光导塑料：制作光纤不可或缺的优质光学塑料

光导塑料是指用于制作塑料光导纤维（简称POF）及光管制品用的光学塑料。它们可利用全反射输送光线的原理传送光信息，将输入的光信息在纤维及光管的截面范围内，沿纤维或光管的全长（无论是直径或弯曲路径）从一端传递到另一端来完成输送通信、传像和传光的任务。

1.光线全反射传递原理

光在均匀介质中是直线式传输的，当光从一种介质传至另一介质时，沿表面会发生反射和折射。如果光从折射率小的光疏介质射入折射率大的光密介质，则产生的折射角小于入射角，反之折射角大于入射角。因此，当光线从光密介质射入光疏介质时，就可能只有反射而无折射，这就是全反射现象。

利用这个原理，我们将光导纤维用光密介质作芯材，其折射率为n₁，用光疏介质作皮层，其折射率为n₂，（n₁>n₂），两者用成型方法结合为一体，就可利用全反射原理用光导纤维进行光线输送了。光纤全反射原理如图15-2所示。

图15-2 光纤全反射原理

按折射定律

n₁sinθ₁=n₂sinφ₂

式中，θ₁是射入皮层的入射角；φ₂是皮层发生的折射角。

如图15-2所示，当φ₂<90°时，会发生折射；当φ2=90°时，则无折射，光线沿界面传递；当φ₂>90°时，则光线全反射，无折射，光波在光纤截面范围内进行反射向前传播。因此，当折射率固定后，只要调节θ₁值就可得到不同的φ₂值，形成不同的光线传递形式。如果调节θ₁为θ_m值，使φ₂为90°，则光线在芯皮界面上形成全反射。θ_m值即称为临界角。也就是说，射入皮层的光线，如果其入射角θ₁>θ_m，则这些光线在皮层界面都可形成全反射。同理，如果外界射到光纤端面上的光线，其入射角为θ₀使φ₂>90°，则也可形成全反射，故θ₀也称为外界光线的临界角。凡以入射角θ<θ₀的外界光线，从端面射入光纤中都可以全反射向前传播。

按此原理将光缆设计成由芯层、皮层和防护层三层结构组成。芯层及皮层均为透明塑料，芯层料的光学性能好，折射率大，皮层料折射率小，且两者折射率比值匹配。最外层为不透明防护料。这样的结构即可实现全反射光信息传送。

光管是指用裸露无皮层的透明塑料型材，如棒料、管料、板材和纤维等作光导材料，以空气为光疏介质而制成的光传输材料。按光导材料的折射率可计算出临界角，只要选择适当的入射角，并使其大于临界角，则界面上的反射角大于90°，光线可全部向内反射而无折射，全部光线即沿着透明塑料传输，型材会通体发光，称为光管效应。光线沿透明塑料棒的传输如图15-3所示。

图15-3 光线沿透明塑料棒的传输

2.塑料光纤的分类

按光纤的传输模式，光纤可分为单模光纤及多模光纤两类。单模光纤是由细芯纤（直径为3～10μm）厚皮层组成的光导纤材，两者的折射率差为0.1%～0.5%，只能用于传送一种给定工作波长的光波，但输送带宽可达10～100GHz·km；如用多种单模石英光纤即可组成现代长距离通信传输模式。多模光纤是由芯径为10μm以上，粗芯薄皮层组成的光纤，其折射率差值>0.3%，可输送带宽小（如石英光纤带宽只有1.5GHz·km），且色散较多，损耗比单模式大，但可传输多种模式的光波。

按纤芯及皮层组成的光纤折射率分布形式，光纤可分为阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤、W形折射率光纤三种形式。两种塑料光纤的光传播情况如图15-4所示。

图15-4两种塑料光纤的光传播情况

a）多模阶跃型 b）多模梯度型

阶跃折射率（SI）光纤，又称突变型折射率光纤，其光纤芯层折射率大于皮层折射率，光纤中折射率及光波传送方向沿芯皮层分界面突然变化，如图15-4a所示。渐变折射率（GI）光纤又称梯度型折射率光纤，其光纤中折射率分布以光纤中心最大，随着半径的增大而渐渐变小，光纤具有聚焦性能，可对进入纤芯内的有效光线进行聚焦，迫使其在光纤中传播，逐渐自动地向轴线方向回折靠拢，形成一个近于正弦曲线的轨迹，如图15-4b所示，它可获得较宽的带宽，且色散比SI小。W形折射率分布光纤是由双皮层组成，外皮层折射率大于内皮层，可获得较大的带宽和较小色散的光波，且连接和弯曲损耗都小。

3.光纤塑料的基本性能

常用的光纤塑料主要品种有PMMA、PC、PS、AS、TPX和F4等。其中，PMMA、PS聚合纯度高，损耗小，但耐热性差；PC缩合时含副产物，损耗大，但耐热性好，在高温条件下光性能稳定损耗比PM-MA、PS好。除了这些常用的品种外，为了提高光纤的耐热性、高温工作稳定性及透光性，目前还开发了N-烷基马来酰亚胺（IPMI）/MMA共聚物、氘化聚甲基丙烯酸甲酯、环形聚烯烃共聚物（COCs）和有机硅树脂等。液芯光管用液体材料作管芯，塑料或含氟塑料作皮层和防护层，能高效传输激光能量。世界各发达国家著名的化工和电信企业都在研究和开发塑料光纤产品。渐变折射率的单模塑料光纤，有可能广泛应用于短距离的信息传递。

由于光波在塑料光纤中传播时会产生吸收、散射等损耗，使光波强度沿传送距离延长而下降，导致信息衰减。另外，塑料光纤在较高温度环境下使用时也会导致其光性能下降、损耗增大，所以用作光纤的塑料应具有较高的光学性能，有梯度折射特性，且耐热性好，损耗低，在高温下光学性能稳定，衰减少。光纤塑料的基本特性可归纳如下几点：(www.xing528.com)

1）透光率>90%，雾度<1%，阿贝数>30，色散及双折射率低。因此，无论芯层还是皮层材料都应用无定形聚合物。材料要均匀，无各向异性，尤其芯层材料要求较高的纯度，材料内不能有添加剂，用不加入其他介质的本体聚合物，不宜用悬浮法或乳液法聚合物作芯材。与芯材相比，皮层料的透明度和纯度可稍低一些。

2）要选用芯层和皮层料折射率相匹配的两种材料组成光纤。要求芯层料的折射率大，皮层料比芯层料的折射率小。一般芯层料的折射率>1.5，皮层料的折射率要比芯层的低0.03以上，或皮层料的折射率比芯层料的低2%～6%，且两者要有紧密的粘附性能，热膨胀系数要相近。采用溶液涂覆法拉制光纤时，皮层料的溶剂应不溶解芯层料。如果用共挤法拉制光纤，皮层料的流动速率应大于芯层料，且成型温度接近，温差不应很大。另外，选择两者的折射率还要保证光纤的数值孔径指标值。它与两者折射率的差有关，差值大则数值孔径值大，可增大光纤端面射入光线的入射角和射出角，从而可扩大输入的光能量。

3）光纤塑料应有良好的抗紫外线照射的光老化性，在长期光照条件下应能保持高透光率并维持正常工作。另外，材料的折射率对温度变化时应不敏感。在UV照射2000h后，其透光率和折射率温度系数指标均应符合标准要求。

4）光纤材料要具有良好的耐热性，在使用温度范围内长期工作中光性能下降不大，损耗值增大较小。

5）保护套分里层及外层，它们应具有稍高于芯层和皮层材料的使用温度，且易着色，耐候，耐油，抗老化，抗氧化，耐水，耐溶剂，耐磨，耐损伤，常采用热塑性塑料或橡胶，如PE和PVC等制作。

6）光纤维还应具有质轻、径细、频率宽、柔软性好等特性，即使纤径100μm以上的粗纤也要有良好的挠曲性，可在复杂的构形空间中自由布线。另外，光纤还要具有便于粘接、研磨、无杂质、无感应及不串音等使用安装性能。

几种光纤的性能见表15-32～表15-36。

表15-32 PS、PMMA、PC光纤的性能

表15-33 几种国外光纤的性能

表15-34 日本塑料光导纤维的性能

注：n为折射率。

表15-35 塑料光导纤维与其他光导纤维的比较

表15-36 日本产耐热POF的主要技术性能

4.塑料光纤的成型工艺

GI光纤的成型主要有如下两种方法：

（1）直接挤出成型法 该工艺是将不同折射率的芯层及皮层液态原料分别挤出双层喷嘴中，加热挤出经扩散区使两者互相扩散粘接成一体，用聚烯烃等外层料包覆后，降温，热处理使芯皮界面融合同时拉伸至一定直径，固化冷却后即可制成GIPOF。

（2）预制棒拉纤法 该工艺是采用界面凝胶共聚法等聚合工艺先制成具有梯度折射率特性的预制棒，然后通过热拉伸工艺将预制棒在适当温度及拉力下以一定拉伸速度将预制棒拉伸成一定纤径的纤维，用激光光敏计来测量纤径，然后反馈信息给供料装置，以控制供料速度，拉出的纤材，再经过涂料杯给光纤涂覆固化层，涂层经紫外线烤箱后即可固化成GIPOF。