與石英光纖相比，塑料光纖的主要問題是傳輸損耗大，采用蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯布拉格光纖，可以極大地降低塑料光纖光纖損耗，從根本上解決了塑料光纖損耗大的問題。在此基礎(chǔ)上，充分利用塑料光纖柔軟、易彎曲的優(yōu)點，可以實現(xiàn)光的所有波段信息和能量的低損耗傳輸，新一代塑料光纖將成為普遍和大量應(yīng)用的光纖。

　　從十九世紀(jì)開始，人們就知道以全內(nèi)反射機理來制作光的傳輸元件。因此，利用光纖芯區(qū)材料折射率大于包層材料折射率在其界面形成全內(nèi)反射來傳輸光有其悠久的歷史和深刻的物理內(nèi)涵。但另一種傳光機理也在1978年提出來，即利用布拉格反射，可以在芯區(qū)折射率小于包層介質(zhì)折射率的光纖中得到無損耗束縛傳播。但幾年后被人否定，之后無多少人過問。空芯布拉格光纖和空芯光子帶隙光纖，直到1999年才從實驗上作了第一次演示。

　　與石英玻璃材料相比，塑料的重要優(yōu)勢是它的柔軟性。塑料的彈性極限高，可以制作直徑在1mm以上柔軟的光纖。而石英玻璃只有在很小直徑才能保持光纖的柔軟性。石英玻璃固有的脆性需要對易碎的芯-包層結(jié)構(gòu)加一個富有彈性的塑料涂層，以保護它的表面，并防止格里菲思裂紋擴展和順向斷裂。因而在石英光纖包層上加一個塑料涂層(第3層)，已成為一根石英裸光纖的基本組成部分。

        1966年美國杜邦公司推出了第一個塑料光纖，它的理論損耗極限值在可見光650nm波長處為100dB/km。因此，以PMMA為芯或以聚苯乙烯(PS)為芯的塑料光纖產(chǎn)品主要用于裝飾、照明、傳感和短距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。國際學(xué)術(shù)界解決塑料光纖損耗大的問題找到最有效的辦法，是20世紀(jì)80年代用氘化PMMA、90年代用全氟化聚合物分別實現(xiàn)了損耗達(dá)20dB/km和低于20dB/km的水平。然而，因材料成本過高等原因，至今沒有進入市場和大量應(yīng)用。因而如何以一種新的方式有效解決塑料光纖損耗大的問題，是一個世界性老大難問題。

　　依靠實芯的全內(nèi)反射機理，無法解決某些波長(如太赫茲波段)以及運用塑料來制作低損耗同時又低成本的光纖。因為實芯光纖的傳輸損耗一般都大于(至少等于)構(gòu)成光纖芯區(qū)材料的損耗。面對這種問題，必須采用空芯光纖結(jié)構(gòu)，而且空芯光纖的包層應(yīng)具有很強束縛導(dǎo)波橫向漏泄之能力。我們通過多年努力，終于在這方面取得了突破。

　　空心光纖

　　空芯光纖大體可以分成4類：包層折射率大于芯區(qū)折射率的光纖;由金屬、玻璃或塑料管內(nèi)表面淀積具有高反射涂層的空芯光纖;空芯光子帶隙光纖;空芯布拉格光纖。屬于空芯布拉格光纖的有“全方位波導(dǎo)”光纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層光纖。經(jīng)驗證環(huán)形結(jié)構(gòu)空芯光纖包層雖然只用單一材料，但其低折射率層是由含許多小孔的同一材料組成，其折射率介于該材料的折射率與空氣折射率(n=1)之間，構(gòu)成包層的材料折射率差沒有蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層的材料折射率差大，因而環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖對導(dǎo)波橫向漏泄的束縛能力要小于我們提出的蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)光纖的能力。

　　我們在對所有空芯光纖，尤其是近十年發(fā)展起來的空芯光子帶隙光纖和二種空芯布拉格光纖進行深入分析的基礎(chǔ)上，搞清了它們對導(dǎo)波橫向束縛的潛力以及優(yōu)缺點，提出了一種改進的包層結(jié)構(gòu)——蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯布拉格光纖。

　　設(shè)計蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯布拉格光纖時，與TE01模(最低損耗模)允許的歸一化頻率范圍有關(guān)的一些重要結(jié)構(gòu)參數(shù)、及其變化規(guī)律，我們用平面波展開法作了分析。這為蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯布拉格光纖的設(shè)計，提供了一般規(guī)律和基本依據(jù)。

　新一代塑料光纖及其功能開發(fā)

　　過去幾十年的塑料光纖都是由實芯構(gòu)成并通過全內(nèi)反射機理傳光的，一直被材料損耗大、因而光纖損耗大這個問題所困擾。新一代塑料光纖采用蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯布拉格光纖的功能包括：傳輸可見至近紅外光的塑料光纖、紅外塑料光纖、傳輸太赫茲波塑料光纖、保持圓偏振態(tài)單模塑料光纖。

　　此外，利用塑料和蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)空芯布拉格光纖，可以設(shè)計傳送太陽光的空芯波導(dǎo)，用于太陽光照明等，它具有比原來實芯塑料光纖或光導(dǎo)管低得多的傳輸損耗，顯著提高傳輸效率;可以設(shè)計用于充氣空芯布拉格非線性光纖，實現(xiàn)飛秒激光的高次諧波產(chǎn)生、受激轉(zhuǎn)動拉曼散射、光孤子產(chǎn)生等，在損耗、單模性和傳輸波長范圍等性能方面，超越現(xiàn)有各種空芯光子帶隙光纖;高強度、易彎曲、抗沖擊、延伸率大和長壽命的塑料光纖，可以在醫(yī)療系統(tǒng)和光纖制導(dǎo)技術(shù)方面發(fā)揮作用。

　　制作技術(shù)

　　塑料光纖的制作技術(shù)，大多采用連續(xù)擠出法和預(yù)制棒法。前者效率高，適合大批量工業(yè)生產(chǎn);后者適合制作漸變折射率型(GI)塑料光纖、光子晶體光纖和實驗室試制樣品。預(yù)制棒法雖然不是連續(xù)工藝，但靈活、多樣、方便，例如制作各種聚合物微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒，除使用毛細(xì)管堆積法外，還可采用鉆孔法、單體或預(yù)聚物注塑成型法、擠出法等。

　　蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯塑料光纖，既可以采用擠出法，也可以采用預(yù)制棒法。從大批量工業(yè)生產(chǎn)角度，應(yīng)采用連續(xù)擠出法。連續(xù)擠出法在工業(yè)生產(chǎn)階躍型塑料光纖的幾十年歷史中，是成熟的。但要生產(chǎn)布拉格空芯光纖，主要技術(shù)難點是包層高折射率材料厚度僅為光波長的幾分之一，而現(xiàn)在擠出模具擠出料的最小厚度一般為0.5mm，因此在短波段，擠出模具尺寸要比光纖尺寸放大幾百倍至上千倍。如果模具擠出料的最小厚度可以降至0.3mm，甚至0.1mm(國外已能做成產(chǎn)品)，這個難點就能消除。另一方面，從光纖設(shè)計上，可以尋找低損耗蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯塑料光纖的其他束縛機理，增大高折射率包層的厚度，問題也可解決。預(yù)計批量連續(xù)化生產(chǎn)蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯塑料光纖，是一定能夠?qū)崿F(xiàn)的。

我們實驗室正在采用預(yù)制棒法制作蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯塑料光纖，不久就能實現(xiàn)。

　　利用各種塑料和蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層構(gòu)成的新一代空芯塑料光纖，開拓了在各種光波長、低損耗、單模、寬傳輸頻率范圍(1～2個倍頻程)、大芯徑、易彎曲和低成本的光纖，實現(xiàn)長距離、高速率信息傳輸;利用耐熱聚合物，可以構(gòu)成醫(yī)用激光治療儀、激光加工等所需要的傳能光纖，特別在紅外區(qū)，既具有低損耗又易彎曲的塑料光纖，可以消除現(xiàn)有紅外光纖的普遍缺憾。像光纖直徑大于幾個毫米還具有彎曲性能的太赫茲低損耗波導(dǎo)，塑料光纖可能是一種不可替代的光纖。