Shen Zhen ZJY Patent City Co. Ltd. - POF,plastic optical fiber,GEPON

1. 前言
        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。

2. 塑料光纤的优点
        光纤通信比传统的电（铜）缆通信有3大优点：一是通信容量大；二是抗电磁干扰、保密性能较好；三是重量轻，并可节省大量的铜，如铺设1000公里长的8芯光缆比铺设同样长度的8芯电缆可节省1100吨铜，3700吨铅。因此光纤光缆一经问世就受到通信业界的欢迎，带来了通讯领域的革命以及一轮投资发展热潮。尽管石英（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。
        与石英光纤相比，塑料光纤是近20多年来在聚合物科学领域中具有理论研究意义和应用前景的信息产业用材料之一，具有以下特点：
        (1)    直径大，一般可达0.5～1mm，大的纤芯使其连接变得简便，易对准，从而可以使用廉价的注塑连接器，安装成本很低；
        (2)    数值孔径（NA）大，约为0.3～0.5，与光源和接收器件的耦合效率高；
        (3)    材料便宜，制造成本低，用途广泛。

3. 塑料光纤分类
        塑料光纤按照其芯-皮折射率分布不同可分为阶跃折射率（Step Index，简称SI）分布型塑料光纤（SI-POF）和渐变折射率（Graded Index，简称GI）分布型塑料光纤（GI-POF）。
        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n1，在皮层突变的皮层折射率为n2，且n1>n2。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。在展宽有限条件下，SI-POF 传输的入射光的入射角有限，造成其带宽受限。 GI-POF 的折射率从轴中心至边缘逐渐降低，沿径向呈抛物线变化。由于 GI-POF 的折射率不再是个常数，使各模光线在其中的传输速度不同，而它们到达接收器的时间几乎相同，输出脉冲展宽不大，所以 GI-POF 的带宽要比 SI-POF 的大得多。

4. 塑料光纤的材料
        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^[1]。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）。

5.    塑料光纤用于通信
        塑料光纤通常被称为“裸纤”，由于没有披覆层的保护，很容易损坏，因此用于通信的塑料光纤其实是经过塑料披覆的塑料光缆，就像用于通信的铜缆和石英光缆一样。要传输数据，光纤（缆）还必须与其它部分组成光传输系统，一个典型的光传输系统由三部分构成。光传输的工作过程是在光发射机、光纤和光接收机三者之间进行的。光发射机把输入的电信号转换成光信号，转换后的光信号由光纤传传输到接收设备—光接收机，光接收机把从光纤中获取的光信号还原成电信号。

        要实现光纤通信,一个重要的问题是尽可能地降低光纤的传输损耗，这样才能保证光纤具有一定的传输距离。当光从光纤的一端射入，从另一端射出时，光的强度会减弱。这意味着光信号通过光纤传播后，光能量衰减了一部分。这说明光纤中有某些物质或因某种原因，阻挡光信号通过，这就是光纤的传输损耗。只有降低光纤损耗，才能使光信号畅通无阻。
        造成光纤传输损耗（衰减）的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。
        1）本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。 
        2）弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。
        3）挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。
        4）杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。
        5）不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。
        6）对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴，端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。那么与材料本身有关的的损耗是与材料中含的杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。光纤的损耗用损耗系数a来表示，定义为每千米光功率损耗的分贝数，单位为dB/km。目前在国际市场上已经大量生产的低损耗塑料光纤是指损耗<200dB/km的塑料光纤。

6. 通信级塑料光纤的国内外现状
        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^[2]。 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年日本三菱公司以高纯 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。塑料光纤已经广泛地应用于宽带接入网系统、家庭智能网络系统、数据传输系统、汽车智能系统、工业控制系统以及纺织、照明、太阳能利用系统等领域。目前生产塑料光纤的国外企业主要有日本的三菱公司、东丽公司等。

        在生产方面90年代初期国产塑料光纤产品投入市场，都为PS光纤，只能用于圣诞树、工艺品制作等劳动密集型产业。不能达到低损耗塑料光纤的水平。振奋人心的是，由深圳市中技源专利城有限公司和深圳大圣光电技术有限公司联合研制的通信级低损耗塑料光纤开始在深圳投产，衰减为150－200dB／km，H可以用于实现50~100米的数据传输，打破了日本企业的全球垄断地位，还直接将全球价格拉低了近80％。

        随着我国国民经济的发展，我国对塑料光纤的需求和应用领域不断扩大，塑料光纤也得到了国家的重视。2006年5月31日，中华人民共和国信息产业部发布了“中华人民共和国通信行业标准——通信用塑料光纤”，从此塑料光纤有了应用于我国的通信行业的国家标准，标志着我国塑料光纤的应用到了一个新的历史阶段，塑料光纤在通信领域的应用必定会有突飞猛进的发展。

7. 技术发展趋势
        塑料光纤的研究重点主要集中在以下三个方面：降低光损耗；提高带宽（由SI型转为GI型）； 提高耐热性。塑料光纤在降低光损耗与带宽方面的最新实用进展为：日本 ASAHI GLASS 公司2000年7月称，该公司实施庆应大学的GI-POF技术商品化，采用全氟化聚合物 CYTOP 制造 GI 光纤，命名为 GI-GOF，商品名为 Lucina，衰减速率3Gb/s，带宽大于200MHz.km。塑料光纤在耐热性方面的最新实用进展为：日本 JSR 与旭化株式会社联合发展耐热透明树脂 ARTON（norbornene，冰片烯）制造的SI-POF，耐热温度170℃，可供应汽车市场^[4]。

8. 塑料光纤的市场
        近几年全球塑料光纤的需求量迅速增加，在数据传输领域2002年的销售额为4.61亿美元，Information Gatekeepers 和 Beach Communications 公司预测到2006年，该市场增加到11.4亿美元，年增长率为25%。

应用领域主要有以下几方面：

光纤到户

        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^[5]。
        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^[6]。

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RS232、RS422、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。
        (9)   太阳光的利用 
        在我们常见的太阳能利用中，都是把太阳光转换为热能或电能，而光纤可将太阳光直接加以利用，用来改善居室照明，对于阴暗的地下室、隧道，采用光纤照明，可让永远见不到阳光的地方能重见光明。

参考资料：
        [1]    聚合物光纤，江源，邹宁宇编著，北京：化学工业出版社，2002.6
        [2]    塑料光纤技术前景广阔，国外塑料，2003，21卷，6期
        [3]    “全国第二届塑料光纤、聚合物光子器件研究、生产和应用会议”资料