塑料光纖在通信網(wǎng)中的應(yīng)用

2013-10-24 10:26:12 光通信技術(shù)　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

隨著光通信產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，光纖作為光信號(hào)的傳輸介質(zhì)，起著信息高速公路的作用。目前，石英光纖由于其寬帶、低損耗及適合長(zhǎng)距離通信傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，占據(jù)著光通信的主要市場(chǎng)。然而，由于石英光纖芯徑小、連接復(fù)雜、成本高，所以在光纖入戶時(shí)遇到很大的困難。隨著短距離、大容量的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及照明等工業(yè)的迅速發(fā)展，塑料光纖(plastic optical fiber,POF)以其芯徑大、對(duì)接容易、柔韌性好、可塑性強(qiáng)、重量輕及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到國(guó)際上的普遍關(guān)注。塑料光纖在短距離通信和光纖傳感方面有著石英光纖所不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此使其占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì)，已成為實(shí)現(xiàn)短距離通信網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì)，在未來(lái)家庭智能化、辦公自動(dòng)化、工控網(wǎng)絡(luò)化、車載機(jī)載通信網(wǎng)及軍事通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要的地位。目前對(duì)塑料光纖的研究主要集中在降低損耗、提高帶寬和耐熱性等方面。鑒于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了以塑料光纖為傳輸介質(zhì)的全光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和語(yǔ)音電路傳輸系統(tǒng)。

1 塑料光纖的傳輸特性

同其它通信傳輸介質(zhì)一樣，表征塑料光纖性能的主要指標(biāo)有：損耗、色散和帶寬及相關(guān)的化學(xué)性質(zhì)。本文只討論塑料光纖在通信方面的性能。

1.1 損耗特性

POF的衰減主要受限于芯包塑料材料的吸收損耗和散射損耗。吸收損耗主要來(lái)自碳?xì)滏I拉伸振動(dòng)的本征吸收;散射損耗是因?yàn)楣庠趥鞑ミ^(guò)程中改變了傳播方向造成的能量衰減。PMMA(Polymethyl methacrylate, PMMA)芯塑料光纖在650nm 波長(zhǎng)的理論損耗極限是106dB/km 左右，實(shí)際做成的這類光纖傳輸損耗在100~300dB/km(650nm 波長(zhǎng))。GI-POF 比SIPOF的損耗一般要略高一些，因?yàn)闊o(wú)論采用摻雜劑還是采用其它單體與MMA(Methyl methacrylate, MMA)共聚所形成的GI-POF，很難達(dá)到與純PMMA 同樣低的損耗。PMMA 塑料光纖的傳輸損耗已接近理論極限，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀測(cè)PMMA 階躍型塑料光纖的損耗光譜，三個(gè)低損耗傳輸窗口分別位于可見(jiàn)光570nm 波長(zhǎng)處、650nm 波長(zhǎng)處和近紅外780nm 波長(zhǎng)處。在650nm 波長(zhǎng)處的損耗值僅為110dB/km，非常接近于106dB/km 的理論極限。為降低PMMA 塑料光纖的損耗，可采用氟原子代替PMMA 的氫原子，使基體材料吸收光譜的特征峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，從而使可見(jiàn)光與紅外區(qū)域的損耗降低，也使氟化聚合物芯(PF)POF 的工作波長(zhǎng)延伸到了840~1310nm 處，傳輸速率為2.5Gb/s，傳輸距離超過(guò)500m。日本Asahi Glass 公司研制的氟化梯度折射塑料光纖的衰減系數(shù)達(dá)到，在850nm 波長(zhǎng)處為41dB/km，1300nm 波長(zhǎng)處為33dB/km。全氟化梯度型塑料光纖損耗的理論極限在1300mn 波長(zhǎng)為處0.25dB/km，在1500nm 處的損耗可低至0.1d/km，這完全可以和石英光纖的損耗相比擬，為塑料光纖在通信中使用G.652 光纖通信的部件提供了可能，也為塑料光纖在通信網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[1]。

1.2 帶寬特性

帶寬是光纖波導(dǎo)的一個(gè)重要特點(diǎn)，帶寬大小決定了光纖的信息傳輸能力。增加光纖帶寬通常有兩種方法：減小光纖芯的數(shù)值孔徑(NA)，較小的NA 使得光纖中具有傳輸較低階的模式，從而減小了模間色散，故能使光纖帶寬得到提高;改變光纖芯的折射率，當(dāng)梯度折射率光纖具有接近于拋物型的最佳折射率分布時(shí)，光纖的模間色散最小，可以獲得最佳帶寬性能。另外，當(dāng)入射光源的孔徑較小時(shí)，光纖中只有部分模式激發(fā)，色散小于光纖中全部傳輸模被激發(fā)的情形，因而也可以獲得相對(duì)高的工作帶寬。用作短距離光傳輸介質(zhì)的塑料光纖，按其折射率分布形狀可分為兩種：階躍折射率分布塑料光纖和梯度折射率分布塑料光纖。階躍折射率分布塑料光纖由于模間色散作用使人射光發(fā)生反復(fù)的反射，射出的波形相對(duì)于人射波形出現(xiàn)展寬，故其傳輸帶寬僅為幾十至上百兆赫茲/千米。氟化梯度折射率分布塑料光纖從選擇低色散的材料出發(fā)，再以優(yōu)化的梯度折射率分布手段，即可將其折射率分布指數(shù)在0.85~1.3μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)選定為2.07~2.33，從而抑制模間色散，控制出射光波相對(duì)于人射光波展寬的效果，進(jìn)而可制得傳輸帶寬高達(dá)幾百兆赫茲/千米至10GHz/km 的梯度折射率分布的塑料光纖[2]。

1.3 色散特性

階躍型塑料光纖的數(shù)值孔徑(NA)在0.5 左右，帶寬距離可以達(dá)40MHz˙100m，已應(yīng)用于工業(yè)控制中，但由于其帶寬較小，不適于在航空和室內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。小NA 階躍型塑料光纖的NA 值約為0.25～0.3。較小的NA 使得光纖中只傳輸較低階的模式，從而減小了模式色散，使帶寬提高210MHz

責(zé)任編輯：廖生玨

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