塑料光纖的研究與應(yīng)用進(jìn)展

光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種由透明光學(xué)材料制成的纖維，具有光的傳導(dǎo)功能.1966年，“光纖之父”高琨提出了光纖在通信上應(yīng)用的基本原理和設(shè)想[1].之后，伴隨著質(zhì)疑和爭(zhēng)論，高琨的設(shè)想逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，利用石英玻璃制成的光纖應(yīng)用越來(lái)越廣，在全世界掀起了一場(chǎng)通信革命.目前，光纖通信技術(shù)在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和組成中已成為不可替代的一部分.光纖作為光信號(hào)或者光能量的傳輸介質(zhì)，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn).光纖按材料分類(lèi)[2]，一般可分為石英光纖(Silica Optical Fiber, SOF)、玻璃光纖(Glass Optical Fiber, GOF)和塑料光纖(Plastic Optical Fiber, POF).其中，SOF是指纖芯材料為石英(純二氧化硅為主)的光纖，包層材料可以為石英、玻璃、塑料等；GOF是指纖芯材料為玻璃(硅酸鹽玻璃、硫化物玻璃等)的光纖，包層材料可以為玻璃或者塑料；POF則是指纖芯和包層材料均為塑料的光纖.隨著工藝的不斷進(jìn)步，石英光纖的傳輸損耗已接近理論極限，在通信領(lǐng)域發(fā)揮著絕對(duì)的主導(dǎo)作用[3].而POF則由于具有低生產(chǎn)成本、柔軟、堅(jiān)固、輕質(zhì)以及直徑大易耦合等特點(diǎn)，在短距離通信、裝飾、照明、醫(yī)學(xué)光療等方面得到廣泛應(yīng)用.另外，在新興的太赫茲(Terahertz，THz，0.1～10 THz)技術(shù)領(lǐng)域，由于部分塑料具有高透特性，使得POF特別是微結(jié)構(gòu)塑料光纖(Microstructured POF, MPOF)在太赫茲部分頻段的傳輸上很有應(yīng)用潛力[4].本文就近年來(lái)POF在通信、傳像、光纖激光、照明裝飾等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的最新進(jìn)展進(jìn)行綜述.

1 塑料光纖通信

高清電視、TB級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備、千萬(wàn)像素?cái)?shù)碼相機(jī)、大容量智能手機(jī)以及便攜式多媒體播放器的大量涌現(xiàn)標(biāo)志著超大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，這對(duì)現(xiàn)有的信息傳輸技術(shù)提出了挑戰(zhàn)：更高的傳輸速率，更大的傳輸容量，更低的傳輸成本.光纖網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合波分復(fù)用、空分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、偏振復(fù)用等可以極大地提高信息傳輸容量與速度，成為了最具發(fā)展前景的通信技術(shù).光纖作為一種高效的傳輸介質(zhì)是光纖通信中不可或缺的一環(huán)，而SOF和POF是其中最受關(guān)注、應(yīng)用最廣的兩類(lèi)光纖.石英光纖以其高帶寬、低衰減等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離通信.然而在短距離通信時(shí)，由于石英光纖纖芯直徑小，導(dǎo)致其耦合和對(duì)準(zhǔn)困難，對(duì)接的復(fù)雜度使得通信系統(tǒng)整體成本增加；且石英光纖的有限柔韌性使其難以用于一些有高頻振動(dòng)場(chǎng)合.POF則以其芯徑大、柔韌性好、質(zhì)量輕、彈性模量低、成本低廉等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于短距離通信.因此，SOF和POF是互補(bǔ)的關(guān)系，二者結(jié)合可發(fā)揮更大的效用.

與石英光纖類(lèi)似，按照光纖的物理結(jié)構(gòu)分類(lèi)，POF可大致分為階躍折射率塑料光纖(Step Index POF, SI-POF)、漸變折射率塑料光纖(Graded Index POF, GI-POF)和微結(jié)構(gòu)塑料光纖.

1.1 塑料實(shí)芯光纖

SI-POF是指纖芯與包層之間材料折射率階躍變化、沒(méi)有過(guò)渡的一種POF.最早的SI-POF是美國(guó)杜邦公司于1968年開(kāi)發(fā)的一種以聚甲基丙烯酸甲酯(Poly-Methy-Methacrylate, PMMA)作為纖芯的POF，光纖損耗高達(dá)1 000 dB/km，無(wú)法應(yīng)用于通信領(lǐng)域[5].日本在POF的研發(fā)與制造上一直處于世界領(lǐng)先地位，主要機(jī)構(gòu)為三菱麗陽(yáng)公司、旭硝子公司、慶應(yīng)大學(xué)等.20世紀(jì)80年代日本三菱公司和NTT公司以PMMA為基材，先后分別使SI-POF損耗最低降到100～200 dB/km和20 dB/km，首次實(shí)現(xiàn)了SI-POF的商品化.目前，日本三菱麗陽(yáng)公司生產(chǎn)的以PMMA為纖芯、氟塑料為包層的商用高帶寬光纖(Eska MH系列)實(shí)現(xiàn)了160 dB/km的低傳輸損耗[6].但是，SI-POF作為普通的多模光纖，由于色散、損耗等原因，通信帶寬受到限制，通信距離一般在100～200 m以?xún)?nèi).

與SI-POF不同，GI-POF是指纖芯與包層之間材料折射率平滑變化的一種POF.該種光纖于1990年由日本慶應(yīng)大學(xué)的KOIKE Y開(kāi)發(fā)成功，纖芯為PMMA，包層為含氟塑料，其傳輸損耗<60 dB/km，傳輸速率>10 Gbps[7].2000年日本旭硝子公司報(bào)道的氟化GI-POF傳輸損耗在波長(zhǎng)850 nm處為41 dB/km，在1 300 nm處為33 dB/km，傳輸速率為2.5 Gbps[8-10].同年7月該公司將KOIKE Y課題組的技術(shù)商品化，采用全氟聚合物CYTOP制造的名為L(zhǎng)ucina的GI-POF傳輸損耗在波長(zhǎng)1 300 nm處低至16 dB/km，帶寬>200 MHz·km[11].2002年ISHIGURE T等提出了一種基于PMMA的GI-POF，并且在包層中摻雜了氟塑料，由此得到的光纖具有高的數(shù)值孔徑(NA=0.27)，損耗在650 nm下為140 dB/km，帶寬>1 GHz·100 m，且同時(shí)在70℃下實(shí)現(xiàn)了高溫和濕度穩(wěn)定[12].同年該課題組通過(guò)改進(jìn)聚合物工藝，通過(guò)界面-凝膠法制備了PMMA基GI-POF，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該光纖的帶寬可達(dá)到2.88 GHz·150 m[13].2003年ISHIGURE T等提出的基于PMMA的GI-POF在650 nm處實(shí)現(xiàn)了2.5～3 GHz·100 m的帶寬[14].2005年KonDO A等采用界面-凝膠兩步聚合法制備了全氘化聚合物(Perdeuterated PMMA, PMMA-d8)材料的GI-POF，其吸收損耗在650 nm波長(zhǎng)下為79.8 dB/km，并且可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)300 m的千兆比特傳輸[15].2007年ISHIGURE T等提出了一種聚偏二氟乙烯(Poly Vinylidene Fluoride, PVDF)為包層的新型GI-POF，該光纖有著極低的彎曲損耗，即使在嚴(yán)重的彎曲條件下，觀察到的彎曲損耗幾乎為0 dB，且同時(shí)可實(shí)現(xiàn)2.32 GHz·100 m的帶寬[16].2009年KOIKE K等設(shè)計(jì)了一種基于部分氟化甲基丙烯酸酯聚合物(Poly(2,2,2-Trifluoroethyl Methacrylate), P3FMA)的低損耗GI-POF，其損耗在650 nm波長(zhǎng)下為71 dB/km，達(dá)到了家庭網(wǎng)絡(luò)的需求(100 dB/km)[17].2010年YAMAKI Y等將溴代菲(9-Bromophenanthrene, BPT)作為增塑劑摻雜在PMMA中制得了GI-POF，該光纖具有高熱穩(wěn)定性，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg>107℃，且擁有4.0 GHz·50 m的理論傳輸帶寬[18].2012年KOIKE Y課題組提出的基于聚苯乙烯(Polystyrene, PS)的GI-POF，將二苯并噻吩(Dibenzothiophene, DBT)作為PS的摻雜物，最終得到的光纖傳輸損耗在波長(zhǎng)670～680 nm處為166～193 dB/km，且?guī)捀哌_(dá)4.4 GHz·50 m[19].2013年該課題組制備的基于PS的GI-POF在670 nm波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)了160 dB/km的吸收損耗，且有著高達(dá)5.8 GHz·50 m的帶寬[20].2016年KOIKE Y課題組提出的基于全氟(Perfluorinated, PF)聚合物的GI-POF傳輸速率高達(dá)120 Gbps[21].2018年INOUE A等制備了一種低噪聲GI-POF，該P(yáng)OF實(shí)現(xiàn)了小于10-12的誤碼率(Bit Error Rates, BER)，且BER隨著調(diào)制電壓的增加而降低.低噪聲的GI-POF鏈路消除了對(duì)傳統(tǒng)鏈路中常用的精確光纖對(duì)準(zhǔn)、光纖角度和光學(xué)隔離器的需求，為高速光纖連接多級(jí)超高清視頻傳輸鋪平了道路，成為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代第一個(gè)來(lái)自光網(wǎng)絡(luò)終端的“光毛細(xì)血管”[22].

盡管短距離通信的POF技術(shù)已經(jīng)被研究了四十多年，但是SI-POF和GI-POF的帶寬依舊被分別限制在兆比特和千兆比特，且互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳輸容量和傳輸速率的需求仍在增長(zhǎng).現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸容量已經(jīng)接近香農(nóng)極限，能否以基于新原理的全新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)擴(kuò)張通信帶寬和速度，并保證網(wǎng)絡(luò)信息的安全性、保密性，是對(duì)信息科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家和新技術(shù)開(kāi)拓者提出的挑戰(zhàn).近幾年，基于攜帶軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum，OAM)的渦旋光通信新技術(shù)，正在積極地迎接上述挑戰(zhàn).而渦旋光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一即是對(duì)支持OAM模式傳輸?shù)臏u旋光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù).在POF領(lǐng)域，中科院西安光機(jī)所的YUAN Y等于2019年提出了一種中空環(huán)芯POF(Hollow Ring-core POF, HRC-POF)，該P(yáng)OF本質(zhì)上是一種SI-POF.研究結(jié)果表明基于PS的HRC-POF可以支持30個(gè)模式(包含26個(gè)OAM模)，意味著該光纖在POF通信系統(tǒng)中可提供30個(gè)獨(dú)立信道用于數(shù)據(jù)傳輸.因此，與GI-POF和SI-POF相比，HRC-POF可被用于基于OAM的空分復(fù)用技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸，從而顯著提高數(shù)據(jù)傳輸容量[23].相關(guān)SI-POF及GI-POF的詳細(xì)信息總結(jié)見(jiàn)表1.

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，SI-POF和GI-POF均實(shí)現(xiàn)了較低的傳輸損耗，且GI-POF有著比SI-POF大100倍的帶寬，除此之外還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易制造的優(yōu)點(diǎn).但正是由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，導(dǎo)致光纖可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)過(guò)少，難以進(jìn)一步優(yōu)化使其擁有更優(yōu)良的特性，如更低的傳輸損耗、更高的帶寬.故近年來(lái)POF的研究熱點(diǎn)集中在MPOF上.