與石英光纖相比，塑料光纖的主要問(wèn)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(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，充分利用塑料光纖柔軟、易彎曲的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)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(kāi)始，人們就知道以全內(nèi)反射機(jī)理來(lái)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(lái)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(jī)理也在1978年提出來(lái)，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(wú)損耗束縛傳播。但幾年后被人否定，之后無(wú)多少人過(guò)問(wèn)?？招静祭窆饫w和空芯光子帶隙光纖，直到1999年才從實(shí)驗(yàn)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(shì)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(duì)易碎的芯-包層結(jié)構(gòu)加一個(gè)富有彈性的塑料涂層，以保護(hù)它的表面，并防止格里菲思裂紋擴(kuò)展和順向斷裂。因而在石英光纖包層上加一個(gè)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(guó)杜邦公司推出了第一個(gè)塑料光纖，它的理論損耗極限值在可見(jiàn)光650nm波長(zhǎng)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(guó)際學(xué)術(shù)界解決塑料光纖損耗大的問(wèn)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(shí)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(guò)高等原因，至今沒(méi)有進(jìn)入市場(chǎng)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(wèn)題，是一個(gè)世界性老大難問(wèn)題。

　　依靠實(shí)芯的全內(nèi)反射機(jī)理，無(wú)法解決某些波長(zhǎng)(如太赫茲波段)以及運(yùn)用塑料來(lái)制作低損耗同時(shí)又低成本的光纖。因?yàn)閷?shí)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(duì)這種問(wèn)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(qiáng)束縛導(dǎo)波橫向漏泄之能力。我們通過(guò)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(lèi)：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(yàn)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(méi)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(duì)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?cè)趯?duì)所有空芯光纖，尤其是近十年發(fā)展起來(lái)的空芯光子帶隙光纖和二種空芯布拉格光纖進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，搞清了它們對(duì)導(dǎo)波橫向束縛的潛力以及優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)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(jì)蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層空芯布拉格光纖時(shí)，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(kāi)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(jì)，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(kāi)發(fā)

　　過(guò)去幾十年的塑料光纖都是由實(shí)芯構(gòu)成并通過(guò)全內(nèi)反射機(jī)理傳光的，一直被材料損耗大、因而光纖損耗大這個(gè)問(wèn)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(jiàn)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(jì)傳送太陽(yáng)光的空芯波導(dǎo)，用于太陽(yáng)光照明等，它具有比原來(lái)實(shí)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(jì)用于充氣空芯布拉格非線性光纖，實(shí)現(xiàn)飛秒激光的高次諧波產(chǎn)生、受激轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射、光孤子產(chǎn)生等，在損耗、單模性和傳輸波長(zhǎng)范圍等性能方面，超越現(xiàn)有各種空芯光子帶隙光纖;高強(qiáng)度、易彎曲、抗沖擊、延伸率大和長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)是包層高折射率材料厚度僅為光波長(zhǎng)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(guó)外已能做成產(chǎn)品)，這個(gè)難點(diǎn)就能消除。另一方面，從光纖設(shè)計(jì)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(jī)理，增大高折射率包層的厚度，問(wèn)題也可解決。預(yù)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(kāi)拓了在各種光波長(zhǎng)、低損耗、單模、寬傳輸頻率范圍(1～2個(gè)倍頻程)、大芯徑、易彎曲和低成本的光纖，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(gè)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。