塑料光纖在通信技術(shù)的應(yīng)用

李四紅

(廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 廣州 030020)

塑料光纖在通信技術(shù)的應(yīng)用

李四紅

(廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 廣州 030020)

以塑料光纖作為傳輸媒介的信息傳輸系統(tǒng)，具有傳輸數(shù)據(jù)可靠性高、穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、容量大、成本低、易施工等特點(diǎn)，在短距離通信領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。本文介紹了塑料光纖的特點(diǎn)，并著重講述了塑料光纖的結(jié)構(gòu)組成、制造方法以及塑料光纖在通信技術(shù)中的應(yīng)用。

塑料光纖；通信；光導(dǎo)纖維；傳輸介質(zhì)

塑料光纖(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)作為芯層材料，PMMA、氟塑料等作為皮層材料的一類光纖(光導(dǎo)纖維)。光導(dǎo)纖維的特性決定了其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。由光導(dǎo)纖維制成的各種光導(dǎo)線、光導(dǎo)桿和光導(dǎo)纖維面板等，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、交通、通訊、醫(yī)學(xué)和宇航等領(lǐng)域。特別是便宜和易于使用的塑料光纖已受到人們的青睞。用塑料光纖制的光纜比普通電纜更為快捷地傳送信息，并幾乎可提供無(wú)限容量來(lái)滿足信息時(shí)代的需要。

1 塑料光纖的特點(diǎn)

塑料光纖的最佳透光范圍在可見(jiàn)光，不同塑料光纖的最低損耗窗口隨材料有所變化。塑料光纖與其它種類的光纖相比，具有以下特點(diǎn)。

①塑料光纖具有優(yōu)異的可撓性，光纖直徑范圍大(3～5mm)，大直徑的塑料光纖也能保持較好的可撓性，這是其它無(wú)機(jī)材料制成的光纖無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

②易制造大數(shù)值孔徑、大芯徑的塑料光纖。用于制造光纖的塑料品種很多，折射率范圍較寬，可供選擇的芯皮塑料對(duì)的數(shù)值孔徑變化大。

③塑料光纖的制造工藝簡(jiǎn)單，原材料成本低廉，光纖價(jià)格便宜。

塑料光纖也有較大的局限性。塑料光纖的傳輸損耗比石英光纖大得多，一般低檔的PS芯/PMMA皮塑料光纖在可見(jiàn)光損耗高達(dá)1000～2000dB/km,即每米透過(guò)率只有60%～80%。通過(guò)對(duì)聚合物改性能降低塑料光纖損耗。塑料光纖的耐溫性也較差，只能耐60～150℃的極限高溫，易老化，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。

2 幾種重要的塑料光纖

2.1 聚苯乙烯(PS)芯塑料光纖

這是用本體法聚合的高度無(wú)定型的聚苯乙烯(PS) ( NA = 1.59)做芯材的塑料光纖?？捎镁奂谆┧峒柞?NA = 1.49)、硅酮樹脂(NA =1.40)和乙烯基乙酸乙烯(EVA)等做皮層材料。聚苯乙烯塑料光纖的極限最低損耗在紅光區(qū)670nm波長(zhǎng)處，為69dB/km。我國(guó)從80年代中期開始規(guī)?；a(chǎn)PS芯/PMMA皮層的塑料光纖，這種塑料光纖損耗大，絲徑在0.15～1nm，耐溫約為600℃，被廣泛用來(lái)制造光纖工藝品，如花卉、盆景、壁畫、動(dòng)物和各種廣告牌。用氟和氘原子取代苯乙烯內(nèi)的C-H鏈上的氫原于進(jìn)行改性，得到的改性聚苯乙烯做芯材，可以改善光纖的傳輸性和耐溫性。表1是某改性PS芯光纖在可見(jiàn)光光區(qū)的傳輸損耗。

表1 PS芯光纖在可見(jiàn)光光區(qū)的傳輸損耗

2.2 聚甲基丙烯酸甲醋(PMMA)塑料光纖

表2 PMMA芯和PMMA-D8塑料光纖的傳輸損耗特性

這是以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為芯材、折射率低于聚甲基丙烯酸甲脂的聚合物作為皮材構(gòu)成的光纖。PMMA的折射率為1.49，它的透光性能在塑料中是最好的，玻璃化溫度在104 ℃，自然光的透過(guò)率可達(dá)92%，即使在250～295nm的紫外波段，透過(guò)率也達(dá)75%。皮層材料可采用硅酮(折射率約為1.40)或各類氟聚合物(折射率約為1.33～1.39)。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯光纖數(shù)值孔徑大于0.5，傳輸性能優(yōu)于聚苯乙烯(PS)芯光纖，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )芯塑料光纖的耐溫性能比PS芯光纖好，其最高使用溫度為80～100℃。但聚甲基丙烯酸甲酯的柔軟性比較差，通過(guò)對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯進(jìn)行改性，來(lái)改進(jìn)它的損耗性能和機(jī)械性能。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光纖在570mn波長(zhǎng)處，最低傳輸損耗達(dá)到30dB/km。通過(guò)用重氫(氖)取代C-H鍵中的氫，即進(jìn)行氘化改性，可以改變光纖的最低損耗窗口，并且可大大降低光纖的傳輸損耗。不同程度的氘化，改變最低損耗波長(zhǎng)窗口也不一樣，如PMMA - D8芯塑料光纖的最低損耗窗口移至680nm處，損耗降至20dB/km。表2是(PMMA)芯塑料光纖和PMMA - D8芯塑料光纖在可見(jiàn)光區(qū)的傳輸損耗特性。

2.3 聚碳酸醋(PC)塑料光纖

聚碳酸酯塑料光纖是以聚碳酸酯塑料作為芯材、低折射率聚合物為皮層材料構(gòu)成的光纖。聚碳酸醋塑料是無(wú)定形聚合物，具有熱穩(wěn)定性好、抗張強(qiáng)度高、不燃燒等優(yōu)點(diǎn)，聚碳酸酯塑料在0.589μm處的折射率為1.59，玻璃化溫度在130℃，具有較好的柔軟性。常規(guī)方法制備的聚碳酸酯塑料的可見(jiàn)光透過(guò)率低于90%用特殊工藝精制高純度的聚碳酸醋塑料或采用改性的聚碳酸酯塑料做芯材，可提高光纖的傳輸效率。包層材料可采用甲基成酸聚合物(PMP)，其折射率為1.46，軟化點(diǎn)為250℃，熱膨脹系數(shù)與聚碳酸酯塑料相匹配，與聚碳酸酯塑料制成的塑料光纖，耐熱溫度可達(dá)130℃，可作為耐熱塑料光纖使用，在077μm處的傳輸損耗為0.8dB/m。也可用硅酮或氟聚合物做皮層。

3 塑料光導(dǎo)纖維的制造方法

3.1 原料

目前制作塑料光纖的芯料主要有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯及其一些改性聚合物。用于制造工藝品、裝飾品等要求不高的塑料光纖，可以直接選用市場(chǎng)上出售的現(xiàn)成的原料作為光纖制造材料。對(duì)傳輸性能要求高的光纖，其制造原料可從單體開始，將單體進(jìn)行精餾提純后聚合得到。為了降低塑料光纖的固有損耗，可通過(guò)用重氫原子和氟原子取代聚合物中-鍵的氫原子等方法合成的聚合物作為塑料光纖的制造原料。

3.2 塑料光纖的成型工藝

3.2.1 棒管法

將光纖的芯材和皮材分別制成嚴(yán)格匹配的棒和管，在加熱和抽真空情況下將二者緊緊復(fù)合在一起而拉制成絲。

3.2.2 擠出法

擠出法又分為共擠法和涂覆法。共擠法是將芯料和皮料從不同的擠出機(jī)中同時(shí)擠出一次成型光纖的工藝。共擠法由于杜絕了空氣的污染，因而具有較好的透光度，該方法工藝簡(jiǎn)單，成本低，生產(chǎn)效率高，現(xiàn)正被廣泛使用。共擠法的工藝流程如圖1。

圖1 共擠法工藝流程

涂覆法是將纖芯從擠出機(jī)模頭中擠出，再浸涂上皮料的溶液，加熱、風(fēng)干后，皮層包覆于纖芯外而成光纖。由于涂覆法需要附加各類溶劑，這些溶劑對(duì)芯料有一定的破壞，造成芯皮界面的不平滑，易引起損耗；纖芯在包覆皮料之前暴露在空氣中，易造成污染，從而增加光損耗，這是涂覆法的缺點(diǎn)。其工藝流程如圖2 。

圖2 涂覆法工藝流程

3.2.3 連續(xù)聚合紡絲法

這是目前最先進(jìn)的塑料光纖拉絲工藝，其先進(jìn)性在于從單體聚合到紡絲成型過(guò)程都在密封系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，減少了外界環(huán)境對(duì)光纖的污染，提高了光纖的透光率。連續(xù)聚合紡織法流程長(zhǎng)，控制精度高，該工藝生產(chǎn)的塑料光纖最低損耗達(dá)20dB/km ，大大拓展了塑料光纖的應(yīng)用空間。圖3是連續(xù)聚合 紡絲的工藝裝置，原料通過(guò)一級(jí)蒸餾器和二級(jí)蒸餾器，在真空條件下精餾，并在聚合釜中集合，聚合結(jié)束后，聚合物進(jìn)入釜下部的共擠紡絲組件，直接紡絲制成塑料光纖。

1. 一級(jí)蒸餾；2. 二級(jí)蒸餾；3. 配料瓶；4. 聚合釜；5. 加熱器；6. 共擠出噴絲組件；7. 卷繞裝置

圖3 聚合-紡絲連續(xù)裝置示意圖

4 塑料光導(dǎo)纖維在通信技術(shù)的應(yīng)用

塑料光纖具有數(shù)值孔徑大、可撓性好、重量輕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，可用于照明、廣告、裝飾、傳輸激光能量、傳感、傳像、短距離通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋谄嚬I(yè)、語(yǔ)音電路、通信系統(tǒng)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、光纖傳感器、醫(yī)學(xué)以及廣告等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

4.1 塑料光纖在汽車工業(yè)的應(yīng)用

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)汽車特別是豪華轎車的各種性能的要求越來(lái)越高，汽車中的電氣和電子設(shè)備的增多使其中的電線分布復(fù)雜化。光纖在汽車上的應(yīng)用，不僅可以取代部分電線，而且消除電磁干擾。目前有80%的塑料光纖用于汽車工業(yè)，日本和美國(guó)的汽車制造業(yè)是塑料光纖的最大用戶。光纖在汽車通信技術(shù)中的應(yīng)用主要有二個(gè)方面：數(shù)據(jù)成網(wǎng)和光傳感器。

4.1.1 數(shù)據(jù)傳輸

塑料光纖數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)是在汽車上的一個(gè)重要應(yīng)用。在汽車上建立光纖數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)不僅可以減少線路和重量，而且能夠加快傳輸速度，塑料光纖不產(chǎn)生輻射也不受電磁干擾。

4.1.2 光纖傳感器

用于汽車的光纖傳感器有發(fā)動(dòng)機(jī)控制傳感器、汽車位移傳感器、汽車行駛姿態(tài)控制傳感器等，這些光纖傳感器將增強(qiáng)汽車的自動(dòng)控制功能，但目前還很少使用光纖傳感器。

4．2 塑料光纖在語(yǔ)音電路中應(yīng)用

光纖語(yǔ)音電路由光發(fā)射電路、塑料光纖和光接收電路三部分組成，其工作原理是:音頻信號(hào)最初為聲波，由發(fā)送器的電子麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此信號(hào)由LM358組成的音頻放大器放大，并且借助于一個(gè)單獨(dú)的晶體管控制LED的端電壓.將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖或光纜。在光纖或光纜的另一端，光信號(hào)照射到接收器的光電檢測(cè)器上再將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此信號(hào)被放大并送入揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換電沖為聲波恢復(fù)為原始信號(hào)[2]。

4.2.1 發(fā)射器電路板

此電路主要是把音頻信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)濾波器和多級(jí)放大器把微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合半導(dǎo)體二極管發(fā)光的電壓信號(hào)，在晶體管的調(diào)制下把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖中進(jìn)行傳輸。在發(fā)射器電路上有一個(gè)話筒和調(diào)制LE D發(fā)光的線路。LE D裝在塑料殼中以便于連接光纖或光纜進(jìn)行發(fā)送信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)室里，設(shè)計(jì)操作可以使用200m的塑料光纖傳送語(yǔ)音信號(hào)，也可以使用玻璃光纖在更遠(yuǎn)的距離內(nèi)通信。光纖語(yǔ)音發(fā)射器電路如圖4所示。

圖4 光纖語(yǔ)音發(fā)射電路

4.2.2 光電接收器電路板

在接收器電路板上通過(guò)光電檢測(cè)器把光纖傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電容濾波、運(yùn)算放大器放大，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，放大到適合揚(yáng)聲器輸出的電壓，恢復(fù)原始的語(yǔ)音信號(hào)。光纖語(yǔ)音接收電路如圖5所示。

圖5 光纖語(yǔ)音接收電路

4.3 塑料光纖用于傳感器

塑料光纖具有柔軟性好、大數(shù)值孔徑、大芯徑、可以任意切割等優(yōu)點(diǎn)，易耦合，廣泛用于制造光纖傳感器。光纖式光電傳感器幾乎都用塑料光纖。

5 結(jié)束語(yǔ)

塑料光纖作為短距離通信網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì)，在未來(lái)家庭智能化、辦公自動(dòng)化、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)化、車載機(jī)載通信網(wǎng)、軍事通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要地位。在推廣塑料光纖網(wǎng)絡(luò)中，要考慮的主要問(wèn)題是成本，研制價(jià)格低廉、性能可靠的塑料光纖器件包括光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、連接器、光開關(guān)等目前仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

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(本文文獻(xiàn)格式：李四紅.塑料光纖在通信技術(shù)的應(yīng)用[J].山東化工，2017，46(20)：96-98.)

ApplicationofPlasticOpticalFiberinCommunicationTechnology

LiSihong

(Guangdong Industry Technical College,Guangzhou 030020,China)

Based on plastic optical fiber as transmission medium of information transmission system, data transmission with high reliability, good stability, strong real-time performance, large capacity, low cost, easy construction and other characteristics, it has strong application value in the field of short distance communication. In this paper, the characteristics of plastic optical fiber are introduced, and the structure, manufacturing method and application of plastic optical fiber in communication technology are emphasized.

plastic optical fiber; communication; light-guide fiber; transmission medium

2017-08-25

李四紅(1975—)，女，遼寧營(yíng)口人 ，碩士研究生，工程師，講師，現(xiàn)就職于廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，從事高分子材料加工和改性工作。

TN929.11

A

1008-021X(2017)20-0096-03