The Research and Application of Polymer Optical Fiber DAI Xinhua, HAN Buxing, ZHANG Xiaoli, XU Jian (State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry, Center for Molecular Science, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100080) Abstract The development of polymer optical fiber (POF) has been reviewed in this paper. The preparation and the measurement methods of optical parameter as well as the application of POF are briefly introduced. Key words Polymer optical fiber, Preparation, Parameter measurement. 摘要 本文描述了聚合物光纤的发展、制备技术及其基本参数的测试方法，并给出了聚合物光纤的各种应用。 关键词 聚合物光纤 制备 测试方法； 聚合物光纤的研究及其应用 戴新华 张小莉 韩布兴 徐坚* * (中国科学院化学研究所分子科学中心高分子物理和化学国家重点实验室 北京 100080) 聚合物光纤(polymer optical fibers, 简写为POF)是由高折射率的聚合物材料为纤芯和低折射率的聚合物材料为包层所构成的光导纤维。纤芯用于传输光信号，包层的作用是使光信号在纤芯和界面处发生全反射，从而得以达到无泄漏传输。POF是近20多年来在聚合物科学领域中具有理论研究意义和应用前景的信息产业用材料之一，它具有以下特点： (1)直径大，一般可达0.5～1mm，大的纤芯使其连接变得简便，易对准，从而可以使用廉价的注塑连接器，安装成本很低； (2)数值孔径(NA)大，约为0.3～0.5，与光源和接收器件的耦合效率高； (3)材料便宜，制造成本低，用途广泛； (4)重量轻，韧性好，可挠性好，易于在狭窄的空间内铺设。 POF具有的上述优点，使它适合作为多接点的短距离通信网，如办公局域网、入户的有线电视网、居民用户网或接入网，并将成为实现光纤到家(FTTH)的理想的终端传输媒质之一[1]。与石英玻璃系列光纤相比，POF光损耗比玻璃光纤高数个数量级，并不宜用于长距离的光通信。 由于Internet宽带网的高速发展和POF所具有的特点，使得POF所构筑信息传输局域网的研究得到了日益重视，成为高分子材料科学领域的一个新热点。为了开发POF，世界上许多制造厂商和研究所纷纷成立了联合组织，相继投入了大量人力、物力、财力进行POF的研制及实际应用研究，并取得了一系列成果。POF材料及POF局域网的研制和开发，将可能成为当今和以后信息社会中的一个新型产业，这一点越来越得到各国的广泛共识。 1 POF的开发及研究历程 POF最初是在1964年由美国Dupont公司研究开发，1966年向市场推出的POF是以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为纤芯材料制造的，早期的POF受到制作工艺和条件的限制，光损耗相当大。 1974年日本三菱人造丝公司采用熔融法制造的POF的最小传输损耗为3500dB/km[2]。 1977年美国杜邦公司在数据通信用POF研究中，应用氘化聚甲基丙烯酸甲酯制备POF，其传输损耗小于300dB/km[3]。 1980年，阶跃型聚合物光纤(step index plastic optical fibers，简称SI-POF)的传输损耗已降低到170dB/km并实现了商业化。此后，POF开始应用于数据的传播[4]。 1982年，日本电讯电报公司(NTT)研制的PMMA芯阶跃折射率分布POF，损耗为55dB/km(567nm)[5]。随着聚合物材料研究的发展，使得POF在纤芯和包层材料的选择、制造工艺方法、性能的改善等方面得到快速的发展。 1983年，三菱人造丝公司研制的PMMA POF在570nm波长的损耗降低到110dB/km。NTT公司研制的全氘化PMMA POF在650nm波长的损耗降低到20dB/km[6]。 1987年，法国POF联合集团研制出的SI-POF，其带宽为5MHz km。同年，日本三菱人造丝株式会社开始POF产品的推广应用工作[7]。 1990年，美国POF供应商制造出的POF，能用于信号显示和照明装饰[8]。日本庆应大学小池康博教授研制出带宽为3GHz km的渐变型聚合物光纤(graded index plastic optical fiber 简称GI-POF)，突破了SI-POF的带宽限制[9]。 1992年，小池康博教授宣布研制出单模POF，并报道了用红外激光器在100m长的POF上进行2.5Gb/s的传输试验[10]。 1994年，日本庆应大学和NEC公司共同研制一种GI-POF，其数据传输速度2.5Gb/s，为普通SI-POF的30倍，在647nm处的光损耗为200dB/km[11]。 1995年，日本成立POF协会。三菱人造丝公司的EsKaMEGA小数值孔径SI-POF将使用带宽扩展到210MHz 100m[12]，符合ATM论坛当年5月份通过的155MHz 50m的POF通信标准[13]。1997年，日本NEC公司的山崎进行了155Mb/s的ATM以太网的试验[13]。 1998年，日本NEC公司等用GI-POF在70m长的POF上进行了400Mb/s的传输试验[12]。 2000年日本旭硝子公司在其公司的网页上宣布，与庆应大学共同开发的10Gb/s的POF商品正式上市。 值得指出的是，因为SI-POF存在较大的模式色散，其传输带宽受到限制。210MHz 100m的带宽已接近SI-POF的带宽极限[12]。因此，SI-POF即便在很短的通信距离内，也不能满足诸如FDDI(分布式数据接口)， SDH(同步数字体系)， B-ISDN(宽带综合业务数字网)的通信标准。而大纤芯，宽带宽的GI-POF，其带宽可达2GHz km，是SI-POF的400倍。所以近年来GI-POF的研究和应用方兴未艾，成为POF研究领域的重要的方向。 我国自70年代初就已开始了光纤通信技术的研究，1977年武汉邮电科学研究院研制出中国第一根阶跃折射率分布多模玻璃光纤，但在POF的研究方面远远落后于世界发达国家的水平。 1997年，上海交通大学范明海等人提出以含氟自由基引发聚合甲基丙烯酸甲酯(MMA)制作低损耗POF的方法[14]。 1998年，西安公路交通大学研制出以PMMA为芯，以含氟高分子材料为包层的POF，传光损耗小于200dB/km[15]。 1999年，中科院感光化学研究所运用紫外/可见光谱测试POF折射率分布[16]。目前，中科院化学所与中科大、上海有机所及浙江大学等合作，正在开展用于局域网高速通信用POF的研究。 2 POF的制备 2.1 材料选择 用作POF的材料应满足以下条件：材料自身的光学性能好；物理、化学性能稳定；折射率剖面易准确控制；制造工艺简单，易加工成型；价格低廉。目前选作POF的材料主要有：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)等。这些聚合物材料均具有优良的光学性质和机械性能；其单体易于提纯；聚合物成纤性能好，价格便宜。 2.2 制备方法 POF根据折射率剖面结构特点的不同，可以分为SI－POF和GI－POF两大类(见图1)。第一类SI－POF，它的特点是沿纤径方向折射率是均一的，其包层的折射率小于纤芯折射率，以保证光信号在传输中产生全反射而不损失。SI－POF的带宽通常为40～100MHz km。第二类GI－POF，其特点是沿纤径方向折射率是渐变性的且呈抛物线型分布，折射率由轴心沿径向逐渐变小，在芯与包层的界面上纤芯折射率与包层折射率相等，光线在这种光纤的传播路径近似于正弦波。由于光速反比于折射率，因此当光沿正弦途径传输时，其速度大于光沿中心轴传输的速度。较长的光路将被较大的光速所补偿，从而解决了脉冲加宽的问题，使GI-POF的带宽可达到1～3GHz km。根据两种POF结构特点的不同，分别有不同的制造方法。 图 1 SI-POF和GI-POF折射率剖面结构 2.2.1 SI-POF的制备方法 SI-POF制造采用挤压法和沉积法[17]。以制备PMMA光纤为例：典型方法是将经减压蒸馏提纯的单体，引发剂和链转移剂置入一容器混合后，用液氮冷却该容器，将该容器置于真空中以除去溶解在单体溶液中的空气，将该容器放入电烘箱中加热至135°C，持续放置12h，使单体聚合，随后再逐渐地将烘箱温度升至180°C，并在180°C温度下保持12h，以使单体充分聚合完全。挤压法在拉纤时，将PMMA的温度升高至拉纤温度，从容器的上端对已熔融的PMMA加压后，光纤将会从容器底部的喷嘴中挤出，在挤出纤芯的同时，低折射率包层聚合物材料将纤芯包覆，形成了具有芯/包层结构的SI-POF。沉积法是将包层材料溶解或熔化为液态，然后使纤芯从中拉过，使其在芯材上形成包层。这种方法的优点是包层材料的选择范围大，尤其选择高聚合度的材料，从而提高光纤的韧性，但易沾染尘埃，使光纤损耗增大。 2.2.2 GI-POF的制备方法 制备GI-POF通常主要有两种方法。其一为直接挤出成型法，即将高折射率的芯材聚合物和低折射率的包层聚合物通过双层喷嘴挤出，用聚烯烃材料包覆后，降温，热处理，使纤芯-包层界面融合同时拉伸至一定的直径，冷却即得GI-POF。其二为预制棒拉纤法，即先制得渐变型折射率预制棒，然后在适当的温度和拉力下，以一定拉伸速率将预制棒拉伸，便可得到渐变型折射率分布的POF[18]。其中以预制棒拉纤法更为广泛。 制备预制棒常有光共聚合法[19]、两步共聚合法[20]、界面凝胶聚合法[21]和引发剂扩散控制法[22]等。这些方法大多数基于聚合体系中不同的单体(如MMA和丙烯酸MA；MMA与丙烯酸三氟乙酯等)具有不同的竞聚率，通过共聚反应从而造成共聚物组成梯度，又因各单体形成的均聚物折射率不同，从而形成折射率梯度。在预制棒拉纤的方法中，又以界面凝胶聚合法制造预制棒的技术较为成熟。最初是利用单体的竞聚率不同[21]，在界面凝胶聚合原理上进行共聚合来研制GI－POF。此法是利用凝胶效应使得不同竞聚率的两种单体沿径向(即从包层向轴心)共聚合体的组成由以一种聚合单体为主向另一种聚合单体为主而发生渐变，但共聚物易产生相分离而导致较大的散射损耗。随着界面凝胶聚合法的发展，小池等人采用MMA作为低折射率的M1聚合单体，用溴苯作为高折射率的M2单体进行聚合，如图2所示，M2分子并不参与聚合反应，只起调节折射率的作用，聚合过程中，PMMA首先从管内壁上溶解到单体液相中，单体MMA分子和M2分子逐渐向凝胶相扩散，渐渐形成沿径向从管的内壁到中心的M2分子含量的浓度梯度分布。随着聚合物从管的内壁向中心逐步形成惰性的M2分子被逐渐地浓缩在中心区域，这样就得到了折射率呈渐变型的预制棒。界面凝胶聚合(IGP)是较为实用的GI－POF制作方法，但折射率在纤芯和包层边界易偏离抛物型折射率剖面，使纤芯和包层边界高阶模的群速度高于光纤轴线附近低阶模的群速度，可能会显著地影响其带宽性能。此外，有人利用界面凝胶聚合技术制备渐变型预制棒时，发现此技术很容易产生气泡及局部不透明，因此提出溶胀－凝胶聚合法[23]和引发剂扩散技术[22]来改善这种缺陷的产生。 图2 制备GI－POF的界面凝胶聚合原理示意图 3 POF的基本参数及其测量 3.1 POF结构参数 聚合物光纤结构参数是指那些仅与光纤横截面相关的物理参数，它们与长度及传输状态无关，这些参数一般包括：纤芯直径、包层直径、数值孔径、折射率分布n(r)。光纤传输线路的重要特性随光纤应用范围的不同而改变，并且其结构参数的数值及其容差也随光纤应用领域的不同而改变。 3.1.1 纤芯直径 根据测试出的折射率分布n(r)可得到由(4.1)给出的纤芯区折射率分布n3的轨迹。此轨迹包围的横截面称为纤芯区。
| n3＝n2＋k(n1-n2) | (3.1)
n1-纤芯的最大折射率，n2-均匀包层区的折射率，k-常数 由最小二乘法得出的与n3轨迹最佳拟合的圆的直径定义为纤芯直径。 3.1.2 包层直径 环绕纤芯的区域称为包层。连接光纤时，包层的外圆柱面可用作光纤轴向定位的参照面。在光纤的横截面中，与这一参照面的封闭曲线重合得最好的圆的直径称为包层直径。一般可以用显微镜来测量光纤尺寸。 3.1.3 数值孔径(NA) 数值孔径是多模光纤的一个重要光学参数，它表征多模光纤集光能力的大小以及与光源耦合难易的程度。它的定义为：
| NA=(n12-n22)1/2 | (3.2)
式中：n1-纤芯的最大折射率 n2－均匀折射率包层区中的折射率 一般用远场图法测量数值孔径，远场图法是测量离光纤输出端面稍远的辐射光能分布[24]。 3.1.4 折射率分布 光纤的折射率分布与光纤的特性有密切关系。多模光纤中，这一分布对于POF的模畸变、带宽具有决定性的影响，聚合物光纤分布佳，带宽最高。折射率分布有很多测试方法，如近场图形法，折射近场法，紫外/可见光谱法等。(1) 近场图形法(Near Field Pattern，简称NFP)[25]近场图形法是光纤输出端面上的光强度分布，NFP法是测量折射率分布并用以确定几何参数的典型方法，其原理是：光纤输出端面的光强度分布NFP近似于折射率分布。(2)折射近场法(Refracted Near Field,简称RNF)[25]折射近场法是通过检测未被纤芯俘获的光来测量折射率分布的方法。不需校正泄漏模，而且除纤芯折射外，还可以测量包层折射率，此法为测量折射率分布的标准测试法。(3)紫外/可见光谱法 紫外/可见吸收光谱应用于预制棒折射率分布的测试，可得到从包层到轴心沿径向的吸收值呈抛物线型的分布[16]。 3.2 光纤传输特性及其测量 传输特性，是指与光在光纤中的传输状态如信号速率、光波长及偏振状态、光纤长度等密切相关的光纤特性，主要参数有衰减、色散和带宽。 3.2.1 光纤的衰减及测试法 光纤衰减与波长密切相关。衰减系数随波长变化的函数a(x)称为损耗谱。衰减系数是光纤传输系统设计中的一项重要参数，它是决定光纤性能的重要参数之一，可用以下三种方法来测量：(1)截断法 此法是光纤损耗测量中通常使用的方法，并且是基准测试法。它是直接利用衰减系数定义的测试方法。在不改变注入条件下，分别测出长光纤的输出功率P2和剪断后2米长度短光纤的输出功率P1，按定义计算出a(l)，该方法测试精度最高。(2)插入法 其原理上类似于截断法，用带活接头的连接软线代替短光纤进行参考测量，计算在预先相互连接的注入系统和接收系统之间由于插入被测光纤引起的功率损耗，但此法的测量精度较截断法差。(3)后向散射法[26]入射到光纤的光脉冲随着在光纤中传播时被吸收和散射而被衰减，一部分散射光返回入射端。通过分析后向散射光的强度及其返回入射端的时间，可算出光纤损耗。 3.2.2 光纤的色散及测试法 在光纤数字通信系统中，光纤中的信号是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和不同的传输速度不同，从而引起色散。光纤色散主要有：模间色散、材料色散、波导色散等。 其测量的方法是相移法和时延法[27]。(1)相移法 相移法是正弦信号调制，又叫频域法。不同波长的光通过一根已知长度的光纤时，所经历时间略有差别。用正弦信号调制几个波长相近的LD光源或 LED加滤色片光源，不同波长的光信号经过被测光纤传输后，由于时延不同而呈现不同的相位移动。相移法就是通过测量不同波长的光信号通过光纤后产生相移的差别来计算时延差的一种办法。测试时将被测光纤耦合到测试系统中，测量参考信号和工作波长处通道信号间的相移，通过数据处理，得到波长色散系数。(2)脉冲时延法 脉冲时延法是脉冲调制，又叫时域法。脉冲时延法是让波长不同的很窄的光脉冲，分别通过被测光纤，测量由于波长不同而产生的时延差，从而计算出光纤的色散系数。此法适宜于长距离总色散的测量。 3.2.3 光纤的带宽及测试法 带宽是一个重要的传输特性参数，是指光纤通信系统的传输码速和最大的通信容量。其测量方法有频域法和时域法[27]。(1) 频域法：利用频率连续可变的正弦波调制光源作为注入信号，通过注入系统耦合到被测光纤中，测量并记录幅频函数P2(fm)；然后在距注入端2m处剪断光纤，保持注入条件不变的情况下，测量并记录短光纤的输出P1(fm)；利用下式得到基带频响特性曲线，曲线上－6dB电功率处对应的频率即为光纤的带宽。 H(fm)=H(fm)/H(0)=P2(fm)/P1(0) 式中：H(0)是fm=0时传递函数的值；P1(0)是零频时的功率幅度。 (2) 时域法 利用脉冲调制。如其中的脉冲展宽法就是分别测出长短光纤的输出脉冲P2(t)和P1(t)，当形状近似高斯分布时，分别测出它们的半幅度全宽 t 2和 t 1，然后按下式算出带宽： B＝0.441/( t 22－t 12)1\2 (G Hz) 式中的 t 2和 t 1的单位是ns。 4 POF的应用和未来 POF的性能取决于基材，目前主要是PMMA、PS、PC等。POF能在-40～85 °C的环境中工作，抗电磁干扰好，可代替铜缆和玻璃光纤用于小型办公室、家庭办公室、公司、工业控制系统和军事方面、内外局域网(宽带)中点与点的高速连接[28]。 POF以其重量轻、可靠性好等特点被用来连接汽车内的先进操作系统和传感器。其构成的小型计算机化网络大大提高了轿车的性能。POF被用于小轿车内的接口有：电视、微机、导航装置、传真机等。 此外，还可用于航空，为乘客提供来自于电影、电视、因特网等上的娱乐节目。 由于GI-POF的带宽是SI-POF的400倍，因此GI-POF是POF研究的主要方向，各国科学界和工业界竞相对GI－POF的制备技术进行研究和开发。 近年来在功能POF的研究中，用发光材料进行掺杂制备GI－POF放大器引起了人们的广泛兴趣。早期功能POF掺杂的主要为有机染料，如若丹明B(RB)[29]。目前研制的稀土掺杂POF，不仅可制备这种光纤的光通信放大器，而且将稀土离子的荧光性质与聚合物纤维波导的耐曲挠和易加工、成本低等特点相结合，可望制备含稀土的POF器件，如光纤放大器、光纤光源等。新型纤维波导功能材料的研究可望成为一个具有广阔应用前景的领域。此外，非线性POF还可制作电光及非线性光学器件。通体发光POF是一种特殊的POF，它一方面具有光纤的传输特性，另一方面又可在侧面均匀的发出光来，可取代霓虹灯作户外广告或水下照明等。 尽管POF具有许多优点，但所存在三大缺点：损耗大，耐温低，带宽比玻璃光纤窄。在用于光通讯的POF研究中，还需解决以下聚合物材料的关键科学问题： 降低光传输损耗，制得10～100dB/km的 POF，需要开发新的高性能、低成本的光学透明聚合物材料，进一步改进纤维制造技术和降低外因引起的损耗； 提高聚合物材料的玻璃化转变温度，以改善聚合物光纤耐热性； 提高信息传输容量，需要研究GI－POF的渐变折射率分布制备和测试方法及相关的仪器设备。 致谢：本课题得到中国科学院方向性创新项目KGCX2-202的支持，谨致谢意。 5 参考文献 [1] Koeppen C, Shi R F, Chen W D et al. Optical Society of America B, 1998, 15(2):727. [2] 胡先志. 光通信研究,1999, 5: 32. [3] Schleinitz H M, In Proceedings of International Wire and Cable Symposium, 1997, 25:352. [4] Koike.Y, Polymer, 1991, 32:1737. [5] Kaino T, Fujiki M, Jinguji K, Rev. Elect. Comm. Lab., 1984, 32:478. [6] Yamashita T, SPIE, 1997, 135:126. [7] Kaino T. Frontiers of Macromolecular Science, London: Black2 Well, 1989, 8:475. [8] Cirillo J R. SPIE, 1992, 18:1799. [9] Koike Y, Ishigure T et al. Proc, 2nd Int. Conf. POF and Applications, The Hague, 1993, 6: 54. [10] Ishigure T, Nihei E, Koike Y et al. Appl. Opt., 1996, 35(12):2048. [11] Li W, Khoe G, Boom Hvd et al. Proceeding of the 11th IEEE/LEOS, 1998, 3:297. [12] Cirillo J. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 1996, 11(10):10. [13] ATM Forum. AF-PHY-POF 155-0079, 1997, May. [14] 范明海 等. 光纤与电缆及其应用技术, 1997, 11(2):27. [15] 皇甫浩, 罗德春. 西安公路交通大学学报, 1999, 7(19):100. [16] 甄珍, 唐俊辉, 王东军 等. 感光科学与光化学, 1999, 11:360. [17] 储九荣. 化工新型材料, 1998, 8:20. [18] Koike Y, Ishigure T,Nihei E. J. Lightwave Tech., 1995, 13(7):1475. [19] Koike Y, Hatanaka H, Ohtsuka Y. Appl. Opt., 1984, 23:1779. [20] Ohtsuka Y, Sugano T, Terao Y. Appl. Opt,, 1981, 20:2319. [21] Koike Y, Takezawa Y, Ohtsuka Y. Appl. Opt,, 1998, 27:486. [22] Yang S Y, Chang Y H et al. Polymer Bulletin, 1995, 34:87. [23] Liu J H, Liu H T. J. Appl. Polym. Sci.,1997, 64:849. [24] 赵梓森 等. 光纤通讯工程. 北京：人民邮电出版社，1987:114. [25] White K I. Opt.Quantum Electron, 1979, 11(2):185. [26] Huiiett J L, Jeffery R D. Opt. & Quant. Electron. 1982, 14:41. [27] Cohen.G L, and Lin C. Appl. Opt, 1977, 12:3136. [28] Koike Y, Ishigure T, Nihei E. J. of Lightwave Tech., 1995, 13(7):475. [29] Ishigure T, Horibe A et al. Appl. Opt., 1988, 27:486. 戴新华 女，28岁，硕士生。2000-11-15收稿，2001-01-12修回。