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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一二年十一月目 录中文摘要.4绪论.61网络与通信的发展趋势.81.1网络的发展趋势.81.2通信的发展趋势.82光纤通信的优势 .112.1铜缆传输的缺陷.112.2采用光纤通信的优点.113塑料光纤.133.1塑料光纤的概念.133.2塑料光纤和石英光纤的比较.133.3塑料光纤的传光原理.143.3.1光的基础知识.143.3.2几何光学理论.153.3.3子午光线在阶跃型POF中的传输.153.3.4子午线在阶跃型光纤中的几何行程和反射次数.163.3.5
2、斜光线在阶跃型折射率POF中的传输.163.3.6光在渐变型折射率分布POF中的传输.163.3.7侧面发光POF的传光原理.173.3.8荧光POF的传光原理.174 塑料光纤在工程中应用.195塑料光纤研究中需解决的问题.206塑料光纤应用前景.217结论.22致谢.23参考文献.24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，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
3、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PMM
4、A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
5、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
6、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、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教授开发成功折射率渐变型的塑料光
7、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
8、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)，采用吸附分离，传输带宽绪 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-
9、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
10、。现在美欧日已把塑料光纤用于短途传输，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(24
11、Mbit/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。国内外塑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
12、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FTTH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，
13、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
14、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
15、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明树脂ARTON（norbornene,冰片烯）制造的SI-POF，耐热170摄氏度，预计2001年上半年即可供应汽车市场。1网络与通信的发展趋势1.1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
16、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
17、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
18、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。1.2通信的发展趋势1.2.1 物联网应用越来越多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
19、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。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
20、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整体解决方案 1.2.2 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
21、也展出了三网融合及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。1.2.3 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。华为展示了“云-管-端：信息服务新架构”解决方案，首次以“
22、云”的方式 进行现场信息演示，实现远程资源共享。1.2.4 4G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，还可用笔 记本电脑接收1080P高清视频。中兴通讯进
23、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 目前，中国3G网络覆盖虽然在逐步完善，但是终端、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、M
24、obileMarket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 虽然是通信展，但平板电脑及电子书产品也占据了展台上了部分展位，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
25、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。 2光纤通信的优势2.1铜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
26、环境来说，是很难做到的。2.2采用光纤通信的优点2.2.1频带宽，通信容量大 光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987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。 2.2.2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
27、光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，由非石英系极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。 2.2.3 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。2.2.4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好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干
28、扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。2.2.5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。 2.2.6光纤的原材料资源丰富 光纤的材料主要是石英(
29、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，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。 3塑料光纤3.1塑料光纤的概念塑料光纤(polymer optical fiber, 简写为POF)是由高折
30、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。3.2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
31、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&plun;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，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
32、，接续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
33、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3.3.1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
34、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
35、-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、微波、短波、中波和长波等。而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/nm390-430 430-450 450-500 500-570 570-600 600-630 630-760 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
36、，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，PO
37、F皮材为光疏介质，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。3.3.2 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，通常采用直线来描述，它是研究光在介质中传播的基础
38、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，反射光线同法线组成的角称为反射角，反射角等于
39、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
40、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。3.3.3子午光线在阶跃型POF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
41、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
42、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。3.3.4子午线在阶跃型光纤中的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
43、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。3.3.5斜光线在阶跃型折射率POF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。3.3.6光在渐变型折射率分布POF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
44、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，可以说是一种极低能量的传输，亦满足如上所述的公式。 3.3.7侧面发光POF的传光
45、原理 侧面发光POF是指光在光纤传输过程中，不仅将传输光从光纤的入射端面传输至出射端面，而且还有一部分光从光纤包覆层透射出来，从而形成光纤侧面发光的现象，这种光纤被称为侧面发光POF,其传光示意图如下，其实质是传输光有一部分从光纤侧面泄漏出，是一种光散射的结果，对于单芯侧面发光POF多是由非固有损耗产生的，而对于多芯侧面发光POF则是由于弯曲损耗产生的。 侧面发光POF最显著的特征是侧面发光，据Janis Spigulis等人5.推算，侧面发光POF的侧面发光强度是随其长度的增加而呈指数性下降的，同于普通光纤光传输方向的发光强度是随其传输长度的增加呈指数下降，在作出如下假定后而得出的结论：侧面
46、发光的原理仅被认为是由于光纤芯传输辐射引起的。所有最初的侧面散射光没有损耗穿透光纤圆形表面，其结果是均匀地传输至光纤外表面。侧面发光POF在长度为X米处的发光强度Is(x)可用如下公式表示：Is(x)=Aexp(-kx)其中 K为侧面发光系数，单位m-1，常数A可用如下式表示：A=(4)-1I。(expk-1)其中I。是侧面发光POF光输入强度。因此在实际使用过程中，为保证侧面发光POF侧面发光强度的均匀性，通常限制侧面发光POF的使用长度，并且在侧面发光POF的两端皆设置相同功率的光源或者一端设置全反射镜或反光膜，当然前者在更长的使用长度上保证光纤侧面发光的均匀性，选用双光源的侧面发光POF
47、在某一处的发光强度IS2(x)可用如下公式（26）计算。IS2(x)=Aexp(-kx)+exp-k(L-x)其中L为侧面发光POF总长度。 选用全反射镜计算的侧面发光POF强度可用如下公式计算, 侧面发光POF的发光强度和距离的关系ISR(x)=Aexp(-kx)+Rexp-k(2L-x)其中R为镜面反射率。 因存在光传输损耗，侧面发光的亮度将随着与光源距离的增大而减小，为使光纤单位长度内的亮度接近一致，可对单端光源的光纤按长度进行刻痕处理，随光纤长度递增，刻痕间距递减。在实际使用过程中，当侧面发光POF的使用长度在30m以下时，多配用一台150W金卤灯光源，另端配用反光镜或反光膜；当侧面发光POF的使用长度在3060m之间时，多配用两台150W金卤灯光源，以保证侧面发光POF的侧面发光的均匀性，下图为实测三根直径为14mm的侧面发光POF侧面光照度示意图，可以看出当选用一台150W金卤灯光源时，1.5m处POF侧光照度为800lx左右，而60m处的照度不到20lx，照度计测试时离光纤的表面距离为2.5cm。3.3.8荧光POF的
