國際塑料光纖通信系統(tǒng)新發(fā)展

        隨著數(shù)據(jù)流量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的快速擴(kuò)張，三大電信運(yùn)營商的2008年5月開始的歐盟基金第七框架計(jì)劃內(nèi)的POF-PLUS項(xiàng)目，于2011年4月結(jié)束。

　　該項(xiàng)目主要聚焦在通過幾十米POF來進(jìn)行1Gbit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸，考慮了潛在的應(yīng)用范圍從短距離多媒體設(shè)備的連接和家庭網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)互連數(shù)據(jù)中心。該項(xiàng)目的重要成果如下：多Gbit/s的光電收發(fā)器的開發(fā)和優(yōu)化，以提高線性度，帶寬和可靠性;充分設(shè)計(jì)以在塑料光纖(IEC國際標(biāo)準(zhǔn)A4a.2類型)超過50米時(shí)，實(shí)現(xiàn)使用LED進(jìn)行實(shí)時(shí)1Gbit/s的傳輸;在非標(biāo)準(zhǔn)的多芯塑料光纖和光纖帶上進(jìn)行多G比特的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用大芯徑的POF實(shí)現(xiàn)ROF的可靠傳輸。

　　FP7里的ALPHA課題在2008年1月開始，于2010年9月結(jié)束，ALPHA項(xiàng)目回答了幾個(gè)問題：從現(xiàn)在開始的10-15年最終用戶ICT服務(wù)是什么?將如何建設(shè)接入和建筑屋內(nèi)/家庭網(wǎng)絡(luò)來支持這些服務(wù)?ALPHA報(bào)告里總結(jié)了塑料光纖的研發(fā)、生產(chǎn)現(xiàn)狀和如何選擇，還重點(diǎn)研究和介紹了POF用光源、光探測器的情況。根據(jù)ALPHA項(xiàng)目白皮書里的描述，塑料光纖技術(shù)路線圖(見圖1)。

         由上述可見，塑料光纖通信在未來會(huì)成為終端接入的重要技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。

　　國際塑料光纖通信系統(tǒng)的最新進(jìn)展主要體現(xiàn)在四大方面：第一，千兆塑料光纖(POF)通信系統(tǒng)，包括千兆塑料光纖、通信用塑料光纖收發(fā)器及調(diào)制技術(shù);第二，具有優(yōu)勢(shì)的POF家庭網(wǎng)絡(luò)布線;第三，塑料光纖與其它技術(shù)如無線相結(jié)合的應(yīng)用研究，可實(shí)現(xiàn)方式靈活的終端接入以及拓展其在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用;第四，塑料光纖在電力通信儀表、風(fēng)力發(fā)電及飛機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　千兆塑料光纖(POF)通信系統(tǒng)

　　2010年1月，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)頒布了“接入、終端、傳輸和復(fù)用(ATTM);100Mbit/s和1Gbit/s的塑料光纖系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范ETSITS105175-1V1.1.1”(2010-01)，并于2011年8月進(jìn)行了改版(V2.0.0)，V2.0.0中明確規(guī)定了百兆及千兆塑料光纖系統(tǒng)的要求及連接方式。

　　基于SI-POF的優(yōu)點(diǎn)，ETSITS105175-1規(guī)定塑料光纖使用SI-POF類型。連接方式可以使用已有標(biāo)準(zhǔn)的塑料光纖連接頭SMI(IEC61754-21)、SC/RJ(IEC61754-24)、F-SMA(IEC61754-22)、SC(IEC61754-4[27])以及LC(IEC61754-20)，也可以使用無連接頭方式Optolock。(見表2)

　　同時(shí)根據(jù)POF-PLUS的報(bào)告，1G比特的POF以太網(wǎng)的路線圖(見圖2)。在實(shí)驗(yàn)室通信記錄方面，一個(gè)新的物理層千兆傳輸記錄是在1毫米PMMASI-POF進(jìn)行，傳輸距離超過75米，由于SI-POF具有大芯徑、成本低、易連接的顯著特點(diǎn)，在最后100米內(nèi)的千兆內(nèi)數(shù)據(jù)領(lǐng)域占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

　而帶寬更大(超過10G)的數(shù)據(jù)傳輸，近年來在新型的全氟GI塑料光纖(PFGI-POF)上也取得了很多進(jìn)展。隨著無定形全氟聚合物聚全氟-丁烯基乙烯醚(商業(yè)上叫CYTOPRR)的出現(xiàn)，階躍型POF的局限被克服了。CYTOPR是日本AGC旭硝子公司研發(fā)并生產(chǎn)的高透明聚合物，具有優(yōu)秀的透光性能、適宜的折射率，可生產(chǎn)低衰減大容量的全氟GI-POF(見圖3)。

　　ChromisFiberoptics的全氟GI塑料光纖在近紅外區(qū)展示了非常低的損耗(～10dB/km)，如圖3b所示，對(duì)高達(dá)100米的距離可支持10Gb/s以上的傳輸速率。這歸結(jié)于高的模式耦合，低的材料色散和差分模式衰減間的相互影響。

　　AGC公司的旭硝子宣稱其PFGI-POF比石英光纖有著更大的高速潛力，并已推出商業(yè)化產(chǎn)品FONTEX。目前PFGI-POF傳輸實(shí)驗(yàn)記錄已達(dá)到100G。

　　由于目前世界先進(jìn)的電信運(yùn)營商如法國電信，已經(jīng)準(zhǔn)備在終端家庭采用千兆技術(shù)，并使用集成塑料光纖接口設(shè)備，因而高性價(jià)比的千兆塑料光纖收發(fā)器研究成為亮點(diǎn)。

　　POF-PLUS項(xiàng)目的主要成果之一是示范了1Gbit/s被調(diào)制的POF收發(fā)器，要達(dá)到這樣的結(jié)果不僅要研究RC-LED，而且它的驅(qū)動(dòng)程序也要通過幾個(gè)途徑被仔細(xì)地優(yōu)化。

　　在塑料光纖收發(fā)器商業(yè)化方面，飛爾康(Firecomms)公司于2012年2月推出了GDL1000POF收發(fā)器。傳統(tǒng)千兆級(jí)光纖收發(fā)器是基于850nm和更高波長的光源，精密復(fù)雜的光學(xué)組件，與200微米和更小芯徑的玻璃光纖匹配。

　　而Firecomms新的千兆POF收發(fā)器仍然利用一個(gè)人眼安全、可見光波長650nm(紅色)RCLED容易耦合的集成透鏡，用透明樹脂模壓封裝，與1毫米芯徑的POF匹配，連接方式采用Optilock這樣GDL1000除了能夠?qū)崿F(xiàn)千兆數(shù)據(jù)傳輸，還保留了百兆POF收發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)，如成本低、容易連接、工作溫度范圍寬、可單3.3V電力供應(yīng)。預(yù)計(jì)不久的將來，GDL1000將裝配有目前最常用的LC型光纖連接器，并將被國際電工委員會(huì)(IEC)批準(zhǔn)。

　　與石英光纖相比，塑料光纖系統(tǒng)的額外費(fèi)用明顯降低，因?yàn)椴恍枰嘿F的耦合和跳線加工設(shè)備。因此千兆POF收發(fā)器獲得了巨大的市場機(jī)會(huì)，昂貴的預(yù)裝配石英光纖跳線已過時(shí)。

　　具有優(yōu)勢(shì)的POF家庭網(wǎng)絡(luò)布線

　　家庭網(wǎng)絡(luò)是最近一些年來通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向，例如數(shù)字家庭、智能家居等等，很多設(shè)備提供商和電信運(yùn)營商都在致力于研究塑料光纖家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　2009年7月，AT&T(美國電報(bào)電話公司)主導(dǎo)了一個(gè)小型的塑料光纖家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。不同的POF光交換機(jī)、介質(zhì)轉(zhuǎn)換器在4個(gè)家庭組成了不同的家庭網(wǎng)絡(luò)。3號(hào)家庭改造了現(xiàn)有的同軸電纜，使用POF介質(zhì)轉(zhuǎn)換器用于7個(gè)機(jī)頂盒上，使得以前HPNA(家庭電話線聯(lián)網(wǎng))造成的問題都被消除了。研究人員還撰文分享了塑料光纖技術(shù)評(píng)估結(jié)果。塑料光纖可以整體減少U-verse用戶的安裝和維護(hù)時(shí)間，并減少已知的各種噪音或HPNA產(chǎn)生的問題。因此可以通過POF連接樓內(nèi)和屋內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)端到端的全光網(wǎng)架構(gòu)。

　　另外也有一些先進(jìn)技術(shù)公司生產(chǎn)和使用POF網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于家庭網(wǎng)絡(luò)布線。例如奧地利Homefibre公司提供了一個(gè)完整的并易于安裝的塑料光纖POF系統(tǒng)。POF柔韌性強(qiáng)，并且可以簡單而快速端接，可以多種方式安裝在墻以及與電力線共管道安裝。

　　這種方法是升級(jí)改造現(xiàn)有家庭網(wǎng)絡(luò)的理想方式。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：通過電線系統(tǒng)安裝-無需鉆孔，沒有灰塵;同電力線共同布線-節(jié)省安裝費(fèi)用;在新建大樓布線節(jié)省管道費(fèi)用;塑料光纜能夠安裝在墻面和地毯下以及踢腳線下面，美觀;塑料光纜能夠在集線盒內(nèi)(同電源一起)，并可集成傳感器和無線接入點(diǎn);沒有接地和防雷問題;每個(gè)數(shù)據(jù)插座可以配置一個(gè)墻面型交換機(jī)。

　　POF與無線技術(shù)結(jié)合

　　現(xiàn)有的家庭網(wǎng)絡(luò)，主要基于金屬導(dǎo)線(雙絞線，五類雙絞線和同軸電纜)及短距離無線鏈路如現(xiàn)在無處不在的WiFi標(biāo)準(zhǔn)。

　　VD-H研究認(rèn)為：對(duì)于家庭網(wǎng)絡(luò)而言，無線技術(shù)可能將再次發(fā)揮重要作用，但只有光纖到戶技術(shù)才能夠提供最高的帶寬和穩(wěn)定對(duì)顧客的寬帶服務(wù)。

　　目前使用光電子的家庭網(wǎng)絡(luò)解決方案，即使用玻璃光纖或塑料光纖(POF)，或是自由空間光通信(FSO，無線光學(xué)技術(shù))，還沒有得到廣泛的應(yīng)用，因此未來的系統(tǒng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將是混合的解決方案。(見圖4) 當(dāng)前的短距離無線技術(shù)主要有Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、UWB、NFC等，很多實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)塑料光纖和無線技術(shù)的結(jié)合做了研發(fā)。D.Visani等人研究了在超過50米1mmGI-POF同時(shí)傳輸寬帶、有線和無線信號(hào)，在家庭網(wǎng)絡(luò)里融合了有線和無線服務(wù)。

　　ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。ZigBee最初預(yù)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括消費(fèi)電子、能源管理、衛(wèi)生保健、家庭自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，ZigBee又獲得了新的應(yīng)用機(jī)會(huì)。ZigBee便于快速大規(guī)模部署等特點(diǎn)順應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求和趨勢(shì)。

　　目前來看，物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee技術(shù)在智能家居、工業(yè)監(jiān)測和健康保健等方面的應(yīng)用有很大的融合性。

　　在2011年的第五次歐洲ZigBee研究論壇上，“在家庭網(wǎng)絡(luò)中使用塑料光纖來擴(kuò)展ZigBee”提出了設(shè)計(jì)方案，整合現(xiàn)有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，并在MAC層使用POF。其優(yōu)點(diǎn)是：POF以可接受的價(jià)格提供可靠的連接;是不發(fā)射無線電波的光傳輸;對(duì)于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的路由技術(shù)是透明的;POF是用于解決“地下室接入問題”的首選。

　　數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用倡導(dǎo)者美國網(wǎng)件公司NETGEARInc致力于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新，專注于產(chǎn)品的可靠性和易用性提升，為全球商用企業(yè)用戶和家庭個(gè)人用戶提供使用簡便的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)解決方案，2008年推出了塑料光纖接口的產(chǎn)品PF101，與其無線家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)合，組成了數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)。

　　在電力通信儀表、風(fēng)力發(fā)電及飛機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用

　　POF在智能電網(wǎng)里的功能應(yīng)用，包括光纖連接到其他傳感元件、連接到控制器、光纖傳感器、數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)采集等。

　　目前國內(nèi)外已經(jīng)有一定的應(yīng)用和研究。例如塑料光纖技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在蘭吉爾公司的儀表里，來提供可靠、低成本和易于維護(hù)的光纖連接。

　　中國湖南省電力公司提出了將塑料光纖應(yīng)用于用電信息采集系統(tǒng)，采用塑料光纖(POF)替代目前用電信息采集系統(tǒng)中的下行通信方式，可使智能電表與主站之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，并具有可靠性高、功耗低、投資相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于智能電表集中安裝的城區(qū)內(nèi)，這是一種用電信息采集的理想方案，塑料光纖還能夠用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、電力火車和機(jī)車。

　　在飛機(jī)上使用POF早在1996年就有先例，波音公司就利用塑料光纖進(jìn)行在飛機(jī)中應(yīng)用的研究。 在飛機(jī)中使用塑料光纖的理由是因?yàn)椋恒~纜尺寸過大而且太重;石英光纖系統(tǒng)成本太高，而且很難安裝/維護(hù);急切需要低成本廉價(jià)維護(hù)的飛機(jī)光纜;苛刻的飛機(jī)環(huán)境需要新的發(fā)明;商用飛機(jī)需要耐用的產(chǎn)品可以可靠而安全的長期使用等因素所決定的。

　　GE航空集團(tuán)使用POF進(jìn)行了研究并進(jìn)行了示范，并指出：器件制造者需要“看見”飛機(jī)塑料光纖的市場，從而研發(fā)POF器件。展示了帶有時(shí)間觸發(fā)協(xié)議的塑料光纖無源星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與以前飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用的光纖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似。

　　目前塑料光纖有可觀的航空航天市場，但沒有一家公司能夠提供整套的解決方案，需要技術(shù)聯(lián)盟來創(chuàng)建供飛機(jī)使用的塑料光纖生態(tài)系統(tǒng)。

　　不僅如此POF在便攜式電子終端設(shè)備上也得到了廣泛應(yīng)用。

　　在塑料光纖波導(dǎo)(POW)消費(fèi)應(yīng)用中，使用塑料光纖(POF)是首選的介質(zhì)，由于其潛在的成本優(yōu)勢(shì)。通常石英光纖的衰減性能比POF更好，但對(duì)于短距離消費(fèi)應(yīng)用這不是一個(gè)問題。POF比石英光纖更靈活，并可能有2個(gè)或更多的POF光波導(dǎo)嵌入在相同的物理介質(zhì)里。

　　低成本高效能的回流焊與塑料光纖(POF)收發(fā)器封裝技術(shù)兼容，可實(shí)現(xiàn)嵌入消費(fèi)手持設(shè)備和有源光纜中的多千兆位級(jí)收發(fā)器，應(yīng)用在設(shè)備至設(shè)備以及設(shè)備內(nèi)部通信(手機(jī)、手提電腦)及有源光纜等領(lǐng)域。

　　德國SiliconLine開發(fā)出了符合便攜終端內(nèi)部傳輸技術(shù)“MIPI(MobileIndustryProcessorInterface)”物理層標(biāo)準(zhǔn)“D-PHY”的控制IC，這是一款用來對(duì)D-PHY信號(hào)進(jìn)行光傳輸?shù)臉蚪覫C，設(shè)想用于便攜終端的應(yīng)用處理器與液晶驅(qū)動(dòng)電路之間的信號(hào)傳輸通道。據(jù)該公司介紹，最大能以2Gbit/秒的速度傳輸數(shù)據(jù)。估計(jì)可在便攜終端內(nèi)傳輸大容量視頻數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)揮威力。