF的消耗能够分为散射消耗和吸取消耗。此中散射消耗有由于波导构造不完善如聚合物杂质、光纤中的微空地、灰尘和气泡、纤芯直径不均匀不完整性、方位双折射、纤芯与包层间的粘合缺点)惹起的消耗及因为瑞利散射惹起的消耗。利用适宜的包层质料和掌握聚合物聚合度与分子量散布,可低落散射消耗。光导介质中微观不规则构造物理尺寸比波长小一个数量级或更小,就惹起瑞利散射,瑞利散射还可由质料构造和浓度的颠簸惹起。除了POF中所含杂质的吸取外,吸取消耗还包罗紫外吸收光谱在可见及近红外地区的带缘吸取和紫外带缘吸取消耗。好像所有的固体一样,聚合物在紫外光区具有光谱吸取,其机理是质料内键的电子能级间跃迁惹起的吸取。在PMMA中,最重要的吸取是由大分子脂基团中双键的n轨道向!轨道的跃迁惹起的。聚合物分解历程中所利用的其他化合物,如链转移剂中的n向的跃迁以及激发剂偶氮化合物中偶氮基团!向!的跃迁也惹起类似的吸取,而且紫外吸取跟着波长的降低呈指数干系降落。芯材杂质惹起吸取消耗,次要以过渡金属离子在可见光波区惹起的吸取最为较着,此中Co离子在530nm、590nm、及650nm显现有最大的吸取峰,而且相互之间发作堆叠惹起一个大的吸取峰。PMMA中还有水的吸取,在可见光谱区因为羟基振动惹起吸取消耗。

  纤芯直径在轴向的变革、芯-包层界面缺点及尘埃、气泡、微粒的散射标准弘远于波长长度)惹起的消耗与波长无关。此中前两项和POF的制造工艺有关。跟着对POF的研讨深化,其工艺日益完好,这两项根本已低落到下限。每一个尘埃、气泡、微粒或缺点能形成10-3dB/km阁下的消耗。而POF的最重要消耗身分是C-H键的高次谐波在可见及红外地区的吸取。为此,可用较重的原子氘或氟替换其中的氢,制成氘化或氟化POF.比方NTT试制的全氘化PMMA光纤到达650nm波长的传输消耗为20dB/km,经由过程部门氟化或氘化,还能够将消耗降至5.8dB/km.可是,氘化或氟化POF还无实用性,因为吸湿,氘会从头被置换成氢原子,且氘化物价格昂扬;另一方面,氟化会低落纤芯的折射率,使纤芯与包层(包层亦为氟聚合物)的折射率差减小,使SI型POF的蜿蜒消耗极端增大。为了打破这一限定,正在研讨开辟部门氟化PMMA纤芯GI-POF. 3.2塑料光纤的带宽光纤波导最重要的特性是其带宽,带宽肯定了其信息传输才能,多模石英光纤和塑料光纤在带宽上的次要限定身分是模间色散。光纤中模式光电机信息3/2002差别,传播速度差别,其色散随长度呈线性增长。

  可是实际和实验表白,在塑料光纤中模与模之间其实不相互自力,而是亲密相干的,从而使其带宽出人意料的提高。近来对塑料光纤的尝试研讨表白,因为随机折射率微扰和模耦合使带宽较着展宽。当输入旌旗灯号脉冲的能量包沿波导传布时,其在差别的工夫与差别的模耦合,会使模间色散低落。光纤传布方向上的随机微扰就会发作上述状况,微扰惹起差别模间的耦合而且形成能量包随机向前一个和后一个模转移,就像汽车换车道一样。存在模式耦合的状况下,模不再自力,而承载于模中的能量包也以一种均匀的群速度基本上同时抵达波导的输出端。成果输出脉冲展宽减小而招致带宽增长。因为有了模耦合,脉冲展宽与光纤长度的平方根成反比,不再满意线性干系。在阶跃塑料光纤中,模式耦合带来的带宽增长远比梯度折射率光纤要多。增长光纤的带宽有两种办法,一是减小光纤芯的NA,二是改动光纤芯的折射率散布。当梯度折射率光纤具有靠近于抛物型的最好折射率散布时,光纤的模间色散最小,可以获得最好带宽机能。梯度塑料光纤的建造工艺开展很快,提出的办法许多,如稀释剂收缩法、热分散共聚法、光敏共聚法和随机共聚法即界面凝胶法)。此中界面凝胶聚合手艺是实用性最强的梯度塑料光纤制作方法。尝试研讨表白,用脉冲响应法丈量获得100m长的PMMA梯度塑料光纤和全氟化梯度塑料光纤在差别的折射率散布幂指数下的带宽值,其PMMA梯度塑料光纤因质料色散较大,在最优折射率剖面时,650nm波长处的带宽为3GHz/100m,而全氟化梯度塑料光纤在650nm波长的带宽约莫是PMMA梯度塑料光纤的3倍。质料在近红外地区的色散较小,全氟化梯度塑料光纤(g<2. 09)在1300nm波长处的带宽能够到达100GHV100m.梯度塑料光纤的实践带宽比用WKB办法计较得出的实际带宽要大,其缘故原由是光纤中存在强模式耦合和差分模式耦合。

  3.3热稳定性塑料光纤的耐热性常常是使用者体贴的成绩,因而机能常常与包层在必然情况下连结的工夫和湿度等条件有关。因为塑料熔点低,耐热机能差,比玻璃易老化。当温度低于-40°C时,塑料光纤将变硬、变脆。塑料光纤在高温情况中会发作氧化降解和消耗增大,氧化降解是因为组成光纤芯材中的羟基、双键和交联的构成而至。氧化降解促使电子跃迁放慢,进而惹起光纤的消耗增大。

  热稳定性和持久可靠性是梯度塑料光纤的一个次要成绩。搀杂系统梯度塑料光纤,其折射率散布是搀杂物资浓度沿径向散布构成的,利用历程中,搀杂物的分散和迁徙使折射率散布发作变革,偏离最好折射率散布,从而使光纤机能变差。另外,在高湿度情况中,传输消耗的稳定性也是一个主要的成绩,光纤芯的玻璃化改变温度决议了折射率散布的稳定性。搀杂系统梯度塑料光纤中的小分子量搀杂物资低落了光纤的玻璃化改变温度,使光纤的稳定性变差,能与纤芯聚合物充实交融的搀杂物资也具有较高的塑化和分散机能,从而低落折射率散布的稳定性和期限。在高温、高湿度情况下,梯度塑料光纤中消耗的增长次要取决于搀杂物。3MM,吸取水分子的重量百分比最多为E,因为在3MM,阶跃塑料光纤中吸取的水分子没有会聚成族,因而不会形成分外的散射消耗。商品化的PMMA阶跃塑料光纤在高湿度情况下的分外消耗十分小。关于芳香族搀杂系统的梯度塑料光纤来讲,固然吸取水分子的重量百分比小于1E,但吸取的水分子易于会聚成族而形成分外散射消耗,该消耗取决于PMMA、搀杂物资和水分子三者的交融机能。因而,挑选搀杂物资不单要考虑到折射率散布的稳定性,并且也要考虑到消耗的稳定性。

  4传输尝试早在1989年就有报导操纵塑料光纤替代同轴电缆作为传输声音数据局域网的传输介质,其看好的就是塑料光纤比同轴电缆带广大,价格便宜,重量轻。不外因为其时光纤手艺及其他器件手艺其实不先辈,其时的传输速率只要几百K/Gi. PMMASI-POF中演示了265MGit/s和531MGit/s的传输。利用的光源是波长652nm、光功率为2.7mW的激光二极管,接纳模式挑选入射和探测以及对光纤模式色散停止电的预抵偿和后抵偿。

  1995年,日本Keio大学Ishigure等报导了操纵界面凝胶聚合手艺建造的PMMAGI-POF(650nm波长消耗为200dB/km)、647nm高速激光二极管和SiPIN光电二极管实现的2.5G/s、100m的传输。这是初次报导数据传输速率在Git/s以上,传输间隔超越100m,而又不利用电调速器件的体系。1999年,Giaretta等人在100m长的梯度化聚合物光纤上停止了传输速率高达11Git/s的数据传输尝试。体系接纳波长1300nm非冷却无断绝的Fabry-Perot激光器和低成本的PIN接收器,胜利实现了误码率10-10、功率预算9dB,在较严厉的注入条件下高消耗、高色散的高阶模群不被激起),带宽可达1GHz.该光纤的消耗是年,德国Ulm大学的P.Schnitzer等人用775nm、功率500!W的垂直腔面发射激光器作光源,在1m长、芯径120pm的POF上停止了数据速率为2.5Git/s的传输尝试,该光纤在780nm处的消耗小于1dB/km.荷兰Eindhoven手艺大学的W.Li等人在塑料光纤传输网方面作了许多事情。1999年,他们起首报导了操纵Mitsubishi公司的低消耗164dB/km)PMMAGI-POF、波长为645nm的窄光谱激光器和一个硅雪崩光电二极管-PD)实现了传输。厥后又在POF99上,报导了他们使用全氟化聚合物GI停止2.5Git/s的传输尝试,传输间隔均为550m,其光纤消耗在1310nm波长为31dB/km、长尝试时,接纳高灵敏度大光敏面积的APD接收器,使GI-POF和APD之间实现低消耗光互连,光源接纳5GHz的DFB.在停止840nm波长尝试时,接纳了2GHz带宽的VCSEL和APD,此中利用平衡电路抵偿光源的带宽不敷。同时在5塑料光纤器件的近况因为塑料光纤有较大的芯径,其毗连多接纳注塑的连接器,间接将塑料光纤插入,每一个连接器的消耗在5dB.对普通短距离体系,该消耗能够承受。因为塑料光纤质料的缘故原由,塑料光纤不可能接纳熔融拉锥办法制成耦合器。就塑料光纤耦合器而言,混淆棒光纤耦合器是一种出格适用于塑料光纤的耦合器构造。大直径塑料光纤的包层很薄,使光纤束的横截面上光纤芯占截面总面积的比率很高,从而确保耦合器具有很高的耦合服从。混淆棒塑料光纤耦合器的构造简朴,因此建造起来也相对简单。对有源耦合器曾有过报导,两根剥去了包层的塑料光纤间是一层液晶,光纤芯上淀积金属层作为电极,能够经由过程加载电流使液晶极化,制成的耦合器插入损耗小于2.5dB,断绝度大于30dB. 5.1塑料光纤放大器受石英光纤放大器的启示,为克制塑料光纤消耗大的缺陷,人们想到测验考试在塑料光纤中搀杂稀土元素化合物制成塑料光纤放大器(POFA)。但因为稀土类元素化合物与塑料光纤聚合物基体的难相溶性,使搀杂物成为塑料光纤的一个极大的散射中心,带来很难低落的散射消耗。另外,塑料光纤因为C-H谐振吸取在稀土元素离子的荧光谱波段有很大的吸取消耗,因而,稀土类塑料光纤放大器没有获得大的停顿。聚合物中染料的放大感化已有多年汗青,操纵染料的受激发射道理研制的染料激光器手艺已相称成熟。近年来,人们开端测验考试在塑料光纤中搀杂各类有机染料建造塑料光纤放大器。诺丹明族染料中具有代表性的有机染料吸光面大,是稀土类离子的10000倍。荧光量子发生率高,在纤芯直径近1000!m的POF中也易被鼓励至粒子数反转散布形态且数目许多。从道理上讲,从可见光至近红外区间内任一波段均有可能实现光放大。另外,因为受激发射截面较大,搀杂有机染料的POFA在很短的光纤上就能得到数百倍的高增益。搀杂的染料重量比普通在0.1数ppm之间,机器特性与POF不异。若POFA中的有机染料未被充实鼓励,有机染料就会吸取旌旗灯号光,因而,调解泵浦光强度散布,使其与有机染料半径标的目的分歧是实现高效泵浦的主要包管。今朝还没有对放大历程中有机染料的劣化征象停止具体研讨阐发,但从POFA持续事情10h、放大增益为30dB的尝试中,未发明有机染料的劣化征象,这或许是由于有机染料的搀杂浓度十分低和POFA事情时期每单元体积内蓄热量小的来由。

  等人揭晓了有关塑料光纤放大器的文章。其尝试所用的是诺丹明B染料搀杂GI -POF,在591nm波长的增益是27dB,接纳的泵浦功率高达15kW,能量转换服从为15E.>.D.Peng等人接纳诺丹明6G和诺丹明B搀杂塑料光纤,在波长624nm处得到的最大增益为25dB,泵浦功率为700W,波长532nm下5ns的脉冲宽度。旌旗灯号功率在20W以上和泵浦功率在700W以上,就会呈现增益饱和。我国对塑料光纤放大器的研讨在中也有报导。接纳诺丹明B搀杂,泵浦激光器功率为10W,光纤长度50m,搀杂浓度为2.5ppm,旌旗灯号光为0.01W时,获得最大增益15dB.这些成果的重要意义在于:放大发作在靠近PMMAPOF最常用的传输窗口的波长下。这类诺丹明B搀杂塑料光纤在脉冲光放大方面机能优秀,它势必在脉冲光放大器范畴获得普遍使用。可是具有鼓励形态的有机染料份子常因项间交差而发生光谱三重线能级吸取,难以实现持续光放大,处理这一问题是此后实现持续光放大的枢纽。今朝的塑料光纤放大器的研讨距POF网络光放大器适用化目的还有很长一段距离。跟着份子能量跃迁及发光历程进一步被提醒,将来有可能探访到处理有机染料、稀土类聚合物现有难点的办法,而且发明具有很高机能的新型发光质料。!使用远景作为短距离通讯网络的幻想传输介质,塑料光纤在将来家庭智能化、办公自动化、产业掌握网络化、车载机载通信网、军事通信网的数据传输中具有重要地位。操纵塑料光纤能够构成家庭网络,把家用pc、娱乐设备、数字装备、家庭安全设备连成网络,到达家庭自动化和长途掌握管理,提高糊口质量,还能够实现办公设备的联网,实现长途办公。POF在制造产业中也将获得普遍使用。耐用的POF网络具有很大的柔初性,能制止工场空中很强的噪声滋扰,高速传输产业掌握旌旗灯号和指令,制止因利用金属电缆线路而受电磁滋扰招致通讯传输中止的伤害,从而在卑劣的产业制造情况中供给不变、可靠的通信线路。POF能够将车载、机载通讯网络和控制系统构成一个网络,将微型计算机、卫星导航装备、移动电话、传真等外设归入机车团体设想中。游客还能够经由过程POF网络在坐位上享用音乐、电影、视频、购物等服务。POF在飞机中也可得到普遍使用,能够经由过程有POF构成的通讯网络,从接入的配合网络和国际互联网中为游客供给个人所需的电影、视频游戏、购物等服务。同时因为塑料光纤重量轻,能够较着低落飞机的载重量。在军事通讯上,POF得到了进一步开辟以用于高速传输大量的敏感、保密信息,如操纵POF重量轻、可扰性好、毗连快速、适用于在身佩戴的特性,用于兵士穿着式的轻型计算机系统,并可以插入通讯网络下载、存储、发送、承受枢纽使命信息,且在头盔显示器中显现。因而可知,塑料光纤具有宽广的使用远景。

  塑料光纤用于短距离通讯的局域网和接入网的潜力不可估量,因而,进一步提高其机能迫在眉睫。今朝在手艺方面仍需处理两个次要困难:一是设想新的透光质料和包层质料,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,二者相差越大越好。要提高纤芯的折射率较艰难,而低落包层折射率还有潜力可挖;二是工艺条件,研讨如何掌握纤芯聚合物分子量、平均性和提高透明性的新的光纤手艺,进一步提高光的传输服从,低落光消耗。这两个成绩一旦得以美满处理,塑料光纤不只可用于通例通讯,并且可用于海下照明、导弹、运载火箭和电子对抗雷达等尖端范畴。在推行塑料光纤网络中,要思索的次要问题是本钱,研制价格低廉、机能可靠的塑料光纤器件包罗光发射机和接收机、连接器、光开关、耦合器等)今朝仍面对宏大应战6)


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