2024年6月2日发(作者:)
第31卷第208期
电力系统通信
Vo1.3 1 No.208
.
66. 2010年2月10日
Telecommunications for Electric Power System
Feb.10,2010
聚合物光纤在千兆网系统中的应用
何志良
(广东电网广州供电局,广东广州510620)
《摘要:介绍了国内近年来聚合物光纤在千兆网系统中应用的最新进展,着重阐述
了聚合物光纤
{的发展和梯度折射率聚合物光纤的传输特性。从光纤入户的实际应用出发,探讨
了聚合物光纤
i走向千兆网系统所要解决的关键技术问题,这些问题的解决对推动国内光纤入
户工程具有一
定的指导意义
》关键词:聚合物光纤;千兆网络;光纤入户
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中图分类号:TN915.63 文献标志码:B 文章编号:1005—7641(2010)02—0066—04
0 引言
大。因此,研究高带宽、低成本、高性能的聚合物光
纤及其在光纤人户千兆网通讯链路系统中的应
利用玻璃光纤制成的光缆具有带宽宽、衰减 用,具有巨大的经济效益和社会效益。
低等特点,是长距离通信主干线的理想传输介质,
已广泛应用于电力、邮电、广播、铁路、交通、军事
1 聚合物光纤的发展
等领域。但由于玻璃光纤很细,通常只有几到几十 早期的聚合物光纤都是用大数值孔径的均匀
微米,在光纤耦合和接口方面都需要较高的精度
介质的光学材料制成的阶跃型聚合物光纤.由于
和技术要求,并且成本昂贵,因此,在光纤人户时 其色散大。带宽只能达到5 MHz・100 m,不能满足
遇到很大困难。目前,最有希望的解决方案之一是 高速数据通信的要求,因而一直以照明、汽车车灯
在人户网中应用聚合物光纤。该光纤具有粗芯径 监控等非通信应用为主。梯度折射率型聚合物光
(0.3—3 mm)、良好的柔韧性、连接方便、耦合效率 纤的开发为聚合物光纤在宽带通信网中的应用开
高等优点,并且可修饰性强,选择性多,加上其高
拓了广阔的前景。
带宽、耐震动、抗辐射、重量轻、价格便宜、施工方
1992年,KOIKE.Y等人发明了制造梯度折射
便等特点,因此有望用此实现光纤人户。即信息网 率型聚合物光纤的界面凝胶聚合(Interfacia1.gel
络系统的通信主干线采用玻璃光纤制成的光缆, Polymerization)技术,显著降低了聚合物光纤的损
而入户工程则采用聚合物光纤【l21]。但是。聚合物光
耗,在688 nm波长的损耗降低到156 dB/km。
纤传输损耗大,信号衰减严重,仅适合短距离信息
1992年.波士顿光纤股份有限公司(BOF Inc.)在
传输。
美国成立,旨在将梯度折射率型聚合物光纤商品
目前,市场上的聚合物光纤产品作为低成
化。美国政府也意识到聚合物光纤对于军事和工
本分布型网络的传输介质,已达到在传输速率
业的战略意义,委托Parkard Hughes Intercon—
100 Mbit/s左右时能实现50~100 m的传输距离
nect、波音、Honywell和BOF共4家公司于1992
的要求[3]。随着时代的进步,对于大容量数据信息 年成立了高速聚合物网络联合体(HSPN),目标是
传输的需求越来越迫切,百兆网已不能满足未来
研制GI型聚合物光纤技术,并为航空、汽车和数
的通信要求,高速数据、会议电话、可视电话、多媒 据通信市场提供商品化的梯度折射率型聚合物
体电视等各种宽带业务的市场拓展,使得家庭综
光纤。以该联合体的技术和经验为基础,1997年
合业务数字网的规模将大大超过主干网,接人网 5月.通过了梯度折射率型聚合物光纤的第一个
在整个光纤通信产业占有的市场份额将不断扩
工业标准。此后,该联合体与美国国防高级研究
・
技术研究・ 何志良聚合物光纤在千兆网系统中的应用 ・67・
计划署合作开展了光微网络计划,斥资6 000万
美元.旨在开发新型GI型聚合物光纤和中心局
学、东南大学等,并且都取得了一些研究成果 01。
交换系统。2000年,日本旭硝子株式会社研制出
的梯度折射率型聚合物光纤在1-3 p.m波长的损
耗为16 dB/km,带宽为569 MHz・100 m。2001年,
日本庆应大学研究出的氟化聚合物在1.0~1.3 m
2聚合物光纤的传输特性
一
般梯度折射率型聚合物光纤的损耗比阶跃
型聚合物光纤的损耗要大,聚合物光纤的传输损
失主要由材料的C—H键振动及电子跃迁的吸收、
波长处的最低衰减系数为15 dB/km,并以几个
Gbit/s的速率传输了100 m。爱尔兰的Firecomms
公司已经推出商用的基于650 nm的聚合物光纤
收发器,该产品主要用在IEEE 802.3u快速以太
网数据通讯网络中。以构建快速以太网通信链路,
聚合物光纤收发器的速率可以达到250 Mbit/s。
并且可以方便地集成到以太网集线器中 。
目前,日本、澳大利亚和美国等国家已开展了
对聚合物光纤与器件的研究工作。2001年在悉
尼、2003年在香港2次召开了聚合物光纤国际会
议,会上日本科学家提出了用梯度折射率型聚合
物光纤及其相关器件实现千兆岛的概念和功能。
我国开展聚合物光纤及其相关器件的研究起步较
晚。始于20世纪70年代后期,也已取得了可喜的
成绩。中科院理化所从1997年开始在国家自然科
学基金的资助下进行梯度折射率型聚合物光纤新
聚合方法的研究,掌握了宽带低衰减梯度折射率
型聚合物光纤生产的新技术。于2000年底完成了
新技术的小型中间实验,并通过了技术鉴定。中科
院化学所开展了用聚合物光纤作局域网传输介质
的系统研究,研制新的具有不同通光窗口的聚合
物光纤,利用在高分子及相关学科的综合优势,通
过实验研发了在经济和技术上合理可行的梯度折
射率型聚合物光纤制备技术。
中国科技大学通过长期学科交叉合作,开展
了近l0年的聚合物光纤与器件的研究.在稀土、
染料和液晶掺杂聚合物光纤和放大器件方面做了
大量工作。研制了各种掺杂的聚合光纤和相关的
光纤特征参数、谱损、折射率分布等参数测试仪
器,以及聚合物光纤网络通信系统的关键光电器
件,并建立了完整的聚合物光纤传输链路网络示
范系统[ 。南京玻璃纤维设计院开展了以装潢为
主要目的聚合物光纤的研究。随着聚合物光纤的
深入研究以及性能逐步实用化,近年来又有更多
的研究单位加入到研究聚合物光纤和器件研究的
行列中来,如西安光机所、燕山大学、武汉邮电大
本征Rayleigh散射、以及外部不理想波导(如光纤
芯径半径的波动)等因素导致的。聚甲基丙烯酸甲
酯为基质的聚合物光纤谱损图如图1所示。其中
(a)表示阶跃型聚合物光纤的损耗,(b)表示梯度
折射率型聚合物光纤损耗。
波长/nm
(a)阶跃折射率聚合物光纤谱损
童
兽
您
{髅
波长/11111
(b)梯度折射率聚合物光纡谱损
图1聚合物光纤谱损
Fig.1 Spectral loss of polymer optical fiber
当聚合物光纤被用作光学信号传输媒介
时,希望光学窗口尽可能接近光源LED峰值处
的波长,但在聚甲基丙烯酸甲酯的最佳光学窗
口的波长范围处,LED的输出功率并不高,而对
GaA1As LED,在可见光的波长范围内,峰值波长
为660 nm,聚甲基丙烯酸甲酯在650 nm的损耗
为128 dB/km,而在此处它的理论损耗极限为
99 dB/km,C—H键在650 nm的振动吸收大约为
88 dB/km,因此,这个极限主要由C—H键振动吸
收决定。如能进一步减少这个窗口的损耗,聚合物
光纤的高损耗就可以大大降低。
聚甲基丙烯酸甲酯的材料色散和分布色散较
大,所以其带宽较窄,通信窗口在650 nm附近,虽
然有廉价的红色LED或LD光源,但目前通信领
・
68・ 电 力 孽 饶 通 佶
域已有的850 am和1.3 Ixm丰富光源却无法利
用。目前,市场上的聚合物光纤产品多为聚甲基丙
烯酸甲酯基质的多模阶跃型聚合物光纤,虽然与
玻璃光纤相比具有低价、易处理的优势,但其窄带
宽和高固有衰减(150~300 dB/km)的缺点,不能适
应带宽逐渐增大的较长距离多媒体通信的需要。
为了增加带宽,必须减少纤芯的数值孔径,即采
是在短距离内的应用和点到点之间的单路高速数
据传输。聚合物光纤通信系统原理如图3所示。
图3聚合物光纤通信系统原理
Fig.3 Principle of POF communication system
用少模阶跃型聚合物光纤,一个单模聚合物的芯
径与玻璃光纤近似,但聚合物光纤的最主要特点
是大芯径、安装处理费用低,因此不能期望将其发
展成单模光纤来增加带宽。而梯度折射率型聚合
物光纤既增加了带宽又保持了大芯径的优势。聚
甲基丙烯酸甲酯基质和氟化聚合物基质的梯度折
射率聚合物光纤的折射率分布与带宽之间的关系
如图2所示
0
捂
∞
口
波长/¨m
一
氟化聚合物基质 一PMMA基质
注:光源的带宽是2 am。
图2氟化聚合物光纤和GI型聚合物光纤
带宽随波长的变化曲线
Fig.2 Cu ̄es about bandwidth of fluoride POF and
GI POF versus wavelength
可见,聚甲基丙烯酸甲酯基质梯度折射率型
聚合物光纤的理论值与现有的实验值非常吻合,
其最理想折射率分布在g=2.3附近,这时带宽可
达到3 GHz・kin(650/lm)。而在同样的波长处,氟
化聚合物基质的带宽则超过5 GHz・km,并且理论
已经证明,当g指数被控制在2附近时,因为材料的
色散小,在650 nm一1.3 Ixm波长范围内,100 m的氟
化梯度折射率聚合物光纤带宽高达40 GHz・km以
上,高于Ge02一SiO2多模光纤的带宽。
3聚合物光纤传输系统及应用前景
关于聚合物光纤数据链路传输系统的报道很
多,由于聚合物光纤高损耗的缺点,实验大部分都
使用聚合物光纤的点到点计算机局域网系统
如图4所示。
图4聚合物光纤点到点计算机局域网系统
Fig.4 Point to point computer LAN realized with
POF system
该传输系统包括一系列聚合物光纤的网络器
件,如聚合物光纤光电转换器(双绞线到聚合物光
纤)、聚合物光纤耦合器、聚合物光纤中继器等。如
果构建光纤入户的网络系统.则还需要聚合物光
纤交换机、聚合物光纤路由器、聚合物光纤网卡以
及聚合物光纤波长转换器(主干线玻璃光纤到聚
合物光纤)等器件设备。
中国科学技术大学报道的100 Mbit/s聚合物
光纤传输系统的实际测试结果如图5所示。
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蘑 ¨ 时间/s
图5 100 Mbit/s聚合物光纤系统数据传输测试结果
Fig.5 Test result of data transmission in
100 Mbit/s POF system
测试结果表明。整个系统的平均传输速率为
72 Mbit/s.这是百兆聚合物光纤在实际通信中的
.
技术研究・ 何志良 聚合物光纤在千兆网系统中的应用 ・69・
表现.因为在实际网络数据传输中,还需要考虑计
光电转换器、波长转换器、中继器、交换机以及聚
算机、网络状态等因素对整个链路系统传输速率 合物光纤网卡等相关器件的深入研究和梯度折射
的限制。目前,聚合物光纤在光纤入户局域网工程
率型聚合物光纤性能的不断提高。聚合物光纤将
中基本可以达到100 250 Mbit/s.但远远不能满足
在未来高速大容量数据通信和光纤人户系统中得
用户对带宽Et益增长的需求。
到广泛的应用,并将在家庭智能化、办公自动化、
实现聚合物光纤千兆网系统的实际应用,目
工业控制网络化、车载和机载通信网、军事通信网
前还面临许多亟待解决的关键技术问题。其中,梯
等领域中找到广阔的应用前景。
度折射率型聚合物光纤的折射率分布及其折射
率分布的扰动对带宽的影响以及如何降低聚合
参考文献
[1]PEDROTTI K,DAHLGREN R,WYSOCKI J,et a1.
物光纤的损耗是一个非常重要的技术问题。通过
High bit rate polymer optical fiber links:design and
研究梯度折射率型高分子材料的设计和合成,控
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制光纤中聚合物分子链取向,减少光纤缺陷,制
【2]PEDROTFI K D,DAHLGREN R P,WYSOCKI J A,
造低迁移率、低衰减性的折光指数调节剂,从而
et a1.Muhi-gigabit transmission over POI ̄C].POF World
实现梯度折射率型聚合物光纤折射率分布的可
West,2006.
调控与可预测。利用侧面抛磨和熔融法对聚合物
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光纤的传输模式进行控制和选择,结合光纤模式
10 Gbps chip—on—board polymer optical fiber links[C】
理论,对聚合物光纤耦合器和滤模器进行设计,
17th Int1.Conf.on Polymer Optical Fibers,2008.
从而达到提高光纤传输带宽的目的。进行聚合物
I4】PENG G D,NAN J P,WANG T.Development of
special polymer optical fibres and devices[C].Proc.of
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SPIE Vo1.5595,2004.
纤双工信息传输。以上各项研究的进展有助于解
[5]DIRK C W,PERALEZ RODRIGUEZ Q Plastic optical
决上述关键问题。
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同时,研制出千兆传输速率的聚合物光纤调
【6】许兴胜,王茁,马辉,等.100 Mbit/s聚合物光纤通信
制收发器、聚合物光纤波长转换器、聚合物光纤中
系统fJ1.中国激光,2003,3O(1):38—40.
继器、聚合物光纤交换机以及适用的计算机网卡
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等关键性器件,也是非常重要的关键技术。另外,
2001,1 2(2):55—63.
还要考虑器件和系统在实用化过程中的稳定性、
【8]明海,马辉,张涛,等.聚合物光纤与功能器件的研究
操作环境、寿命和标准化等问题,以实现将玻璃光
与应用[JJ.量子电子学报,2004,21(2):257—264.
[9】王沛,明海,许兴胜,等.聚合物光纤几何参数测量系
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完美结合,从而建立具有我国自主知识产权的梯
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度折射率型聚合物光纤千兆网络系统,实现信息
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高速公路工程。
4结束语 电力 喜 蠹 亲。 ,高级工 从事
聚合物光纤是未来光纤人户和计算机局域网 (收稿日期:2009—08—12)
光纤化的重要候选传输介质。随着对聚合物光纤
Application of polymer optical fiber in Gigabyte network
HE Zhi—liang
(Guangzhou Power Supply Bureau,Guangzhou 510620,China)
Abstract:The development of polymer optical fiber(POF)application in gigabyte network in China is reviewed.The
progress of POF and transmission characteristic of graded—index POF are briefly intorduced.The key technique and
research directions in the POF application system in gigabyte network are discussed.It has good guiding value for fiber
to the home fF rrH)project in China.
Key words:polymer optical fiber;gigabyte network;fiber to the home


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