探析塑料光纖在FTTH中的應(yīng)用

        如今，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet、可視電話、遠(yuǎn)程教育、高清晰度電視、視頻點(diǎn)播及電視購物等對(duì)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(nèi)容直接影響通信網(wǎng)的發(fā)展。然而，交換機(jī)到用戶終端之間 “最后一公里”的問題一直都是電信網(wǎng)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(wǎng)，包括銅線接入網(wǎng)、光纖接入網(wǎng)及無線接入網(wǎng)等。從發(fā)展的角度看，隨著更多寬帶業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，要在根本上解決寬帶多媒體業(yè)務(wù)的接入問題，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足普通的電信業(yè)務(wù)向聲音、數(shù)據(jù)、圖像相結(jié)合的多媒體寬帶業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變的要求，是真正適合發(fā)展的一種接入技術(shù)。
        FTTH是公認(rèn)的接入網(wǎng)發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)和解決方案，主要采用PON技術(shù)，但在由ONU到用戶終端這樣的密集的短距離應(yīng)用中，現(xiàn)在使用的石英光纖存在連接難度大、成本昂貴、安裝維護(hù)費(fèi)用高等問題，而UTP電纜、同軸電纜等不但價(jià)格高，銅線資源也有限，一旦遇到受到強(qiáng)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(shù)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(xiàn)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(diǎn)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(zhì)。
        1. 光纖接入網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)及其分類
光纖接入網(wǎng)與傳統(tǒng)意義上的光纖傳輸系統(tǒng)不同，它是一種接入網(wǎng)環(huán)境所設(shè)計(jì)的特殊的光纖接入傳輸網(wǎng)，一般指本地交換機(jī)或者遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)圖如2.1所示。

 
                                                                                           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是無源器件或有源器件，光纖接入網(wǎng)可分為無源光網(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，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(diǎn)，主要有：
        （1） 衰減大：PF GI—POF，其在1300mm波長的衰減系數(shù)為50dB/km。一般POF在波長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(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，是公認(rèn)的接入網(wǎng)發(fā)展的長遠(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)作為未來的寬帶接入解決方案，在日本和美國已得到廣泛應(yīng)用，在我國也得到了越來越多的關(guān)注，而阻礙我國FTTH發(fā)展的最大障礙是投資成本過高，因此正確選擇適合我國國情的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。
        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)在軟件配置簡單的情況下直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中。
         （2） 光波長轉(zhuǎn)換器
光波長轉(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。該光波長轉(zhuǎn)換器以兩片交換芯片為核心組成的光波長轉(zhuǎn)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)?？臁C/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)千家萬戶設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，除了要求使用簡便之外，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)超過美國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(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，凸現(xiàn)了家庭網(wǎng)絡(luò)安裝的美觀、環(huán)保、簡易便捷。 

                                                                          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：簡易及快捷的安裝；體積??；設(shè)計(jì)簡單；.通過使用可見光,可迅速排除問題；高性價(jià)比；共享上網(wǎng)訪問及文件傳輸；進(jìn)行多人游戲；通過Internet撥打網(wǎng)絡(luò)電話,可以大大降低國際長途電話費(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)長一段時(shí)間內(nèi)不用擔(dān)心升級(jí)的問題；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. 未來展望和總結(jié)
        近十年以來，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）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，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)營商將繼續(xù)提升帶寬，接入網(wǎng)建設(shè)和改造勢在必行，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，在未來幾年，FTTH必定會(huì)迎來爆發(fā)式增長，而POF的應(yīng)用也將極大地推進(jìn)FTTH的步伐。