《光纤光缆制备》课件第7章

学习情境七：塑料光纤制备7.1学习目标7.2学习内容

★掌握塑料光纤的分类；

★了解塑料光纤预制棒的制备；

★了解塑料光纤拉丝的过程；

★了解塑料光纤的涂覆；

★了解塑料光纤切口(打孔)工艺；7.1学习目标★了解生产设备；

★掌握塑料光纤的测试指标；

★掌握安全操作规程。

7.2.1塑料光纤的发展史与分类

1.发展史

塑料光纤(POF，PlasticOpticalFiber)的研究始于20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了塑料光纤，但光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，PolymethylMetharcylate)和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出了塑料光纤，其光损耗为3500dB/km，难以用于通信。7.2学习内容

20世纪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研究。1980年三菱公司以高纯MMA(单体甲基丙烯酸甲酯)单体聚合PMMA，使塑料光纤的光损耗下降到100～200dB/km。1983年NTT公司开始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光损耗降至20dB/km，该光纤可传输从近红外光到可见光的光波。

近年来，某些欧洲国家和日本研制成功的塑料光纤的光损耗已降到25～9dB/km，其工作波长已扩展到870μm(近红外光)，接近石英玻璃光纤的实用水平。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100m内以3Mb/s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。

2.塑料光纤的分类

按照应用不同，塑料光纤的分类如图7-1所示。

图7-1塑料光纤的分类7.2.2塑料光纤预制棒的制备

根据工艺不同，塑料光纤预制棒的制备方法主要有挤压法、共挤法、预制棒纺丝法、一步成型法。下面着重介绍挤压法和共挤法。

1．挤压法

首先，将单体甲基丙烯酸甲酯通过减压蒸馏提纯后，加热聚合；然后，将聚甲基丙烯酸甲酯加温至拉丝温度，用高纯氮气挤压熔融聚合物，通过口模形成塑料光纤芯，同时挤出一层低折射率的氟树脂作为被覆层，制成塑料光纤。

2．共挤法

所谓共挤法工艺，是在拉制POF过程中使用两台挤出机，一台用于挤出芯材，另一台用于挤出鞘材，两台挤出机通过同一模头熔融挤出成型，再经牵引收卷即拉制成POF。

采用共挤法拉制POF，在设计中要考虑如下几点：

(1)因是两台挤出机共同挤出，故其模头设计相对于涂覆法模头复杂得多，因此必须保证芯料和皮料在共挤模头中能均匀、合理分配，其设计还要考虑到易于安装、拆卸，且易于安装加热圈和热电偶。

(2)物料流过的共挤模头通道表面光洁度要求高，过渡部分呈流线型，收缩角要适当，需消除死角，以避免物料在模头表面流速过慢或停滞不前，即消除物料长时间受热降解以及从模头流出时极不稳定的特性。

(3)口模决定POF的外形和结构。一般口模形状如图7-2所示。共挤法最关键的是复

合机头的设计。PMMA由芯材挤出机挤入芯材流道1，含氟树脂由鞘材挤出机挤入鞘材流道2，两者在复合腔4内复合后共同挤出，成为光纤。在无牵引力的情况下，光纤的直径会膨胀，约为复合腔直径D0的十几倍。为改善光纤的力学性能，需要15～25倍的牵引力。

图7-2共挤法中的口模示意图7.2.3各种塑料光纤的制备原理与过程

1.大芯径塑料光纤的制备

1)概述

大芯径塑料光纤的芯径高达200～3000μm。大芯径塑料光纤的分类如表7-1所示。大芯径塑料光纤的实物图如图7-3所示。

表7-1大芯径塑料光纤的分类图7-3大芯径塑料光纤的实物图

2)制备方法及流程(挤压法)

(1)将单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)通过减压蒸馏提纯后，连同聚合引发剂和链转移剂一并送入聚合容器中。

(2)将该容器放入电烘箱中加热，放置一定时间，以使单体完全聚合。

(3)待其完全聚合后，加热至拉丝温度，并用干燥的氮气从容器的上端对已熔融的聚合物加压，该容器底部小孔便挤出一根塑料光纤芯，同时使挤出的纤芯外再包覆一层低折射率的聚合物，就制成了阶跃型塑料光纤。

图7-4塑料光纤生产设备的实物图

3)主要技术指标

(1)衰减。大芯径塑料光纤在波长650nm处的衰减大约为120dB/km，在850nm波长处的衰减为41dB/km，在1310nm波长处的衰减为33dB/km。

(2)带宽。阶跃折射率塑料光纤由于存在模间色散，传输带宽仅为几十至上百MHz·

km；梯度折射率分布塑料光纤在850～1310nm波长范围内，传输带宽可达几百MHz·km至10GHz·km。

(3)热稳定性。提高塑料光纤的热稳定性的方法是：选用含氟或硅的塑料来制造塑料光纤，或者选择塑料光纤的光源工作波长大于660nm，以使塑料光纤的热稳定性长期不变。

4)特点

(1)芯径大(为0.3～1.0mm)，接续时可采用POF连接器，在光纤接续对芯时，即便产生30μm的偏差也不会影响耦合损耗。

(2)数值孔径大(为0.5左右)，受光角可达60°(石英光纤只有16°)，耦合效率高。

(3)挠曲性好，易于加工和使用。

(4)在可见光区有低损耗窗口。

(5)重量轻。

(6)成本及加工费用低。

5)应用

(1)室内装饰。在室内装饰中，用侧面发光光纤来构成轮廊线条，光照均匀，颜色柔和，如图7-5所示。

图7-5塑料光纤室内装饰图

(2)水景照明，如室外喷泉水下照明、游泳池等装饰照明。

(3)城市建筑，如建筑物局部或轮廓照明、广告牌照明。

(4)园林绿化。

(5)道路照明。

(6)溶洞照明。

(7)古建筑物及文物照明，如文物古董、展览馆、博物馆的照明。

(8)易燃易爆场合，如油库、矿区等严禁火种的危险场合的照明。

6)生产厂家

大芯径塑料光纤的生产厂家有美国杜邦、法国阿尔卡特朗讯、日本三菱、日本古河、四川汇源、江西大圣、台湾艾力、南京展瑞、南京箭特、上海致锦。

2.端面发光塑料光纤的制备

1)概述

光纤照明系统有两种类型：一种是端面发光系统，即将光源发出的光从光纤束的首端面传输到光纤束的末端面，光纤束的末端面通常安装有适当的光输出装置，以给出所要求的光分布形式，如定向式、投光式、标注式等，从而使光线照射到需要照明的地方；另一种为侧面发光系统，即将光源发出的光从光纤束的侧面透射出来，并且整段光纤的亮度都非常均匀，类似于霓虹灯的效果。端面发光的光纤束由若干根单丝光学纤维扎成，接收的一端往往做成圆形端面，另一端可以做成若干分支或异形端面。一个光源可供给由16根直径为5mm的光导纤维组成的光纤束。

图7-6为稳定型结构，采用无黏结剂压制技术，可使光耦合效率达到最大，不会因光线高度聚集而引起光纤熔化或燃烧的危险。图7-7为非稳定型结构，用黏结剂黏结，光耦合效率低。图7-8为端面发光塑料光纤的实物图。

图7-6稳定型结构

图7-7非稳定型结构

图7-8端面发光塑料光纤的实物图

2)原理

对于阶跃型光纤，其折射率分布与结构如图7-9所示。折射率的计算式为

(7-1)

其中：Δ为折射率相对差，且有

(7-2)

当g

=

∞时，就是阶跃型光纤。

图7-9阶跃型光纤的折射率分布与结构示意图

3)材料选择

芯材可选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，包层选用氟树脂；或者芯材选用聚苯乙烯(PS)，包层选用PMMA。

4)制备

端面发光塑料光纤的制备方法通常为挤压法和共挤法，这两种方法已在前面作过详细介绍，此处不再重复。

5)生产厂家

国内生产端面发光塑料光纤的厂家有：江西大圣、四川汇源、南京箭特、上海致锦、深圳鑫凌。

3.通体发光塑料光纤的制备

1)概述

通体发光塑料光纤又称侧面发光光纤、线性光纤或线状光纤，它是一种纤芯与涂层折射率很接近的透明塑料光纤。光在通体发光塑料光纤中传输时，该光纤不仅将传输光从光纤的入射端面传输至出射端面，而且还会从光纤包覆层透射出一部分光，从而形成光纤通体(侧面)发光的现象。

2)原理

利用皮层和芯层的界面缺陷及皮层中的结晶区进行光散射，可导致侧面发光。每根光纤直径在0.1～2.0mm之间。

光学中有斯涅尔折射定律：

(7-3)

式中，n1、n2分别为介质1、介质2的折射率；θ1为光线入射角；θ2为通过分界面的折射角，即折射光线与法线的夹角。设n1>n2，当光线从光密介质(n1)进入光疏介质(n2)时，入射角θ1小，折射角θ2大，折射角偏离法线，当入射角达到或大于临界角时，发生全反射；反之，当光线从光疏介质(n2)进入光密介质(n1)时，入射角θ1大，折射角θ2小，折射光靠近法线，即在光密、光疏两介质分界面上，光线不会发生全反射。

如果选择芯体材料折射率低、包层折射率高的光纤结构，则当光线从折射率低的芯体传播至分界面时，根据斯涅尔折射定律，部分光线反射在芯体中继续传播，部分光线折射进入包层传播，不会有全反射发生。通过对光纤外表皮进行适当处理，光在包层传播过程中，就会不断地从侧面透出光，从而达到通体发光的目的。

3)制备方法及流程

通体发光光纤的制备方法有很多种，主要有损伤芯皮结构法、编织法、特殊助剂法、光纤多包层法等。这里只介绍损伤芯皮结构法和光纤多包层法。

(1)损伤芯皮结构法。该方法采用加热、加压或热模压法，使光纤的皮层结构不完整或厚度不均匀，或使芯皮界面出现缺陷。这样在光纤芯材中传输的光在芯皮界面发生全反射时，会因缺陷而使光从光纤中泄漏出来，从而达到通体发光的目的。

(2)光纤多包层法。光纤多包层法是在光纤纤芯包层(皮)之间增加一层低于芯材与包层(皮)折射率的材料，其厚度以小于传输波长的1/4为佳。这样光在芯皮界面发生全反射时，必然有一部分光从芯材传输至中间皮层，而由于中间皮层的折射率低于最外层折射率，因此这一部分光必会折射至最外皮层，从而使光纤通体发光。

制备通体发光塑料光纤的流程图如图7-10所示。

图7-10制备通体发光塑料光纤的流程图

4)应用举例

通体发光塑料光纤大多用于光纤吊灯和光纤瀑布等装饰照明，效果非常好。图7-11所示为通体发光光纤的应用实例。

图7-11通体发光光纤的应用实例

(a)(b)(c)

5)分类及特点

(1)根据通体发光塑料光纤中的光纤根数分类，有以下两种：

①单芯通体发光光纤：发光效率高，但使用长度不超过30m，温度过低的情况下会变硬、变脆。

②多芯通体发光光纤：可以在绞合的光纤束中增设中央反射芯，以提高通体发光效率。

(2)根据通体发光塑料光纤的芯材材质分类，有以下两种：

①固态芯通体发光光纤：制造工艺简单，能现场切割，柔软性好。

②液态芯通体发光光纤：柔软性好，亮度基本均匀，但制造工艺麻烦，不能现场切割，只能定制长度。

6)生产厂家

国内外生产通体发光塑料光纤的厂家有：四川汇源、江西大圣、上海致锦、中天科技、浙江华伦、武汉远城、美国Nufern等。

4.流星光纤的制备

1)概述

在端光光纤表面形成有规律的亮点分布的光纤，称为流星光纤。

2)结构与特点

流星光纤的结构示意图如图7-12所示。

流星光纤的特点是光纤上有深入包层和芯层的切口，切口深度大于包层的厚度，而小于光纤的半径；结构简单，变化多样，通过不同的创意组合可形成不同的产品形态；由于切口深度较深，因此其流星闪烁效果明显，可广泛应用于照明装饰领域。

图7-12流星光纤的结构示意图

3)制备方法及流程

流星光纤的制备方法主要有以下两种：

(1)挤压法。

(2)界面凝胶法：用于梯度折射率分布塑料光纤的制造。该法的工艺流程为：芯单体→芯混合溶液→烘箱→凝胶相→空心管→光纤预制棒→梯度折射率分布塑料光纤。

4)相关设备

图7-13～图7-15所示为制备流星光纤的相关设备。

图7-13塑料造粒机

图7-14JY双阶混炼挤出机

图7-15三层共挤高阻隔全自动塑料挤出机

5)性能指标

流星光纤的主要参数如表7-2所示。流星光纤的型号规格如表7-3所示。

表7-2流星光纤的主要参数表7-3流星光纤的型号规格6)应用场合

流星光纤主要应用于酒吧、宾馆、咖啡厅、KTV等。图7-16所示为流星光纤应用实物图。

7)生产厂家

国内生产流星光纤的厂家有四川汇源、江西大圣、台湾艾力、北玻科技产业中心、南京展瑞、南京箭特、南京特恩驰、北京星源奥特光电技术有限公司、上海致锦。国外生产流星光纤的厂家有Fibercore(Scientific-Atlanta的英国子公司，为全球领先的特种光纤制造商)、美国杜邦、加拿大CorActive、美国StockerYale、美国康宁、法国阿尔卡特朗讯、日本三菱、日本古河等。

图7-16流星光纤应用实物图

5.通信级塑料光纤的制备

1)概述

顾名思义，通信级塑料光纤指构成光纤的芯与包层都是塑料，并且是用作通信的光纤。其标准多模光纤的芯径为50μm，单模光纤的芯径为7～10μm，包层直径为125μm。这种光纤接续时可使用不带光纤定位套筒的便宜的注塑塑料连接器，即使光纤接续中心对准产生了±30μm的偏差，也不会影响耦合损耗。

2)发展

(1)

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了塑料光纤，其光损耗为3500dB/km，难以用于通信。

(2)

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，基本可以用于通信。

(3)

1983年NTT公司开始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光损耗降至20dB/km，这种光纤可传输从近红外光到可见光的光波。

(4)近年来，某些欧洲国家和日本的公司对塑料光纤的研制取得了重要的进展。它们研制成功的塑料光纤其光纤损耗已降到25～9dB/km，其工作波长已扩展到870μm(近红外光)。

(5)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100m内以3Mb/s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。

(6)四川汇源塑料光纤有限公司于2003年实现了低损耗PMMA阶跃型塑料光纤的规模生产，在国内尚属首家，同年通过了四川省科技厅的鉴定，其光纤损耗小于200dB/km，且制定了“通信级塑料光纤”国家行业标准。

(7)

2006年中科院化学所与深圳大圣光电技术有限公司(现为江西大圣塑料光纤有限公司)合作，联合开发出了PMMA塑料光纤，其光纤损耗小于200dB/km。2006年底，研制出了光纤损耗达153dB/km的塑料光纤。

3)制备方法及流程

(1)制备方法。

①挤压法。

②界面凝胶法。界面凝胶法比较复杂，其具体步骤如下：

第一，将高折射率掺杂剂置于芯单体中制成芯混合溶液。

第二，把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引发剂和链转移剂放入芯混合溶液中，再将该溶液投入一根作为包层材料的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的空心管内。第三，将装有芯混合溶液PMMA的管子放入一烘箱内，PMMA管内逐渐被混合溶液溶胀，在一定的温度和时间条件下PMMA管内壁开始聚合。在聚合过程中，PMMA管内开始溶胶-凝胶。在凝胶相中，分子运动速度减慢，聚合由于“凝胶作用”而加速，聚合物的厚度逐渐增厚。聚合终止于PMMA管子中心，从而获得一根折射率沿径向呈梯度分布的光纤预制棒。

第四，将塑料光纤预制棒送入加热炉内加温拉制成梯度型塑料光纤。

(2)流程图。

①挤压法流程，如图7-17所示。

②界面凝胶法流程，如图7-18所示。

图7-17生产通信级塑料光纤的挤压法工艺流程图

图7-18生产通信级塑料光纤的界面凝胶法工艺流程图

4)分类

通信级塑料光纤的分类如图7-19所示。

5)相关设备

生产通信级塑料光纤的相关设备如图7-20所示。图7-19通信级塑料光纤的分类图图7-20生产通信级塑料光纤的设备图

6)发展方向

通信级塑料光纤的发展方向是：降低损耗，增大通信距离，提高耐热性等。

7)特点

(1)优点：柔软，重量轻，抗挠曲、抗冲击强度高，能制成大直径，对不可见光的透过性好，价格便宜，抗辐照，易加工，接续成本低，抗化学腐蚀强于石英光纤。

(2)缺点：光损耗较大，带宽窄，传输光带狭窄(限于可见光区)，只能用于短距离传输，耐热性差，表面磨损性高于石英光纤。

8)生产厂家

生产通信级塑料光纤的厂家有美国杜邦、法国阿尔卡特朗讯、日本三菱、日本古河、四川汇源、江西大圣、台湾艾力、南京展瑞、南京箭特、上海致锦等。7.2.4塑料光纤的应用

通过塑料光纤，可实现智能家电(家用PC、HDTV、电话、数字成像设备、家庭安全设备、空调、冰箱、音响系统、厨用电器等)的联网，达到家庭自动化和远程控制管理，还可实现办公设备的联网。

POF重量轻且耐用，通过它可以将车载通信网络和控制系统组成一个网络，并将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中，还可通过塑料光纤网络在座位上享受音乐、电影、视频游戏、购物、Internet等服务。在军事通信上，POF正在被开发用于高速传输大量的保密信息，如利用POF重量轻、可挠性好、连接快捷、适于随身配戴的特点，将其用于士兵穿