1 前言                    

    说起通信用光纤的分类，大家比较容易想到：多模、单模、G.652、G.654等。常用的光纤材质几乎都是玻璃，但还有一类光纤的材质是塑料，我们称之为塑料光纤(Plastic Optical Fiber，简称POF)。

    通信用塑料光纤（以下简称塑料光纤）发展的起步几乎与玻璃光纤一致，都是从上世纪六十年代开始的。但从197x年代后，玻璃光纤的发展就像开了挂，而塑料光纤却一直连衰减大的问题都难以解决，以至于在通信中难觅塑料光纤的踪影。
2 塑料光纤的传输特性                    

    根据纤芯折射率分布的不同，塑料光纤分为阶跃折射率(SI)和渐变折射率(GI)光纤。SI和GI光纤的折射率分布如图1所示。

   

图1 塑料光纤折射率分布

    在SI光纤中，不同的光线沿着不同长度的路径传输，在到达光纤输出端时就会在时间上产生离散，即时延，从而影响带宽。GI光纤纤芯折射率是变化的，沿着不同路径传输的光线的速度也是变化的。尽管沿着光纤芯轴传输的路径最短，但是其折射率最高，所以该光线的传输速度最慢；离开纤芯越远，折射率越小，该处的光线传输速度就越快。利用传输速度差与传输光程差彼此完全抵消，可以消除色散，从而提高GI光纤的带宽。光线在SI和GI光纤中的传输如图2所示。     

图2 光线在光纤中的传输

    塑料光纤的芯/包层材料主要有两种，PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）和PF-PMMA（氟化PMMA）。PMMA俗称亚克力、有机玻璃，衰减系数大，价格便宜，一般用于SI塑料光纤。PF-PMMA（氟化PMMA）的衰减系数小，但价格较贵，一般用于GI塑料光纤。塑料光纤的衰减系数如图3所示。

 图3 塑料光纤衰减系数

    塑料光纤属于A4类多模光纤，分为多个子类。SI塑料光纤不同子类的主要传输特性如表1所示，表中的数值参考了当前产品的典型值。

表1 SI塑料光纤的传输特性

    GI塑料光纤不同子类的主要传输特性如表2所示。由于GI塑料光纤在国内使用较少，表中的数值主要引用自IEC 60793-2-40:2021，实际产品的模式带宽要高于表2的数值，如某A4h类产品的模式带宽达9700Mhz·100m。

表2 GI塑料光纤的传输特性

                    
 3 塑料光纤的制造                 

    塑料光纤的制造方式主要有两种，挤塑法和拉丝法。SI塑料光纤通常采用挤塑法生产，GI塑料光纤主要采用拉丝法生产。

    SI塑料光纤挤塑法生产线通常由粒料桶、输送泵、纤芯挤塑机、包层挤塑机和收纤盘等组成，如图4所示。生产过程是，将作为纤芯的粒料投入到粒料桶，然后使用输送泵将其注入纤芯挤塑机挤出纤芯，再利用包层挤塑机在已经形成的纤芯外挤上一个包层，经过快速冷却，最后就制成了SI塑料光纤。   

图4 挤塑法生产塑料光纤

    当前，国内塑料光纤厂商只具备SI塑料光纤的生产能力，均采用挤塑法生产。图5为正在生产塑料光纤的挤塑机和收纤盘。

图5 塑料光纤生产设备

    拉丝法需先利用化学方法制造出所设计的折射率分布的大直径预制棒，然后将预制棒放置在一个高温炉内，加热使之软化拉成符合直径要求的细光纤。拉丝过程只是由粗棒到细纤的变径过程，光纤的传输性能需通过制棒过程获得。因此，GI塑料光纤的制造难点是制造出纤芯折射率分布符合图1的预制棒。从预制棒拉丝的过程如图6所示。   

图6 拉丝法生产塑料光纤

    在一些大学实验室里，试验用的塑料光纤是通过拉丝法制造的。图7a为安徽大学光电实验室制作的试验用塑料光纤预制棒，图7b为试验用拉丝塔。

图7 试验用预制棒和拉丝塔 

4 塑料光纤的应用场景                  

    塑料光纤的优点是柔韧性好、抗弯折性能强，因此，可以将塑料光纤的纤芯直径制造得比较大，这样光纤与光源的耦合会比较容易。图8为不同芯径的塑料光纤，图中光纤的透明部分为芯/包层，黑色护套为紧套层。   

图8 不同芯径的塑料光纤

    同时，塑料光纤比较柔软，光纤用简单的工具便可截断，光纤的成端手工便可完成。图9a为剪裁塑料光纤的刀片，图9b为几种塑料光纤连接器。

图9 塑料光纤成端

    而玻璃光纤的成端则要麻烦得多。例如，在FTTR场景，户内光缆中光纤的纤芯直径只有10μm左右，户内光缆的裁剪、成端需运营商安排专门的技术人员、配备光纤熔接机才能完成。图10为现有FTTR中户内光缆的成端接头。若使用GI塑料光纤，用户家庭内的光纤布线、裁剪、成端等全部工作用户均可自行完成。

图10 FTTR中光缆的成端接头

    SI塑料光纤衰减大、带宽低，适用于传输距离不超过100米、传输速率不超过100Mbps的短距离通信系统。

    GI塑料光纤衰减较小、带宽大。部分型号GI塑料光纤的模式带宽高达10Gbps·100m，可支持100m内万兆传输，可工作在850nm、1300nm波长，在大部分场景下，可替代OM1、OM2、OM3多模光纤使用。
5 写在最后                    

    塑料光纤衰减大、带宽低、易成端的特点，决定了塑料光纤适用于短距离、传输速率要求不高的场景。国内目前只具备SI塑料光纤的生产能力，塑料光纤仅在工业控制、汽车多媒体等低速系统中使用。

    在FTTR、建筑内布线等对传输速率要求较高的场景，目前依然采用玻璃光纤或对绞电缆作为传输媒介。这些场景若采用GI塑料光纤，也许更利于用户运维，成本也更低。但遗憾的是，目前国内尚无GI塑料光纤的生产，国际上GI塑料光纤的产业也并不完善，塑料光纤在通信中的规模应用也变得遥遥无期。                    

---

                       参考文献

[1] 胡先志,胡佳妮. 塑料光纤基础及应用[M].

[2] Zhijia Hu, Wenyu Du (2024). Plastic optic fibers: types and applications[M]. Elsevier

[3] GB 12357.4-2016. A4类多模光纤特性[S].

[4] IEC 60793-2-40-2021: Product specifications-Sectional specification for catego A4 multimode fibres[S].

转自一丁一卯