毕业论文=塑料光纤(POF)的研究及其应用.doc

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1、重庆工业职业技术学院 1 重庆工业职业技术学院毕业论文 塑料光纤的研究及其应用 学生姓名：陶有兴 指导教师：陈媛媛 专 业：计算机通信 重庆工业职业技术学院自动化系 二 O 一二年十一月 重庆工业职业技术学院 2 目 录 中文摘要中文摘要 44 绪论绪论 . .6 6 1 1 网络与通信的发展趋势网络与通信的发展趋势8 8 1 1.1.1 网络的发展趋势网络的发展趋势 . .8 8 1 1.2.2 通信的发展趋势通信的发展趋势 8 8 2 2 光纤通信的优势光纤通信的优势 . .1111 2 2.1.1 铜缆传输的缺陷铜缆传输的缺陷. . 1111 2 2.2.2 采用光纤通信的优点采用光纤通

2、信的优点. . 1111 3 3 塑料光纤塑料光纤. .1313 3 3.1.1 塑料光纤的概念塑料光纤的概念. . 1313 3 3.2.2 塑料光纤和石英光纤的比较塑料光纤和石英光纤的比较. . 1313 3 3. .3 3 塑料光纤的传光原理塑料光纤的传光原理. . 114 4 3.3.1 光的基础知识. 14 3.3.2 几何光学理论. 15 3.3.3 子午光线在阶跃型 POF 中的传输. 15 3.3.4 子午线在阶跃型光纤中的几何行程和反射次数. 16 3.3.5 斜光线在阶跃型折射率 POF 中的传输. 16 3.3.6 光在渐变型折射率分布 POF 中的传输. 16 3.3.

3、7 侧面发光 POF 的传光原理. 17 3.3.8 荧光 POF 的传光原理. 17 4 4 塑料光纤在工程中应用塑料光纤在工程中应用. . 1919 5 5 塑料光纤研究中需解决的问题塑料光纤研究中需解决的问题. .2020 6 6 塑料光纤应用前景塑料光纤应用前景. .2121 7 7 结论结论. .2222 重庆工业职业技术学院 3 致谢致谢. . 2323 参考文献参考文献 2424 重庆工业职业技术学院 4 中文摘要 塑料光纤(PlasticOptical Fiber 简称 POF)，是采用聚合物材料或有机材料制备而成的可 传导光功率的传输线。POF 有多种分类方法，按折射率结构分

4、，可分为阶跃折射率分布型 SIPOF 和渐变折射率分布型 GI POF；按芯材分尝，可分为聚苯乙烯 PS 芯 POF、聚甲基丙 烯酸甲酯 PMMA 芯 POF 等：若按光纤发光特性分类，可分为侧面发光(SideLight) POF(简称 SLPOF)、端发光(EndLi 曲 t)POF(简称 ELPOF)。 自 1970 年美国康宁公司研制出石英玻璃光纤后，同年贝尔又试制成半导体激光器， 这两项新技术的结合，开创了光信息传输的新时代。玻璃光纤有一个致命的弱点就是强度 低，抗挠曲性能差，而且抗辐射性能也不好。因此，近 20 多年来，科学家们一直没有停止 过对塑料光纤的探索。目前，在“光纤到户”的

5、拉动应用下，塑料光纤展现了其巨大的市 场潜力。塑料光纤的研究始于二十世纪 60 年代1968 年美国杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲 酯为芯材制备出塑料光纤，但光损耗较大。1974 年日本三菱人造丝公司以 PMMA 和聚苯 乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，其光损耗为 3500dBkm，难 以用于通信。80 年代日本的一些大企业和大学对低损耗塑料光纤的制备进行了大量的研究。 1980 年三菱公司以高纯 MMA 单体聚合 PMMA，使塑料光纤损耗下降到 100200dBkm。1983 年 NTT 公司开始用氘取代聊仰 d中的 H 原子，使最低光损耗可 达到 20dBkm，并可传输近红外

6、到可见光的光波。 近几年来，欧日等国的公司对塑料光纤的研制取得了重要的进展。它们研制成的塑料 光纤，光损耗率已降到 259dBkm，其工作波长已扩展到 870 微米(近红外光)，接近石 英玻璃光纤的实用水平。美国研制的一种 PFX 塑料系列光纤，有着优异的抗辐照性能。此 外，美国麻省波士顿光纤公司研制的 OpfiOiga 塑料光纤更是引人注目，它不仅比玻璃轻、 柔性更好、成本更低，而且可在 100 米内以每秒 3 兆比特的速度传输数据这种光纤还可 以利用光的折射或光在纤维内的跳跃方式来达到较高的传输速度。2001 年下半年是欧洲塑 料光纤工业发展的重要阶段，在这段时间内建立了欧洲塑料光纤检验和

7、测量的新发展方针。 世界上第一个专用塑料光纤应用中心(POFAC)在德田 Nuremberg 落成。德国采用塑料光纤 已经研制成功了多媒体总线系统 MOST(24MbiVs)，并且有几家轿车制造商己把该系统引入 到自己的产品上。德国汽车工业不仅推动了塑料光纤的应用，而且也推动了塑料光纤检验 和测量标准的建立。德国工程师学会和电子工程学会研究小组已经详细规定了塑料光纤数 值孔径、衰减、传输和机械特性以及环境和全国第一届塑料光纤研究、生产和应用会议寿 命的测量方法。塑料光纤检验方法和标准的建立必将促进国际塑料光纤贸易的发展，并消 除贸易中的误解。 日本对塑料光纤的应用十分重视，早在几年前，NEC、

8、富士通、住友电 器工业公司等 45 家光通信、多媒体产品的生产厂家就联合宣布，将共同实现己在日本开发 成功的塑料光纤的实用化。1986 年，日本 F 富士通公司以 PC 为纤芯材料开发出 sI 型耐热 POF，耐热温度可达 135 摄氏度，衰减达 450dBkm； 1990 年，日本庆应大学的小池助 重庆工业职业技术学院 5 教授开发成功折射率渐变型的塑料光纤，芯材为含氟 PMMA、包层为含氟，用界面凝胶技 术制造，该塑料光纤衰减在 60dBkm 以下，光源 6501300nm，100m 带宽 3GHz，传输 速率 10Gbs，超过了 GI 型石英光纤，并被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新

9、型光 通信媒介。1996 年，人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网 ATM 物理层： 1997 年，日本 NEC 公司进行了 155Mbi 以的 ATM、LAN 的试验。在 2000 年 OFC 会议上， 日本 ASAHIGLASS 公司报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数在 850nm 为 41dBkm，在 1300nm 为 33dBkm，带宽已达 100MHz。用这种光纤成功地进行了 50m、25Gbits 的 高速传输试验和 70 摄氏度长期热老化试验。实验结论为氟化梯度塑料光纤完全能满足短距 离的通信使用要求。 关键词：塑料光纤（POF） ，传输损耗，折射率塑料光纤(GI2POF

10、)，采用吸附分 离，传输带宽 重庆工业职业技术学院 6 绪 论 塑料光纤的发展历史 塑料光纤的研究始于二十世纪 60 年代。1968 年美国杜邦公司用聚甲基丙 烯酸甲酯为芯材制备出塑料光纤，但光损耗较大。1974 年日本三菱人造丝公司 以 PMMA 和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，其光 损耗为 3500dB/km，难以用于通信。 80 年代日本的一些大企业和大学对低损耗塑料光纤的制备进行了大量的 研究。1980 年三菱公司以高纯 MMA 单体聚合 PMMA，使塑料光纤损耗下降到 100-200dB/km。1983 年 NTT 公司开始用氘取代 PMMA 中的 H 原子

11、，使最低光损 耗可达到 20dB/km，并可传输近红外到可见光的光波。 近几年来，欧日等国的公司对塑料光纤的研制取得了重要的进展。它们研 制成的塑料光纤，光损耗率已降到 259 分贝/公里。其工作波长已扩展到 870 微米(近红外光)，接近石英玻璃光纤的实用水平。美国研制的一种 PFX 塑料系 列光纤，有着优异的抗辐照性能。此外，美国麻省波士顿光纤公司研制的 Opti-Giga 塑料光纤更是引人注目，它不仅比玻璃轻、柔性更好、成本更低， 而且可在 100 米内以每秒 3 兆比特的速度传输数据。这种光纤还可以利用光的 折射或光在纤维内的跳跃方式来达到较高的传输速度。现在美欧日已把塑料光 纤用于短

12、途传输，如汽车、医疗器械、复印机等。 日本对塑料光纤的应用十分重视，早在几年前，NEC、富士通、住友电器工 业公司等 45 家光通信、多媒体产品的生产厂家就联合宣布，将共同实现已在日 本开发成功的塑料光纤的实用化。就目前塑料光纤生产量而言，日本也是世界 上最大的塑料光纤生产者，然而却是欧洲推动了塑料光纤新应用领域的开发并 建立了光纤检验标准。2001 年下半年是欧洲塑料光纤工业发展的重要阶段，在 这段时间内建立了欧洲塑料光纤检验和测量的新发展方针。世界上第一个专用 塑料光纤应用中心(POFAC)在德国 Nuremberg 落成。德国采用塑料光纤已经研制 成功了多媒体总线系统 MOST(24Mb

13、it/s)，并且有几家轿车制造商已把该系统引 入到自己的产品上。德国宝马公司(BMW)在其新的 7 个系列产品中开创了使用 100m 塑料光纤的记录。欧洲 2001 年塑料光纤学术交流会和欧洲光纤通信会议 同时在荷兰的阿姆斯特丹举行。德国汽车工业不仅推动了塑料光纤的应用，而 且也推动了塑料光纤检验和测量标准的建立。 日本也建立了塑料光纤标准，但这些标准对欧洲共同体是无效的。日本工 业标准只给出了一种型号塑料光纤的标准，其数值孔径为 0.5，而且只有 650nm 一种波长。该标准没有提及在塑料光纤中的不同激励光条件，也没有规定必须 在塑料光纤内形成平衡模分布。 重庆工业职业技术学院 7 国内外塑

14、料光纤最新应用进展 凭着接入带宽高、可靠性高等优势已经成为公认的接入网发展的 长远目标和最终解决方案。近年来，我国光纤接入市场正进入一个前所未有的 高速增长期，全国各地的商用工程更是如雨后春笋般涌现，部署规模 和部署速度与往年相比有很大的飞跃。江苏等省份将全面停止 ADSL 铺设，全面 实行光纤到户。江西省政府也提出在大中城市建设高速、大容量骨干传输，窄 带、宽带相结合，固定、移动等方式灵活接入的智能用户接入网络，逐步地实 现光纤到户。广东、安徽、北京等地的光纤到户发展速度也异常迅猛。但在 FTTH 建设中，石英光纤存在着连接难度大、生产成本高、系统安装及维护费用 高等问题，大大提高了 FTT

15、H 的建设成本，增加了用户的负担，阻碍了 FTTH 的 进一步推广。为了解决这个问题，业界一直没有停止过对其它材料光纤的研发， 其中对塑料光纤（POF）的研发是目前业界最热门的研究领域之一。POF 以其芯 径大、柔韧性好、可塑性强、质量轻、价格低廉等优点而受到国际上的普遍关 注。因此利用通信用 POF 配合石英光纤，在 FTTH 的末端（家庭综合布线）将发 挥很大效用，可以解决“最后几百米”的接入难题。通信用 POF 具有芯径粗、 易耦合、不用熔接和焊接、重量轻、柔性好可弯曲、防腐蚀、防潮湿、防震防 爆、无电磁干扰和辐射等优点，另外，它还具有保密性、安全性、抗干扰能力 强以及衰减为恒量且不随传

16、输状态变化等特点，因此，通信用 POF 是铜缆的有 力竞争者乃至替代品。显然，通信用 POF 的应用将大大加速我国 FTTH 发展的步 伐。 2010 年我国 FTTH 将进入超常规模发展阶段，至 2011 年预计我国 FTTH 用户 可达到 5000 万户，如每户家庭布线平均用 100 米通信用 POF，每米 1 元计算就 是 50 亿元的市场规模，如再加上配套用有源、无源器件、模块、系统设备将可 达到 100 亿元的市场规模。可见塑料光纤布线的应用前景十分看好。从国外的 研究发展来看，塑料光纤的研究重点主要集中在以下三个方面：1 降低光损耗； 2 提高带宽（由 SI 型转为 GI 型）；3

17、 提高耐热性。（聚碳酸酯（PC）、硅树脂、 交联丙烯酸和共聚物可使耐热性提高到 125-150 摄氏度）塑料光纤在衰减与带 宽方面的最新实用进展为：日本 ASAHI GLASS 公司 2000 年 7 月称，该公司实施 庆应大学的 GI-POF 技术商品化，采用全氟化聚合物 CYTOP 制造 GI 光纤，命名 为 GI-GOF，商品名为 Lucina，衰减速率 3Gb/s，带宽大于 200MHz.km。塑料光 纤在耐热性方面的最新实用进展为：日本 JSR 与旭化株式会社联合发展耐热透 重庆工业职业技术学院 8 明树脂 ARTON（norbornene,冰片烯）制造的 SI-POF，耐热 170

18、 摄氏度，预计 2001 年上半年即可供应汽车市场。 1 1 网络与通信的发展趋势网络与通信的发展趋势 1.1网络的发展趋势网络的发展趋势 2010 年中国国际信息通信展览会于 10 月 1115 日在北京举行。虽然人 气并不旺，但务实的内容折射出了中国电信业的 6 大发展趋势。 网资是一项网络创业项目，一个新兴的行业。国家在 07 年底筹备，08 年中 旬开始试运行，09 年开始有了第一批的开拓者，试运行不到两年，适合任何的 普通大众来做，只要稍微懂得点电脑知识，如打字，粘贴，复制等，都可以来 从事，在这里，我想说的是为什么这个模式是网络创业项目中最先进，最人性 的，只要付出努力，每个人都能

19、 100%成功。 它绝对的一次性投资，资金不需要很大，几千元钱，回报非常丰厚。没房租、 水电、接人等费用的产生，因为他就是在家中上网的一种网络运作模式。既然 这个行业没有经济负担，那肯定人人都能坚持下去，直到成功的那一刻。很多 从事过异.地连.锁的朋友就能够比较出来，因为异.地失败原因就是：没有运作 资金的重复投资而不得不放弃造成的的失败。 团队的帮扶模式，如果你所咨询的那个人把你放在下面，而你的能力有限， 没有人咨询你，但上面的人没有满 150 单，他是不允许开第二条线的，那他来 了人怎么放，理所当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，做的份额永远累计在你的帐上，这才

20、是真正意义的下推，你不成功 行吗？做过异地的朋友，在那种亲人叫亲人，朋友叫朋友的模式下，又有几个 推荐人放了人在你的下面，哪怕就好不容易放一个在你下面，那这个人会服你 管吗？这就是异地失败的另一个原因。 网络的发展空间更大，面对全国的 3 亿网民，只要你贴子发到网上去，每天 来咨询你的有的是人，根本就不需要像异.地连.锁一样只能发展自己的亲人朋 友，如果他看到了你的现实而再选择这个行业，那么他们也会在这个模式下取 得成功，不会遭到亲戚朋友的白眼，也就是说，在你还没有成功的这一二个月 内，心理上不会承受像异地那样的精神压力。 在资金绝对安全的前提下，大家真正的互相帮助，开拓广阔的网络市场，再 加

21、上每一个人都坚持下去了！你如果选择了这个模式，只要用心的去做，你不 想成功都难！ 互联网作为未来经济的前沿，是各国的必争之地，对于资.本运.作无疑是不 可或缺的践行之路。因此，政府于 2007 年底又将该模式投放于互联网，也即我 们俗称的“网络 zi.本运.作”，行业内称之为异/地 zi.本运.作的升级版。 1.21.2 通信的发展趋势通信的发展趋势 1.2.11.2.1 物联网应用越来越多物联网应用越来越多 重庆工业职业技术学院 9 物联网的概念炒作在中国一直很热，上海世博会上也有不少应用，但是大 众对物联网仍然比较陌生。在本次通信展上，运营商与设备商的物联网解决方 案涵盖了行业与个人应用。

22、不过，前者仍是重点，走进大众生活还需时日，而 且还面临着商业模式和标准不统一等挑战。 中国电信展示了通过物联网系统监控蔬菜大棚温度的应用，通过传感器的 数据检测系统可以自动打开窗户并调节气温；同时展示的还有对某一地区气候 变化、降 雨量进行实时监控的物联网系统，可以实时统计、分析各地降雨情况。 大唐电信突出了以“感知矿山、数字城市、精准农业”为主题的物联网方案。 中国移动的物联 网方案是面向家庭的物联网智能空调（见图 1），通过传感器 对室内的检测，控制系统可以自动调节空调的风向及温度。中国联通推出了订 餐宝、3G 视频监控等物 联网业务，主要也是行业应用。中国普天展示了基于 物联网的配送中心

23、整体解决方案 1.2.21.2.2 三网融合概念劲爆三网融合概念劲爆 三网融合政策关系到电信、广电及互联网等多方产业的利益，中国已经有 12 个城市正在进行试点工作。不过，本次通信展上，基于三网融合的应用与解 决方案并不多，三大电信运营商集体低调，这与产业链的利益与政策问题有直 接关系。 UT 斯达康展示了自主研发的奔流(RollingStream) 三屏融合方案，以及基 于该平台的全高清视频点播、3D 高清视频点播、高清视频通话和互联网电视、 体感游戏等业务。中国电信展出了 5A 数字家庭（见图 3） ， 该三屏互动方案适 合 IPTV、电话及互联网应用。华为、中兴等设备商也展出了三网融合及

24、 IPTV 的相关网络应用。但总的来说，各运营商与设备商在终端和业 务应用方面都很 欠缺，对三网融合的推广力度不大，基本持观望态度。 1.2.31.2.3 云计算将走进大众生活云计算将走进大众生活 虽然中国用户对云计算还很陌生，但很多厂商开始推出云计算相关服务， 这也是本次展会的一大亮点。中国移动展示了手机云计算开发平台（见图 4） ， 面向行 业和个人用户，利用开源 Hadoop 系统搭建起云计算的研究环境，目前 该云计算平台已经扩容至 1024 个节点。中国联通展出了“云超市”概念，用户 可快速 得到自己想要的云计算产品，VDC(虚拟数据中心)业务将于 2011 年 2 月 推出。华为展示

25、了“云-管-端：信息服务新架构”解决方案，首次以“云”的 方式 进行现场信息演示，实现远程资源共享。 1.2.4 4G4G 标准未定，但产业与技术快速发展标准未定，但产业与技术快速发展 虽然现在 4G 国际标准还没有确定，但是，4G 网络具有部署上的优势，以 及更快的上传下载速度、可传输高质量视频图像等优势。目前，LTE- Advanced（含 TDLTEAdvanced）技术标准已经得到中国移动、爱立信、诺 基亚、华为、中兴、法国电信、德国电信、日本 NTT 等运营商 和设备商的支持， 其成为 4G 国际标准已成定势。 中国移动展示了 TD-LTE 网络解决方案，通过该网络，在展会现场能够控

26、制 上海世博园的监控画面，并可以与对方工作人员进行语音互动；另外，还可用 重庆工业职业技术学院 10 笔 记本电脑接收 1080P 高清视频。中兴通讯进行了 LTE-A（LTE-Advanced）系 统演示，现场的下行峰值速率超过了 1Gbps。 另外，上海贝尔发布了 TD-LTE 概念车，融合了云计算和物联网技术，支持 汽车和旅行中的各种应用，包括天气预报与高清视频等。该车由“下一代互联 计划”成员阿尔卡特朗讯、QNX 软件系统、三星与哈曼合作，基于上海大众途 安汽车平台开发。 1.2.5 手机更智能，娱乐及应用更多手机更智能，娱乐及应用更多 目前，中国 3G 网络覆盖虽然在逐步完善，但是终

27、端、资费高昂及应用匮乏 严重影响了 3G 的发展。三大运营商也认识到了这一点，正不断推出新手机与众 多应用业务。 中国移动发布了定制的 3G 手机摩托罗拉 MT810，以及配套的手机支付业务， 展示了手机电视、校讯通、MobileMarket 等业务应用。中国联通 展出了移动 执法、移动税务、移动保险、移动采编、移动物流、移动销售等移动办公业务。 中国电信首次展示了“翼视通”业务，天翼空间、天翼阅读等移动互联业 务， 以及握着手机就可以玩的体感游戏（见图 5）等热门 3G 应用。 1.2.6 平板电脑与电子书将快速发展平板电脑与电子书将快速发展 虽然是通信展，但平板电脑及电子书产品也占据了展台

28、上了部分展位，可以 看出这 2 类产品的火热，因为他们的娱乐应用或电子书在线阅读、下载都离不 开通信网络。 三星采用 Android 系统的平板电脑 Galaxy Tab 首次公开亮相。华为推出了 自主品牌平板电脑华为 S7，其采用 Android 2.1 系统，支持 Wi-Fi 功能。中兴 则推出了平板电脑中兴 V9（见图 6） ，基于 Android 2.1 系统，支持 3G 和 Wi- Fi 网络。电子书方面，汉王展出了多款 3G 电子书产品；方正展出了多款支持 TD-SCDMA 的电子书。 重庆工业职业技术学院 11 2 2 光纤通信的优势光纤通信的优势 2.12.1 铜缆传输的缺陷铜

29、缆传输的缺陷 铜缆虽然不存在设备昂贵的缺陷，但抗干扰能力差、传输距离有限制、能 耗高等缺点，在如今万兆以太网当道的今天，已经难以负荷了。虽然被网络设 备供应商寄予厚望的 10GBase-T 这项标准是基于屏蔽与非屏蔽双绞线铜缆的万 兆技术，允许通过 6 类线实现万兆速度，传输距离最远可达到 100 米，但康普 布线的专家却解释到，6 类线传输万兆，最远传输距离也只能达到几十米，并 且周围不能有干扰源。这对于一般布线环境来说，是很难做到的。 2.22.2 采用光纤通信的优点采用光纤通信的优点 2.2.12.2.1 频带宽，通信容量大频带宽，通信容量大 光纤可利用的带宽约为 50000GHz，19

30、87 年投入使用的 1.7Gb/s 光纤通信 系统，一对光纤能同时传输 24192 路电话，2.4Gb/s 系统，能同时传输 30000 多路电话。频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无 法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。 2.2.22.2.2 损耗低，中继距离长损耗低，中继距离长 目前实用石英光纤的损耗可低于 0.2dB/km，比其它任何传输介质的损耗都 低，若将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降至 10- 9dB/km。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤 通信系统最大中继距离可达 200 多千米，由非石英系极

31、低损耗光纤组成的通信 系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、 提高可靠性和稳定性具有特别的意义。 2.2.32.2.3 抗电磁干扰抗电磁干扰 光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子 活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用 它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。 2.2.42.2.4 无串音干扰，保密性好无串音干扰，保密性好 光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很 小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更 重庆工业职业技术学院 12 好，这样

32、，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也 无法窃听到光纤中传输的信息。 2.2.52.2.5 光纤线径细、重量轻、柔软光纤线径细、重量轻、柔软 光纤的芯径很细，约为 0.1mm，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的 直径也很小，8 芯光缆的横截面直径约为 10mm，而标准同轴电缆为 47mm。利用 光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下 管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重要比电缆轻得多，例如 18 管同 轴电缆 1m 的重量为 11kg，而同等容量的光缆 1m 重只有 90g，这对于在飞机、 宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意

33、义。还有，光纤柔软可挠， 容易成束，能得到直径小的高密度光缆。 2.2.62.2.6 光纤的原材料资源丰富光纤的原材料资源丰富 光纤的材料主要是石英(二气化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料， 而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节 约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有以上突出 的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点，其缺点是质地 脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。 这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近年来，光纤 通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代

34、信息社会最坚实的 基础，并向我们展现了无限美好的未来。 重庆工业职业技术学院 13 3 3 塑料光纤塑料光纤 3.13.1 塑料光纤的概念塑料光纤的概念 塑料光纤(polymer optical fiber, 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纤。和石英光纤一样，塑 料光纤传光也是利用光的全反射原理，光纤纤芯是光密介质，包层是光密介质， 这样，只要一个光线射入的角度合适，那么这束光线就会在光纤内部不停地进 行全反射而传向另一端。 3.23.2 塑料光纤和石英光纤的比较塑料光纤和石英光纤的比较 石英光纤在通信行业普遍应用，并对铜缆的替代作用越来

35、越明显，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，限制了其在接点多的短距离传输领域的应用。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。 顾名思义，塑料光纤指构成光纤的芯与包层都是塑料材料。与大芯径 50/125m 和 62.5/125m 的石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤的芯径高达 200- 1000m，其接续时可使用不带光纤定位套筒的便宜注塑塑料连接器，即便是光 纤接续中芯对准产生30m 偏差都不会影响耦合损耗。正是塑料光纤结构 赋予了其施工快捷，

36、接续成本低等优点。 另外，芯径 100m 或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪 音。 塑料光纤具有不用熔接与焊接、重量轻、柔性好、防腐蚀、防潮湿、防震、 无辐射、抗干扰能力极强等特点，可全面替代铜缆，节省大量铜资源，并且故 障率低，维护简单。在安装连接方面，塑料光纤的直径一般在 0.33mm，接续 重庆工业职业技术学院 14 时可使用简单的塑料光纤连接器。光纤端面以一把裁纸刀切割，插入收发模块 即可实现耦合连接，即使是光纤接续中心对准产生 30m 的偏差也不会影响耦 合损耗。 在抗干扰能力上，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，也能在电

37、噪声环境中使用。塑料光纤能够 在任何环境下轻松地提供高可靠性、高安全性和高达 10Gbit/s 的带宽。 与石英光纤相比,塑料光纤的主要问题是传输损耗大.采用一种新的光纤结构 蜘蛛网结构包层空芯布拉格光纤,可以把构成光纤材料的吸收损耗压缩至约 104106 分之一,因而从根本上解决了塑料光纤损耗大的问题.在此基础上,充分利 用塑料光纤柔软、易弯曲的优点,可以实现从可见光至太赫兹波(0.41000m)所 有波段信息和能量的低损耗传输.新一代塑料光纤将成为普遍和大量应用的光纤. 随着塑料光纤技术的日益成熟，价格已经和普通以太网设备相差不远，同 时由于塑料光纤使用寿命较长，兼容性很高，在未来网络高速

38、发展中，塑料光 纤都是通用的。当前，随着全球范围内 FTTH 产业的发展，光纤接入方案面临 进一步降低成本的压力，这恰好给塑料光纤的普及提供了非常好的契机。此外， 随着铜资源的日益缺乏，铜价也日渐上扬， “光进铜退”为必然趋势，塑料光纤取 代铜缆也自然是水到渠成。 3.3 塑料光纤的传光原理 3.3.13.3.1 光的基础知识光的基础知识 光是通过光源内大量的分子或原子振动而产生的辐射。1894 年，麦克斯 韦从理论上指出，光是一种电磁波，1905 年爱因斯坦提出光是一粒一粒的粒子 流，每个粒子可被称为光子。也就是说光既具有粒子性，又具有波动性，光在 传播时表现为波动性，而与物质作用时又表现为

39、粒子性。通常我们所说的光是 电磁波的一种，它通常由紫外光、可见光和近红外光组成，其中 1-390nm 波段 的光为紫外光 UV，波长为 280-300nm 波段为 UV-B，它的强光可以杀死或严重损 伤地球上的生物;200-280um 波段为 UV-C，它的强光可以杀死地球上一切生物， 包括人类, 比紫外光频率更高的还有 X 光和 射线等; 390-760nm 波段的光为 可见光；波长在 760-1500nm 为近红外光，中红外波段波长范围为 1.5-25m， 远红外光谱波长范围 25-300m,比远红外光频率更小或波长更长的有毫米波、 重庆工业职业技术学院 15 微波、短波、中波和长波等。而

40、可见光又是由七色光组成的，即可见光含有红 色光、橙色光、黄色光、绿色光、蓝色光和靛青光等色光。紫色/nm 靛青/nm 蓝色/nm 绿色/nm 黄色/nm 橙色/nm 红色/nm 390-430 430-450 450-500 500-570 570-600 600-630 630-760 国际照明委员会统一规定的标准是：选水银光谱中波长为 700nm 的红光为 红基色光， 波长为 546.1nm 的绿光为绿基色光, 波长为 435.8nm 的蓝光为蓝基 色光。常规 POF 一般在紫外光波段并没有很好的透光性，而石英光纤和特制的 液芯光纤在这一区域有很好的透光率，POF 在可见光区域有很好的透光

41、率，由 POF 芯材选用氟化和氘化聚合物材料制备的 POF 在近红外光区域才有很好的透 光率。光在真空中的传播速度 C 为 3108m/s，光的传输波长 ，频率 f 和光 速 C 之间关系参见如下公式:C=f 其中 f 的单位为赫兹 Hz 或 1秒(s)，波长 的单位为米 (m)。只有真空的折射率 n 为 1.0，故光在任一传输介质的传播速 度 V 是光速除以该介质的折射率，即： 光在真空中的传播速度是最快的，传输介质不同，其折射率不同，传光速 度也不同。相对而言，折射率大的传输介质是光密介质，折射率小的传输介质 是光疏介质，对于 POF 而言，POF 芯材为光密介质，POF 皮材为光疏介质，

42、由于 光在光密媒介芯材中的传播速度会降低，故光在芯材中的传输速度慢于皮材 中的传输速度;在空气中，由于 n1，光波的传播速度接近于真空中的传播速 度 C；纯 PMMA 的折射率为 1.49,故光在其中的传输速度约为 2.01108m/s。 光在均匀媒质或不均匀媒质中传输时，满足费玛(Fermat) 原理，即光从空 间一点到另一点是沿着时间为极值的路程而传播的，即光沿着光程为最小或最 大或恒量的路径传播。 3.3.23.3.2 几何光学理论几何光学理论 要了解 POF 传光原理，必须了解一些几何光学的知识。 首先光学分为几何光学和物理光学，几何光学是研究光在均匀介质中的传播 特性，通常采用直线来

43、描述，它是研究光在介质中传播的基础光学理论。物理 光学又分为波动光学和量子光学,波动光学认为光是一种电磁波，但它不能解释 光的微观现象;量子理论认为光的能量不是连续分布的，光是一粒粒运动着的光 子组成，每个光子具有确定的能量。几何光学理论的四大基本定律为： 光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。 光的独立传播定律：不同光源发出的光线从不同方向通过某点时，彼此不影 响，各光线的传播不受其它光线影响。 光的反射定律：当一束光投射到某一介质光滑表面时，保存一部分光反射回 原来的介质，这一光线称为反射光线，反射光线、入射光线和法线位由于同一 平面内，入射线同法线组成的角称为入射角

44、，反射光线同法线组成的角称为反 射角，反射角等于入射角，即 1=3, 其绝对值相等，这就是反射定律。光 的折射定律：当一束光投射到某一介质光滑表面时除了有一部分光发生反射外， 还有一部分光通过介质分界面入射进第二传输介质中，这一部分光线称为折射 光线，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧，折射光线位于入射光线和法 线所决定的平面内。折射光线同法线组成的角称为折射角，入射角的正弦值同 折射角正弦值的比值为一恒定值，这就是折射定律。需要指出的是采用几何光 学分析光在某一研究对象中的传输特性时，这一研究对象的几何尺寸必须远远 大于所传输的光波长，这样才能忽略波长的长度，否则就必须采用物理光学分 重庆

45、工业职业技术学院 16 析光在研究对象中的传输特性。也即是光纤纤芯直径是所传播光波长的几十倍 或几百倍时，其传播现象就可用几何光学而不用波动光学来研究。 3.3.33.3.3 子午光线在阶跃型子午光线在阶跃型 POFPOF 中的传输中的传输 阶跃型 POF 是一种具有芯皮结构的光纤。 子午平面指的是包含有光纤轴的平面，所谓子午线，就是光线的传播路 径始终在同一平面内，子午光线总是和光纤轴相交的，光在一种均匀介质 传播时是一种直线式传播：当光从一种介质传至另一介质表面时，一般同 时发生反射和折射；如果光从折射率小的光疏介质射入折射率大的光密介 质时，则折射角小于入射角；而当光从光密介质射入光疏介

46、质时折射角将 大于入射角，因而当光从光密介质射入光疏介质时就有可能出现只有反射 而无折射的现象，这就是全反射，全反射是光折射的一种边界效应，即光 从一种透明介质进入到另一种介质里而发生弯曲的现象。POF 就是通过全反 射原理进行光传输的。 由折射定律公式可得出：n1sin1=n2sin2 这里 n1、n2 分为芯皮折射率，1、2 分为入射角和折射角，设发生全反射的 临界角为 m，此时 2=90，故而当入射角 1m 时，则光在芯皮界 面上发生全反射，而当入射角 1m 时，则光在芯皮表面上出现折射， 有一部分光从芯材泄漏至皮层外。由全反射临界角同样可推出光纤截面临 界入射光纤角 0，在空气和光纤截

47、面界面上，同样有：n0sin0 = n1sin 90m)= n1cosm 其中，n0 为空气折射率，设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 时，光线才能在光纤中以全反射的形式向 前传播，从光纤一端传至光纤另一端，所以，光纤临界接受角为： 故光在 SI POF 光纤的传输方式为全反射式锯齿型。 光纤数值孔径是光纤一个重要指标之一，NA 值越大，则 0 越大，光纤 临界入射角越大，则光纤端面接受光或发射光角度越大，光纤的集光能力 愈强，愈便于光纤同光纤连接或同光源耦合。 3.3.43.3.4 子午线在阶跃型光纤中的几何行程和反射次数子午线在阶跃型光纤中的

48、几何行程和反射次数 由于子午光线入射光纤中并不是同一角度，故而其在光纤中的几何行程 也不相同。无论是子午线在光线中的行程公式还是反射次数计算公式，都 是假定光纤是处于非常理想状态下：光纤非常直，光纤直径均匀，光纤内 部无缺陷和光纤入射端面平直等，倘若光纤不在这一理想条件下，则入射 子午线全反射的状况就会发生变化，如有的会从光纤中反射出，有的反射 角会发生变化等，因此光纤的传输损耗也会增加。 3.3.53.3.5 斜光线在阶跃型折射率斜光线在阶跃型折射率 POFPOF 中的传输中的传输 所谓斜面光线，就是光在光纤中传输中时，并不是像子午光线一样保证 在同一平面内，它在光纤中传输时，其轨道通常是一

49、空间螺旋曲线，其最 大入射角比子午线的大，但通常以子午线传输表征光纤的传输特性，这是 最理想的一种状况。 重庆工业职业技术学院 17 3.3.63.3.6 光在渐变型折射率分布光在渐变型折射率分布 POFPOF 中的传输中的传输 对于渐变型折射率 GI POF，同样有子午线和斜光纤，这种光纤折射率并不 是一恒定常数，而是随着离轴距离的增加而折射率下降，其渐变折射分布图参 见如下；抛物线型折射率分布光纤具有较小的模式色散的特点，渐变折射分布 有多种形式，当折射率分布按二次方抛物线分布时，子午线在光纤中的传播路 径为正弦曲线型，参见下图，斜光纤的传播路径为螺旋曲线，渐变型折射率 POF 多用于短距离数据传输，用于光纤照明较少。 这种光纤传输的激光能量分布接近 Gauss 分布，即在光纤轴附近具有更高 的光能量密度，也就是说激光能量更为集中，其传输的激光功率密度（或称激 光强度）I 可认为与纤芯直径 的平方成正比。若保持光纤传输的激光功率不 变的话，减小光纤芯径即减小传输激光能量的光纤纤芯的横截面面积，则光纤 传输的激光功率密度将增加5，当光在这种 GI POF 传输时，可以说是一