學習情境七：塑料光纖制備7.1學習目標7.2學習內容

★掌握塑料光纖的分類；

★了解塑料光纖預制棒的制備；

★了解塑料光纖拉絲的過程；

★了解塑料光纖的涂覆；

★了解塑料光纖切口(打孔)工藝；7.1學習目標★了解生產設備；

★掌握塑料光纖的測試指標；

★掌握安全操作規程。

7.2.1塑料光纖的發展史與分類

1.發展史

塑料光纖(POF，PlasticOpticalFiber)的研究始于20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制備出了塑料光纖，但光損耗較大。1974年日本三菱人造絲公司以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，PolymethylMetharcylate)和聚苯乙烯為芯材、以低折射率的氟塑料為包層開發出了塑料光纖，其光損耗為3500dB/km，難以用于通信。7.2學習內容

20世紀80年代日本的一些大企業和大學對低損耗塑料光纖的制備進行了大量研究。1980年三菱公司以高純MMA(單體甲基丙烯酸甲酯)單體聚合PMMA，使塑料光纖的光損耗下降到100～200dB/km。1983年NTT公司開始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光損耗降至20dB/km，該光纖可傳輸從近紅外光到可見光的光波。

近年來，某些歐洲國家和日本研制成功的塑料光纖的光損耗已降到25～9dB/km，其工作波長已擴展到870μm(近紅外光)，接近石英玻璃光纖的實用水平。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100m內以3Mb/s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。

2001年下半年是歐洲塑料光纖工業發展的重要階段，在這段時間內建立了歐洲塑料光纖檢驗和測量的新發展方針。世界上第一個專用塑料光纖應用中心(POFAC)在德國Nuremberg落成。

2.塑料光纖的分類

按照應用不同，塑料光纖的分類如圖7-1所示。

圖7-1塑料光纖的分類7.2.2塑料光纖預制棒的制備

根據工藝不同，塑料光纖預制棒的制備方法主要有擠壓法、共擠法、預制棒紡絲法、一步成型法。下面著重介紹擠壓法和共擠法。

1．擠壓法

首先，將單體甲基丙烯酸甲酯通過減壓蒸餾提純后，加熱聚合；然后，將聚甲基丙烯酸甲酯加溫至拉絲溫度，用高純氮氣擠壓熔融聚合物，通過口模形成塑料光纖芯，同時擠出一層低折射率的氟樹脂作為被覆層，制成塑料光纖。

2．共擠法

所謂共擠法工藝，是在拉制POF過程中使用兩臺擠出機，一臺用于擠出芯材，另一臺用于擠出鞘材，兩臺擠出機通過同一模頭熔融擠出成型，再經牽引收卷即拉制成POF。

采用共擠法拉制POF，在設計中要考慮如下幾點：

(1)因是兩臺擠出機共同擠出，故其模頭設計相對于涂覆法模頭復雜得多，因此必須保證芯料和皮料在共擠模頭中能均勻、合理分配，其設計還要考慮到易于安裝、拆卸，且易于安裝加熱圈和熱電偶。

(2)物料流過的共擠模頭通道表面光潔度要求高，過渡部分呈流線型，收縮角要適當，需消除死角，以避免物料在模頭表面流速過慢或停滯不前，即消除物料長時間受熱降解以及從模頭流出時極不穩定的特性。

(3)口模決定POF的外形和結構。一般口模形狀如圖7-2所示。共擠法最關鍵的是復

合機頭的設計。PMMA由芯材擠出機擠入芯材流道1，含氟樹脂由鞘材擠出機擠入鞘材流道2，兩者在復合腔4內復合后共同擠出，成為光纖。在無牽引力的情況下，光纖的直徑會膨脹，約為復合腔直徑D0的十幾倍。為改善光纖的力學性能，需要15～25倍的牽引力。

圖7-2共擠法中的口模示意圖7.2.3各種塑料光纖的制備原理與過程

1.大芯徑塑料光纖的制備

1)概述

大芯徑塑料光纖的芯徑高達200～3000μm。大芯徑塑料光纖的分類如表7-1所示。大芯徑塑料光纖的實物圖如圖7-3所示。

表7-1大芯徑塑料光纖的分類圖7-3大芯徑塑料光纖的實物圖

2)制備方法及流程(擠壓法)

(1)將單體甲基丙烯酸甲酯(MMA)通過減壓蒸餾提純后，連同聚合引發劑和鏈轉移劑一并送入聚合容器中。

(2)將該容器放入電烘箱中加熱，放置一定時間，以使單體完全聚合。

(3)待其完全聚合后，加熱至拉絲溫度，并用干燥的氮氣從容器的上端對已熔融的聚合物加壓，該容器底部小孔便擠出一根塑料光纖芯，同時使擠出的纖芯外再包覆一層低折射率的聚合物，就制成了階躍型塑料光纖。

圖7-4塑料光纖生產設備的實物圖

3)主要技術指標

(1)衰減。大芯徑塑料光纖在波長650nm處的衰減大約為120dB/km，在850nm波長處的衰減為41dB/km，在1310nm波長處的衰減為33dB/km。

(2)帶寬。階躍折射率塑料光纖由于存在模間色散，傳輸帶寬僅為幾十至上百MHz·

km；梯度折射率分布塑料光纖在850～1310nm波長范圍內，傳輸帶寬可達幾百MHz·km至10GHz·km。

(3)熱穩定性。提高塑料光纖的熱穩定性的方法是：選用含氟或硅的塑料來制造塑料光纖，或者選擇塑料光纖的光源工作波長大于660nm，以使塑料光纖的熱穩定性長期不變。

4)特點

(1)芯徑大(為0.3～1.0mm)，接續時可采用POF連接器，在光纖接續對芯時，即便產生30μm的偏差也不會影響耦合損耗。

(2)數值孔徑大(為0.5左右)，受光角可達60°(石英光纖只有16°)，耦合效率高。

(3)撓曲性好，易于加工和使用。

(4)在可見光區有低損耗窗口。

(5)重量輕。

(6)成本及加工費用低。

5)應用

(1)室內裝飾。在室內裝飾中，用側面發光光纖來構成輪廊線條，光照均勻，顏色柔和，如圖7-5所示。

圖7-5塑料光纖室內裝飾圖

(2)水景照明，如室外噴泉水下照明、游泳池等裝飾照明。

(3)城市建筑，如建筑物局部或輪廓照明、廣告牌照明。

(4)園林綠化。

(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、展覽館、博物館的照明。

(8)易燃易爆場合，如油庫、礦區等嚴禁火種的危險場合的照明。

6)生產廠家

大芯徑塑料光纖的生產廠家有美國杜邦、法國阿爾卡特朗訊、日本三菱、日本古河、四川匯源、江西大圣、臺灣艾力、南京展瑞、南京箭特、上海致錦。

2.端面發光塑料光纖的制備

1)概述

光纖照明系統有兩種類型：一種是端面發光系統，即將光源發出的光從光纖束的首端面傳輸到光纖束的末端面，光纖束的末端面通常安裝有適當的光輸出裝置，以給出所要求的光分布形式，如定向式、投光式、標注式等，從而使光線照射到需要照明的地方；另一種為側面發光系統，即將光源發出的光從光纖束的側面透射出來，并且整段光纖的亮度都非常均勻，類似于霓虹燈的效果。端面發光的光纖束由若干根單絲光學纖維扎成，接收的一端往往做成圓形端面，另一端可以做成若干分支或異形端面。一個光源可供給由16根直徑為5mm的光導纖維組成的光纖束。

圖7-6為穩定型結構，采用無黏結劑壓制技術，可使光耦合效率達到最大，不會因光線高度聚集而引起光纖熔化或燃燒的危險。圖7-7為非穩定型結構，用黏結劑黏結，光耦合效率低。圖7-8為端面發光塑料光纖的實物圖。

圖7-6穩定型結構

圖7-7非穩定型結構

圖7-8端面發光塑料光纖的實物圖

2)原理

對于階躍型光纖，其折射率分布與結構如圖7-9所示。折射率的計算式為

(7-1)

其中：Δ為折射率相對差，且有

(7-2)

當g

=

∞時，就是階躍型光纖。

圖7-9階躍型光纖的折射率分布與結構示意圖

3)材料選擇

芯材可選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，包層選用氟樹脂；或者芯材選用聚苯乙烯(PS)，包層選用PMMA。

4)制備

端面發光塑料光纖的制備方法通常為擠壓法和共擠法，這兩種方法已在前面作過詳細介紹，此處不再重復。

5)生產廠家

國內生產端面發光塑料光纖的廠家有：江西大圣、四川匯源、南京箭特、上海致錦、深圳鑫凌。

3.通體發光塑料光纖的制備

1)概述

通體發光塑料光纖又稱側面發光光纖、線性光纖或線狀光纖，它是一種纖芯與涂層折射率很接近的透明塑料光纖。光在通體發光塑料光纖中傳輸時，該光纖不僅將傳輸光從光纖的入射端面傳輸至出射端面，而且還會從光纖包覆層透射出一部分光，從而形成光纖通體(側面)發光的現象。

2)原理

利用皮層和芯層的界面缺陷及皮層中的結晶區進行光散射，可導致側面發光。每根光纖直徑在0.1～2.0mm之間。

光學中有斯涅爾折射定律：

(7-3)

式中，n1、n2分別為介質1、介質2的折射率；θ1為光線入射角；θ2為通過分界面的折射角，即折射光線與法線的夾角。設n1>n2，當光線從光密介質(n1)進入光疏介質(n2)時，入射角θ1小，折射角θ2大，折射角偏離法線，當入射角達到或大于臨界角時，發生全反射；反之，當光線從光疏介質(n2)進入光密介質(n1)時，入射角θ1大，折射角θ2小，折射光靠近法線，即在光密、光疏兩介質分界面上，光線不會發生全反射。

如果選擇芯體材料折射率低、包層折射率高的光纖結構，則當光線從折射率低的芯體傳播至分界面時，根據斯涅爾折射定律，部分光線反射在芯體中繼續傳播，部分光線折射進入包層傳播，不會有全反射發生。通過對光纖外表皮進行適當處理，光在包層傳播過程中，就會不斷地從側面透出光，從而達到通體發光的目的。

3)制備方法及流程

通體發光光纖的制備方法有很多種，主要有損傷芯皮結構法、編織法、特殊助劑法、光纖多包層法等。這里只介紹損傷芯皮結構法和光纖多包層法。

(1)損傷芯皮結構法。該方法采用加熱、加壓或熱模壓法，使光纖的皮層結構不完整或厚度不均勻，或使芯皮界面出現缺陷。這樣在光纖芯材中傳輸的光在芯皮界面發生全反射時，會因缺陷而使光從光纖中泄漏出來，從而達到通體發光的目的。

(2)光纖多包層法。光纖多包層法是在光纖纖芯包層(皮)之間增加一層低于芯材與包層(皮)折射率的材料，其厚度以小于傳輸波長的1/4為佳。這樣光在芯皮界面發生全反射時，必然有一部分光從芯材傳輸至中間皮層，而由于中間皮層的折射率低于最外層折射率，因此這一部分光必會折射至最外皮層，從而使光纖通體發光。

制備通體發光塑料光纖的流程圖如圖7-10所示。

圖7-10制備通體發光塑料光纖的流程圖

4)應用舉例

通體發光塑料光纖大多用于光纖吊燈和光纖瀑布等裝飾照明，效果非常好。圖7-11所示為通體發光光纖的應用實例。

圖7-11通體發光光纖的應用實例

(a)(b)(c)

5)分類及特點

(1)根據通體發光塑料光纖中的光纖根數分類，有以下兩種：

①單芯通體發光光纖：發光效率高，但使用長度不超過30m，溫度過低的情況下會變硬、變脆。

②多芯通體發光光纖：可以在絞合的光纖束中增設中央反射芯，以提高通體發光效率。

(2)根據通體發光塑料光纖的芯材材質分類，有以下兩種：

①固態芯通體發光光纖：制造工藝簡單，能現場切割，柔軟性好。

②液態芯通體發光光纖：柔軟性好，亮度基本均勻，但制造工藝麻煩，不能現場切割，只能定制長度。

6)生產廠家

國內外生產通體發光塑料光纖的廠家有：四川匯源、江西大圣、上海致錦、中天科技、浙江華倫、武漢遠城、美國Nufern等。

4.流星光纖的制備

1)概述

在端光光纖表面形成有規律的亮點分布的光纖，稱為流星光纖。

2)結構與特點

流星光纖的結構示意圖如圖7-12所示。

流星光纖的特點是光纖上有深入包層和芯層的切口，切口深度大于包層的厚度，而小于光纖的半徑；結構簡單，變化多樣，通過不同的創意組合可形成不同的產品形態；由于切口深度較深，因此其流星閃爍效果明顯，可廣泛應用于照明裝飾領域。

圖7-12流星光纖的結構示意圖

3)制備方法及流程

流星光纖的制備方法主要有以下兩種：

(1)擠壓法。

(2)界面凝膠法：用于梯度折射率分布塑料光纖的制造。該法的工藝流程為：芯單體→芯混合溶液→烘箱→凝膠相→空心管→光纖預制棒→梯度折射率分布塑料光纖。

4)相關設備

圖7-13～圖7-15所示為制備流星光纖的相關設備。

圖7-13塑料造粒機

圖7-14JY雙階混煉擠出機

圖7-15三層共擠高阻隔全自動塑料擠出機

5)性能指標

流星光纖的主要參數如表7-2所示。流星光纖的型號規格如表7-3所示。

表7-2流星光纖的主要參數表7-3流星光纖的型號規格6)應用場合

流星光纖主要應用于酒吧、賓館、咖啡廳、KTV等。圖7-16所示為流星光纖應用實物圖。

7)生產廠家

國內生產流星光纖的廠家有四川匯源、江西大圣、臺灣艾力、北玻科技產業中心、南京展瑞、南京箭特、南京特恩馳、北京星源奧特光電技術有限公司、上海致錦。國外生產流星光纖的廠家有Fibercore(Scientific-Atlanta的英國子公司，為全球領先的特種光纖制造商)、美國杜邦、加拿大CorActive、美國StockerYale、美國康寧、法國阿爾卡特朗訊、日本三菱、日本古河等。

圖7-16流星光纖應用實物圖

5.通信級塑料光纖的制備

1)概述

顧名思義，通信級塑料光纖指構成光纖的芯與包層都是塑料，并且是用作通信的光纖。其標準多模光纖的芯徑為50μm，單模光纖的芯徑為7～10μm，包層直徑為125μm。這種光纖接續時可使用不帶光纖定位套筒的便宜的注塑塑料連接器，即使光纖接續中心對準產生了±30μm的偏差，也不會影響耦合損耗。

2)發展

(1)

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出了塑料光纖，其光損耗為3500dB/km，難以用于通信。

(2)

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100～200dB/km，基本可以用于通信。

(3)

1983年NTT公司開始用氘取代PMMA中的H原子，使最低光損耗降至20dB/km，這種光纖可傳輸從近紅外光到可見光的光波。

(4)近年來，某些歐洲國家和日本的公司對塑料光纖的研制取得了重要的進展。它們研制成功的塑料光纖其光纖損耗已降到25～9dB/km，其工作波長已擴展到870μm(近紅外光)。

(5)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100m內以3Mb/s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。

(6)四川匯源塑料光纖有限公司于2003年實現了低損耗PMMA階躍型塑料光纖的規模生產，在國內尚屬首家，同年通過了四川省科技廳的鑒定，其光纖損耗小于200dB/km，且制定了“通信級塑料光纖”國家行業標準。

(7)

2006年中科院化學所與深圳大圣光電技術有限公司(現為江西大圣塑料光纖有限公司)合作，聯合開發出了PMMA塑料光纖，其光纖損耗小于200dB/km。2006年底，研制出了光纖損耗達153dB/km的塑料光纖。

3)制備方法及流程

(1)制備方法。

①擠壓法。

②界面凝膠法。界面凝膠法比較復雜，其具體步驟如下：

第一，將高折射率摻雜劑置于芯單體中制成芯混合溶液。

第二，把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引發劑和鏈轉移劑放入芯混合溶液中，再將該溶液投入一根作為包層材料的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的空心管內。第三，將裝有芯混合溶液PMMA的管子放入一烘箱內，PMMA管內逐漸被混合溶液溶脹，在一定的溫度和時間條件下PMMA管內壁開始聚合。在聚合過程中，PMMA管內開始溶膠-凝膠。在凝膠相中，分子運動速度減慢，聚合由于“凝膠作用”而加速，聚合物的厚度逐漸增厚。聚合終止于PMMA管子中心，從而獲得一根折射率沿徑向呈梯度分布的光纖預制棒。

第四，將塑料光纖預制棒送入加熱爐內加溫拉制成梯度型塑料光纖。

(2)流程圖。

①擠壓法流程，如圖7-17所示。

②界面凝膠法流程，如圖7-18所示。

圖7-17生產通信級塑料光纖的擠壓法工藝流程圖

圖7-18生產通信級塑料光纖的界面凝膠法工藝流程圖

4)分類

通信級塑料光纖的分類如圖7-19所示。

5)相關設備

生產通信級塑料光纖的相關設備如圖7-20所示。圖7-19通信級塑料光纖的分類圖圖7-20生產通信級塑料光纖的設備圖

6)發展方向

通信級塑料光纖的發展方向是：降低損耗，增大通信距離，提高耐熱性等。

7)特點

(1)優點：柔軟，重量輕，抗撓曲、抗沖擊強度高，能制成大直徑，對不可見光的透過性好，價格便宜，抗輻照，易加工，接續成本低，抗化學腐蝕強于石英光纖。

(2)缺點：光損耗較大，帶寬窄，傳輸光帶狹窄(限于可見光區)，只能用于短距離傳輸，耐熱性差，表面磨損性高于石英光纖。

8)生產廠家

生產通信級塑料光纖的廠家有美國杜邦、法國阿爾卡特朗訊、日本三菱、日本古河、四川匯源、江西大圣、臺灣艾力、南京展瑞、南京箭特、上海致錦等。7.2.4塑料光纖的應用

通過塑料光纖，可實現智能家電(家用PC、HDTV、電話、數字成像設備、家庭安全設備、空調、冰箱、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，還可實現辦公設備的聯網。

POF重量輕且耐用，通過它可以將車載通信網絡和控制系統組成一個網絡，并將微型計算機、衛星導航設備、移動電話、傳真等外設納入機車整體設計中，還可通過塑料光纖網絡在座位上享受音樂、電影、視頻游戲、購物、Internet等服務。在軍事通信上，POF正在被開發用于高速傳輸大量的保密信息，如利用POF重量輕、可撓性好、連接快捷、適于隨身配戴的特點，將其用于士兵穿