塑料光纖在通信網(wǎng)中的應(yīng)用

　　隨著光通信產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，光纖作為光信號(hào)的傳輸介質(zhì)，起著信息高速公路的作用。目前，石英光纖由于其寬帶、低損耗及適合長(zhǎng)距離通信傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，占據(jù)著光通信的主要市場(chǎng)。然而，由于石英光纖芯徑小、連接復(fù)雜、成本高，所以在光纖入戶時(shí)遇到很大的困難。隨著短距離、大容量的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及照明等工業(yè)的迅速發(fā)展，塑料光纖(plastic optical fiber,POF)以其芯徑大、對(duì)接容易、柔韌性好、可塑性強(qiáng)、重量輕及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到國(guó)際上的普遍關(guān)注。塑料光纖在短距離通信和光纖傳感方面有著石英光纖所不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此使其占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì)，已成為實(shí)現(xiàn)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(chē)載機(jī)載通信網(wǎng)及軍事通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要的地位。目前對(duì)塑料光纖的研究主要集中在降低損耗、提高帶寬和耐熱性等方面。鑒于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了以塑料光纖為傳輸介質(zhì)的全光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和語(yǔ)音電路傳輸系統(tǒng)。

　　1、 塑料光纖的傳輸特性

　　同其它通信傳輸介質(zhì)一樣，表征塑料光纖性能的主要指標(biāo)有：損耗、色散和帶寬及相關(guān)的化學(xué)性質(zhì)。本文只討論塑料光纖在通信方面的性能。

　　1.1 損耗特性

　　POF的衰減主要受限于芯包塑料材料的吸收損耗和散射損耗。吸收損耗主要來(lái)自碳?xì)滏I拉伸振動(dòng)的本征吸收;散射損耗是因?yàn)楣庠趥鞑ミ^(guò)程中改變了傳播方向造成的能量衰減。PMMA(Polymethyl methacrylate, PMMA)芯塑料光纖在650nm 波長(zhǎng)的理論損耗極限是106dB/km 左右， 實(shí)際做成的這類(lèi)光纖傳輸損耗在100~300dB/km(650nm 波長(zhǎng))。GI-POF 比SIPOF的損耗一般要略高一些，因?yàn)闊o(wú)論采用摻雜劑還是采用其它單體與MMA(Methyl methacrylate, MMA)共聚所形成的GI-POF， 很難達(dá)到與純PMMA 同樣低的損耗。PMMA 塑料光纖的傳輸損耗已接近理論極限，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀測(cè)PMMA 階躍型塑料光纖的損耗光譜，三個(gè)低損耗傳輸窗口分別位于可見(jiàn)光570nm 波長(zhǎng)處、650nm 波長(zhǎng)處和近紅外780nm 波長(zhǎng)處。在650nm 波長(zhǎng)處的損耗值僅為110dB/km， 非常接近于106dB/km 的理論極限。為降低PMMA 塑料光纖的損耗，可采用氟原子代替PMMA 的氫原子，使基體材料吸收光譜的特征峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，從而使可見(jiàn)光與紅外區(qū)域的損耗降低，也使氟化聚合物芯(PF)POF 的工作波長(zhǎng)延伸到了840~1310nm 處，傳輸速率為2.5Gb/s，傳輸距離超過(guò)500m。日本Asahi Glass 公司研制的氟化梯度折射塑料光纖的衰減系數(shù)達(dá)到， 在850nm 波長(zhǎng)處為41dB/km，1300nm 波長(zhǎng)處為33dB/km。全氟化梯度型塑料光纖損耗的理論極限在1300mn 波長(zhǎng)為處0.25dB/km，在1500nm 處的損耗可低至0.1d/km，這完全可以和石英光纖的損耗相比擬，為塑料光纖在通信中使用G.652 光纖通信的部件提供了可能， 也為塑料光纖在通信網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[1]。

　　1.2 帶寬特性

　　帶寬是光纖波導(dǎo)的一個(gè)重要特點(diǎn)，帶寬大小決定了光纖的信息傳輸能力。增加光纖帶寬通常有兩種方法：減小光纖芯的數(shù)值孔徑(NA)，較小的NA 使得光纖中具有傳輸較低階的模式， 從而減小了模間色散，故能使光纖帶寬得到提高;改變光纖芯的折射率，當(dāng)梯度折射率光纖具有接近于拋物型的最佳折射率分布時(shí)，光纖的模間色散最小，可以獲得最佳帶寬性能。另外，當(dāng)入射光源的孔徑較小時(shí)，光纖中只有部分模式激發(fā)， 色散小于光纖中全部傳輸模被激發(fā)的情形，因而也可以獲得相對(duì)高的工作帶寬。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人射光發(fā)生反復(fù)的反射，射出的波形相對(duì)于人射波形出現(xiàn)展寬， 故其傳輸帶寬僅為幾十至上百兆赫茲/千米。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?xún)?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)于人射光波展寬的效果，進(jìn)而可制得傳輸帶寬高達(dá)幾百兆赫茲/千米至10GHz/km 的梯度折射率分布的塑料光纖[2]。

　　1.3 色散特性

　　階躍型塑料光纖的數(shù)值孔徑(NA)在0.5 左右，帶寬距離可以達(dá)40MHz·100m，已應(yīng)用于工業(yè)控制中，但由于其帶寬較小，不適于在航空和室內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。小NA 階躍型塑料光纖的NA 值約為0.25～0.3。較小的NA 使得光纖中只傳輸較低階的模式， 從而減小了模式色散，使帶寬提高210MHz·km。為了保證良好的連接性能，NA 值不能再小。多模梯度光纖的帶寬與光纖的折射率剖面、光源的譜寬和入射孔徑有關(guān)。當(dāng)光纖具有接近于拋物型的最佳折射率剖面時(shí)，光纖的色散最小，可以獲得最佳的帶寬性能。因材料色散較大，在650nm 波長(zhǎng)的帶寬僅為3GHz·100m。全氟化漸變型塑料光纖在650nm 波長(zhǎng)的帶寬大約是PMMA漸變型塑料光纖的3 倍。材料在近紅外區(qū)的色散較小， 全氟化漸變型塑料光纖在1300nm 波長(zhǎng)的帶寬可以達(dá)到100GHz·100m，比石英多模光纖的帶寬更高。

　　1.4 溫度特性

　　塑料光纖耐熱性能差是一大缺點(diǎn)，這主要是因?yàn)樗芰媳旧淼娜埸c(diǎn)低。在通信過(guò)程中，較高的環(huán)境溫度影響了GI-POF 的折射率分布形狀是否穩(wěn)定， 從而影響塑料光纖的性能。目前試驗(yàn)中PMMA POF 連續(xù)200小時(shí)在85°C 狀態(tài)下?lián)p耗增加小于0.15dB/m， 常溫下連續(xù)工作150 小時(shí)損耗增加小于0.02~0.035dB /m，穩(wěn)定度接近200~700 個(gè)小時(shí)。對(duì)于商用的梯度聚合物光纖，可工作于-40~85°C 的溫度范圍，長(zhǎng)時(shí)間地加熱到70℃而不會(huì)對(duì)光纖截面的折射率分布線型造成影響，同時(shí)也不會(huì)影響到光纖的帶寬和傳輸損耗。

　　2、 塑料光纖在通信網(wǎng)中的應(yīng)用

　　2.1 塑料光纖全光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

　　目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)研究出用于650nm 塑料光纖的通信網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用漸變型塑料光纖(GI-POF)為傳輸介質(zhì)，其纖芯直徑980μm，包層直徑100μm，系統(tǒng)工作波長(zhǎng)為650nm，傳輸信息速率l00Mb/s，傳輸距離可達(dá)100m 以上。該系統(tǒng)解決了通信系統(tǒng)全光網(wǎng)絡(luò)中“最后一公里”的瓶頸，使光信息流在網(wǎng)絡(luò)傳輸和交換時(shí)始終以光子的形式存在，為光纖到桌面、到用戶、到終端提供了一種比較理想的技術(shù)支撐[3]。圖1 為650nm 塑料光纖傳輸系統(tǒng)組成全光網(wǎng)絡(luò)框圖， 主要由650nm 光以太網(wǎng)交換機(jī)、650nm 光網(wǎng)卡、650nm 光中繼器、650nm 塑料光纖光纜和塑料光纖連接器等組成。光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是以?xún)善粨Q芯片為核心組成的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)， 可分別將650nm 波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為850nm 波長(zhǎng)、或l3l0nm 波長(zhǎng)、或1550nm 波長(zhǎng)的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同工作波長(zhǎng)系統(tǒng)間信號(hào)的轉(zhuǎn)接。光中繼器的核心部件是兩個(gè)光收發(fā)模塊，POF 收發(fā)模塊由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)和連接器組成?！　?/p>

　　2.2 塑料光纖在語(yǔ)音電路中的應(yīng)用

　　光纖語(yǔ)音電路由光發(fā)射電路、塑料光纖和光接收電路三部分組成，其工作原理是：音頻信號(hào)最初為聲波，由發(fā)送器的電子麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此信號(hào)由LM358 組成的音頻放大器放大，并且借助于一個(gè)單獨(dú)的晶體管控制LED 的端電壓，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖或光纜。在光纖或光纜的另一端，光信號(hào)照射到接收器的光電檢測(cè)器上再將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此信號(hào)被放大并送入揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換為聲波恢復(fù)為原始信號(hào)[4]。

　　2.2.1 發(fā)射器電路板

　　此電路主要是把音頻信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)濾波器和多級(jí)放大器把微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合半導(dǎo)體二極管發(fā)光的電壓信號(hào)，在晶體管的調(diào)制下把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖中進(jìn)行傳輸。在發(fā)射器電路上有一個(gè)話筒和調(diào)制LED 發(fā)光的線路。LED 裝在塑料殼中以便于連接光纖或光纜進(jìn)行發(fā)送信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)室里，設(shè)計(jì)操作可以使用200m 的塑料光纖傳送語(yǔ)音信號(hào)，也可以使用玻璃光纖在更遠(yuǎn)的距離內(nèi)通信。光纖語(yǔ)音發(fā)射器電路如圖2 所示。

　2.2.2 光電接收器電路板

　　在接收器電路板上通過(guò)光電檢測(cè)器把光纖傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電容濾波、運(yùn)算放大器放大，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，放大到適合揚(yáng)聲器輸出的電壓，恢復(fù)原始的語(yǔ)音信號(hào)。光纖語(yǔ)音接收電路如圖3 所示。

　　3 、結(jié)束語(yǔ)

　　塑料光纖以低成本、輕重量、耐震動(dòng)和便于安裝使用等優(yōu)點(diǎn)逐漸進(jìn)入千家萬(wàn)戶，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)短距離通信網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)室研究、下一代短距離光傳輸系統(tǒng)、智能網(wǎng)絡(luò)、辦公自動(dòng)化和工業(yè)控制等通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要的地位和廣闊的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。