塑料光纤的基本特性及在全光系统中的应用研究

在目前远距离、高速率、大容量的传输网络中，具有高带宽、小衰耗优点的石英玻璃光纤是最为常用的光传输介质。但是，短距离光传输和光接入工程对光传输媒质有如下要求：制造工艺简单、较好的耐弯曲及耐挤压特性、接续工艺及操作简单。这些恰恰是石英玻璃光纤的缺点，再加上石英玻璃光纤对加工原料纯度有较高的要求，使其难以在短距离光接入中广泛应用。

受技术水平和成本的限制，目前的通信网络规划忽略了通信距离与传输带宽对传输介质的要求，通常采用石英光纤作为传输媒介，给短距离通信带来种种不便，加大了施工成本和施工难度。而布线方便、转接灵活、制造工艺简单的塑料光纤完全能够满足短距离通信对传输媒质的这些要求，并且在通信质量达到较高要求的前提下，极大地节省了成本。

1 、塑料光纤概论

1.1 塑料光纤的结构及工作原理

常见的塑料光纤剖面由内至外依次为：塑芯、塑纤包层、塑纤保护层、塑纤外包皮，其剖面示意图如图1所示。

由物理光学基本原理可知：光从光密介质射向光疏介质时，当入射角超过某一角度C（临界角）时，折射光完全消失，只剩下反射光线的现象叫做全反射。发生全反射时，光线及其所携带能量进入光密介质。光纤通信正是通过满足入射角以及光密介质、光疏介质的要求，实现全反射，将光信号从源端传输到宿端。塑料光纤由高、低折射率的两种透明聚合物构成，其剖面结构示意图如图1所示。塑芯和包层材料须满足：

（1）两种材料应具有耐高温性和强韧性；

（2）满足n芯-n皮≥0.05的折射率条件，保证全反射对入射角的要求；

（3）界面粘接良好。

1.2 塑料光纤的优点

石英玻璃光纤具有高带宽、小衰耗的优点，但是同时也具有制造工艺复杂、耐弯曲性及耐挤压特性较差、接续工艺及操作复杂的缺陷。

和石英光纤相比，塑料光纤具有布线方便、转接灵活、制造工艺简单的特点，完全能够满足短距离通信对传输媒质的要求，并且在通信质量达到较高要求的前提下，可极大地节省成本［3］。

1.3 目前最先进的塑料光纤

1994年，致力于研究透明氟树脂“CYTOP”的日本庆应大学的小池先生提出了应用光纤的提案，此后经过共同开发，日本旭硝子公司（AGC）研制出了“FONTEX”系列塑料光纤产品。与以往的塑料光纤产品相比，“FONTEX”系列塑料光纤产品具有以下特点和优势：

（1）因为是氟素材料，与丙烯不同，塑料光纤在广泛的波长范围内是透明的，从而可以使用长波长的低价高速光源；

（2）与石英光纤相比，塑料光纤柔软不易断，可忍耐小半径弯曲或者折返弯曲；

（3）超高速性能等同并超出石英光纤，可达到10 Gb/s×100 m的传输速度；

（4）电耗低、无噪声、纤细轻巧；

（5）产品种类丰富多样，包括紧线缆、多芯带状线缆等。

正是由于以上特点和优势，“FONTEX”系列塑料光纤产品可广泛应用于以下方面和领域：

（1）电视（3D、4K2K、8K4K显示器等）间的连接用光纤以及设备内部光配线；

（2）电脑与相关设备间的连接用光纤；

（3）携带用设备内的光配线；

（4）数据中心的设备之间的连接光纤；

（5）医院医疗设备间的连接光纤等。

1.4 塑料光纤在组网中的应用

在塑料光纤综合布线解决方案中，塑料光纤应用于中心机房到楼宇之间的干线。在接入点众多的楼层水平布线系统（Horizontal Wiring System）中，塑料光纤得到了广泛的应用，具体如图2所示。从光纤通信到桌面的水平方向数据连接，连接线路很多，使用以往的铜线（UTP）有如下缺点：带宽受限、距离有限、不能完全消除RFI（射频干扰）和EMI（电磁干扰）、不能很靠近电力电缆及安全性差等。 如果采用石英光纤，则会面临项目成本、维护管理等不利因素的挑战。塑料光纤具有长达1 mm的直径，使光纤的布放施工、耦合、端接等工作容易实现。与此同时，塑料光纤对安装环境要求较低，并且需满足的最小弯曲半径更小，因此，如果能将塑料光纤应用于高端的千兆网络系统、防干扰、防信号泄漏的布线系统工程以及全光布线系统中，与采用其他类型线缆的系统相比，必将产生更大优势［4］。塑料光纤的另外一个突出优点是在波长为650 nm的可见红光下传输，不会对肉眼造成伤害，适合于安装在居民家中，可与石英光纤配合实现全光网络；而石英光纤是在近红外光下传输，如果直视会对眼睛造成极大伤害甚至失明［5］。

2 、核心技术研究

本部分针对最后100 m的接入网问题，给出了基于塑料光纤的全光系统的研究思路，通过对包括塑料光纤接口的ONU、塑料光纤交换机等核心设备的研究和技术攻关，提供了一种解决方案，实现全光网络接入，真正实现光纤到桌面的接入。

以太网无源光网络（EPON）是一种采用点到多点结构的单纤双向光接入网，它的典型拓扑结构为树形。EPON系统由局端的光线路终端（OLT）、用户端的光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成，如图3所示。

2.1 全塑料光纤接口的ONU

ONU通过对对应用户的多样化业务的复用与解复用，使得各种不同的家庭终端的不同业务信号在上行方向实现复用，从而在同一种传输介质中传输；在下行方向上，将不同种类的业务进行解复用处理，通过不同的接口传输到对应终端。ONU的各项技术参数如表1所示。

本方案提供ONU的FE端口为POF的标准100 Mb/s接口，4个100 Mb/s塑料光纤接口，工作波长为650 nm，塑料光纤直接插入，锁定光纤后即可互联互通，应用简单，可实用性强。ONU上连口为标准PON口，可以与主流的OLT厂家互联互通，其适应性较强。末端光纤接入业务端口，抗干扰性强，传输带宽大，非常适合电力、国防等安全性要求比较高的网络，可为未来高清图像传输提供高带宽通道。

2.2 POF-全光交换机

本解决方案实现8个塑料光口+1个千兆上联的交换机，并具有WEB方式的网管，适合于室内或楼道的使用，该交换机能够连接基于POF的以太网设备，使在家庭或者办公场所的设备连接更加便捷高效，适合于接入信息点距离小于100 m的场所，提供FTTH和FTTD的解决方案。本方案解决了传统采用网线传输的汇聚问题，可实现POF网络的汇聚与交换，在国内具有技术领先性。POF-全光交换机的各项技术参数如表2所示。

基于塑料光纤的全光系统中成套设备核心技术的研究，在国内技术领先。目前塑料激光器核心组件需要进口，产品价格较贵，但该产品和技术非常适合国内电力及专网行业。随着市场的普及，光器件的逐渐国产化，该设备的造价也会随之下降，为该产品在国内乃至国外市场的应用奠定了基础，并相信在未来的专网应用领域有很大的实用价值，是通信网络最后100 m传输解决方案的优先选择，在通信网络“三网合一”中发挥很大的作用。同时该系统也是光纤到桌面技术的最佳选择，该技术的领先性必成为“全光接入”网络发展的最佳选择之一。