（光学专业论文）局域网pof波分复用系统的研究.pdf

华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 i 摘摘 要要 在网络连接技术突飞猛进的今天，塑料光纤以其芯径大、数值孔 径大、耦合效率高、挠曲性好、重量轻、成本及加工费用低等优点在 各类光纤中尽突显现，作为短距离通信网络的理想传输介质，在未来 家庭智能化、办公自动化、工控网络化、车载机载等小型局域网的数 据传输中具有重要的地位。相比于石英光纤，塑料光纤的诸多优点， 使得它成为解决全光网络中“最后一公里”高速宽带通信的最佳技术 途径。 塑料光纤（pof）在短距离通信中正在逐步取代铜线和石英光纤 等传统媒质， 而目前的 pof 网络基本上采用的大多是 650nm的单波长 通信方式，限制了通信带宽。突破带宽限制的一种解决方案是采用多 波长方式，即波分复用（wdm）技术。本文提出一种基于局域网数据 传输的 pof 波分复用系统，将 eia/tia568 标准的 8 线 utp 电信号 转换为 4 个波长的光信号，由一根塑料光纤传输。 文中首先介绍了塑料光纤波分复用系统的原理， 详细介绍了系统 中各个部分的工作原理及特性参数， 给出了 pof/utp 转换器的设计方 案，并对相关器件进行了选型；实验制作了塑料位相光栅型波分复用 /解复用器，阐述其工作原理，并在标量衍射理论和矢量衍射理论的 基础上，分析了衍射特性，证明了+1（或-1）衍射级适合作为波分复 用器的衍射级，在一定的光栅刻槽深度和入射角条件下，可得到+1 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 ii 衍射效率最大值；实验研究了衍射效率与光束入射角的关系，以及偏 振相关性，得到在 480nm680nm的波长范围内，偏振相关损耗pdl 值小于 2.2db，结果表明所设计的塑料相位光栅型波分复用/解复用 器能满足实际应用的要求。 关键词关键词：塑料光纤；波分复用；塑料相位光栅；衍射效率；局域网 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 iii abstract nowadays, as the network connection technology advancing with leaps and bounds, compared with other optical fibers, plastic optical fiber (pof) has its attractive properits: low modulus, large core diameter, a large na, high coupling efficiency, high plasticity, light weight, low cost, easily connected, etc. as an ideal transmission medium for the short-distance communication network applications, pof will has an important position for data transmission in the home intelligence system, office automation, engineering control networking, in-vehicle or airborne communication network in the future. compare with silica fibre, pofs attractive properits make it become the best way to solve the problem of the last 1 killometers in the all-optical network. pof replace the established communication media as copper and glass step by step in short distance communication systems. the state of the pof communication systems are working on single wavelength at 650nm. the using of only one wavelength for communication limits the bandwidth. one solution to breakthrough this limitation is to use more than one wavelength over one single fiber, this is so-called wdm (wavelength division multiplexing). hence the goal of this paper is to develop a new method for local area network(lan) data links by wdm transmission over pof, by means of converting a eight-wire utp signals 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 iv of the standard eia/tia-568 into four-wavelengths/colors of optical waves into one fiber. in the paper, we first introduced the principle of wdm system based on pof, the working pinciple and characteristic parameter of each part of the system are introduced in detail, and pof/utp converters design solution and the selection of correlation elements are given. the plastic phase gratings are experimental replicated and theoretical analyzed. and on the basis of the scalar diffraction theory and the vector diffraction theory, we analyzed its diffraction characteristics and some results are obtained, including the first diffraction order is the best optical path for wdm system, and the gratings have the highest diffraction efficiency of the first diffraction order under adequate height of grating groove and beem incident angle. and the diffractive efficiencys relationship with beam incident angle, and polarization dependence have been experimentally studied. in the wavelength range of 480-680nm, the polarization dependent loss (pdl) of plastic phase grating is no more than 2.2db. the results show that this wavelength division multiplexer/demultiplexer based on plastic grating is valid and feasible in actual application. keywords：pof, wdm, plastic phase grating, diffractive efficiency, lan 原创性声明 原创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成 果。论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考 他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享 有和承担由此论文所产生的权利和责任。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权声明 学位论文版权使用授权声明 本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学 位论文和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅。 论文作者签名： 指导教师签名： 签 名 日 期： 签 名 日 期： 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景 1.1 课题研究的背景 目前，宽带数据业务呈爆炸式的增长，通信道路越来越拥挤，传统的铜缆接 入网已经逐渐不能同时满足用户对因特网、电视会议、可视电话、视频点播、互 动网络电视等多媒体宽带业务的需求。为了满足这种需求，通信的发展已从单一 的的话音业务向集语音、数据和图像为一体的多媒体通信发展1，因此网络瓶颈 问题亟需得到解决。光纤通信以其廉价、频带宽等优点，被认为是电信史上的最 重要的一次革命，在电信网中得到了大规模的应用。光纤到户（ftth）是光纤通 信进一步发展的方向，现今都认为 ftth 是最理想的宽带接入方式，因为 ftth 不但能提供更大的带宽2,3，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的 透明性，放宽了对环境条件和供电等方面的要求，简化了维护和安装。但在实际 运用当中，由于石英光纤芯径非常细（单模光纤直径仅为 810m） ，端面处理 困难，难以进行频繁的连接，且连接成本昂贵。目前的现状是已实现光纤到大楼 （fttb） 、光纤到小区（fttz） 、光纤到路边(fttc)，却难以跨越光纤到户（ftth） “最后一公里”这一步之遥4。 1.1.1 光纤通信的发展现状及趋势 1、国内外光纤通信的发展 1.1.1 光纤通信的发展现状及趋势 1、国内外光纤通信的发展 在通信领域，光纤相对于传统的铜缆有着无法比拟的优势，它具有传输容量 高、中继距离长、布网成本低、传输质量高且稳定、抗干扰性好、使用寿命长等 诸多优点。 继 1966 年英籍华人高锟发表了论文光频介质纤维表面波导及 1970 年美 国康宁公司生产出 20kmdb/的石英光纤，随着光传输理论的完善和光纤制造工 艺的改进，石英光纤从多模发展到单模，工作波长从 850nm发展到 1310nm和 1550nm，传输速率从几十mbps发展到几十gbps，在 20 实际 80 年代初，单模 光纤在波长为 1550nm时的损耗就已经降到了 0.2db， 接近了石英光纤的理论损 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 2 耗极限5。在光纤损耗降低的同时，光纤通信用光源半导体激光器也问世了， 且质量、寿命也得到不断的提高，完全满足实用化要求，1979 年美国 at&t 公司 和日本 ntt 公司研制成功了 1550nm波长的连续振荡半导体激光器。 1976 年美国在 atlanta 进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展 到了商业应用的新阶段6。短短的 40 几年间，低损耗光纤和连续振荡半导体激 光器的不断发展，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤的价格不断下降， 应用范围也不断扩大。 从 20 世纪 70 年代初我国开始发展光纤通信以来，70 年代末就进行了光纤 通信系统现场试验，到 20 世纪 80 年代中期，数字光纤通信的速率已达到 144mbps，可传送 1980 路电话，超过同轴电缆载波。此后，光纤通信逐渐被采 用为主要通信方式，在传输主干线上全面取代铜缆。90 年代初我国就开始了光 纤通信系统的大量建设，市话中继、省内干线、国家干线，包括农村通信都用光 缆逐渐取代电缆，建设现代化的电信网，经过国家“六五” 、 “七五” 、 “八五”和 “九五”计划，完成了“八纵八横”国家干线。2005 年，烽火通信科技股份有 限公司进行了 3.2tbps（8040gbps）dwdm 系统上海至杭州段的 800km传输试 验并取得成功，成为当时世界上容量最大的实用线路。 2009 年初，中国的电信业重组形成了中国移动、中国电信、中国联通三大 运营商并存的局面， 并各自获得工信部发放的 3g 牌照， 中国进入了 3g 通信时代， 而 3g 移动通信网的建设也需要光纤网来支持。2009 年上半年，国内光纤需求量 首次超越美国，成为全球最大的光纤需求国，尤其在全球金融危机的影响下，国 内光纤市场成为全球光纤市场最为活跃的地区。2010 年 1 月，国务院召开国务 院常务会议，决定加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合的发展，实现 三网互联互通、资源共享，为用户提供话音、数据和广播电视等多种服务。三网 融合将会极大地刺激相关制造产业，特别是光通信产业和电子信息产业的发展。 近两年，国内电信运营商也在大力实施“光进铜退”战略，即“光纤逐步向 用户端延伸，最终实现光纤到户（ftth）和光纤到桌面（fttd） ；铜缆逐步向用 户端退缩，并最终退网。 ”由此，可大大加快传输速度和数据流量，同时又降低 网络建设成本，节省铜资源。 中国光通信设备产业近年来一直保持 3040%的较高增长速度，已成为中国 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 3 发展最快的产业之一。目前，中国已经形成了较完整的光纤通信产业体系，涵盖 了光纤、光传输设备、光源与探测器件、光电器件等领域，国内市场所需的光通 信产品 80%以上实现了本地化生产。据资料统计显示，2008 年中国光通信市场年 度增长率达 18%以上，整体规模为亿元人民币；预测到 2012 年，中国光通信市 场规模将超过 400 亿元人民币。 短短的 30 几年的时间，我国的光通信已跻身世界前列，随着宽带业务的发 展、网络需要扩容等，光纤通信仍有巨大的市场。 2、光纤通信的优点 2、光纤通信的优点 光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率要高出几个数量级，且作 为传输介质的光纤又比同轴电缆损耗低得多，因此相比传统的电缆或微波通信， 光纤通信具有频带宽、损耗小、传输质量好、重量轻、抗电磁干扰性能好、保密 性强等一系列优点5-7。 （1） 频带宽，传输容量大 由于光纤通信使用的光波具有约hz 14 10的超高频率，因此光纤通信具有很 大的通信容量。目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为 2.5gbps和 10gbps，采用外调制技术和波分复用（wdm）技术，传输速率可达 40gbps。 （2） 损耗小，中继距离长，误码率低 电缆每公里的损耗通常在几分贝到几十分贝，而石英光纤在 1310nm和 1550nm波长时的传输损耗分别为 0.5kmdb/和 0.2kmdb/，因此光纤比同轴电 缆的中继距离要长得多，采用分布式拉曼放大技术已能做到使 3240gbpswdm 系统的无中继距离达到 250km，且误码率极低（小于 9 10） 。 （3） 抗电磁干扰性好 传统的铜缆通信系统在使用中经常遇到诸如因铜缆和局域网（lan）设备上 累计的静电放电、lan 设备直接和交流电源接触、耦合到铜缆系统上的高频电磁 场等电气危害8,9，这些危害很可能导致 lan 设备甚至计算机的损坏。而光纤由 电绝缘的石英或者聚合物材料制成， 因此光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和 闪电雷击的损坏，非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤 矿等易燃易爆环境中使用。 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 4 （4） 重量轻，体积小，便于敷设和运输 光纤的直径很小且重量很轻，即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量 还是比电缆轻得多，体积也小很多，可以用于航天航空和解决地下管道拥挤的问 题，也不用考虑接地和屏蔽问题。 （5） 泄漏小，保密性好 光纤中传输的光泄漏是非常微弱的，即使在弯曲的地段也无法窃听，这是电 缆无法比拟的。 3、光纤通信的发展趋势 3、光纤通信的发展趋势 目前，光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家 信息基础设施的支柱。光纤通信的发展趋势主要体现在以下几个方面： （1） 传输体制的转变。传统的光纤通信是以准同步传输体制（pdh）为基 础的，但随着用户对网络的要求日益提高，已逐渐被可灵活分插入高速低速信号 且智能管理的同步数字体系（sdh）所替代。而现在的通信网正在从 sdh 网向 ip 网过渡，发展光网络也需考虑 ip 化，还要进一步发展快速光交换机、光路由器。 （2） 向超大容量、超高速系统发展。传统的光纤通信发展始终在按照电时 分复用（tdm）方式扩容，目前商用系统的速率已达 10gbps 10。理论上，tdm 系统的速率还可进一步提高（如实验室可达 40gbps） ，然而电的 40gbps系统在 性价比上并不具优势，因而人们转向了光复用的方式上，其中波分复用（wdm） 方式已进入了大规模商用阶段。 （3） 向全光网络发展。wdm 技术尽管拥有巨大的传输容量，但仍是以点到 点通信为基础的系统，wdm 技术加全光节点技术才是全光网络，在交换节点上实 现光分插复用（oadm）功能和光交叉连接（oxc）功能将是一种趋势。 （4） 向光接入网发展。现存的接入网 90%以上都是双绞线铜缆接入，随着 核心网带宽的提高和用户端带宽需求的快速增长， 铜缆接入网已远远不能满足实 际的需求，唯一能够根本上彻底解决这一“瓶颈”问题的长远技术手段是光接入 网，而无源光网络（pon）更是最近的发展热点。 自从我国步入 3g 时代后，无线接入技术发展迅速，采用无线接入似乎更方 便，少去了布线的麻烦。然而无线接入虽然可以满足数据传输的需要，但其带宽 较小，当使用的人群增多时，基站恐难以应付，因此例如一些数据量比较大的高 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 5 清实时视频（如 hdtv）仍需要采用光纤通信。 ftth 是光纤通信进一步发展的目标。目前，发达国家 ftth 建设普遍开展， 日本、韩国和美国比较发达，采用各种无源光网 pon 和以太网技术。中国的运营 商和房地产开发商已对 ftth 进行了试点，但在我国目前似乎仍是“看得见摸不 着” ，虽然技术问题已经解决了，但是其高昂的铺设费用，让很多人望而却步， 无法大范围推广。因此，短距离塑料光纤通信系统应运而生。 1.1.2 塑料光纤在通信中的发展与应用 1.1.2 塑料光纤在通信中的发展与应用 目前， 除了建设高速、 长距离的骨干网外， 高速短距离通信也变得非常重要。 据有关资料统计，今后的光纤通信发展中，由于干线网的建设已逐渐饱和，接入 网中的光纤通信将占主要部分11。塑料光纤不但具有光纤的优点，且其芯径大、 耦合效率较高、柔韧性好、抗弯曲、接续快捷方便、价格便宜，是短距离宽带通 信网的理想选择，并有望取代金属电缆而成为短距离高速率的传输介质的核心 12-15。 1、塑料光纤的优势 1、塑料光纤的优势 塑料光纤（plastic optical fiber，简称 pof）是一种由高透明聚合物如 聚苯乙烯 （ps） 、 聚甲基丙烯酸甲酯 （pmma） 、 聚碳酸酯 （pc） 作为芯层材料， pmma、 氟塑料等作为包层材料的的可传输信号的光波导16-18， 不同的材料制成的塑料光 纤具有不同的光衰减性能和温度应用范围。 表 1.1.1 几种传输介质的比较 传输介质 双绞线 同轴电缆石英光纤塑料光纤 价格 高 一般 贵 一般 损耗 高 高 最低 稍高 连接 容易 较容易 难 非常容易 工作媒介 电 电 红外 可见光 数值孔径 - - 低 高 带宽 低 低 最高 高 电磁干扰 高 低 没有 没有 单段最大距离 100m 185m 几十公里100 到几百m 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 6 如表 1.1.1 所示，相比铜缆双绞线、同轴电缆和石英光纤，塑料光纤具有芯 径粗（典型值为 1mm） 、数值孔径大（na值为 0.30.5） 、对接容易、价格低、 弹性模量低、可挠性好（可承受 6%13%的可恢复性应变）等诸多优点，在短距 离通信和光纤传感方面具备石英光纤所不具备的优点。 衡量塑料光纤性能好坏的 指标19,20主要有： （1）衰减 塑料光纤的衰减主要取决于其所选用材料的散射损耗和吸收损耗， 通信用的 塑料光纤损耗一般不高于 180kmdb/。 （2）带宽 塑料光纤根据其结构也可分为阶跃型(si)和渐变型(gi)，gi 型 pof 折射率 由芯径向包层逐渐降低，折射率呈梯度分布。如果折射率分布妥当，便可抑制模 色散，保持大的数值孔径，再选择时注意材料色散，便可获得带宽为数kmghz 的塑料光纤。 （3）连接性 通信用的塑料光纤多采用直径为 1mm的光纤，约为石英光纤的 1020 倍， 大芯径的塑料光纤连接时要比石英光纤容易得多。 （4）耐热性 塑料光纤的耐热性主要由其成分性能决定， 采用耐热性好的材料制成塑料光 纤具有比较好的耐热性。 2、塑料光纤在局域网通信中的应用 2、塑料光纤在局域网通信中的应用 塑料光纤的研究始于 20 世纪 60 年代，1968 年美国杜邦公司用聚甲基丙烯 酸甲酯为芯材制备出了塑料光纤，但其光损耗较大，难以用于通信。随着四十年 来芯材的选择与制备工艺的改善， 近几年欧日等国对塑料光纤的研制取得了重要 的进展，它们研制出的塑料光纤，光损耗已降到 259kmdb/，国内江西大圣塑 料光纤有限公司自主研发、产业化生产的通信用 pmma 塑料光纤也已达到了世界 先进水平，这使塑料光纤应用于短距离局域网通信成为可能。 目前，大多数局域网使用非屏蔽双绞线（unshielded twisted pair，简称 utp）作为布线的传输介质来组网，但由于 utp 一旦遇到强电磁干扰，很容易引 起网络瘫痪，同时也存在着数据传输带宽上的“瓶颈” ，因此采用光纤代替网线 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 7 传输数据将是未来的发展趋势。而石英光纤芯径很细导致连接困难而成本较高， 其易脆断性和弯曲损耗也限制在狭窄空间中安装使用， 且熔接及器件成本较高使 其作为主力传输媒介受到了限制。 塑料光纤的芯径有 0.51mm，使得光源与光纤的连接、光纤与接收器、光 纤之间的连接不需像石英光纤那样高精度对准。 虽然 pof 的损耗相对石英光纤大 点，不适合用于长距离光通信，但它耐挠曲性良好，光耦合不需微调，不需要昂 贵的光纤连接器等外围器件，非常适合用作短距离光通信的传输媒质，它在短距 离内已有足够带宽满足 lan 水平布线的要求。同时，pof 的光源成本较低，而且 可以采用低价的光探测器和连接头，大大降低了整个系统的费用和成本。 塑料光纤网络作为解决“最后一公里”问题的建设方案虽然才刚刚起步，但 是其未来发展空间极大。近年来，为降低光纤网络终端用户的光纤接入成本，国 内外一些著名大学和研究所已竞相开发价格便宜、接续便捷、工作可靠性高的塑 料光纤通信系统，并取得了重大进展21,22。目前，已有不少塑料光纤应用于如车 载通信系统， 室内短距离通信系统的案例， 一些以基于塑料光纤通信用的光网卡、 光交换机、光波长转换器等产品也逐渐被开发出来。塑料光纤在高速短距离通信 传输中成本已与对称电缆相当，在 100m范围内传输带宽可达数ghz，使得利用 塑料光纤通信系统用于局域网并进一步实现 ftth 的方案具有可行性。 1.1.3 波分复用技术 1.1.3 波分复用技术 光载波的频率很高，光通信系统的带宽理论上可达 1thz，但由于光纤色散 或电子器件速度的限制，实际上常常被限制到不高于 10ghz。同可以通过电频 分复用来扩容一样，可以通过光频分复用来扩大传输容量，在发射端多个信道调 制各自的光载波，在接收端使用光频选择器件进行解复用，即构成了光波分复用 （wdm）通信系统。 波分复用技术对网络的扩容升级、发展如 catv、hdtv 等宽带综合业务、充 分挖掘光纤带宽潜力（99%的带宽资源尚待发掘） 、实现超高速通信具有十分重要 的意义23。采用 wdm 系统主要有如下几个优点： （1）可充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量迅速扩大几倍甚至达到百倍； （2）在大容量长途传输时可节约大量光纤和中继器，大大降低传输成本； 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 8 （3）与信号传输速率及电调制方式无关，能方便引入宽带新业务； （4）利用 wdm 实现网络交换和复用可望实现透明的全光网络。 鉴于 wdm 的诸多优点以及技术上的重大突破和市场的驱动， 近几年波分复用 系统发展十分迅速。 1.2 课题研究的依据和意义 1.2 课题研究的依据和意义 目前达到应用阶段的塑料光纤网络基本上采用的是 650nm单波长工作方 式，传输速率在 100mbps以下，限制了通信带宽。突破带宽限制的一种解决方 案就是采用多波长方式，即波分复用 wdm 技术。用单根 pof 代替 utp 和石英光纤 实现局域网数据传输方法，可以较好地在网络连接成本、传输速率和传输距离等 方面得到比较高的性价比。 高速大容量塑料光纤波分复用（wdm）网络系统24,25是一种全新的思路，而 波分复用技术需要两个关键元件：波分复用器和解复用器，因此各种低成本、易 制作的波分复用器/解复用器技术不断出现，如采用光栅高级次衍射法26、棱镜 分光法等。有文献27提到采用塑料光纤耦合器来实现 wdm，而这样成本比较高， 塑料光纤耦合器的制作也比较复杂。 为此本文提出采用一种廉价易于批量生产的 热模压成型的塑料相位型光栅作为波分复用/解复用的分光元件，并通过对其衍 射效率进行理论分析及实验测试。结果表明，该塑料相位光栅既能满足实际应用 要求，又大大地降低了成本。 本文第一章结合光纤通信的优点，介绍了光纤通信的发展现状及其发展趋 势；简单介绍了塑料光纤的特点，根据其相比于石英光纤的优势，介绍了 pof 在短距离局域网通信中的应用；最后简单介绍了波分复用技术。 第二章给出了局域网塑料光纤波分复用系统的原理及解决方案， 介绍了系统 中塑料光纤的传光原理、pof-utp 转换器的原理及其中光源和光电探测器的工作 原理和主要特性，最后给出了波分复用器的工作原理，推导了标量衍射理论和矢 量衍射理论下衍射效率的表达式，并对这两种理论进行了比较，在标量衍射理论 下，对塑料相位光栅型波分复用器衍射特性进行了分析，并做了相关实验进行验 证。 第三章主要从塑料光纤波分复用系统的原理出发，对系统中塑料光纤、 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 9 pof-utp 转换器中光源和光探测器等各个部分的相关器件进行了选型，并给出了 pof-utp 转换器的光发送和光接收电路。 第四章介绍了 pof 波分复用系统的编解码方案，从 cmi 编码的原理出发，给 出了 cmi 编码器、cmi 解码器的电路及整个系统的仿真波形，接着简述了模拟强 度光调制和数字强度光调制，最后介绍了未来 pof 通信的发展趋势。 第五章总结了全文的工作。 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 10 第二章 pof 波分复用系统的原理 第二章 pof 波分复用系统的原理 在局域网中， pof 传输系统与双绞线传输系统相比， 具有对电磁干扰不敏感， 也不向外辐射，不同数据速率下的衰减恒定，误码率可预测，能在电噪声环境中 使用等明显的优点；同石英光纤传输系统相比，又具有光纤可挠曲性强，对发射 接收终端终端设备要求比较低等优点，故可大大降低布网成本。 2.1 塑料光纤波分复用系统的原理 2.1 塑料光纤波分复用系统的原理 以太网是使用比较广泛的一种局域网技术，目前的以太网主要有10mbps以 太网、100mbps快速以太网、1gbps千兆以太网，采用pof为传输媒质的局域网 结构如图2.1.1所示，我们的目标也就是将现有的铜缆布线换成塑料光纤布线。 图2.1.1 pof局域网的结构 目前， 基于局域网的塑料光纤网络解决方案基本上采用的都是650nm单波长 工作方式，传输速率在100mbps以下，限制了通信带宽，而塑料光纤在可见光波 段还存在着其它几个低损耗窗口，因此本文提出了一种基于局域网数据传输的 pof波分复用系统，有效的提高了塑料光纤带宽的利用率，且成本低廉。 塑料光纤波分复用局域网数据传输解决方案如图2.1.2所示，在现有局域网 的基础上，将原来五类非屏蔽双绞线传输的电信号，通过pof/utp转换器转换为 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 11 光信号，再通过pof传输，即用一根pof替代原来的五类非屏蔽双绞线，这样在不 改变原有网络设备配置的情况下，实现集线器（hub）、路由器（route）和交换 机（switch）等与网卡间的塑料光纤连接，或两台电脑之间的塑料光纤连接。其 中，pof/utp转换器是该塑料光纤网络系统的重要组成部分，它用来实现传输媒 质转换所需的电光转换和光电转换。 图2.1.2 塑料光纤波分复用系统基本原理 2.2 传输媒质 2.2 传输媒质 信号的传输需要传输信道来承载，而信道可通过不同的传输媒质来实现。目 前，用于局域网的主要传输媒质如表 2.2.1 所示，本文主要对目前普遍使用的非 屏蔽双绞线和本系统所采用的塑料光纤加以介绍。 表 2.2.1 lan 的主要传输媒质 蓝牙 红外 微波 无线 光纤 双绞线 同轴电缆 有线 传输媒质 2.2.1 非屏蔽双绞线 1、双绞线 2.2.1 非屏蔽双绞线 1、双绞线 局域网中所使用的双绞线由8根不同颜色的线分成四对扭绞在一起，成对扭 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 12 绞的作用是尽可能减少电磁辐射与外部电磁干扰的影响， 双绞线可分为屏蔽双绞 线（stp）和非屏蔽双绞线（utp）28,29。stp外层加有金属网丝套的屏蔽层以减 小辐射，防止信息被窃听，同时具有较高的数据传输速率，但价格比较昂贵，安 装也比较复杂；utp外层无金属屏蔽材料，只有一层绝缘胶皮包裹，价格相对便 宜， 组网灵活。 除某些特殊场合 （如电磁辐射严重、 对传输质量要求较高等环境） 在布线中使用stp外，一般情况下我们都采用utp，五类utp因价廉质优而成为 100mbps快速以太网的首选介质。 在整个局域网布线中， 两端都有rj45端头的网络连线无论是采用端接方式a， 还是端接方式b， 在网络中都是通用的。 实际应用中， 大多数都使用t568b的标准， 通常认为该标准对电磁干扰的屏蔽更好。 2、rj45接口 2、rj45接口 rj45 接口通常用于数据传输，共有八芯组成，最常见的应用为网卡接 口，对应于图 2.2.1 中所示的 8 芯线。rj45 接头根据线的排序不同有两种， 即 eia/tia 的布线标准中规定的两种双绞线线序 568a 与 568b30（如图 2.2.1 和表 2.2.2 所示）。 图2.2.1 568标准线序 表2.2.2 568标准线序颜色分布 pin 1 2 3 4 5 6 7 8 568a 标准 绿白 绿 橙白蓝 蓝白橙 棕白 棕 568b 标准 橙白 橙 绿白蓝 蓝白绿 棕白 棕 一般情况下，计算机与交换机或 hub 相连，采用直通线（网线两端的 rj45 接头均采用同一标准）；两台计算机互连或 adsl 调制解调器与 hub 连 接，采用交叉线（网线两端的 rj45 接头分别采用标准 568a 和 568b）。 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 13 表 2.2.3 10/100base tx rj45 接口引脚定义 引脚 1 2 3 4 名称 tx+ tx- rx+ n/c 描述 发信号+发信号-收信号+空脚 引脚 5 6 7 8 名称 n/c rx- n/c n/c 描述 空脚 收信号- 空脚 空脚 10/100base tx rj45 接口是常用的以太网接口，支持 10mbps和 100mbps自适应的网络连接速度，其接口引脚定义如表 2.2.3 所示。一般情 况下，百兆计算机通讯只使用 1，2，3，6 这四根芯线来传输信号。本文的波分 复用系统也主要从这 4 根芯线入手， 将这 4 路信号集中到一根塑料光纤中进行传 输。 2.2.2 塑料光纤 2.2.2 塑料光纤 塑料光纤（pof）与非屏蔽双绞线相比，具有更高的传输速率和容量，且不 受电磁干扰影响；与石英光纤相比，具有模量低、芯径大（0.51mm）的特点。 塑料光纤的结构与石英光纤的结构是相同的，均由芯径和包层组成。pof一般以 聚苯乙烯（ps）、聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）、聚碳酸酯（pc）作为芯层材料， pmma、氟塑料等作为包层材料。 1、pof的光传输原理 1、pof的光传输原理 与石英光纤一样，光波在pof中传输的条件除满足光线在纤芯和包层界面上 的全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。根据光波在pof内折射 率剖面结构的不同，pof可分为阶跃型塑料光纤（si-pof）和渐变折射率塑料光 纤（gi-pof） 两种。si-pof沿纤径方向的折射率是均一不变的, 光在si-pof中 的传输方式为全反射式锯齿型； gi-pof沿纤径方向折射率是渐变性的且呈抛物线 型分布，折射率由轴心沿径向逐渐变小，在芯与包层的界面上纤芯折射率与包层 折射率相等, 光在gi-pof中的传输方式为正弦曲线型。 pof的纤芯直径/2a远大 于光波波长，因此我们可用基于几何光学的光线理论来近似分析pof的导光原 理。 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 14 （1）子午光线在si-pof中的传输 （1）子午光线在si-pof中的传输 子午平面指包含有光纤中心轴的平面，所谓的子午光线，就是光线的传播路 径始终在同一子午平面内，子午光线总是和光纤轴相交的，光在一种均匀介质传 播时是直线传播的，当光从一种介质进入另一介质时，在表面处同时发生反射和 折射。 图2.2.2 光纤的传输条件 pof是通过全反射原理进行光传输的。如图2.2.2所示，光在光纤端面以不同 角度从空气入射到纤芯，并不是所有的入射光线均能在光纤中传输的，只有当 入射角小于 max 时，使得光纤内的光线满足 c （为光线在纤芯中的入射 角， c 为临界角）时，才能在光纤中传输，即进入光纤中的光线在光纤内发生全 反射后返回纤芯以锯齿形状向前传播。而当 c 时，( )=，当 c 0时，( )为 常数。 因为衰减项( ) ()zp,相当于方程的解与()zexp的乘积， 为简化计算， 我们忽略此项，(2.2.8)可转化为 ()() 2 2 , + = zp d d z zp (2.2.9) 再根据边界条件 () () = = = 0 , 0, 0 zp d zp c (2.2.10) 可得在光纤长为z处，光纤端面的总光功率为 ( )() = c dzpzp 0 ,sin2 (2.2.11) 光纤传输z距离时，由模式耦合带来的损耗为 ( ) ( )0 lg10 p zp = (2.2.12) 2.3 pof-utp 转换器的原理 2.3 pof-utp 转换器的原理 在eia/tia-568标准中，千兆网卡需要使用双绞线中的四对线，即八根芯线 全部用于传递数据，而百兆网卡只需使用两对线（即四路电信号），其它两对空 着，因此采用四波长（颜色）的光信号通过波分复用到一根pof就可以完全取代 utp方式的网线连接，并且具有通用性。 pof/utp转换器是塑料光纤波分复用系统的重要组成部分， 其原理如图2.3.1 所示。它由发射部分和接收部分组成。将eia/tia-568标准的4路utp网线信号用 四个光波长(颜色)传输，其中用两个波长(颜色)发送，两个波长(颜色)接收，发 送光信号采用led光源，接收光信号采用pin光电二极管。不同波长的光信号由塑 料位相型光栅实现复用和解复用，由于位相型光栅具有很好的波长选择特性，并 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 18 且可以通过调节狭缝宽度来改变波长的分辨率， 所以很适合于在这里作为波长复 用和解复用光器件。 图2.3.1 pof/utp转换器原理 2.3.1 光源 2.3.1 光源 在本系统中，pof-utp转换器是把电信号转换成光信号、把光信号转换成电 信号的器件， 而光源是该转换器发送部分的关键器件。 在短距离光纤通信系统中， 最常用的光源是激光二极管(ld)和半导体发光二极管(led)。 led与ld在结构和工作原理上的主要区别是：led没有光学谐振腔，不能形成 激光，它的发光主要是利用注入有源区的载流子的复合而自发辐射的光，是一种 非相干光，其光输出功率相对较小，谱线宽度大（一般为2050nm），辐射角 也较大，仅适用于较小容量的短距离光纤通信；而ld在谐振腔内因振荡而激射出 来的光子，具有大小基本相同的频率，因此ld所发出的光谱线十分狭窄，仅有几 个nm，大大降低了光纤的色散，能适用于大容量、长距离的光纤通信。 ld温度特性较差，受温度影响大，其输出光功率会随着温度的升高而降低。 当温度从20上升到50时，ld的阈值电流会增加12倍，需加自动功率控制电 路来保证输出稳定的光功率，这就使其驱动电路相对比较复杂。相比之下，led 的温度特性比较好， 在100的温度变化范围内， 其发光功率的降低不会超过50%。 另外，led发光功率的大小基本上与其中的工作电流成正比关系，具有比ld良好 的线性度。 因为ld光源相对比较昂贵，综合ld和led的优缺特性，从成本上考虑，本塑 料光纤波分复用系统采用led作为系统的光源，其驱动电路也相对较为简单。 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 19 1、led的工作原理 1、led的工作原理 半导体材料的能带分为导带、价带与禁带，电子从高能级范围的导带跃迁到 低能级范围的价带， 会释放光子而发光。 不同的半导体材料具有不同的能带结构， 如图2.3.2所示，如果占据高能带（导带） c e的电子跃迁到低能带（价带） v e上， 就将其间的能量差 vcg eeee=以光的形式放出。 此时发出的光的波长基本 上由能带差e所决定，e和发出光的振荡频率v之间有hve =的关系， 其中h 为普朗克常数。由vc/=可得 ee hc = = 2398. 1 (2.3.1) 式中，c为光速，e的大小取决于半导体材料的本征值。光通信用的半导体材 料主要是砷化镓（gaas），并掺以与之相邻的元素来改变其本征值，从而改变 其发光波长5,35。 图2.3.2 led发光机理 若在led的pn结两端加上正向偏压，则其n区中的电子与p区中的空穴就会流 向pn结区域并产生复合。复合时，电子从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的 价带，并释放出能量约等于禁带宽度 g e的光子，导带与价带本身的能级是具有 一定范围的，因此电子跃迁释放出的光子的频率并不是单一的，而是有一定的范 围的，所以led是属于自发辐射发光，其发光谱线相对较宽。我们实验中所采用 led的谱宽2030nm。 2、led的主要特性 2、led的主要特性 华侨大学硕士学位论文 局域网pof波分复用系统的研究 20 （1）p-i特性 led的电光转换特性可由p-i特性表示，即输出光功率p与注入电流i的关 系，如图2.3.3所示。led不是阈值器件，发光功率会随工作电流的增大而增大， 与ld相比，led具有比较大的线性范围，其工作电流一般为50100ma，此时偏 置电压为1.21.8v，输出功率为几个毫瓦，入纤功率约为几十微瓦。 图2.3.3 led的p-i特性曲线 （2）光谱特性 半导体材料的导带和价带是由许多不同能级组成的， 大多数载流子复合是发 生在平均带隙上的，但也有些复合发生在最低及最高能级之间，这样导致电子空 穴对复合所发出的光有一定的谱线宽度， 我们定义光强下降到一半时的两点间的 波长范围为输出谱线宽度。室温下，短波长le