塑料光纖(POF)的研究及其應(yīng)用

1、塑料光纖的研究及其應(yīng)用 重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 學(xué)生姓名：陶有興指導(dǎo)教師：陳媛媛 專業(yè)：計算機(jī)通信重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化系二 O 一二年十一月 目 錄中文摘要 .4緒論 .61網(wǎng)絡(luò)與通信的發(fā)展趨勢 .81.1網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢 .81.2通信的發(fā)展趨勢 .82光纖通信的優(yōu)勢 . .112.1銅纜傳輸?shù)娜毕? .112.2采用光纖通信的優(yōu)點. .113塑料光纖. .133.1塑料光纖的概念. .133.2塑料光纖和石英光纖的比較. .133.3塑料光纖的傳光原理. .14光的基礎(chǔ)知識. .14幾何光學(xué)理論. .15子午光線在階躍型POF中的傳輸. .15子午線在階躍型光纖中的幾何行程和反射

2、次數(shù). .16斜光線在階躍型折射率POF中的傳輸. .16光在漸變型折射率分布POF中的傳輸. .16側(cè)面發(fā)光POF的傳光原理. .17熒光POF的傳光原理. .174 塑料光纖在工程中應(yīng)用. .195塑料光纖研究中需解決的問題. .206塑料光纖應(yīng)用前景. .217結(jié)論. .22致謝. .23參考文獻(xiàn) .24中文摘要塑料光纖(PlasticOptical Fiber簡稱POF，是采用聚合物材料或有機(jī)材料制備而成的可傳導(dǎo)光功率的傳輸線。POF有多種分類方法，按折射率結(jié)構(gòu)分，可分為階躍折射率分布型SIPOF和漸變折射率分布型GI POF；按芯材分嘗，可分為聚苯乙烯PS芯POF、聚甲基丙烯酸甲酯P

3、MMA芯POF等：若按光纖發(fā)光特性分類，可分為側(cè)面發(fā)光(SideLightPOF(簡稱SLPOF、端發(fā)光(EndLi曲tPOF(簡稱ELPOF。自1970年美國康寧公司研制出石英玻璃光纖后，同年貝爾又試制成半導(dǎo)體激光器，這兩項新技術(shù)的結(jié)合，開創(chuàng)了光信息傳輸?shù)男聲r代。玻璃光纖有一個致命的弱點就是強(qiáng)度低，抗撓曲性能差，而且抗輻射性能也不好。因此，近20多年來，科學(xué)家們一直沒有停止過對塑料光纖的探索。目前，在“光纖到戶”的拉動應(yīng)用下，塑料光纖展現(xiàn)了其巨大的市場潛力。塑料光纖的研究始于二十世紀(jì)60年代1968年美國杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯為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

4、司以PMMA和聚苯乙烯為芯材、以低折射率的氟塑料為包層開發(fā)出塑料光纖，其光損耗為3500dBkm，難以用于通信。80年代日本的一些大企業(yè)和大學(xué)對低損耗塑料光纖的制備進(jìn)行了大量的研究。1980年三菱公司以高純MMA單體聚合PMMA，使塑料光纖損耗下降到100200dBkm。1983年NTT公司開始用氘取代聊仰d中的H原子，使最低光損耗可達(dá)到20dBkm，并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(jìn)展。它們研制成的塑料光纖，光損耗率已降到259dBkm，其工作波長已擴(kuò)展到870微米(近紅外光，接近石英玻璃光纖的實用水平。美國研制的一種PFX塑料系列光纖，有著

5、優(yōu)異的抗輻照性能。此外，美國麻省波士頓光纖公司研制的OpfiOiga塑料光纖更是引人注目，它不僅比玻璃輕、柔性更好、成本更低，而且可在100米內(nèi)以每秒3兆比特的速度傳輸數(shù)據(jù)這種光纖還可以利用光的折射或光在纖維內(nèi)的跳躍方式來達(dá)到較高的傳輸速度。2001年下半年是歐洲塑料光纖工業(yè)發(fā)展的重要階段，在這段時間內(nèi)建立了歐洲塑料光纖檢驗和測量的新發(fā)展方針。世界上第一個專用塑料光纖應(yīng)用中心(POFAC在德田Nuremberg落成。德國采用塑料光纖已經(jīng)研制成功了多媒體總線系統(tǒng)MOST(24MbiVs，并且有幾家轎車制造商己把該系統(tǒng)引入到自己的產(chǎn)品上。德國汽車工業(yè)不僅推動了塑料光纖的應(yīng)用，而且也推動了塑料光纖檢

6、驗和測量標(biāo)準(zhǔn)的建立。德國工程師學(xué)會和電子工程學(xué)會研究小組已經(jīng)詳細(xì)規(guī)定了塑料光纖數(shù)值孔徑、衰減、傳輸和機(jī)械特性以及環(huán)境和全國第一屆塑料光纖研究、生產(chǎn)和應(yīng)用會議壽命的測量方法。塑料光纖檢驗方法和標(biāo)準(zhǔn)的建立必將促進(jìn)國際塑料光纖貿(mào)易的發(fā)展，并消除貿(mào)易中的誤解。 日本對塑料光纖的應(yīng)用十分重視，早在幾年前，NEC、富士通、住友電器工業(yè)公司等45家光通信、多媒體產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家就聯(lián)合宣布，將共同實現(xiàn)己在日本開發(fā)成功的塑料光纖的實用化。1986年，日本F富士通公司以PC為纖芯材料開發(fā)出sI型耐熱POF，耐熱溫度可達(dá)135攝氏度，衰減達(dá)450dBkm； 1990年，日本慶應(yīng)大學(xué)的小池助教授開發(fā)成功折射率漸變型的塑

7、料光纖，芯材為含氟PMMA、包層為含氟，用界面凝膠技術(shù)制造，該塑料光纖衰減在60dBkm以下，光源6501300nm，100m帶寬3GHz，傳輸速率10Gbs，超過了GI型石英光纖，并被廣泛認(rèn)為是高速多媒體時代光纖入戶的新型光通信媒介。1996年，人們紛紛建議以塑料光纖為基礎(chǔ)建立極低成本的用戶網(wǎng)ATM物理層：1997年，日本NEC公司進(jìn)行了155Mbi以的ATM、LAN的試驗。在2000年OFC會議上，日本ASAHIGLASS公司報道了氟化梯度塑料光纖衰減系數(shù)在850nm為41dBkm，在1300nm為33dBkm，帶寬已達(dá)100MHz。用這種光纖成功地進(jìn)行了50m、25Gbits的高速傳輸試

8、驗和70攝氏度長期熱老化試驗。實驗結(jié)論為氟化梯度塑料光纖完全能滿足短距離的通信使用要求。關(guān)鍵詞：塑料光纖（POF），傳輸損耗，折射率塑料光纖(GI2POF，采用吸附分離，傳輸帶寬緒論塑料光纖的發(fā)展歷史塑料光纖的研究始于二十世紀(jì)60年代。1968年美國杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯為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和聚苯乙烯為芯材、以低折射率的氟塑料為包層開發(fā)出塑料光纖，其光損耗為3500dB/km，難以用于通信。 80年代日本的一些大企業(yè)和大學(xué)對低損耗塑料光纖的制備進(jìn)行了大量的研究。1980年三菱公司以高純MMA單體聚合PMMA，使塑料光纖損耗下降到100-

9、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(dá)到20dB/km，并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(jìn)展。它們研制成的塑料光纖，光損耗率已降到259分貝/公里。其工作波長已擴(kuò)展到870微米(近紅外光，接近石英玻璃光纖的實用水平。美國研制的一種PFX塑料系列光纖，有著優(yōu)異的抗輻照性能。此外，美國麻省波士頓光纖公司研制的Opti-Giga塑料光纖更是引人注目，它不僅比玻璃輕、柔性更好、成本更低，而且可在100米內(nèi)以每秒3兆比特的速度傳輸數(shù)據(jù)。這種光纖還可以利用光的折射或光在纖維內(nèi)的跳躍方式來達(dá)到較高的傳輸速度。

10、現(xiàn)在美歐日已把塑料光纖用于短途傳輸，如汽車、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)等。 日本對塑料光纖的應(yīng)用十分重視，早在幾年前，NEC、富士通、住友電器工業(yè)公司等45家光通信、多媒體產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家就聯(lián)合宣布，將共同實現(xiàn)已在日本開發(fā)成功的塑料光纖的實用化。就目前塑料光纖生產(chǎn)量而言，日本也是世界上最大的塑料光纖生產(chǎn)者，然而卻是歐洲推動了塑料光纖新應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)并建立了光纖檢驗標(biāo)準(zhǔn)。2001年下半年是歐洲塑料光纖工業(yè)發(fā)展的重要階段，在這段時間內(nèi)建立了歐洲塑料光纖檢驗和測量的新發(fā)展方針。世界上第一個專用塑料光纖應(yīng)用中心(POFAC在德國Nuremberg落成。德國采用塑料光纖已經(jīng)研制成功了多媒體總線系統(tǒng)MOST(24Mb

11、it/s，并且有幾家轎車制造商已把該系統(tǒng)引入到自己的產(chǎn)品上。德國寶馬公司(BMW在其新的7個系列產(chǎn)品中開創(chuàng)了使用100m塑料光纖的記錄。歐洲2001年塑料光纖學(xué)術(shù)交流會和歐洲光纖通信會議同時在荷蘭的阿姆斯特丹舉行。德國汽車工業(yè)不僅推動了塑料光纖的應(yīng)用，而且也推動了塑料光纖檢驗和測量標(biāo)準(zhǔn)的建立。 日本也建立了塑料光纖標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)對歐洲共同體是無效的。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)只給出了一種型號塑料光纖的標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)值孔徑為0.5，而且只有650nm一種波長。該標(biāo)準(zhǔn)沒有提及在塑料光纖中的不同激勵光條件，也沒有規(guī)定必須在塑料光纖內(nèi)形成平衡模分布。國內(nèi)外塑料光纖最新應(yīng)用進(jìn)展憑著接入帶寬高、可靠性高等優(yōu)勢已經(jīng)成為公認(rèn)

12、的接入網(wǎng)發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)和最終解決方案。近年來，我國光纖接入市場正進(jìn)入一個前所未有的高速增長期，全國各地的商用工程更是如雨后春筍般涌現(xiàn)，部署規(guī)模和部署速度與往年相比有很大的飛躍。江蘇等省份將全面停止ADSL鋪設(shè)，全面實行光纖到戶。江西省政府也提出在大中城市建設(shè)高速、大容量骨干傳輸，窄帶、寬帶相結(jié)合，固定、移動等方式靈活接入的智能用戶接入網(wǎng)絡(luò)，逐步地實現(xiàn)光纖到戶。廣東、安徽、北京等地的光纖到戶發(fā)展速度也異常迅猛。但在FTTH建設(shè)中，石英光纖存在著連接難度大、生產(chǎn)成本高、系統(tǒng)安裝及維護(hù)費用高等問題，大大提高了FTTH的建設(shè)成本，增加了用戶的負(fù)擔(dān)，阻礙了FTTH的進(jìn)一步推廣。為了解決這個問題，業(yè)界一直

13、沒有停止過對其它材料光纖的研發(fā)，其中對塑料光纖（POF）的研發(fā)是目前業(yè)界最熱門的研究領(lǐng)域之一。POF以其芯徑大、柔韌性好、可塑性強(qiáng)、質(zhì)量輕、價格低廉等優(yōu)點而受到國際上的普遍關(guān)注。因此利用通信用POF配合石英光纖，在FTTH的末端（家庭綜合布線）將發(fā)揮很大效用，可以解決“最后幾百米”的接入難題。通信用POF具有芯徑粗、易耦合、不用熔接和焊接、重量輕、柔性好可彎曲、防腐蝕、防潮濕、防震防爆、無電磁干擾和輻射等優(yōu)點，另外，它還具有保密性、安全性、抗干擾能力強(qiáng)以及衰減為恒量且不隨傳輸狀態(tài)變化等特點，因此，通信用POF是銅纜的有力競爭者乃至替代品。顯然，通信用POF的應(yīng)用將大大加速我國FTTH發(fā)展的步伐

14、。2010年我國FTTH將進(jìn)入超常規(guī)模發(fā)展階段，至2011年預(yù)計我國FTTH用戶可達(dá)到5000萬戶，如每戶家庭布線平均用100米通信用POF，每米1元計算就是50億元的市場規(guī)模，如再加上配套用有源、無源器件、模塊、系統(tǒng)設(shè)備將可達(dá)到100億元的市場規(guī)模?？梢娝芰瞎饫w布線的應(yīng)用前景十分看好。從國外的研究發(fā)展來看，塑料光纖的研究重點主要集中在以下三個方面：1降低光損耗；2提高帶寬（由SI型轉(zhuǎn)為GI型）；3提高耐熱性。（聚碳酸酯（PC）、硅樹脂、交聯(lián)丙烯酸和共聚物可使耐熱性提高到125-150攝氏度）塑料光纖在衰減與帶寬方面的最新實用進(jìn)展為：日本ASAHI GLASS公司2000年7月稱，該公司實施慶

15、應(yīng)大學(xué)的GI-POF技術(shù)商品化，采用全氟化聚合物CYTOP制造GI光纖，命名為GI-GOF，商品名為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(jìn)展為：日本JSR與旭化株式會社聯(lián)合發(fā)展耐熱透明樹脂ARTON（norbornene,冰片烯）制造的SI-POF，耐熱170攝氏度，預(yù)計2001年上半年即可供應(yīng)汽車市場。1網(wǎng)絡(luò)與通信的發(fā)展趨勢1.1網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢2010年中國國際信息通信展覽會于10月1115日在北京舉行。雖然人氣并不旺，但務(wù)實的內(nèi)容折射出了中國電信業(yè)的6大發(fā)展趨勢。  網(wǎng)資是一項網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)業(yè)項目，一個新興的行業(yè)。國家在0

16、7年底籌備，08年中旬開始試運行，09年開始有了第一批的開拓者，試運行不到兩年，適合任何的普通大眾來做，只要稍微懂得點電腦知識，如打字，粘貼，復(fù)制等，都可以來從事，在這里，我想說的是為什么這個模式是網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)業(yè)項目中最先進(jìn)，最人性的，只要付出努力，每個人都能100%成功。    團(tuán)隊的幫扶模式，如果你所咨詢的那個人把你放在下面，而你的能力有限，沒有人咨詢你，但上面的人沒有滿150單，他是不允許開第二條線的，那他來了人怎么放，理所當(dāng)然的放在了你的下面，真正的做到了上拉，而你下面的人要想成功，做的份額永遠(yuǎn)累計在你的帳上，這才是真正意義的下推，你不成功行嗎？做過異地的朋友，

17、在那種親人叫親人，朋友叫朋友的模式下，又有幾個推薦人放了人在你的下面，哪怕就好不容易放一個在你下面，那這個人會服你管嗎？這就是異地失敗的另一個原因。     在資金絕對安全的前提下，大家真正的互相幫助，開拓廣闊的網(wǎng)絡(luò)市場，再加上每一個人都堅持下去了！你如果選擇了這個模式，只要用心的去做，你不想成功都難！  互聯(lián)網(wǎng)作為未來經(jīng)濟(jì)的前沿，是各國的必爭之地，對于資.本運.作無疑是不可或缺的踐行之路。因此，政府于2007年底又將該模式投放于互聯(lián)網(wǎng)，也即我們俗稱的“網(wǎng)絡(luò)zi.本運.作”，行業(yè)內(nèi)稱之為異/地zi.本運.作的升級版。1.2通信的發(fā)展趨勢物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)

18、用越來越多物聯(lián)網(wǎng)的概念炒作在中國一直很熱，上海世博會上也有不少應(yīng)用，但是大眾對物聯(lián)網(wǎng)仍然比較陌生。在本次通信展上，運營商與設(shè)備商的物聯(lián)網(wǎng)解決方案涵蓋了行業(yè)與個人應(yīng)用。不過，前者仍是重點，走進(jìn)大眾生活還需時日，而且還面臨著商業(yè)模式和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等挑戰(zhàn)。中國電信展示了通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控蔬菜大棚溫度的應(yīng)用，通過傳感器的數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)可以自動打開窗戶并調(diào)節(jié)氣溫；同時展示的還有對某一地區(qū)氣候變化、降 雨量進(jìn)行實時監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以實時統(tǒng)計、分析各地降雨情況。大唐電信突出了以“感知礦山、數(shù)字城市、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”為主題的物聯(lián)網(wǎng)方案。中國移動的物聯(lián) 網(wǎng)方案是面向家庭的物聯(lián)網(wǎng)智能空調(diào)（見圖1），通過傳感器對室內(nèi)的檢

19、測，控制系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)空調(diào)的風(fēng)向及溫度。中國聯(lián)通推出了訂餐寶、3G視頻監(jiān)控等物 聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，主要也是行業(yè)應(yīng)用。中國普天展示了基于物聯(lián)網(wǎng)的配送中心整體解決方案 三網(wǎng)融合概念勁爆三網(wǎng)融合政策關(guān)系到電信、廣電及互聯(lián)網(wǎng)等多方產(chǎn)業(yè)的利益，中國已經(jīng)有12個城市正在進(jìn)行試點工作。不過，本次通信展上，基于三網(wǎng)融合的應(yīng)用與解決方案并不多，三大電信運營商集體低調(diào)，這與產(chǎn)業(yè)鏈的利益與政策問題有直接關(guān)系。UT斯達(dá)康展示了自主研發(fā)的奔流(RollingStream 三屏融合方案，以及基于該平臺的全高清視頻點播、3D高清視頻點播、高清視頻通話和互聯(lián)網(wǎng)電視、體感游戲等業(yè)務(wù)。中國電信展出了5A數(shù)字家庭（見圖3）， 該三屏互動

20、方案適合IPTV、電話及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。華為、中興等設(shè)備商也展出了三網(wǎng)融合及IPTV的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。但總的來說，各運營商與設(shè)備商在終端和業(yè) 務(wù)應(yīng)用方面都很欠缺，對三網(wǎng)融合的推廣力度不大，基本持觀望態(tài)度。云計算將走進(jìn)大眾生活雖然中國用戶對云計算還很陌生，但很多廠商開始推出云計算相關(guān)服務(wù)，這也是本次展會的一大亮點。中國移動展示了手機(jī)云計算開發(fā)平臺（見圖4），面向行 業(yè)和個人用戶，利用開源Hadoop系統(tǒng)搭建起云計算的研究環(huán)境，目前該云計算平臺已經(jīng)擴(kuò)容至1024個節(jié)點。中國聯(lián)通展出了“云超市”概念，用戶可快速 得到自己想要的云計算產(chǎn)品，VDC(虛擬數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)將于2011年2月推出。華為展示了“云-管-

21、端：信息服務(wù)新架構(gòu)”解決方案，首次以“云”的方式 進(jìn)行現(xiàn)場信息演示，實現(xiàn)遠(yuǎn)程資源共享。4G標(biāo)準(zhǔn)未定，但產(chǎn)業(yè)與技術(shù)快速發(fā)展雖然現(xiàn)在4G國際標(biāo)準(zhǔn)還沒有確定，但是，4G網(wǎng)絡(luò)具有部署上的優(yōu)勢，以及更快的上傳下載速度、可傳輸高質(zhì)量視頻圖像等優(yōu)勢。目前，LTE- Advanced（含TDLTEAdvanced）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到中國移動、愛立信、諾基亞、華為、中興、法國電信、德國電信、日本NTT等運營商 和設(shè)備商的支持，其成為4G國際標(biāo)準(zhǔn)已成定勢。中國移動展示了TD-LTE網(wǎng)絡(luò)解決方案，通過該網(wǎng)絡(luò)，在展會現(xiàn)場能夠控制上海世博園的監(jiān)控畫面，并可以與對方工作人員進(jìn)行語音互動；另外，還可用筆 記本電腦接收1080

22、P高清視頻。中興通訊進(jìn)行了LTE-A（LTE-Advanced）系統(tǒng)演示，現(xiàn)場的下行峰值速率超過了1Gbps。另外，上海貝爾發(fā)布了TD-LTE概念車，融合了云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持汽車和旅行中的各種應(yīng)用，包括天氣預(yù)報與高清視頻等。該車由“下一代互聯(lián)計劃”成員阿爾卡特朗訊、QNX軟件系統(tǒng)、三星與哈曼合作，基于上海大眾途安汽車平臺開發(fā)。手機(jī)更智能，娛樂及應(yīng)用更多目前，中國3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋雖然在逐步完善，但是終端、資費高昂及應(yīng)用匱乏嚴(yán)重影響了3G的發(fā)展。三大運營商也認(rèn)識到了這一點，正不斷推出新手機(jī)與眾多應(yīng)用業(yè)務(wù)。中國移動發(fā)布了定制的3G手機(jī)摩托羅拉MT810，以及配套的手機(jī)支付業(yè)務(wù)，展示了手機(jī)電視、校訊

23、通、MobileMarket等業(yè)務(wù)應(yīng)用。中國聯(lián)通 展出了移動執(zhí)法、移動稅務(wù)、移動保險、移動采編、移動物流、移動銷售等移動辦公業(yè)務(wù)。中國電信首次展示了“翼視通”業(yè)務(wù)，天翼空間、天翼閱讀等移動互聯(lián)業(yè) 務(wù)，以及握著手機(jī)就可以玩的體感游戲（見圖5）等熱門3G應(yīng)用。平板電腦與電子書將快速發(fā)展雖然是通信展，但平板電腦及電子書產(chǎn)品也占據(jù)了展臺上了部分展位，可以看出這2類產(chǎn)品的火熱，因為他們的娛樂應(yīng)用或電子書在線閱讀、下載都離不開通信網(wǎng)絡(luò)。三星采用Android系統(tǒng)的平板電腦Galaxy Tab首次公開亮相。華為推出了自主品牌平板電腦華為S7，其采用Android 2.1系統(tǒng)，支持Wi-Fi 功能。中興則推出

24、了平板電腦中興V9（見圖6），基于Android 2.1系統(tǒng)，支持3G和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。電子書方面，漢王展出了多款3G電子書產(chǎn)品；方正展出了多款支持TD-SCDMA的電子書。 2光纖通信的優(yōu)勢2.1銅纜傳輸?shù)娜毕葶~纜雖然不存在設(shè)備昂貴的缺陷，但抗干擾能力差、傳輸距離有限制、能耗高等缺點，在如今萬兆以太網(wǎng)當(dāng)?shù)赖慕裉欤呀?jīng)難以負(fù)荷了。雖然被網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商寄予厚望的10GBase-T這項標(biāo)準(zhǔn)是基于屏蔽與非屏蔽雙絞線銅纜的萬兆技術(shù)，允許通過6類線實現(xiàn)萬兆速度，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)到100米，但康普布線的專家卻解釋到，6類線傳輸萬兆，最遠(yuǎn)傳輸距離也只能達(dá)到幾十米，并且周圍不能有干擾源。這對于一般布線環(huán)境來說

25、，是很難做到的。2.2采用光纖通信的優(yōu)點頻帶寬，通信容量大光纖可利用的帶寬約為50000GHz，1987年投入使用的1. 7Gb/s光纖通信系統(tǒng)，一對光纖能同時傳輸24192路電話，2.4Gb/s系統(tǒng)，能同時傳輸30000多路電話。頻帶寬，對于傳輸各種寬頻帶信息具有十分重要的意義，否則，無法滿足未來寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN發(fā)展的需要。 損耗低，中繼距離長目前實用石英光纖的損耗可低于0.2dB/km，比其它任何傳輸介質(zhì)的損耗都低，若將來采用非石英系極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降至10-9dB/km。由于光纖的損耗低，所以能實現(xiàn)中繼距離長，由石英光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離可達(dá)2

26、00多千米，由非石英系極低損耗光纖組成的通信系統(tǒng)，其最大中繼距離則可達(dá)數(shù)千甚至數(shù)萬千米，這對于降低海底通信的成本、提高可靠性和穩(wěn)定性具有特別的意義。 光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設(shè)備等工業(yè)電器的干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。光波在光纜中傳輸，很難從光纖中泄漏出來，即使在轉(zhuǎn)彎處，彎曲半徑很小時，漏出的光波也十分微弱，若在光纖或光纜的表面涂上一層消光劑效果更好，這樣，即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，也可實現(xiàn)無串音干擾，在光纜外面，也無法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔?。光纖的芯徑很細(xì)，約為0.1mm，它只有

27、單管同軸電纜的百分之一；光纜的直徑也很小，8芯光纜的橫截面直徑約為10mm，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為47mm。利用光纖這一特點，使傳輸系統(tǒng)所占空間小，解決地下管道擁擠的問題，節(jié)約地下管道建設(shè)投資。此外，光纖的重量輕，光纜的重要比電纜輕得多，例如18管同軸電纜1m的重量為11kg，而同等容量的光纜1m重只有90g，這對于在飛機(jī)、宇宙飛船和人造衛(wèi)星上使用光纖通信更具有重要意義。還有，光纖柔軟可撓，容易成束，能得到直徑小的高密度光纜。 光纖的原材料資源豐富 光纖的材料主要是石英(二氣化硅，地球上有取之不盡用之不竭的原材料，而電纜的主要材料是銅，世界上銅的儲藏量并不多，用光纖取代電纜，則可節(jié)約大量的金屬材料，

28、具有合理使用地球資源的重大意義。光纖除具有以上突出的優(yōu)點外，還具有耐腐蝕力強(qiáng)、抗核幅射、能源消耗小等優(yōu)點，其缺點是質(zhì)地脆、機(jī)械強(qiáng)度低，連接比較困難，分路、耦合不方便，彎曲半徑不宜太小等。這些缺點在技術(shù)上都是可以克服的，它不影響光纖通信的實用。近年來，光纖通信發(fā)展很快，它已深刻地改變了電信網(wǎng)的面貌，成為現(xiàn)代信息社會最堅實的基礎(chǔ)，并向我們展現(xiàn)了無限美好的未來。 3塑料光纖3.1塑料光纖的概念塑料光纖(polymer optical fiber, 簡寫為POF是由高折射率的聚合物材料為纖芯和低折射率的聚合物材料為包層所構(gòu)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(zhì)

29、，包層是光密介質(zhì)，這樣，只要一個光線射入的角度合適，那么這束光線就會在光纖內(nèi)部不停地進(jìn)行全反射而傳向另一端。3.2塑料光纖和石英光纖的比較石英光纖在通信行業(yè)普遍應(yīng)用，并對銅纜的替代作用越來越明顯，但是由于石英光纖在光纖耦合互接中精度要求高及光纖配套器件昂貴等原因，大大提高了石英光纖的連接成本，限制了其在接點多的短距離傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用。為降低短距離接入網(wǎng)中光纖網(wǎng)絡(luò)終端用戶的接入成本，塑料光纖逐漸進(jìn)入了人們的視線。在通信行業(yè)，塑料光纖主要用在駐地網(wǎng)和局域網(wǎng)等領(lǐng)域。      顧名思義，塑料光纖指構(gòu)成光纖的芯與包層都是塑料材料。與大芯徑50/125m和

30、62.5/125m的石英玻璃多模光纖相比，塑料光纖的芯徑高達(dá)200-1000m，其接續(xù)時可使用不帶光纖定位套筒的便宜注塑塑料連接器，即便是光纖接續(xù)中芯對準(zhǔn)產(chǎn)生&plun;30m偏差都不會影響耦合損耗。正是塑料光纖結(jié)構(gòu)賦予了其施工快捷，接續(xù)成本低等優(yōu)點。    另外，芯徑100m或更大則能夠消除在石英玻璃多模光纖中存在的模間噪音。     塑料光纖具有不用熔接與焊接、重量輕、柔性好、防腐蝕、防潮濕、防震、無輻射、抗干擾能力極強(qiáng)等特點，可全面替代銅纜，節(jié)省大量銅資源，并且故障率低，維護(hù)簡單。在安裝連接方面，塑料光纖的直徑

31、一般在0.33mm，接續(xù)時可使用簡單的塑料光纖連接器。光纖端面以一把裁紙刀切割，插入收發(fā)模塊即可實現(xiàn)耦合連接，即使是光纖接續(xù)中心對準(zhǔn)產(chǎn)生30m的偏差也不會影響耦合損耗。      在抗干擾能力上，塑料光纖對電磁干擾不敏感，也不發(fā)生輻射，不同數(shù)據(jù)速率下的衰減恒定，誤碼率可預(yù)測，也能在電噪聲環(huán)境中使用。塑料光纖能夠在任何環(huán)境下輕松地提供高可靠性、高安全性和高達(dá)10Gbit/s的帶寬。       與石英光纖相比,塑料光纖的主要問題是傳輸損耗大.采用一種新的光纖結(jié)構(gòu)蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯布拉格光纖,可以把

32、構(gòu)成光纖材料的吸收損耗壓縮至約104106分之一,因而從根本上解決了塑料光纖損耗大的問題.在此基礎(chǔ)上,充分利用塑料光纖柔軟、易彎曲的優(yōu)點,可以實現(xiàn)從可見光至太赫茲波(0.41000m所有波段信息和能量的低損耗傳輸.新一代塑料光纖將成為普遍和大量應(yīng)用的光纖.     隨著塑料光纖技術(shù)的日益成熟，價格已經(jīng)和普通以太網(wǎng)設(shè)備相差不遠(yuǎn)，同時由于塑料光纖使用壽命較長，兼容性很高，在未來網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展中，塑料光纖都是通用的。當(dāng)前，隨著全球范圍內(nèi)FTTH產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光纖接入方案面臨進(jìn)一步降低成本的壓力，這恰好給塑料光纖的普及提供了非常好的契機(jī)。此外，隨著銅資源的日益缺乏，

33、銅價也日漸上揚，“光進(jìn)銅退”為必然趨勢，塑料光纖取代銅纜也自然是水到渠成。3.3塑料光纖的傳光原理光的基礎(chǔ)知識 光是通過光源內(nèi)大量的分子或原子振動而產(chǎn)生的輻射。1894年，麥克斯韋從理論上指出，光是一種電磁波，1905年愛因斯坦提出光是一粒一粒的粒子流，每個粒子可被稱為光子。也就是說光既具有粒子性，又具有波動性，光在傳播時表現(xiàn)為波動性，而與物質(zhì)作用時又表現(xiàn)為粒子性。通常我們所說的光是電磁波的一種，它通常由紫外光、可見光和近紅外光組成，其中1-390nm 波段的光為紫外光UV，波長為280-300nm波段為UV-B，它的強(qiáng)光可以殺死或嚴(yán)重?fù)p傷地球上的生物;200-280um波段為UV-C，它的強(qiáng)

34、光可以殺死地球上一切生物，包括人類, 比紫外光頻率更高的還有X光和射線等; 390-760nm波段的光為可見光；波長在760-1500nm為近紅外光，中紅外波段波長范圍為1.5-25m，遠(yuǎn)紅外光譜波長范圍25-300m,比遠(yuǎn)紅外光頻率更小或波長更長的有毫米波、微波、短波、中波和長波等。而可見光又是由七色光組成的，即可見光含有紅色光、橙色光、黃色光、綠色光、藍(lán)色光和靛青光等色光。紫色/nm 靛青/nm 藍(lán)色/nm 綠色/nm 黃色/nm 橙色/nm 紅色/nm390-430 430-450 450-500 500-570 570-600 600-630 630-760 國際照明委員會統(tǒng)一規(guī)定的標(biāo)

35、準(zhǔn)是：選水銀光譜中波長為700nm的紅光為紅基色光， 波長為546.1nm的綠光為綠基色光, 波長為435.8nm的藍(lán)光為藍(lán)基色光。常規(guī)POF一般在紫外光波段并沒有很好的透光性，而石英光纖和特制的液芯光纖在這一區(qū)域有很好的透光率，POF在可見光區(qū)域有很好的透光率，由POF芯材選用氟化和氘化聚合物材料制備的POF在近紅外光區(qū)域才有很好的透光率。光在真空中的傳播速度C為3×108m/s，光的傳輸波長，頻率f和光速C之間關(guān)系參見如下公式:C=f其中f的單位為赫茲Hz或1秒(s，波長的單位為米 (m。只有真空的折射率n為1.0，故光在任一傳輸介質(zhì)的傳播速度V是光速除以該介質(zhì)的折射率，即： 光

36、在真空中的傳播速度是最快的，傳輸介質(zhì)不同，其折射率不同，傳光速度也不同。相對而言，折射率大的傳輸介質(zhì)是光密介質(zhì)，折射率小的傳輸介質(zhì)是光疏介質(zhì)，對于POF而言，POF芯材為光密介質(zhì)，POF皮材為光疏介質(zhì)，由于光在光密媒介芯材中的傳播速度會降低，故光在芯材中的傳輸速度慢于皮材中的傳輸速度;在空氣中，由于n1，光波的傳播速度接近于真空中的傳播速度C；純PMMA的折射率為1.49,故光在其中的傳輸速度約為2.01×108m/s。 光在均勻媒質(zhì)或不均勻媒質(zhì)中傳輸時，滿足費瑪(Fermat 原理，即光從空間一點到另一點是沿著時間為極值的路程而傳播的，即光沿著光程為最小或最大或恒量的路徑傳播。幾何

37、光學(xué)理論 要了解POF傳光原理，必須了解一些幾何光學(xué)的知識。 首先光學(xué)分為幾何光學(xué)和物理光學(xué)，幾何光學(xué)是研究光在均勻介質(zhì)中的傳播特性，通常采用直線來描述，它是研究光在介質(zhì)中傳播的基礎(chǔ)光學(xué)理論。物理光學(xué)又分為波動光學(xué)和量子光學(xué),波動光學(xué)認(rèn)為光是一種電磁波，但它不能解釋光的微觀現(xiàn)象;量子理論認(rèn)為光的能量不是連續(xù)分布的，光是一粒粒運動著的光子組成，每個光子具有確定的能量。幾何光學(xué)理論的四大基本定律為：光的直線傳播定律：在各向同性的均勻介質(zhì)中，光是沿直線傳播的。光的獨立傳播定律：不同光源發(fā)出的光線從不同方向通過某點時，彼此不影響，各光線的傳播不受其它光線影響。光的反射定律：當(dāng)一束光投射到某一介質(zhì)光滑表

38、面時，保存一部分光反射回原來的介質(zhì)，這一光線稱為反射光線，反射光線、入射光線和法線位由于同一平面內(nèi)，入射線同法線組成的角稱為入射角，反射光線同法線組成的角稱為反射角，反射角等于入射角，即1=3, 其絕對值相等，這就是反射定律。光的折射定律：當(dāng)一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時除了有一部分光發(fā)生反射外，還有一部分光通過介質(zhì)分界面入射進(jìn)第二傳輸介質(zhì)中，這一部分光線稱為折射光線，折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè)，折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)。折射光線同法線組成的角稱為折射角，入射角的正弦值同折射角正弦值的比值為一恒定值，這就是折射定律。需要指出的是采用幾何光學(xué)分析光在某一研究對象中的傳輸

39、特性時，這一研究對象的幾何尺寸必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所傳輸?shù)墓獠ㄩL，這樣才能忽略波長的長度，否則就必須采用物理光學(xué)分析光在研究對象中的傳輸特性。也即是光纖纖芯直徑是所傳播光波長的幾十倍或幾百倍時，其傳播現(xiàn)象就可用幾何光學(xué)而不用波動光學(xué)來研究。POF中的傳輸階躍型POF是一種具有芯皮結(jié)構(gòu)的光纖。 子午平面指的是包含有光纖軸的平面，所謂子午線，就是光線的傳播路徑始終在同一平面內(nèi)，子午光線總是和光纖軸相交的，光在一種均勻介質(zhì)傳播時是一種直線式傳播：當(dāng)光從一種介質(zhì)傳至另一介質(zhì)表面時，一般同時發(fā)生反射和折射；如果光從折射率小的光疏介質(zhì)射入折射率大的光密介質(zhì)時，則折射角小于入射角；而當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時折射

40、角將大于入射角，因而當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時就有可能出現(xiàn)只有反射而無折射的現(xiàn)象，這就是全反射，全反射是光折射的一種邊界效應(yīng)，即光從一種透明介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)里而發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。POF就是通過全反射原理進(jìn)行光傳輸?shù)摹?由折射定律公式可得出：n1sin1=n2sin2這里n1、n2分為芯皮折射率，1、2分為入射角和折射角，設(shè)發(fā)生全反射的臨界角為m，此時2=90°，故而當(dāng)入射角1>m時，則光在芯皮界面上發(fā)生全反射，而當(dāng)入射角1<m時，則光在芯皮表面上出現(xiàn)折射，有一部分光從芯材泄漏至皮層外。由全反射臨界角同樣可推出光纖截面臨界入射光纖角0，在空氣和光纖截面界面上，同樣有：n

41、0sin0 = n1sin 90°m= n1cosm 其中，n0為空氣折射率，設(shè)定其值同于真空折射率值1.0 即 n0=1.0，因而即外界光入射角小于0時，光線才能在光纖中以全反射的形式向前傳播，從光纖一端傳至光纖另一端，所以，光纖臨界接受角為：故光在SI POF光纖的傳輸方式為全反射式鋸齒型。 光纖數(shù)值孔徑是光纖一個重要指標(biāo)之一，NA值越大，則0越大，光纖臨界入射角越大，則光纖端面接受光或發(fā)射光角度越大，光纖的集光能力愈強(qiáng)，愈便于光纖同光纖連接或同光源耦合。 由于子午光線入射光纖中并不是同一角度，故而其在光纖中的幾何行程也不相同。無論是子午線在光線中的行程公式還是反射次數(shù)計算公式，

42、都是假定光纖是處于非常理想狀態(tài)下：光纖非常直，光纖直徑均勻，光纖內(nèi)部無缺陷和光纖入射端面平直等，倘若光纖不在這一理想條件下，則入射子午線全反射的狀況就會發(fā)生變化，如有的會從光纖中反射出，有的反射角會發(fā)生變化等，因此光纖的傳輸損耗也會增加。 所謂斜面光線，就是光在光纖中傳輸中時，并不是像子午光線一樣保證在同一平面內(nèi)，它在光纖中傳輸時，其軌道通常是一空間螺旋曲線，其最大入射角比子午線的大，但通常以子午線傳輸表征光纖的傳輸特性，這是最理想的一種狀況。光在漸變型折射率分布POF中的傳輸 對于漸變型折射率GI POF，同樣有子午線和斜光纖，這種光纖折射率并不是一恒定常數(shù)，而是隨著離軸距離的增加而折射率下

43、降，其漸變折射分布圖參見如下；拋物線型折射率分布光纖具有較小的模式色散的特點，漸變折射分布有多種形式，當(dāng)折射率分布按二次方拋物線分布時，子午線在光纖中的傳播路徑為正弦曲線型，參見下圖，斜光纖的傳播路徑為螺旋曲線，漸變型折射率POF多用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，用于光纖照明較少。 這種光纖傳輸?shù)募す饽芰糠植冀咏麲auss分布，即在光纖軸附近具有更高的光能量密度，也就是說激光能量更為集中，其傳輸?shù)募す夤β拭芏龋ɑ蚍Q激光強(qiáng)度）I可認(rèn)為與纖芯直徑的平方成正比。若保持光纖傳輸?shù)募す夤β什蛔兊脑?，減小光纖芯徑即減小傳輸激光能量的光纖纖芯的橫截面面積，則光纖傳輸?shù)募す夤β拭芏葘⒃黾?，當(dāng)光在這種GI POF傳輸時，

44、可以說是一種極低能量的傳輸，亦滿足如上所述的公式。側(cè)面發(fā)光POF的傳光原理 側(cè)面發(fā)光POF是指光在光纖傳輸過程中，不僅將傳輸光從光纖的入射端面?zhèn)鬏斨脸錾涠嗣?，而且還有一部分光從光纖包覆層透射出來，從而形成光纖側(cè)面發(fā)光的現(xiàn)象，這種光纖被稱為側(cè)面發(fā)光POF,其傳光示意圖如下，其實質(zhì)是傳輸光有一部分從光纖側(cè)面泄漏出，是一種光散射的結(jié)果，對于單芯側(cè)面發(fā)光POF多是由非固有損耗產(chǎn)生的，而對于多芯側(cè)面發(fā)光POF則是由于彎曲損耗產(chǎn)生的。 側(cè)面發(fā)光POF最顯著的特征是側(cè)面發(fā)光，據(jù)Janis Spigulis等人5.推算，側(cè)面發(fā)光POF的側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度是隨其長度的增加而呈指數(shù)性下降的，同于普通光纖光傳輸方向的發(fā)光

45、強(qiáng)度是隨其傳輸長度的增加呈指數(shù)下降，在作出如下假定后而得出的結(jié)論：側(cè)面發(fā)光的原理僅被認(rèn)為是由于光纖芯傳輸輻射引起的。所有最初的側(cè)面散射光沒有損耗穿透光纖圓形表面，其結(jié)果是均勻地傳輸至光纖外表面。側(cè)面發(fā)光POF在長度為X米處的發(fā)光強(qiáng)度Is(x可用如下公式表示：Is(x=Aexp(-kx其中 K為側(cè)面發(fā)光系數(shù)，單位m-1，常數(shù)A可用如下式表示：A=(4-1I。(expk-1其中I。是側(cè)面發(fā)光POF光輸入強(qiáng)度。因此在實際使用過程中，為保證側(cè)面發(fā)光POF側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度的均勻性，通常限制側(cè)面發(fā)光POF的使用長度，并且在側(cè)面發(fā)光POF的兩端皆設(shè)置相同功率的光源或者一端設(shè)置全反射鏡或反光膜，當(dāng)然前者在更長的使

46、用長度上保證光纖側(cè)面發(fā)光的均勻性，選用雙光源的側(cè)面發(fā)光POF在某一處的發(fā)光強(qiáng)度IS2(x可用如下公式（26）計算。IS2(x=Aexp(-kx+exp-k(L-x其中L為側(cè)面發(fā)光POF總長度。 選用全反射鏡計算的側(cè)面發(fā)光POF強(qiáng)度可用如下公式計算, 側(cè)面發(fā)光POF的發(fā)光強(qiáng)度和距離的關(guān)系ISR(x=Aexp(-kx+Rexp-k(2L-x其中R為鏡面反射率。 因存在光傳輸損耗，側(cè)面發(fā)光的亮度將隨著與光源距離的增大而減小，為使光纖單位長度內(nèi)的亮度接近一致，可對單端光源的光纖按長度進(jìn)行刻痕處理，隨光纖長度遞增，刻痕間距遞減。在實際使用過程中，當(dāng)側(cè)面發(fā)光POF的使用長度在30m以下時，多配用一臺150

47、W金鹵燈光源，另端配用反光鏡或反光膜；當(dāng)側(cè)面發(fā)光POF的使用長度在3060m之間時，多配用兩臺150W金鹵燈光源，以保證側(cè)面發(fā)光POF的側(cè)面發(fā)光的均勻性，下圖為實測三根直徑為14mm的側(cè)面發(fā)光POF側(cè)面光照度示意圖，可以看出當(dāng)選用一臺150W金鹵燈光源時，1.5m處POF側(cè)光照度為800lx左右，而60m處的照度不到20lx，照度計測試時離光纖的表面距離為2.5cmPOF的傳光原理 熒光POF就是在POF芯材中摻入一定量的熒光劑制備而成的POF，這種POF經(jīng)過特定波長的光照射后，將發(fā)出特定波長的光，其原理比較復(fù)雜，可簡單認(rèn)為基態(tài)分子中成鍵吸收光后激發(fā)，然后單線態(tài)分子返回到基態(tài)，即發(fā)出熒光。熒光

48、POF 按折射率分布結(jié)構(gòu)分類，可分為熒光SI POF 和熒光GI POF，摻雜有機(jī)染料的POFA最重要特性是在寬波長范圍內(nèi)提供高功率輸出。熒光POF的傳光原理示意圖如下，它滿足一般的SI 型光纖的傳光特性，但入射光的波長不同于出射光的波長。 熒光POF還有另一種傳光方式，這就是入射光可從側(cè)面照射熒光POF，出射光從光纖兩端面出射，當(dāng)然入射光的波長不同于出射光的傳輸波長。 熒光材料的光特性主要依賴于基質(zhì)材料，熒光POF增益放大特性同泵浦波長、熒光POF長度及所用摻雜劑和濃度有關(guān)。所謂增益G是指POF輸出信號光功率Pout與輸入光功率Pin之間的一種比值。4 塑料光纖在工程中應(yīng)用塑料光纖在設(shè)各內(nèi)部及設(shè)備之間用作短距離數(shù)據(jù)傳輸線路。在電磁和接地電流干擾大的廠區(qū)，各種數(shù)據(jù)測量及控制設(shè)備(機(jī)器人中可獲得廣泛應(yīng)用。數(shù)字化家庭音響系統(tǒng)及家庭信息網(wǎng)絡(luò)中以及汽車的燈光監(jiān)視器等塑料光纖也得到了應(yīng)用。牙科醫(yī)生可用塑料光纖傳導(dǎo)短波光束來固定補(bǔ)牙樹脂。在感光探測器和指示器中用塑料光纖可使感光頭易于達(dá)到測量點、計算機(jī)數(shù)據(jù)輸入用的光筆以及在裝飾方面如彩