（电子科学与技术专业论文）塑料光纤局域网设计.pdf

a b s t r a o t r e c e n t l y , h i g h s p e e d d a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s u c ha s d i g i t a l h o m en e t w o r ka n d h i g h s p e e dl o c a l a r e an e t w o r k 皿a n ) h a v eb e e nr a p i d l yd e v e l o p e de v e ni nt h ea c c e s s a r e a r e a l i z a t i o no f t h ea 1 1 o p t i c a ls u b s c r i b e rs y s t e mh a sg a i n e dm o r e a n dm o r ei n t e r e s ts of a rw i t ht h e d e v e l o p m e n to f f i b e ro p t i ct e c h n o l o g y t h e r eh a sb e e nc o n s i d e r a b l ei n t e r e s ti nt h ed e v e l o p m e n t o fap o l y m e ro p t i c a lf i b e r ( p o e ) a l t h o u g ht h e t r a n s m i s s i o na t t e n u a t i o ni s r e l a t i v e l yl a r g e ( 2 0 3 0 0 d b k m ) d u et ot h eo r g a n i cm o l e c u l a r s t r u c t u r e ，i ti sp o s s i b l et ou s et h ei n e x p e n s i v ep o f i nt h es h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o na r e a w i t h i n2 0 0m ，n a m e l yi nab u i l d i n g ，h o m e ，a n d t e r m i n a t i o na r e ao f “f i b e rt ot h eh o m e ( f 1 v r h ) ”t h el a r g eg o r eo ft h ep o fw o u l dm a k ei t p o s s i b l et oa d o p ti n j e c t i o nm o l d i n g p o l y m e rc o n n e c t o r s ，w h i c hd r a m a t i c a l l yd e c r e a s e st h et o t a l c o s to f t h e s y s t e m t h i s p a p e rf o c u s e s o nt h ea p p l i c a t i o no fg r a d e d - i n d e xp l a s t i co p t i c a lf i b e ri nl o c a l - a r e a n e t w o r k s t h eu l t i m a t eg o a lo ft h ep r o j e c ti st oe s t a b l i s hag b i t e t h e r n e tu s i n gp o et h e c h a r a c t e r i s t i c s ，a d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o nf i e l d so f p o f a r ee x p a t i a t e da f t e rr e v i e w i n gt h el a t e s t a d v a n c e so fp o fi nt h ew o r l d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fp o fi nl a n a p p l i c a t i o n si sd e m o n s t r a t e d t h eh f b r - 1 5 x 7a n dh f b r - 2 5 x 5o fh pc o m p a n ya r es e l e c t e da st h es o l u t i o no ft h ep o f t r a n c e i v e r t h ei n t e r f a c ec i r c u i tf o rl m mg ip o fb e t w e e nf i b e ra n dp ci s d e t a i l d l yd e s i g n e d t h ec i r c u i ts c h e m ei ss i m u l a t e da n dp r o v e dt ob ea b l et oa c h e i v e g o o dp e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t s o f c o m m u n i c a t i o n t h r o u g hp o f a r ea l s oc o n d u c t e d b e c a u s et h ef r e q u e n c yo ft h ec i r c u i ti sv e r yh i g h ，t h ec o n s i d e r a t i o no f s i g n a li n t e g r i t yc o u l d n o tb en e g l e c t e d t h es i g n a li n t e g r i t yp r o b l e mi s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta st h e f r e q u e c i e so fi c si n c r e a s e t h eb a s i cc o n c e p t so fs i g n a li n t e g r i t ya r ei n t r o d u c e d r u l e sa n d t e c h n i q u e st h a ts h o u l db ea d o p t e dw h i l ed i s i g n i n gt h ep c bo ft h ep o fi n t e r f a c ec i r c u i ta r e p r o p o s e d t om i n i m i z et h ee m ia n dc r o s s t a l k t h ei n t e r f a c ec i r c u i tc o u l da l s ob ea p p l i e dt oo t h e rn e t w o r k s ，s u c ha sa t m t h ep o f c o u l d d r a m a t i c l yi n c r e a s et h eb a n d w i d t ho fs h o r t - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o na tc o p p e r - w i r ep r i c e i tw i l l b ev e r yc o m p a t a t i v ei nc o m m u n i c a t i o nm a r k e ti nt h en e a rf u t u r e t h es t u d i e so np o f h a v ei u s t s t a r t e di nc h i n a t h ew o r k a c c o m p l i s h e di nt h i sp a p e rw i l ls u r e l yb eh e l p f u lf o rf u r t h e rs t u d i e s k e y w o r d ：p l a s t i co p t i c a lf i b e r , l o c a l 。a r e an e t w o r k , p o ft r a n c e i v e r , s i g n a li n t e g r i t y i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 一网络与通信的发展趋势 通信和网络领域新技术的发展将给人类带来巨大变化。随着世界范围信息化的推进，人 们将创造出不可估量的物质财富和精神力量。信息化必将对一个国家或地区的经济发展、科 技进步、国际实力和人民精神、文化、健康等素质的提高乃至对整个综合国力产生重大的作 用和影响。从8 0 年代起，世界各先进国家就纷纷对通信信息的发展给予重视并投入巨大资 金，特别是在9 0 年代美国宣称要建设“信息高速公路”，亦称“国家信息基础结构( n 1 1 ) ”， 以促进美国经济增长作为经济发展的新方向及一场建设国家信息基础结构( n 1 1 ) 的热潮立 即在世界范围内掀起，人类在2 1 世纪即将跨入“信息时代”已成为客观发展的必然。只有 把活动视像、图片、数据、语音等多种业务综合，也就是把电信、有线电视、计算机网融合 在一起才能达到信息资源共享、迅速交流的目的，充分发挥信息基础结构( n i i ) 的作用， 因此建设能为千家万户服务的公众多媒体宽带通用接入网己成为国际通信信息发展的主流。 9 0 年代中期，世界通信信息业风云叠起，电信业、有线电视业、计算机业相互联盟、 互相并吞，争夺的焦点还在于接入技术。新的世界接入网“大战”已经展开。国际电信业 历史悠久、基础较好、实力雄厚，8 0 年代还经历了由模拟转化为数字的巨大变革，但长期 以来的重要业务是电话，以后又发展了数据等窄带业务，最近正在向宽带业务发展，包括交 互式电视和多媒体通信等。广播电视业原来仅有卫星直播电视，后来发展了有线电视，但当 前主要采用的是宽带业务模拟技术，还将忍受巨大痛苦以转化为数字技术。广播电视业正拟 引入电视和数据等窄带信息业务。计算机业正在冲破单个的、局部的限制，借助现有的通信 基础设施走向世界、向网络化发展，除了数据窄带业务外，也含电话和宽带图像业务。在交 互性、普及性、交换结构等方面，电信、有线电视和计算机各有优缺点，各方正在努力克服 缺点、发扬优点以争取市场的占有率。竞争的基础还在于能传送各种业务的宽带通用接入网。 随着经济的发展和科学技术的进步，特别是国际互联网的兴起，人们对电信业务也提出 了越来越高的要求，电信业务正逐渐从传统的电话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。要满足这种发展的要求，必须逐步建立起能同时传输 多种业务的宽带综合业务数字网。也就是说，通信的发展从单一的语音业务，向集语音、数 据、图像为一体的多媒体通信发展“1 。 在社会向信息化大步迈进的过程中，除了公共通信网外，各个单位内部也建立起各种各 样的局域网，实现计算机互连。这个目前正在突飞猛进地发展，甚至提出了h o m en e t w o r k 的概念，家庭内部各种设备实现联网，构成一个小型的家庭局域网”1 。 从公共核心网到用户驻地网之间称为接入网，这被称为“信息高速公路的最后一公里”。 实现低成本的宽带接入，意义重大。 浙江大学硕士学位论文 光纤通信具有通信容量大、质量高、性能稳定、抗电磁干扰和保密性强等一系列优点， 在干扰通信方面，以上优点己得到充分证明。同样，它将在全业务( f u l ls e r v i c e sn e t w o r k ， f s n ) 宽带通用接入网中发挥主要作用。根据世界统计资料在今后的光纤通信发展中，由于 干线网建设已逐渐饱和，而接入网中的光纤通信将占主要部分。其中，塑料光纤的发展将为 光纤进入用户创造良好的条件。 以上可以看出，通信网络发展到今天，除了建设高速、长距离的骨干网外，高速短距离 的通信也变得非常重要。而塑料光纤是实现高性能短距离宽带传输的有效途径，发展塑料光 网络，具有很高的社会效益和经济效益。美国贝尔通信研究所的调查显示，对于小企事业用 户和居民用户，近期的主要宽带业务需求主要有下面5 类： 1 )点播电视； 2 )交互式图像游戏。这类业务允许用户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 ) 远程教育； 5 )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。 中长期的宽带业务需求主要有下面几类： 1 ) 广播电视： 2 )事务业务( 电子商务) 。这类业务允许用户参与交互式事务，诸如银行、购物、要求服 务、预购机票、预订旅馆等。 3 )目标型广告。这类业务允许作广告的公司选择某一类人或群体看他们的广告，或者为特 定的个人或群体选择广告类型。 4 ) 其他还有图象信箱业务和可视电视业务等。 为了实现这种信息量巨大的多媒体信息社会，在各个家庭内必须送入g h z 数量级的高速 信息。 二光纤通信的优势 目前使用的铜线有非屏蔽双绞线( u t p ) 、屏蔽双绞线( s t p ) 和同轴电缆。光纤有石英 光纤、塑料包层石英光纤( p c f ) 和塑料光纤。 光纤通常用在长距离传输或者电缆无法胜任的高速数据通信场合中。在有电噪声和电磁 干扰的环境中，通常也采用光通信的形式。光纤通信相对传统的电缆方式有无可比拟的优点， 但其成本相对较高，成为制约其应用扩展的一个重要因素。 铜缆技术现在相对比较成熟，并被广泛应用在工业、医疗以及一些个人应用场合。但其 2 浙江大学硕士学位论文 固有的缺陷限制了它的发展和应用场合。 1 铜缆传输的缺陷 用铜线连接的各系统地电位不完全相同，或地电位上带有很强的干扰噪声，外界的强电 磁干扰很容易通过传输线路耦合而进入通信系统。传输线路本身也对周围造成辐射干扰，数 据速率越高，辐射越强。这些影响可能削弱信号的传递和危及通过网络的关键数据。虽然在 系统中引入差分光连接器可以使铜缆在两个地参考电平不同的系统之间传送信号，但仍需十 分小心以防引入的噪声破坏信号。线路终端始终需要负载匹配，否则就会引起信号反射。 在铜缆局域网中至少存在以下四种潜在的电气危害”3 。”：( 1 ) l a n ( 局域网) 部件和交 流电源或照明电路的直接接触；( 2 ) l a n 电缆和部件上累积的静电荷：( 3 ) 耦合到电缆系统 上的高能瞬变；( 4 ) 和种l a n 部件接地点之间的电位差。在我国，已有不少l a n 遭到雷击导 致计算机和l a n 部件损坏的情况。 随着速率的提高，铜线传输损耗增大，运行费用显著增加。铜线的传输容量有限，虽然 诸如朗讯和b e l d e n 等公司都有性能据称达i g b 的铜缆产品，但这种铜缆价格昂贵并难以制 造，需要使用特殊设计的装置，也很难以端接”1 。 在现代社会中，不但国家的政冶、军事和经济情报需要保密，企业的经济和技术情报也 已成为竞争对手的窃取目标。因此，l a n 的保密性能如何是用户往往必须考虑的个问题。 对电缆系统可以采取直接接入式窃听，或窃听电缆系统辐射的电磁场。电缆系统的完全屏蔽 是很困难的，现代侦听技术已能做到在离同轴电缆几公里以外的地方窃听电缆传输的信号。 铜缆的以上一些缺陷是其本身所无法克服的，在某些场合下甚至是致命的。 2 采用光纤通信的优点 光纤不像铜缆那样需要严格的接地规则，光纤是介质，它使用光脉冲而不是电流来传输 信号，从而为光纤链路两端的设备提供了完全的电气隔离。同时光传输线也不需要匹配阻抗 来防止反射。集成在系统中光纤和光纤收发器能经受住足以损坏金属导体的电击。最重要的 是，光纤数据链路能工作在铜缆所不能的强电磁干扰环境下“。 光纤的优点还有： 超大传输容量，特别是单模光纤能提供可命名用的带宽超过5 0 0 0 0 0 g h z ，这一频带超过 了所有现有通信技术使用频段的好几个数量级； 传输信号质量高，不受电磁波和无线电射额的干扰等，光纤系统的误码性能要比电缆系 统高1 2 个数量级： 与传统的传输材料如铜线相比，重量更轻，强度更高，抗腐蚀性更好： 容量价格比低。总体估计，光纤网络比铜线网络能减少8 0 的网络问题。 除了上述优点外，还有两个重要的原因导致目前光纤开始逐渐代替铜缆。首先光纤系统 的安装所需的培训和工具相对很简单。其次，当使用塑料光纤( p o f ) 或硬硅覆层光纤时， 3 浙江大学硕士学位论文 成本几乎和铜缆是一样的。 现存的许多通信协议是为铜缆传输设计的。当传输率在3 0 m b i t s s e c 以下时，铜缆一般 采用差分接收或者光电隔离接收的方式来接收二进制信号。这种串行信号是具有平均值的， 根据信号0 和l 的持续时间瞬态平均值的范围从信号幅值的0 到1 0 0 不等，或者换句话 说，此类信号具有直流分量。专为铜缆传输设计的通信协议一般要求电光接收器是直流偏置 的并能够对信号进行边缘检测。在0 1 0 m b i t s s e c 的相对低传输速率情况下，制造出这种 直流偏置t t l 电平兼容的光接收器是可能的。如h p 公司的h f b r 一2 5 2 8 就是一款0 一 l o m b i t s s e c c m o s t t l 光接收器”“1 。本文所要讨论的是更高速率更远传输距离的光纤接收 器。 1 塑料光纤和石英光纤的比较 三、塑料光纤 光纤主要分为两类：石英系光纤和塑料光纤，目前应用主要以石英系光纤为主。 石英光纤是一种适用于宽带宽、长距离传输和抗电磁干扰的选择媒质。对于长距离、大 容量的通信，单模石英光纤提供了成本上最为经济的传输媒质。随着时间的推移，逐步转向 较短距离和较低传输率场合，如局域网、用户环路等。传输距离的缩短，系统中的接头和安 装成本，己日趋成为系统成本中的大项”6 。“。在结构型局域网中水平布线情况下，接线箱离 计算机桌面的平均距离为5 0 m ，在这一段距离上，连接装置及其安装费用将占总成本的4 0 。 由于其硬设备、连接器及安装在内的单模石英光纤网络的成本一直居高不下，限制了其 在短距离中的应用。单模石英光纤不适用于短距离的信号传送。因为要满足单模光纤的条件， 纤芯直径必须在1 0 1 u n 以下，这样细光纤，其分岔、连接十分困难，光纤连接器连接精度要 求在亚微米内，故家庭、办公室内分支多、连接部位多的短距离信号传送场合，石英单模光 纤不适用。 目前在局域网中，较多地使用多模石英光纤，其纤芯直径为6 25 或5 0 , l u n ，石英光纤直 径丝直径超过4 0 0 u ( 包括绺芯和包层) ，就类似于石英棒，不能弯曲。所以，增大石英光 纤的直径就有困难。最近几年，研制了塑料包层的石英光纤，其包层为聚合物，纤芯为石英， 纤芯直径为2 0 0 肿。石英光纤在通向各家各户即光纤入户( f t t h ) 或到桌面( f t t d ) 的过程 中存在着几乎不可逾越的障碍：1 ) 成本高。从价格和使用价值两方面考虑，对于短距离而 言实显昂贵，一般家庭难以承受：2 ) 难以处理。石英光纤细小的纤芯( 8 - l 0 0 1 u n ) 使得光纤 与光纤的端接及与有关器件苛刻的对中极为困难，技术要求高，成本也昂贵：3 ) 石英光纤 性脆，易断裂、在弯曲的场合易损坏。而使用电缆网络又需昂贵的电子设备来保证信号的强 度和完整性。 塑料光纤的直径为0 5 - l m m 。这样，光纤与光源的连接、光纤与光纤、光纤与接收器的 4 浙江大学硕士学位论文 连接，不需要象石英光纤那样高精度对准，而连接简单。 p o f 光损耗大“”1 ，不适用于长距离光通信。但它的口径大，纤芯直径在0 5 m m 以上， 耐挠曲性优良，使用方便，光耦合不需微调，不需要昂贵的光纤连接器等外围器件，适合用 作短距离的光通信的传输媒质1 。 就短距离应用( 即p o f 在一定距离内已有足够带宽满足l a n 水平布线的要求) 而言， p o f 比石英光纤具有更多的优点。表1 31 列出了p o f 与石英光纤的性价比。可见，不仅p o f 的光源成本较低，而且可以采用低价的检测器和接头，大大降低整个系统的费用和成本。它 很适合于具有有源星型构造的结构型布线系统。 表1 3 1p o f 与石英光纤的价格性能比较 比较项 p o f石英光纤 光波长( n m ) 6 5 08 5 0 1 3 0 0 芯径( 邮) 9 8 06 25 包覆直径( i m ) 1 0 0 01 2 5 成缆成本( $ 米) 0 7 0 1 50 8 5 13 0 光源成本( $ ) 3 0 0 5 o o6 0 0 2 5 0 0 l连接时间( m i n ) l 51 2 0 j连接器成本( $ ) 0 2 5 5 o o5 o o 2 5 o o l典型损耗( d b k m ) 1 2 53 5 1 l连接器安装 1 6 03 7 0 l 5 发射机接受机( 包括连接器) l o4 02 5 o o l 发射机接受机( 包括连接器) 5 9 5 0 05 9 50 0 l 模式带宽( 1 k m 时) 1 05 0 0 l( m h z )( 1 0 0 m 时)6 5几乎无限 作为一种传输媒质，p o f 几乎与对绞线一样便宜，而且两者的接头价格不相上下。此外， p o f 可以用热板法成端，成端时可将多余的光纤重新熔化，形成高质量的光学墙面。这种简 便的成端方法加上簧锁设计的p o f 接续装置，对一个节点的成端用时不到1 分钟，这种技术 的安装成本极低( 1 1 0 美元节点) ，因此，包括光缆、安装以及元件在内，p o f 网确实要比 u t p 网便宜。用u t p 的唯一好处是，其节点上端机的价格比p o f 低。单个p o f 节点端机的典 型价格为7 5 0 美元。随着p o f 在l a n 系统中的用量日益增长，其价格会有大幅度下降。随着 制造技术的成熟，p o f 自身的价格也将会降低。 与石英光纤相比，p o f 具有的优点有： ( 1 ) 模量低，直径大，折射率范围宽t 2 0 ： ( 2 ) 制造成本低；( 2 ) 更易端接，且端接成本少。通常联接一个石英光纤接1 7 2 1 需数十美元，而 相应的p o f 接口仅需几美分：p o f 可用简单的注塑成型的热塑性塑料”。”1 的p o f 连接器， 而且耦合效率高；( 4 ) 极好的韧性，重量轻，易于加工，p o f 端面加工只需一个便携式热 板端面加工机即可，对振动不敏感，在弯曲场合更适用；( 5 ) 在可见光波段有低损耗窗口， 浙江大学硕士学位论文 通常使用6 5 0 n m 或7 8 0 n m 波长”。2 ，可用低价的发光二极管( l e d ) ( 低速率场合) ，或 c d 机用半导体激光二极管( l d ) ( 高速场合) 。 综上所述，p o f 网络在局域网系统中，显然是很有应用前景的。在这种应用领域内， p o f 比其它传输媒质的优点有：1 ) p o f 与玻璃光纤同样是一个介质波导。即它与u t p 、s t p 及同轴对不同之处是，p o f 对电磁干扰不敏感，也不发生辐射；不同数据速率下的衰减恒 定，其误码率可预测，能在电噪声环境中使用。2 ) 其尺寸较大、故成网成本较低。p o f 的 直径比石英光纤大，可降低接头设计中公差控制的要求，这为采用价格低廉的接头装置扫清 了道路。大芯径光纤在某种程度上起到了自制加强件的作用，因而就有可能在光缆中免去加 强件；大芯径光纤光缆的安装也不必强调轻拿轻放的操作要求。3 ) 采用简单的接续方案以 及低成本、快速自动比成端设备看，完成一个接头端子的工时可减少。这些反映在价格上势， 使p o f 的应用更具吸引力。 一个国家的通信网可比作人体的血管，相当于动脉的远距离传送干线系统，可以用石英 单模光纤，这是完全没有问题的。但是，相当于毛细管的到达家庭和大楼内的用户系统，这 量进行光纤化，采用塑料光纤是可行的。 2 塑料光纤的发展历史 自6 0 年代末杜邦公司研制的第一根p o f 问世以来，p o f 的研究已取得了巨大成就。目 前p o f 的最低损耗已达数d b k m 。特别是g i 型p o f 能够进行高速大容量的信息传输而成为 高带宽的光纤，是p o f 前当研究的热点”5 。 7 0 年代初，美国杜邦公司开始了数据通信用塑料光纤的基础研究工作。 1 9 8 7 年，美国杜邦公司将其拥有的所有塑料光纤产品专利全部出售给日本三菱人造丝 株式会社。三菱人造丝株式会社继续进行塑料光纤产品开发和推广应用工作。同年，法 国塑料光纤联合集团研制出的阶跃折射率分布塑料光纤，其带宽为5 m h z k m 1 9 9 0 年日本庆应大学小池康博宣布研制出带宽为3 g h z k m 的梯度折射率分布的塑料光 纤。 1 9 9 2 年，美国i b m 公司的b a t e s 提出了在1 0 0 m 长的阶跃折射率分布塑料光纤传输 5 0 m b i t s 的试验，小池康博等报道了用红外激光器在1 0 0 m 长的塑料光纤上进行 2 5 g b i t s 的传输试验。 1 9 9 4 年，日本庆应大学佐佐木等报道，他们研制出了塑料光纤光放大器。 1 9 9 5 年，日本n e c 公司的山崎用小数值孔径6 5 0 m m l d ，1 0 0 m 的小数值孔径的阶跃折射 率分布塑料光纤进行了1 5 5 m b i t s 的试验。 1 9 9 6 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a t m 物理层。 1 9 9 7 年，日本n e c 公司的山崎进行了1 5 5 m b i t s 的a t m 、l a n 的试验。 1 9 9 8 年，日本n e c 公司的山崎在7 0 m 长塑料光纤上进行了4 0 0 k b i t s 的传输试验。日 6 浙江大学硕士学位论文 本硝子玻璃株式会社报道，梯度折射分布的氟化物塑料光纤的衰减仅为掺杂的聚甲基丙 烯酯塑料光纤衰减的三分之一。日本富土通公司的今井报道，以l3 u m f p l d 、 i n g a a s a p d 为光源，在2 0 0 m 梯度折射率分布的氟化物塑料光纤上进行了2 5 g b i t l s 试 验。 在o f c 一9 8 会议上，日本硝子玻璃株式会社报道了氟化物塑料光纤的衰减系数：在 ( 6 5 0 1 3 0 0 ) n m 波长小于l o o d b k m ，在( 8 5 0 1 3 0 0 ) n m ，约5 0 d b k m ，且有望进步降低， 其带宽为( 3 0 0 5 0 0 ) m h z k m ，理论带宽可达i o g h z k m 。该塑料光纤的稳定工作温度为 ( 一4 0 + 9 0 ) 。x a q t i 吉比特半导体供应商用梯度折射率分布的氟化物塑料光纤进行了 2 0 0 ml o g b i t s 的传输试验。 2 0 0 0 年，o f c 会议上，日本硝子玻璃株式会社新技术发展部的n o r i y u k i 、 y o s h i h a r a 等报道氟化梯度折射率塑料光纤的衰减系数：在8 5 0 n m 为4 1 d b k m ，1 3 0 0 n m 为3 3 d b k m ， 其最大带宽已达i o o m h z k m 。用这种塑料光纤成功地进行l o o m 、l i g b i t s 和5 0 m 、 2 5 g b i t s 的高速传输试验和7 0 c 长期热老化试验。实验证明，氟化梯度折射塑料光纤 完全满足使用要求“6 。”。”1 。 5 国外塑料光纤最新应用进展 由于渐变折射率光纤( g 1p o f ) 接续简单、价格便宜、安装方便等诸多优点，使其在 短距离多媒体通信中具有巨大的应用潜力。 2 0 0 0 年在日本千叶县举行的“i n t e r o p t o2 0 0 0 ”上，东芝展示了面向5 0 0 帖s 高传输速 度的塑料光纤( p o f ) 的光收发器“t o d x 2 4 0 4 ”。光连接器的形状为s m i 型，对应i e e e l 3 9 4 。 若由于长距离规格“p 1 3 9 4 b ”的话，则数据传输速度为4 0 0 m b s 。传输距离最大为l o m 。这是 为了能够使其与该公司已经开发完毕的传输速度为1 2 5 m b s 的光收发器“t o d x 2 4 0 1 ”之间相 互通信而设定的。1 2 5 m b s 光收发器不久将配备到产品上，通过使t o d x 2 4 0 4 能够与t o d x 2 4 0 1 进行通信，来了解用户的反应。光发射部分的发光二极管的波长为6 5 0 n m 。电源电压为+ 3 3 v 。 与周边l s i 的输入输出接口为电压振幅+ 3 3 v 的p e c l ( p o s i t i v ee m i t t e rc o u p l e dl o g i c ) 。 东芝计划从2 0 0 1 年春季开始供应t o d x 2 4 0 4 的工业样品。 t d k 公司最近也在“t d k 科技展”上进行了使用塑料光纤( p o f ) 传送p 1 3 9 4 b 规格数据 的试验表演，将摄像机所拍摄的图像数据通过p o f ，送往5 0 m 开外的电视机上显示。试验首 先将摄像机的图像数据利用i e e e l 3 9 4 缆线传送，然后使用光电转换模块，将该信号输出到 p o f 上。在p o f 上的传送遵循p 1 3 9 4 b 规格，传送距离为5 0 m ，数据传送速度为2 0 0 m b s 。经 过p o f 传送来的数据再次通过光电转换模块转换后传送到i e e e l 3 9 4 光纤上，然后再通过媒 体变换器( m e d i ac o n v e r t e r ) 将其变换成模拟a v 输出信号，送到电视机上显示。p o f 为p 协 a 系列阶梯折射型，连接器为p n 型。 日本电子工业协会( e i a j ) 领导的一个项目组已经实现了以4 0 0 m b p s 的速率传输音频及 7 浙江大学硕士学位论文 视频数据。该项目组的目标是实现采用i e e e1 3 9 4 接口的家用低成本光纤网络。这些数据是 在一条聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纤上传输的，传输距离超过1 0 0 米。4 0 0 m b p s 的速率是i e e e 1 3 9 4 目前定义的最高速率，对未来家庭网络应用来说是必须的。低成本网络能用塑料光纤 实现，但它在速率上有缺陷。由于已经以4 0 0m b p s 的速率实现了真实音频及视频数据传输， 相信i e e e1 3 9 4 接口将突破数字视频照相机使用的局限性。过去缓变折射p o f 和6 5 0 n m 半 导体激光用于获得高速率和更长的传输距离。日本k e i o 大学已经对缓变折射p o f 作了研究， 发现其中心折射率高，接近边缘时折射率连续减小。这种结构与现在使用的阶跃折射( s i ) 塑料光纤不同。阶跃折射光纤是一种双层结构，包括中心和外层( 环绕层) 。中心折射率高 而外层折射率低。光在中心和外层的边界处反射，使光扩散。缓变折射光纤没有边界，因此 经过很长距离脉冲仍保持原形。k e i o 大学的研究小组已经几乎完成了缓变折射光纤的开发 工作，准备开始批量生产。虽然g 【光纤适合高速率传输，但对消费者应用来说，s i 光纤已 足以达到一定的性能，因为它是现成的而且价格便宜。n e c 公司在1 9 9 9 年秋季开始提供采 用i e e e l 3 9 4 规格的s i 型p o f 光模块。该模块以2 5 0 m b p s 的最大速率在5 0 米的距离内传输 信号。夏普和索尼正联合开发紧凑形式的s i 型p o f 和接头。他们的第一个样品以1 2 5 m b p s 的速率将信号传输了l o 米。 除了短距离通信以外，塑料光纤还应用在汽车内部局域网中。德国d a i m l e r c h r y s l e r 公司应用塑料光纤( p o f ) 研制出世界上第一个实用型汽车局域网( l a n ) ，并将这一l a n 装入s 级m e r c e d e s b e n z 载客汽车。据称，汽车上的其c d 唱机和其它各晌装置均能接入这一l a n 。 光纤的优点是：它不仅比一般金属线轻，而且能达到高保真度。其它汽车制造厂家也在密切 注视着汽车光纤l a n 的发展。汽车l a n 是英国通讯控制电子有限公司研制成功的，被称为 d 2 d ，p o f 是日本三菱电机公司生产的。目前数据传输速率只有4 2 m b i t s ，还不足以广泛应 用。过去的汽车l a n 在大型汽车中需3 0 4 0 k g 的金属导线，而用p o f 连接音响设备至少可 减轻重量3 0 。p o f 有效传输长度在2 0 m 以上。 美国佐治亚卅理工学院的科研人员最近还利用塑料光纤制成用途广泛、具有“知觉”的 “聪明t 恤”。这种由塑料光纤和传导纤维编织而成的“聪明t 恤”，可以协助医务人员监 测病人心跳、体温、血压、呼吸等生理指标，也可由监测人员了解并掌握运动员、宇航员、 飞行员的身体情况，还可制成婴儿睡衣监测婴儿呼吸，防止婴儿在睡眠时因窒息而死亡。“聪 明t 恤”是由光纤和传导纤维中的光信号与名为“个人状态监测器”共同完成监测任务的。 总之，塑料光纤的种种优点决定了它在未来通信中的巨大竞争力。 四泰丈的i 锋和章节安排 塑料光纤及其局域网应用是由中国科学院化学所联合浙江大学信电系、中科大等研究单 位共同承担的，属于中科院知识创新工程。其立项总体目标是： 发展具有原始技术创新性、拥有独立知识产权的g ip o f 制备技术 8 浙江大学硕士学位论文 形成信息高速局域网的关键聚合物光电连接材料一宽频低耗聚合物光学纤维产业化技 术。 完成信息高速局域网示范模型的系统集成。 本文围绕这一项目做了一些研究探讨，主要完成了一下一些工作： 1 )跟踪国内外最新塑料光纤研究成果，讨论了塑料光纤的应用领域和可行性。 2 )介绍了惠普公司h f b r 系列收发模块对其在塑料光纤局域网中的应用电路作了原 理分析和设计，完成了原理电路的仿真。并做了实际的数据链路测试和视频模拟信 号传输试验。 3 )讨论了高速接口电路p c b 板设计中要注意的问题，提出了实际的解决方案。介绍了 信号完整性概念以及仿真工具h y p e r l y n x 在信号完整性分析中的应用。 全文共分五章，各章的安排是这样的： 第一章综述了近年来网络与通信的发展和塑料光纤研究兴起的背景；比较了塑料光纤与 传统铜缆及石英光纤的优缺点，阐述了为什么要使用塑料光纤及其应用场合，并简单介绍了 塑料光纤的发展历史和分类：最后介绍了国外塑料光纤的一些最新研究动态。 第三章讨论了塑料光纤局域网中的接口电路设计。方案采用惠普公司h f b r 系列塑料光 纤收发模块，着重讨论了接口电路的原理设计及外围电路设计。分析了在高速数据电路设计 中要注意的问题。并在此基础上做了数据链路实验，取得了实验数据，对结果进行了讨论。 第四章讨论接口电路的p c b 设计和仿真。由于数据链路工作在1 0 0 m 的高频率下，制作 电路时必须考虑信号完整性问题。本章初步介绍了信号完整性的概念，并结合具体的接口电 路，讨论了在实际设计中布板时需注意的种种问题；最后介绍了p c b 信号完整性分析工具 h y p e r l y n x ，对p c b 板进行了仿真。为以后的进一步工作积累了经验。 第五章是对全文的总结，以及对未来p o f 的研究作了一定的展望。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章塑料光纤局域网设计 2 0 世纪8 0 年代以来的信息爆炸以及迅猛发展的软件和显示技术推动了i n t e m e t 、电视 会议、可视电话、视频点播等多媒体通信的发展。这不但使用户对通信带宽的需求激增，而 且还需要在短距离内构成连接器密集的网络。塑料光纤具有的接续简单、价格便宜、安装方 便等种种优点，使其成为短距离宽带通信网络理想的传输媒质“7 。 以太网是目前广泛使用的一种局域网技术，具有价格低廉、灵活性高等优点。目前的以 太网技术包括1 0 m b s 以太网、1 0 0 m b s 快速以太网和i g b s 千兆以太网。采用g ip o f 作为 图2 0 1 塑料光纤局域网结构 传输媒质的以太网结构如图2 0 1 所示。服务器与交换机之间采用i g b s 的g ip o f 链路，交 换机与p c 终端用1 0 0 m b s 的g ip o f 链路连接。通过个路由器可以与广域网相连，通向 i n t e r n e t 在基本不更换现有以太网设备的条件下，组建塑料光纤局域网的主要工作是能开发出适 于传送1 0 0 m b s 以上数据率的塑料光纤- - p c 接1 3 电路，完成信号的光电转换。根据不同的 应用场合，惠普公司推出了面向塑料光纤局域网应用的系列收发模块，根据其提供的数据， 最高可以传输2 0 0 m b s 的数字信号“”。 本文采用了惠普公司的h f b r 一1 5 2 7 发送模块和h f b r - 2 5 2 6 接收模块作为接口电路的光 电转换模块。本章详细介绍了这两个模块的功能、特性。分析了基于h f b r 1 5 2 7 发送模块 和h f b r - 2 5 2 6 接收模块的接口电路设计，以及高速信号电路原理设计中应注意的问题。对 接口电路进行了原理仿真。并在此基础上作了实际的链路性能测试。 塑望盔堂堡主兰垡堡茎 一 一惠普公司塑料光纤局域网解决方案 图2 1 1传输距离与数据传输率的关系( 1 m m p o f ) 1 概述 惠普公司的h f b r 一1 5 x 7 系列发送模块和h f b r 2 5 x 6 系 列接收模块用于大芯径i m m 的塑料光纤链路中。当数据 率较低时，传送距离取决于 接受模块的灵敏度、线路衰 减以及l e d 能耦合到光纤中 的光强度大小；当数据率增 图2 1 2 采用h f b r - 1 5 x 7 和h f b r - 2 5 x 6 模块塑料光纤接收发送电路 加时，传送距离和数据率的上限开始取决于光纤带宽。图2 1 1 所示为惠普j m m 芯径塑料光 浙江大学硕士学位论文 纤采用h f b r - 1 5 x 7 和h f b r 2 5 x 6 系列模块时传输距离与最大传输数据率的关系一由图可知， 当传输距离为2 0 m 时，可传输1 2 5 m b d 的数据( 当采用低损耗光纤时，可达2 5 m ) 。当数据率 降低到3 3 m b d 时，传输距离可以达到l o o m 。 表2 1 1建议工作条件 参数符号最小值最大值单位 环境温度 t o7 0 电源电压 v c c+ 4 7 5+ 5 2 5v 数据低电平 v i lv c e 1 8 9v c c - 1 6 2v 数据高电平v 【h v c c 1 0 6v c c 一0 7 0v 负载阻抗甩 4 55 5q 信号数据率 f sl1 2 0m b d 占空比d c 4 06 0 表2 1 2 ( 1 一1 2 5 m b d ，b e r 1 0 9 链路指标 工作在推荐的工作温度下) 参数符号最小值典型值最大值单位 光功率预算o p b m f 1 11 6 d b ( 1 mp o f ) 光功率空余 o p b m p2 036d b ( 2 0 m 标准p o f ) 链接距离 l2 02 7m ( 标准p o f ) 光功率空余 o p b m f 2 536d b ( 2 5 m 低耗p o f ) 链接距离 l2 53 2m ( 低耗p o f ) 光功率预算( o p ti c a lp o w e rb u d g e t ) 参数表示经过l 米的光纤传输之后，发送模块的 输出功率与接收端灵敏度差。最小的o p b 参数与器件的温度特性、电源配置等因素有关。 光功率空余( o p t i c a lp o w e rm a r g i n ) 是在o p b 的基础上，考虑衰减、模式色散的影响。 即：o p m = o p b - ( 功率衰减损耗+ 模式色散损耗) 。 表2 1 3p o f ( 1 m mp o f ) 发送电路指标 参数符号典型值单位冽试条件 平均光功率p 。t 一9 。7d b m5 0 占空比 平均调制功率p “ 一1 1 3d b m 光信号上升沿时间 t r2 1n s5 姗z ( 1 0 一9 0 ) 光信号下降沿时间 t f2 8n s5 础z ( 9 0 一1 0 ) 高电平l e d 电流i fh1 9 m a 浙江大学硕士学位论文 l 低电平l e d 电流 i fl 3 m a f光过冲 4 5 发送电路电流消耗 i c cl l o舭 要使l e d 能够高速地切换，一般将它调制在两个非零电压上。调制( 有用) 功率是指 高电平和低电平时的输出功率差。一般定义为： 平均调制功率( 4 v e r 昭e 朋j 幽肠把d p o w e r ) = 墨v 卫堡竺兰量窒0 些8 0 二- 墨0 2 里0 垡里竖! ! 皇些 2 1 5 0 篓， 并 融 5 0 o ， ，警 平均调测写j 拳 一- 7 平均功率 ( 5 q 占空| 七) i1 0 1 占空比一 图2 1 3 平均调制功率 平均功率和平均调制功率的关系可参见图2 1 3 。 袁2 1 4p o f ( 1 mp o f ) 接