什么是塑料光纤

2017-07-28

塑料光纤,Plastic Optical Fiber。目前,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、 塑料光纤的传光原理是什么?

塑料光纤之所以能传光是因为光纤具有芯皮结构,光在POF中传输是按全反射原来进行的,光在SI POF传输方式为全反射式锯齿型,光在GI POF中的传输方式为正弦曲线型;子午线就是光线的传播路径始终经过光纤轴并在同一平面内,选用子午线进行了参数计算,这些参数计算包括最大入射角或发射广度、数值孔径、子午线在阶跃型光纤中的几何行程及反射次数;侧面发光POF和荧光POF也是按全反射原理进行传光的,对于单芯侧面发光POF多是由非固有损耗导致侧面发光,而对于多芯侧面发光POF则是由弯曲损耗产生侧面发光的。荧光POF经过特定波长光激发后发出特定波长的光,而且激发光不仅可以端面入射,而且可以侧面入射。

A:荧光塑料光纤的传光原理

荧光塑料光纤就是在塑料光纤芯材中掺入一定量的荧光剂制备而成的塑料光纤,这种塑料光纤经过特定波长的光照射后,将发出特定波长的光,其原理比较复杂,可简单认为基态分子中成键电子吸收光后激发,然后单线态分子返回到基态,即发出荧光。荧光塑料光纤 按折射率分布结构分类,可分为荧光SI 塑料光纤 和荧光GI 塑料光纤,掺杂有机染料的塑料光纤A最重要特性是在宽波长范围内提供高功率输出。荧光塑料光纤的传光原理示意图如下,它满足一般的SI 型光纤的传光特性,但入射光的波长不同于出射光的波长。   荧光塑料光纤还有另一种传光方式,这就是入射光可从侧面照射荧光塑料光纤,出射光从光纤两端面出射,当然入射光的波长不同于出射光的传输波长。   荧光材料的光特性主要依赖于基质材料,荧光塑料光纤增益放大特性同泵浦波长、荧光塑料光纤长度及所用掺杂剂和浓度有关。所谓增益G是指塑料光纤输出信号光功率Pout与输入光功率Pin之间的一种比值。

B、侧发光塑料光纤传光原理

侧发光塑料光纤是指光在光纤传输过程中,不仅将传输光从光纤的入射端面传输至出射端面,而且还有一部分光从光纤包覆层透射出来,从而形成光纤侧发光的现象,这种光纤被称为侧发光塑料光纤,其实质是传输光有一部分从光纤侧面泄漏出,是一种光散射的结果,对于对于多芯侧发光塑料光纤则是由于弯曲损耗产生的,单芯侧发光塑料光纤多是由非固有损耗产生的。  侧发光塑料光纤的侧发光强度是随其长度的增加而呈指数性下降的,同于普通光纤光传输方向的发光强度是随其传输长度的增加呈指数下降,在作出如下假定后而得出的结论:
侧发光的原理仅被认为是由于光纤芯传输辐射引起的。
所有最初的侧散射光没有损耗穿透光纤圆形表面,其结果是均匀地传输至光纤外表面。
侧发光塑料光纤在长度为X米处的发光强度Is(x)可用如下公式表示:
Is(x)=Aexp(-kx)
其中 K为侧发光系数,单位m-1,常数A可用如下式表示:
A=(4π)-1I。(expk-1)
其中I。是侧发光塑料光纤光输入强度。

在实际使用过程中,为保证侧发光塑料光纤侧发光强度的均匀性,通常在侧面发光塑料光纤的两端皆设置相同功率的光源或者一端设置全反射镜或反光膜,并且限制侧发光塑料光纤的使用长度,当然后者在更长的使用长度上保证光纤侧发光的均匀性,选用双光源的侧发光塑料光纤在某一处的发光强度IS2(x)可用如下公式计算。
IS2(x)=A{exp(-kx)+exp[-k(L-x)]}
其中L为侧发光塑料光纤总长度。
选用全反射镜计算的侧发光塑料光纤强度可用如下公式计算
ISR(x)=A{exp(-kx)+Rexp[-k(2L-x)]} ………
其中R为镜面反射率。

在实际使用过程中,当侧发光塑料光纤的使用长度在30m以下时,多配用一台150W金卤灯光源,另端配用反光镜或反光膜;当侧发光塑料光纤的使用长度在30~60m之间时,多配用两台150W金卤灯光源,以保证侧发光塑料光纤的侧发光的均匀性,实测三根直径为14mm的侧面发光塑料光纤侧面光照度,就可以看出当选用一台150W金卤灯光源时,1.5m处塑料光纤侧光照度为800lx左右,而60m处的照度不到20lx,照度计测试时离光纤的表面距离为2.5cm。

2、 塑料光纤有哪些特性?
答:由于聚合物光纤具有传输频带宽,保密性能好、抗干扰能力强、防雷击、重量轻、韧性好、施工简便、接入容易、光源便宜、综合成本低等特点

3、 塑料光纤有哪些重要性能指标?
答:不同的材料具有不同的光衰减性能和温度应用范围,通用塑料光纤主要性能指标有:
a、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。
b、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。
c、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。
d、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。

4、 线头盒是什么?
答:线头盒主要适用于架空光缆、直埋光缆、管道井光缆的直通和分歧接头,并对接头起保护作用。

5、 什么是全光网
答:传输和交换等主要功能都能在光域里实现,不需要转换到电域去处理,直接用于光承载业务的光传送网。

6、 聚合物做成的光纤有什么特点?
答:(1)透光性好、光学均匀、折射率调整便利;
(2)以单体存在时通过减压蒸馏方法就可以提纯;
(3)形成光纤的能力强;
(4)加工稳定性好及价格便宜等

7、塑料光纤性能分析
塑料光纤的性能研究重点则是衰减、色散、热稳定性等。
◆衰减
塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和色散损耗。人们是通过选用低折射率和等温压缩率小的塑料材料和通过稳定塑料光纤制造工艺降低结构缺陷(如芯直径波动,芯包界面缺陷等),来使塑料光纤获得小的散射损耗,而塑料材料的吸收损耗则是由分子键(碳氢、碳氟等)伸缩振动吸收和电子跃吸收所致的。   在碳氢键为基本骨架的塑料材料中,在波长650nm处的衰减系数大约为120dB/km,如果用氟原子置换碳氢键中的氢所组成的氟化塑料材料,不仅本征衰减小,而且色散也降低了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纤,其在红外区无原子振动引起的吸收损耗。故可制得在可见光至红外范围的衰减很小,即在0.85μm波长处衰减系数为41dB/km。在1.3μm波长处衰减为33dB/km的梯度折射率分布的塑料光纤。  
◆带宽
用作短距离光传输介质的塑料光纤,按其折射率分布形状可分为两种:阶跃折射率分布塑料光纤和梯度折射率分布塑料光纤。阶跃折射率分布塑料光纤由于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,故其传输带宽仅为几十至上百MHz·km。氟化梯度折射率分布塑料光纤从选择低色散的材料出发,再以优化的梯度折射率分布手段,即可将其折射率分布指数在0.85~1.3μm波长范围内选定为2.07~2.33,从而抑制模间色散,控制出射光波相对于人射光波展宽的效果,进而可制得传输带宽高达几百MHz·km至10GHz·km的梯度折射率分布的塑料光纤。  
◆热稳定
由于塑料光纤是由塑料材料构成的,故其在高温环境中工作会发生氧化降解。氧化降解是光纤芯材料中的羰基、双键和交联形成的,氧化降解将促使电子跃迁加快,进而引起光纤损耗增大。为切实提高塑料光纤的热稳定性,通常的做法是:①选用含氟或硅的塑料材料来制造塑料光纤;②将塑料光纤的光源工作波长选择在大于660nm,以求得塑料光纤热稳定性长期可靠。  
◆系统应用
塑料光纤在短距离通信光传输系统中用作先传输链路确保了高速互联网接口快速、双向、清晰地传送高分辨率图像和数据转换。塑料光纤网络能开展的宽带业务有:交互多媒体和远程教学等。特别因为氢化梯度折射率塑料光纤具有低衰减、高带宽、价格便宜、热稳定性好、大芯径、便于接续施工等优点,同时借助当前商用的光收发端机和交换机成功进行了高速数据、图像传输,所以氢化梯度折射率塑料将作为下一代短距离光传输系统用的先传输介质。

8、什么是音频光纤跳线 音频光纤跳线是东芝连接(Toshiba Link)的缩写, 也是一种标准光学数字音频接口,日本厂商在CD机、MD机上普遍采用。音频光纤跳线主要用于在各种器材之间,通过一种光导体,利用光作载体来传送数字音频信号(左右声道或多声道)。音频光纤跳线是使用塑料光纤做塑料光纤音频跳线。常用标准的直径为Ø1.0mm、数值孔径(NA)0.5的PMMA芯塑料光纤,护套为(阻燃)PVC,颜色有黑、红、蓝等颜色,护套外径主要为 Ø2.2mm; 4.0mm; 5.0mm; 6.0mm,跳线的长度通常小于10米。