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天津工业大学
毕业论文
塑料光纤弯曲损耗特性的测试与分析
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摘要
塑料光纤具因其质地柔软，芯径大，连接容易，传输带宽大，价格便宜等优点而广泛应用于照明，宽带接入网系统，短距离数据传输系统，汽车智能系统太阳能利用系统等诸多领域。
本文回顾了塑料光纤的发展历程，从其结构，材料等方面了解其性能，研究分析其损耗，色散等传输特性，最后通过通过实验测试和分析塑料光纤弯曲半径和弯曲圈数对弯曲损耗影响的变化规律以掌握更多的塑料光纤传输特性信息，探讨其本质，充实其理论。
关键词：塑料光纤；弯曲损耗；弯曲半径
ABSTRACT
Plastic optical fiber is widely used in various fields such as lighting, broadband access network system, short distance data transmission systems, automotive intelligent systems, solar energy utilization system because of its many advantages range from soft texture and large core diameter to easy connection, large transmission bandwidth and cheaper prices. My paper reviews the development of plastic optical fiber,explores its performance from its structure, materials, etc. And I will research and analyze its loss, dispersion and transmission characteristics. In the last, I will experiment testing and analyzing the variation of the bending loss due to bending radius and bending number of turns to explore its nature and enrich its theory.
Key word：Plastic optical fiber; bending loss; bending radius
目录
第一章绪论 (1)
1.1塑料光纤及其发展历史 (1)
1.2塑料光纤优点及应用 (1)
1.3塑料光纤前景展望 (3)
第二章塑料光纤的结构与性能 (4)
2.1塑料光纤的传输原理 (4)
2.1.1塑料光纤折射率分布 (4)
2.1.2数值孔径 (6)
2.2塑料光纤材料 (6)
2.3几种网络传输媒质的比较 (8)
第三章塑料光纤的弯曲损耗 (11)
3.1塑料光纤的损耗机理 (11)
3.2弯曲状态下的塑料光纤 (12)
3.2.1弯曲POF的数值孔径 (12)
3.2.2塑料光纤的弯曲损耗 (14)
3.3光纤的宏弯损耗、微弯损耗和弯曲过渡损耗 (15)
3.3.1光纤的宏弯损耗 (15)
3.3.2 光纤的微弯损耗 (18)
第四章塑料光纤弯曲损耗实验 (20)
4.1实验装置 (20)
4.2实验方法 (21)
4.3塑料光纤弯曲损耗与弯曲半径的关系 (23)
4.4塑料光纤弯曲损耗与弯曲圈数的关系 (24)
第五章结论 (27)
参考文献 (28)
附录 (29)
谢辞 (43)
第一章绪论
1.1塑料光纤及其发展历史
塑料光纤（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）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤（光导纤维）。
不同的材料具有不同的光衰减性能和温度应用范围。
塑料光纤不但可用于接入网的最后100～1000米，也可以用于各种汽车、飞机、等运载工具上，是优异的短距离数据传输介质。
塑料光纤已有30多年的历史,最初用于传光、照明和传相等,其后在汽车、医疗和工业控制等方面也取得了成熟的应用和推广,最近在宽带通信领域中也取得了突破性进展。
最早的塑料光纤是美国杜邦公司于1964年开发的以聚甲苯丙烯酸甲酯(PMMA)为纤芯的塑料光纤,其传输损耗大约为1000dB/km。
其后,日本的NTT和三菱人造丝公司在杜邦公司拉丝技术的基础上致力于降低塑料光纤的损耗,在提高其耐热性和研究梯度折射率塑料光纤(GI2POF)等方面取得了重大成就。
1992年,Yoshiro、Koike等人用界面凝胶法制造出的梯度折射率光纤,明显降低了塑料光纤的损耗,有效提高了塑料光纤的带宽,为塑料光纤在通信网络中开拓了广阔的应用前景。
2000年,OFC会议上,日本硝子玻璃株式会社报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数：在850nm为41dB/km、1300nm为33dB/km,其带宽已达100MHz/km。
用这种光纤成功地进行了100m、11Gbit/s和5.0m、2.5Gbit/s 的高速传输试验和70℃长期热老化试验【1】。
通过实验得出结论,氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离通信的使用要求。
美国在塑料光纤的发展历程中也起到了推动作用,美国政府委托波音、BOF等公司于1992年成立了高速塑料网络联合体(HSPA) ,目标是研制渐变型塑料光纤。
通过三年的努力,该联合体已经将塑
料光纤技术推向航空、汽车和数据通信市场,并于1997年5月通过了渐变型塑料光纤的第一个工业标准。
塑料光纤之所以得到世界上许多国家和组织的积极开发,就在于塑料光纤将用于通信网络中1千米范围内的网络连接,成为短距离高速通信网络主要的传输媒质。
1.2塑料光纤优点及应用
21世纪，人们已经进入信息社会，对语音，数据，视频，高清晰数字电视，3G和多媒体等宽带业务的需求日益增加，进而推动了承载各种业务的通信网络的容量不断地快速提升。
无论采取何种先进的调制技术，铜对绞线所能提供的带宽与距离的乘积是有一定限度的无法满足大量电视频率信息传送的需要。
幸运的是有石英玻璃光纤。
众所周知石英玻璃光纤具有巨大的带宽和极小的衰减等一系列优点。
使其在高速率，远距离长途干线网和大容量，多业务领域网中得到大量的使用【2】。
但石英玻璃光纤就光纤接入网，特别是光纤到户而言，石英玻璃光纤存在两个不足之处：需要精确链接，施工速度比较慢，接续成本较高。
他不允许过小的弯曲半径，否则会发生脆性断裂。
为解决石英玻璃光纤存在的问题，人们开始探索利用新材料制造新型光纤。
塑料光纤（POF，Plastic Optical Fiber）就是一种可供光纤接入网使用的新型光纤。
与石英光纤相比POF具有芯径大（100~1000微米）柔韧性好和接续方便等优点。
POF具有良好的柔韧性使得施工安装更为简单快捷，因此现在POF主要用于短距离到速率通信。
如接入网，数据中心，智能家电网络和传感器连接等。
塑料光纤早在上世纪60年代就获得应用。
由于受当时技术条件的限制,塑料光纤的损耗较大、寿命较短、传输性能和物理化学性质等也不够稳定,主要用于传光、照明、传相等非通信方面。
随着光纤新材料、新型光纤结构以及新理
论和新技术等的不断开发应用,现在的塑料光纤已能用于短距离、高速率的数据传输系统。
塑料光纤在未来家庭智能化、办公自动化、工业控制网络化、车载机载通信网和军事通信网的数据传输中具有重要地位。
利用塑料光纤可以组成家庭网络,把家用PC、娱乐设施、数字设备、家庭安全设备连成网络,达到家庭自动化和远程控制管理,提高生活质量,还可以实现办公设备的联网,实现远程办公。
塑料光纤由于重量轻且耐用,可以将车载机通信网络和控制系统组成一个网络,将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中,旅客还可通过塑料光纤网络在座位上享受音乐、电影、视频游戏、购物、Internet等服务。
但是,从塑料光纤自身的特点来看,塑料光纤的应用领域以短距离、中小容量通讯系统比较合适，可作为大容量、长距离石英单模光纤的补充，共同构成完整的光信息网络有线传输系统。
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。
对塑料光纤来说,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
RS232、RS422、100Mbit/s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,避免了因使用金属电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的危险【3】。
在军事通信上,塑料光纤也得到了进一步开发,用于高速传输大量的敏感、保密信息,如利用塑料光纤重量轻、可绕性好、连接快捷、适用于在身佩带的特点,用于士兵穿戴式的轻型计算机系统,并能够插入通信网络下载、存储、发送、接受关键任务信息,且可在头盔显示器中显示。
1.3塑料光纤前景展望
塑料光纤用于短距离通信的局域网和接入网的前景不可估量,从塑料光纤技术的发展历程看,还有许多问题需待进一步研究解决。
主要有以下几个方面：进一步降低传输损耗。
塑料光纤的传输损耗由初期聚甲苯丙烯酸甲酯(PMMA)芯光纤的1000dB/km以上到现在氟化物芯光纤的15dB/km左右,降低了近100倍。
塑料光纤的传输性能以及耐热性、耐湿性、耐酸碱性等物理化学稳定性方面都获得了大幅度的提高。
随着研究的不断深入,其损耗还将进一步减小,如采用吸附分离等先进的单体精制技术,引入高折射率,掺入量的折射率修正剂,以及开发新型全氟化聚合物等。
进一步增大传输带宽。
塑料光纤的带宽由最初的渐变折射率塑料光纤(SI2POF)的几个MHz增加到现在的梯度折射率塑料光纤的数个GHz,提高了近3个数量级。
由于氟化物塑料光纤的材料色散很小,因此通过优化光纤芯区折射率的分布形式,创造新型的光纤结构,进一步降低模间色散,采用空分复用和波分复用等技,塑料光纤的传输带宽可望达到10GHz·km以上。
第二章塑料光纤的结构与性能
2.1塑料光纤的传输原理
光线以一定角度从光密介质射向光疏介质时，就会发生光线在界面上的全反射，光线重新折回光密介质中，塑料光纤就是利用全反射原理将光从一端传至另一端的。
塑料光纤是以透明的高聚物作为芯材、用比芯材折射率低的高聚物作为皮材所组成的传输光的纤维，通常在包层外覆一层起保护作用的套层。
塑料光纤结构主要包括纤芯、包层和涂敷层三部分，其结构如图2.1。
图2-1 光纤结构图
纤芯和包层对光纤的导光性能起到决定性作用，它们都由高分子光学透明材料制成，包层材料的折射率略小于纤芯。
涂敷层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性。
在POF涂敷层外，往往用聚乙烯、聚酯等有机物作外护套，起到保护和坚固作用。
2.1.1塑料光纤折射率分布
光纤的折射率分布在很大程度上决定了光纤的性能。
根据芯区折射率径向分布的不同，可将塑料光纤分为两类，一类是折射率在纤芯与包层界面突变的光纤，称为阶跃型塑料光纤(Step-IndexPOF，简写为SI-POF)；一类是折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤，称为渐变型或梯度型塑料光纤(Graded-IndexP0F，简写为GI-POF)。
图2.2给出了这两种光纤剖面的折射率分布，图中n
1表示纤芯折射率，n
2
表示包层折射率，n0表示涂层折射率。
图2-2 SI-POF 和GI-POF 的剖面和折射率分布
l)阶跃型塑料光纤(SI-POF)
SI-POF 的折射率分布表达式为:
⎩⎨⎧>≤≤=a r n a r n r n 21
0)( （2-1）
SI-POF 具有明显的芯-皮界面，塑料光纤的折射率在芯-皮界面发生突变，即在芯径内塑料光纤的芯材折射率为n 1，在皮层突变的皮层折射率为n 2 ，且n 1> n 2 入射光在芯-皮界面发生全反射，光线在纤芯内的传递依靠这种全反射以锯
齿形前进。
由于入射光的入射角不同，导致各模光线到达接收器的时间不同，并出现脉冲展宽现象。
在展宽有限的条件下，SI-POF 传输的入射光的入射角有限，造成其带宽受限。
SI-POF 一般用熔融纺丝法制造，成本低，适合大规模生产。
2)渐变型塑料光纤(GI-POF)
Gl-POF 的折射率分布表达式为： ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>≤≤⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=a r n a r a r n r n g 22/11021)( （2-2）
式中 n 1--纤芯折射率；n 2--包层折射率；a--光纤芯区半径；r--距光纤轴
线的距离；g--剖面幂指数
GI-POF 的芯区折射率分布不是均匀的，而是由芯区中心折射率的最大值逐渐降低到芯包界面的最小值，呈梯度分布。
剖面幂指数g 决定了光纤的折射率
分布。
当g 在2附近时，折射率剖面呈抛物线型，是梯度型光纤的最佳折射率剖面。
当g=∞时，为SI 型光纤。
2.1.2数值孔径
数值孔径(numerical aperture ，简称NA)是光纤的一个极为重要的参数，它反映光纤捕捉光线能力的大小，NA 越大，光纤收集光线的能力就越强，光纤与光源之间的耦合效率就越高。
受纤芯-包层界面处全反射临界角的限制，从空气中入射到光纤纤芯端面上的光线被光纤捕获并成为束缚光线最大入射角θmax 必须满足条件：
∆=-=2sin 12221max n n n θ （2-
3） 式中21
22212n n n -=∆,是光纤纤芯和包层之间的相对折射率差。
定义上述光线成为束缚光线的最大入射角的正弦即max sin θ为光纤的数值孔径，记为NA ，即 NA ∆=-=212221n n n
（2-4）
SI-POF 芯区直径一般为0.3—1.0mm ，包层的厚度一般为芯径的5%。
芯区折射率n 1一般比包层折射率n 2大0.1左右，以获得大的数值孔径NA 。
对于常用
的塑料光纤，其数值孔径NA=0.5。
多模石英光纤的数值孔径一般在0.2左右，而单模石英光纤数值孔径在0.1左右，相比之下塑料光纤具有较高的数值孔径，更容易与光源耦合。
大的NA 可以使较多的入射光线能在芯-皮界面上反复的发生全反射而实现传输。
典型POF 的NA 值为0.5，受光角θA 在600左右，而
一般石英光纤(GOF)的NA只有0.14，θA约为160，可见塑料光纤较之石英光纤有更强的集光能力。
2.2塑料光纤材料
POF在通信领域具有相当大的应用潜力，其原因之一是POF使用的都是高分子材料，它们在结构上易于修改且易于加入到其它光功能材料中，所以POF 容易改性以满足光电信号传输的特殊需求。
POF的纤芯和包层皆由高透明度的光学塑料组成。
选择光学塑料时主要要求聚合物具有极优良的透明性和适当的折射率。
自然光透过率在80%以上的非晶态聚合物通常被称为透明聚合物材料。
而作为POF芯材，其首先必须是高度无定形非结晶材料，其次要求其自然光透过率在90%以上为佳，这是由于POF传输损耗主要由芯材决定的，光或光信号主要在芯材中传输。
POF芯材种类常见的有聚苯乙烯PS、PMMA、聚碳酸酯PC、氟化或氖化丙烯酸酯等聚合物材料。
作为最理想的包层材料，对其要求也同于芯材，但实际上由于条件的限制，对包层材料的要求可以适当地降低，但不能过分降低。
这是由于光在POF传输过程中，每一次光的全反射，光在包层中亦有极短的行程。
常见的POF包层材料有PMMA、乙烯-醋酸乙烯EVA、聚-4-甲基-戊烯-1PMP、氟化透明树脂等。
例如，SI-POF纤芯材料通常使用PMMA等高透明的高分子材料，包层材料使用氟化聚合物。
POF对芯区、包层材料折射率的要求是芯区折射率要大于皮层，芯区、包层材料折射率差值在0.03以上为佳，或者芯材比包层材料折射率高2%一5%以上为佳。
光纤的数值孔径同芯皮折射率相关，两者差值越大，POF的入月越大，受光能力越好。
光学塑料的折射率与塑料的化学组成有关。
一般来讲，组成中具有的官能团越多，折射率就越大。
当在基质成分中引入原子量大的原子
或极性大的官能团，折射率就增加，反之，折射率就减小。
对大多数塑料来说，折射率均在1.4-1.6之间。
除此之外，作为POF芯区、包层材料亦要求它们有较好的耐候性能和耐老化性能，要求为非晶态、有耐高温性和强韧性。
在光学上要求各向同性，在可见光区不吸收、不散射。
通常要求POF芯包之间有较好的粘附性能，若芯包之间粘附性差，则会导致光纤芯皮界面的不完善，以产生非固有散射损耗，降低光纤的光传输性能。
美国柯达公司曾发表一份统计资料，报道过目前已有近200种共聚物，但是具有良好的光学性能、真正能用作光学纤维的共聚物却为数不多。
而且从实际经济利益考虑，POF的制作成本也是材料选择限制因素之一。
目前制造POF 的聚合物主要有不饱和酸醋类，聚苯乙烯类、聚碳酸酯类等几类。
这些高分子聚合物的单体纯化容易，聚合物的主链含有不对称中心，分子链的对称性和规则性被破坏，因而可得到光学性能的完全非晶态的塑料。
塑料光纤所用芯皮材的基本条件是透光性好，即要求聚合物的透光率大于90%，透光率越高，塑料光纤的传输损耗就越低。
透光性好的聚合物大多为无定形结构，各向同性，不含有发色基团，且具有均一的折射率。
作为纤芯材料，典型的聚合物有:聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)。
为了进一步降低传输损耗，尽量消除芯料中C-H键振动吸收所造成的固有损耗，用氖代聚甲基丙烯酸甲酯或全氟化聚合物作芯材，可制得损耗更低的塑料光纤。
此外，芯-皮材应相互匹配，即皮层的折射率应低于芯材的1%-5%，最好为3%；芯-皮层之间有很好的粘合性，若两者粘合不好，就不能形成平滑的界面，致使传输损耗增大，同时也影响塑料光纤的机械性能和物理性能。
当选用聚苯乙烯作为芯材时，一般采用聚甲基丙烯酸甲酯作为皮
层，当选用聚甲基丙烯酸甲酯作为芯材时，一般采用含氟聚合物作为皮层材料。
由于苯乙烯单体的纯度问题以及在聚合过程中需要添加抗老化剂的缘故，通常由聚苯乙烯作为芯材制备的塑料光纤的传输损耗大于1000dB/km，这种PS 芯、PMMA皮的塑料光纤多用在工艺制品和灯箱广告等方面。
PMMA作为芯材，氟化聚合物作为皮层制成的SI-POF的传输损耗可以低于200dB/km，可应用于汽车的数据通信、工业控制总线系统、DVD、VCD的视频音频传输以及100m以内的局域网等领域【4】。
2.3几种网络传输媒质的比较
目前在使用的网络传输媒质主要有铜线和光纤，前者包括非屏蔽双绞线(UTP)、屏蔽双绞线(STP)和同轴电缆；后者有石英光纤、塑料包层玻璃光纤(PCF)和塑料光纤(POF)。
使用铜线作为网络传输媒质，各地电位不全相同，或者地电位上带有很强的干扰噪声，外界的强电磁干扰很容易通过传输线路耦合而进入通信系统。
传输线路本身也对周围造成辐射干扰，数据速率越高，辐射越强。
这些影响会削弱信号的传递并危及通过网络的关键数据。
除此，线路终端始终需要负载匹配，否则就会引起信号反射。
铜线在使用中至少有以下四种非常明显的电气危害:(1)LAN电缆或部件和照明电路的直接接触；(2)LAN电缆和部件上累积的静电荷；(3)耦合到LAN电缆系统上的高能瞬变；(4)各种LAN部件接地点之间的电位差。
在我国，目前已有不少LAN遭到雷击导致计算机和LAN部件损坏的情况。
随着速率的提高，铜线传输损耗增大，运行费用显著增加。
铜线的传输容量有限，虽然诸如朗讯等公司都有性能据称达1Gb/s的铜缆产品，但这种铜缆价格昂贵并难以制造，需要使用特殊设计的装置，也很难端接。
在全球一体化的今天，不但一个国家的军事、政冶和经济情报需要保密，很多企业的经济和技术情报也己成为竞争对手窃取的目标。
因此，局域网(LAN)的保密性能更是用户建网时必须考虑的一个问题。
【5】对电缆系统可以采取直接接入式窃听，或窃听电缆系统辐射的电磁场，而且电缆系统的完全屏蔽是很困难的。
综上所述，随着用户对网络安全性、网络传输容量、速率的要求不断提高，铜线将越来越不适合用于现代网络的传输媒质。
光纤传输则不存在上述问题。
光纤是介质，它使用光脉冲而不是电流来传输信号，从而为光纤链路两端的设备提供了完全的电气隔离，可以避免类似遭受电击的危险，同时还避免了不同接地电流的影响。
除此，光纤还具有以下优点:(l)超大传输容量，特别是单模光纤能提供超过五十万GHz的带宽，这一频带超过了所有现有通信技术使用频段的好几个数量级；(2)传输信号质量高，不受电磁波和无线电射频的干扰等，光纤系统的误码性能要比电缆系统高1-2个数量级；(3)与传统的传输材料如铜线相比，重量更轻，强度更高，抗腐蚀性更好；(4)容量价格比高。
总体估计，光纤网络比铜线网络能减少80%的网络问题。
随着网络技术的发展，更多新兴应用的出现对短距离的局域网、家庭网络的带宽都提出了很高的要求。
传输距离的缩短，系统中的接头和安装成本，己日趋成为系统成本中的大项。
在结构型局域网中水平布线情况下，接线箱离计
算机桌面的平均距离为50m，在这一段距离上，连接装置及其安装费用将占总成本的40%。
而单模石英光纤因为要满足单模光纤的条件，纤芯直径必须在10um以下，这样细的光纤，其分岔、连接十分困难，光纤连接器连接精度要求在亚微米内。
昂贵的连接器以及对接的困难严重限制了单模石英光纤在短距离中的应用。
目前在局域网中，较多地使用多模石英光纤，其纤芯直径为62.5um或
50um。
石英光纤直径超过400um(包括纤芯和包层)，就类似于玻璃棒，不能弯曲。
所以，增大玻璃光纤的直径有困难。
最近几年，研制了塑料包层的玻璃光纤，其包层为聚合物，为石英玻璃，纤芯直径为200um。
玻璃光纤细小的纤芯使得光纤与光纤的端接及与有关器件对接仍然困难，而且技术要求高，成本昂贵。
另外，石英光纤性脆，易断裂，在弯曲的场合易损坏。
上述缺点在塑料光纤中都不存在。
表2-3是POF与石英光纤的价格性能比较。
表2-1 POF与石英光纤的价格性能比较
与石英光纤相比，塑料光纤具有以下优点:
(l)模量低，直径大，折射率范围宽。
这就保证了在一端即使有一定的污染或者损坏仍可以正常使用；
(2)制造成本低。
塑料是极为廉价的工业原料；
(3)塑料光纤的直径为0.5-lmm。
这样，光纤与光源的连接、光纤与光纤、光纤与接收器的连接非常简单，端接成本低。
通常联接一个玻璃光纤接口需数十美元，而相应的POF接口仅需几美元；
(4)POF可用简单的注塑成型的热塑性塑料的POF连接器，而且耦合效率很高；
(5)POF有极好的韧性，重量轻，易于加工，端面加工只需一个便携式热板端面加工机即可；
(6)对振动不敏感，更适用于弯曲扭曲的场合；
(7)在可见光波段有低损耗窗口。
通常使用650nm或780nm波长，可用低价的发光二极管(LED)(低速率场合)，或CD机用半导体激光二极管(LD)甚至DVD的光源(高速场合)。
由于POF性价比的优越性，使得它在局域网上的应用大大加强。
当然，与石英光纤相比，塑料光纤也存有一些缺点:
(l)耐热性差，一般只能在-40--80℃温度范围内使用，只有少数塑料光纤可以在200℃左右工作。
当温度低于-40℃时，塑料光纤将变硬、变脆【6】。
(2)带宽相对较小，影响它在通讯系统中的广泛应用。
(3)由于近红外区的OH吸收而必须在可见光区工作；大分子引起的内部散射使POF损耗高，码速有限。
