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塑料光纤研究与发展
光纤新技术研究与发展
————塑料光纤发展与前景展望
目录
1.摘要3
1.1关键词3
2.塑料光纤的发展历程4
3.塑料光纤的发展原理6
4.塑料光纤的优缺点7
5.塑料光纤的应用8
6.塑料光纤的性能8
7.塑料光纤的发展前景9
8.参考文献10
1.摘要
简单叙述塑料光纤的发展历程,它的应用范围以及现在塑料光纤的现状,并对塑料光纤的发展前期进行展望!
1.1关键词:
塑料光纤(POF),传输损耗,折射率塑料光纤(GI2POF),采用吸附分离,传输带宽
2.塑料光纤的发展历程
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。
● 1980年三菱公司以高纯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。
● 1986年,日本F富士通公司以PC为纤芯材料开发出SI型耐热POF,耐热温度可达135摄氏度,衰减达450dB/km;
● 1990年,日本庆应大学的小池助教授开发成功折射率渐变型的塑料光纤,芯材为含氟PMMA、包层为含氟,用界面凝胶技术制造。
该塑料光纤衰减在60db/km以下,光源650-1300nm,100m带宽3GHz,传输速率10Gb/s,超过了GI型石英光纤,并被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介;
● 1996年,人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网ATM物理层;
● 1997年,日本NEC公司进行了155Mbit/s的ATM、LAN的试验。
● 2000年,OFC会议上,日本ASAHIGLASS公司报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数在850nm为41dB/km,在1300nm为33dB/km,带宽已达100MHz.km。
用这种光纤成功地进行了50m、2.5Gbit/s的高速传输试验和70摄氏度长期热老化试验。
实验结论为氟化梯度塑料光纤完全能满足短距
● 2000年7月,日本ASAHIGLASS公司称,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。
● 2001年下半年是欧洲塑料光纤工业发展的重要阶段,在这段时间内建立了欧洲塑料光纤检验和测量的新发展方针。
世界上第一个专用塑料光纤应用中心(POFAC)在德国Nuremberg落成。
德国采用塑料光纤已经研制成功了多媒体总线系统MOST(24Mbit/s),并且有几家轿车制造商已把该系统引入到自己的产品上。
德国宝马公司(BMW)在其新的7个系列产品中开创了使用100m塑料光纤的记录。
欧洲2001年塑料光纤学术交流会和欧洲光纤通信会议同时在荷兰的阿姆斯特丹举行。
德国汽车工业不仅推动了塑料光纤的应用,而且也推动了塑料光纤检验和测量标准的建立。
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170摄氏度,预计2001年上半年即可供应汽车市场。
3.塑料光纤的原理
塑料光纤的工作原理为:
当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,光纤就是利用全反射的原理将光从一端传至另一端的。
构成塑料光纤的材料有两种,高折射率和低折射率的两种透明聚合物,而且低折射率的材料必须完整地包住高折射率的材料,即皮材必须包覆住芯材。
塑料光纤的芯材和皮材必须满足以下几个条件:
(1)两者都是透明的无定型聚合物,具有耐高温性和强韧性;
(2)两者的折射率之差应满足
的条件,以确保有一定的受光角;
(3)两者具有良好的匹配性,界面粘接性良好。
4.塑料光纤的优点与缺点
众所周知,石英玻璃光纤以其衰减小、带宽高等优点被用作远距离、高速率、大容量公用网的光传输介质。
石英玻璃光纤以其原料纯洁、制造复杂、价格昂贵、接续困难等缺点制约了其大量用作短距离接入网光传输介质。
正是为降低短距离接入网中光纤网络终端用户的光纤接入成本(即传输介质、接续施工等),日本、美国等发达国家的一些大学和公司已研究出新一代短距离光传输介质——塑料光纤。
塑料光纤的优点:
制造简单、价格便宜、接续快捷等。
故其最适宜作为局域网中短距离通信、有线电视网、室内计算机之间的光传输介质。
本文简明扼要的阐述塑料光纤的研究历程、研究要点、光纤性能、系统应用,以飨读者。
研究历程70年代初,美国杜邦公司开始了数据通信用塑料光纤的基础研究工作。
1987年,美国杜邦公司将其拥有的所有塑料光纤产品专利全部出售给日本三菱人造丝株式会社。
三菱人造丝株式会社继续进行塑料光纤产品开发和推广应用工作。
同年,法国塑料光纤联合集团研制出的阶跃折射率分布塑料光纤,其带宽为5MHz.km.1990年日本庆应大学小池康博宣布研制出带宽为3GHz.km的梯度折射率分布的塑料光纤。
1992年,美国IBM公司的Bates提出了在100m长的阶跃折射率分布塑料光纤...
5.塑料光纤的应用
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。
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。
6.塑料光纤的性能
单信道传输试验的最新记录是在PFGI-POF上实现了2.5Gbit/s、550m的数据传输试验。
在这个试验中所用的光源是工作波长为1310nm的商用通信激光器,即分布反馈(DFB)激光器。
在接收机端,采用InGaAsAPD作为接收机。
在接收机与PFGI-POF之间,采用非常敏感的大有源面积(直径为80μm)的InGaAsAPD与PFGI-POF互联,这样有利于减小连接损耗。
在发射机端,从DFB激光器发出的光采用对接耦合方法,通过单模光纤尾纤注入大芯径PFGI-POF。
这种耦合方法的耦合损耗小于0.1dB。
这个试验用的DFB激光器的平均输出功率是0.4dBm。
在误码率为10-9下,2.5Gbit/s时的接收机灵敏度是-28.4dBm。
在工作波长为1310nm处,550m长PFGI-POF的衰减系数是16.3dB。
由于PFGI-POF的多模色散作用,接收机灵敏度会降低4.4dB。
对于工作波长为1310nm的DFB激光器,光源的调制光谱宽度小于0.1nm。
7.塑料光纤的发展前景
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。
参考文献:
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