光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术。进入21世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。
随着光通信产业的迅速发展, 光纤作为光信号的传输介质, 起着信息高速公路的作用。目前, 石英光纤由于其宽带、低损耗、适合长距离通信传输, 而占据着光通信的主要市场。视频电子标准协会(VESA)开展的家庭网络标准化作业分析表明, 家庭网络必须具备100 Mbit/s以上的数据传送速率。因此,短距离分布型网络(局域网、入户网等) 光纤化势在必行。然而,由于石英 光纤芯径小、连接复杂、成本高, 所以在光纤入户时遇到很大的困难。随着短距离、大容量的数据通信系统及汽车等工业的迅速发展, 塑料光纤(POF)以其芯径大、柔韧性好、可塑性强、重量轻、价格低廉等优点而受到国际上的普遍关注。
塑料光纤是由高透明聚合物如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤。不同的材料具有不同的光衰减性能和温度应用范围。塑料光纤不但可用于接入网的最后100～1000米，也可以用于各种汽车、飞机、等运载工具上，是优异的短距离数据传输介质。近几年全球塑料光纤的需求量迅速增加，2005年国际上PMMA塑料光纤销售额已经达到数十亿美元。而适用于数据传输的低损耗PMMA塑料光纤，目前只有日本三菱公司能够生产，每年我国均从日本进口大量的PMMA塑料光纤。
1968 年美国杜邦公司开发的PMMA (有机玻璃) 芯阶跃型塑料光纤(S IPO F) 是最早的塑料光纤 (Plastic optic fiber, 简称POF ) , 其损耗大约1000dB/km。1974 年,日本Mitsubishi Rayon公司,申请了一项芯-包层塑料光波导专利,以PMMA或萨纳克PS (聚苯乙烯)为芯材,氟塑料为包层,其衰减为3500dB/km (未指出波长)。70年代中期,Schleinitz提出PMMA芯光纤的强度
可以由定向聚合的方法提高,据报道其损耗低于300dB/km,后来他又提出利用氘代PMMA可以在690nm的较长波长上将损耗降低到200dB/km以下。早期的塑料光纤都是大数值孔径阶跃型塑料光纤。由于这种光纤散较大,带宽只能达到5MHz·km , 不能满足高速数据通信的要求, 故一直以照明、汽车车灯监控等非通信应用为主。1980年初, 三菱公司用高纯度单体来聚合PMMA , 使传送损耗下降到100～ 200 dB/km。1983 年,NTT Ibaraki实验室Kaino及其同事将PMMA中的氢原子(H)用氘(D)置换,使光波传输范围从可见光扩展到近红外,其传输损耗下降到20dB/km。1995 年Rayon 公司的Eska MEGA小数值孔径阶跃型塑料光纤使带宽扩展到210MHz·100 m ,适合于ATM 论坛于1997年5月通过的155Mbps·50 m的塑料光纤通信标准。210 MHz·100 m 的带宽已经接近阶跃型塑料光纤的带宽极限。
早期市场上的POF产品多为PMMA基质多模SIPOF,虽然与石英玻璃光纤相比在短距离通信应用中有低价、易处理的优势,但其窄带宽(5 MHz·km)和高固有衰减(150～300 dB/km),不能适应带宽逐渐增大的多媒体社会的需要。为了增加带宽, 首先想到的解决方法是减小光纤的数值孔径,采用单模SIPOF方案。但POF的最主要特点是大芯径,可降低安装和处理的费用,因此不能期望将其发展成单模光纤以增加带宽,这样POF的低价格、易处理优势将失去。目前解决上述问题的较佳选择是渐变(梯度)折射率聚合物光纤(GIPOF)。
GIPOF的开发为塑料光纤在宽带通信网中的应用开拓了广阔的前景。1976 年, Y. ohisuka等人将两种不同活性和折射率的单体经光致共聚合形成预制棒,拉丝后制成损耗为4～5 dB/m的GIPOF。1990年庆应大学的小池教授开发成功GI型POF, 传输带宽超过石英GI型光纤,被确认为高速多媒体时代的办公室和家庭内光通信的新型媒体材料。1992年,Y.Kolke等人发明了制造GIPOF的界面凝胶聚合(Interfacial-gel Polymerization)技术, 显著降低了GIPOF的损耗(在688 nm 波长处降至56dB/km)。同年,波士顿光纤股份有限公司在美国成立,其宗旨是将GIPOF商品化。1993年油箱设计,美国政府也意识到塑料光纤对于军事和工业的战略意义。同年,美国政府高级防卫研究计划局(DARPA)成立了高速塑料网络联合体(HSPN), 目标是研制GIPOF技术。1994年,美国已使用GI型POF建成高速通信网络,HSPN已经能够为航空、汽车和数据通信市场提供商品化的GIPOF。1997年5月通过了GIPOF的第一个工业标准。DARPA又提出了PAVNET计划(POF与垂直腔面发射激光器网络计划),其目标是开发POF新材料与新工艺,使GIPOF的损耗值在500～2000nm波长范围内低于60dB/km;工作温度从85℃提高到125℃;开发连接设备、终端技术、电光模块。该计划已于2000年完成。1994年日本也成立了POF联合体,其成员包括45 家电子厂家和电缆厂。迄今,日本依旧是POF研究和生产的第一大国,技术处于世界领先水平。据日本2000年48卷第8期《工业材料》
介绍,日本旭硝子、三菱商事和网络系统3家公司共同开始销售全氟树脂光纤Lucina。Lucina在100m的距离内可以10Gb/桶装水管理系统s的高速度传递信息,并且柔软性好,容易连接,其连接时间仅为石英光纤的1/10,可直接使用于现有局域网设备。由此可见,全氟POF是现在最有发展前途的POF。随着PC、DVD和数字视频仪等设备的使用及Internet和卫星数字广播等新型业务的出现, 预计在几年之内传输媒质容量将增加到数百Mb/s。日本NTT正在建设以PSD-ATM(室内配线系统2异步传输模式)为基础的高速POF网络基础结构, 套管头预计2005年完成新型接入网。
塑料光纤的最大缺点是损耗大。根据损耗机理的不同，在可见及红外区域POF的损耗可以分为散射损耗和吸收损耗。其中散射损耗有因为波导结构不完善（如聚合物杂质、光纤中的微空隙、尘埃和气泡、纤芯直径不均匀不完整性、方位双折射、纤芯与包层间的粘合缺陷）引起的损耗及由于瑞利散射引起的损耗。使用合适的包层材料和控制聚合物聚合度与分子量分布，可降低散射损耗。光纤波导最重要的特点是其带宽，带宽确定了其信息传输能力，多模石英光纤和塑料光纤在带宽上的主要限制因素是模间散。光纤中模式不同，传播速度不同，其散随长度呈线性增加。但是理论和试验表明，在塑料光纤中模与模之间并不互相独立，而是密切相关的，从而使其带宽出乎意料的提高。最近对塑料光纤的实
验研究表
明，由于随机折射率微扰和模耦合使带宽明显展宽。当输入信号脉冲的能量包沿波导传播时，其在不同的时间与不同的模耦合，会使模间散降低。塑料光纤的耐热性往往是使用者关心的问题，因此性能往往与包层在一定环境下保持的时间和湿度等条件有关。由于塑料熔点低，耐热性能差，比玻璃易老化。当温度低于-40℃时，塑料光纤将变硬、变脆。塑料光纤在高温环境中会发生氧化降解和损耗增大，氧化降解是由于构成光纤芯材中的羟基、双键和交联的形成所致。氧化降解促使电子跃迁加快，进而引起光纤的损耗增大。
上世纪80年代,国内有许多单位对塑料光纤做了一些研究和生产,如西安光机所以PMMA为纤芯研究、生产的塑料光纤;武汉邮电科学研究院以stc2052PS为纤芯,PMMA为包层,对POF也做了大量的研究;南京玻璃纤维研究院也是国内最早从事POF研究和制品开发的单位之一。由于国内生产的塑料光纤大部分难以克服损耗较大,柔韧性不够好的问题,因而大多数塑料光纤被应用到广告、装潢、工艺美术品等方面, 只有少量应用到要求不太高传感器上。目前,国内只有少数几个研究所对POF的研究投入少量的物力和人力。这和国际上近年来POF的研究热潮形成鲜明的对比。如果不改变这种局面,中国的潜在POF大市场将会在很长的一段时间内没有本国产品。
近年来随着多媒体高速传送的发展,不少国家投入大量人力、物力、财力为迎接信息社会到来而进行各种准备。例如,日本邮政省已订出要求在2010年前实现全国光纤通信网络的具体日程表xv-851,即把目前由金属电缆为主的传送干线的年传递信息量的70%以上用SM光纤替代。在建成高速信息网络中心后,家庭中现有的通信手段,如电话、电传、电视等可能成为今后高速信息传送网络中的“基本建设项目”,在此基础上实现“光纤到家庭”(FTTH: Fiber to The Home)的室内光纤的铺设。但是,要实现FTTH的宏伟设想,单模SM型光纤因其直径小(5～10Lm)难以进行频繁的连接。这就重新引起人们对开发成本低廉、透光性好、芯径大、较柔软的聚合物光纤的极大关注[10～11]。目前已有POF、无屏蔽对绞线(UTP)、屏蔽对绞线(STP)、同轴电缆和玻璃光纤应用于LAN上。
随着3G通信和FTTx光纤通信技术的发展，利用塑料光纤结合石英光纤铺设入户光纤通信网络技术的研究成为光纤通信技术研究的一个热点。如下图所示，利用石英光纤在城域网和骨干网等较长距离的宽带网上传输高速数据，然后在办公住宅网络和智能家庭网络利用塑料光纤实现高速数据通信，从而在整个网络实现全光纤通信。早在2003年11月，日本中川公司与NEC、索尼、东京电力、东芝、日本信号、松下电工等公司成立了“可视光通信联盟(VLCC：Visible Light Communications Consortium)”。其后，日本于2007年出台了塑料光纤布线标准。美国电话电报公司(AT&T)也于2010年5月进行了关于塑料光纤(POF)在IPTV中应用的实验。但是塑料光纤受限于其材料的本身特性限制，在衰减、热稳定性和光源使用方面还存在诸多局限。塑料光纤的衰减仍是导致其应用尚处于实验阶段的首要原因，其在850nm的衰减仍高达10dB/km以上，远高于目前的多模光纤。同时由于塑料光纤是由塑料材料构成的，故其在高温环境中工作会发生氧化降解。氧化降解是光纤芯材料中的羰基、双键和交联形成的。氧化降解将促使电子跃迁加快，进而引起光纤损耗增大。另外，由于目前塑料光纤的主要低损耗应用窗口在650nm附近，这与目前光纤通信网络常用的850nm、1300nm和1550nm等光源还不太兼容。而且，在将光信号转变为电信号的光探测器方面，由于塑料光纤的直径较大，包层较薄，为降低与光电二极管连接时的几何位置对准精度，光电二极管应具有较大的光敏面，这对光电二极管提出了更高的要求，目前市面上的Si光电二极管还达不到塑料光纤通信网络的使用要求。
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