探析塑料光纖在FTTH中的應用

        如今，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet、可視電話(huà)、遠程教育、高清晰度電視、視頻點(diǎn)播及電視購物等對通信業(yè)務(wù)的發(fā)展提出了更高的要求。接入網(wǎng)是直接面向用戶(hù)的，是整個(gè)電信網(wǎng)的重要組成部分，它的服務(wù)質(zhì)量和內容直接影響通信網(wǎng)的發(fā)展。然而，交換機到用戶(hù)終端之間 “最后一公里”的問(wèn)題一直都是電信網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，人們一直在不斷地開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的接入網(wǎng)，包括銅線(xiàn)接入網(wǎng)、光纖接入網(wǎng)及無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)等。從發(fā)展的角度看，隨著(zhù)更多寬帶業(yè)務(wù)的出現，要在根本上解決寬帶多媒體業(yè)務(wù)的接入問(wèn)題，就必須采用光纖接入網(wǎng)。光纖通信的最大優(yōu)點(diǎn)就在于具有極大的傳輸容量、極低的傳輸損耗和色散特性，光纖接入網(wǎng)可以提供足夠的帶寬從而滿(mǎn)足普通的電信業(yè)務(wù)向聲音、數據、圖像相結合的多媒體寬帶業(yè)務(wù)轉變的要求，是真正適合發(fā)展的一種接入技術(shù)。
        FTTH是公認的接入網(wǎng)發(fā)展的長(cháng)遠目標和解決方案，主要采用PON技術(shù)，但在由ONU到用戶(hù)終端這樣的密集的短距離應用中，現在使用的石英光纖存在連接難度大、成本昂貴、安裝維護費用高等問(wèn)題，而UTP電纜、同軸電纜等不但價(jià)格高，銅線(xiàn)資源也有限，一旦遇到受到強電磁干擾很容易引起網(wǎng)絡(luò )癱瘓。與石英光纖相比，塑料光纖具有大芯徑便于連接，大數值孔徑便于耦合，同時(shí)還兼有柔軟、抗彎曲、耐震動(dòng)、抗輻射抗電磁干擾、安全性和保密、價(jià)格便宜、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。另外，POF接入網(wǎng)的綜合成本要比石英光纖低1/3左右，POF的帶寬要比現在的銅纜高10倍以上，所以POF在光纖到戶(hù)、光纖到桌面的短距離、多接點(diǎn)的接入系統中，可代替傳統的石英光纖及銅纜，成為新一代的通信傳輸媒質(zhì)。
        1. 光纖接入網(wǎng)的基本結構及其分類(lèi)
光纖接入網(wǎng)與傳統意義上的光纖傳輸系統不同，它是一種接入網(wǎng)環(huán)境所設計的特殊的光纖接入傳輸網(wǎng)，一般指本地交換機或者遠端交換模塊與用戶(hù)之間采用光纖通信或者部分采用光纖通信系統，由OTL、ODN、ONU三大部分組成，基本結構圖如2.1所示。

 
                                                                                           圖2.1 光纖接入網(wǎng)基本機構 
          由于目前接入網(wǎng)的用戶(hù)終端設備都屬于電氣設備，故以光纖作為傳輸媒質(zhì)時(shí)，必須在發(fā)送端和接收端進(jìn)行光/電轉換，這種轉換設備在局端稱(chēng)為光線(xiàn)路終端(OLT)，在用戶(hù)端稱(chēng)為光網(wǎng)絡(luò )單元(ONU)。根據光網(wǎng)絡(luò )中的ODN是無(wú)源器件或有源器件，光纖接入網(wǎng)可分為無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(PON)和有源光網(wǎng)絡(luò )(AON)；根據所采用技術(shù)體制的不同，可以分為PDH—PON、ATM—PON、SCM—PON、DWDM—PON、S—PON等各種光接入網(wǎng)；根據0NU的位置，最主要的光纖接入形式是FTTC、FTTB、FTTO和FTTH。目前已普遍實(shí)現FTTC和FTTB，為使用戶(hù)真正享受網(wǎng)絡(luò )的高速化和寬帶化，FTTO和FTTH是光纖接入網(wǎng)的最終目標。這樣每一終端都需要一根光纖和專(zhuān)用的ONU，對于多終端用戶(hù)，需要幾根光纖同時(shí)人戶(hù)。 
            2. 通信中的塑料光纖
           眾所周知，石英光纖以其衰減小、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)被用作長(cháng)距離、高速率、大容量和公用通信網(wǎng)的光傳輸介質(zhì)，但因其所需的原料純潔、制造工藝復雜、價(jià)格昂貴、接續困難，要大量用作短距離接入網(wǎng)的光傳輸介質(zhì)就不劃算了。正是為降低短距離接入網(wǎng)中接人用戶(hù)端的光纖成本，塑料光纖誕生了。以下部分介紹了POF的結構種類(lèi)和優(yōu)缺點(diǎn)。
         3.1 POF的結構和種類(lèi)
塑料光纖由折射較高的纖芯和折射率較低的包層組成。要求選用制作塑料光纖的材料具有透光性好、光學(xué)性質(zhì)均勻、合適的折射率且便于調整，加工方便、化學(xué)、物理的性能穩定、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。一般選作塑料光纖纖芯的材料有：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚碳酸醋、氟化聚甲基丙烯酸酯和全氟樹(shù)脂等。選作塑料光纖在FTTH中的應用塑料光纖包層有：聚甲基丙烯酸甲醋、氟塑料、硅樹(shù)脂等。
塑料光纖按橫截面折射率的分布來(lái)分可分為階躍型的塑料光纖(SI—POF)和漸變型的塑料光纖(GI—POF)兩大類(lèi)。SI—POF纖芯的折射率是均勻的，并且纖芯的折射率略高于包層折射率，纖芯到玻璃包層的折射率是突變的，使輸入的光能在纖芯和包層分界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進(jìn)。GI—POF的纖芯折射率中心最大，沿纖芯半徑方向逐漸減小。這可使高次模的光波按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高。POF按構成的材料分有PF-POF、PMMA—POF。
        3.2 POF的優(yōu)缺點(diǎn)
        POF是開(kāi)發(fā)成本低、透光性好、質(zhì)量輕、柔軟性好、芯徑粗便于安裝的傳輸介質(zhì)，首先，和銅纜相比，塑料光纖具有的優(yōu)點(diǎn)有：
        （1） 帶寬大：在l00m～1000m范圍內帶寬可達數GHz。
        （2） 抗電磁干擾；POF對電磁干擾不敏感，也不發(fā)生輻射，不同數據速率下的衰減恒定，誤碼率可預測，能在電噪聲環(huán)境中使用。
        （3） 價(jià)格低：POF成本則與對稱(chēng)電纜相當，并且POF及其配件的成本還在不斷下降，而銅纜成本的降低在很大程度上受著(zhù)銅價(jià)的制約，下降空間有限；
其次，與石英光纖相比，塑料光纖具有的優(yōu)點(diǎn)有：
        （1） 芯徑粗、數值孔徑NA大：芯徑大(0.3～1.0mm)，接續時(shí)可使用簡(jiǎn)單的POF連接器，即使是光纖接續中心對準產(chǎn)生30µm的偏差也不會(huì )影響耦合損耗；數值孔徑大(0.3～0.5mm)，受光角可達60°，而石英光纖只有16°，可用便宜的LED，并且耦合效率高。
        （2） 撓曲性好，易于加工和使用：彎曲半徑只有20mm，而石英光纖需要至少30 mm。
        （3） 分路簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便：可直接采用注塑連接器連接。
        毫不例外，塑料光纖也存在一些缺點(diǎn)，主要有：
        （1） 衰減大：PF GI—POF，其在1300mm波長(cháng)的衰減系數為50dB/km。一般POF在波長(cháng)850nm處的典型的衰減系數大約為100～200 dB/km，相比G.652光纖在1.31µm的典型的衰減系數大約為0．35 dB/km，有很大的差距。
        （2） 頻帶窄：PMMA GT—POF即使在最優(yōu)折射率剖面的情況下，在650nm波長(cháng)下的帶寬也僅為3GHz•100m。
        （3） 耐熱性差：POF只能在- 40～85°C的環(huán)境中工作，耐熱性差。但我們可通過(guò)材料選擇和制造工藝降低衰減，通過(guò)選擇POF材料和精確地控制折射率分布來(lái)獲得高的帶寬，而選用聚碳酸酯(Pc)、硅樹(shù)脂、交聯(lián)丙烯酸和共聚物可使耐熱性提高到125～150°C。日本JSR與旭化株式會(huì )社聯(lián)合發(fā)展耐熱透明樹(shù)脂ARTON（norbornene，冰片烯）制造的SI—POF，耐熱170°C。

        3. POF在FTTH中的應用
FTTH憑著(zhù)接入帶寬大、接入可靠性高、抗電磁干擾等優(yōu)勢，是公認的接入網(wǎng)發(fā)展的長(cháng)遠目標和最終解決方案，以下部分討論了POF智能化綜合布線(xiàn)系統、家庭POF解決方案和POF在局域網(wǎng)中的應用。
        4.1 塑料光纖綜合布線(xiàn)系統
        4.1.1 塑料光纖布線(xiàn)系統的解決方案
光纖到戶(hù)接入技術(shù)作為未來(lái)的寬帶接入解決方案，在日本和美國已得到廣泛應用，在我國也得到了越來(lái)越多的關(guān)注，而阻礙我國FTTH發(fā)展的最大障礙是投資成本過(guò)高，因此正確選擇適合我國國情的FTTH接入技術(shù)，開(kāi)發(fā)低成本FTTH接入系統是  發(fā)展FTTH的關(guān)鍵。
        塑料光纖綜合布線(xiàn)系統是把一棟建筑內的或一個(gè)計算機網(wǎng)絡(luò )內的電腦網(wǎng)絡(luò )終端，通過(guò)塑料光纖互相連線(xiàn)，形成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò )。根據其各部分在建筑中位置及功能的不同，可劃分為幾個(gè)子模塊系統：工作子系統、通訊間子系統、垂直主干子系統和設備間子系統，該可作為智能大廈、計算機網(wǎng)絡(luò )傳輸的解決方案。
在塑料光纖綜合布線(xiàn)方案中，垂直干線(xiàn)一般采用傳統的石英光纖如多模光纜。塑料光纖主要應用在連接點(diǎn)眾多的水平系統中，用于解決水平方向上從網(wǎng)絡(luò )交換機到各個(gè)工作區電腦的大數據量傳輸的需求。水平方向的數據連接，即光纖通訊工作間到桌面的連接，由于連接數目多，采用傳統的石英光纖無(wú)論在成本、工程，還是管理維護方面均較難實(shí)現普遍應用。而塑料光纖的直徑大，很易于實(shí)現光纖的端接、耦合以及布放施工，對線(xiàn)纜最小彎曲半徑、安裝環(huán)境要求也低。所以在高檔的全光布線(xiàn)系統、千兆網(wǎng)絡(luò )系統中以及防干擾、防信號泄漏的布線(xiàn)系統工程，可以比其它類(lèi)型的傳輸線(xiàn)路更具優(yōu)勢。
        4.1.2 塑料光纖布線(xiàn)系統的網(wǎng)絡(luò )設備
        在100Mbps在100Mbps信息速率下用塑料光纖傳輸距離可達60米以上，為光纖到桌面的局域網(wǎng)傳輸接入提供了新的解決方案。塑料光纖傳輸系統主要包括：
        （1） 650nm光以太網(wǎng)交換機
該交換機是組成網(wǎng)絡(luò )系統的核心設備，是一個(gè)具有簡(jiǎn)化、低價(jià)、高性能和高端口密集特點(diǎn)的交換產(chǎn)品，能為每個(gè)工作點(diǎn)提供更大的帶寬，而協(xié)議的透明性使得交換機在軟件配置簡(jiǎn)單的情況下直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡(luò )中。
         （2） 光波長(cháng)轉換器
光波長(cháng)轉換器的組成包括：介質(zhì)轉換芯片、光纖收發(fā)模塊、供電模塊、晶振電路等。該光波長(cháng)轉換器以?xún)善粨Q芯片為核心組成的光波長(cháng)轉換系統。它們分別通過(guò)V25806石英光纖接口電路和光纖接口電路，連接到850nm、1310nm、1550nm石英光纖和650nm塑料光纖。
        （3） 650nm光中繼器
650nm光中繼器由兩端光收發(fā)?？?、DC/DC變換器和AC/DC變換器以及電源指示發(fā)光二極管組成。它能可靠的將－22dBm ~ 0dBm范圍的光信號變換為標準的PECL電平的電信號，同時(shí)將其變換為－7dBm ~－3dBm的光信號。
        （4） 光電轉換器
光電轉換器的組成包括：介質(zhì)轉換芯片、光纖收發(fā)模塊、供電模塊、晶振電路等。它以?xún)善橘|(zhì)轉換芯片為核心組成的光電轉換系統。它們分別通過(guò)ST8861 6五類(lèi)線(xiàn)的TP電接口電路和光纖接口電路，連接到普通五類(lèi)線(xiàn)電纜和650nm塑料光纖。
         （5） 光網(wǎng)卡
         光網(wǎng)卡的組成包括：主控芯片是以太網(wǎng)介質(zhì)接入控制器芯片、+3.3V電壓變換模塊、晶振電路等。． 網(wǎng)卡是32位PCI總線(xiàn)插槽中、用于收發(fā)不同的信幀，以實(shí)現數據通訊的集成電路卡。
         （6） 塑料光纖光纜
塑料光纖光纜采用塑料光纖纖芯直徑980um、包層厚度10um、聚乙烯護套，護套壁厚0.6mm、塑料光纜外徑2.2mm.塑料光纖連接器可根據不同型號的光模塊設計相對應。
         4.2 塑料光纖家庭網(wǎng)絡(luò ) 
         4.2.1 POF家庭網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵因素
        家庭網(wǎng)絡(luò )是針對千家萬(wàn)戶(hù)設計的系統，除了要求使用簡(jiǎn)便之外，可靠耐用也是關(guān)鍵因素；又因為它傳送實(shí)時(shí)的視聽(tīng)數據信息，對它的性能要求比較嚴格。例如，計算機網(wǎng)為保證數據的正確，可采用檢錯重發(fā)的數據報技術(shù)。但電視廣播信息是實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)，對時(shí)延的要求較高，對丟失幀不能重播，所以不允許丟失一幀圖像或聲音信息，也不允許很大的噪聲和跳動(dòng)，否則就影響傳輸質(zhì)量。
        傳輸線(xiàn)路是綜合平衡網(wǎng)絡(luò )系統各部分性能時(shí)的極為重要的一環(huán)。家庭網(wǎng)絡(luò )的傳輸線(xiàn)路具有以下特點(diǎn)：首先，家庭網(wǎng)絡(luò )內的設備分布在各房間，有饋電線(xiàn)接插頭，不一定要求利用信號電纜附帶供電；其次，銅線(xiàn)電纜只能傳送4.5米距離，電纜重(70克/米)，價(jià)格高，更重要的是噪聲很大，在100～400 Mbps傳送速度下，銅電纜的電磁幅射噪聲遠超過(guò)美國fcc的規定值，不僅對于家庭網(wǎng)絡(luò )可靠性有影響，而且對人身健康有影響；而光纜輕柔(8克/米)，特別是幾乎無(wú)噪聲干擾，POF可延長(cháng)到50～100米，傳送速度為100～400 Mbps。日本nec公司成功地開(kāi)發(fā)出IEEE 1394的重要部件“term boy”，它作為集線(xiàn)器用的中繼部件，允許利用POF IEEE 1394家庭總線(xiàn)、POF IEEE1394接口和stp IEEE 1394接口的設備接插到term boy插座上，很容易建成家庭網(wǎng)絡(luò )系統。所以，利用IEEE 1394總線(xiàn)，通過(guò)塑料光纖，我們可實(shí)現智能家電(家用PC、HDTV、電話(huà)、數字成象設備、家庭安全設備、空調、冰箱、音響系統、廚用電器等)的聯(lián)網(wǎng)，達到家庭自動(dòng)化和遠程控制管理，提高生活質(zhì)。
        4.2.2 家庭FTTD網(wǎng)絡(luò )案例分析
        如圖4.1所示的塑料光纖家庭解決方案系統可以提供高達1G的交換能力及確保家庭設備相互連接的傳輸質(zhì)量，是家用100兆高速以太網(wǎng)最可靠的技術(shù)。系統采用損耗系數150~200dB/km、直徑1mm的塑料光纖，被覆成1.5和2.2mm白色或黑色的雙芯光纜，100米重量小于800g，抗拉強度大于140N，數值孔徑NA為0.3 - 0.5，受光角最大可達60°，光纖接續中心對準偏差小于30μm時(shí)，幾乎不影響耦合損耗。柔軟和超細直徑的光纜能夠在新建筑或樓房翻新布線(xiàn)中，不論墻內還是墻外、墻腳線(xiàn)、地毯下方或者一般線(xiàn)纜所鋪設的地方都容易達到隱蔽的要求，比其他網(wǎng)絡(luò )傳輸介質(zhì)（如5類(lèi)線(xiàn)或6類(lèi)線(xiàn)）有更多的優(yōu)勢，凸現了家庭網(wǎng)絡(luò )安裝的美觀(guān)、環(huán)保、簡(jiǎn)易便捷。 

                                                                          圖 4.1 塑料光纖家庭網(wǎng)絡(luò )解決方案
        其具備的功能和特點(diǎn)是：簡(jiǎn)易及快捷的安裝；體積??；設計簡(jiǎn)單；.通過(guò)使用可見(jiàn)光,可迅速排除問(wèn)題；高性?xún)r(jià)比；共享上網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)及文件傳輸；進(jìn)行多人游戲；通過(guò)Internet撥打網(wǎng)絡(luò )電話(huà),可以大大降低國際長(cháng)途電話(huà)費用；觀(guān)看高清網(wǎng)絡(luò )電視（IPTV）；由于塑料光纖接入可提供100兆帶寬，因此可以在相當長(cháng)一段時(shí)間內不用擔心升級的問(wèn)題；可打印、復印、傳真及掃描，適合家庭辦公的需要，并可同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )監控，無(wú)論你身在何處，只要有網(wǎng)絡(luò )的地方就可隨時(shí)看到家里的情況。
現代家庭網(wǎng)絡(luò )就是由一臺或者多臺計算機、IP電話(huà)、IPTV、打印機、網(wǎng)絡(luò )機頂盒、數字家電等設備連接在一起，來(lái)實(shí)現上網(wǎng)、通信、電視、電話(huà)、監控、打印等目的。POF家庭網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現將促進(jìn)“光纖到戶(hù)”的普及，使其同時(shí)推動(dòng)IPTV和HDTV的服務(wù)。POF具有高度的靈活性，而且安全、穩定。
        POF在局域網(wǎng)中的應用
        如今，連接個(gè)人計算機和工作站的局域網(wǎng)（LAN）大部分使用的是以太網(wǎng)，而以太網(wǎng)的最大優(yōu)勢即傳輸速度快，因此如何保持信息的高速傳輸顯得極為重要。目前已經(jīng)成熟的POF網(wǎng)絡(luò )設備包括POF交換機、POF集線(xiàn)器、POF網(wǎng)卡和POF-RJ45光電轉換器等都是為其目的設計和實(shí)現的。
如圖4.2是塑料光纖局域網(wǎng)用戶(hù)接入系統拓撲圖。該局域網(wǎng)采用光交換機和光網(wǎng)卡，無(wú)需進(jìn)行多次電/光、光/電交換，避免了電/光、光/電交換時(shí)的瓶頸效應，為網(wǎng)絡(luò )的高速率和高帶寬提供了保證。 

                                                                  圖 4.2 塑料光纖局域網(wǎng)用戶(hù)接入系統拓撲圖
        因為所有網(wǎng)絡(luò )設備均采用1000M以太網(wǎng)設備，傳輸速率最高可達1000Mbps，介質(zhì)采用低損耗GI-POF，帶寬可達200MHz-km以上。同時(shí)采用1000base—FX以太網(wǎng)的組網(wǎng)方式，因此網(wǎng)絡(luò )輸率可高達1000Mbps。塑料光纖由高分子聚組成，價(jià)格比較便宜，基本和石英光纖持平。而且，目前塑料光纖網(wǎng)絡(luò )設備價(jià)格雖然較高，但是隨著(zhù)生產(chǎn)和銷(xiāo)售規模的增加，會(huì )有較大的降價(jià)空間。如果以整個(gè)光纖系統來(lái)考慮，塑料光纖局域網(wǎng)系統具有很高的性?xún)r(jià)比，很容易被用戶(hù)接受。
        4. 未來(lái)展望和總結
        近十年以來(lái)，塑料光纖以其芯徑大、易耦合、柔韌性好、質(zhì)量輕、不用熔接或者焊接、無(wú)電磁干擾和輻射、安全保密及抗干擾能力強、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到國際上的普遍關(guān)注。塑料光纖配合石英光纖，是銅纜的有力競爭者乃至替代品，在FTTH的末端（家庭綜合布線(xiàn)）將發(fā)揮很大效用，可以解決“最后幾百米”的接入難題，實(shí)現光纖到桌面。當然，塑料光纖相比石英光纖也有很多劣勢，例如相關(guān)標準仍未完善；衰減系數比較高，影響光信號傳輸；組網(wǎng)配套的器件缺乏等。
如今，在三網(wǎng)融合的帶動(dòng)下，運營(yíng)商將繼續提升帶寬，接入網(wǎng)建設和改造勢在必行，8M、20M甚至100M的接入帶寬將成為主流標準。為了實(shí)現更高接入帶寬，FTTH（光纖到戶(hù)）推進(jìn)首當其沖。因此，在未來(lái)幾年，FTTH必定會(huì )迎來(lái)爆發(fā)式增長(cháng)，而POF的應用也將極大地推進(jìn)FTTH的步伐。