塑料光纤的研究与应用进展

0 引言

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.

表1 SI-POF及GI-POF通信特性

Table 1 Performance of the SI-POF and GI-POF for communication

1.2 微结构塑料光纤

微结构光纤(Microstructured Optical Fiber, MOF)又名光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)或多孔光纤(Holey Fiber, HF).它是一大类结构特殊且性能独特的新型光纤，其光纤剖面上有人为设计的微小光学结构，即包层中按照特定规则周期性排列着拥有波长量级的空气小孔.2001年Eijkelenborg首次提出了以塑料为光纤材料的微结构光纤并称之为微结构塑料光纤(MPOF)[24]，随后MPOF得到了蓬勃发展.与此同时，随着太赫兹技术的兴起，THz波的高效传输得到了研究人员的极大重视.目前大部分THz系统主要采用自由空间传播方法来实现THz波的传输，然而这需要精密的校准和维护，同时外界环境也会引起THz波大的损耗(如环境湿度的变化)，而且THz系统庞大，设备的小型化、轻量化以及便携性更是无从谈起.因此现阶段，太赫兹波无法得到高效传输已经成为影响太赫兹技术发展的瓶颈之一.研制具有高品质的THz光纤及其器件具有重要的科学意义和实用价值.研究发现各种塑料材料，特别是聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)、聚乙烯((Polyethylene, PE)、高密度聚乙烯(High-density Polyethylene, HDPE)、聚丙烯(Polypropylene, PP)、聚4-甲基戊烯(Poly (4-methylpentene-1), TPX)、环烯烃聚合物(Cycio Olefins Polymer, COP)/共聚物(Cyclicolefin Copolymer, TOPAS COC)等纯碳氢、碳氟高分子材料在太赫兹波段非常透明，具有相对较低的吸收损耗.目前，已有多种基于塑料的THz波导器件研究的报道，各国的研究人员对以塑料为基质的太赫兹波导与波导器件的研发前景十分看好.且MPOF除了材料可选范围广外，其结构参数有很大的设计自由度.因此，MPOF除了在可见光和近红外这些常见通信波段的应用外，将其作为THz波导的研究也受到了研究人员的关注.

材料的吸收对THz光纤的传输损耗影响巨大，降低THz传输损耗的途径一般有三种：1)使用低吸收的材料；2)在THz光纤纤芯上设置空气孔，形成多孔纤芯，基于折射率引导原理实现THz传输；3)基于光子晶体的传输原理，把THz波限制在空气纤芯中传输，尽量避免与材料的相互作用.21世纪初，HAN H等率先研究了THz光纤，制作的以HDPE为基材的实芯MPOF在0.1～1 THz范围内传输损耗小于2.2 dB/cm(即0.5 cm-1) [25].在此之后，PonSECA C S等于2008年制备了以PMMA为基材的空心MPOF来传输THz波，由于引入了空芯结构，其传输损耗与最初的实芯THz光纤相比有所降低，最低达到了0.9 dB/cm(即0.21 cm-1)[26].除了引入空芯外，使用吸收损耗低的材料作为光纤基材也可以降低光纤传输损耗，与POF最常用的基材PMMA相比，TOPAS COC吸水率更低(约为PMMA的1/10)且在THz波段材料损耗也更低(约为PMMA的1/100).基于以上原因，2011年NIELSEN K等制作了以TOPAS为基材的实芯MPOF，使得光纤传输损耗降到了0.4 dB/cm(即0.09 cm-1)以下[27]，2012年BAO H等在文献[27]的基础上在纤芯中引入多孔结构，进一步将传输损耗降至0.25 dB/cm(即0.06 cm-1) [28].基于这些工作，2013年王豆豆设计了以TOPAS为基材的基于光子晶体传输原理的多孔光纤，将光束缚在中心传输，其色散在0.48～1.5 THz范围为1.8±0.3 ps/(THz·cm)[29].同年马天等设计了以TOPAS为基质材料的不同结构的多孔光纤，该光纤在0.5～1.5 THz范围内实现了平坦近零色散[30].2015年，MA T和蒙特利尔工学院的MARKOV A首次设计和制作出一种渐变折射率型的多孔光纤用作THz波段的色散管理，其吸收损耗最低可达到0.025 cm-1，且渐变折射率纤芯的设计降低了光纤的色散，在0.3～1.5 THz范围内，群速度色散<1.0 ps/(THz·cm)，模间色散<2.0 ps/(THz·cm)[31].除了实现光纤的低损耗外，近年来还出现了一些拥有平坦色散的THz光纤.2017年ISLAM M S等提出了一种低损耗超平坦色散的MPOF用于THz波的传输，其损耗为0.0342 cm-1，色散为0.94±0.09 ps/(THz·cm)[32]，2018年该课题组又提出了一种THz波段的保偏光纤，损耗为0.05 cm-1，色散为0.49±0.05 ps/(THz·cm)[33].2019年西安光机所的MEI S等提出了一种THz波段具有近零超平坦色散的悬浮芯MPOFs，且其损耗低至0.062 cm-1，且在0.8～1 THz范围内实现了0.14±0.07 ps/(THz·cm)的低平坦色散[34].同年YAKASA I K 等提出基于传统六角点格包层的光纤用于THz传输，其纤芯的空气填充比高达85%，光纤总损耗大约为0.04 cm-1，色散为0.47±0.05 ps/(THz·cm)，光纤单模工作频率为0.5～1.5 THz[35].上述相关MPOF的详细信息总结见表2.

MPOF由于拥有着更大的设计自由度(如孔的形状、尺寸、数量、位置等)，并且随着越来越成熟且精确可控的制备条件和技术，实现了大多数传统光纤不具有的特性(如传输损耗的急剧降低)甚至拥有新的或改进的特性(如无截止单模传输特性、高双折射特性、色散可调特性等)，且使得从可见光至THz波的全波段低损耗传输成为了可能.但值得注意的是，实现更高的传输效率在目前乃至不远的将来都将是一个亟待解决的突出问题.

表2 MPOF的特性

Table 2 Performance of the MPOF

2 塑料光纤传像

光纤传像器件是指由大量光导纤维按照一定的序列排列在一起，制成的可传递二维图像的光学元件，具体来说包括光学纤维传像束、光学纤维面板等，分别简称为光纤传像束、光纤面板[36].光学塑料作为制作光纤的原料之一，也可以制作成光纤传像器件.并且由于材料本身的特点，塑料光纤传像器件具有轻质、柔性、低成本、高分辨率等优势.

2.1 塑料光纤传像束

光纤传像束是将成千上万根具有一定长度的光纤单丝按一定规律集合成束而实现图像传输功能的无源器件.其最重要的特征就是传像束两端的光纤一一严格对应，每根光纤都有良好的光学绝缘性，其独立传光不受邻近其它光纤的影响[37].塑料光纤传像束是近几年才开始研制的一种新材料传像束，一般选用以PMMA为芯材、氟塑料为皮材的POF.日本三菱Rayon公司开发了由1 500根POF组成的传像束.美国Nanoptics公司研制了数千根POF构成的光纤束，是医学史上第一个POF内窥镜生产公司.而国内对于塑料光纤传像束的研制起步较晚.南京玻璃纤维研究设计院曾采用PS芯POF制备成长为40 cm，界面为10 mm×10 mm的传像束.先将33根直径为0.3 mm的POF粘接成片材，然后再粘接成传像束，其两端用金属铝套固定，而POF可用PVC热缩管作为外保护层[38].2009年，中科院西安光机所基于微结构塑料光纤技术，在PMMA多孔阵列预制棒中插入高折射率的PS，通过拉伸熔并再拉伸探索了传像光纤的制备新方法，此技术可以解决单丝排列不整齐，丝径不均匀，工艺难控制等问题，形成的传像光纤柔软、易弯曲，像素直径达3 μm，图1是塑料传像光纤预制棒熔并过程示意图[39].接着，该课题组在2011年采用排丝叠片的方法，制出长度为15 m、像素数为4 096、单丝直径为250 μm、分辨率约为2 1p/mm的塑料光纤传像束.传像束所用POF传输损耗为0.4 dB/m，利用该技术和光纤制作的传像束，图像传输距离可以达到20 m，远高于酸溶法制备的玻璃光纤传像束的传像距离(一般在3 m以内)[40].2013年，该课题组探索用直径为0.25 mm的特制PMMA芯/氟塑料包层光纤经过一步排列堆积制作传像光纤预制棒，拉伸制成直径为2 mm、像素数为7 200、单丝直径为20 μm的传像光纤[41]，但是，该研究仅限于实验室的样品研制水平.目前，把塑料光纤应用于传像束、内窥镜，在日本、美国已有产品[42, 43]，其中日本的旭化成公司已有7 400芯和13 000芯的多种不同外径的塑料传像光纤，其中7 400芯的传像光纤最小外径达到0.45 mm，可以部分取代传统的玻璃和石英传像束.

图1 塑料传像光纤预制棒熔并过程
Fig.1 Schematic diagram of fusion for plastic imaging fiber preform

2.2 塑料光纤面板

光纤面板是一种由光纤紧密有序排列、堆积形成的图像传输器件，因高数值孔径、低耦合损失、高分辨率、零光学厚度等特点，可以无失真地传递高清晰度图像，广泛应用于生物检测、微光成像、指纹识别以及曲面显示等领域，它的出现被誉为电子光学的一次革命.现有的光纤面板绝大多数是由生产加工工艺较成熟的玻璃光纤制作而成，虽能满足大部分使用要求，却存在质量重、性脆易碎、不耐酸易腐蚀、生物兼容性差、成本高等问题.面对市场需求和技术瓶颈，塑料光纤面板因为价格低、韧性好、耐酸碱、生物兼容性好等优点，有望成为替代玻璃光纤面板、弥补玻璃光纤面板缺陷的首选产品.塑料光纤面板的研究始于20世纪末，1999年美国Nanoptics公司用塑料梯度折射率光纤多次熔并拉伸制作了塑料光纤面板，单个像元直径达到了2.8 μm[44].

2011年，中科院西安光机所利用堆积-热熔合工艺，将商用PMMA低损耗光纤以六方堆积的方式排列在自行设计的模具中，制备光学POF光纤面板预制棒后，对预制棒进行切割，拼接，研究了一种制备超大尺寸的光纤面板的新技术，图2为利用光纤面板预制棒进一步制作大尺寸光纤面板的流程示意图.拼接面样板面样品的厚度为2 mm，像素直径为500 μm，总像素数为59 052，对大尺寸图像具有很好的传递能力[45].美国INCOM公司自称是目前全世界唯一可以生产塑料光纤面板的公司，于2017年开发出塑料光纤面板产品，分辨率达到256 lp/mm，超过玻璃光纤面板的分辨率(144 lp/mm)近一倍，成本却只有玻璃光纤面板的1/3～1/4 [46].INCOM公司生产的用于成像的塑料熔融光纤面板，有着重量轻、成本低、均匀度高、颜色保真度好、失真小的特点，数值孔径为0.13～0.84，面积最大可以做到20″×15″.

在光电子技术日益发展的今天，塑料光纤传像束和光纤面板以其自身的优点在医疗、工业军事、航天探测等领域将会发挥越来越重要的作用，尤其是其耐辐射、耐腐蚀、抗电磁干扰的特点，在一些特殊应用场合更是不可替代[47].

图2 大尺寸光学塑料光纤面板制作过程
Fig.2 Schematic diagram of large-size optical plastic image transmitting fiber faceplate

3 塑料光纤激光器/放大器

塑料光纤激光器/放大器指在POF纤芯或包层中掺杂增益介质制成的光放大器件.典型光纤激光器的基本结构主要由三部分组成：产生光子的增益介质，使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔，激发增益介质的泵浦源.如图3所示，当泵浦光从反射镜1入射到掺杂光纤芯中时会被所掺杂的增益介质吸收.吸收了光子能量的增益介质会发生能级跃迁，实现“粒子数反转”，反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，并释放出能量，从反射镜2输出，形成激光束输出[48].塑料光纤激光器/放大器常用的增益介质有镧系螯合物、有机染料等.其中，一些镧系离子，如Eu3+、Tb3+、Nd3+和Er3+等由于处于亚稳态状态的寿命较长，是硅基玻璃光纤放大器以及连续和脉冲激光中常见的增益介质；但含镧系离子的盐在有机介质中溶解度低，易于聚集在介质中，导致在相对较低的浓度下产生浓度猝灭，因此一般通过胶囊包裹改性的方式提高其在POF中的浓度[49].用于塑料光纤激光器/放大器的有机染料一般以罗丹明B(Rhodamine B, R B)和罗丹明6G(Rhodamine 6G, R 6G)居多[50]，有机染料与塑料光纤基体材料具有较好的融合能力.塑料光纤激光器/放大器的基体材料一般有PMMA、PS和环氧树脂等，其中PMMA和PS属于热塑性聚合物材料，环氧树脂属于热固性聚合物材料[49].塑料光纤激光器/放大器的制作工艺简单、成本低，但是由于多模、耦合等原因，尚未实现规模化应用.

图3 光纤激光器的基本结构
Fig.3 The structure of fiber laser

20世纪60年代，科学家们就开始了塑料光纤激光器的探索研究.WHAN R E提出可以利用镧系离子金属螯合物作为激光材料，他用高功率氙灯泵浦了-140℃ 左右的Eu-螯合物有机溶液，观察到了激光输出[51].WOFF N E尝试利用塑料作为基体，同样用氙灯激发液氮冷却下的Eu3+/PMMA固溶体，观察到了波长约为613 nm的激光[52].同时，HUFFMAN E H从理论和实验上研究了掺杂Tb3+的PMMA激光器的受激发射[53].他制备了一根直径约为0.75 mm，长度约为60 mm的光纤，光纤两端抛光，并在其中一端镀银，光纤浸入液氮，温度为77 K，用能量为225 J、波长为335 nm泵浦光可以获得波长为545 nm的激光.这几乎是世界上最早关于塑料光纤激光器的研究，半个多世纪以来，这项研究一直在持续.

KOBAYASHI T等发现掺杂磷酸三苯酯(Triphenylphosphate, TPP)可以增加Eu螯合物/PMMA光纤激光器的荧光产量和寿命，相比未掺杂TPP时的荧光强度增长了一倍[54].LIANG Hao等研究了掺杂Eu(DBM)3Phen的POF光学放大器[55].在直径0.4 mm、长度30 cm的SI-POF中掺杂重量百分比为0.4%的Eu3+，在室温下用355 nm、0.2 W的YAG脉冲激光泵浦，可以观察到613 nm波长处的增益达到5.7 dB.结果表明，掺杂稀土的POF存在信号增益的可能性.

掺杂镧系离子的POF用于激光器和放大器虽然取得了一些成果，但是发展速度缓慢，仍有很大的研究空间.除掺杂镧系离子外，掺杂有机染料(例如R B、R 6G)的塑料光纤也可用于制备高效率的激光器和放大器，且可在短距离内实现高增益.MAVILA等在PMMA POF中同时掺杂了R 6G和R B，用Nd∶YAG激光器发射的532 nm脉冲光泵浦POF[46].结果表明，当泵浦能量较低时，可以观察到发射荧光；当泵浦能量超过阈值时，发射激光出现多模性质.光纤内部，光纤的柱状表面形成的腔体为增益介质提供光学反馈，能量在供体(R 6G)和受体(R B)间迁移，可以通过控制两种染料的比例实现对出射激光的调节.

关于POF激光器和放大器，西班牙巴斯克大学的ARRUE J等对其进行了长达数年的研究[56].他们通过计算模拟和实验数据分析了有机染料掺杂的POF(包含GI-POF和SI-POF)光放大特性，研究和总结了波长、泵浦功率、光纤长度、光纤数值孔径、掺杂剂径向分布等与发射光谱的位移、宽度和最佳信号波长之间的关系.具体地，在文献[57]和[58]中，分别把时间半腰宽为6 ns和0.1 ns的泵浦光注入R B和聚9，9二辛基芴(Poly(9-dioctylfluorene), PFO)掺杂的POF，得到的激发光的脉冲宽度分别为2.8 ns和0.3 ns，说明增加泵浦光的脉冲宽度并不能显著影响激发光的光谱特征，唯一的要求是降低泵浦光的峰值功率以保持泵浦能量恒定.另外，关于光纤长度方向上发射光谱的实验结果表明，B R和PFO掺杂的POF都出现了峰值波长(λpeak)随光纤长度的红移现象，特别是在距离前端1 cm处，浓度越高，红移越显著[59].因此，应用时可以选择合适的光纤长度来得到需要的峰值波长，选择合适的掺杂浓度来改变峰值大小.

随后，ARRUE J和ILLARRAMENDI M A等从理论和实验上研究了掺杂R 6G的GI-POF放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission, ASE)[60].实验装置图如图4所示，其中LASER为Nd∶YAG激光器；SH为二次谐波产生器；S为谐波光束分离器；I为可变光圈；VF为吸收可变的中性密度滤光片；L1为会聚透镜，焦距为+50 mm；POS xy为x、y方向微动台；FH为滤色镜夹座；FOS为光纤分光仪(后续研究的实验装置图仅在此基础上做了微小的调整).通过一个基于激光速率方程的理论模型成功地描述了ASE的特性，并详细分析了ASE阈值和效率与光纤长度的关系.在此基础上，改变了泵浦方向，研究了泵浦光轴与光纤轴重合和垂直两种情况下的ASE性质[61]，并对垂直情况下的性质进行了进一步的研究[62].2016年，该课题组通过可变条纹长度法(Variable Stripe Length method)研究了两种不同掺杂浓度下的ASE，分析了光纤增益及其与掺杂剂浓度的关系，并且运用上述理论模型成功地描述了发射光谱与泵浦长度的关系[63].此外，他们还比较了热固性光纤在光纤有无包层下的实验结果[64]，并进一步研究和比较了热塑性GI-POF和热固性SI-POF的ASE和光增益以及光纤损耗等性质[65].上述研究中ASE与光纤和染料的关系见表3.

图4 用于测量掺杂POF发射强度的实验装置
Fig.4 Experimental set-up used to measure the emitted intensity in the doped POF

最近，ARRUE J等数值模拟分析和研究了掺杂Eu的POF光学放大器[66].提出偏微分速率方程模型来分析信号增益，并用有限差分的方法来求解，通过简化的解析式确定一些结果的可靠性.通过研究不同种类、不同浓度的螯合物得出了实现最大信号增益的最优光纤长度和泵浦条件[67]：使用螯合物AC-46浓度为500 ppm、泵浦波长为391 nm时，最大增益为20 dB；当使用螯合物AC-56浓度为500 ppm、泵浦波长为402 nm时，最大增益为20 dB，两种情况下光纤长度均为2 m.

表3 放大自发辐射与光纤和染料的关系

Table 3 Performance of ASE varies in fibers and dyes

塑料光纤用于激光器和放大器已经取得一定的成就，但还未达到上限；另一方面，它与常规光纤的熔接损耗较大，从而限制了它作为长距离、大容量光通信系统的光源，一般只用在较短距离光纤通信系统中，导致其发展缓慢.想要取得进一步的发展则需要着重于实现更低的成本、更简单的制造、更高的输出功率和转化效率、更好的热力稳定性等[68].

4 塑料光纤照明/装饰

POF经过多年的发展，已经扩展到许多领域，随处可见的POF照明和装饰灯，由POF编织的发光织物在医疗、显示、可穿戴领域的应用，都证明了POF拥有极为广阔的应用前景.

4.1 塑料光纤照明

光纤照明作为照明行业的新宠正被越来越多地应用于生活实际中，SOF、GOF、液芯光纤(Liquid core Optical Fiber，LOF)、POF在光纤照明领域发挥着各自独特的优势[69].光纤照明是由光源、耦合器件、光纤和光输出器件组成的照明系统，系统利用耦合器件将光源发出的光耦合到光纤中，光在光纤内部以全内反射的形式进行传输，最终光沿着光纤传导至光纤末端(端面发光光纤)或者从光纤侧面泄露(侧发光光纤)，从而实现对指定位置或区域的照明，非常适合一些易燃易爆或潮湿的场景照明.早期的光纤照明，主要用的是昂贵的SOF和GOF，但仅限于需要精细照明、视觉要求高的场合，如医用内窥、显微照明等.随着低成本性能好的POF和高效光源的研发成功，光纤照明进入实用普及阶段，逐渐应用于美术馆、购物中心、医院手术室、建筑装饰等照明场景.根据应用场景的不同，可以使用端面发光光纤和侧面发光光纤来满足不同的照明需求[70].

POF在紫外波段和红外波段的损耗较高，而在可见光波段具有很高的透过率，同时由于其价格低廉、光纤直径较粗、柔软易弯曲，在可见光照明中有明显的优势，尤其适用于艺术品和文物的照明，可以保护展品和文物远离紫外线的损害[71]，如故宫文物光纤照明系统.同时由于光纤本身不带电，因此POF光纤照明也被广泛应用于泳池、喷泉等潮湿场所的照明以及一些易燃易爆场所和木制建筑的照明中.POF也因为其柔软易加工性，被设计成不同的形状进行装饰照明，如星空吊顶灯、垂帘瀑布灯等.POF照明的应用前景十分广阔，且随着其性能的不断提高，POF照明会在未来扮演越来越重要的角色.

POF还可用于太阳能照明系统的光能传输，将收集的室外太阳光传输至所需位置.自然光对人类的健康及视力最为有益，在充满自然光的室内环境中，学习和工作效率都会提高，尤其是对长时间工作在缺少日光的高楼大厦、地下车间以及一些其他特殊环境中的人群[72].以Parans公司的SP4太阳能照明系统为例，系统示意图如图5，在屋顶安装太阳能光板采集阳光，利用光纤将自然光导入室内，光纤长度可达100 m，可将自然光传输至33层楼的高度.屋顶的太阳能采光板是由4～20组的透镜组成，且设有功耗很小的太阳跟踪装置，用于驱动透镜全白天对准太阳，实现对阳光的最大利用.在太阳光光照强度为1×105lux的情况下，每根光缆(包含4根光纤)输出的光通量为900～1 300 lm(取决于光缆的长度).该系统已在瑞典宜家百货公司、中国香港科技园、美国亚利桑那大学、澳大利亚博物馆等多处安装使用.国内主要由江苏圣福来能源科技有限公司、南京帅瑞科技有限公司等开发和出售太阳光导入照明产品，但是传输距离一般只有10 m.受成本、外界太阳光光照强度不恒定的影响，太阳能光纤照明系统无法大规模安装使用.但这种照明方式充分利用了太阳能这种可再生能源，非常低碳环保，具有很大的应用前景.如何降低太阳能光纤照明系统的成本以及减少其受外界太阳光光照强度的影响，是相关科研人员主要的研究目标.

图5 太阳能照明系统示意图
Fig.5 Schematic diagram of solar lighting system

4.2 塑料光纤织物

POF的柔软可编织性，使其可以通过特殊的纺织工艺制成织物.根据编织工艺的不同，选用侧发光光纤或是端发光光纤进行编织.通过与不同的光源耦合，光纤织物可在许多领域发挥重要的应用价值，如柔性显示器、可穿戴发光织物、医用光疗产品等[73].塑料光纤织物的发光原理是对光纤进行机械破坏、激光处理、化学溶剂处理或是弯曲，破坏光在传输过程中的全内反射路径，从而使部分光从光纤侧面泄露出来[74].

光纤织物的种类和应用很多，如意大利Luminex公司、国内杭州明达艺术服饰有限公司都设计过光纤发光婚纱，湖北森沃光电科技有限公司也设计制造了光纤布和光纤运动鞋[75].Luminex[76]公司制作的可穿戴塑料光纤发光织物，让那些工作在较黑暗环境中的人能得到更好的安全保障，该公司还将光纤发光织物设计成床被、桌布等日常用品，既有功能性又有装饰性.法国France Telecom[77]公司研制的塑料光纤显示器，可显示3行3列的数字或英文字符，之后再次提高光纤的经纬密度，从而提高显示器的分辨率，以显示更复杂的图案.美国通用电气公司(GE)推出的用于治疗新生儿黄疸病的光疗设备光纤毯，利用PMMA芯的塑料光纤编织成光毯，将患儿放于光毯上，输入的455 nm波长的蓝光从光毯泄露出来，照射患儿的皮肤，促进其胆红素的代谢，从而达到治疗的目的[78]，NeoMedLight公司也有类似用于治疗新生儿黄疸病的产品销售[79].

塑料光纤发光织物的装饰性、可穿戴性以及疾病治疗功能，都使得POF有着越来广阔的应用.但POF在该领域的应用也存在一定的局限性，如必须提供持续发光的光源，不具耐磨性，不易清洗等，解决这些问题还需要研究人员在应用需求的牵引下继续努力.

5 结论

POF由于塑料基质材料本身的特性，兼具柔性、轻质、可见光高透、性价比高等特点，在短距离通信、照明、装饰、医疗、显示、传像、光纤激光器/放大器等领域有着特殊的应用.除本文综述的应用领域之外，POF在传感领域也发挥着及其重要的作用，例如温度传感、压力传感等，由于篇幅原因，本文所述内容暂不涉及该领域.

随着研究的深入和技术的进步，新的应用和产品不断涌现，POF在整个光纤领域将发挥更加重要和独特的作用，也将具有更广阔的市场应用前景.但是，POF在应用中也面临着一些典型的短板和缺陷，如长距离通信或照明应用中面临的传输损耗问题、光纤激光器/放大器应用中面临的多模问题与耦合问题、光纤传像束应用中面临的像素数和分辨率问题、光纤织物应用中面临的易损伤问题、高能量传输中面临的低损伤阈值问题等.在应用需求的牵引下，科研工作者需从材料、结构、生产工艺等多个方面入手，提高POF的物理性.特别是在国内，研发和生产高性能POF的水平仍有待进一步提高.