材料与光通信行业：从玻璃光纤到塑料光纤

玻璃光纤由细小的玻璃纤维构成，这些玻璃纤维在特定应用的护套（如不锈钢）内捆绑在一起，以实现耐用性和耐高温。它们连接到某些光电传感器并将光从传感头引导到目标。

玻璃纤维是所有光纤技术的核心。这种纤细、柔韧、透明的材料的直径大约相当于一根人发。光在光纤纤芯中传输，在光纤束末端射出光线或形成图像。

光能进行这样的传输是因为使用了折射率不同的两种材料。玻璃纤维由高折射率的纤芯和低折射率的包层组成。根据全内反射（TIR）原理，当光线以小于极限角的角度入射到纤芯和包层之间的边界时会被反射，光可以这样沿着光纤传输到末端。

玻璃光纤具有令人印象深刻的温度范围，低至 -40°F 至高达 +900°F。玻璃纤维的主要应用是通信、传感器和测量系统。某些类型的玻璃光缆还可以在腐蚀和潮湿环境等恶劣环境中使用。

近年来，随着材料科学领域的技术创新，出现了空芯光纤的产品新形式。其实早在上世纪60年代就有人曾经提出过空芯光纤的设想。但是，那时候的材料技术还不成熟，所以无法实现。直到2000年前后，研发人员开发了多孔光纤和微结构光纤的产品。这种光纤的纤芯是中空的，充满了空气。光纤的包层，是大量的空气孔，按周期性排列，全部具有精确设定的孔径大小、孔间距和周期。

图 空芯光纤的各种截面

采用空芯光纤，光信号的传播速度将会比传统玻芯光纤提升47%左右。这对于高频率的金融证券交易，以及远程医疗、工业制造等行业场景，这个时延改善具有重要的意义。

然而，玻璃光纤需要专业技术人员安装，玻璃光纤的纤芯直径非常小，因此将光耦合到纤芯区域（例如光源）的技术要求较高。玻璃光纤很脆弱，如果处理不当，更容易断裂；此外，光纤端接的工具和设备通常很昂贵，安装成本较高。

因此，近年来又开发了以PMMA树脂为芯材的塑料光纤（POF），皮层材料选用氟材料或含氟聚合物。POF的出现很好地解决了上述问题：POF 的材料成本低廉，并且相关组件的安装并不昂贵。它柔韧而坚固，能够进一步弯曲而不会断裂；使用塑料光纤的网络可由未经培训的人员安装。即使是家庭用户也可以处理和安装这些光纤；塑料光纤使用肉眼容易看到的无害绿光或红光。

日本是世界上最大的POF生产国，德国成功将POF应用到汽车中的多媒体总线系统。我国在POF领域的探索历程也十分艰辛，同样受到发达国家的技术封锁。目前，中科院理化技术研究所是该领域的先驱，

一代材料，一代创新。新材料领域的自主创新往往是其他领域开展创新实践的重要前提条件之一。正是这些材料领域的研究发现，支撑了我们日常信息交流传递的重要使命。

参考资料

[1]王敏敏,王荣康,王春艳.塑料光纤研发和生产进展[J].上海塑料,2023,51(06):14-17.DOI:10.16777/j.cnki.issn.1009-5993.2023.06.002.