探析塑料光纖在FTTH中的應用

        如今，隨著網絡技術的飛速發(fā)展，Internet、可視電話、遠程教育、高清晰度電視、視頻點播及電視購物等對通信業(yè)務的發(fā)展提出了更高的要求。接入網是直接面向用戶的，是整個電信網的重要組成部分，它的服務質量和內容直接影響通信網的發(fā)展。然而，交換機到用戶終端之間 “最后一公里”的問題一直都是電信網發(fā)展的瓶頸，人們一直在不斷地開發(fā)各種類型的接入網，包括銅線接入網、光纖接入網及無線接入網等。從發(fā)展的角度看，隨著更多寬帶業(yè)務的出現，要在根本上解決寬帶多媒體業(yè)務的接入問題，就必須采用光纖接入網。光纖通信的最大優(yōu)點就在于具有極大的傳輸容量、極低的傳輸損耗和色散特性，光纖接入網可以提供足夠的帶寬從而滿足普通的電信業(yè)務向聲音、數據、圖像相結合的多媒體寬帶業(yè)務轉變的要求，是真正適合發(fā)展的一種接入技術。
        FTTH是公認的接入網發(fā)展的長遠目標和解決方案，主要采用PON技術，但在由ONU到用戶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題，而UTP電纜、同軸電纜等不但價格高，銅線資源也有限，一旦遇到受到強電磁干擾很容易引起網絡癱瘓。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，同時還兼有柔軟、抗彎曲、耐震動、抗輻射抗電磁干擾、安全性和保密、價格便宜、施工方便等優(yōu)點。另外，POF接入網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、光纖到桌面的短距離、多接點的接入系統(tǒng)中，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石英光纖及銅纜，成為新一代的通信傳輸媒質。
        1. 光纖接入網的基本結構及其分類
光纖接入網與傳統(tǒng)意義上的光纖傳輸系統(tǒng)不同，它是一種接入網環(huán)境所設計的特殊的光纖接入傳輸網，一般指本地交換機或者遠端交換模塊與用戶之間采用光纖通信或者部分采用光纖通信系統(tǒng)，由OTL、ODN、ONU三大部分組成，基本結構圖如2.1所示。

 
                                                                                           圖2.1 光纖接入網基本機構 
          由于目前接入網的用戶終端設備都屬于電氣設備，故以光纖作為傳輸媒質時，必須在發(fā)送端和接收端進行光/電轉換，這種轉換設備在局端稱為光線路終端(OLT)，在用戶端稱為光網絡單元(ONU)。根據光網絡中的ODN是無源器件或有源器件，光纖接入網可分為無源光網絡(PON)和有源光網絡(AON)；根據所采用技術體制的不同，可以分為PDH—PON、ATM—PON、SCM—PON、DWDM—PON、S—PON等各種光接入網；根據0NU的位置，最主要的光纖接入形式是FTTC、FTTB、FTTO和FTTH。目前已普遍實現FTTC和FTTB，為使用戶真正享受網絡的高速化和寬帶化，FTTO和FTTH是光纖接入網的最終目標。這樣每一終端都需要一根光纖和專用的ONU，對于多終端用戶，需要幾根光纖同時人戶。 
            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)點被用作長距離、高速率、大容量和公用通信網的光傳輸介質，但因其所需的原料純潔、制造工藝復雜、價格昂貴、接續(xù)困難，要大量用作短距離接入網的光傳輸介質就不劃算了。正是為降低短距離接入網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的結構種類和優(yōu)缺點。
         3.1 POF的結構和種類
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、光學性質均勻、合適的折射率且便于調整，加工方便、化學、物理的性能穩(wěn)定、價格便宜等特點。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生全反射而前進。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
        POF是開發(fā)成本低、透光性好、質量輕、柔軟性好、芯徑粗便于安裝的傳輸介質，首先，和銅纜相比，塑料光纖具有的優(yōu)點有：
        （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） 價格低：POF成本則與對稱電纜相當，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銅價的制約，下降空間有限；
其次，與石英光纖相比，塑料光纖具有的優(yōu)點有：
        （1） 芯徑粗、數值孔徑NA大：芯徑大(0.3～1.0mm)，接續(xù)時可使用簡單的POF連接器，即使是光纖接續(xù)中心對準產生30µm的偏差也不會影響耦合損耗；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） 分路簡單、操作簡便：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，主要有：
        （1） 衰減大：PF GI—POF，其在1300mm波長的衰減系數為50dB/km。一般POF在波長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。但我們可通過材料選擇和制造工藝降低衰減，通過選擇POF材料和精確地控制折射率分布來獲得高的帶寬，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中的應用
FTTH憑著接入帶寬大、接入可靠性高、抗電磁干擾等優(yōu)勢，是公認的接入網發(fā)展的長遠目標和最終解決方案，以下部分討論了POF智能化綜合布線系統(tǒng)、家庭POF解決方案和POF在局域網中的應用。
        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
光纖到戶接入技術作為未來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越多的關注，而阻礙我國FTTH發(fā)展的最大障礙是投資成本過高，因此正確選擇適合我國國情的FTTH接入技術，開發(fā)低成本FTTH接入系統(tǒng)是  發(fā)展FTTH的關鍵。
        塑料光纖綜合布線系統(tǒng)是把一棟建筑內的或一個計算機網絡內的電腦網絡終端，通過塑料光纖互相連線，形成一個完整的網絡。根據其各部分在建筑中位置及功能的不同，可劃分為幾個子模塊系統(tǒng)：工作子系統(tǒng)、通訊間子系統(tǒng)、垂直主干子系統(tǒng)和設備間子系統(tǒng)，該可作為智能大廈、計算機網絡傳輸的解決方案。
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。塑料光纖主要應用在連接點眾多的水平系統(tǒng)中，用于解決水平方向上從網絡交換機到各個工作區(qū)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(tǒng)的石英光纖無論在成本、工程，還是管理維護方面均較難實現普遍應用。而塑料光纖的直徑大，很易于實現光纖的端接、耦合以及布放施工，對線纜最小彎曲半徑、安裝環(huán)境要求也低。所以在高檔的全光布線系統(tǒng)、千兆網絡系統(tǒng)中以及防干擾、防信號泄漏的布線系統(tǒng)工程，可以比其它類型的傳輸線路更具優(yōu)勢。
        4.1.2 塑料光纖布線系統(tǒng)的網絡設備
        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光以太網交換機
該交換機是組成網絡系統(tǒng)的核心設備，是一個具有簡化、低價、高性能和高端口密集特點的交換產品，能為每個工作點提供更大的帶寬，而協(xié)議的透明性使得交換機在軟件配置簡單的情況下直接安裝在多協(xié)議網絡中。
         （2） 光波長轉換器
光波長轉換器的組成包括：介質轉換芯片、光纖收發(fā)模塊、供電模塊、晶振電路等。該光波長轉換器以兩片交換芯片為核心組成的光波長轉換系統(tǒng)。它們分別通過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)模快、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：介質轉換芯片、光纖收發(fā)模塊、供電模塊、晶振電路等。它以兩片介質轉換芯片為核心組成的光電轉換系統(tǒng)。它們分別通過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） 光網卡
         光網卡的組成包括：主控芯片是以太網介質接入控制器芯片、+3.3V電壓變換模塊、晶振電路等。． 網卡是32位PCI總線插槽中、用于收發(fā)不同的信幀，以實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 塑料光纖家庭網絡 
         4.2.1 POF家庭網絡的關鍵因素
        家庭網絡是針對千家萬戶設計的系統(tǒng)，除了要求使用簡便之外，可靠耐用也是關鍵因素；又因為它傳送實時的視聽數據信息，對它的性能要求比較嚴格。例如，計算機網為保證數據的正確，可采用檢錯重發(fā)的數據報技術。但電視廣播信息是實時的業(yè)務，對時延的要求較高，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，否則就影響傳輸質量。
        傳輸線路是綜合平衡網絡系統(tǒng)各部分性能時的極為重要的一環(huán)。家庭網絡的傳輸線路具有以下特點：首先，家庭網絡內的設備分布在各房間，有饋電線接插頭，不一定要求利用信號電纜附帶供電；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美國fcc的規(guī)定值，不僅對于家庭網絡可靠性有影響，而且對人身健康有影響；而光纜輕柔(8克/米)，特別是幾乎無噪聲干擾，POF可延長到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接口的設備接插到term boy插座上，很容易建成家庭網絡系統(tǒng)。所以，利用IEEE 1394總線，通過塑料光纖，我們可實現智能家電(家用PC、HDTV、電話、數字成象設備、家庭安全設備、空調、冰箱、音響系統(tǒng)、廚用電器等)的聯(lián)網，達到家庭自動化和遠程控制管理，提高生活質。
        4.2.2 家庭FTTD網絡案例分析
        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1G的交換能力及確保家庭設備相互連接的傳輸質量，是家用100兆高速以太網最可靠的技術。系統(tǒng)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(xù)中心對準偏差小于30μm時，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中，不論墻內還是墻外、墻腳線、地毯下方或者一般線纜所鋪設的地方都容易達到隱蔽的要求，比其他網絡傳輸介質（如5類線或6類線）有更多的優(yōu)勢，凸現了家庭網絡安裝的美觀、環(huán)保、簡易便捷。 

                                                                          圖 4.1 塑料光纖家庭網絡解決方案
        其具備的功能和特點是：簡易及快捷的安裝；體積??；設計簡單；.通過使用可見光,可迅速排除問題；高性價比；共享上網訪問及文件傳輸；進行多人游戲；通過Internet撥打網絡電話,可以大大降低國際長途電話費用；觀看高清網絡電視（IPTV）；由于塑料光纖接入可提供100兆帶寬，因此可以在相當長一段時間內不用擔心升級的問題；可打印、復印、傳真及掃描，適合家庭辦公的需要，并可同時進行網絡監(jiān)控，無論你身在何處，只要有網絡的地方就可隨時看到家里的情況。
現代家庭網絡就是由一臺或者多臺計算機、IP電話、IPTV、打印機、網絡機頂盒、數字家電等設備連接在一起，來實現上網、通信、電視、電話、監(jiān)控、打印等目的。POF家庭網絡的實現將促進“光纖到戶”的普及，使其同時推動IPTV和HDTV的服務。POF具有高度的靈活性，而且安全、穩(wěn)定。
        POF在局域網中的應用
        如今，連接個人計算機和工作站的局域網（LAN）大部分使用的是以太網，而以太網的最大優(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。目前已經成熟的POF網絡設備包括POF交換機、POF集線器、POF網卡和POF-RJ45光電轉換器等都是為其目的設計和實現的。
如圖4.2是塑料光纖局域網用戶接入系統(tǒng)拓撲圖。該局域網采用光交換機和光網卡，無需進行多次電/光、光/電交換，避免了電/光、光/電交換時的瓶頸效應，為網絡的高速率和高帶寬提供了保證。 

                                                                  圖 4.2 塑料光纖局域網用戶接入系統(tǒng)拓撲圖
        因為所有網絡設備均采用1000M以太網設備，傳輸速率最高可達1000Mbps，介質采用低損耗GI-POF，帶寬可達200MHz-km以上。同時采用1000base—FX以太網的組網方式，因此網絡輸率可高達1000Mbps。塑料光纖由高分子聚組成，價格比較便宜，基本和石英光纖持平。而且，目前塑料光纖網絡設備價格雖然較高，但是隨著生產和銷售規(guī)模的增加，會有較大的降價空間。如果以整個光纖系統(tǒng)來考慮，塑料光纖局域網系統(tǒng)具有很高的性價比，很容易被用戶接受。
        4. 未來展望和總結
        近十年以來，塑料光纖以其芯徑大、易耦合、柔韌性好、質量輕、不用熔接或者焊接、無電磁干擾和輻射、安全保密及抗干擾能力強、價格低廉等優(yōu)點而受到國際上的普遍關注。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）將發(fā)揮很大效用，可以解決“最后幾百米”的接入難題，實現光纖到桌面。當然，塑料光纖相比石英光纖也有很多劣勢，例如相關標準仍未完善；衰減系數比較高，影響光信號傳輸；組網配套的器件缺乏等。
如今，在三網融合的帶動下，運營商將繼續(xù)提升帶寬，接入網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。為了實現更高接入帶寬，FTTH（光纖到戶）推進首當其沖。因此，在未來幾年，FTTH必定會迎來爆發(fā)式增長，而POF的應用也將極大地推進FTTH的步伐。