塑料光纤的特性与应

塑料光纤的特性以及应用 080611338 丁宁 摘要：介绍了塑料光纤在局域网、汽车工业、传感器等领域的应用。通过对石英光纤、金属电缆与塑料光纤的性能进行比较，得到了塑料光纤具有芯径大、柔韧性好、价格低廉、制作简单等特点。就塑料光纤在局域网、汽车工业、传感器等领域的应用进行了分析、归纳总结。此外还指出阻碍塑料光纤进一步发展的因素。

一、引言 随着通信产业的迅猛发展，光纤作为信息载体的光信号传输介质在大容量数据的高速传输中起着重要的桥梁和纽带作用。目前，石英光纤由于其宽带、低损耗、适合长距离通信传输，而占据着光通信的主要市场。然而，由于石英光纤芯径小、连接复杂、成本高，所以在光纤人户时遇到很大的困难。随着短距离、大容量的数据通信系统及汽车等工业的迅速发展，塑料光纤(P0F)以其芯径大、柔韧性可塑性强、重量轻、价格低廉等优点而受到国际的普遍关注。为了对塑料光纤有一个较为全面的认识，本在查阅有关文献的基础上，阐述塑料光纤的主要特性和应用以及制备方法。

二、基本原理 塑料光纤的定义：塑料光学纤维是以光学塑料为材料的一类重要的光学纤维。 塑料光纤传光原理： 1、子午光线在阶跃型塑料光纤中的传输 阶跃型塑料光纤是一种具有芯皮结构的光纤。子午平面指的是包含有光纤轴的平面，所谓子午线，就是光线的传播路径始终在同一平面内，子午光线总是和光纤轴相交的，光在一种均匀介质传播时是一种直线式传播：当光从一种介质传至另一介质表面时，一般同时发生反射和折射；如果光从折射率小的光疏介质射入折射率大的光密介质时，则折射角小于入射角；而当光从光密介质射入光疏介质时折射角将大于入射角，因而当光从光密介质射入光疏介质时就有可能出现只有反射而无折射的现象，这就是全反射，全反射是光折射的一种边界效应，即光从一种透明介质进入到另一种介质里而发生弯曲的现象。塑料光纤就是通过全反射原理进行光传输的。 2、子午线在阶跃型光纤中的几何行程和反射次数 由于子午光线入射光纤中并不是同一角度，故而其在光纤中的几何行程也不相同。无论是子午线在光线中的行程计算公式还是反射次数计算公式，都是假定光纤是处于非常理想状态下：光纤非常直，光纤直径均匀，光纤内部无缺陷和光纤入射端面平直等，倘若光纤不在这一理想条件下，则入射子午线全反射的状况就会发生变化，如有的会从光纤中反射出，有的反射角会发生变化等，因此光纤的传输损耗也会增加。 3、斜光线在阶跃型折射率塑料光纤中的传输 所谓斜面光线，就是光在光纤中传输中时，并不是像子午光线一样保证在同一平面内，它在光纤中传输时，其轨道通常是一空间螺旋曲线，其最大入射角比子午线的大，但通常以子午线传输表征光纤的传输特性，自然这是最理想的一种状况。 4、光在渐变型折射率分布塑料光纤中的传输 对于渐变型折射率GI 塑料光纤，同样有子午线和斜光纤，这种光纤折射率并不是一恒定常数，而是随着离轴距离的增加而折射率下降，其渐变折射分布图参见如下；抛物线型折射率分布光纤具有较小的模式色散的特点，渐变折射分布有多种形式，当折射率分布按二次方抛物线分布时，子午线在光纤中的传播路径为正弦曲线型，斜光纤的传播路径为螺旋曲线，渐变型折射率塑料光纤多用于短距离数据传输，用于光纤照明较少。 5、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。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。 6、结语 塑料光纤之所以能传光是因为光纤具有芯皮结构，光在塑料光纤中传输是按全反射原理进行传光的，光在SI 塑料光纤中的传输方式为全反射式锯齿型，光在GI 塑料光纤中的传输方式为正弦曲线型；同时为了简化计算，选用子午线进行了参数计算，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，这些参数计算包括最大入射角或发射光角度、数值孔径、子午线在阶跃型光纤中的几何行程及反射次数；侧面发光塑料光纤和荧光塑料光纤也是按全反射原理进行传光的，对于单芯侧面发光塑料光纤多是由非固有损耗导致侧面发光，而对于多芯侧面发光塑料光纤则是由弯曲损耗产生侧面发光的。荧光塑料光纤经过特定波长光激发后发出特定波长的光，而且激发光不仅可从端面入射，而且可从侧面入射。

三、基本性质 塑料光纤具有如下许多突出的优点： （1） 重量轻。光学塑料的比重一般是0.83~1.5克/厘M3，大多在1克/厘M3左右，为玻璃比重的1/2~1/3。这在导弹、人造卫星、宇宙航行中有重要的应用。 （2） 韧性好。例如厚3毫M的聚碳酸酯材料，一般子弹既打不透也打不碎，抗冲击强度好。塑料光学纤维柔软性能好，直径2毫M仍可自有弯曲而不断裂，而玻璃光学纤维直径大于50微M就不能弯曲。 （3） 对不可见光波透过性能好。 在可见光和近红外波段的透过性能接近光学玻璃，在远红外和紫外波段，透过率可以大于50%，比光学玻璃好。 （4） 成本低、工艺简便。塑料的原材料比玻璃原料便宜，而且塑料光学纤维的操作温度通常在300ºC以下，而玻璃光学纤维的制作则需要1000ºC以上的高温，工艺 比玻璃光学纤维简单。

塑料光学纤维主要有如下缺点： （1） 耐热性能差。一般只能在-40ºC~80ºC的温度范围内使用，只有少数塑料光学纤维可以在200ºC附近工作。当温度低于-40ºC时，塑料光学纤维将变硬、变脆。由于塑料的熔点低，比玻璃易老化。 （2） 抗化学腐蚀和表面磨损性能比玻璃差，因而表面易被划伤，影响光学质量。 （3） 易潮解。 由于塑料光学纤维具有上述优缺点，在光学纤维的广泛应用中可以用它来补充玻璃光学纤维之不足。因而，塑料光学纤维进来已成为光学纤维的一个极其重要的方面。 塑料光学纤维的特性： 1、光学特性 由于塑料光学纤维是一种纤维状长链分子，随着拉丝过程，长链分子的宏观取向将和光学纤维轴一致。同时塑料光学纤维是用单体聚合而成，很难得到密度均匀的材料，因而，光学不均匀性就很难避免，损耗难以大幅度下降。 2、机械性能 塑料光学纤维的一个显著的特点是柔软性好。例如，一毫M粗的塑料光学纤维，按曲率半径为6毫M做180º的来回弯曲100多次，对光学纤维毫无损害，透过率并无变化。总之，塑料光学纤维的曲率半径大于塑料光学纤维直径的3倍时，透过率仍无大的变化。 塑料光学纤维耐热性能差事一个大缺点。一般不能超过80ºC，这是因为塑料本身熔点低的缘故。 塑料硬度差，易破损，易老化。 3、化学性能 塑料光学纤维的化学稳定性较差，在丙酮，醋酸乙酯或者苯的作用下，光学性能会受到很大影响。 表一给出了塑料光学纤维的一些主要性能及与玻璃光学纤维的比较；表二给出了几种塑料光学纤维的主要性能。

表一：塑料光学纤维与玻璃光学纤维的比较 纤维 塑料光学纤维 玻璃光学纤维

光学性能 光吸收系数一般为0.008~0.0018厘M1，实验室公认最低损耗为20分贝/公里（650~680毫微M波段），接近一般玻璃的光吸收，紫外和远红外透过性能好 光吸收系数一般为0.00002~0.00001/厘M1，实验室中熔融硅的最低损耗0.2分贝/公里（在1.5微M）相应的吸收系数

<106厘M1，近红外波段通过性能好

热学性能

使用温度一般小于1000C，个别可短

时间在2000C下工作

多组分光纤可用于3000C，石英光纤波导

可用于4000C，塑料涂层玻璃光纤可用于1500C以下 力学性能 柔软性能好，耐弯曲，耐冲击，光纤直径一般不小于50微M，作导光束用的塑料单纤维直径可大于2毫M，这时柔软性能仍很好 单纤维直径一般为5~150微M，大于100微M的光纤就不能弯曲，易折断

化学稳定性 在化学药品的浸蚀下，易着色，变质或老化 优良 耐辐射性

较差 差

加工性能

制作温度低，加工工艺简单 制作需要高温（如石英光纤需要19000C），

工艺复杂 比重 比重小，一般在1左右，因而质量轻 比重大，一般在2.4左右，因而较重

成本 原料便宜，易于大量生产，成本低 原料较贵，可大批生产，成本高

表二：几种典型的塑料光纤的主要参数 制造厂与光纤牌号 材料 直径（微M） 光缆直径（毫M） 衰减（分贝/公里） 抗张强度（公斤） 弯曲半径（厘M） N． A．

最大长

度（公里）

杜邦公司 PFX-P740 塑料 375 470 11 0.3 1

杜邦公司 PFX-P140R 塑料 400 470 40 0.1 1

杜邦公司 PFX-P240R 塑料 400 470 90 0.1 1

克林格 （A） 塑料 1015 1250 10 2 1

波利光学 1010 丙烯酸酯 200 1100 150 0.4 0.51 2

波利光学 1010 丙烯酸酯 500 1100 150 2.5 0.51 3

汤姆逊布兰特 ET1017 塑料 85 9.4 100 55 15 0.1

东芝 塑料 0.1~3 1270 620~950 0.56 三菱人造丝 公司（厄斯卡） 丙烯酸酯 0.1~2.5 1020 700~1300 0.50