基于塑料光纖的全光系統成套設備核心技術研究

續曉光，楊曉朋，李 雄，崔志強，常 穎

（河南省電力通信自動化公司，河南 鄭州450052）

在目前遠距離、高速率、大容量的傳輸網絡中，具有高帶寬、小衰耗優點的石英玻璃光纖是最為常用的光傳輸介質[1]。但是，短距離光傳輸和光接入工程對光傳輸媒質有如下要求：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，目前的通信網絡規劃忽略了通信距離與傳輸帶寬對傳輸介質的要求，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[2]。而布線方便、轉接靈活、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的這些要求，并且在通信質量達到較高要求的前提下，極大地節省了成本。

1 塑料光纖概論

1.1 塑料光纖的結構及工作原理

常見的塑料光纖剖面由內至外依次為：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。

圖1 塑料光纖的結構示意圖

由物理光學基本原理可知：光從光密介質射向光疏介質時，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象叫做全反射。發生全反射時，光線及其所攜帶能量進入光密介質。光纖通信正是通過滿足入射角以及光密介質、光疏介質的要求，實現全反射，將光信號從源端傳輸到宿端。塑料光纖由高、低折射率的兩種透明聚合物構成，其剖面結構示意圖如圖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 塑料光纖的優點

石英玻璃光纖具有高帶寬、小衰耗的優點，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的要求，并且在通信質量達到較高要求的前提下，可極大地節省成本[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，此后經過共同開發，日本旭硝子公司(AGC)研制出了“FONTEX”系列塑料光纖產品。與以往的塑料光纖產品相比，“FONTEX”系列塑料光纖產品具有以下特點和優勢：

(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勢，“FONTEX”系列塑料光纖產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)攜帶用設備內的光配線；

(4)數據中心的設備之間的連接光纖；(5)醫院醫療設備間的連接光纖等。

1.4 塑料光纖在組網中的應用

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（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據連接，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。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。與此同時，塑料光纖對安裝環境要求較低，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絡系統、防干擾、防信號泄漏的布線系統工程以及全光布線系統中，與采用其他類型線纜的系統相比，必將產生更大優勢[4]。塑料光纖的另外一個突出優點是在波長為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全光網絡；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]。

圖2 塑料光纖在組網中的應用

2 核心技術研究

本部分針對最后100 m的接入網問題，給出了基于塑料光纖的全光系統的研究思路，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，實現全光網絡接入，真正實現光纖到桌面的接入。

以太網無源光網絡（EPON）是一種采用點到多點結構的單纖雙向光接入網，它的典型拓撲結構為樹形。EPON系統由局端的光線路終端（OLT）、用戶端的光網絡單元（ONU）和光分配網絡（ODN）組成，如圖3所示。

圖3 EPON系統組成

2.1 全塑料光纖接口的ONU

ONU通過對對應用戶的多樣化業務的復用與解復用，使得各種不同的家庭終端的不同業務信號在上行方向實現復用，從而在同一種傳輸介質中傳輸；在下行方向上，將不同種類的業務進行解復用處理，通過不同的接口傳輸到對應終端。ONU的各項技術參數如表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廠家互聯互通，其適應性較強。末端光纖接入業務端口，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絡，可為未來高清圖像傳輸提供高帶寬通道。

表1 ONU的各項技術參數

2.2 POF-全光交換機

本解決方案實現8個塑料光口+1個千兆上聯的交換機，并具有WEB方式的網管，適合于室內或樓道的使用，該交換機能夠連接基于POF的以太網設備，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。本方案解決了傳統采用網線傳輸的匯聚問題，可實現POF網絡的匯聚與交換，在國內具有技術領先性。POF-全光交換機的各項技術參數如表2所示。

表2 POF-全光交換機的各項技術參數

基于塑料光纖的全光系統中成套設備核心技術的研究，在國內技術領先。目前塑料激光器核心組件需要進口，產品價格較貴，但該產品和技術非常適合國內電力及專網行業。隨著市場的普及，光器件的逐漸國產化，該設備的造價也會隨之下降，為該產品在國內乃至國外市場的應用奠定了基礎，并相信在未來的專網應用領域有很大的實用價值，是通信網絡最后100 m傳輸解決方案的優先選擇，在通信網絡“三網合一”中發揮很大的作用。同時該系統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”網絡發展的最佳選擇之一。

[1]廖延彪.光纖光學[M].北京：清華大學出版社，2000.

[2]孫學康.光纖通信技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2001.

[3]POLISHUK P.Excitement runs high at the first international conference on POF technology and their application[J].Fiber Optics，1992(7)：14-17.

[4]儲九榮，王學忠，吳祥君.POF在局域網中的應用[J].光纖與電纜及其應用技術，2003(4)：39-41.

[5]劉天山.塑料光纖(POF)的發展及其應用[J].應用光學，2004，25(3)：5-8.