光纤论文

浅谈石英光纤与塑料光纤的比较

摘要：光学纤维是利用全反射规律使光线在透明纤维中传播的一种光学器件，光纤作为新型光波传输介质，具有优良的物理、化学、机械性能，在各个领域得到广泛的应用。光纤有很多不同的分类方式，其中，石英光纤和塑料光纤是由不同材料制成的两种光纤，两种光纤都有其独特的性能和应用。

关键词：塑料光纤石英光纤性能应用前景

一、前言

塑料光纤是由高透明聚合物作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤（光学纤维）。石英光纤是一种以高折射率的纯石英玻璃材料为芯，以低折射率的有机或无机材料为包皮的光学纤维。目前，通信光缆所用的光纤，基本上都是采用石英光纤，近年来才逐步开发出塑料光纤（POF），因为可以利用聚合物成熟的简单拉制工艺，故成本比较低，且比较柔软，坚固，直径较大，接续损耗较低。塑料光纤能否代替石英光纤，两种纤维的性能如何，发展前景又怎样？下面对两种光学纤维的结构，特性，制作工艺以及应用前景做具体的介绍。

二、光纤相关知识介绍

1、光纤的基本结构

光纤是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤裸纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为50或62.5μm），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm），最外是加强用的树脂涂层。这种光纤结构引起全内反射，从而引起光线在纤芯内传播。

2、光纤的基本原理

光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微米至几十微米，外层的直径0.1～0.2mm。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。根据光的折射和全反射原理,当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。

3、光纤的种类

光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。但对于有线电视和通信用的光纤，其设计和制造的原则基本相同，诸如：①损耗小；②有一定带宽且色散小；③接线容易；④易于成统；⑤可靠性高；⑥制造比较简单；⑦价廉等。光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作统一归纳的。塑料光纤和石英光纤属于按原材料对光纤进行的分类。

4、光纤的制造方法

制造光纤的方法很多，目前主要有：管内CVD(化学气相沉积)法，棒内CVD法，PCVD(等离子体化学气相沉积)法和VAD(轴向气相沉积)法。但不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯线。光纤的制造要求每道工序都要相称精密，由计算机控制。

三、塑料光纤和石英光纤的基本性质

1、塑料光纤

塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯曲）。同时塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。由于塑料光纤的大直径和数值孔径，光传导能力大。塑料光纤比铜类传输介质（双绞线和同轴电缆）有着高得多的带宽能力。传输的频率越高，运用塑料光纤的成本就越低。塑料光纤也不产生辐射，完全不受电磁干扰和无线电频率干扰以及噪音的影响。塑料光纤的切割、布线、粘结、抛光和其他加工也都很容易。

2、石英光纤

石英光纤使用寿命长，平均使用成本低，导光效率高，光损耗低，单光路从入射到出射，其光损耗不超过10%。石英光纤的传输过程也没有电磁泄漏，这不仅有利于保密，而且避免了线路的串扰。由于石英光纤传输波长范围宽（从近紫外到近红外，波长从0.38-2.1um ），所以石英光纤适用于紫外到红外各波长信号及能量的传输，石英光纤也具有数值孔径大、光纤芯径大、机械强度高、弯曲性能好和很容易与光源耦合等优点，而且石英光纤也有很好的生物相容性。

3、二者比较

虽然石英光纤广泛用于远距离干线通信和光纤到户，但是石英光纤是由石英玻璃拉丝而成，质地较脆，难以适应楼内复杂弯曲的布线环境，光纤接入的最后100米难以突破。而塑料光纤被称之为“平民化”光纤，原因是与塑料光纤相关的连接器件和安装的总成本比较低。在光纤到户、光纤到桌面整体方案中，塑料光纤是石英光纤的补充，可共同构筑一个全光网络。塑料光纤与石英光纤相比，具有以下优点：模量低，芯径大(0.3-1.0mm)，接续时可使用简单的塑料光纤连接器，即使是光纤接续中心对准产生30μm的偏差也不会影响耦合损耗；数值孔径大(NA0.5左右)，受光角可达60°，而石英光纤只有16°，可用便宜的LED，并且耦合效率高；挠曲性好，易于加工和使用；在可见光区有低损耗窗口；重量轻；成本及加工费用低。塑料光纤网络在局域网系统中与其他传输介质相比，也具有明显的优点：塑料光纤对电磁干扰不敏感，也不发生辐射，不同数据速率下的衰减恒定，误码率可预测，能在电噪声环境中使用；其尺寸较长，可降低接头设计中公差控制的要求，故成网成本较低等。

四、塑料光纤和石英光纤的制备

1、塑料光纤

制备渐变型塑料光纤通常有两种方法①直接挤出成纤法，即将高折射率的芯材聚合物和低折射率的皮材聚合物通过双层嘴挤出，用高聚物聚烯烃材料包覆后，降温、热处理，使芯皮界面融合同时拉伸至一定的直径，冷却即可得到塑料光纤。②预制棒拉纤法，即首先制得渐变性折射率预制棒，然后在适当的温度和压力下，以一定的拉伸速率将预制棒拉伸，便可以得到折射率分布的渐变型塑料光纤。

2、石英光纤

制备石英光纤、生产石英光纤预制棒的方法有很多，主要有两大类：气相沉积法和非气相沉积法。其中普遍使用，并能制作出优质光纤预制棒的方法是气相沉积法。气相沉积法原理是：将液态的四氯化硅、掺杂剂、和氧气混合，送入反应室，在一定条件下发生化学反应，生成氧化物的沉积物。气相沉积法主要有四类：棒外气相沉积法、轴向气相沉积法、改进的化学气相沉积法和等离子激活化学气相沉积法。

通常使用预制棒拉纤法制备塑料光纤，棒外气相沉积法制备石英光纤。

五、应用领域及发展前景

1、塑料光纤

塑料光纤主要用作短距离照明或者监控方面作传光介质、内窥镜等之用。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、打印机、扫描仪、磁盘和立体声系统等。塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质，还可以广泛地应用于军事国防、节能建筑、企业局域网、车载通信、工业控制等多个领域。尤其是在汽车领域，可以在汽车影音系统布线中大量采用，在中国汽车业高速发展的今天，塑料光纤大有用武之地。

2、石英光纤

通信光缆所用的光纤，基本上都是采用石英系光纤，由高纯度二氧化硅加入适量二氧化硫掺杂组成的。石英光纤广泛用于远距离干线通信和光纤到户。石英光纤以其大容量、高速度、低损耗在城际网及城域网的干线中已被大量使用，成为远距离传输信息的最佳选择，其成熟的吉比特级别技术，已经得到广泛应用。

3、二者综合分析

石英光纤在通信行业普遍应用，但是由于石英光纤在光纤耦合互接中精度要求高及光纤配套器件昂贵等原因，大大提高了石英光纤的连接成本，为降低短距离接入网中光纤网络终端用户的接入成本，塑料光纤逐渐进入了人们的视线。在通信行业，塑料光纤主要用在驻地网和局域网等领域。塑料光纤在FTTH领域（光纤到家庭）具有很好的应用前景，不过电信运营商一旦采用就会大量采购部署，目前只有石英光纤有相应的布线标准，而且在产品检测上也只有多模石英光纤检测标准，在标准化领域塑料光纤还是比较落后的。

4、结论

对于塑料光纤和石英光纤的发展前景，可以认为，塑料光纤有一个特定的细分市场，在汽车和音响等一些短距离低带宽领域有着较多的应用，但主流仍然是采用以玻璃为材料的光纤，塑料光纤不仅不会取代石英光纤，相反，石英光纤会慢慢渗透到塑料光纤的领域。塑料光纤并不是什么新概念。从目前情况看，距离应用还有相当长的时间。退一步说，即使现在投产、达产，也无法取代石英光纤，它可以和石英光纤形成互补。在光纤到户、光纤到桌面整体方案中，塑料光纤是石英光纤的补充，可共同构筑一个全光网络。科技在不断的进步，科学家会研

究出最适合人类发展应用的产物，来促进人类的不断发展，光纤的路还有很长，需要科学家的不断探索。

六、参考文献

1、储九荣《通信学报》1998,(2)：153-156

2、刘德森《纤维光学》北京：科技出版社，1987

3、刘德明等《光纤光学》北京：科技出版社，2008

4、李忠辉等《渐变型聚合物光纤研究进展[J]》、《光纤与光缆及其应用技术》，2003,(1):1-6

5、李鑫等《渐变型塑料光纤的制备方法分析》、《电线电缆》，2006,(1):3-6

6、彭吉虎《光纤技术及应用》北京:北京理工大学出版社，1994