探析塑料光纤在FTTH中的应用

        如今，随着网络技术的飞速发展，Internet、可视电话、远程教育、高清晰度电视、视频点播及电视购物等对通信业务的发展提出了更高的要求。接入网是直接面向用户的，是整个电信网的重要组成部分，它的服务质量和内容直接影响通信网的发展。然而，交换机到用户终端之间 “最后一公里”的问题一直都是电信网发展的瓶颈，人们一直在不断地开发各种类型的接入网，包括铜线接入网、光纤接入网及无线接入网等。从发展的角度看，随着更多宽带业务的出现，要在根本上解决宽带多媒体业务的接入问题，就必须采用光纤接入网。光纤通信的最大优点就在于具有极大的传输容量、极低的传输损耗和色散特性，光纤接入网可以提供足够的带宽从而满足普通的电信业务向声音、数据、图像相结合的多媒体宽带业务转变的要求，是真正适合发展的一种接入技术。
        FTTH是公认的接入网发展的长远目标和解决方案，主要采用PON技术，但在由ONU到用户终端这样的密集的短距离应用中，现在使用的石英光纤存在连接难度大、成本昂贵、安装维护费用高等问题，而UTP电缆、同轴电缆等不但价格高，铜线资源也有限，一旦遇到受到强电磁干扰很容易引起网络瘫痪。与石英光纤相比，塑料光纤具有大芯径便于连接，大数值孔径便于耦合，同时还兼有柔软、抗弯曲、耐震动、抗辐射抗电磁干扰、安全性和保密、价格便宜、施工方便等优点。另外，POF接入网的综合成本要比石英光纤低1/3左右，POF的带宽要比现在的铜缆高10倍以上，所以POF在光纤到户、光纤到桌面的短距离、多接点的接入系统中，可代替传统的石英光纤及铜缆，成为新一代的通信传输媒质。
        1. 光纤接入网的基本结构及其分类
光纤接入网与传统意义上的光纤传输系统不同，它是一种接入网环境所设计的特殊的光纤接入传输网，一般指本地交换机或者远端交换模块与用户之间采用光纤通信或者部分采用光纤通信系统，由OTL、ODN、ONU三大部分组成，基本结构图如2.1所示。

 
                                                                                           图2.1 光纤接入网基本机构 
          由于目前接入网的用户终端设备都属于电气设备，故以光纤作为传输媒质时，必须在发送端和接收端进行光/电转换，这种转换设备在局端称为光线路终端(OLT)，在用户端称为光网络单元(ONU)。根据光网络中的ODN是无源器件或有源器件，光纤接入网可分为无源光网络(PON)和有源光网络(AON)；根据所采用技术体制的不同，可以分为PDH—PON、ATM—PON、SCM—PON、DWDM—PON、S—PON等各种光接入网；根据0NU的位置，最主要的光纤接入形式是FTTC、FTTB、FTTO和FTTH。目前已普遍实现FTTC和FTTB，为使用户真正享受网络的高速化和宽带化，FTTO和FTTH是光纤接入网的最终目标。这样每一终端都需要一根光纤和专用的ONU，对于多终端用户，需要几根光纤同时人户。 
            2. 通信中的塑料光纤
           众所周知，石英光纤以其衰减小、频带宽等优点被用作长距离、高速率、大容量和公用通信网的光传输介质，但因其所需的原料纯洁、制造工艺复杂、价格昂贵、接续困难，要大量用作短距离接入网的光传输介质就不划算了。正是为降低短距离接入网中接人用户端的光纤成本，塑料光纤诞生了。以下部分介绍了POF的结构种类和优缺点。
         3.1 POF的结构和种类
塑料光纤由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成。要求选用制作塑料光纤的材料具有透光性好、光学性质均匀、合适的折射率且便于调整，加工方便、化学、物理的性能稳定、价格便宜等特点。一般选作塑料光纤纤芯的材料有：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树脂等。选作塑料光纤在FTTH中的应用塑料光纤包层有：聚甲基丙烯酸甲醋、氟塑料、硅树脂等。
塑料光纤按横截面折射率的分布来分可分为阶跃型的塑料光纤(SI—POF)和渐变型的塑料光纤(GI—POF)两大类。SI—POF纤芯的折射率是均匀的，并且纤芯的折射率略高于包层折射率，纤芯到玻璃包层的折射率是突变的，使输入的光能在纤芯和包层分界面上不断产生全反射而前进。GI—POF的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。这可使高次模的光波按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高。POF按构成的材料分有PF-POF、PMMA—POF。
        3.2 POF的优缺点
        POF是开发成本低、透光性好、质量轻、柔软性好、芯径粗便于安装的传输介质，首先，和铜缆相比，塑料光纤具有的优点有：
        （1） 带宽大：在l00m～1000m范围内带宽可达数GHz。
        （2） 抗电磁干扰；POF对电磁干扰不敏感，也不发生辐射，不同数据速率下的衰减恒定，误码率可预测，能在电噪声环境中使用。
        （3） 价格低：POF成本则与对称电缆相当，并且POF及其配件的成本还在不断下降，而铜缆成本的降低在很大程度上受着铜价的制约，下降空间有限；
其次，与石英光纤相比，塑料光纤具有的优点有：
        （1） 芯径粗、数值孔径NA大：芯径大(0.3～1.0mm)，接续时可使用简单的POF连接器，即使是光纤接续中心对准产生30µm的偏差也不会影响耦合损耗；数值孔径大(0.3～0.5mm)，受光角可达60°，而石英光纤只有16°，可用便宜的LED，并且耦合效率高。
        （2） 挠曲性好，易于加工和使用：弯曲半径只有20mm，而石英光纤需要至少30 mm。
        （3） 分路简单、操作简便：可直接采用注塑连接器连接。
        毫不例外，塑料光纤也存在一些缺点，主要有：
        （1） 衰减大：PF GI—POF，其在1300mm波长的衰减系数为50dB/km。一般POF在波长850nm处的典型的衰减系数大约为100～200 dB/km，相比G.652光纤在1.31µm的典型的衰减系数大约为0．35 dB/km，有很大的差距。
        （2） 频带窄：PMMA GT—POF即使在最优折射率剖面的情况下，在650nm波长下的带宽也仅为3GHz•100m。
        （3） 耐热性差：POF只能在- 40～85°C的环境中工作，耐热性差。但我们可通过材料选择和制造工艺降低衰减，通过选择POF材料和精确地控制折射率分布来获得高的带宽，而选用聚碳酸酯(Pc)、硅树脂、交联丙烯酸和共聚物可使耐热性提高到125～150°C。日本JSR与旭化株式会社联合发展耐热透明树脂ARTON（norbornene，冰片烯）制造的SI—POF，耐热170°C。

        3. POF在FTTH中的应用
FTTH凭着接入带宽大、接入可靠性高、抗电磁干扰等优势，是公认的接入网发展的长远目标和最终解决方案，以下部分讨论了POF智能化综合布线系统、家庭POF解决方案和POF在局域网中的应用。
        4.1 塑料光纤综合布线系统
        4.1.1 塑料光纤布线系统的解决方案
光纤到户接入技术作为未来的宽带接入解决方案，在日本和美国已得到广泛应用，在我国也得到了越来越多的关注，而阻碍我国FTTH发展的最大障碍是投资成本过高，因此正确选择适合我国国情的FTTH接入技术，开发低成本FTTH接入系统是  发展FTTH的关键。
        塑料光纤综合布线系统是把一栋建筑内的或一个计算机网络内的电脑网络终端，通过塑料光纤互相连线，形成一个完整的网络。根据其各部分在建筑中位置及功能的不同，可划分为几个子模块系统：工作子系统、通讯间子系统、垂直主干子系统和设备间子系统，该可作为智能大厦、计算机网络传输的解决方案。
在塑料光纤综合布线方案中，垂直干线一般采用传统的石英光纤如多模光缆。塑料光纤主要应用在连接点众多的水平系统中，用于解决水平方向上从网络交换机到各个工作区电脑的大数据量传输的需求。水平方向的数据连接，即光纤通讯工作间到桌面的连接，由于连接数目多，采用传统的石英光纤无论在成本、工程，还是管理维护方面均较难实现普遍应用。而塑料光纤的直径大，很易于实现光纤的端接、耦合以及布放施工，对线缆最小弯曲半径、安装环境要求也低。所以在高档的全光布线系统、千兆网络系统中以及防干扰、防信号泄漏的布线系统工程，可以比其它类型的传输线路更具优势。
        4.1.2 塑料光纤布线系统的网络设备
        在100Mbps在100Mbps信息速率下用塑料光纤传输距离可达60米以上，为光纤到桌面的局域网传输接入提供了新的解决方案。塑料光纤传输系统主要包括：
        （1） 650nm光以太网交换机
该交换机是组成网络系统的核心设备，是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，能为每个工作点提供更大的带宽，而协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中。
         （2） 光波长转换器
光波长转换器的组成包括：介质转换芯片、光纤收发模块、供电模块、晶振电路等。该光波长转换器以两片交换芯片为核心组成的光波长转换系统。它们分别通过V25806石英光纤接口电路和光纤接口电路，连接到850nm、1310nm、1550nm石英光纤和650nm塑料光纤。
        （3） 650nm光中继器
650nm光中继器由两端光收发模快、DC/DC变换器和AC/DC变换器以及电源指示发光二极管组成。它能可靠的将－22dBm ~ 0dBm范围的光信号变换为标准的PECL电平的电信号，同时将其变换为－7dBm ~－3dBm的光信号。
        （4） 光电转换器
光电转换器的组成包括：介质转换芯片、光纤收发模块、供电模块、晶振电路等。它以两片介质转换芯片为核心组成的光电转换系统。它们分别通过ST8861 6五类线的TP电接口电路和光纤接口电路，连接到普通五类线电缆和650nm塑料光纤。
         （5） 光网卡
         光网卡的组成包括：主控芯片是以太网介质接入控制器芯片、+3.3V电压变换模块、晶振电路等。． 网卡是32位PCI总线插槽中、用于收发不同的信帧，以实现数据通讯的集成电路卡。
         （6） 塑料光纤光缆
塑料光纤光缆采用塑料光纤纤芯直径980um、包层厚度10um、聚乙烯护套，护套壁厚0.6mm、塑料光缆外径2.2mm.塑料光纤连接器可根据不同型号的光模块设计相对应。
         4.2 塑料光纤家庭网络 
         4.2.1 POF家庭网络的关键因素
        家庭网络是针对千家万户设计的系统，除了要求使用简便之外，可靠耐用也是关键因素；又因为它传送实时的视听数据信息，对它的性能要求比较严格。例如，计算机网为保证数据的正确，可采用检错重发的数据报技术。但电视广播信息是实时的业务，对时延的要求较高，对丢失帧不能重播，所以不允许丢失一帧图像或声音信息，也不允许很大的噪声和跳动，否则就影响传输质量。
        传输线路是综合平衡网络系统各部分性能时的极为重要的一环。家庭网络的传输线路具有以下特点：首先，家庭网络内的设备分布在各房间，有馈电线接插头，不一定要求利用信号电缆附带供电；其次，铜线电缆只能传送4.5米距离，电缆重(70克/米)，价格高，更重要的是噪声很大，在100～400 Mbps传送速度下，铜电缆的电磁幅射噪声远超过美国fcc的规定值，不仅对于家庭网络可靠性有影响，而且对人身健康有影响；而光缆轻柔(8克/米)，特别是几乎无噪声干扰，POF可延长到50～100米，传送速度为100～400 Mbps。日本nec公司成功地开发出IEEE 1394的重要部件“term boy”，它作为集线器用的中继部件，允许利用POF IEEE 1394家庭总线、POF IEEE1394接口和stp IEEE 1394接口的设备接插到term boy插座上，很容易建成家庭网络系统。所以，利用IEEE 1394总线，通过塑料光纤，我们可实现智能家电(家用PC、HDTV、电话、数字成象设备、家庭安全设备、空调、冰箱、音响系统、厨用电器等)的联网，达到家庭自动化和远程控制管理，提高生活质。
        4.2.2 家庭FTTD网络案例分析
        如图4.1所示的塑料光纤家庭解决方案系统可以提供高达1G的交换能力及确保家庭设备相互连接的传输质量，是家用100兆高速以太网最可靠的技术。系统采用损耗系数150~200dB/km、直径1mm的塑料光纤，被覆成1.5和2.2mm白色或黑色的双芯光缆，100米重量小于800g，抗拉强度大于140N，数值孔径NA为0.3 - 0.5，受光角最大可达60°，光纤接续中心对准偏差小于30μm时，几乎不影响耦合损耗。柔软和超细直径的光缆能够在新建筑或楼房翻新布线中，不论墙内还是墙外、墙脚线、地毯下方或者一般线缆所铺设的地方都容易达到隐蔽的要求，比其他网络传输介质（如5类线或6类线）有更多的优势，凸现了家庭网络安装的美观、环保、简易便捷。 

                                                                          图 4.1 塑料光纤家庭网络解决方案
        其具备的功能和特点是：简易及快捷的安装；体积小；设计简单；.通过使用可见光,可迅速排除问题；高性价比；共享上网访问及文件传输；进行多人游戏；通过Internet拨打网络电话,可以大大降低国际长途电话费用；观看高清网络电视（IPTV）；由于塑料光纤接入可提供100兆带宽，因此可以在相当长一段时间内不用担心升级的问题；可打印、复印、传真及扫描，适合家庭办公的需要，并可同时进行网络监控，无论你身在何处，只要有网络的地方就可随时看到家里的情况。
现代家庭网络就是由一台或者多台计算机、IP电话、IPTV、打印机、网络机顶盒、数字家电等设备连接在一起，来实现上网、通信、电视、电话、监控、打印等目的。POF家庭网络的实现将促进“光纤到户”的普及，使其同时推动IPTV和HDTV的服务。POF具有高度的灵活性，而且安全、稳定。
        POF在局域网中的应用
        如今，连接个人计算机和工作站的局域网（LAN）大部分使用的是以太网，而以太网的最大优势即传输速度快，因此如何保持信息的高速传输显得极为重要。目前已经成熟的POF网络设备包括POF交换机、POF集线器、POF网卡和POF-RJ45光电转换器等都是为其目的设计和实现的。
如图4.2是塑料光纤局域网用户接入系统拓扑图。该局域网采用光交换机和光网卡，无需进行多次电/光、光/电交换，避免了电/光、光/电交换时的瓶颈效应，为网络的高速率和高带宽提供了保证。 

                                                                  图 4.2 塑料光纤局域网用户接入系统拓扑图
        因为所有网络设备均采用1000M以太网设备，传输速率最高可达1000Mbps，介质采用低损耗GI-POF，带宽可达200MHz-km以上。同时采用1000base—FX以太网的组网方式，因此网络输率可高达1000Mbps。塑料光纤由高分子聚组成，价格比较便宜，基本和石英光纤持平。而且，目前塑料光纤网络设备价格虽然较高，但是随着生产和销售规模的增加，会有较大的降价空间。如果以整个光纤系统来考虑，塑料光纤局域网系统具有很高的性价比，很容易被用户接受。
        4. 未来展望和总结
        近十年以来，塑料光纤以其芯径大、易耦合、柔韧性好、质量轻、不用熔接或者焊接、无电磁干扰和辐射、安全保密及抗干扰能力强、价格低廉等优点而受到国际上的普遍关注。塑料光纤配合石英光纤，是铜缆的有力竞争者乃至替代品，在FTTH的末端（家庭综合布线）将发挥很大效用，可以解决“最后几百米”的接入难题，实现光纤到桌面。当然，塑料光纤相比石英光纤也有很多劣势，例如相关标准仍未完善；衰减系数比较高，影响光信号传输；组网配套的器件缺乏等。
如今，在三网融合的带动下，运营商将继续提升带宽，接入网建设和改造势在必行，8M、20M甚至100M的接入带宽将成为主流标准。为了实现更高接入带宽，FTTH（光纤到户）推进首当其冲。因此，在未来几年，FTTH必定会迎来爆发式增长，而POF的应用也将极大地推进FTTH的步伐。