CN105700067A - 纳米技术四通道多星纤维光学led网络 - Google Patents

Abstract

本发明纳米技术四通道多星纤维光学LED网络光在光纤中传输的基本原理从光线光学的观点来看,光线在阶跃折射率光纤中传输的基本原理是在芯-涂层界面上发生的内全反射；子午光线（和纤维轴相交的光线）的传输轨迹是锯齿形折线，斜光线（和纤维轴不相交的光线）的传输轨迹是围绕纤维轴的螺旋折线；对于梯度折射率光纤，由于折射率在芯中呈梯度分布，子午光线的传输轨迹是正弦曲线，斜光线的传输轨迹是围绕纤维轴的螺旋曲线；从波动光学的观点看，每根光学纤维就是一个波导管，其中只能传输具有确定时间、空间分布并且满足麦克斯韦方程组和一定边界条件的电磁波(称为模)。

Description

纳米技术四通道多星纤维光学LED网络

（一）领域

纳米技术四通道多星纤维光学LED网络属于电子领域。

（二）简介

纤维光学在透明纤维中传输特性、制作技术及应用的分支学科。它是20世纪50年代以来才发展起来的一门新学科。

研究光在透明纤维中传输特性、制作技术及应用的分支学科。它是20世纪50年代以来才发展起来的一门新学科。

纤维光学的发展可以追溯到1929年,当时制成了无涂层的石英光学纤维。1953年,制成了有涂层的玻璃光学纤维，为光学纤维的发展奠定了基础。1956年，正式提出了“纤维光学”一词，并初步讨论了光在光学纤维中的传输和光学纤维的应用。1958年制成光学纤维面板，1960年制成可实用的光学纤维传像束。从此形成了独立的分支学科。1969年以后，纤维光学又有重大发展，主要是制成了低损耗光学纤维和变折射率光纤，促进了激光通信迅速发展，并引出了一门新的分支学科──变折射率光学。

（三）定义

　类型按折射率分布情况分，光学纤维主要有阶跃折射率型（又称套层光学纤维或均匀芯光学纤维）和变折射率型（又称梯度折射率光学纤维、渐变折射率光学纤维或非均匀芯光学纤维）两类。

这里，n1、n2和nr分别为芯(或轴上)、涂层和距轴r处的折射率，a为光学纤维芯的半径，g为折射率分布常数，为相对折射率差。梯度折射率分布就变成阶跃折射率分布光纤有多种分类方式,按传输的传导模数分,光学纤维可分为单模和多模两种；按材料本身特性可分为发光纤维、激活纤维及耐辐射、红外、紫外和X射线光学纤维六种；按纤维结构可分为圆柱形、椭圆形和锥形三种；按损耗特性分，有低损耗和高损耗两种；按使用的材料分，有玻璃、塑料、液芯和单材料四种。

光在光纤中传输的基本原理从光线光学的观点来看,光线在阶跃折射率光纤中传输的基本原理是在芯-涂层界面上发生的内全反射。

子午光线（和纤维轴相交的光线）的传输轨迹是锯齿形折线，斜光线（和纤维轴不相交的光线）的传输轨迹是围绕纤维轴的螺旋折线。对于梯度折射率光纤，由于折射率在芯中呈梯度分布，子午光线的传输轨迹是正弦曲线，斜光线的传输轨迹是围绕纤维轴的螺旋曲线。

从波动光学的观点看，每根光学纤维就是一个波导管，其中只能传输具有确定时间、空间分布并且满足麦克斯韦方程组和一定边界条件的电磁波(称为模)。

传输的模数和纤维参量、入射光频率及纤维的性质有关。如果纤维的直径足够小，或者数值孔径(即相对折射率差)足够小，则仅有一个基模可以在其中传输，这样的光学纤维就称为单模光学纤维。

单模阶跃折射率光学纤维的直径典型值是1～5微米，它的特点是色散小，传输带宽大，是当前人们很感兴趣的一种激光通信传输媒质。此外，为了得到最大的传输带宽，就要尽量减少传输模之间的群速度差。

变折射率光学纤维能满足这一要求，是一种很有希望的传输媒质。

光学纤维可以单根使用，也可成束使用。

单根光学纤维本身就是一个光导管，可以用它来传输光信号。

为使光学纤维柔软和具有良好的传光能力，光学纤维的直径一般是25～50微米；塑料光学纤维的直径是几百微米至几毫米。

单根变折射率光纤不仅可以导光，而且可以在一定长度以内传像。这种变折射率光纤的直径可以小到几十微米，也可以大到几十毫米，其物像关系和普通透镜相似，不同的是它的像距、焦距和色差都是棒长的周期函数。

只要截取适当的长度，就可得到极短的焦距和放大或缩小、正立或倒立、实的或虚的像，而且分辨率较高(300线对/毫米以上)，像差较小形成棒透镜。

用两个这样的棒透镜耦合就可以代替原来由六片普通透镜组合而成的照相机物镜。

因而可以使光学仪器的结构简单、重量轻、体积小，并向微型发展，极大地促进了微型光学的发展。

如果将大量单根光学纤维严格排列成束，并使束两端的单根光学纤维呈相关排列，即一一对应。

这样的光学纤维束就能把一幅大小等于束端面积的图像清晰的从一端传到另一端。

传像束的分辨率主要取决于单根光学纤维的直径d和排列方式。

对正方形排列的元件,极限分辨率是1/2d；对六角形排列的元件,极限分辨率是。

为使光学纤维束有较高的分辨率而在工艺上又不过分困难，单根光学纤维的直径一般是10～20微米。

光学纤维面板是另一类重要的传像元件,这种元件的长度很短(一般为3～10毫米)、端面积很大(直径可达250毫米以上)，并且要求真空气密性好、数值孔径大、分辨率高（单丝直径小于5微米，分辨率可达100线对／毫米）、调制传递特性和边缘响应性能好，因此制作方法与传像束不同。

塑料光纤是以光学塑料为材料制作的一类重要的光纤，石英光纤也是常规光纤的代表，其主要成分是二氧化硅。目前，通信光缆所用的光纤，基本上都是采用石英光纤，近年来还逐步开发出塑料光纤（POF），因为可以利用聚合物成熟的简单拉制工艺，故成本比较低，且比较柔软，坚固，直径较大，接续损耗较低。塑料光纤能否代替石英光纤，两种纤维的性能如何，发展前景又怎样？下面对两种光学纤维的结构，特性，制作工艺以及应用前景做具体的介绍。

光纤相关知识介绍

1、光纤结构：

光纤的基本结构十分简单，光纤的纤芯是有折射率比周围包层略高的光学材料制作而成。

这种光纤结构引起全内反射，从而引起光线在纤芯内传播。光纤的基本结构是导光的纤芯和外面低折射率的包层。

2、基本概念介绍：

光纤是一种介质圆柱光波导，利用全反射规律而使光线沿着弯曲路径传播的光学元件。

光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。

从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。

塑料光纤（POF）是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤。

石英光纤是一条石英纤维，能让光能传输的媒介，基本上都是采用石英系光纤，由高纯度二氧化硅SO2加入适量掺杂组成的。

基本性质

·塑料光纤：

①光学特性：塑料光纤是一种纤维状长链分子，是用单体聚合而成，密度均匀性较难达到，因而有较难的光学损耗。

②机械性能：塑料光纤的柔韧性好，有实验表明，塑料光纤曲率半径大于塑料光纤半径的三倍时，透过率仍无大的变化。

③温度性能：使用温度一般小于100℃。

当温度低于-40℃时，塑料光纤变硬，变脆。

由于塑料光纤熔点低，因此易老化。

·石英光纤：

①使用寿命长，平巨额使用成本低。

②导光效率高，光损耗低，单光路从入射到出射，其光损耗不超过10％。

③在一分多束结构的光纤上，适应更有保障，分光均匀性强。

④维护简便，抗撞击即摔碰能力强。

·两者比较

石英光纤是由石英玻璃拉丝而成，质地较脆，难以适应楼内复杂弯曲的布线环境，光纤接入的最后100米难以突破。塑料光纤则没有石英光纤这些缺点，具有柔软抗拉、弯曲半径小、占用空间小、不用熔接焊接和防水的优点，塑料光纤（POF）与石英光纤相比，还具有以下优点：

1.快速安装

2.容易连接

3.低廉成本

4.坚固耐用

5.简单、安全的连通测试。

但与石英光纤相比,塑料光纤的主要问题是传输损耗大.所以它适用于短距离通信接入。

而且在产品检测上也只有多模石英光纤检测标准，在标准化领域塑料光纤还是比较落后的，亟待推进标准化。

四、应用领域及发展前景

1塑料光纤：塑料光纤主要用作短距离照明或者监控方面作传光介质、内窥镜等之用。

塑料光纤在传感器、消费电子领域具有明显的优势，如电脑、视频摄像机、打印机、扫描仪、磁盘和立体声系统等。

塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质，除了可以应用于FTTH之外，还可以广泛地应用于军事国防、节能建筑、企业局域网、车载通信、工业控制等多个领域。

尤其是在汽车领域，可以在汽车影音系统布线中大量采用，在中国汽车业高速发展的今天，塑料光纤大有用武之地。

2石英光纤：通信光缆所用的光纤，基本上都是采用石英系光纤，由高纯度二氧化硅SO2加入适量掺杂组成的。

石英光纤广泛用于远距离干线通信和光纤到户。

石英光纤以其大容量、高速度、低损耗在城际网及城域网的干线中已被大量使用，成为远距离传输信息的最佳选择，其成熟的吉比特级别技术，已经得到广泛应用。

3两者综合分析：石英光纤在通信行业普遍应用，但是由于石英光纤在光纤耦合互接中精度要求高及光纤配套器件昂贵等原因，大大提高了石英光纤的连接成本，为降低短距离接入网中光纤网络终端用户的接入成本，塑料光纤逐渐进入了人们的视线。

在通信行业，塑料光纤主要用在驻地网和局域网等领域。塑料光纤在FTTH领域具有很好的应用前景，不过电信运营商一旦采用就会大量采购部署，目前只有石英光纤有相应的布线标准，而且在产品检测上也只有多模石英光纤检测标准，在标准化领域塑料光纤还是比较落后的。

4结论：对于塑料光纤和石英光纤的发展前景，可以认为，塑料光纤有一个特定的细分市场，在汽车和音响等一些短距离低带宽领域有着较多的应用，但主流仍然是采用以玻璃为材料的光纤，塑料光纤不仅不会取代石英光纤，相反，石英光纤会慢慢渗透到塑料光纤的领域。塑料光纤并不是什么新概念。

从目前情况看，距离应用还有相当长的时间。

退一步说，即使现在投产、达产，也无法取代石英光纤，它可以和石英光纤形成互补。

在光纤到户、光纤到桌面整体方案中，塑料光纤是石英光纤的补充，可共同构筑一个全光网络。

五、制备方法

塑料光纤：制备渐变型塑料光纤通常有两种方法

①直接挤出成纤法，即将高折射率的芯材聚合物和低折射率的皮材聚合物通过双层嘴挤出，用高聚物聚烯烃材料包覆后，降温、热处理，使芯皮界面融合同时拉伸至一定的直径，冷却即可得到GIPOF。

②预制棒拉纤法，即首先制得渐变性折射率预制棒，然后在适当的温度和压力下，以一定的拉伸速率将预制棒拉伸，便可以得到折射率分布的渐变型塑料光纤。

石英光纤：制备石英光纤生产石英光纤预制棒的方法有很多，主要有两大类：气相沉积法和非气相沉积法。

其中普遍使用，并能制作出优质光纤预制棒的方法是气相沉积法。气相沉积法原理是：将液态的四氯化硅、掺杂剂、和氧气混合，送入反应室，在一定条件下发生化学反应，生成氧化物的沉积物。

气相沉积法主要有四类：棒外气相沉积法、轴向气相沉积法、改进的化学气相沉积法和等离子激活化学气相沉积法。

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。

纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。

1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。

因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

利用纳米技术将氙原子排成IBM纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。

纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。

这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。

其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：

第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。

根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。

这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。

也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。

现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。

为了解决这些问题，研究人员正在研究的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。

本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。

DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。

（四）应用

①直接传像,如各种潜望镜、各种医用内窥镜（如胃镜、肠镜、膀胱镜、子宫镜和关节镜等）和电子光学器件中的纤维端窗。

②导光，如各种形式的光学纤维照明器、信号显示器、传感器和激光通信光缆。

以低损耗光纤波导为传输媒质的激光通信的显著特点是传输带宽大、通信容量大、损耗低（在1.55微米处的损耗已达0.2分贝/公里）、中断距离大、抗干扰性能好，而且重量轻、省金属、价格便宜。

③析像，如密码传像和各种光学纤维图像变换器，这是一类具有特殊用途的光学纤维元件。

它的每根光学纤维在束两端面上的位置按要求形式排列，这样就使输出像元的排列位置有明显改变，因而改变了输出图像的形状，达到使用方便、保密性好的目的。

这种元件已广泛用于无线电传真系统。

④光纤传感，用光学纤维作“传”和“感”元件的光纤传感器，可对欲测的物理量（如温度、速度、加速度、位移、磁场强度、声场强度、方位、压力等）进行精确测量，而且测量精度高、不受电磁干扰、结构简单、使用方便，因而近几年发展很快。

Claims (7)

1.nn2和nr分别为芯(或轴上)、涂层和距轴r处的折射率，a为光学纤维芯的半径，g为折射率分布常数，为相对折射率差；梯度折射率分布就变成阶跃折射率分布光纤有多种分类方式,按传输的传导模数分,光学纤维可分为单模和多模两种；按材料本身特性可分为发光纤维、激活纤维及耐辐射、红外、紫外和X射线光学纤维六种；按纤维结构可分为圆柱形、椭圆形和锥形三种；按损耗特性分，有低损耗和高损耗两种；按使用的材料分，有玻璃、塑料、液芯和单材料四种。

2.光在光纤中传输的基本原理从光线光学的观点来看,光线在阶跃折射率光纤中传输的基本原理是在芯-涂层界面上发生的内全反射；

子午光线（和纤维轴相交的光线）的传输轨迹是锯齿形折线，斜光线（和纤维轴不相交的光线）的传输轨迹是围绕纤维轴的螺旋折线；对于梯度折射率光纤，由于折射率在芯中呈梯度分布，子午光线的传输轨迹是正弦曲线，斜光线的传输轨迹是围绕纤维轴的螺旋曲线；

从波动光学的观点看，每根光学纤维就是一个波导管，其中只能传输具有确定时间、空间分布并且满足麦克斯韦方程组和一定边界条件的电磁波(称为模)。

3.传输的模数和纤维参量、入射光频率及纤维的性质有关；如果纤维的直径足够小，或者数值孔径(即相对折射率差)足够小，则仅有一个基模可以在其中传输，这样的光学纤维就称为单模光学纤维；

单模阶跃折射率光学纤维的直径典型值是1～5微米，它的特点是色散小，传输带宽大，是当前人们很感兴趣的一种激光通信传输媒质；此外，为了得到最大的传输带宽，就要尽量减少传输模之间的群速度差；

变折射率光学纤维能满足这一要求，是一种很有希望的传输媒质；

光学纤维可以单根使用，也可成束使用；

单根光学纤维本身就是一个光导管，可以用它来传输光信号；

为使光学纤维柔软和具有良好的传光能力，光学纤维的直径一般是25～50微米；塑料光学纤维的直径是几百微米至几毫米；

单根变折射率光纤不仅可以导光，而且可以在一定长度以内传像；这种变折射率光纤的直径可以小到几十微米，也可以大到几十毫米，其物像关系和普通透镜相似，不同的是它的像距、焦距和色差都是棒长的周期函数；

只要截取适当的长度，就可得到极短的焦距和放大或缩小、正立或倒立、实的或虚的像，而且分辨率较高(300线对/毫米以上)，像差较小形成棒透镜；

用两个这样的棒透镜耦合就可以代替原来由六片普通透镜组合而成的照相机物镜；

因而可以使光学仪器的结构简单、重量轻、体积小，并向微型发展，极大地促进了微型光学的发展；

如果将大量单根光学纤维严格排列成束，并使束两端的单根光学纤维呈相关排列，即一一对应；

这样的光学纤维束就能把一幅大小等于束端面积的图像清晰的从一端传到另一端；

传像束的分辨率主要取决于单根光学纤维的直径d和排列方式；

对正方形排列的元件,极限分辨率是1/2d；对六角形排列的元件,极限分辨率是。

4.为使光学纤维束有较高的分辨率而在工艺上又不过分困难，单根光学纤维的直径一般是10～20微米；

光学纤维面板是另一类重要的传像元件,这种元件的长度很短(一般为3～10毫米)、端面积很大(直径可达250毫米以上)，并且要求真空气密性好、数值孔径大、分辨率高（单丝直径小于5微米，分辨率可达100线对／毫米）、调制传递特性和边缘响应性能好，因此制作方法与传像束不同；

塑料光纤是以光学塑料为材料制作的一类重要的光纤，石英光纤也是常规光纤的代表，其主要成分是二氧化硅；目前，通信光缆所用的光纤，基本上都是采用石英光纤，近年来还逐步开发出塑料光纤（POF），因为可以利用聚合物成熟的简单拉制工艺，故成本比较低，且比较柔软，坚固，直径较大，接续损耗较低；

塑料光纤（POF）是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤；

石英光纤是一条石英纤维，能让光能传输的媒介，基本上都是采用石英系光纤，由高纯度二氧化硅SO2加入适量掺杂组成的。

5.塑料光纤：

光学特性：塑料光纤是一种纤维状长链分子，是用单体聚合而成，密度均匀性较难达到，因而有较难的光学损耗；

机械性能：塑料光纤的柔韧性好，有实验表明，塑料光纤曲率半径大于塑料光纤半径的三倍时，透过率仍无大的变化；

温度性能：使用温度一般小于100℃；

当温度低于-40℃时，塑料光纤变硬，变脆；

由于塑料光纤熔点低，因此易老化；

使用寿命长，平巨额使用成本低；

导光效率高，光损耗低，单光路从入射到出射，其光损耗不超过10％；

在一分多束结构的光纤上，适应更有保障，分光均匀性强；

维护简便，抗撞击即摔碰能力强；

塑料光纤：塑料光纤主要用作短距离照明或者监控方面作传光介质、内窥镜等之用；

塑料光纤在传感器、消费电子领域具有明显的优势，如电脑、视频摄像机、打印机、扫描仪、磁盘和立体声系统等；

塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质，除了可以应用于FTTH之外，还可以广泛地应用于军事国防、节能建筑、企业局域网、车载通信、工业控制等多个领域。

6.制备方法塑料光纤：制备渐变型塑料光纤通常有两种方法

直接挤出成纤法，即将高折射率的芯材聚合物和低折射率的皮材聚合物通过双层嘴挤出，用高聚物聚烯烃材料包覆后，降温、热处理，使芯皮界面融合同时拉伸至一定的直径，冷却即可得到GIPOF；

预制棒拉纤法，即首先制得渐变性折射率预制棒，然后在适当的温度和压力下，以一定的拉伸速率将预制棒拉伸，便可以得到折射率分布的渐变型塑料光纤。

7.石英光纤：制备石英光纤生产石英光纤预制棒的方法有很多，主要有两大类：气相沉积法和非气相沉积法；其中普遍使用，并能制作出优质光纤预制棒的方法是气相沉积法；气相沉积法原理是：将液态的四氯化硅、掺杂剂、和氧气混合，送入反应室，在一定条件下发生化学反应，生成氧化物的沉积物；气相沉积法主要有四类：棒外气相沉积法、轴向气相沉积法、改进的化学气相沉积法和等离子激活化学气相沉积法。