國際塑料光纖通信系統(tǒng)新發(fā)展

        隨著數(shù)據(jù)流量和網絡規(guī)模的快速擴張，三大電信運營商的2008年5月開始的歐盟基金第七框架計劃內的POF-PLUS項目，于2011年4月結束。

　　該項目主要聚焦在通過幾十米POF來進行1Gbit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸，考慮了潛在的應用范圍從短距離多媒體設備的連接和家庭網絡的光學互連數(shù)據(jù)中心。該項目的重要成果如下：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;充分設計以在塑料光纖(IEC國際標準A4a.2類型)超過50米時，實現(xiàn)使用LED進行實時1Gbit/s的傳輸;在非標準的多芯塑料光纖和光纖帶上進行多G比特的數(shù)據(jù)傳輸。應用大芯徑的POF實現(xiàn)ROF的可靠傳輸。

　　FP7里的ALPHA課題在2008年1月開始，于2010年9月結束，ALPHA項目回答了幾個問題：從現(xiàn)在開始的10-15年最終用戶ICT服務是什么?將如何建設接入和建筑屋內/家庭網絡來支持這些服務?ALPHA報告里總結了塑料光纖的研發(fā)、生產現(xiàn)狀和如何選擇，還重點研究和介紹了POF用光源、光探測器的情況。根據(jù)ALPHA項目白皮書里的描述，塑料光纖技術路線圖(見圖1)。

         由上述可見，塑料光纖通信在未來會成為終端接入的重要技術，應用領域非常廣闊。

　　國際塑料光纖通信系統(tǒng)的最新進展主要體現(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)器及調制技術;第二，具有優(yōu)勢的POF家庭網絡布線;第三，塑料光纖與其它技術如無線相結合的應用研究，可實現(xiàn)方式靈活的終端接入以及拓展其在物聯(lián)網的應用;第四，塑料光纖在電力通信儀表、風力發(fā)電及飛機等領域的應用。

　　千兆塑料光纖(POF)通信系統(tǒng)

　　2010年1月，歐洲電信標準協(xié)會頒布了“接入、終端、傳輸和復用(ATTM);100Mbit/s和1Gbit/s的塑料光纖系統(tǒng)技術規(guī)范ETSITS105175-1V1.1.1”(2010-01)，并于2011年8月進行了改版(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，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準的塑料光纖連接頭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)

　　同時根據(jù)POF-PLUS的報告，1G比特的POF以太網的路線圖(見圖2)。在實驗室通信記錄方面，一個新的物理層千兆傳輸記錄是在1毫米PMMASI-POF進行，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，在最后100米內的千兆內數(shù)據(jù)領域占據(jù)著絕對優(yōu)勢。

　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，對高達100米的距離可支持10Gb/s以上的傳輸速率。這歸結于高的模式耦合，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)化產品FONTEX。目前PFGI-POF傳輸實驗記錄已達到100G。

　　由于目前世界先進的電信運營商如法國電信，已經準備在終端家庭采用千兆技術，并使用集成塑料光纖接口設備，因而高性價比的千兆塑料光纖收發(fā)器研究成為亮點。

　　POF-PLUS項目的主要成果之一是示范了1Gbit/s被調制的POF收發(fā)器，要達到這樣的結果不僅要研究RC-LED，而且它的驅動程序也要通過幾個途徑被仔細地優(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)千兆級光纖收發(fā)器是基于850nm和更高波長的光源，精密復雜的光學組件，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除了能夠實現(xiàn)千兆數(shù)據(jù)傳輸，還保留了百兆POF收發(fā)器的優(yōu)點，如成本低、容易連接、工作溫度范圍寬、可單3.3V電力供應。預計不久的將來，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(IEC)批準。

　　與石英光纖相比，塑料光纖系統(tǒng)的額外費用明顯降低，因為不需要昂貴的耦合和跳線加工設備。因此千兆POF收發(fā)器獲得了巨大的市場機會，昂貴的預裝配石英光纖跳線已過時。

　　具有優(yōu)勢的POF家庭網絡布線

　　家庭網絡是最近一些年來通信領域研究的重點方向，例如數(shù)字家庭、智能家居等等，很多設備提供商和電信運營商都在致力于研究塑料光纖家庭網絡技術。

　　2009年7月，AT&T(美國電報電話公司)主導了一個小型的塑料光纖家庭網絡實驗。不同的POF光交換機、介質轉換器在4個家庭組成了不同的家庭網絡。3號家庭改造了現(xiàn)有的同軸電纜，使用POF介質轉換器用于7個機頂盒上，使得以前HPNA(家庭電話線聯(lián)網)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評估結果。塑料光纖可以整體減少U-verse用戶的安裝和維護時間，并減少已知的各種噪音或HPNA產生的問題。因此可以通過POF連接樓內和屋內的網絡，形成一個端到端的全光網架構。

　　另外也有一些先進技術公司生產和使用POF網絡設備用于家庭網絡布線。例如奧地利Homefibre公司提供了一個完整的并易于安裝的塑料光纖POF系統(tǒng)。POF柔韌性強，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。

　　這種方法是升級改造現(xiàn)有家庭網絡的理想方式。其優(yōu)點主要體現(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)省安裝費用;在新建大樓布線節(jié)省管道費用;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(同電源一起)，并可集成傳感器和無線接入點;沒有接地和防雷問題;每個數(shù)據(jù)插座可以配置一個墻面型交換機。

　　POF與無線技術結合

　　現(xiàn)有的家庭網絡，主要基于金屬導線(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標準。

　　VD-H研究認為：對于家庭網絡而言，無線技術可能將再次發(fā)揮重要作用，但只有光纖到戶技術才能夠提供最高的帶寬和穩(wěn)定對顧客的寬帶服務。

　　目前使用光電子的家庭網絡解決方案，即使用玻璃光纖或塑料光纖(POF)，或是自由空間光通信(FSO，無線光學技術)，還沒有得到廣泛的應用，因此未來的系統(tǒng)技術和網絡架構，將是混合的解決方案。(見圖4) 當前的短距離無線技術主要有Wi-Fi、藍牙、ZigBee、UWB、NFC等，很多實驗室和研究機構都對塑料光纖和無線技術的結合做了研發(fā)。D.Visani等人研究了在超過50米1mmGI-POF同時傳輸寬帶、有線和無線信號，在家庭網絡里融合了有線和無線服務。

　　ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。ZigBee最初預計的應用領域主要包括消費電子、能源管理、衛(wèi)生保健、家庭自動化、建筑自動化和工業(yè)自動化。

　　隨著物聯(lián)網的興起，ZigBee又獲得了新的應用機會。ZigBee便于快速大規(guī)模部署等特點順應了物聯(lián)網發(fā)展的要求和趨勢。

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

　　在2011年的第五次歐洲ZigBee研究論壇上，“在家庭網絡中使用塑料光纖來擴展ZigBee”提出了設計方案，整合現(xiàn)有的ZigBee網絡協(xié)議棧，并在MAC層使用POF。其優(yōu)點是：POF以可接受的價格提供可靠的連接;是不發(fā)射無線電波的光傳輸;對于系統(tǒng)網絡層的路由技術是透明的;POF是用于解決“地下室接入問題”的首選。

　　數(shù)字家庭網絡應用倡導者美國網件公司NETGEARInc致力于網絡技術創(chuàng)新，專注于產品的可靠性和易用性提升，為全球商用企業(yè)用戶和家庭個人用戶提供使用簡便的高質量網絡解決方案，2008年推出了塑料光纖接口的產品PF101，與其無線家庭網關結合，組成了數(shù)字家庭網絡。

　　在電力通信儀表、風力發(fā)電及飛機等領域的應用

　　POF在智能電網里的功能應用，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。

　　目前國內外已經有一定的應用和研究。例如塑料光纖技術已經應用在蘭吉爾公司的儀表里，來提供可靠、低成本和易于維護的光纖連接。

　　中國湖南省電力公司提出了將塑料光纖應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現(xiàn)實時通信，并具有可靠性高、功耗低、投資相對較小的優(yōu)點，對于智能電表集中安裝的城區(qū)內，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力發(fā)電系統(tǒng)、電力火車和機車。

　　在飛機上使用POF早在1996年就有先例，波音公司就利用塑料光纖進行在飛機中應用的研究。 在飛機中使用塑料光纖的理由是因為：銅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;急切需要低成本廉價維護的飛機光纜;苛刻的飛機環(huán)境需要新的發(fā)明;商用飛機需要耐用的產品可以可靠而安全的長期使用等因素所決定的。

　　GE航空集團使用POF進行了研究并進行了示范，并指出：器件制造者需要“看見”飛機塑料光纖的市場，從而研發(fā)POF器件。展示了帶有時間觸發(fā)協(xié)議的塑料光纖無源星型拓撲結構，與以前飛機網絡使用的光纖網絡拓撲結構類似。

　　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，需要技術聯(lián)盟來創(chuàng)建供飛機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備上也得到了廣泛應用。

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

　　低成本高效能的回流焊與塑料光纖(POF)收發(fā)器封裝技術兼容，可實現(xiàn)嵌入消費手持設備和有源光纜中的多千兆位級收發(fā)器，應用在設備至設備以及設備內部通信(手機、手提電腦)及有源光纜等領域。

　　德國SiliconLine開發(fā)出了符合便攜終端內部傳輸技術“MIPI(MobileIndustryProcessorInterface)”物理層標準“D-PHY”的控制IC，這是一款用來對D-PHY信號進行光傳輸?shù)臉蚪覫C，設想用于便攜終端的應用處理器與液晶驅動電路之間的信號傳輸通道。據(jù)該公司介紹，最大能以2Gbit/秒的速度傳輸數(shù)據(jù)。估計可在便攜終端內傳輸大容量視頻數(shù)據(jù)時發(fā)揮威力。