三網融合下的塑料光纖接入系統

 

三網融合下的塑料光纖接入系統

 

1.       前言

2010年1月13日國務院總理溫家寶主持召開國務院常務會議，決定加快推進電信網、廣播電視網和互聯網三網融合。會議指出，我國目前已基本具備進一步開展三網融合的技術條件、網絡基礎和市場空間，加快推進三網融合已進入關鍵時期。要着眼長遠，統籌規劃，確定合理、先進、適用的技術路線，促進網絡建設、業務應用、產業發展、監督管理等各項工作協調發展，探索建立符合我國國情的三網融合模式。因此，“三網融合”成爲了業界關注的熱點，如何有效地推動三網融合發展也是當前業界探討的熱點。

接入網絡是用戶感知三網融合的橋樑，在三網融合網絡架構下用戶的帶寬需求已經遠遠超過現有接入模式所能提供的帶寬，隨着光纖以及相關光器件的價格不斷降低，可以採用FTTH（Fiber To The Home，光纖到戶）來組建接入網以滿足日漸增長的帶寬。但是，我們也應看到，目前通信系統所用的光纖通常爲石英光纖，它存在連接難度大、生產成本高、系統安裝及維護費用高等問題，這些問題阻礙了光纖接入的進一步推廣。塑料光纖作爲一種新型材料光纖，因其較柔軟、容易安裝和維護正在逐漸引起業界的關注。

塑料光纖（POF, Polymer Optical Fiber）是由高折射率的聚合物材料爲纖芯和低折射率的聚合物材料爲包層所構成的光纖，因爲可以利用聚合物成熟的簡單拉制工藝，故成本比較低，且比較柔軟，堅固，結構較粗（約達 1mm）。塑料光纖傳輸光信號的原理和石英光纖一樣，也是利用光的全反射原理，只要光線射入的角度合適，那麼這束光線就會在光纖內部不停地進行全反射而傳向另一端。從下圖可以看出，塑料光纖的傳輸損耗在200dB/Km左右，較石英光纖高，不適宜長距離傳輸，比較適合短距離、中小容量的接入系統。

圖1  PMMA型塑料光纖的損耗窗口

塑料光纖具有良好的耐熱性能，目前商用的塑料光纖工作溫度範圍在-40ºC~85ºC之間，相關數據表明^[1-2]，長時間加熱到70ºC不影響光纖的帶寬和傳輸性能。此外，塑料光纖的抗彎曲和拉伸能力都很不錯，它的允許彎曲半徑小，能夠十分方便地安裝在光纖分線箱中，非常適合於應用在接入網的室內佈線系統。

塑料光纖作爲一種新型材料光纖，儘管具有很多的優點，但也存在很多實際問題。本文根據調研，提出一種基於現有塑料光纖商用產品的接入系統，供業界相關研究人員探討。

2.       塑料光纖收發器

目前，製作商用POF主要的材料有兩類：一類是聚甲基丙烯酸甲脂聚合物（PMMA）；另一類是全氟樹脂（PF）。兩者的傳輸特性有所區別，需要選擇不同的設計方案。

2.1基於PMMA型塑料光纖的收發器

PMMA型塑料光纖的低損耗窗口如圖1所示^[3]，在580nm、650nm和780nm附近，可以選擇廉價的大功率LED作爲光源。LED是一種無噪聲光源，且有很高的可靠性和壽命。同時，LED的成本很低，是代替昂貴的激光器光源的首選器件。 自從1992年，貝爾實驗室提出RCLED，並於1994年提出了把其用於塑料光纖通訊領域的設想以來，RCLED在近20年的發展中取得了許多突破性進展。第一隻高效率的RCLED是DeNeve等人在1995年做出的。

塑料光纖光電檢測器通常使用光電二極管（PIN）或雪崩光電二極管（APD）。相對於雪崩二極管而言，光電二極管具有響應速度快（上升時間約爲0.5ns）、響應度大（0.7A/W）、熱效應小、暗電流小等優點，在短距離通信中使用有較好的性價比，因此，大部分基於塑料光纖的收發器中檢測器都是選用光電二極管。

現在安捷倫、安華高、日立、Honeywell等公司都在進行塑料光纖收發器的產業化研究。 在塑料光纖收發器領域，最引入注目的是愛爾蘭Firecomms公司，他們研製出一種超快紅色RCLED來用在塑料光纖收發器中，接收靈敏度高，與其它公司的同類產品相比，在同樣的塑料光纖上傳輸距離更遠；同時Firecomms公司的塑料光纖收發器模塊還集成了無接頭OptoLockВ快速連接技術，應用非常方便，逐漸成爲塑料光纖網絡通信的接口標準。國內塑料光纖系統研製及進展國內研究塑料光纖系統的公司主要有江蘇華山光電有限公司、深圳市中技源專利城有限公司、西安飛訊光電有限公司等。

需要注意的是，PMMA型POF在650 nm 處損耗係數的極限值爲106dB/km， 限制了其在FTTH 中的進一步應用。

2.2基於PF型塑料光纖的光纖收發器

PF型塑料光纖的低損耗窗口如下圖所示，它在650~ 1310 nm 波段內具有良好的透光性，損耗極限與石英光纖類似。PF型塑料光纖的帶寬在1310 nm 可達100 GHz（100 m），比多模石英光纖的帶寬寬。目前PF型塑料光纖比PMMA型塑料光纖成本高，商用化不多，但是隨着FTTH普及率的提高，PF型塑料光纖在生產和銷售上有較大的降價空間，在不久的將來會有應用的前景。

圖2  PF型塑料光纖的損耗窗口

3.       塑料光纖連接器

塑料光纖連接器是塑料光纖系統不可缺少的基本無源器件，主要用於實現系統中設備間、設備與儀表間、設備與光纖間以及光纖與光纖間的非永久性固定連接。與石英光纖相比，由於塑料光纖芯徑大(直徑一般在0.3～3mm)，連接精度不是很苛刻，所以塑料光纖連接器結構簡單，種類多。目前，其連接多采用注塑的連接器，直接將塑料光纖插入，下圖所示的爲插拔式和卡口式塑料光纖連接器。目前市場上的POF產品作爲低成本分佈型網絡的傳輸介質，已能滿足100Mb/s以上50～100m距離實時傳輸的要求。

圖3 塑料光纖連接器

4.  分路器/耦合器

光纖分路器/耦合器是光接入網的基本器件。目前，基於石英光纖的分路器/耦合器技術早已成熟，各種技術的耦合器都已商品化。塑料光纖耦合器的研究也在不斷進行，因爲聚合物光纖是有機高分子材料，具有芯徑大、包層薄、軟化溫度低等特點，塑料光纖分路器/耦合器的製備方法一般採用熔融拉錐的方法。目前，上海康闊光通信技術有限公司已有1x2, 2x2, 1x3, 3x3, 1x4, 4x4, 1x8, 8x8等系列塑料光纖耦合器產品，工作波長爲650nm到850nm波長，支持工業，醫療，汽車，航空，以太網通信等各種應用。

5.       基於塑料光纖的光纖接入系統

考慮到現有接入系統都是採用石英光纖作爲傳輸介質，我們設計兩種塑料光纖的應用方案，如下圖所示。

圖4 塑料光纖接入系統（應用方案1）

圖5 塑料光纖接入系統（應用方案2）

在方案1中，遠端分路器直接採用塑料光纖分路器，這樣就需要在光纖分路器前加一個收發器用於將石英光纖轉換爲塑料光纖。後端ONU與分路器的連接就直接採用塑料光纖進行互聯。這個方案的好處就在於接入設備全採用塑料光纖設備，系統的建設成本和維護成本都較低。缺點在於塑料光纖的傳輸距離較短，組網範圍較小。在方案2中，在ONU前端接入收發器，將石英光纖轉換爲塑料光纖給後端ONU使用。這個方案只需在用戶端加入一個收發器即可實現塑料光纖的接入，有利於塑料光纖的入戶，對施工人員的技術要求不高。如將ONU和塑料光纖收發器集成爲一體，還可減少系統中有元器件的數量，減少故障點。

6.       結論

目前，我國正在積極推動三網融合相關的試點及網絡改造工作，三大電信運營商及廣電公司都將FTTH作爲接入網的終極解決方案。雖然石英光纖已經廣泛應用於光纖到戶系統，但石英光纖仍在存在連接難度大、生產成本高、系統安裝及維護費用高等問題，這些問題在一定程度上阻礙了光纖接入的進一步推廣。塑料光纖作爲一種新型材料光纖，因其較柔軟、容易安裝、相關的連接器件和安裝的總成本比較低，適合於應用在FTTH中佈線環境較爲複雜的最後100米之內。然而由於塑料光纖插入損耗較高，並且低損窗口與石英光纖不一致，在具體的應用中仍然存在一些問題，如何使塑料光纖成爲石英光纖的最佳補充，共同構建下一代高速光纖接入網，還需要更進一步研究和探討。