塑料光纖的基本特性及在全光系統(tǒng)中的應用研究

在目前遠距離、高速率、大容量的傳輸網(wǎng)絡中，具有高帶寬、小衰耗優(yōu)點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光傳輸媒質(zhì)有如下要求：制造工藝簡單、較好的耐彎曲及耐擠壓特性、接續(xù)工藝及操作簡單。這些恰恰是石英玻璃光纖的缺點，再加上石英玻璃光纖對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用。

受技術水平和成本的限制，目前的通信網(wǎng)絡規(guī)劃忽略了通信距離與傳輸帶寬對傳輸介質(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、制造工藝簡單的塑料光纖完全能夠滿足短距離通信對傳輸媒質(zhì)的這些要求，并且在通信質(zhì)量達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、塑纖保護層、塑纖外包皮，其剖面示意圖如圖1所示。

由物理光學基本原理可知：光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，當入射角超過某一角度C（臨界角）時，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，光線及其所攜帶能量進入光密介質(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，實現(xiàn)全反射，將光信號從源端傳輸?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）兩種材料應具有耐高溫性和強韌性；

（2）滿足n芯-n皮≥0.05的折射率條件，保證全反射對入射角的要求；

（3）界面粘接良好。

1.2 塑料光纖的優(yōu)點

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

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

1.3 目前最先進的塑料光纖

1994年，致力于研究透明氟樹脂“CYTOP”的日本慶應大學的小池先生提出了應用光纖的提案，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)品具有以下特點和優(yōu)勢：

（1）因為是氟素材料，與丙烯不同，塑料光纖在廣泛的波長范圍內(nèi)是透明的，從而可以使用長波長的低價高速光源；

（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，可達到10 Gb/s×100 m的傳輸速度；

（4）電耗低、無噪聲、纖細輕巧；

（5）產(chǎn)品種類豐富多樣，包括緊線纜、多芯帶狀線纜等。

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

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

（2）電腦與相關設備間的連接用光纖；

（3）攜帶用設備內(nèi)的光配線；

（4）數(shù)據(jù)中心的設備之間的連接光纖；

（5）醫(yī)院醫(yī)療設備間的連接光纖等。

1.4 塑料光纖在組網(wǎng)中的應用

在塑料光纖綜合布線解決方案中，塑料光纖應用于中心機房到樓宇之間的干線。在接入點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：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，則會面臨項目成本、維護管理等不利因素的挑戰(zhàn)。塑料光纖具有長達1 mm的直徑，使光纖的布放施工、耦合、端接等工作容易實現(xiàn)。與此同時，塑料光纖對安裝環(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用于高端的千兆網(wǎng)絡系統(tǒng)、防干擾、防信號泄漏的布線系統(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［4］。塑料光纖的另外一個突出優(yōu)點是在波長為650 nm的可見紅光下傳輸，不會對肉眼造成傷害，適合于安裝在居民家中，可與石英光纖配合實現(xiàn)全光網(wǎng)絡；而石英光纖是在近紅外光下傳輸，如果直視會對眼睛造成極大傷害甚至失明［5］。

2 、核心技術研究

本部分針對最后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，通過對包括塑料光纖接口的ONU、塑料光纖交換機等核心設備的研究和技術攻關，提供了一種解決方案，實現(xiàn)全光網(wǎng)絡接入，真正實現(xiàn)光纖到桌面的接入。

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡（EPON）是一種采用點到多點結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)，它的典型拓撲結(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)絡單元（ONU）和光分配網(wǎng)絡（ODN）組成，如圖3所示。

2.1 全塑料光纖接口的ONU

ONU通過對對應用戶的多樣化業(yè)務的復用與解復用，使得各種不同的家庭終端的不同業(yè)務信號在上行方向?qū)崿F(xiàn)復用，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)務進行解復用處理，通過不同的接口傳輸?shù)綄K端。ONU的各項技術參數(shù)如表1所示。

本方案提供ONU的FE端口為POF的標準100 Mb/s接口，4個100 Mb/s塑料光纖接口，工作波長為650 nm，塑料光纖直接插入，鎖定光纖后即可互聯(lián)互通，應用簡單，可實用性強。ONU上連口為標準PON口，可以與主流的OLT廠家互聯(lián)互通，其適應性較強。末端光纖接入業(yè)務端口，抗干擾性強，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，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

本解決方案實現(xiàn)8個塑料光口+1個千兆上聯(lián)的交換機，并具有WEB方式的網(wǎng)管，適合于室內(nèi)或樓道的使用，該交換機能夠連接基于POF的以太網(wǎng)設備，使在家庭或者辦公場所的設備連接更加便捷高效，適合于接入信息點距離小于100 m的場所，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，可實現(xiàn)POF網(wǎng)絡的匯聚與交換，在國內(nèi)具有技術領先性。POF-全光交換機的各項技術參數(shù)如表2所示。

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

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