塑料光纤

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塑料光纤发展史及前景

2004-10-10 来源：hc360慧聪网

中国塑料光纤产业2004论坛于今年7月17日-18日在上海举行，来自中国和美国的代表参加了论坛，再论坛研讨的项目中，内容涉及塑料光纤研究和工业制备、光电子器件的研发、塑料光纤的应用等方面，会议代表就塑料光纤的未来发展和应用领域表示看好。

自1970年美国康宁公司研制出石英玻璃光导纤维后，同年贝尔又试制成半导体激光器，这两项新技术的结合，开创了光信息传输的新时代。尽管玻璃光纤具有上述一系列优点，但它有一个致命的弱点就是强度低，抗挠曲性能差，而且抗辐射性能也不好。因此，近20多年来，科学家们一直没有停止过对塑料光纤的探索。目前，在“光纤到户”的拉动应用下，塑料光纤展现了其巨大的市场潜力，本文将简述这一发展，以求对该产品的初步认识。

顾名思义，塑料光纤指构成光纤的芯与包层都是塑料材料。与大芯径50/125μｍ和62.5/125μｍ的石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤的芯径高达200－1000μｍ，其接续时可使用不带光纤定位套筒的便宜注塑塑料连接器，即便是光纤接续中芯对准产生±30μｍ偏差都不会影响耦合损耗。正是塑料光纤结构赋予了其施工快捷，接续成本低等优点。另外，芯径100μｍ或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪音。

塑料光纤产品研发史

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。

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。就目前塑料光纤生产量而言，日本也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。

塑料光纤的优点

塑料光纤与玻璃光纤相比，虽透光性差一些，光损耗较大，初期一般为300分贝/公里，传输光带狭窄(限于可见光区)，被认为难以适应多媒体通信网的需要，但它具有轻而柔软、抗挠曲、抗冲击强度高、价格便宜、抗辐照、易加工、并能制成大直径(1～3毫米，以增大受光角度，扩大使用范围)等一系列优点，所以备受青睐。此外，光通过塑料光纤的中心部分的直径约为1毫米，比玻璃光纤大100倍，与纤维之间的连接及与个人机等终端装置的连接都十分容易。因此塑料光纤安装费用很低，安装时采用十分简单的对准连接插头即可，这种插头可用现有的技术生产。

发展展望

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、工控网络化。车载机载通信网、军事通信网以及多媒体设备中的数据传输中具有重要的地位。

通过塑料光纤，我们可实现智能家电（家用PC、HDTV、电话、数字成象设备、家庭安全设备、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100Mbps时，100米范围内的传输用SI型塑料光纤即可实现；150Mbps50米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RS2

32、RS

422、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。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。

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，且不断在在加大新的应用研究投入，韩国、我国以及台湾地区已经有厂商开始投入研发生产，因此产业界更应就塑料光纤的研究和发展予以密切注视

述

塑料光纤（POF） Plastic Optical Fiber。

目前，通信光缆所用的光纤，基本上都是采用石英系光纤，由高纯度二氧化硅SO2（俗称石英玻璃）加入适量掺杂组成的。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，结构较粗（约达1mm），接续损耗较低。

目前，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（Polymer Polymethylmethacrylate）；另一类是全氟树脂（Perfluorinated）。前者主要适用于可见光650nm波段，每公里损耗值约为数百分贝；后者可用于可见光波段，也可用于红外波段，但损耗也较大，只适用于100m左右的距离，带宽在GB级。随着不断地研究开发，有可能进一步降低其损耗值。

塑料光纤不但可用于接入网的最后100m上，也可以用于各种汽车、飞机、等运载工具上。编辑本段什么是塑料光纤

塑料光导纤维（POF）是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）作为核结构材料，氟塑料作为皮层结构的一类光导体。

塑料光纤(polymer optical fiber, 简写为POF)是由高折射率的聚合物材料为纤芯和低折射率的聚合物材料为包层所构成的光纤。和石英光纤一样，塑料光纤传光也是利用光的全反射原理，光纤纤芯是光密介质，包层是光密介质，这样，只要一个光线射入的角度合适，那么这束光线就会在光纤内部不停地进行全反射而传向另一端。

不同的核结构材料具有不同的光衰减性能和温度应用范围。它的主要性能指标有：

◆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。南京展瑞光电技术公司生产的塑料光纤目前已经达到180db/Km

◆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。

◆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。

聚苯乙烯光导纤维广泛用于圣诞树照明和装饰已有多年。现在，光导纤维（POF）通常指的是PMMA作为核结构材料，氟塑料作为皮层结构材料的一类光导材料。PMMA光导纤维的应用范围非常广泛，包括最常见的短距离数据传输和照明装饰。

标准用于短距离数据通信的PMMA光导纤维的直径是1毫米（核结构直径为0.98毫米，皮层直径为1毫米）。塑料光纤的直径通常是石英光纤的8－20倍。粗的塑料光纤的连接比石英光纤要容易得很多。

2、塑料光纤的优势

石英光纤质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯曲）。塑料光纤有着优异的抗裂强度、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。由于大直径（通常是1毫米），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作业。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。使用650纳米波长的红光非常安全，作业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影响、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。

最后，塑料光纤的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、光纤到桌整体方案中，塑料光纤是石英光纤的补充，共同实现一个全光网络编辑本段应用

光纤到户（FTTH）和光纤到桌面（FTTD）

家庭和办公室智能网络（三网合一） 90年代开始，通信技术高速发展，移动通信，卫星传输和光纤通信，将通信演变为高速、大容量、数字化和综合的多媒体业务。在ITU-T的推动下，光纤通信的各种标准纷纷制定，如PDH、SDH、DWDM、AN和B-ISDN等。因此，美国首先提出建立国家信息高速公路的构想：国家信息基础建设（NII），之后各国纷纷制定计划，并推出全球的信息技术建设计划（GII）。70年代，光纤网络主要用于市内等大容量业务区，80年代向市外长途干线发展，到90年代逐步向用户方向延伸，即所谓FTTx应用，也就是光纤到路边（FTTC）、至大楼（FTTB）、光纤到公寓（FTTA），和光纤到户（FTTH）。目前也有采用电缆到家庭（如：CABLE MODEM和ADSL技术）的经济方式，光纤到户是指从干网到小区、用户间的最后接入网阶段全部使用光纤，实现语音、数据、广播电视及各类智能化系统功能的一种接入方式，有利于整合网络功能和各种资源。光纤到户正在世界各地得到推广，日本的光纤到户普及率最高，用户去年底已达到250万户，预计今年底将达到400万。美国从2004年底开始发力，截至今年3月线路建设履盖用户160万，实际开通业务接近20万户。以网络游戏领先全球的韩国，同样对光纤到户给予了很高的期望，从2003年起韩国的电信运营商陆续在光纤到户上加大投资，从2005年开始，宽带投资中光纤到户成为主流。韩国政府预测，到2010年，光纤到户家庭普及率将达到70%。欧洲的英国、德国、瑞典等都在加快发展光纤到户。

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。

汽车应用

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。

消费电子和传感器

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跳线用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DVD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DVD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。

工业控制总线系统

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RS2

32、RS

422、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。

照明及太阳能利用

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。