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世界光导纤维的开发生产应用与发展前景分析
发布时间: 2017-07-15

        一、光导纤维的定义 
        光导纤维是指光以波导方式在其中传输的光学介质材料。简称光纤。光导纤维由纤芯和包层两部分组成。有两种纤维结构可以形成波导传输,即阶跃(折射率)型和梯度(折射率)型。阶跃型光导纤维的纤芯与包层间折射率是阶梯状的,纤芯的折射率大于包层,入射光线在纤芯和包层间界面产生全反射,因此呈锯齿状曲折前进。梯度型光导纤维的纤芯折射率从中心轴线开始向着径向逐渐减小。因此,入射光线进入光纤后,偏离中心轴线的光将呈曲线路径向中心集束传输,光束在梯度型光导纤维中传播时,形成周期性的会聚和发散,呈波浪式曲线前进。故梯度型光导纤维又称聚焦型光导纤维。
        二、光导纤维的发展历史回顾
        光导纤维的研制成功首先是使人类的通迅技术得到了前所未有的发展。自从1977年美国加利福尼亚洲通用电话公司安装第一套光纤通讯系统以后,发展十分迅猛,至今已普遍使用。目前,英国建成l5条光纤通讯线路,自1984年起就不再铺设金属通讯电缆。法国的旅游城市比亚次,是世界上第一个光纤化的城市。光纤也大量应用于汽车、飞机、舰船内部的短距离通迅系统。处于当今信息爆炸的世界,人们对提高无线电波传递信息容量给予了极大的关注,光纤通信就是这一征程上的重大里程碑。
        近年来,随着现代科学技术的迅猛发展,光导纤维已经在通信、电子和电力等领域日益扩展,成为大有前途的新型基础材料,与之相伴的光纤技术也以新奇,便捷赢得人们的青睐。据报道,美国拉里安公司早已经成功地运用光纤完成了输电功能,在电力领域中开拓一条新的途径。他们在发送端利用半导体激光二极管,把电能转变为激光在光纤中传送,在接收端,他们用太阳能电池作为接收端器件。这种器件用300微米厚的砷化镓作为绝缘基片,上面覆盖着20微米厚的太阳能电池。它被分为6个独立的区域 这些区域由镀金的空气桥串联起来,当由光纤传来的激光照射到太阳能电池时,光能立即变成电能。每个区域产生的电压恰好是1伏,6个区域串联起来就有6伏电压,足可供应大多数传感器的控制电路使用。如果把激光二极管的功率继续提高,再配上整套的电能传送系统,光纤输电就可以广泛使用于军事、工业、商业等各个方面。
        法国专门从事计算机、电子工业、信号处理和图像技术的波根实验室,利用光的孤波子和短冲脉,可在光纤内实现无失真传输。这一技术可解决色散和非线性效应问题,无需沿光缆设置多个再生装置。工作时只需在每100公里左右的地方放置一个放大器 孤波子就可以相互穿越,互不干扰。美国通讯保密专家研制成一种无规律载波信号光纤通汛技术,专门用于对付当今日益猖獗、手段高明的窃听高手。这项技术首先将话音之类的有用信息转换为数字脉冲信号,然后再将这些数字脉冲信号编码,调制到无规律变化的随机微波载体上。发送时,激光发射装置将载有信息的无规律载波信号经光纤通讯系统发射至收讯方。收讯方的激光接收机以专用技术与发送激光装置同步动态协调工作,最终完成将有用信号从无规律载体上解调的任务。使用该技术,窃听高手们将再也没有用武之地了,因为他们只能听到杂乱无章的噪音。
        澳大利亚保林公司,近年来研制成一种光纤秤,利用一根光纤和一个激光器就可以给汽车称重。这种光纤秤利用了一种电阻特性非常特别的光纤,当它受到压力或者张力时,光纤会发生轻微的变形,导致激光特征发生变化,这时探测器会立即将这一变化转化为电信号,从而在仪器上显示出来。而根据美刊的报道,由美国波士顿光纤公司研制的一种塑料光纤,具有非凡的发展前景,它的传输速度比现有的标准铜线快30倍。近年来,由于光纤通讯技术的异军突起,以海底光缆代替海底电缆已成为发展趋势。最近几年来,全世界已经铺设海底光缆达37万公里,这是一个连接全世界的海底通信光纤电缆铺设,这是通信领域中最宏伟的工程,得到全世界30个国际电信组织的支持,它横跨大西洋、穿越地中海、经红海和印度洋,最后进入太平洋,全程32万公里,连接175个国家和地区,能够同时使240万部电话通话或同时传输几十万幅压缩的画面。全部工程耗资140亿美元左右,该工程已经在2003年完工。        

        三、光导纤维的分类与制备工艺情况
        1. 光导纤维的分类
        1.1按材料组成分类
        光导纤维按材料组成可分为玻璃石英和塑料光导纤维。光导纤维按其芯材的不同,可分为石英系光纤、多组分玻璃光纤和塑料光纤。塑料光导纤维具用模量低、直径大、弯曲特性好、不易破断、重量轻、色散小、成本低等许多优点。POF(塑料光导纤维)要求聚合物具用极优良的透明性、适当的折射率;芯材和皮层接口粘接性良好;光学上要求等向性,在可见光区不吸收、不散射;芯材折射率高,皮层低;另外还要求为非晶态、有耐高温和强韧性。 
        确实,制造有机导光纤维的内芯和涂层材料很多,有的在聚甲基丙烯酸甲酯纤维上覆盖一层聚乙烯或其它不同折射率的材料(如聚四氟乙烯),还有的采用聚丙烯腈树脂覆盖腈纶芯丝。
        1.2按纤维结构分类
        按纤维结构可分为皮芯型和自聚集型。光导纤维在结构上大体分为两类。一类是芯皮型结构光导纤维。取下一截这种结构的光导纤维,把它放在显微镜下观察。断面中央有一根芯,直径只有几十微米,芯的四周是一圈包皮。芯是用折射率高的透明玻璃材料做成的,包皮则是用折射率低的玻璃或塑料做成的。另一类光导纤维叫自聚焦纤维,它传导光线的工作原理和芯皮型结构光导纤维不同。这类光导纤维好像是由许多微型透镜组成的,能迫使入射光线逐渐自动地向纤维的中心轴方向靠拢,进行聚焦,由此保证入射光线不会从纤维材料中漏出去。
        根据结构和光传输特点,塑料光导纤维通常分两种类型,即全反射型和自聚焦型。全反射型光导纤维由高折射率的芯材和低折射率的包层构成,两者之间能形成良好的光学接口,且均为透明塑料,其直径范围为几十至l000pm。
        1.3按形状和柔性分类
        按形状和柔性分为可挠性和不可挠性光导纤维;
        1.4按传递光的波长分类
        按传递光的波长分为可见光、红外线、紫外线、激光等光导纤维。
        1.5按化学组成分类
        光导纤维按化学组成分为熔石英玻璃光纤、氟化物玻璃光纤和硫化物玻璃光纤等。
        1.6按应用分类
        按应用又分为通信光纤,主要用于光纤通信代替同轴电缆和微波通信。
        据悉,传感光纤,用于制造光纤传感器,具有灵敏度高、抗干扰性强等优点;传光光纤,用于传输激光,已在激光加工、激光医疗等设备上发挥了作用;激光光纤,可用作高增益的光纤激光器和放大器。光学上把具有一定频率、一定的偏振状态和传播方向的光波称做光波的一种模式。只允许传输一个模式光波的光导纤维称为单模光导纤维;允许同时传输多个模式光波的光导纤维称为多模光导纤维。
        2. 光导纤维的制备工艺
        根据光线从光密介质(高折射率)射入光疏介质(低折射率)时在界面处向光密介质内反射的原理,光线通过光纤时经反复反射向前输送。由于制造方法的不同,全反射型光导纤维又分为多模光纤和单模光纤。塑料光纤制备的工艺流程:单体精制→聚合→纺丝→包层和拉伸→光缆加工。
        在众多的透明塑料中,只有那些拉抻时不产生双折射和偏光的品种才适合制造光纤。用于生产芯子的塑料主要有聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、重氢化聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等。用于生产包层的塑料主要有多氟烷基侧链的聚甲基丙烯酸酯类、偏氟乙烯一四氟乙烯共聚物、有机硅树脂、尼龙以及液晶等。各种不同类型的光纤成型方法又各有差异。全反射型光导纤维目前有棒管法、沉积法和复合纺丝法3种加工方法。
        2.1棒管法
        棒管法是将芯料高聚物制成棒状,外面套上包层材料管,然后再一起加热到高弹态进行拉伸制成光纤; 
        2.2沉积法
        沉积法是将包层材料溶解或熔化为液态,然后使芯子从中穿过。从而使其附着在芯材上形成包层;
        2.3复合纺丝法
        复合纺丝法则分别把芯子和包层两种成纤高聚物溶融,用复合喷丝板纺丝成型。自聚焦型光纤是将具有不同折射率和聚合反应速度的单体注入一垂直的聚合管中,在旋转的情况下,通过光或热激发使之发生共聚,聚合物从管壁向轴中心逐渐析出,随着单体转化为聚合物的转化率上升,共聚物的折射率不断变化,最终得到折射率由里至外逐渐下降呈抛物线分布的产物。
        除上述方法外,自聚焦型光纤还可用离子交换法、单体扩散法和共混法制备。但自聚焦型光纤多处于实验和试制阶段,所以实用光纤仍以全反射型为主。界面凝胶共聚法是当前研究最多且用途最为广泛的POF的最新制备方法。为了得到折射率从中心轴到包层逐渐变化的材料,通常采用两种不同折射率和反应活性的单体如MMA和VPAC,在共聚前单体应被很好地纯化;用0.5N的NaOH溶液洗涤除去单体中的抑制剂,再用蒸馏水反复将剩余的NaOH洗净,然后经无水硫酸纳干燥后减压蒸馏,过滤。以过氧化苯甲酰和n一丁基硫醇作聚合引发剂和链转移剂,在PM—MA管内于80℃条件的马福炉中反应,在管内壁附近形成凝胶层(内壁溶解于单体而形成),由于在凝胶相中的聚合速度比单体液相快得多,所以聚合反应将从管内壁处开始,并且主要是MMA的聚合,故在包层附近折射率是低的。随着共聚相逐渐加厚,单体相中聚合物含量也会慢慢增加。随着反应的不断进行,折射率将不断增加,从而给出从包层到中心轴折射率逐渐增大的分布。最后所得的实芯棒在减压力下热处理8小时,然后在230℃-250℃下拉成纤维即可得到塑料光纤。
        四、光导纤维的应用与发展前景分析 
        1. 光导纤维的应用
        光导纤维的特性决定了其广阔的应用领域。由光导纤维制成的各种光导线﹑光导杆和光导纤维面板等,广泛地应用在工业﹑国防﹑交通﹑通讯﹑医学和宇航等领域。特别是便宜和易于使用的塑料光纤已受到人们的青睐。用塑料光纤制的光缆比普通电缆更为快捷地传送信息,并几乎可提供无限容量来满足信息时代的需要。与石英光纤相比,POF(光导纤维)具有:同批量生产时制造成本要便宜得多,仅为石英光纤的一半;更易端接(其纤芯大约为1mm),且端接成本少。通常联接一个石英光纤接口需数十或上百美元,而相应的POF接口仅需几美分;极好的韧性,重量轻,易于加工,对振动不敏感,在弯曲场合更适用;新型廉价的光源、检测器和联接器更便于发挥POF的优势,如红色垂直腔而发光激光器(VC-SELS)随时准备取代昂贵的近紫外发光二极管(LED),并提供高得多的数据传输速度。 
        1.1通信领域
        光导纤维最广泛的应用在通信领域,即光导纤维通信。自20世纪60年代以来,由于在光源和光纤方面取得了重大的突破,使光通信获得异常迅速的发展。作为光源的激光方向性强﹑频率高,是进行光通信的理想光源;光波频带宽,与电波通信相比,能提供更多的通信通路,可满足大容量通信系统的要求。因此,光纤通信与卫星通信一并成为通信领域里最活跃的两种通信方式。
        1.2医学领域
        在医学上,光导纤维可以用于食道﹑直肠﹑膀胱﹑子宫﹑胃等深部探查内窥镜(胃镜﹑血管镜等)的光学组件和不必切开皮肉直接插入身体内部,切除癌瘤组织的外科手术激光刀,即由光导纤维将激光传递至手术部位。
        1.3照明和光能传送领域
        在照明和光能传送方面,利用光导纤维进短距离可以实现一个光源多点照明,光缆照明,可利用塑料光纤光缆传输太阳光作为水下﹑地下照明。由于光导纤维柔软易弯曲变形,可做成任何形状,以及耗电少﹑光质稳定﹑光泽柔和﹑色彩广泛,是未来的最佳灯具,如与太阳能的利用结合起来将成为最经济实用的光源。今后的高层建筑﹑礼堂﹑宾馆﹑医院﹑娱乐场所﹑甚至家庭依据都可直接使用光导纤维制成的天花板或墙壁,以及彩织光导纤维字画等,也可用于道路﹑公共设施的路灯﹑广场的照明和商店橱窗的广告。此外,还可用于易燃﹑易爆﹑潮湿和腐蚀性强的环境中不宜架设输电线及电气照明的地方作为安全光源。
        1.4国防军事领域
        在国防军事上,光导纤维也有广泛的应用,可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜,装备在潜艇﹑坦克和飞机上。光纤通讯的另一特点是其保密性好、不受干扰且无法窃听,这一优点使其广泛应用于军事领域。在国防军事上,可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜,装备在潜艇、坦克和飞机上,用于侦察复杂地形或深层屏蔽的敌情。
        1.5工业领域
        在工业上,可传输激光进行机械加工;制成各种传感器用于测量压力、温度、流量、位移、光泽、颜色、产品缺陷等,也可用于工厂自动化、办公自动化、机器内及机器间的信号传送、光电开关、光敏组件等。此外,光缆可不受雷电的侵扰而正常工作,从而保护与之联结的家电和精密仪器免遭雷击损坏。如美国杜邦公司的光纤有80%用于汽车工业,可用于前灯、尾灯、开关和仪表盘的照明以及制动器的监控等。在自控领域,塑料光纤组成的控制线路可防止噪声的产生及因外部噪声引起的误动作,在解决设备的抗电磁干扰方面效果显著。此外,光纤技术还可用于阅读穿孔卡片、光开关、飞点析像器、图像的缩小和放大、火焰及高温监控、道路标志、装饰照明等。
        荧光POF是在芯材中掺人一定量的荧光剂,其入射端面输入特定波长的光,这种光为荧光剂所吸收,然后发出另一特定波长的光,由POF出射端面输出。可用荧光POF制作特殊的光纤传感器或功率放大器,荧光POF极具发展潜力。偶极性有机材料比无机材料有更大的非线性光学效应。带偶极特性有机材料同芯材混合,用垂直机头牵引挤出成型,并在靠近模头处设置高强直流电场,这样处于粘流态聚合物中的偶极性有机物获得电场取向,随着粘流态聚合物的冷却成型,非线性有机材料偶极取向固定,从而获得非线性POF。这种非线性POF可制作电光及非线性光学器件。
        1.6其他领域
        光导纤维还可用于火车站、机场、广场、证券交易场所等大型显示屏幕,短距离通讯和数据传输,将光电池纤维布与光导纤维布巧妙地结合在一起可制成夜间放光的夜行衣。
        2. 光导纤维的发展前景
        近年来塑料光导纤维得到了迅速的发展,以聚苯乙烯为芯、有机玻璃为外皮是最简单的一种。与石英光导纤维相比,塑料光导纤维柔软、易加工、质量轻、价廉,广泛应用在某些设备或建筑内部传递光信号,或用作装饰与广告陈列室等等;还可用作光传导器。而最近几年来,从低损耗POF成为研究热点到现今GI型POF成为研究生产重点,每种POF的研制成功都提高了POF的某些性能,扩展了其应用范围,迄今POF已广泛应用于光学器具、汽车、情报办公机器、装饰广告等;还在低码速LAN中和家庭信息网络中得到应用,并将与无机纤维一起取代同轴电缆作为传输介质以及飞速发展的数字化家庭音响系统等;此外还用于防爆安全光制导、医学窥镜等。 此外,POF在今后的发展过程中还需在耐热性、提高最佳传输波长、细径化、功能化等方面得到发展。如日本旭硝子公司与庆应大学共同开发了传输速度很高的塑料光导纤维,不久即可上市。这种光导纤维是用非晶质透明全氟树脂制成的,直径是石英制玻璃光导纤维的30倍左右,但其性能优于石英材料的光导纤维,并且比较柔软。在信息传输速度上,它比聚甲基丙酸甲酯(PMMA)塑料制光导纤维约快10倍。这种新型光导纤维适合于构筑办公室和家庭内部的局部通信网路,传输高清晰度的电视图像等信号。21世纪POF市场中心将由日本移回美国,GI型POF将在信息高速公路中获得充分发展。中国POF的发展与国际发展水平相差较远,应借鉴国外经验和最新成果,选定POF材料品种和生产路线,进行国际合作,以求早日赶上国际水平。
        五、结束语
        中国光导纤维产量1999年为430万千米,满足了国内市场的一半,但80%~90%靠进口。另外,保偏光纤、有源光纤、红外光纤等特光纤材料尚未产业化。中国光导纤维2005年需求量达到了1400万千米左右,光导纤维预制体300吨,中国2006-2007年光导纤维需求量仍然呈现出上升态势,预计2010年中国光导纤维需求量2000万千米左右。值得一提的是:用光波作载波进行信息传送,最具吸引力的地方就是光波频率极高,能携带的信息量极大。光导纤维是由高折射率、高透明度的芯子和低折射率的皮层所组成,当入射进光纤芯子的光与轴线夹角小于全反射临界角时,光线在芯皮界上发生全反射,因此载波光得以在芯子中曲径前进,而不穿出包层。它与普通通讯电缆相比,具有信息容量大、重量轻(塑料光纤比重一般仅为1左右)、占有空间小、耦合损耗低、串话少、保密性极强、价格低、加工方便等优点,因此,光纤通讯取代电缆和微波通讯是当今通讯技术的发展趋势。另外,POF必将成为光纤人户和到桌面工程理想的首选材料,在信息高速公路工程中产生举足轻重的作用,具用广阔的应用前景和巨大的社会和经济效益。

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