中技源 － 塑料光纖集成系統供應商和解決方案提供商 - POF,塑料光纖,GEPON,FTTH/FTTD,光纖到戶/光纖到桌面

1. 前言
        塑料光纖（Polymer Optical Fiber, 簡寫爲POF）是由高折射率的聚合物材料爲纖芯和低折射率的聚合物材料爲包層所構成的光纖。和石英光纖一樣，塑料光纖傳光也是利用光的全反射原理，光纖纖芯是光密介質，包層是光密介質，這樣，只要一個光線射入的角度合適，那麽這束光線就會在光纖內部不停地進行全反射而傳向另一端。

2. 塑料光纖的優點
        光纖通信比傳統的電（銅）纜通信有3大優點：一是通信容量大；二是抗電磁幹擾、保密性能較好；三是重量輕，並可節省大量的銅，如鋪設1000公裏長的8芯光纜比鋪設同樣長度的8芯電纜可節省1100噸銅，3700噸鉛。因此光纖光纜一經問世就受到通信業界的歡迎，帶來了通訊領域的革命以及一輪投資發展熱潮。盡管石英（玻璃）光纖具有上述一系列優點，但它有一個致命的弱點就是強度低，抗撓曲性能差，而且抗輻射性能也不好。
        與石英光纖相比，塑料光纖是近20多年來在聚合物科學領域中具有理論研究意義和應用前景的信息産業用材料之一，具有以下特點：
        (1)    直徑大，一般可達0.5～1mm，大的纖芯使其連接變得簡便，易對准，從而可以使用廉價的注塑連接器，安裝成本很低；
        (2)    數值孔徑（NA）大，約爲0.3～0.5，與光源和接收器件的耦合效率高；
        (3)    材料便宜，制造成本低，用途廣泛。

3. 塑料光纖分類
        塑料光纖按照其芯-皮折射率分布不同可分爲階躍折射率（Step Index，簡稱SI）分布型塑料光纖（SI-POF）和漸變折射率（Graded Index，簡稱GI）分布型塑料光纖（GI-POF）。
        SI-POF 具有明顯的芯-皮界面，塑料光纖的折射率在芯-皮界面發生突變，即在芯徑內塑料光纖的芯材折射率爲n1，在皮層突變的皮層折射率爲n2，且n1>n2。入射光在芯-皮界面發生全反射，光線在纖芯內的傳遞依靠這種全反射以鋸齒形前進。由于入射光的入射角不同，導致各模光線到達接收器的時間不同，並出現脈衝展寬現象。在展寬有限條件下，SI-POF 傳輸的入射光的入射角有限，造成其帶寬受限。 GI-POF 的折射率從軸中心至邊緣逐漸降低，沿徑向呈抛物線變化。由于 GI-POF 的折射率不再是個常數，使各模光線在其中的傳輸速度不同，而它們到達接收器的時間幾乎相同，輸出脈衝展寬不大，所以 GI-POF 的帶寬要比 SI-POF 的大得多。

4. 塑料光纖的材料
        塑料光纖所用芯皮材的基本條件是透光性好，即要求聚合物的透光率大于90%，透光率越高，塑料光纖的傳輸損耗就越低。透光性好的聚合物大多爲無定形結構，各向同性，不含有發色基團，且具有均一的折射率^[1]。作爲纖芯材料，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.    塑料光纖用于通信
        塑料光纖通常被稱爲“裸纖”，由于沒有披覆層的保護，很容易損壞，因此用于通信的塑料光纖其實是經過塑料披覆的塑料光纜，就像用于通信的銅纜和石英光纜一樣。要傳輸數據，光纖（纜）還必須與其它部分組成光傳輸系統，一個典型的光傳輸系統由三部分構成。光傳輸的工作過程是在光發射機、光纖和光接收機三者之間進行的。光發射機把輸入的電信號轉換成光信號，轉換後的光信號由光纖傳傳輸到接收設備—光接收機，光接收機把從光纖中獲取的光信號還原成電信號。

        要實現光纖通信,一個重要的問題是盡可能地降低光纖的傳輸損耗，這樣才能保證光纖具有一定的傳輸距離。當光從光纖的一端射入，從另一端射出時，光的強度會減弱。這意味著光信號通過光纖傳播後，光能量衰減了一部分。這說明光纖中有某些物質或因某種原因，阻擋光信號通過，這就是光纖的傳輸損耗。只有降低光纖損耗，才能使光信號暢通無阻。
        造成光纖傳輸損耗（衰減）的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質，不均勻和對接等。
        1）本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。 
        2）彎曲：光纖彎曲時部分光纖內的光會因散射而損失掉，造成損耗。
        3）擠壓：光纖受到擠壓時産生微小的彎曲而造成的損耗。
        4）雜質：光纖內雜質吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。
        5）不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。
        6）對接：光纖對接時産生的損耗，如：不同軸，端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質量差等。那麽與材料本身有關的的損耗是與材料中含的雜質吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。光纖的損耗用損耗系數a來表示，定義爲每千米光功率損耗的分貝數，單位爲dB/km。目前在國際市場上已經大量生産的低損耗塑料光纖是指損耗<200dB/km的塑料光纖。

6. 通信級塑料光纖的國內外現狀
        塑料光纖的研究始于二十世紀60年代，1968年美國杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯爲芯材制備出塑料光纖，但光損耗較大。1974年日本三菱人造絲公司以 PMMA 和聚苯乙烯爲芯材、以低折射率的氟塑料爲包層開發出塑料光纖，其光損耗爲3500dB/km，難以用于通信^[2]。 80年代日本的一些大企業和大學對低損耗塑料光纖的制備進行了大量的研究。1980年日本三菱公司以高純 MMA 單體聚合 PMMA，使塑料光纖損耗下降到100~200dB/km。1983年 NTT 公司開始用氘取代 PMMA 中的 H 原子，使最低光損耗可達到20dB/km，並可傳輸近紅外到可見光的光波。近幾年來，歐日等國的公司對塑料光纖的研制取得了重要的進展。塑料光纖已經廣泛地應用于寬帶接入網系統、家庭智能網絡系統、數據傳輸系統、汽車智能系統、工業控制系統以及紡織、照明、太陽能利用系統等領域。目前生産塑料光纖的國外企業主要有日本的三菱公司、東麗公司等。

        在生産方面90年代初期國産塑料光纖産品投入市場，都爲PS光纖，只能用于聖誕樹、工藝品制作等勞動密集型産業。不能達到低損耗塑料光纖的水平。振奮人心的是，由深圳市中技源專利城有限公司和深圳大聖光電技術有限公司聯合研制的通信級低損耗塑料光纖開始在深圳投産，衰減爲150－200dB／km，H可以用于實現50~100米的數據傳輸，打破了日本企業的全球壟斷地位，還直接將全球價格拉低了近80％。

        隨著我國國民經濟的發展，我國對塑料光纖的需求和應用領域不斷擴大，塑料光纖也得到了國家的重視。2006年5月31日，中華人民共和國信息産業部發布了“中華人民共和國通信行業標准——通信用塑料光纖”，從此塑料光纖有了應用于我國的通信行業的國家標准，標志著我國塑料光纖的應用到了一個新的曆史階段，塑料光纖在通信領域的應用必定會有突飛猛進的發展。

7. 技術發展趨勢
        塑料光纖的研究重點主要集中在以下三個方面：降低光損耗；提高帶寬（由SI型轉爲GI型）； 提高耐熱性。塑料光纖在降低光損耗與帶寬方面的最新實用進展爲：日本 ASAHI GLASS 公司2000年7月稱，該公司實施慶應大學的GI-POF技術商品化，采用全氟化聚合物 CYTOP 制造 GI 光纖，命名爲 GI-GOF，商品名爲 Lucina，衰減速率3Gb/s，帶寬大于200MHz.km。塑料光纖在耐熱性方面的最新實用進展爲：日本 JSR 與旭化株式會社聯合發展耐熱透明樹脂 ARTON（norbornene，冰片烯）制造的SI-POF，耐熱溫度170℃，可供應汽車市場^[4]。

8. 塑料光纖的市場
        近幾年全球塑料光纖的需求量迅速增加，在數據傳輸領域2002年的銷售額爲4.61億美元，Information Gatekeepers 和 Beach Communications 公司預測到2006年，該市場增加到11.4億美元，年增長率爲25%。

應用領域主要有以下幾方面：

光纖到戶

        光纖到戶是指從幹網到小區、用戶間的最後接入網階段全部使用光纖，實現語音、數據、廣播電視及各類智能化系統功能的一種接入方式，有利于整合網絡功能和各種資源。光纖到戶代表著一個國家寬帶的未來，對光器件、光纖光纜等行業有很大的促進作用，我國信息産業部已開始制定 FTTH 的有關標准，專家預測國內 FTTH 市場將在2006年全面啓動並進入大規模建設期，北京、長沙、武漢已開始了 FTTH 試點，如武漢市已搭建國內首個光纖到戶試點平台，已建成和在建的光纖到戶項目近10個，用戶規模約爲5000戶，預計2006年至2007年用戶將達到5萬戶。目前國內已有2500萬寬帶用戶，到2007年每年還將新增1200萬用戶，如果有20％左右的用戶采用 FTTH 將形成800億元左右的 FTTH 設備市場規模，年運營業務收入將達180億元以上。據國家信息産業部電信研究院信息所的統計和預測，未來5-10年內，全球的光纖接入市場將迅速增長，用于光纖到戶的資本將從今年的50億美元增長到228億美元，其中亞太地區的資本支出爲120億美元。中國和印度將成爲發展最快的國家，估計中國的光纖到戶投資將占亞太地區的1/3^[5]。
        另外，我國一些城市相繼提出了升級電信網絡、加快光纖到戶步伐的目標。北京奧運會組委會宣布，2008年前將投資66億美元擴展和升級電信網絡，上海也提出2010年前電信營業收入由現在的100多億元增至435億元，再加上我國設施落後的西部在大開發過程中也將加快信息化步伐，這些都爲光纖到戶的市場空間提供了現實依據。

汽車應用

        現代轎車的各種新功能要求快速可靠地傳輸更大數據量。多媒體汽車意味著常常要在較差的環境中不受幹擾地傳輸視頻和音頻等信號，國際MOST標准與IDB標准規定使用塑料光纖。塑料光纖汽車網絡已經用在級別較高的轎車上，並經受住了長時間的考驗。如：戴姆勒－克萊斯勒（奔馳）“S級”系列以及寶馬的“BMW7”系列等。目前，在歐洲大概有16個車型采用了塑料光纖通信系統。
        我國部分車型也開始考慮使用塑料光纖通信系統。根據測試專業之 Faztec Optronics 宜捷威科技的行銷企劃報告指出，光通訊之 Polymer Optical Fiber 塑料光纖于車用電子中已成爲汽車零組件發展的新主流，目前使用于車內通訊與車內娛樂視聽系統，例如車內電視，車內音響，車內燈具，車內開關之聯接線路均陸續改用塑料光纖。隨著全球汽車工業配合時代趨勢調整內裝更改爲塑料光纖，預估到2010年時，全球車用電子産品市場規模將達1500億美元，主要市場仍集中于歐洲、北美、日本等地區，所占比重超過80％，而中國大陸是最具發展潛力的新興市場，近5年來的年複合成長率約維持2成。

消費電子和傳感器

        塑料光纖在傳感器、消費電子領域具有明顯的優勢，如電腦、視頻攝像機、CD-ROM、DVD、VCD、TV、打印機、掃描儀、磁盤和立體聲系統等。例如我國 DVD 行業 DVD 年産量約爲3000萬台，用于 DVD 跳線用的塑料光纖需求量爲30000km，價值1200萬元；如加工成光纜，價值3000萬元，如加工成 DVD 跳線，價值1.5億元。考慮到國內主要是把塑料光纖加工成光纜或 DVD 跳線出口到日本、韓國、台灣、歐美等國家與地區，塑料光纖在國內這方面的市場需求至少有1億元^[6]。

工業控制總線系統

        隨著計算機和自動控制技術的高速發展，工業自動化水平提高到一個嶄新的高度。工業自動化根據其特點和使用方向可分爲過程控制自動化、面向生産和制造業的自動化以及自動化測量系統（工業測量儀表）。這些工業自動化系統的建立和發展都有一個共同特點，即由直接控制系統向集散型控制系統發展，而這種集散型控制系統的發展都是以各種工業網絡爲基礎。通過這些形形色色的工業總線系統，各種工業設備構成一個既分散又統一的整體。對 POF 來說，工業控制總線系統是其最穩定和最大的市場之一。通過轉換器，POF 可以與RS232、RS422、100Mbps以太網、令牌網等標准協議接口相連，從而在惡劣的工業制造環境中提供穩定、可靠的通信線路，高速傳輸工業控制信號和指令，避免了因使用全屬電纜線路受電磁幹擾而導致通信中斷的危險。

照明及太陽能利用

        由于塑料光纖照明和其它方式相比具有獨特優點，所以它已廣泛地應用于各種場合，並在不斷地推廣中。現將目前國內應用情況和場合簡述如下：
        (1)   室內裝飾
        在室內裝飾中，用側發光光纖來構成輪廊線條，光照均勻、顔色柔和，給人一種和諧幸福的感覺；細端光的合理利用，在家裏營造出浪漫溫馨的氣息，在自己的家裏也如同沐浴酒吧的感覺。在酒店大廳中，安裝流星光纖制作的水晶吊燈，通過各種色彩和亮點的變化，更顯得華麗別致，給人耳目一新的感覺；在KTV包房和演藝大廳裏面，利用端光光纖，拼組成具有藝術效果的圖案，同時還可以利用端光光纖吊頂，可模擬星空效果，忽明忽暗，使人有無限的太空遐想。
        (2)   水景照明
        水景離開了照明就失去了迷人的景色。而普通照明又給遊人帶來危險的隱患，我們遊覽水景時，通常都可以看見“請勿戲水，小心有電”等字樣，無疑給我們的遊覽帶來點點遺憾。由于光纖照明實現了光電分離，用光纖照明作爲水景的點綴，不但顔色鮮豔新穎，而且絕對安全可靠，實屬最佳搭配。光纖照明除了針對水體照明時，使水色更爲豔麗動人外，也可用側光光纖來構成水池的輪廊線。使垂直的彩色水姿與橫向的水池輪廓，形成協調的線條美。
        (3)   城市建築
       在燈光工程中，用側發光光纖來構成建築輪廓線是最常見應用實例。特別是對一個城市的形象建築，以多彩的線條把建築輪廓在夜色中顯得更蔚蔚壯觀。同時光纖使用壽命很長，屬于免維護産品，大大減低了運營費用。另外，可以改變光纖裝飾照明的光色，使建築物輪廓的色彩隨季節或氣候而變化，給人們一種人性化的感覺。
        (4)   園林綠化
        在園林綠化中，用端發光光纖來作亭院燈、地埋燈，使綠地、道路在照明的同時也有色彩變化。
        (5)   道路照明
        在景觀道路上，裝上星星點點的端發光光纖，成爲光纖甬道，更增加了景觀的趣味性，同時可以將流星光纜平鋪于地面，人們走在上面如同在光色中浮遊，給遊玩的人們無窮的遐想。
        (6)   溶洞照明
        溶洞是一種自然景觀，由于它沒有陽光照射，全靠燈光來展現它的風采。多變的光色和柔性的光纖，對無規則溶石和湖岸更顯出它的有用武之地，使溶洞的景色更迷人。而最重要的是清除了對遊客的不安全隱患。
        (7)   古建築物及文物照明
        在一般的燈光照射下，因紫外光的作用，使圖書文物、木結構等建築物加速老化。同時有電會造成大火的危險。而用光纖照明，既安全又能達到理想的藝術效果。
        (8)   易燃易爆場合
        在油庫、礦區等嚴禁火種入內的危險場合中。應用其他各種照明都有明火的隱患。如不小心就會釀成大禍。從安全角度看，因光與電分開，所以光纖照明應是一種最理想的照明。
        (9)   太陽光的利用 
        在我們常見的太陽能利用中，都是把太陽光轉換爲熱能或電能，而光纖可將太陽光直接加以利用，用來改善居室照明，對于陰暗的地下室、隧道，采用光纖照明，可讓永遠見不到陽光的地方能重見光明。

參考資料：
        [1]    聚合物光纖，江源，鄒甯宇編著，北京：化學工業出版社，2002.6
        [2]    塑料光纖技術前景廣闊，國外塑料，2003，21卷，6期
        [3]    “全國第二屆塑料光纖、聚合物光子器件研究、生産和應用會議”資料