塑料光纖產(chǎn)品發(fā)展簡(jiǎn)述

訊石光通訊網(wǎng) 2008/4/29 13:39:46

一、前言
    自從業(yè)界開(kāi)創(chuàng)了光纖通訊技術(shù)以來(lái),大至歸納,光纖通訊比傳統(tǒng)的電銅通訊有3大優(yōu)點(diǎn):一是通信容量大;二是抗電磁干擾、保密性能較好;三是重量輕,并可節(jié)省大量的銅,如鋪設(shè)1000公里長(zhǎng)的8芯光纜比鋪設(shè)同樣長(zhǎng)度的8芯電纜可節(jié)省1100噸銅,3700噸鉛。因此光纖光纜一經(jīng)問(wèn)世就受到通信業(yè)界的歡迎,帶來(lái)了通訊領(lǐng)域的革命以及一輪投資發(fā)展熱潮。 
    盡管玻璃光纖具有上述一系列優(yōu)點(diǎn),但它有一個(gè)致命的弱點(diǎn)就是強(qiáng)度低,抗撓曲性能差,而且抗輻射性能也不好。因此,近20多年來(lái),業(yè)界一直沒(méi)有停止過(guò)對(duì)光纖其他材料的代用研發(fā),其中對(duì)塑料光纖的研發(fā)是目前業(yè)界最為感興趣的研究領(lǐng)域之一,目前已經(jīng)取得較大進(jìn)展,已經(jīng)有商用產(chǎn)品面世,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、CD播放機(jī)、工業(yè)電子系統(tǒng)、小型光盤系統(tǒng)和個(gè)人計(jì)算機(jī)中。今后還會(huì)有許多領(lǐng)域?qū)⑹褂盟芰瞎饫w,諸如傳感器、光子晶體光纖等。

二、塑料光纖的優(yōu)點(diǎn) 
    塑料光纖與玻璃光纖相比,雖透光性差一些,光損耗較大,初期一般為300分貝/公里,傳輸光帶狹窄(限于可見(jiàn)光區(qū)),被認(rèn)為難以適應(yīng)多媒體通信網(wǎng)的需要,但它具有輕而柔軟、抗撓曲、抗沖擊強(qiáng)度高、價(jià)格便宜、抗輻照、易加工、并能制成大直徑(1~3毫米,以增大受光角度,擴(kuò)大使用范圍)等一系列優(yōu)點(diǎn),所以備受青睞。此外,光通過(guò)塑料光纖的中心部分的直徑約為1毫米,比玻璃光纖大100倍,與纖維之間的連接及與個(gè)人機(jī)等終端裝置的連接都十分容易。因此塑料光纖安裝費(fèi)用很低,安裝時(shí)采用十分簡(jiǎn)單的對(duì)準(zhǔn)連接插頭即可,這種插頭可用現(xiàn)有的技術(shù)生產(chǎn)。

三、塑料光纖產(chǎn)品研發(fā)簡(jiǎn)述 
    塑料光纖的研究始于二十世紀(jì)60年代。1968年美國(guó)杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯為芯材制備出塑料光纖,但光損耗較大。1974年日本三菱人造絲公司以PMMA和聚苯乙烯為芯材、以低折射率的氟塑料為包層開(kāi)發(fā)出塑料光纖,其光損耗為3500dB/km,難以用于通信。
80年代日本的一些大企業(yè)和大學(xué)對(duì)低損耗塑料光纖的制備進(jìn)行了大量的研究。1980年三菱公司以高純MMA單體聚合PMMA,使塑料光纖損耗下降到100-200dB/km。1983年NTT公司開(kāi)始用氘取代PMMA中的H原子,使最低光損耗可達(dá)到20dB/km,并可傳輸近紅外到可見(jiàn)光的光波。
近幾年來(lái),歐日等國(guó)的公司對(duì)塑料光纖的研制取得了重要的進(jìn)展。它們研制成的塑料光纖,光損耗率已降到25~9分貝/公里。其工作波長(zhǎng)已擴(kuò)展到870微米(近紅外光),接近石英玻璃光纖的實(shí)用水平。美國(guó)研制的一種PFX塑料系列光纖,有著優(yōu)異的抗輻照性能。此外,美國(guó)麻省波士頓光纖公司研制的Opti-Giga塑料光纖更是引人注目,它不僅比玻璃輕、柔性更好、成本更低,而且可在100米內(nèi)以每秒3兆比特的速度傳輸數(shù)據(jù)。這種光纖還可以利用光的折射或光在纖維內(nèi)的跳躍方式來(lái)達(dá)到較高的傳輸速度。現(xiàn)在美歐日已把塑料光纖用于短途傳輸,如汽車、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)等。 
    就目前塑料光纖生產(chǎn)量而言,日本是世界上最大的塑料光纖生產(chǎn)者,然而卻是歐洲推動(dòng)了塑料光纖新應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)并建立了光纖檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。2001年下半年是歐洲塑料光纖工業(yè)發(fā)展的重要階段,在這段時(shí)間內(nèi)建立了歐洲塑料光纖檢驗(yàn)和測(cè)量的新發(fā)展方針。世界上第一個(gè)專用塑料光纖應(yīng)用中心(POFAC)在德國(guó)Nuremberg落成。德國(guó)采用塑料光纖已經(jīng)研制成功了多媒體總線系統(tǒng)MOST(24Mbit/s),并且有幾家轎車制造商已把該系統(tǒng)引入到自己的產(chǎn)品上。德國(guó)寶馬公司(BMW)在其新的7個(gè)系列產(chǎn)品中開(kāi)創(chuàng)了使用100m塑料光纖的記錄。歐洲2001年塑料光纖學(xué)術(shù)交流會(huì)和歐洲光纖通信會(huì)議同時(shí)在荷蘭的阿姆斯特丹舉行。德國(guó)汽車工業(yè)不僅推動(dòng)了塑料光纖的應(yīng)用,而且也推動(dòng)了塑料光纖檢驗(yàn)和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的建立。 
    日本也建立了塑料光纖標(biāo)準(zhǔn),但這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)歐洲共同體是無(wú)效的。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)只給出了一種型號(hào)塑料光纖的標(biāo)準(zhǔn),其數(shù)值孔徑為0.5,而且只有650nm一種波長(zhǎng)。該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有提及在塑料光纖中的不同激勵(lì)光條件,也沒(méi)有規(guī)定必須在塑料光纖內(nèi)形成平衡模分布。 
    此前建立的玻璃光纖檢驗(yàn)方法因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)瑞利散射而不適于檢驗(yàn)塑料光纖,現(xiàn)在市場(chǎng)上僅有瑞士新成立的Luciol儀器公司出售的一種檢驗(yàn)塑料光纖的儀器。 
    德國(guó)工程師學(xué)會(huì)和電子工程學(xué)會(huì)研究小組已經(jīng)詳細(xì)規(guī)定了塑料光纖數(shù)值孔徑、衰減、傳輸和機(jī)械特性以及環(huán)境和壽命的測(cè)量方法。塑料光纖檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)的建立必將促進(jìn)國(guó)際塑料光纖貿(mào)易的發(fā)展,并消除貿(mào)易中的誤解。 
    日本對(duì)塑料光纖的應(yīng)用十分重視,早在幾年前,NEC、富士通、住友電器工業(yè)公司等45家光通信、多媒體產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家就聯(lián)合宣布,將共同實(shí)現(xiàn)已在日本開(kāi)發(fā)成功的塑料光纖的實(shí)用化。塑料光纖的成本低廉,被認(rèn)為是將多媒體引進(jìn)到家庭的關(guān)鍵技術(shù),隨后一些生產(chǎn)廠家就著手建立生產(chǎn)線。? 
    1986年,日本F富士通公司以PC為纖芯材料開(kāi)發(fā)出SI型耐熱POF,耐熱溫度可達(dá)135攝氏度,衰減達(dá)450dB/km; 
    1990年,日本慶應(yīng)大學(xué)的小池助教授開(kāi)發(fā)成功折射率漸變型的塑料光纖,芯材為含氟PMMA、包層為含氟,用界面凝膠技術(shù)制造。該塑料光纖衰減在60db/km以下,光源650-1300nm,100m帶寬3GHz,傳輸速率10Gb/s,超過(guò)了GI型石英光纖,并被廣泛認(rèn)為是高速多媒體時(shí)代光纖入戶的新型光通信媒介; 
    1996年,人們紛紛建議以塑料光纖為基礎(chǔ)建立極低成本的用戶網(wǎng)ATM物理層;1997年,日本NEC公司進(jìn)行了155Mbit/s的ATM、LAN的試驗(yàn)。 
    在2000年OFC會(huì)議上,日本ASAHI GLASS公司報(bào)道了氟化梯度塑料光纖衰減系數(shù)在850nm為41dB/km,在1300nm為33dB/km,帶寬已達(dá)100MHz.km。用這種光纖成功地進(jìn)行了50m、2.5Gbit/s的高速傳輸試驗(yàn)和70攝氏度長(zhǎng)期熱老化試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為氟化梯度塑料光纖完全能滿足短距離的通信使用要求。 
    從塑料光纖的研究發(fā)展來(lái)看,塑料光纖的研究重點(diǎn)主要集中在以下三個(gè)方面: 
    1.降低光損耗; 
    2.提高帶寬(由SI型轉(zhuǎn)為GI型); 
    3.提高耐熱性。(聚碳酸酯(PC)、硅樹脂、交聯(lián)丙烯酸和共聚物可使耐熱性提高125-150攝氏度)
  塑料光纖在衰減與帶寬方面的最新實(shí)用進(jìn)展為:日本ASAHI GLASS公司2000年7月稱,該公司實(shí)施慶應(yīng)大學(xué)的GI-POF技術(shù)商品化,采用全氟化聚合物CYTOP制造GI光纖,命名為GI-GOF,商品名為L(zhǎng)ucina,衰減速率3Gb/s,帶寬大于200MHz.km。
塑料光纖在耐熱性方面的最新實(shí)用進(jìn)展為:日本JSR與旭化株式會(huì)社聯(lián)合發(fā)展耐熱透明樹脂ARTON(norbornene,冰片烯)制造的SI-POF,耐熱170攝氏度,預(yù)計(jì)2001年上半年即可供應(yīng)汽車市場(chǎng)。

    四、塑料光纖產(chǎn)品的研發(fā)要點(diǎn) 
    1.光纖結(jié)構(gòu) 
    塑料光纖顧名思義,即構(gòu)成光纖的芯與包層都是塑料材料。與大芯徑50/125μm和62.5/125μm的石英玻璃多模光纖相比,塑料光纖的芯徑高達(dá)200-1000μm,其接續(xù)時(shí)可使用不帶光纖定位套筒的便宜注塑塑料連接器,即便是光纖接續(xù)中芯對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生±30μm偏差都不會(huì)影響耦合損耗。正是塑料光纖結(jié)構(gòu)賦予了其施工快捷,接續(xù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。另外,芯徑100μm或更大則能夠消除在石英玻璃多模光纖中存在的模間噪音;

    2.光纖材料 
    塑料光纖材料選擇時(shí),人們應(yīng)重點(diǎn)解決的問(wèn)題是材料的本身衰減要低、色散要小、化穩(wěn)性要好、制造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等。 
    選作塑料光纖芯材有:聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚碳酸酯、氟化聚甲基丙烯酸酯和全氟樹脂等;選作塑料光纖包層有:聚甲基丙烯酸甲酯、氟塑料、硅樹脂等。究其原因是:這些聚合物①具有透光性好,光學(xué)均勻、折射率調(diào)整便利等;②以單體存在時(shí)通過(guò)減壓蒸餾方法就可以提純;③形成光纖的能力強(qiáng);④加工和化穩(wěn)性好及價(jià)格便宜等;

    3.制造工藝 
    目前業(yè)界用來(lái)制造塑料光纖的兩種方法:擠壓法和界面凝膠法都是由塑料生產(chǎn)加工工藝演變而來(lái)的。
擠壓法主要用于制造階躍折射率分布塑料光纖。該工藝步驟大致如下:首先,將作為纖芯的聚甲基丙烯甲酯的單體甲基丙烯甲酯通過(guò)減壓蒸餾提純后,連同聚合引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑一并送入聚合容器中,接著再將該容器放入電烘箱中加熱,置放一定時(shí)間,以使單體完全聚合,最后,將盛有完全聚合的聚甲基丙烯甲酯的容器加溫至拉絲溫度,并用干燥的氮?dú)鈴娜萜鞯纳隙藢?duì)已熔融的聚合物加壓,該容器底部小嘴便擠出一根塑料光纖芯,同時(shí)使擠出的纖芯外再包覆一層低折射率的聚合物,就制成了階躍型塑料光纖。 
    梯度折射率分布塑料光纖的制造方法為界面凝膠法,界面凝膠法的工藝步驟大致如下:首先將高折射率摻雜劑置于芯單體中制成芯混合溶液,其次把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑放入芯混合溶液,再將該溶液投入一根選作包層材料聚甲基丙烯甲酯(PMMA)的空心管內(nèi),最后將裝有芯混合溶液PMMA管子放入一烘箱內(nèi),在一定的溫度和條件下聚合。在聚合過(guò)程中,PMMA管內(nèi)逐漸被混合溶液溶脹,從而在PMMA管內(nèi)壁形成凝膠相。在凝膠相分子運(yùn)動(dòng)速度減慢,聚合反應(yīng)由于“凝膠作用”而加速,聚合物的厚度逐漸增厚,聚合終止于PMMA管子中心,從而獲得一根折射率沿徑向呈梯度分布的光纖預(yù)制棒,最后再將塑料光纖預(yù)制棒送入加熱爐內(nèi)加溫拉制成梯度折射率分布塑料光纖;

    4.光纖性能 
    塑料光纖的性能研究重點(diǎn)則是衰減、色散、熱穩(wěn)定性等。

    (1)衰減 
    塑料光纖的衰減主要受限于芯包塑料材料的吸收損耗和色散損耗。人們是通過(guò)選用低折射率和等溫壓縮率小的塑料材料和通過(guò)穩(wěn)定塑料光纖制造工藝降低結(jié)構(gòu)缺陷(如芯直徑波動(dòng),芯包界面缺陷等),來(lái)使塑料光纖獲得小的散射損耗,而塑料材料的吸收損耗則是由分子鍵(碳?xì)?、碳氟等)伸縮振動(dòng)吸收和電子躍吸收所致的。
在碳?xì)滏I為基本骨架的塑料材料中,在波長(zhǎng)650nm處的衰減系數(shù)大約為120db/km,如果用氟原子置換碳?xì)滏I中的氫所組成的氟化塑料材料,其不僅本征衰減小,而且色散也降低了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纖,其在紅外區(qū)無(wú)原子振動(dòng)引起的吸收損耗。故可制得在可見(jiàn)光至紅外范圍的衰減很小,即在0.85μm波長(zhǎng)處衰減系數(shù)為41db/km,在1.3μm波長(zhǎng)處衰減為33db/km的梯度折射率分布的塑料光纖。

    (2)帶寬 
    用作短距離光傳輸介質(zhì)的塑料光纖,按其折射率分布形狀可分為兩種:階躍折射率分布塑料光纖和梯度折射率分布塑料光纖。階躍折射率分布塑料光纖由于模間色散作用使入射光發(fā)生反復(fù)的反射,射出的波形相對(duì)于入射波形出現(xiàn)展寬,故其傳輸帶寬僅為幾十至上百MHz.km。氟化梯度折射率分布塑料光纖從選擇低色散的材料出發(fā),再以優(yōu)化的梯度折射率分布手段,即可將其折射率分布指數(shù)在0.85-1.3μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)選定為2.07-2.33,從而抑制模間色散,控制出射光波相對(duì)于入射光波展寬的效果,進(jìn)而可制得傳輸帶寬高達(dá)幾百MHz.km至10GHz.km的梯度折射率分布的塑料光纖。

    (3)熱穩(wěn)定 
    由于塑料光纖是由塑料材料構(gòu)成的,故其在高溫環(huán)境中工作會(huì)發(fā)生氧化降解。氧化降解是光纖芯材料中的羰基、雙鍵和交聯(lián)形成的。氧化降解將促使電子躍遷加快,進(jìn)而引起光纖損耗增大。為切實(shí)提高塑料光纖的熱穩(wěn)定性,通常的做法是:①選用含氟或硅的塑料材料來(lái)制造塑料光纖;②將塑料光纖的光源工作波長(zhǎng)選擇在大于660nm,以求得塑料光纖熱穩(wěn)定性長(zhǎng)期可靠。

    五、技術(shù)關(guān)鍵 
    目前對(duì)塑料光纖產(chǎn)品的技術(shù)關(guān)鍵攻關(guān)問(wèn)題有兩個(gè):一是設(shè)計(jì)新的透光材料和包皮材料。塑料光纖同石英玻璃光纖一樣由兩部分組成:一為芯材,二為皮層。要制造出高質(zhì)量的光纖二者都很重要,光纖的芯材要求透明度和折射率越高越好,而皮層則要求折射率小于芯材,并且兩者相差越大越好。但要提高芯材的折射率比較難,而降低皮層折射率還有潛力可挖,主要集中在含氟高聚物上。第二個(gè)攻關(guān)點(diǎn)是工藝條件,研究如何控制芯材聚合物分子量、均勻性和提高透明度的新的光纖技術(shù),進(jìn)一步提高光的傳輸效率,降低光損耗率。這兩個(gè)問(wèn)題一旦得以圓滿解決,則塑料光纖將完全可取代石英光纖。 
    近年來(lái),日本公司針對(duì)塑料光纖透光性較差進(jìn)行了分析和改進(jìn),他們認(rèn)為,其主要原因在于樹脂內(nèi)的碳?xì)浣Y(jié)合吸收了近紅外波長(zhǎng)。為此,旭玻璃制造公司開(kāi)發(fā)了一種全氟樹脂材料,因?yàn)椴缓瑲渌圆粫?huì)吸收近紅外波長(zhǎng)。同時(shí),由于其具有的環(huán)狀構(gòu)造是非晶質(zhì)的,可見(jiàn)光的透光率已達(dá)95%以上。
   光纖內(nèi)側(cè)的芯線,光的折射率高,而外側(cè)的金屬包層折射率低。因此,要采用在芯線中軸線處光的折射率最高,向四周逐漸降低的緩變折射率的結(jié)構(gòu)形式。采用此種結(jié)構(gòu),能夠擴(kuò)大傳送帶域,可以每秒傳送1 吉字節(jié)的速度將信息傳送200~500米。旭玻璃制造公司將視樣品上市情況,在一兩年內(nèi)將這種新型光纖投入批量生產(chǎn)。這些新開(kāi)發(fā)的塑料光纖改善了中心部分的折射率,克服了信號(hào)容易衰減的缺點(diǎn),每條纖維的傳輸能力可達(dá)1~ 2.5GB/秒,同時(shí)在纖維連接時(shí),不需要精確對(duì)準(zhǔn)位置,在這方面優(yōu)于玻璃光纖。
    在塑料光纖的容量方面,日本三菱人造纖維公司研制的高容量塑料光纖,有可能取代石英玻璃光纖。這種塑料光纖的原料很普通,由一種在60年代發(fā)明的稱之為Polym-ethyl methacrylate的合成樹脂制成。三菱人造纖維公司采用一種從光纖中央到邊緣遞減的漸變折射技術(shù),使信號(hào)能夠以恒定的正弦曲線在光纖內(nèi)有效地通過(guò),傳輸容量是普通塑料光纖的30倍。 與直徑為0.1—0.01mm的玻璃光纖相比,這種直徑1mm的塑料光纖截面大,較易聯(lián)接,因此安裝成本也只有玻璃光纖的1/10左右,與普通銅纜線差不多。過(guò)去的玻璃光纖連接一處需花費(fèi)2萬(wàn)一3萬(wàn)日元,而新塑料光纖的連接費(fèi)用只要1O日元,可大幅度地節(jié)省費(fèi)用。有關(guān)人士稱,從成本的角度考慮,若沒(méi)有此技術(shù),將光纖鋪設(shè)到家庭是不能實(shí)現(xiàn)的。

    六、發(fā)展展望 
    塑料光纖作為短距離通信網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì),在未來(lái)家庭智能化、辦公自動(dòng)化、工控網(wǎng)絡(luò)化。車載機(jī)載通信網(wǎng)、軍事通信網(wǎng)以及多媒體設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要的地位。
通過(guò)塑料光纖,我們可實(shí)現(xiàn)智能家電(家用PC、HDTV、電話、數(shù)字成象設(shè)備、家庭安全設(shè)備、空調(diào)、冰箱、音響系統(tǒng)、廚用電器等)的聯(lián)網(wǎng),達(dá)到家庭自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制管理,提高生活質(zhì)量;通過(guò)塑料光纖,我們可實(shí)現(xiàn)辦公設(shè)備的聯(lián)網(wǎng),如計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)并行處理,辦公設(shè)備間數(shù)據(jù)的高速傳輸可大大提高工作效率,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程辦公等。 
    在低速局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率小于100Mbps時(shí),100米范圍內(nèi)的傳輸用SI型塑料光纖即可實(shí)現(xiàn);150Mbps50米范圍內(nèi)的傳輸可用小數(shù)值孔徑POF實(shí)現(xiàn)。 
    POF在制造工業(yè)中可得到廣泛的應(yīng)用。通過(guò)轉(zhuǎn)換器,POF可以與RS232、RS422、100Mbps以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口相連,從而在惡劣的工業(yè)制造環(huán)境中提供穩(wěn)定、可靠的通信線路。能夠高速地傳輸工業(yè)控制信號(hào)和指令,避免因使用金屬電纜線路而受電磁干擾導(dǎo)致通信傳輸中斷的危險(xiǎn)。
POF重量輕且耐用,可以將車載機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),將微型計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、移動(dòng)電話、傳真等外設(shè)納入機(jī)車整體設(shè)計(jì)中,旅客還可通過(guò)塑料光纖網(wǎng)絡(luò)在座位上享受音樂(lè)、電影、視頻游戲、購(gòu)物、Internet等服務(wù)。 
    在軍事通信上,POF正在被開(kāi)發(fā)用于高速傳輸大量的第三、保密信息,如利用POF重量輕、可撓性好、連接快捷,適用于在身配戴的特點(diǎn),用于士兵穿戴式的輕型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),并能夠插入通信網(wǎng)絡(luò)下載、存儲(chǔ)、發(fā)送、接收關(guān)鍵任務(wù)信息,且在頭盔顯示器中顯示。 
    綜上所述,隨著科技的發(fā)展,塑料光纖的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣,其市場(chǎng)的發(fā)展會(huì)越來(lái)越廣闊。國(guó)外在塑料光纖的應(yīng)用開(kāi)發(fā)上已取得了較大的成果,且不斷在在加大新的應(yīng)用研究投入,韓國(guó)、我國(guó)以及臺(tái)灣地區(qū)已經(jīng)有廠商開(kāi)始投入研發(fā)生產(chǎn),因此產(chǎn)業(yè)界更應(yīng)就塑料光纖的研究和發(fā)展予以密切注視。

 

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