塑料光纤的研究与应用进展

光纤是光导纤维的简写，是一种由透明光学材料制成的纤维，具有光的传导功能.1966年，“光纤之父”高琨提出了光纤在通信上应用的基本原理和设想[1].之后，伴随着质疑和争论，高琨的设想逐步变为现实，利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广，在全世界掀起了一场通信革命.目前，光纤通信技术在整个通信网络的结构和组成中已成为不可替代的一部分.光纤作为光信号或者光能量的传输介质，半个多世纪以来一直是科学家们研究的热点.光纤按材料分类[2]，一般可分为石英光纤(Silica Optical Fiber, SOF)、玻璃光纤(Glass Optical Fiber, GOF)和塑料光纤(Plastic Optical Fiber, POF).其中，SOF是指纤芯材料为石英(纯二氧化硅为主)的光纤，包层材料可以为石英、玻璃、塑料等；GOF是指纤芯材料为玻璃(硅酸盐玻璃、硫化物玻璃等)的光纤，包层材料可以为玻璃或者塑料；POF则是指纤芯和包层材料均为塑料的光纤.随着工艺的不断进步，石英光纤的传输损耗已接近理论极限，在通信领域发挥着绝对的主导作用[3].而POF则由于具有低生产成本、柔软、坚固、轻质以及直径大易耦合等特点，在短距离通信、装饰、照明、医学光疗等方面得到广泛应用.另外，在新兴的太赫兹(Terahertz，THz，0.1～10 THz)技术领域，由于部分塑料具有高透特性，使得POF特别是微结构塑料光纤(Microstructured POF, MPOF)在太赫兹部分频段的传输上很有应用潜力[4].本文就近年来POF在通信、传像、光纤激光、照明装饰等领域的研究和应用的最新进展进行综述.

1 塑料光纤通信

高清电视、TB级存储设备、千万像素数码相机、大容量智能手机以及便携式多媒体播放器的大量涌现标志着超大数据时代已经到来，这对现有的信息传输技术提出了挑战：更高的传输速率，更大的传输容量，更低的传输成本.光纤网络通信技术结合波分复用、空分复用、时分复用、偏振复用等可以极大地提高信息传输容量与速度，成为了最具发展前景的通信技术.光纤作为一种高效的传输介质是光纤通信中不可或缺的一环，而SOF和POF是其中最受关注、应用最广的两类光纤.石英光纤以其高带宽、低衰减等特点被广泛应用于长距离通信.然而在短距离通信时，由于石英光纤纤芯直径小，导致其耦合和对准困难，对接的复杂度使得通信系统整体成本增加；且石英光纤的有限柔韧性使其难以用于一些有高频振动场合.POF则以其芯径大、柔韧性好、质量轻、弹性模量低、成本低廉等特点被广泛应用于短距离通信.因此，SOF和POF是互补的关系，二者结合可发挥更大的效用.

与石英光纤类似，按照光纤的物理结构分类，POF可大致分为阶跃折射率塑料光纤(Step Index POF, SI-POF)、渐变折射率塑料光纤(Graded Index POF, GI-POF)和微结构塑料光纤.

1.1 塑料实芯光纤

SI-POF是指纤芯与包层之间材料折射率阶跃变化、没有过渡的一种POF.最早的SI-POF是美国杜邦公司于1968年开发的一种以聚甲基丙烯酸甲酯(Poly-Methy-Methacrylate, PMMA)作为纤芯的POF，光纤损耗高达1 000 dB/km，无法应用于通信领域[5].日本在POF的研发与制造上一直处于世界领先地位，主要机构为三菱丽阳公司、旭硝子公司、庆应大学等.20世纪80年代日本三菱公司和NTT公司以PMMA为基材，先后分别使SI-POF损耗最低降到100～200 dB/km和20 dB/km，首次实现了SI-POF的商品化.目前，日本三菱丽阳公司生产的以PMMA为纤芯、氟塑料为包层的商用高带宽光纤(Eska MH系列)实现了160 dB/km的低传输损耗[6].但是，SI-POF作为普通的多模光纤，由于色散、损耗等原因，通信带宽受到限制，通信距离一般在100～200 m以内.

与SI-POF不同，GI-POF是指纤芯与包层之间材料折射率平滑变化的一种POF.该种光纤于1990年由日本庆应大学的KOIKE Y开发成功，纤芯为PMMA，包层为含氟塑料，其传输损耗<60 dB/km，传输速率>10 Gbps[7].2000年日本旭硝子公司报道的氟化GI-POF传输损耗在波长850 nm处为41 dB/km，在1 300 nm处为33 dB/km，传输速率为2.5 Gbps[8-10].同年7月该公司将KOIKE Y课题组的技术商品化，采用全氟聚合物CYTOP制造的名为Lucina的GI-POF传输损耗在波长1 300 nm处低至16 dB/km，带宽>200 MHz·km[11].2002年ISHIGURE T等提出了一种基于PMMA的GI-POF，并且在包层中掺杂了氟塑料，由此得到的光纤具有高的数值孔径(NA=0.27)，损耗在650 nm下为140 dB/km，带宽>1 GHz·100 m，且同时在70℃下实现了高温和湿度稳定[12].同年该课题组通过改进聚合物工艺，通过界面-凝胶法制备了PMMA基GI-POF，实验测得该光纤的带宽可达到2.88 GHz·150 m[13].2003年ISHIGURE T等提出的基于PMMA的GI-POF在650 nm处实现了2.5～3 GHz·100 m的带宽[14].2005年KonDO A等采用界面-凝胶两步聚合法制备了全氘化聚合物(Perdeuterated PMMA, PMMA-d8)材料的GI-POF，其吸收损耗在650 nm波长下为79.8 dB/km，并且可以实现超过300 m的千兆比特传输[15].2007年ISHIGURE T等提出了一种聚偏二氟乙烯(Poly Vinylidene Fluoride, PVDF)为包层的新型GI-POF，该光纤有着极低的弯曲损耗，即使在严重的弯曲条件下，观察到的弯曲损耗几乎为0 dB，且同时可实现2.32 GHz·100 m的带宽[16].2009年KOIKE K等设计了一种基于部分氟化甲基丙烯酸酯聚合物(Poly(2,2,2-Trifluoroethyl Methacrylate), P3FMA)的低损耗GI-POF，其损耗在650 nm波长下为71 dB/km，达到了家庭网络的需求(100 dB/km)[17].2010年YAMAKI Y等将溴代菲(9-Bromophenanthrene, BPT)作为增塑剂掺杂在PMMA中制得了GI-POF，该光纤具有高热稳定性，其玻璃化转变温度Tg>107℃，且拥有4.0 GHz·50 m的理论传输带宽[18].2012年KOIKE Y课题组提出的基于聚苯乙烯(Polystyrene, PS)的GI-POF，将二苯并噻吩(Dibenzothiophene, DBT)作为PS的掺杂物，最终得到的光纤传输损耗在波长670～680 nm处为166～193 dB/km，且带宽高达4.4 GHz·50 m[19].2013年该课题组制备的基于PS的GI-POF在670 nm波长处实现了160 dB/km的吸收损耗，且有着高达5.8 GHz·50 m的带宽[20].2016年KOIKE Y课题组提出的基于全氟(Perfluorinated, PF)聚合物的GI-POF传输速率高达120 Gbps[21].2018年INOUE A等制备了一种低噪声GI-POF，该POF实现了小于10-12的误码率(Bit Error Rates, BER)，且BER随着调制电压的增加而降低.低噪声的GI-POF链路消除了对传统链路中常用的精确光纤对准、光纤角度和光学隔离器的需求，为高速光纤连接多级超高清视频传输铺平了道路，成为物联网时代第一个来自光网络终端的“光毛细血管”[22].

尽管短距离通信的POF技术已经被研究了四十多年，但是SI-POF和GI-POF的带宽依旧被分别限制在兆比特和千兆比特，且互联网技术对传输容量和传输速率的需求仍在增长.现有光纤网络传输容量已经接近香农极限，能否以基于新原理的全新网络技术来扩张通信带宽和速度，并保证网络信息的安全性、保密性，是对信息科学领域的科学家和新技术开拓者提出的挑战.近几年，基于携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)的涡旋光通信新技术，正在积极地迎接上述挑战.而涡旋光纤通信系统的关键技术之一即是对支持OAM模式传输的涡旋光纤的结构设计与制造技术.在POF领域，中科院西安光机所的YUAN Y等于2019年提出了一种中空环芯POF(Hollow Ring-core POF, HRC-POF)，该POF本质上是一种SI-POF.研究结果表明基于PS的HRC-POF可以支持30个模式(包含26个OAM模)，意味着该光纤在POF通信系统中可提供30个独立信道用于数据传输.因此，与GI-POF和SI-POF相比，HRC-POF可被用于基于OAM的空分复用技术的数据传输，从而显著提高数据传输容量[23].相关SI-POF及GI-POF的详细信息总结见表1.

经过多年的发展，SI-POF和GI-POF均实现了较低的传输损耗，且GI-POF有着比SI-POF大100倍的带宽，除此之外还有结构简单易制造的优点.但正是由于其结构简单，导致光纤可调节的结构参数过少，难以进一步优化使其拥有更优良的特性，如更低的传输损耗、更高的带宽.故近年来POF的研究热点集中在MPOF上.