阮環(huán)陽，張萬里

（1.浙江國際海運職業(yè)技術學院，浙江 舟山 316021；2.浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

通信技術經過近二十年的發(fā)展，經歷了從1G到5G技術的迭代更新，我國工信部將繼續(xù)部署網絡提速降費措施，2019年將進入5G商用元年，隨著5G時代的到來，5G技術的相關產業(yè)進入了發(fā)展的快車道，光纖通信技術將在5G時代發(fā)揮更大作用。5G時代所需基站數量將是4G時代的約4～5倍，帶寬是4G時代的10倍。而5G基站的密集組網，需要應用大量的光纖、光纜。低損耗、低時延、長距離、大容量等指標會隨著信息通信技術的發(fā)展有越來越高的要求，光纖、光纜作為信息傳輸的物理載體，發(fā)揮著萬物互聯(lián)、鏈接智能世界的重要作用[1]。

1 通信光纖結構與分類

光纖一般可以分為三層：內芯為高折射率材料，是光信號的傳輸介質；中間層為相對低折射率的包覆材料，使光信號發(fā)生全反射，減少光信號的損失；最外層是加強用的樹脂涂層，主體結構如圖1所示。

圖1 裸纖結構與光信號傳輸過程

光纖按制備材料可分為：①石英系光纖：這種光纖的纖芯和包層是由高純度的石英摻有適當的雜質而成；石英光纖的損耗低、強度和可靠性高，目前應用最廣泛。②石英芯、塑料包層光纖：這種光纖的內芯是石英，包層采用有機樹脂。③多成分玻璃纖維：一般采用鈉玻璃摻有適當稀土元素而成，以增大光纖輸出功率。④塑料光纖（POF）：這種光纖的內芯和包層均采用高分子樹脂制成。高分子材料制備出的塑料光纖具有直徑粗、重量輕、成本低、機械性能好、易于聯(lián)接等優(yōu)點。最早的塑料光纖是以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為芯纖材料制備而得，由于當時制備技術落后造成信號損耗大、壽命短以及物化性質不穩(wěn)定等原因，所以無法滿足通訊應用需求。但是，經過近幾十年的發(fā)展，塑料光纖的光損耗不斷被降低，環(huán)境穩(wěn)定性也越來越好，已經被廣泛應用于辦公自動化、工業(yè)控制、家庭智能、軍事通信網的數據傳輸、車載機載通信網絡方面[2]。

2 含氟塑料光纖

石英光纖采用昂貴的氣相沉積法生產，與石英光纖相比，塑料光纖的生產成本要低很多；但是由于傳統(tǒng)高分子材料固有的缺陷也造成塑料光纖在通信應用方面存在著相對較高的光損耗，造成光損耗的原因主要是吸收損耗和瑞利散射損耗。氟樹脂具有的一些特性早已被人們熟知，所以氟代材料在塑料光纖中的應用也被人們期待。常規(guī)的全氟聚合物具有優(yōu)異的機械性能、熱穩(wěn)定性，但是由于結晶度高、透明性差，無法在光學領域應用；而無定型的含氟聚合物在紫外到遠紅外波段范圍的光學透過率大于95%，能明顯降低光損耗。一方面C-F鍵的振動吸收基頻主要是位于遠紅外光區(qū)，在可見光到近紅外光的區(qū)域范圍內，振動吸收很少，從而降低了吸收損耗；另一方面，無定型含氟聚合物的透光性高，透光窗口紅移，使瑞利散射導致的損耗降低，因此無定型含氟聚合物是良好的光通信材料[3]。

2.1 部分氟代聚合物

基于傳統(tǒng)塑料光纖材料PMMA改造而得的氟代聚甲基丙烯酸甲酯（F-PMMA），由于全氟取代單體難以制備，因此一般以丙烯酸或脂基部分的二元氟取代物。3M公司通過研究 （全氟環(huán)己基）甲基丙烯酸酯與MMA共聚物制成的塑料光纖的光學性質，得知對于氟代丙烯酸酯類聚合物塑料光纖，含氟的比例越高，在近紅外區(qū)的損耗越低；2位氟代后，在近紅外區(qū)的光損耗也大大降低[4]。

2.2 全氟代聚合物

無定型全氟代聚合物的典型代表TeflonRAF是由杜邦公司于1989年實現(xiàn)商品化，它是由單體四氟乙烯和單體4，5-二氟-2，2-二 （三氟甲基）-1，3-二氧雜環(huán)戊烯（PDD）通過溶液共聚得到的高聚物[5]。PDD是一種易揮發(fā)、易自聚的單體，聚合過程中通過調節(jié)兩種單體配比獲得不同結構單元組分比的高聚物。隨著共聚物中PDD鏈節(jié)含量的增加，高聚物經歷結晶態(tài)、半結晶態(tài)和無定型態(tài)的轉變；其中結晶態(tài)、半結晶態(tài)的共聚物中PDD鏈節(jié)含量通常小于65 moL%，但是由于結晶態(tài)、半結晶態(tài)聚合物的熔點高、透明性差，均限制了它們的加工和應用，因此實用價值不大。三菱公司基于TeflonRAF低損耗、高透明、耐熱強的優(yōu)異特點開發(fā)了兩種塑料光纖“ESKA”。一種是以PMMA為芯纖，以TeflonRAF 1600為包層的塑料光纖，這種光纖在1300 nm處的損耗為10 dB/km，在1550 nm處的損耗為130 dB/km；并且可以在135℃工作環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作。另一種是以低折射的TeflonRAF2400為芯纖，以較高折射的TeflonRAF1600為包層的“超級光纖”，它的環(huán)境使用溫度可以高達285℃。

表1 幾種代表性含氟高分子聚合物光纖材料

另一種已滿足應用的無定型全氟代高聚物，是Masaru Nakamura等人使用單體全氟4-乙烯氧基-1-丁烯（BVE）分子內環(huán)化聚合得到全氟代氟樹脂CYTOP[6-7]。聚合反應使用過氧化二碳酸二異丙酯（IPP）為引發(fā)劑，在全氟碳烴溶劑中低壓自由基聚合。對聚合產物進行結構分析，證實五元環(huán)結構的聚合物的唯一成環(huán)結構。旭硝子公司基于全氟聚合物CTYOP開發(fā)速度最快的漸變光纖“FONTEX”，其百米傳輸速度已超過10 Gbps，且其光損耗只有10 dB/km。三菱公司基于CYTOP制備的光纖“Lucina”的光損耗在1310 nm處只有50 dB/km，并且比同類型的石英光纖和PMMA光纖的色散都要小，帶寬比多模石英光纖要寬，可以在很寬（650～1300 nm）的帶寬內實現(xiàn)多波長復用傳播，目前“Lucina”光纖在韓國、日本已得到廣泛應用。

3 塑料光纖的發(fā)展

隨著5G通信時代的到來，人們對數據傳輸的要求越來越高，在數據高速傳輸過程中，長距離大容量傳輸仍然以石英光纖為主。但在短距離傳輸方面，塑料光纖終將全面代替石英光纖，從塑料光纖的材料技術研究發(fā)展來看 ，塑料光纖的研究重點主要集中在以下幾個方面：

（1）降低光損耗：光纖的芯材要求透明度和折射率越高越好，而中間包覆層則要求折射率小于芯材，并且兩者相差越大越好。提高芯材的折射率比較困難，而降低皮包層折射率主要集中在含氟高聚物的制備上，雖然光損耗從最初的1000 dB/km以上已經降低了至少100倍，但是距離理論的最低光損還有不少差距。

（2）提高帶寬：由階躍型光纖向漸變型光纖演進。

（3）提高耐熱性：傳統(tǒng)PMMA塑料光纖的長時間耐受溫度比較低，而新發(fā)展的氟代高聚物、硅樹脂、交聯(lián)丙烯酸共聚物等可使耐熱性提高到125℃以上。

從塑料光纖的發(fā)展歷史來看，塑料光纖市場在誕生之初的幾十年，市場長期由日本的三菱、東麗和旭硝子大量占據，產品優(yōu)勢也較為明顯。我國雖然起步較晚，但是發(fā)展迅猛。20世紀90年代初，國產塑料光纖只能滿足照明裝飾領域，隨著需求的不斷增加和政府層面的重視，到2006年5月就制定出了通信用塑料光纖的行業(yè)標準，相關產業(yè)規(guī)模不斷擴大，技術差距也在不斷縮小。但是，塑料光纖還需要進一步降低損耗、降低生產成本、提高穩(wěn)定性，從根本上解決其存在的問題與不足。相信含氟高分子材料制備的塑料光纖將會在通信領域充分發(fā)揮越來越重要的作用。