纤维光学论文

浅谈石英光纤与塑料光纤的比较

080621113 于晓曼

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。

一、引言

塑料光纤是以光学塑料为材料制作的一类重要的光纤，石英光纤也是常规光纤的代表，其主要成分是二氧化硅。目前，通信光缆所用的光纤，基本上都是采用石英光纤，近年来还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、光纤结构：

光纤的基本结构十分简单，光纤的纤芯是有折射率比周围包层略高的光学材料制作而成。这种光纤结构引起全内反射，从而引起光线在纤芯内传播。光纤的基本结构是导光的纤芯和外面低折射率的包层。 2、基本概念介绍：

光纤是一种介质圆柱光波导，利用全反射规律而使光线沿着弯曲路径传播的光学元件。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。

塑料光纤（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）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤。

石英光纤是一条石英纤维，能让光能传输的媒介，基本上都是采用石英系光纤，由高纯度二氧化硅SO2加入适量掺杂组成的。

三、基本性质

·塑料光纤：①光学特性：塑料光纤是一种纤维状长链分子，是用单体聚合而成，密度均匀性较难达到，因而有较难的光学损耗。②机械性能：塑料光纤的柔韧性好，有实验表明，塑料光纤曲率半径大于塑料光纤半径的三倍时，透过率仍无大的变化。③温度性能：使用温度一般小于100℃。当温度低于-40℃时，塑料光纤变硬，变脆。由于塑料光纤熔点低，因此易老化。

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·石英光纤： ①使用寿命长，平巨额使用成本低。②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％。③在一分多束结构的光纤上，适应更有保障，分光均匀性强。④维护简便，抗撞击即摔碰能力强。 ·两者比较

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。塑料光纤则没有石英光纤这些缺点，具有柔软抗拉、弯曲半径小、占用空间小、不用熔接焊接和防水的优点，塑料光纤（POF）与石英光纤相比，还具有以下优点：1. 快速安装 2. 容易连接 3. 低廉成本 4. 坚固耐用 5. 简单、安全的连通测试。但与石英光纤相比,塑料光纤的主要问题是传输损耗大. 所以它适用于短距离通信接入。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，亟待推进标准化。

四、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，除了可以应用于FTTH之外，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SO2加入适量掺杂组成的。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。

3两者综合分析：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。

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五、制备方法

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GI POF。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。 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。

六、塑料光纤和石英光纤的制备

1、制备方法及步骤

·预制棒拉纤法制备塑料纤维：

①预制棒拉纤法制备：分为两步，先是渐变型折射率预制棒的制备，然后将测试合格的预制棒拉制成纤。两步共聚合法。塑料预制棒的制造步骤是：先制备间苯二甲酸二烯丙酯的预聚物棒，控制反应转化率使其含量>60％的未反应的间苯二甲酸二烯丙酯单体呈溶胀的凝胶状，然后将该棒浸浴在含有2.91wt％BPO的MMA单体溶液中5min，于80℃聚合2h使其完全聚合。在第二步聚合中，MMA单体通过扩散作用从外向内形成浓度按渐变型分布，同时MMA单体同DAIP单体发生共聚，所得光纤棒中MMA组分浓度由外向内逐渐减小。从而使预制棒的折射率有轴心向外降低，形成近似于抛物线的分布。

渐变型塑料光纤预制棒在一定的温度和拉力下，以一定的拉伸速率将预制棒拉伸，便可得到渐变型折射率分布的塑料光纤。预制棒油加热装置加热后，由牵引装置拉伸成纤，激光光敏计测量光纤的直径，然后把信息反馈给供料夹，以控制供料速度，涂料杯是用于光纤涂敷并经紫外烤箱固化，即可得到GI POF. ②影响因素

离心力作用对空心预制棒的影响：离心力使得MMA混合液体在反应过程中充分接触，防止因局部过热发生聚爆，并且使空隙杯未反应的MMA混合液所填补。

反应时间对空心预制棒折射率分布的影响：只要预制棒固化后，反应时间对折射率分布基本上不产生影响。

·棒外气相沉积法制备石英光纤：

①棒外气相沉积法：棒外气相沉积法简称OVD，它的主要原料四氧化硅、掺杂剂、氢气和氧气都是从喷灯中喷出。燃烧时发生水解反应，生成粉尘状的沉积物。OVD法预制棒制备是

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通过沉积和烧结的。沉积工艺是先将一根靶棒沿其纵轴水平放置于玻璃车床上，靶棒随车床匀速转动。用氢氧焰喷灯局部加热靶棒外表面。用高纯氧作载体将四氯化硅气体送进火焰喷灯嘴，生成玻璃氧化物粉尘。烧结工艺是将制得的预制棒送入烧结炉内，在14000℃—16000℃的高温下，烧缩多孔预制棒使之成为透明的无气泡的固体玻璃预制棒。拉丝是将已制得的光纤预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布不变的操 作。涂敷通常是在拉丝过程中进行时，当光纤向下拉制时，光纤通过涂敷器，就可以在光纤表面均匀地涂上热固化硅树脂或紫外光固化丙烯酸酯。

②分析：用此方法沉积速度大、容易控制折射率分布、预制棒尺寸大。 七、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

论文评阅结果 评分标准 得分 1.选题符合要求、新颖。 （5分） 2.论文格式符合撰写格式规范要求。 （15分） 3.论文结构完整、条理清晰、层次清楚。（20分） 4.正文归纳合理、阐述清楚、语言流畅、图表清晰。（30分） 5.附参考文献。（5分） 6.字数3000字以上。（5分） 总分

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