光导纤维的开发生产应用与发展前景分析

    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，是上个光纤化的城市。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，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，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。近几年来，全已经铺设海底光缆达37万公里，这是一个连接全的海底通信光纤电缆铺设，这是通信领域中宏伟的工程，得到全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，后进入太平洋，全程32万公里，连接175个和地区，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。 [-page-] 
    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，终得到折射率由里至外逐渐下降呈抛物线分布的产物。 [-page-] 
    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多且用途为广泛的POF的新制备方法。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。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