圖2.1 光纖接入網(wǎng)基本機(jī)構(gòu)
由于目前接入網(wǎng)的用戶終端設(shè)備都屬于電氣設(shè)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(zhuǎn)換,這種轉(zhuǎn)換設(shè)備在局端稱為光線路終端(OLT),在用戶端稱為光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)。根據(jù)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(jù)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(jù)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(xiàn)FTTC和FTTB,為使用戶真正享受網(wǎng)絡(luò)的高速化和寬帶化,F(xiàn)TTO和FTTH是光纖接入網(wǎng)的最終目標(biāo)。這樣每一終端都需要一根光纖和專用的ONU,對(duì)于多終端用戶,需要幾根光纖同時(shí)人戶。
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(zhǎng)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(fù)雜、價(jià)格昂貴、接續(xù)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)中接人用戶端的光纖成本,塑料光纖誕生了。以下部分介紹了POF的結(jié)構(gòu)種類和優(yōu)缺點(diǎn)。
3.1 POF的結(jié)構(gòu)和種類
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(diào)整,加工方便、化學(xué)、物理的性能穩(wěn)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脂等。選作塑料光纖在FTTH中的應(yīng)用塑料光纖包層有:聚甲基丙烯酸甲醋、氟塑料、硅樹脂等。
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。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(gòu)成的材料分有PF-POF、PMMA—POF。
3.2 POF的優(yōu)缺點(diǎn)
POF是開發(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(nèi)帶寬可達(dá)數(shù)GHz。
(2) 抗電磁干擾;POF對(duì)電磁干擾不敏感,也不發(fā)生輻射,不同數(shù)據(jù)速率下的衰減恒定,誤碼率可預(yù)測(cè),能在電噪聲環(huán)境中使用。
(3) 價(jià)格低:POF成本則與對(duì)稱電纜相當(dāng),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(shù)值孔徑NA大:芯徑大(0.3~1.0mm),接續(xù)時(shí)可使用簡(jiǎn)單的POF連接器,即使是光纖接續(xù)中心對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生30µm的偏差也不會(huì)影響耦合損耗;數(shù)值孔徑大(0.3~0.5mm),受光角可達(dá)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(zhǎng)的衰減系數(shù)為50dB/km。一般POF在波長(zhǎng)850nm處的典型的衰減系數(shù)大約為100~200 dB/km,相比G.652光纖在1.31µm的典型的衰減系數(shù)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(zhǎng)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)展耐熱透明樹脂ARTON(norbornene,冰片烯)制造的SI—POF,耐熱170°C。
3. POF在FTTH中的應(yīng)用
FTTH憑著接入帶寬大、接入可靠性高、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì),是公認(rèn)的接入網(wǎng)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)和最終解決方案,以下部分討論了POF智能化綜合布線系統(tǒng)、家庭POF解決方案和POF在局域網(wǎng)中的應(yīng)用。
4.1 塑料光纖綜合布線系統(tǒng)
4.1.1 塑料光纖布線系統(tǒng)的解決方案
光纖到戶接入技術(shù)作為未來(lái)的寬帶接入解決方案,在日本和美國(guó)已得到廣泛應(yīng)用,在我國(guó)也得到了越來(lái)越多的關(guān)注,而阻礙我國(guó)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(guó)國(guó)情的FTTH接入技術(shù),開發(fā)低成本FTTH接入系統(tǒng)是 發(fā)展FTTH的關(guān)鍵。
塑料光纖綜合布線系統(tǒng)是把一棟建筑內(nèi)的或一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電腦網(wǎng)絡(luò)終端,通過(guò)塑料光纖互相連線,形成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)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(tǒng):工作子系統(tǒng)、通訊間子系統(tǒng)、垂直主干子系統(tǒng)和設(shè)備間子系統(tǒng),該可作為智能大廈、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕鉀Q方案。
在塑料光纖綜合布線方案中,垂直干線一般采用傳統(tǒng)的石英光纖如多模光纜。塑料光纖主要應(yīng)用在連接點(diǎn)眾多的水平系統(tǒng)中,用于解決水平方向上從網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)到各個(gè)工作區(qū)電腦的大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枨?。水平方向的?shù)據(jù)連接,即光纖通訊工作間到桌面的連接,由于連接數(shù)目多,采用傳統(tǒng)的石英光纖無(wú)論在成本、工程,還是管理維護(hù)方面均較難實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用。而塑料光纖的直徑大,很易于實(shí)現(xiàn)光纖的端接、耦合以及布放施工,對(duì)線纜最小彎曲半徑、安裝環(huán)境要求也低。所以在高檔的全光布線系統(tǒng)、千兆網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中以及防干擾、防信號(hào)泄漏的布線系統(tǒng)工程,可以比其它類型的傳輸線路更具優(yōu)勢(shì)。
4.1.2 塑料光纖布線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
在100Mbps在100Mbps信息速率下用塑料光纖傳輸距離可達(dá)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(tǒng)主要包括:
(1) 650nm光以太網(wǎng)交換機(jī)
該交換機(jī)是組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心設(shè)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(jī)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換器
光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的組成包括:介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片、光纖收發(fā)模塊、供電模塊、晶振電路等。該光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器以兩片交換芯片為核心組成的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。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(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)的PECL電平的電信號(hào),同時(shí)將其變換為-7dBm ~-3dBm的光信號(hào)。
(4) 光電轉(zhuǎn)換器
光電轉(zhuǎn)換器的組成包括:介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片、光纖收發(fā)模塊、供電模塊、晶振電路等。它以兩片介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片為核心組成的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。它們分別通過(guò)ST8861 6五類線的TP電接口電路和光纖接口電路,連接到普通五類線電纜和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總線插槽中、用于收發(fā)不同的信幀,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(hù)套,護(hù)套壁厚0.6mm、塑料光纜外徑2.2mm.塑料光纖連接器可根據(jù)不同型號(hào)的光模塊設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)。
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(duì)千家萬(wàn)戶設(shè)計(jì)的系統(tǒng),除了要求使用簡(jiǎn)便之外,可靠耐用也是關(guān)鍵因素;又因?yàn)樗鼈魉蛯?shí)時(shí)的視聽(tīng)數(shù)據(jù)信息,對(duì)它的性能要求比較嚴(yán)格。例如,計(jì)算機(jī)網(wǎng)為保證數(shù)據(jù)的正確,可采用檢錯(cuò)重發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)技術(shù)。但電視廣播信息是實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù),對(duì)時(shí)延的要求較高,對(duì)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。
傳輸線路是綜合平衡網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各部分性能時(shí)的極為重要的一環(huán)。家庭網(wǎng)絡(luò)的傳輸線路具有以下特點(diǎn):首先,家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備分布在各房間,有饋電線接插頭,不一定要求利用信號(hào)電纜附帶供電;其次,銅線電纜只能傳送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(yuǎn)超過(guò)美國(guó)fcc的規(guī)定值,不僅對(duì)于家庭網(wǎng)絡(luò)可靠性有影響,而且對(duì)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(zhǎng)到50~100米,傳送速度為100~400 Mbps。日本nec公司成功地開發(fā)出IEEE 1394的重要部件“term boy”,它作為集線器用的中繼部件,允許利用POF IEEE 1394家庭總線、POF IEEE1394接口和stp IEEE 1394接口的設(shè)備接插到term boy插座上,很容易建成家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。所以,利用IEEE 1394總線,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)。
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(tǒng)可以提供高達(dá)1G的交換能力及確保家庭設(shè)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(tǒng)采用損耗系數(shù)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(qiáng)度大于140N,數(shù)值孔徑NA為0.3 - 0.5,受光角最大可達(dá)60°,光纖接續(xù)中心對(duì)準(zhǔn)偏差小于30μm時(shí),幾乎不影響耦合損耗。柔軟和超細(xì)直徑的光纜能夠在新建筑或樓房翻新布線中,不論墻內(nèi)還是墻外、墻腳線、地毯下方或者一般線纜所鋪設(shè)的地方都容易達(dá)到隱蔽的要求,比其他網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)(如5類線或6類線)有更多的優(yōu)勢(shì),凸現(xiàn)了家庭網(wǎng)絡(luò)安裝的美觀、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?。辉O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單;.通過(guò)使用可見(jiàn)光,可迅速排除問(wèn)題;高性價(jià)比;共享上網(wǎng)訪問(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,可以大大降低國(guó)際長(zhǎng)途電話費(fèi)用;觀看高清網(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(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不用擔(dān)心升級(jí)的問(wèn)題;可打印、復(fù)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(jiān)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(xiàn)代家庭網(wǎng)絡(luò)就是由一臺(tái)或者多臺(tái)計(jì)算機(jī)、IP電話、IPTV、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒、數(shù)字家電等設(shè)備連接在一起,來(lái)實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)、通信、電視、電話、監(jiān)控、打印等目的。POF家庭網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)將促進(jìn)“光纖到戶”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(wěn)定。
POF在局域網(wǎng)中的應(yīng)用
如今,連接個(gè)人計(jì)算機(jī)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(shì)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(shè)備包括POF交換機(jī)、POF集線器、POF網(wǎng)卡和POF-RJ45光電轉(zhuǎn)換器等都是為其目的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。
如圖4.2是塑料光纖局域網(wǎng)用戶接入系統(tǒng)拓?fù)鋱D。該局域網(wǎng)采用光交換機(jī)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(yīng),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)用戶接入系統(tǒng)拓?fù)鋱D
因?yàn)樗芯W(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用1000M以太網(wǎng)設(shè)備,傳輸速率最高可達(dá)1000Mbps,介質(zhì)采用低損耗GI-POF,帶寬可達(dá)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(dá)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(shè)備價(jià)格雖然較高,但是隨著生產(chǎn)和銷售規(guī)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(tǒng)來(lái)考慮,塑料光纖局域網(wǎng)系統(tǒng)具有很高的性價(jià)比,很容易被用戶接受。
4. 未來(lái)展望和總結(jié)
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(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到國(guó)際上的普遍關(guān)注。塑料光纖配合石英光纖,是銅纜的有力競(jìng)爭(zhēng)者乃至替代品,在FTTH的末端(家庭綜合布線)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(xiàn)光纖到桌面。當(dāng)然,塑料光纖相比石英光纖也有很多劣勢(shì),例如相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍未完善;衰減系數(shù)比較高,影響光信號(hào)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(yùn)營(yíng)商將繼續(xù)提升帶寬,接入網(wǎng)建設(shè)和改造勢(shì)在必行,8M、20M甚至100M的接入帶寬將成為主流標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)更高接入帶寬,FTTH(光纖到戶)推進(jìn)首當(dāng)其沖。因此,在未來(lái)幾年,FTTH必定會(huì)迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng),而POF的應(yīng)用也將極大地推進(jìn)FTTH的步伐。