塑料光纤在通信网中的应用
      塑料光纤在短距离通信和光纤传感方面有着石英光纤所不具备的优点,因此使其占据明显的优势,已成为实现短距离通信网络的理想传输介质, 在未来家庭智能化、办公自动化、工控网络化、车载机载通信网及军事通信网的数据传输中具有重要的地位。目前对塑料光纤的研究主要集中在降低损耗、提高带宽和耐热性等方面。
       随着光通信产业的迅速发展,光纤作为光信号的传输介质,起着信息高速公路的作用。目前,石英光纤由于其宽带、低损耗及适合长距离通信传输的优势,占据着光通信的主要市场。然而,由于石英光纤芯径小、连接复杂、成本高,所以在光纤入户时遇到很大的困难。随着短距离、大容量的数据通信系统及照明等工业的迅速发展,塑料光纤(plastic optical fiber,POF)以其芯径大、对接容易、柔韧性好、可塑性强、重量轻及价格低廉等优点而受到国际上的普遍关注。塑料光纤在短距离通信和光纤传感方面有着石英光纤所不具备的优点,因此使其占据明显的优势,已成为实现短距离通信网络的理想传输介质, 在未来家庭智能化、办公自动化、工控网络化、车载机载通信网及军事通信网的数据传输中具有重要的地位。目前对塑料光纤的研究主要集中在降低损耗、提高带宽和耐热性等方面。鉴于此,我们设计了以塑料光纤为传输介质的全光网络传输系统和语音电路传输系统。

  1、 塑料光纤的传输特性

  同其它通信传输介质一样,表征塑料光纤性能的主要指标有:损耗、色散和带宽及相关的化学性质。本文只讨论塑料光纤在通信方面的性能。

  1.1 损耗特性

  POF的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和散射损耗。吸收损耗主要来自碳氢键拉伸振动的本征吸收;散射损耗是因为光在传播过程中改变了传播方向造成的能量衰减。PMMA(Polymethyl methacrylate, PMMA)芯塑料光纤在650nm 波长的理论损耗极限是106dB/km 左右, 实际做成的这类光纤传输损耗在100~300dB/km(650nm 波长)。GI-POF 比SIPOF的损耗一般要略高一些,因为无论采用掺杂剂还是采用其它单体与MMA(Methyl methacrylate, MMA)共聚所形成的GI-POF, 很难达到与纯PMMA 同样低的损耗。PMMA 塑料光纤的传输损耗已接近理论极限,从实验结果观测PMMA 阶跃型塑料光纤的损耗光谱,三个低损耗传输窗口分别位于可见光570nm 波长处、650nm 波长处和近红外780nm 波长处。在650nm 波长处的损耗值仅为110dB/km, 非常接近于106dB/km 的理论极限。为降低PMMA 塑料光纤的损耗,可采用氟原子代替PMMA 的氢原子,使基体材料吸收光谱的特征峰向长波长方向移动,从而使可见光与红外区域的损耗降低,也使氟化聚合物芯(PF)POF 的工作波长延伸到了840~1310nm 处,传输速率为2.5Gb/s,传输距离超过500m。日本Asahi Glass 公司研制的氟化梯度折射塑料光纤的衰减系数达到, 在850nm 波长处为41dB/km,1300nm 波长处为33dB/km。全氟化梯度型塑料光纤损耗的理论极限在1300mn 波长为处0.25dB/km,在1500nm 处的损耗可低至0.1d/km,这完全可以和石英光纤的损耗相比拟,为塑料光纤在通信中使用G.652 光纤通信的部件提供了可能, 也为塑料光纤在通信网中的广泛应用奠定了基础[1]。

  1.2 带宽特性

  带宽是光纤波导的一个重要特点,带宽大小决定了光纤的信息传输能力。增加光纤带宽通常有两种方法:减小光纤芯的数值孔径(NA),较小的NA 使得光纤中具有传输较低阶的模式, 从而减小了模间色散,故能使光纤带宽得到提高;改变光纤芯的折射率,当梯度折射率光纤具有接近于抛物型的最佳折射率分布时,光纤的模间色散最小,可以获得最佳带宽性能。另外,当入射光源的孔径较小时,光纤中只有部分模式激发, 色散小于光纤中全部传输模被激发的情形,因而也可以获得相对高的工作带宽。用作短距离光传输介质的塑料光纤, 按其折射率分布形状可分为两种:阶跃折射率分布塑料光纤和梯度折射

 

率分布塑料光纤。阶跃折射率分布塑料光纤由于模间色散作用使人射光发生反复的反射,射出的波形相对于人射波形出现展宽, 故其传输带宽仅为几十至上百兆赫兹/千米。氟化梯度折射率分布塑料光纤从选择低色散的材料出发,再以优化的梯度折射率分布手段,即可将其折射率分布指数在0.85~1.3μm 波长范围内选定为2.07~2.33,从而抑制模间色散,控制出射光波相对于人射光波展宽的效果,进而可制得传输带宽高达几百兆赫兹/千米至10GHz/km 的梯度折射率分布的塑料光纤[2]。

  1.3 色散特性

  阶跃型塑料光纤的数值孔径(NA)在0.5 左右,带宽距离可以达40MHz·100m,已应用于工业控制中,但由于其带宽较小,不适于在航空和室内的通信网络中应用。小NA 阶跃型塑料光纤的NA 值约为0.25~0.3。较小的NA 使得光纤中只传输较低阶的模式, 从而减小了模式色散,使带宽提高210MHz·km。为了保证良好的连接性能,NA 值不能再小。多模梯度光纤的带宽与光纤的折射率剖面、光源的谱宽和入射孔径有关。当光纤具有接近于抛物型的最佳折射率剖面时,光纤的色散最小,可以获得最佳的带宽性能。因材料色散较大,在650nm 波长的带宽仅为3GHz·100m。全氟化渐变型塑料光纤在650nm 波长的带宽大约是PMMA渐变型塑料光纤的3 倍。材料在近红外区的色散较小, 全氟化渐变型塑料光纤在1300nm 波长的带宽可以达到100GHz·100m,比石英多模光纤的带宽更高。

  1.4 温度特性

  塑料光纤耐热性能差是一大缺点,这主要是因为塑料本身的熔点低。在通信过程中,较高的环境温度影响了GI-POF 的折射率分布形状是否稳定, 从而影响塑料光纤的性能。目前试验中PMMA POF 连续200小时在85°C 状态下损耗增加小于0.15dB/m, 常温下连续工作150 小时损耗增加小于0.02~0.035dB /m,稳定度接近200~700 个小时。对于商用的梯度聚合物光纤,可工作于-40~85°C 的温度范围,长时间地加热到70℃而不会对光纤截面的折射率分布线型造成影响,同时也不会影响到光纤的带宽和传输损耗。

  2、 塑料光纤在通信网中的应用

  2.1 塑料光纤全光网络传输系统

  目前已经开发研究出用于650nm 塑料光纤的通信网传输系统,该系统采用渐变型塑料光纤(GI-POF)为传输介质,其纤芯直径980μm,包层直径100μm,系统工作波长为650nm,传输信息速率l00Mb/s,传输距离可达100m 以上。该系统解决了通信系统全光网络中“最后一公里”的瓶颈,使光信息流在网络传输和交换时始终以光子的形式存在,为光纤到桌面、到用户、到终端提供了一种比较理想的技术支撑[3]。图1 为650nm 塑料光纤传输系统组成全光网络框图, 主要由650nm 光以太网交换机、650nm 光网卡、650nm 光中继器、650nm 塑料光纤光缆和塑料光纤连接器等组成。光波长转换器是以两片交换芯片为核心组成的光波长转换系统, 可分别将650nm 波长的光信号转换为850nm 波长、或l3l0nm 波长、或1550nm 波长的光信号,实现不同工作波长系统间信号的转接。光中继器的核心部件是两个光收发模块,POF 收发模块由光发送机、光接收机和连接器组成。  
     2.2 塑料光纤在语音电路中的应用

  光纤语音电路由光发射电路、塑料光纤和光接收电路三部分组成,其工作原理是:音频信号最初为声波,由发送器的电子麦克风转换为电信号,此信号由LM358 组成的音频放大器放大,并且借助于一个单独的晶体管控制LED 的端电压,将电信号转换为光信号送入光纤或光缆。在光纤或光缆的另一端,光信号照射到接收器的光电检测器上再将其转换为电信号,此信号被放大并送入扬声器转换为声波恢复为原始信号[4]。

  2.2.1 发射器电路板

  此电路主要是把音频信号经麦克风转换为电信号,电信号经滤波器和多级放大器把微弱的电流信号转换为适合半导体二极管发光的电压信号,在晶体管的调制下把电信号转换为光信号送入光纤中进行传输。在发射器电路上有一个话筒和调制LED 发光的线路。LED 装在塑料壳中以便于连接光纤或光缆进行发送信号。在实验室里,设计操作可以使用200m 的塑料光纤传送语音信号,也可以使用玻璃光纤在更远的距离内通信。  

  2.2.2 光电接收器电路板

  在接收器电路板上通过光电检测器把光纤传输的微弱光信号转换为电信号,经电容滤波、运算放大器放大,把电流信号转换为电压信号,放大到适合扬声器输出的电压,恢复原始的语音信号。

  3 、结束语

  塑料光纤以低成本、轻重量、耐震动和便于安装使用等优点逐渐进入千家万户,已经成为实现短距离通信网络的理想传输介质。在实验室研究、下一代短距离光传输系统、智能网络、办公自动化和工业控制等通信网的数据传输中具有重要的地位和广阔的开发应用前景。