塑料光纖的基本特性及在全光系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

在目前遠(yuǎn)距離、高速率、大容量的傳輸網(wǎng)絡(luò)中，具有高帶寬、小衰耗優(yōu)點(diǎn)的石英玻璃光纖是最為常用的光傳輸介質(zhì)。但是，短距離光傳輸和光接入工程對(duì)光傳輸媒質(zhì)有如下要求：制造工藝簡(jiǎn)單、較好的耐彎曲及耐擠壓特性、接續(xù)工藝及操作簡(jiǎn)單。這些恰恰是石英玻璃光纖的缺點(diǎn)，再加上石英玻璃光纖對(duì)加工原料純度有較高的要求，使其難以在短距離光接入中廣泛應(yīng)用。

受技術(shù)水平和成本的限制，目前的通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃忽略了通信距離與傳輸帶寬對(duì)傳輸介質(zhì)的要求，通常采用石英光纖作為傳輸媒介，給短距離通信帶來種種不便，加大了施工成本和施工難度。而布線方便、轉(zhuǎn)接靈活、制造工藝簡(jiǎn)單的塑料光纖完全能夠滿足短距離通信對(duì)傳輸媒質(zhì)的這些要求，并且在通信質(zhì)量達(dá)到較高要求的前提下，極大地節(jié)省了成本。

1 、塑料光纖概論

1.1 塑料光纖的結(jié)構(gòu)及工作原理

常見的塑料光纖剖面由內(nèi)至外依次為：塑芯、塑纖包層、塑纖保護(hù)層、塑纖外包皮，其剖面示意圖如圖1所示。

由物理光學(xué)基本原理可知：光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角超過某一角度C（臨界角）時(shí)，折射光完全消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象叫做全反射。發(fā)生全反射時(shí)，光線及其所攜帶能量進(jìn)入光密介質(zhì)。光纖通信正是通過滿足入射角以及光密介質(zhì)、光疏介質(zhì)的要求，實(shí)現(xiàn)全反射，將光信號(hào)從源端傳輸?shù)剿薅?。塑料光纖由高、低折射率的兩種透明聚合物構(gòu)成，其剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。塑芯和包層材料須滿足：

（1）兩種材料應(yīng)具有耐高溫性和強(qiáng)韌性；

（2）滿足n芯-n皮≥0.05的折射率條件，保證全反射對(duì)入射角的要求；

（3）界面粘接良好。

1.2 塑料光纖的優(yōu)點(diǎn)

石英玻璃光纖具有高帶寬、小衰耗的優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也具有制造工藝復(fù)雜、耐彎曲性及耐擠壓特性較差、接續(xù)工藝及操作復(fù)雜的缺陷。

和石英光纖相比，塑料光纖具有布線方便、轉(zhuǎn)接靈活、制造工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，完全能夠滿足短距離通信對(duì)傳輸媒質(zhì)的要求，并且在通信質(zhì)量達(dá)到較高要求的前提下，可極大地節(jié)省成本［3］。

1.3 目前最先進(jìn)的塑料光纖

1994年，致力于研究透明氟樹脂“CYTOP”的日本慶應(yīng)大學(xué)的小池先生提出了應(yīng)用光纖的提案，此后經(jīng)過共同開發(fā)，日本旭硝子公司（AGC）研制出了“FONTEX”系列塑料光纖產(chǎn)品。與以往的塑料光纖產(chǎn)品相比，“FONTEX”系列塑料光纖產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

（1）因?yàn)槭欠夭牧?，與丙烯不同，塑料光纖在廣泛的波長(zhǎng)范圍內(nèi)是透明的，從而可以使用長(zhǎng)波長(zhǎng)的低價(jià)高速光源；

（2）與石英光纖相比，塑料光纖柔軟不易斷，可忍耐小半徑彎曲或者折返彎曲；

（3）超高速性能等同并超出石英光纖，可達(dá)到10 Gb/s×100 m的傳輸速度；

（4）電耗低、無噪聲、纖細(xì)輕巧；

（5）產(chǎn)品種類豐富多樣，包括緊線纜、多芯帶狀線纜等。

正是由于以上特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，“FONTEX”系列塑料光纖產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于以下方面和領(lǐng)域：

（1）電視（3D、4K2K、8K4K顯示器等）間的連接用光纖以及設(shè)備內(nèi)部光配線；

（2）電腦與相關(guān)設(shè)備間的連接用光纖；

（3）攜帶用設(shè)備內(nèi)的光配線；

（4）數(shù)據(jù)中心的設(shè)備之間的連接光纖；

（5）醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備間的連接光纖等。

1.4 塑料光纖在組網(wǎng)中的應(yīng)用

在塑料光纖綜合布線解決方案中，塑料光纖應(yīng)用于中心機(jī)房到樓宇之間的干線。在接入點(diǎn)眾多的樓層水平布線系統(tǒng)（Horizontal Wiring System）中，塑料光纖得到了廣泛的應(yīng)用，具體如圖2所示。從光纖通信到桌面的水平方向數(shù)據(jù)連接，連接線路很多，使用以往的銅線（UTP）有如下缺點(diǎn)：帶寬受限、距離有限、不能完全消除RFI（射頻干擾）和EMI（電磁干擾）、不能很靠近電力電纜及安全性差等。 如果采用石英光纖，則會(huì)面臨項(xiàng)目成本、維護(hù)管理等不利因素的挑戰(zhàn)。塑料光纖具有長(zhǎng)達(dá)1 mm的直徑，使光纖的布放施工、耦合、端接等工作容易實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，塑料光纖對(duì)安裝環(huán)境要求較低，并且需滿足的最小彎曲半徑更小，因此，如果能將塑料光纖應(yīng)用于高端的千兆網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、防干擾、防信號(hào)泄漏的布線系統(tǒng)工程以及全光布線系統(tǒng)中，與采用其他類型線纜的系統(tǒng)相比，必將產(chǎn)生更大優(yōu)勢(shì)［4］。塑料光纖的另外一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是在波長(zhǎng)為650 nm的可見紅光下傳輸，不會(huì)對(duì)肉眼造成傷害，適合于安裝在居民家中，可與石英光纖配合實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)；而石英光纖是在近紅外光下傳輸，如果直視會(huì)對(duì)眼睛造成極大傷害甚至失明［5］。

2 、核心技術(shù)研究

本部分針對(duì)最后100 m的接入網(wǎng)問題，給出了基于塑料光纖的全光系統(tǒng)的研究思路，通過對(duì)包括塑料光纖接口的ONU、塑料光纖交換機(jī)等核心設(shè)備的研究和技術(shù)攻關(guān)，提供了一種解決方案，實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)接入，真正實(shí)現(xiàn)光纖到桌面的接入。

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）是一種采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)，它的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹形。EPON系統(tǒng)由局端的光線路終端（OLT）、用戶端的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）和光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成，如圖3所示。

2.1 全塑料光纖接口的ONU

ONU通過對(duì)對(duì)應(yīng)用戶的多樣化業(yè)務(wù)的復(fù)用與解復(fù)用，使得各種不同的家庭終端的不同業(yè)務(wù)信號(hào)在上行方向?qū)崿F(xiàn)復(fù)用，從而在同一種傳輸介質(zhì)中傳輸；在下行方向上，將不同種類的業(yè)務(wù)進(jìn)行解復(fù)用處理，通過不同的接口傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)終端。ONU的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

本方案提供ONU的FE端口為POF的標(biāo)準(zhǔn)100 Mb/s接口，4個(gè)100 Mb/s塑料光纖接口，工作波長(zhǎng)為650 nm，塑料光纖直接插入，鎖定光纖后即可互聯(lián)互通，應(yīng)用簡(jiǎn)單，可實(shí)用性強(qiáng)。ONU上連口為標(biāo)準(zhǔn)PON口，可以與主流的OLT廠家互聯(lián)互通，其適應(yīng)性較強(qiáng)。末端光纖接入業(yè)務(wù)端口，抗干擾性強(qiáng)，傳輸帶寬大，非常適合電力、國防等安全性要求比較高的網(wǎng)絡(luò)，可為未來高清圖像傳輸提供高帶寬通道。

2.2 POF-全光交換機(jī)

本解決方案實(shí)現(xiàn)8個(gè)塑料光口+1個(gè)千兆上聯(lián)的交換機(jī)，并具有WEB方式的網(wǎng)管，適合于室內(nèi)或樓道的使用，該交換機(jī)能夠連接基于POF的以太網(wǎng)設(shè)備，使在家庭或者辦公場(chǎng)所的設(shè)備連接更加便捷高效，適合于接入信息點(diǎn)距離小于100 m的場(chǎng)所，提供FTTH和FTTD的解決方案。本方案解決了傳統(tǒng)采用網(wǎng)線傳輸?shù)膮R聚問題，可實(shí)現(xiàn)POF網(wǎng)絡(luò)的匯聚與交換，在國內(nèi)具有技術(shù)領(lǐng)先性。POF-全光交換機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

基于塑料光纖的全光系統(tǒng)中成套設(shè)備核心技術(shù)的研究，在國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先。目前塑料激光器核心組件需要進(jìn)口，產(chǎn)品價(jià)格較貴，但該產(chǎn)品和技術(shù)非常適合國內(nèi)電力及專網(wǎng)行業(yè)。隨著市場(chǎng)的普及，光器件的逐漸國產(chǎn)化，該設(shè)備的造價(jià)也會(huì)隨之下降，為該產(chǎn)品在國內(nèi)乃至國外市場(chǎng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并相信在未來的專網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域有很大的實(shí)用價(jià)值，是通信網(wǎng)絡(luò)最后100 m傳輸解決方案的優(yōu)先選擇，在通信網(wǎng)絡(luò)“三網(wǎng)合一”中發(fā)揮很大的作用。同時(shí)該系統(tǒng)也是光纖到桌面技術(shù)的最佳選擇，該技術(shù)的領(lǐng)先性必成為“全光接入”網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最佳選擇之一。