基本介紹
- 中文名：塑膠光纖
- 外文名：Plastic Optical Fiber
- 縮寫：POF
- 類型：塑膠光導纖維
- 特點：成本比較低，且比較柔軟，堅固
- 學科：通信、材料
簡介,性能指標,優勢,國內情況,套用,發展前景,來源,市場前景,
簡介
塑膠光纖，Plastic Optical Fiber。截止2014年，通信光纜所用的光纖，基本上都是採用石英光纖，由高純度二氧化矽SiO2加入適量摻雜劑組成的。近年來，還逐步開發出塑膠光纖（POF），它是用一種透光聚合物製成的光纖。因為可以利用聚合物成熟的簡單拉制工藝，故成本比較低，且比較柔軟，堅固，直徑較大（約達1mm），接續損耗較低。
製作POF主要的材料有兩類：一類是聚甲基丙烯酸甲酯聚合物PMMA（Polymer Polymethylmethacrylate）；另一類是含氟聚合物（Perfluorinated polymers ）。
性能指標
1、衰減
2、頻寬
梯度型塑膠光纖是折射率呈梯度分布的光纖，其折射率由芯至包層逐漸降低。只要所形成的梯度折射率分布適宜，便可獲得抑制模色散，保持大的數值孔徑，控制出射光波相對於人射光波展寬的效果。如折射率分布妥當，那么材料色散就成為決定傳輸頻寬的主要因素。只要在選擇時充分注意材料色散，欲製得頻寬為數Ghz·km是完全可行的。
3、耐熱性
4、連線性
通信塑膠光纖多採用直徑1mm的光纖，是石英光纖的8～20倍。粗的塑膠光纖的連線比石英光纖要容易得很多。
優勢
塑膠光纖質輕、柔軟，更耐破壞（振動和彎曲）。塑膠光纖有著優異的拉伸強度、耐用性和占用空間小的特點。這些優點使得塑膠光纖在汽車中成功套用尤為重要。一個典型的豪華車內部至少由幾公里的銅線和銅纜，重量和成本大為增加。飛機、火車和其他所有交通工具莫不如此。
塑膠光纖的切割、布線、粘結、拋光和其他加工容易。由於有較大直徑， 塑膠光纖安裝和與器件、光源、探測器等的連線變得容易和低成本，非專業人士也能勝任這些操作。準備塑膠光纖的連線最多不超過1分鐘，也不需要特別的工具。即使是最簡單的剪刀也可以用來切割塑膠光纖。塑膠光纖收發模組使用650nm波長的紅光，非常安全，使用者可見也容易判斷光纖的連線是否成功。另外，塑膠光纖的連線對端面藏留的灰塵和碎屑不敏感。
塑膠光纖不產生輻射，完全不受電磁干擾和無線電頻率干擾以及噪音的影響。 這一點對視頻和音頻的分流尤為重要，很顯然這些干擾和噪音影響圖像和服務的品質。塑膠光纖可以和銅纜在同一管道里或同一線束並排鋪放。塑膠光纖不產生噪音，不會對目前的管網產生負面影響。
POF系統的成本低。據說用於家庭消費電子、家庭聯網和汽車包括音響、DVD、VCR等的每個連線的成本低於20美金。所以這些器件都可以在一般商店裡買到。
通過塑膠光纖進行數據傳輸沒有可能被竊聽，這樣塑膠光纖在一些安全程度要求高的場合，就非常適用。
雖然石英光纖廣泛用於遠距離幹線通信和光纖到戶，但塑膠光纖被稱之為“平民化”光纖，理由是塑膠光纖、相關的連線器件和安裝的總成本比較低。在光纖到戶、光纖到桌面整體方案中，塑膠光纖是石英光纖的補充，可共同構築一個全光網路。
POF與石英光纖相比，具有以下優點：模量低，芯徑大(0.3-1.0mm)，接續時可使用簡單的POF連線器，即使是光纖接續中心對準產生30μm的偏差也不會影響耦合損耗；數值孔徑大(NA0.5左右)，受光角可達60°，而石英光纖只有16°，可用便宜的LED，並且耦合效率高；撓曲性好，易於加工和使用；在可見光區有低損耗視窗；重量輕；成本及加工費用低。
POF網路在區域網路系統中與其他傳輸介質相比，也具有明顯的優點：POF對電磁干擾不敏感，也不發生輻射，不同數據速率下的衰減恆定，誤碼率可預測，能在電噪聲環境中使用；其尺寸較長，可降低接頭設計中公差控制的要求，故成網成本較低等。
國內情況
套用
家庭和辦公室智慧型網路（三網合一）
90年代開始，通信技術高速發展，移動通信，衛星傳輸和光纖通信，將通信演變為高速、大容量、數位化和綜合的多媒體業務。在ITU-T的推動下，光纖通信的各種標準紛紛制定，如PDH、SDH、DWDM、AN和B-ISDN等。因此，美國首先提出建立國家信息高速公路的構想：國家信息基礎建設（NII），之後各國紛紛制定計畫，並推出全球的信息技術建設計畫（GII）。70年代，光纖網路主要用於市內等大容量業務區，80年代向市外長途幹線發展，到90年代逐步向用戶方向延伸，即所謂FTTx套用，也就是光纖到路邊（FTTC）、至大樓（FTTB）、光纖到公寓（FTTA），和光纖到戶（FTTH）。目前也有採用電纜到家庭（如：CABLE MODEM和ADSL技術）的經濟方式，光纖到戶是指從乾網到小區、用戶間的最後接入網階段全部使用光纖，實現語音、數據、廣播電視及各類智慧型化系統功能的一種接入方式，有利於整合網路功能和各種資源。光纖到戶正在世界各地得到推廣，日本的光纖到戶普及率最高，用戶去年底已達到250萬戶，預計今年底將達到400萬。美國從2004年底開始發力，截至今年3月線路建設履蓋用戶160萬，實際開通業務接近20萬戶。以網路遊戲領先全球的韓國，同樣對光纖到戶給予了很高的期望，從2003年起韓國的電信運營商陸續在光纖到戶上加大投資，從2005年開始，寬頻投資中光纖到戶成為主流。韓國政府預測，到2010年，光纖到戶家庭普及率將達到70%。歐洲的英國、德國、瑞典等都在加快發展光纖到戶。
光纖到戶代表著一個國家寬頻的未來，對光器件、光纖光纜等行業有很大的促進作用，我國信息產業部已開始制定FTTH的有關標準，專家預測國內FTTH市場將在2006年全面啟動並進入大規模建設期，北京、長沙、武漢已開始了FTTH試點，如武漢市已搭建國內首個光纖到戶試點平台，已建成和在建的光纖到戶項目近10個，用戶規模約為5000戶，預計2006年至2007年用戶將達到5萬戶。目前國內已有2500萬寬頻用戶，到2007年每年還將新增1200萬用戶，如果有20%左右的用戶採用FTTH將形成800億元左右的FTTH設備市場規模，年運營業務收入將達180億元以上。據國家信息產業部電信研究院信息所的統計和預測，未來5-10年內，全球的光纖接入市場將迅速增長，用於光纖到戶的資本將從今年的50億美元增長到228億美元，其中亞太地區的資本支出為120億美元。中國和印度將成為發展最快的國家，估計中國的光纖到戶投資將占亞太地區的1/3。
另外，我國一些城市相繼提出了升級電信網路、加快光纖到戶步伐的目標。北京奧運會組委會宣布，2008年前將投資66億美元擴展和升級電信網路，上海也提出2010年前電信營業收入由現在的100多億元增至435億元，再加上我國設施落後的西部在大開發過程中也將加快信息化步伐，這些都為光纖到戶的市場空間提供了現實依據。
汽車套用
現代轎車的各種新功能要求快速可靠地傳輸更大數據量。多媒體汽車意味著常常要在較差的環境中不受干擾地傳輸視頻和音頻等信號，國際MOST標準與IDB標準規定使用塑膠光纖。塑膠光纖汽車網路已經用在級別較高的轎車上，並經受住了長時間的考驗。如：戴姆勒－克萊斯勒（賓士）“S級”系列以及寶馬的“BMW7”系列等。目前，在歐洲大概有16個車型採用了塑膠光纖通信系統。
我國部分車型也開始考慮使用塑膠光纖通信系統。根據測試專業之Faztec Optronics宜捷威科技的行銷企劃報告指出，光通訊之Polymer Optical Fiber塑膠光纖於車用電子中已成為汽車零組件發展的新主流，目前使用於車內通訊與車內娛樂視聽系統，例如車內電視，車內音響，車內燈具，車內開關之聯接線路均陸續改用塑膠光纖。隨著全球汽車工業配合時代趨勢調整內裝更改為塑膠光纖，預估到2010年時，全球車用電子產品市場規模將達1500億美元，主要市場仍集中於歐洲、北美、日本等地區，所占比重超過80%，而中國大陸是最具發展潛力的新興市場，近5年來的年複合成長率約維持2成。
消費電子和感測器
塑膠光纖在感測器、消費電子領域具有明顯的優勢，如電腦、視頻攝像機、CD-ROM、DVD、VCD、TV、印表機、掃瞄器、磁碟和立體聲系統等。例如我國DVD行業DVD年產量約為3000萬台，用於DVD音頻光纖跳線的塑膠光纖需求量為30000km，價值1200萬元；如加工成光纜，價值3000萬元，如加工成音頻光纖跳線，價值1.5億元。考慮到國內主要是把塑膠光纖加工成光纜或音頻光纖跳線出口到日本、韓國、台灣、歐美等國家與地區，塑膠光纖在國內這方面的市場需求至少有1億元。
工業控制匯流排系統
隨著計算機和自動控制技術的高速發展，工業自動化水平提高到一個嶄新的高度。工業自動化根據其特點和使用方向可分為過程控制自動化、面向生產和製造業的自動化以及自動化測量系統（工業測量儀表）。這些工業自動化系統的建立和發展都有一個共同特點，即由直接控制系統向集散型控制系統發展，而這種集散型控制系統的發展都是以各種工業網路為基礎。通過這些形形色色的工業匯流排系統，各種工業設備構成一個既分散又統一的整體。對POF來說，工業控制匯流排系統是其最穩定和最大的市場之一。通過轉換器，POF可以與RS232、RS422、100Mbps乙太網、令牌網等標準協定接口相連，從而在惡劣的工業製造環境中提供穩定、可靠的通信線路，高速傳輸工業控制信號和指令，避免了因使用全屬電纜線路受電磁干擾而導致通信中斷的危險。
照明及太陽能利用
由於塑膠光纖照明和其它方式相比具有獨特優點，所以它已廣泛地套用於各種場合，並在不斷地推廣中。現將目前國內套用情況和場合簡述如下：
（1）室內裝飾
在室內裝飾中，用側發光光纖來構成輪廊線條，光照均勻、顏色柔和，給人一種和諧幸福的感覺；細端光的合理利用，在家裡營造出浪漫溫馨的氣息，在自己的家裡也如同沐浴酒吧的感覺。在酒店大廳中，安裝流星光纖製作的水晶吊燈，通過各種色彩和亮點的變化，更顯得華麗別致，給人耳目一新的感覺；在KTV包房和演藝大廳裡面，利用端光光纖，拼組成具有藝術效果的圖案，同時還可以利用端光光纖吊頂，可模擬星空效果，忽明忽暗，使人有無限的太空遐想。
（2）水景照明
水景離開了照明就失去了迷人的景色。而普通照明又給遊人帶來危險的隱患，我們遊覽水景時，通常都可以看見“請勿戲水，小心有電”等字樣，無疑給我們的遊覽帶來點點遺憾。由於光纖照明實現了光電分離，用光纖照明作為水景的點綴，不但顏色鮮艷新穎，而且絕對安全可靠，實屬最佳搭配。 光纖照明除了針對水體照明時，使水色更為艷麗動人外，也可用側光光纖來構成水池的輪廊線。使垂直的彩色水姿與橫向的水池輪廓，形成協調的線條美。
（3）城市建築
在燈光工程中，用側發光光纖來構成建築輪廓線是最常見套用實例。特別是對一個城市的形象建築，以多彩的線條把建築輪廓在夜色中顯得更蔚蔚壯觀。同時光纖使用壽命很長，屬於免維護產品，大大減低了運營費用。另外，可以改變光纖裝飾照明的光色，使建築物輪廓的色彩隨季節或氣候而變化，給人們一種人性化的感覺。
（4）園林綠化
在園林綠化中，用端發光光纖來作亭院燈、地埋燈，使綠地、道路在照明的同時也有色彩變化。
（5）道路照明
在景觀道路上，裝上星星點點的端發光光纖，成為光纖甬道，更增加了景觀的趣味性，同時可以將流星光纜平鋪於地面，人們走在上面如同在光色中浮游，給遊玩的人們無窮的遐想。
（6）溶洞照明
溶洞是一種自然景觀，由於它沒有陽光照射，全靠燈光來展現它的風采。多變的光色和柔性的光纖，對無規則溶石和湖岸更顯出它的有用武之地，使溶洞的景色更迷人。而最重要的是清除了對遊客的不安全隱患。
（7）古建築物及文物照明
在一般的燈光照射下，因紫外光的作用，使圖書文物、木結構等建築物加速老化。同時有電會造成大火的危險。而用光纖照明，既安全又能達到理想的藝術效果。
（8）易燃易爆場合
在油庫、礦區等嚴禁火種入內的危險場合中。套用其他各種照明都有明火的隱患。如不小心就會釀成大禍。從安全形度看，因光與電分開，所以光纖照明應是一種最理想的照明。
（9）太陽光的利用
在我們常見的太陽能利用中，都是把太陽光轉換為熱能或電能，而光纖可將太陽光直接加以利用，用來改善居室照明，對於陰暗的地下室、隧道，採用光纖照明，可讓永遠見不到陽光的地方能重見光明。
在軍事通信上，POF正在被開發用於高速傳輸大量的第三、保密信息，如利用POF重量輕、可撓性好、連線快捷，適用於隨身配戴的特點，用於士兵穿戴式的輕型計算機系統，並能夠插入通信網路下載、存儲、傳送、接收關鍵任務信息，且在頭盔顯示器中顯示。
發展前景
中國科學家經過多年努力，終於攻克了從本體聚合法直接生產聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）突變型塑膠光纖的技術難關，掌握了批量連續化生產塑膠光纖技術。中科院理化技術研究所現已累計生產出數百萬米低損耗突變型塑膠光纖，破除了日本公司在國際上的壟斷地位。
近幾年全球塑膠光纖的需求量迅速增加，2005年國際上PMMA塑膠光纖銷售額已經達到數十億美元。而適用於數據傳輸的低損耗PMMA塑膠光纖，目前只有日本三菱公司能夠生產，每年我國均從日本進口大量的PMMA塑膠光纖。
該項目負責人甄珍和劉新厚研究員介紹，中科院理化所掌握了從原材料提純、經本體聚合直接拉制光纖整套技術。其核心技術是高純度光纖級PMMA光學模塑膠（芯層材料）以及皮層材料的製備技術。在研製過程中，中國科學院理化技術所先後開發了具有自主智慧財產權的單分子擴散轉移原料提純新技術，平推式薄層管式與雙螺桿複合系統的本體聚合製備高純度光纖級PMMA原料以及與之相配套的包層材料技術，並成功地解決了產業化的相關問題。
目前該所已研製成功日產10萬米PMMA塑膠光纖的全自動流水線，連續數月穩定生產出光衰減在170-200dB/km的PMMA光纖，累計生產出數百萬米低損耗塑膠光纖，表明這一產業化技術已經成熟。同時，該所還具備批量生產光衰減為150dB/km的階躍型PMMA光纖潛能，產品技術指標達到國際同類產品的最好水平。低衰減PMMA光纖連續化批量生產技術的問世，標誌我國在該領域躋身世界先進行列。
當今信息技術的發展迫切需要信息容量大的光纖材料，對通訊網路頻寬的要求越來越高。塑膠光纖具有芯徑大、質地柔軟、聯結容易、質量輕、價格便宜、傳輸頻寬大等優點，在寬頻接人網系統、家庭智慧型網路系統、數據傳輸系統、汽車智慧型系統、工業控制系統以及紡織、照明、太陽能利用系統等方面的套用市場潛力巨大。
來源
塑膠光纖的研究始於二十世紀60年代。1968年美國杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯為芯材製備出塑膠光纖，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、以低折射率的氟塑膠為包層開發出塑膠光纖，其光損耗為3500dB/km，難以用於通信。
80年代日本的一些大企業和大學對低損耗塑膠光纖的製備進行了大量的研究。1980年三菱公司以高純MMA單體聚合PMMA，使塑膠光纖損耗下降到100-200dB/km。1983年NTT公司開始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光損耗可達到20dB/km，並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膠光纖的研製取得了重要的進展。它們研製成的塑膠光纖，光損耗率已降到25～9分貝/公里。其工作波長已擴展到870微米(近紅外光)，接近石英玻璃光纖的實用水平。美國研製的一種PFX塑膠系列光纖，有著優異的抗輻照性能。此外，美國麻省波士頓光纖公司研製的Opti-Giga塑膠光纖更是引人注目，它不僅比玻璃輕、柔性更好、成本更低，而且可在100米內以每秒3兆比特的速度傳輸數據。這種光纖還可以利用光的折射或光在纖維內的跳躍方式來達到較高的傳輸速度。現在美歐日已把塑膠光纖用於短途傳輸，如汽車、醫療器械、複印機等。
就目前塑膠光纖生產量而言，日本是世界上最大的塑膠光纖生產者，然而卻是歐洲推動了塑膠光纖新套用領域的開發並建立了光纖檢驗標準。2001年下半年是歐洲塑膠光纖工業發展的重要階段，在這段時間內建立了歐洲塑膠光纖檢驗和測量的新發展方針。世界上第一個專用塑膠光纖套用中心(POFAC)在德國Nuremberg落成。德國採用塑膠光纖已經研製成功了多媒體匯流排系統MOST(24Mbit/s)，並且有幾家轎車製造商已把該系統引入到自己的產品上。德國寶馬公司(BMW)在其新的7個系列產品中開創了使用100m塑膠光纖的記錄。歐洲2001年塑膠光纖學術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。德國汽車工業不僅推動了塑膠光纖的套用，而且也推動了塑膠光纖檢驗和測量標準的建立。
日本也建立了塑膠光纖標準，但這些標準對歐洲共同體是無效的。日本工業標準只給出了一種型號塑膠光纖的標準，其數值孔徑為0.5，而且只有650nm一種波長。該標準沒有提及在塑膠光纖中的不同激勵光條件，也沒有規定必須在塑膠光纖內形成平衡模分布。
此前建立的玻璃光纖檢驗方法因為會出現瑞利散射而不適於檢驗塑膠光纖，現在市場上僅有瑞士新成立的Luciol儀器公司出售的一種檢驗塑膠光纖的儀器。
德國工程師學會和電子工程學會研究小組已經詳細規定了塑膠光纖數值孔徑、衰減、傳輸和機械特性以及環境和壽命的測量方法。塑膠光纖檢驗方法和標準的建立必將促進國際塑膠光纖貿易的發展，並消除貿易中的誤解。
日本對塑膠光纖的套用十分重視，早在幾年前，NEC、富士通、住友電器工業公司等45家光通信、多媒體產品的生產廠家就聯合宣布，將共同實現已在日本開發成功的塑膠光纖的實用化。塑膠光纖的成本低廉，被認為是將多媒體引進到家庭的關鍵技術，隨後一些生產廠家就著手建立生產線。
1986年，日本F富士通公司以PC為纖芯材料開發出SI型耐熱POF，耐熱溫度可達135攝氏度，衰減達450dB/km；
1990年，日本慶應大學的小池助教授開發成功折射率漸變型的塑膠光纖，芯材為含氟PMMA、包層為氟化塑，用界面凝膠技術製造。該塑膠光纖衰減在60db/km以下，光源650-1300nm，100m頻寬3GHz，傳輸速率10Gb/s，超過了GI型石英光纖，並被廣泛認為是高速多媒體時代光纖入戶的新型光通信媒介；
在2000年OFC會議上，日本ASAHI GLASS公司報導了氟化梯度塑膠光纖（GI-POF）衰減係數在850nm為70dB/km，在1300nm為33dB/km，頻寬已達100mhz/km。用這種光纖成功地進行了50m、2.5Gbit/s的高速傳輸試驗和70攝氏度長期熱老化試驗。實驗結論為氟化梯度塑膠光纖完全能滿足短距離的通信使用要求。
市場前景
目前塑膠光纖在我國的套用場合有：室內裝飾、水景照明、溶洞照明、易燃易爆場合、太陽光的利用。此外，塑膠光纖在工業，特別是汽車工業、農業及國防建設中也得到了大量的套用。
網路成本的降低、性能的提高、數字傳播技術的引入、電磁干擾的減少以及塑膠光纖標準的制定與完善都使得塑膠光纖在工業、農業、國防建設中得到大量套用，並推動著塑膠光纖產業逐漸成為光通信的主流產業。目前，塑膠光纖主要套用於低速、短距離的通信傳輸中。由於塑膠光纖具有通信容量大、不放射電磁噪音、質量輕等特點，因而在汽車製造工業中得到廣泛使用。寶馬公司已在其最新產品中使用塑膠光纖，用於汽車製造系統的通信。
在工業控制匯流排系統中，通過轉換器，塑膠光纖可與RS232、RS422、100 Mb/s乙太網、令牌網等標準協定接口連線，從而在惡劣的工業製造環境中提供穩定、可靠的通信路線，高速傳輸工業控制信號和指令，避免了因使用金屬電纜線路受干擾而導致通信中斷的危險。
通過塑膠光纖，我們可實現智慧型家電（家用PC、HDTV、電話、數字成像設備、空調、冰櫃、音響系統、廚用電器等）的聯網，達到家庭自動化和遠程控制管理，提高生活質量；通過塑膠光纖，我們可實現辦公設備的聯網，如計算機聯網可以實現計算機並行處理，辦公設備間數據的高速傳輸可大大提高工作效率，實現遠程辦公等。在低速區域網路的數據速率小於100Mb/S時，100m範圍內的傳輸用SI型塑膠光纖即可實現；150 Mb/s 50m範圍內的傳輸可用小數值孔徑POF實現。POF在製造工業中可得到廣泛的套用。通過轉換器，POF可以與RS232、RS422、100 Mb/S乙太網、令牌網等標準協定接口相連，從而在惡劣的工作製造環境中提供穩定、可靠的通信線路。能夠高速地傳輸工業控制信號和指令，避免因使用金屬電纜線路而受電磁干擾導致通信傳輸中斷的危險。
塑膠光纖作為短距離通信網路的理想傳輸介質，在未來家庭智慧型化、辦公自動化中也將得到廣泛套用。在Internet服務中，塑膠光纖由於重量輕且耐用，因而被用來將車載機通信網路和控制系統連線成一個網路，將微型計算機、衛星導航設備、行動電話、傳真等外設納入機車整體設計中，旅客可通過塑膠光纖網路在座位上享受音樂、電影、視頻遊戲、購物。當塑膠光纖在傳輸距離不超過100m時，其傳輸速率能達到11Gb/s，因此在網際網路短距離傳輸中可以用塑膠光纖代替雙絞線和同軸電纜，從而保證了網際網路中短距離的大容量通信。
隨著科技的發展，塑膠光纖的套用領域越來越廣，其市場的發展會越來越廣闊。國外在塑膠光纖的套用開發上已取得了較大的成果，且不斷在加大新的套用研究投入，在韓國、中國以及我國台灣地區已經有廠商開始投入研發生產，因此產業更應就塑膠光纖的研究和發展予以密切注視。
