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1、摘 要 本论文阐述了一种塑料光纤（POF）通信系统的研制与开发方案，并对这个方案的相关问题进行了一定的研究、探讨和实验制作。早在1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望，人类就开始了将光通信不断的推向一个又一个崭新的阶段。可以粗略地分为以下几个历史阶段：（19661976年）光纤通信从基础研究到商业应用的开发时期可以无中继传输约10km的距离；（19761986年）又到了以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期光纤由多模发展到了单模，工作波长范围也有了很大的拓展；（19861996年）到了以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究时期
2、可以无中继传输约100150km的距离。随着全球信息产业的不断发展壮大，光纤通信已经成为当今信息社会不可缺少的神经系统。近几年在塑料光纤领域不断产生新的突破新的成果，使通信带宽和速度不断升级。与此同时，塑料光纤也越来越受到更多人的瞩目，特别是拥有巨大带宽资源的用于光信号传输梯度折射率塑料光纤。并且，随着人们的不断研究，塑料光纤独有的传输带宽大、重量轻、柔韧性好、易于维修等优点必将发展得更加完善，成为传输媒质的主流。本文阐述的通信系统正是基于对于塑料光纤的应用而设计的。本文阐述了塑料光纤通信在现在和今后的信息社会发展中的重要性，讲述了塑料光纤的基本理论知识，较为全面的分章节阐述了本人设计的塑料光
3、纤通信系统的各个部分组成和功能，并在已经制作出成品和调试成功的基础上，提出了一些自己看法和展望。关键词：塑料光纤通信系统，塑料光纤，通信系统AbstractIn this paper one researching and designing program of plastic optical fiber (POF) communication system is proposed. And the theory and some problems with this program are also studied and expounded.In the year of 1960, an
4、 American, Maiman invented the first LD of red jewel, which bring forward the new hope. Since then the human being were always beginning to develop the optical communication to new stages. It is divided into these stages: (19661976) the stage of optical fiber developing from the foundational researc
5、hing to commercial applicationsthe transmission distance without relay is 10km;(19761986) the stage of taking increasing transmission rate and prolonging the transmission distance as the aim and widely applyingoptical fiber developed from single mode to multi-mode ,its range of working wavelength al
6、so was be expanded; (19861996)the stage of aiming at achieving very large capacity and very long distance ,with completely developing new techniquethe transmission distance without relay is 100-150km.With the increasingly expanding in IT, optical fiber has been necessary nerve system throughout the
7、current society. These years, continuous new achievement has come out in plastic optical fiber, which was promoting communication bandwidth and rate. Meantime, plastic optical fiber received much attention due to it, especially optical transmission using graded index POF. Also, with the continuous r
8、esearching, the virtues of plastic optical fiber, such as large transmission bandwidth, light weight, flexibility and easy maintenance, will develop toward perfect, which make plastic optical fiber become the main transmission media.The communication system the paper set forth is designed on the bas
9、e of the application of plastic optical fiber. The paper elaborates the importance of plastic optical fiber during nowadays and future in information society development, narrates the basic theory principle about plastic optical fiber, recounts the structure and perform of my designing plastic optic
10、al fiber communication system through chapters and sections, and propose my own opinion and prospects on the base of the finished product and successful experiment.Key words: plastic optical fiber communication system, POF, communication system目 录第一章 前 言11.1 通信网络的发展和对塑料光纤的应用需求11.2 塑料光纤通信系统应用前景与选题意义3
11、第二章 光纤通信基本理论阐述42.1 光纤通信基本原理42.2 有关光纤的基本理论42.3 光纤通信系统的组成72.4 光器件8第三章 塑料光纤103.1 塑料光纤的应用范围103.2 塑料光纤的技术性能123.3 用于塑料光纤通信系统的光源和光检测器133.4 塑料光纤的展望14第四章 塑料光纤通信系统的设计方案154.1 塑料光纤通信系统方案设计154.2 数字光纤发射机设计154.3 数字光纤接收机设计154.4 塑料光纤通信系统部件选择16第五章 数字光纤通信码型选择195.1 在数字光纤通信中传输码型的要求195.2 CMI编码205.3 mBnB码22第六章 塑料光纤通信系统发射机
12、的设计236.1 塑料光纤通信系统发射机的组成236.2 塑料光纤通信系统的时钟236.3 M序列产生器246.3 CMI编码器设计266.4 光纤发射模块296.5 光纤发射模块及其驱动电路设计30第七章 塑料光纤通信系统接收机的设计327.1 塑料光纤通信系统接收机的组成327.2 光纤接收模块及其驱动电路设计327.3 放大电路337.4 CMI解码电路35第八章 塑料光纤通信系统实验398.1 塑料光纤通信系统PCB板的基本参数398.3 塑料光纤通信系统的基本功用和展望41第九章 结论和展望42参考文献43致 谢44第一章 前 言1.1 通信网络的发展和对塑料光纤的应用需求随着互连网
13、技术的快速发展，通信概念发生了极大的改变，把通信定义为信息或信号的时空转移更为准确。现代通信正朝着数字化、宽带化、综合化、智能化、个人化、开放化和标准化的方向发展。电信业务正逐渐从传统的普通的电话、传真等窄带业务向集语音、高速数据和可变视频为一体的多媒体宽带业务方向发展。网上的数据信息业务量己逐步超过传统的电话通信业务。与此同时，随着经济的高速发展，人们对数据传输、家居银行、视频会议、远程教育和电视点播等各类宽带应用的消费需求也迅速增长。美国贝尔通信研究所最近对小企事业用户和居民用户的调查中发现，近期的主要宽带业务需求有下面5类：（l）点播电视（VOD）；（2）交互式图像游戏，这类业务允许用户
14、通过网络玩电子游戏，电子图像游戏库有大量的丰富多彩的节目可供选用；（3）交互式图像业务，这类业务允许用户控制所看的节目，例如用户可以控制摄像机的角度，参加游戏节目，获取新闻或体育节目的额外信息等；（4）广泛的远程教育，这类服务可以使用户非常方便地享受自主的知识积累，选择感兴趣的内容进行学习；（5）海量多媒体库，这类业务允许用户进行交互式搜索，并能看、读、听多媒体信息，即有视听读能力。这些应用，尤其是多媒体的应用对网络的实时性和带宽提出很高的要求。为了实现这种信息量巨大的多媒体信息社会，不但要加快建设高速大容量公共通信网，还要加快建设相应的宽带城域网、局域网，乃至接入网的步伐。近几年来，公共通信
15、网和局域网技术都在突飞猛进地发展，很多单位内部建立了备种各样的局域网，实现计算机互连。最近有人提出了家庭网络的概念，即在家庭内部使各种设备实现联网，构成一个小型的家庭局域网。因此，信息时代的到来要求从网络主干线到各个小型办公室或者家庭内都能实现GHz数量级的高速通信。面对这种急剧增加的通信业务量和通信种类，面对要求日益提高的信息传输率，能提供大容量、高速率的通信传输媒质将以其无以比拟的优点大大发挥作用。光纤发展至今已有几十年，其技术已日趋成熟稳定，过去因价格的关系迟迟无法进入大量铺设。近年来由于光纤制造技术的提升及产量的增加，使得价格下降，光纤被大量地应用在骨干网络上。Internet技术的迅
16、速发展使得数据通信量大概是每6个月翻一番，数据包的交换正在逐步取代传统的电路交换，这些均使得光通信技术的发展成为必然。自从70年代末，光纤通信初次在通信网现场实验成功后，公用通信网包括市内和长途的骨干网越来越多地推广使用光纤光缆线路。进入80年代，光纤通信更显得兴旺发达，在所有通信技术中越来越引人注目。此后，全世界范围内掀起了光纤通信研究和应用的热潮，并逐步在实践中发现了它和传统的金属传输线相比体现出的独特的优点。光纤技术发展到现在，主要有两大类光纤：石英系光纤和塑料光纤（plastic optical fiber，POF）。长距离通信主要应用石英系光纤但是，由于成本高、脆性大以及纤芯细小难以
17、对接，光耦合困难等缺点，在短距离如家庭内、交通工具内、办公大楼及办公室内的通信和多媒体传输中石英光纤的运用目前却还很少。近年来，塑料光纤在短距离通信方面则展现出其独特的优势。塑料光纤是在20世纪60年代由美国杜邦公司（Dupont）开始研究的，当时仅仅是作为照明的材料。1968年用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）芯制备的塑料光纤，由于受到制作工艺和条件的限制，光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以 PMMA和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，其光损耗为3，500 dB/km，难以用于通信。因此，POF早期的研究重点之一就是降低损耗。1980年，日本NTT公司公布了POF的
18、基础研究结果，表明大幅度降低损耗是可能的，从此研制低损耗POF工作日趋活跃。到了1990年，日本庆应大学的小池助教授开发成功折射率渐变型（GIPOF）的塑料光纤，芯材为含氟 PMMA、用界面凝脂技术制造。该塑料光纤衰减在60 dB/km以下，光源 650-1300nm，100 m带宽 3 GHz，传输速率 10 GB/s，超过了 GI型石英光纤，并被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介。1996年，人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网ATM物理层；1997年，日本NEC公司进行了155 Mbit/s的 ATM、 LAN的试验。在 2000年 OFC会议上，日本 Asah
19、i Glass公司报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数在 850nm为41dBkm，在 1300 nm为 33 dB/m，带宽己达100 MHzkm。用这种光纤成功地进行了50 m、25 Gb/s比的高速传输试验和70长期热老化试验。实验结论为氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离的通信使用要求。随着塑料光纤技术的日趋成熟，塑料光纤在短距离高速通信领域显出比传统的石英光纤更大的优势，与用作距离远、速度高、容量大的公用网传输媒质的石英玻璃光纤相比，POF由于制造简单、价格便宜、接续快捷等优点，非常适合用在局域网中的短距离通信、有线电视网及室内计算机之间互联，从而成为短距离高宽带通信网的最理想选择。适合应用塑
20、料光纤的具体场合包括：办公设备互联，家庭智能电子产品和家庭网络，制造业，车载机通信网络和控制系统，军事通讯以及装饰照明等。近些年，世界各国正在大踏步的迈进知识经济时代，我国正处于社会主义初级阶段，改革开放以来，经济一直飞速发展，信息产业在国民经济中的比重正在日益增大。网络与人们的距离越来越近，在生产、生活中发挥的作用也越来越大。因此随着塑料光纤在性能、制造工艺以及标准方面的快速发展，塑料光纤的应用领域越来越广，市场潜力也将更大。1.2 塑料光纤通信系统应用前景与选题意义塑料光纤(POF)在高速短距离通信网络中具有显著的竞争力,它在1001000范围内带宽可达数GHz,而成本与对称电缆相当。塑料
21、光纤的数值孔径大(0.30.5mm)，连接时不必苛求精确对准,且其芯径大(0.51mm),连接时易于对准,可以使用廉价的注塑连接器,因而塑料光纤的连接简便且成本较低。另外,塑料光纤的重量轻,抗干扰性好,易于在狭窄的空间内铺设，因此,塑料光纤将成为实现光纤到家(FTTH)、光纤到办公室（FTTO）的理想的终端传输媒质,并可直接用于工业控制,成为工控网络的传输媒质。以塑料光纤(POF)为传输媒质的通信系统方面的技术处于不完善的发展阶段，塑料光纤(POF)的巨大潜力等待着我们去挖掘。尤其在国内，由于存在着经济发展的基础影响、已成型网络硬件方面和科研水平等方面的一定局限，我国目前在塑料光纤系统领域还有
22、待于进一步跨越式发展。为了能够在已有理论和实践基础上，利用现有资源、条件，本人在实验室中对塑料光纤短距离通信领域进行了解、研究，并制作了一个基于650nm的塑料光纤通信系统。第二章 光纤通信基本理论阐述2.1 光纤通信基本原理现代通信技术分为电通信和光通信。光通信和电通信一样分无线光通信和有线光通信。无线光通信因环境限制，主要用于深空通信。有线光通信即光纤通信，是以光纤为传输煤质的通信方式。光纤是由玻璃、塑料等材料通过一些特定方法拉制成能传输光的细长纤维。光纤由纤芯和包层组成，呈圆柱形。光纤通信的基本原理：当光入射到光纤的纤芯时，纤芯与包层的界面产生向内反射，使光波受到引导而局限于纤芯内部向前
23、传播。一个基本的光纤通信系统由光发送机、光纤线路、光接收机组成。光发送机基本功能是把电信号转换成光信号，把光信号送入传输光纤，它主要由光源和驱动电路构成，常用光源器件有LED和LD，电流经过发光二极管，发射出一定波长的光子，完成电和光的转换。光接收机主要由光检测器件和均衡放大电路组成。光检测器件常用的有PIN和APD，传输线内光子经过光电二极管时产生电流，从而实现光电还原。2.2有关光纤的基本理论2.2.1 光纤结构光导纤维(fiber)简称光纤，是光纤通信的物理基础。光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。纤芯的折射
24、率n1，包层折射率n2，光能量在光纤中传输的必要条件是 。纤芯的作用是传播光信号，包层的作用是为光提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。纤芯和包层的相对折射率： (2-1)图2. 1 光纤结构图光纤的重要光学参数：数值孔径NA光纤的数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力的物理量,体现光纤接收和传输光的能力。所谓“捕捉光射线”的含义是这样的：由光源射出的光射线，从几何光学的角度来看，并不是所有射向光纤端面的光都能在纤芯中满足全反射条件，只有那些能够在纤芯中满足全反射条件形成导波的光射线，才认为是能被光纤捕捉到的光射线，这些射线在光纤中满足全反射条件而在纤芯中传输。数值孔径用NA表示。根据折射定律
25、，经过推导可得出它的表达式为： NA (2-2）数值孔径越大，就表示光纤捕捉光射线能力就越强。2.2.2 光纤的种类 按其本身的材料组成不同，可分为以二氧化硅（石英玻璃）为主要成分的石英光纤；有以多种组份玻璃组成的玻璃光纤；有在某种试管内充以一种传光的液体材料组成的液芯光纤；有以塑料为材料的传光传像光纤。近几年还出现一种石英光纤作芯和包层，外涂碳素材料的高强度光纤。若按光纤横截面上的折射率分布来分，有突变型光纤、渐变型光纤、W型光纤等。若按光纤内部能传输的电磁场的总模数（严格地说是指能允许激励的总模数）来分，可分为多模光纤和单模光纤。若按传输光的波长来分，又可分为以下的短波长光纤和以上的长波长
26、光纤。2.2.3 光纤传输特性光纤的传输特性有色散特性、损耗特性、温度特性和机械特性。光纤色散指在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散，色散是光纤通信的一个重要特性。由于光纤中色散的存在，会使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量和传输距离。色散是造成信号的畸变的主要原因。色散对光纤传输系统的影响：如果信号是模拟调制的，色散限制带宽（Bandwidth）；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽（Pulse broadening）。色散通常用3dB光带宽3dB或脉冲展宽表示。光波在光纤中传输
27、，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离。形成光纤损耗的原因很多，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。光纤本身损耗的原因，大致包括两类：吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。光纤的温度特性和机械特性是非常重要的两个物理性能参数，它保障光缆的可靠性和使用寿命。在设计光纤通信系统时，必须考虑光缆的高、低温循环试验，以检验光纤的损耗是否符合指标要求。光纤的机械特性
28、为了保证光纤在实际应用时不断裂，而且在各种环境下使用时，具有长期的可靠性，就要具有一定的机械强度。2.2.4 光纤通信所用的波长光波是人们熟悉的电磁波，其波长在微米级相对应的频率非常高(约为1014Hz1015Hz)，因而它特别适于作宽带信号的载频。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，波长为0.8m1.8m可分为短波长波段和长波长波段，前者中心波长为0.85m，后者工作波长是1.3m和1.55m。这些都是作为主流石英光纤的工作波长，对于本文讨论的是塑料光纤，它的一般工作波长为650nm，属于短波长波段。2.2.5 光纤通信的优点光纤通信之所以能够飞速发展，是由于它具有以下的突出优点而决定
29、的：1）宽频带，高速度，大容量。由于作为载波的光波频率很高，容许频带很宽，尤其适合高速宽带信息的传输，因此必将成为未来的高速通信干线和宽带综合服务通信网络等“信息高速公路”的主要媒质。2）由于光纤的损耗很小(现已做到0.154dBkm以下的数值)，中继距离很长且误码率很小。在运用频带内，光纤对每一频率成分的损耗几乎是一样的，因此在中继站和接收端只须采取简单的均衡措施就可以，甚至可以不加均衡措施。在采用先进的相干通信技术，光放大技术和光孤子等通信技术之后，通信距离可提高到几万公里甚至几十万公里。因此，它十分适合于长途干线通信、海底光缆通信和各种接入网。3）抗电磁干扰能力好，光纤通信不怕雷击，不受
30、各种电磁场干扰，还具有抗核辐射能力；同时光纤是电的绝缘体，因此通信线路的输入端和输出端是电绝缘的，这就没有电位差和接地的问题，不会有产生电火花的危险，因此十分适合于电气铁道、高压电力线附近以及易燃易爆环境的通信。光纤架空地线（OPGW）已在电力系统中发挥重要作用。4）泄露小，保密性能好。实际传输中光泄露非常小，随着最近几年光纤制作技术的提高，在一般应用中几乎可以忽略。很难被窃听，保密性强，对于军事、政治和经济有重要意义。6）资源丰富，成本可降低，经济效益可观。光纤的原材料是石英和塑料，来源十分丰富，可以说是取之不尽，而地球上的金属储存量是有限的。使用光纤材料作传输媒质，节约金属材料，有利于资源
31、合理使用，有利于环保和社会可持续发展。7）另外光缆重量轻、体积小，便于敷设和架设。塑料光纤比石英光纤更轻，运输、架设、接续更容易。2.3 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成如图2.1所示，这是最基本的组成原理方框图。它包括发送、传输和接收三个部分。加上适当的接口以后，就可作为一个独立的“光线路”插入现有的或新架设的通信系统中，根据所传信号的形式，可以把光纤通信系统分为数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统两大类。因为光纤的频带很宽，对传输数字信号十分有利，所以高速率、大容量、长距离的光纤通信系统均为数字光纤通信系统，短距离、小容量的光纤通信系统通常采用模拟光纤通信系统。在图2.1中，可以看出，不
32、管是模拟光纤通信系统还是数字光纤通信系统，图中的几个部分是必不可少的。驱动电路电调制器电信号光中继器光接收电路解调器电信号图2. 2 光纤通信系统组成框图2.4 光器件光纤通信系统中的光器件大体上为两类：无源光器件和有源光器件。有源光器件包括完成电光、光电转换的光端机或放大器等，这里不作过多介绍。光无源器件包括光纤连接器、耦合器、光衰减器、光隔离器。下面简要说明这些光器件的原理或应用。2.4.1 光纤连接器光纤连接器，又称光纤活动连接器，俗称活动接头。它用于设备(如光端机，光测试仪表等)与光纤之间的连接、光纤与光纤之间的连接或光纤与其他无源器件的连接。它是组成光纤通信系统和测量系统不可缺少的一
33、种重要无源器件。光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的端面对准、贴紧并能多次使用。由于光纤的芯径很细，是在微米级，因此，对其加工工艺和精度都有比较高的要求。为此，光纤连接器应满足如下条件：连接损耗小，拆装方便，稳定性好，重复性好，互换性好，体型小，价格便宜。光纤活动连接器的分类：活动连接器按纤芯插针、插孔的数目不同分，有单芯活动连接器和多芯活动连接器两类；按结构不同分，有FC型、ST型、SC型、SMA型、D4型等类；按光纤插孔端面形状不同分，有PC型、APC型两种；按功能分有插头、插座、转接器三类。2.4.2 光纤耦合器在光纤通信系统或光纤测试中，经常要遇到需要从光纤的主传输信
34、道中取出一部分光，作为监视、控制等使用，也有时需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，在上述情况下，都需要光耦合器来完成。2.4.3 光纤衰减器当输入光功率超过某一范围时，为了使光接收机不产生失真，或为了满足光线路中某种测试的需要，就必须对输入光信号进行一定程度的衰减。因此，光衰减器是光纤通信线路或测试技术中不可缺少的无源光器件。目前常用的光衰减器衰减光功率的方法主要采用金属蒸发膜来吸收光能进行光衰减，衰减量的大小与膜的厚度成正比。2.4.4 光隔离器光隔离器是保证光信号只能正向传输的器件，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器，而影响了激光器的工作稳定性。第三章 塑
35、料光纤塑料光纤(POF)是一种低成本、重量轻、便于安装使用、柔软的数据传输介质，它特别适合于短距离、中小容量、使用连接器多的系统(如接入网)。与铜线电缆相比，塑料光纤不受电磁干扰、无电磁辐射。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基POF的成本大致与双绞线相同，但在100200 m内带宽可达1 GHz以上，而双绞线不仅带宽小，而且传输距离只有4.5m。同轴电缆带宽增至数百数千MHz时，传输距离也在l00m内，且成本较高。与多模石英光纤相比，塑料光纤较柔软、容易安装和维护，特别重要的是POF芯径通常为0.5 mm或更大，而多模石英光纤芯径为62. 5um或50um。芯径大10倍左右的POF连接对准容易，对
36、于纤芯直径为980 u m的阶跃型POF和纤芯直径为500 u m的渐变型POF，连接中即使有30 um的偏移并不严重影响耦合损耗(约增加损耗0.03dB)，可以使用廉价的注塑连接器，从而显著降低系统的总成本。3.1 塑料光纤的应用范围网络成本的降低、性能的提高（速度更快）、数字电子的引入、电磁干扰的减少以及相关标准的制定与完善正推动着电信、消费电子、汽车以及工控市场的迅猛发展，而这四个市场的进步又促使塑料光纤技术逐渐成为光通信产业的主流。同时，POF技术还在低损耗、高性能、氟化聚合物梯度折射率塑料光纤和新型光源方面具有诱人的魅力。在现有的有线传输介质中，长距离、大容量(单通道10 40Gbi
37、t/s再利用波分复用几十至几百个信道，信息传输速率达T bit / s以上)系统，无疑属于石英单模光纤式的应用领域。而短距离、中小容量系统，现在主要是铜线电缆的应用领域，但随着塑料光纤的发展，它和相关元器件成本的下降，加上用户对带宽需求的增长，早晚会被POF所替代。塑料光纤是局域网(如汽车、飞机、办公室、住宅、工业控制等网络)以及大的电信系统与计算机之间互连等首选的传输介质。它能提供增加带宽而对现有局域网基础结构不必进行昂贵的拆修。3.1.1 POF在家庭和公寓网络方面的应用对于家庭和公寓，过去的布线分别使用电话线、无屏蔽对绞线缆和同轴电缆等，而下一步为了给用户提供方便、降低布线的总成本，家庭
38、和公寓的布线将是一根布线。目前家庭和公寓用一根布线传输所有的业务需要几十至几百MHz的带宽，而今后随着业务需求的增长(如需要对话式在线购物、在线医疗咨询、在线教育、高清晰度彩色电视等)，需要千兆比特速率以上的信息通过家庭网络。单个住宅可能100 m缆线就可覆盖，而一些公寓，特别是高层公寓房间中要装光缆就需要达200 m的距离。从布线施工成本考虑，有人估计，日本现在用玻璃光纤的布线施工总成本中，布线和连接器的安装费用占60-70%，光缆占10%，其它元器件占2030%。由于家庭布线有许多连接点，所以降低布线施工费用需要采用廉价且便于连接的连接器，这恰好是大芯径POF能实现的途径。3.1.2 PO
39、F在汽车网络的应用汽车多媒体网络的带宽需求主要是以声频和视频为基础的，如移动电话、传真、CD播放机、语音控制设备等，由于一辆车内有限的乘客和他们有限的信息处理能力，所需带宽有一个上限，估计近期和中期，需要约520MHz的系统带宽。如果将来在车内引入驾驶员辅助控制系统(例如建立视频处理系统，帮助驾驶员控制和导航等)，则要提供100Mbit/s800Mbit/s的数据速率。成功案例：今天己有利用4Mbit/s光学D2B(Domestic Digital Bus)的高端汽车在生产。它是Daimlerchrysler 1998年在Mercedes车内引入的第一个信息网络。车内数字音响都可利用这些POF
40、系统。布局是一个单环状结构，数据速率可达5.6Mbit/s，采用耦合功率为-13dBm的660nm发光二极管和损耗为200dB/km、1mm芯径PMMA SI-POF （NA=0.5）。3.1.3 POF在飞机中的应用波音公司等正在积极开展POF在飞机中的应用，因为一方面可以通过由POF组成的通信网络，从接入的共同网络和国际互联网中，为旅客提供个人所需的电影、视频游戏、购物等服务；同时由于塑料光纤重量轻，可以大大降低飞机的载重量。3.1.4 POF在互连网中的应用互连需要塑料光纤的地方可能包括系统内和局内的互连。第一个塑料光纤在电信平台的应用是最近在Lucent Technologies Wa
41、ve Star DACS。它是在通常直径为的1 mm PMMA POF上分布155Mbit/s的定时控制信号。3.2塑料光纤的技术性能3.2.1 塑料光纤的物理结构构成光纤的芯与包层都采用塑料材料。与大芯径50/125m和62.5/125m的石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤的芯径高达2001000m，其接续时可使用不带光纤定位套筒的直注塑塑料连接器，即便是光纤接续中芯对准产生 30m偏差都不会影响耦合损耗。塑料光纤结构使得其施工快捷，接续成本低等优点。另外，芯径100m或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪音。3.2.2 塑料光纤的类型迄今为止的POF，按折射分布分为二类结构：一类是阶
42、跃型(SI)，另一类是渐变型(GI)。最常用的纤芯材料是聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）。3.2.3 塑料光纤两个重要的性能指标损耗 塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和色散损耗，PMMA芯塑料光纤在650nm波长的理论损耗极限是l00dB/km左右，来自C-H键拉伸振动的本征吸收。实际做成的这类光纤传输损耗在120-300dB/km (650nm波长).其中GI-POF比SI-POF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PMMA共聚所形成的GI-POF，很难达到与纯PMMA同样低的损耗。PMMA的低损耗传输窗口，除650nm附近外，还有580nm和520nm附近二
43、个窗口（详见图4.1）。如果用氟原子替换碳氢键中的氢所组成的氟化塑料材料，构成全氟化聚合物GI-POF，不仅本征衰减减小，而且色散也降低了。在650nm处总的损耗为47dBKm，其中散射损耗、吸收损耗、结构损耗分别为41、2、4 dBKm，850nm处总的损耗为41dBKm。1300nm处以达到总损耗为16dBKm。图3.1 典型的PMMA芯POF损耗谱带宽 阶跃型塑料光纤 大数值孔径（NA）阶跃型塑料光纤的NA在0.5左右，带宽可以达到40MHz100m。其在工业控制和汽车中的应用已经成熟，但由于带宽较小，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0.250.3。为
44、了保证良好的连接性能，NA值不能太小。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，使带宽提高到210MHzKm。PMMA渐变型塑料光纤因材料色散较大，在650nm波长的带宽仅为3GHz100m。而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100GHz100m，比石英多模光纤的带宽更大。3.3用于塑料光纤通信系统的光源和光检测器塑料光纤通信网络的工作带宽取决于塑料光纤、光源和光检测器的带宽。目前，用于高速塑料光纤通信网络的光源和光检测器正在积极的开发中。3.3.1 光
45、源光源应该满足塑料光纤对光源的波长、谱宽、光线发散角和输出功率的要求。塑料光纤的直径较大（0.51mm），并且数值孔径较大（0.250.5），由于通常高速半导体光源的发光面在50m左右，因而与塑料光纤的耦合无需精确对准。半导体激光器（LD）的谱宽窄、光线发散角小，可以获得较高的带宽性能，但对温度较为敏感，价格较为昂贵。半导体发光二极管（LED）的谱宽和光线发散角比LD大，带宽性能不如LD，但可靠性和温度稳定性比LD高，且价格便宜，在短距离网络中应用颇具吸引力。在650nm波长，PMMA塑料光纤的损耗最小，AlGaInP LED的最大输出功率已达3.5mW，发散角70；谐振腔LED（RCLED）
46、的最大输出功率已达4.2mW，谱宽3nm，速率可达250Mbps；3.3.2 光检测器高速塑料光纤网络需要高速、大光敏面和量子效率高的光检测器。雪崩光电二极管（ APD）的灵敏度高，但因偏置电压高、价格贵和稳定性的问题而不宜用于短距离通信网络。因此，在短距离通信网络中使用PIN光电二极管（PIN-PD）是一种比较好的选择。 3.4塑料光纤的展望由于塑料光纤既具有石英光纤的带宽大、抗电磁干扰和易成缆的特点，又具有成本低和易于铺设等优点，必将成为短距离通信网络的主要传输媒质。塑料光纤的应用领域越来越广，国外在塑料光纤的应用开发上已取得了较大的成果，且不断在加大新的应用研究投入，我国亦应就塑料光纤的
47、研究和发展予以密切注视。但在实际调研中我发现，在国内，相当数量的研究机构与企业间的合作关系还不够紧密，在一定程度上导致有些技术即使已取得实质性进展却不能适时的实用化，同时企业获得市场与技术方面的相关信息也较困难。POF开发者自身将目标定得过高，将主要的精力投入到高端产业中，无疑这些产业需要更高的进入门槛和更先进的技术，使得本应成为POF主流的市场仍在大量使用铜缆，因此本来应该很便宜的价格设备，也因为未普及而显得有些昂贵。如果国内的POF产业从具有实用性的中低端产业作起，在逐步占领这些市场基础上，再向高端产业发展，相信会发展的得更快、更好。第四章 塑料光纤通信系统的设计方案4.1 塑料光纤通信系统方案设计塑料光纤通信系统设计方案的确定是整个设计过程的首要和关键问题，在学习研究了国内外大量的相关资料之后，顺应光纤和塑料光纤通信系统发展的新趋势，在设计时，突出以下设计思想：具有相对独立性，可扩展性，可靠性和易管理维护性，以及一定的实用性和前瞻性。经过对几种初步方案反复比较论证后，最后确定了性能较为可靠而且又切实可行的设计方案：就本塑料光纤通信系统，采用现在研究较少的塑料光纤（POF）传播媒质，采用混合集成的光电转换收发模块HFBR-1505A/2505A作收发模块，并采用光纤活动连接器和本塑料光纤通信系统配套的SMA型号相搭配。4.2 数字光纤发射机设计调制器编码器电端机
