（物理电子学专业论文）下一代塑料光纤接入网关键技术研究.pdf

摘要 论文题目：下一代塑料光纤接入网关键技术研究 学科专业：物理电子学 研究生：胡辉签名： 指导教师：施卫教授签名： 谢小平博士签名： 摘要 名国游 局域网和家庭用户对接入网的速度、带宽要求越来越高，三网合一( f 1 m ) 发展已 成定势，塑料光纤传输网带宽宽，速率高，且与石英光纤网能实现高速无缝链接，适应了 这一需求，然而在器件方面发展缓慢，本文就是围绕这一课题，在数据传输方面做了一定 的研究工作。 本文从理论和实验两方面着手，详细研究设计了利用6 5 0 n r n 传输系统实现删工 程中的光电电光转换器，将适合塑料光纤( p o f ) 传输的6 5 0 n m 波长的光信号和适合双 绞线传输的电信号进行相互转换，实现了塑料光纤入户系统中全光系统与网络适配器 ( n i c ) 的数据传输，并使6 5 0 r i m 塑料光纤传输系统与公用信息网有效互通。 理论设计方面为了实现6 5 0 n m 系统的塑料光纤与n i c 的链接，首先详细考察了光电 电光转换器工作周边环境及设计条件，然后在电路设计方面采用从局部到整体的设计思 路，先后设计出了光信号的接口电路( 以接口电路) 、介质转换电路、晶振电路、双绞 线接口电路( t p 接口电路) 和u s b 口供电的电源电路，最后再从整体出发对各部分电路 进行了匹配。 在电路的p c b 版图设计中，基于对1 0 0 m h z 高速电路和高频电路分析，着重从四个 方面进行了设计：首先是设计要符合电气规则；其次考虑电路工作中各部分局部布线：然 后是各部分布线的整体布线安排：最后对整个电路的细节进行了详细处理；细节处理中包 括：线宽选择原则、电路整体供电、电源和地线的处理、数字电路和模拟电路的共地处理、 大面积铺铜技术中连接腿的处理、最终电路产生的寄生参数：寄生电阻，寄生电容和寄生 电感的处理、针对信号线的差分信号布线原则、p c b 布线的抗干扰设计等方面。最终实 现了从理论到实际电路的设计。 关键词：f t t h ；塑料光纤；数字电路；模拟电路；寄生参数 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h ek e yt e c h n o l o g yr e s e a r c ho ft h en e x tg e n e r a t i o np l a s t i cf i b e r a c c e s sn e t w o r k m a j o r ：p h y s i c a le l e c t r o n i c s n a m e ：h u ih u s u p e r v i s o r ：p r o f iw e i s h i d o c x i a o p i n gx i e a b s t r a c t s i g n a t u r e ：丝逝 s i g n a t u r e ：色望生 s i gn a t u r e ：业吻 n o w , a l o n g 、耐mt h ei n c r e a s i n gn e e do ft h es p e e da n db a n d w i d t ho fl a n a n df a m i l yu s e r i n t e r f a c en e t w o r k , t h e r ei sag r o w i n g t e n d e n c yf o rt h ed e v e l o p m e n to ff n h t h eo p t i c a lf i b r e t r a n s m i s s i o nn e t w o r km a d eo fp o l y m e rw h i c hh a sw i d eb a n d w i d t h , h i g hs p e e da n dc a l lr e a l i z e l l i g hs p e e ds e a m l e s sl i n k 谢t l ln e to fs i l i c af i b e rf i tt h i sr e q u i r e m e n t b u ti td e v e l o p ss l o w l yi n a p p a r a t u sa s p e c t t h et h e s i sm a k e sg r e a te f f o r t so nt h et a s ko f d a t at r a n s f e r s t h et h e s i sr e s e a r c h e so nh o wt ou s et r a n s m i s s i o ns y s t e mo f6 5 0 n ms t a n d a r dr e a l i z et h e p h o t o l e c t r i ct r a n s d u c e ro ff t t hp r o je c tw h i c hc a ni n t e r c o n v e r s i o nb e t w e e nt h e6 5 0 n mo p t i c a l s i g n a la d a p t e dt op o l y m e ro p t i c a lf i b e r ( p o f ) a n de l e c t r i cs i g n a la d a p t e dt ot w i s t e dp a i rw i r e f i n a l l y , i tr e a l i z e st h ed a t at r a n s m i s s i o no fo p t i c a ls y s t e ma n dn i ci nt h eu s e rs y s t e mo f p o l y m e ro p t i c a lf i b e r , a n dh a se f f e c t i v ei n t e r c o m m u n i c a t i o nf o r6 5 0 n mp o l y m e ro p t i c a lf i b e r t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dp u b l i ci n f o r m a t i o nn e t w o r k a tt h e o r ya s p e c t ，f i r s t , t h et h e s i sr e v i e w st h es u r r o u n d i n g sa n dd e s i g nc o n d i t i o n so f p h o t o l e c t r i ct r a n s d u c e r s e c o n d ，i td e s i g n st h ei n t e r f a c ec i r c u i to fo p t i c a ls i g n a l ，m e d i u m t r a n s f o r mc i r c u i t ，c r y s t a lo s c i l l a t o rc i r c u i t ，t w i s t e dp a i r w i r ei n t e r f a c ec i r c u i ta n dp o w e rs u p p l y o fu s b p o r tc u r r e n ts u p p l y , s u c c e s s i v e l y f i n a l l y , i tm a t c h e st h e s ec i r c u i t sw h o l l y b a s e do nt h ea n a l y s i so f10 0 m h z h i g h - s p e e dc i r c u i t sa n dr a d i oc i r c u i t s ，w ee m p h a s i z et h e f o l l o w i n gf o u rp a r t si nt h ed e s i g no fp c bl a y o u t ：f i r s t ，m a k es u r et h ed e s i g ni ss u i t a b l ef o rt h e e l e c t r i c a lr u l ec h e c k , s e c o n d ，c o n s i d e rl o c a lw i r i n gi nt h ec i r c u i t s ，t h i r d ，a r r a n g ew i r i n gw h o l l y , f i n a l l y , o p e r a t ei nd e t a i lt h ec i r c u i t s ，i n c l u d e ：r u l e so fw i r ew i d t hc h o i c e 、a l lc i r c u i tb o a r d l a y o u t 、p o w e ra n dg r o u n d 、c o n n e c t i n gb e t w e e nd i g i t a lc i r c u i ta n d a r t i f i c i a lc i r c u i t 、i n s u l a t i o n s o fa l lc i r c u i t s p a r a s i t i cp a r a m e t e r ：d e a dr e s i s t a n c e ，p a r a s i t i cc a p a c i t a n c ea n dp a r a s i t i c i n d u c t a n c e 、w i r i n gr u l e so fd i f f e r e n t i a ls i g n a l 、a n t i - j a m m i n gc i r c u i td e s i g no fp c bw i r i n ga r e t t a b st r & c t i n v o l v e di nt h ed e t a i lo p e r a t i o n r e a l i z et h ed e s i g nf r o mt h e o r yt op r a c t i c a lc i r c u i t su l t i m a t e l y k e yw o r d s ：f t t h ，p o l y m e ro p t i c a lf i b e r , d i g i t a lc i r c u i t ，a r t i f i c i a lc i r c u i t ，p a r a s i t i cp a r a m e t e r i i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我令 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 诘文作者签名：d 1 囱 汹 国1 4 _ 一等弓月，。垆9 学位论文使用授权声明 举人多l l 如一在导师的指导下创作完成毕业论文。一本人已通过论文的答辩j 并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；，2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理o ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名f 拉雌导师签名：商丝兰蜊年多月厂矿日 厂 第一章绪论 1 绪论 1 1 光通信的发展及问题 1 1 1 光通信的开始发展 1 9 6 0 年5 月1 6 日，世界上第一个激光器一红宝石激光器诞生，它发出的光叫激光。 它基于伟大的科学家爱因斯坦在1 9 1 6 年提出了的一套全新的理论。这- 理论是说在组成 物质的原子中，有不同数量的粒子( 电子) 分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到 某种光子的激发，会从高能级跳到( 跃迁) 到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相 同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受 激辐射的光放大”，简称激光。 激光的发明给光通信的研究工作带来了很大的希望。虽然最初发明的激光器有严 重的缺点，它不能持续地发光，连持续发光一秒钟都不行，而且还必须要在极低的温度下 才能工作。这样的激光当然还不能用于通信。但是最初这促使更多的科学家对激光器作进 一步的研究。到1 9 7 0 年，贝尔研究所的林严雄( h a y a s h i ) 等人终于成功地研制出能在室 内常温下连续工作的半导体激光器，这种激光器2 1 的体积很小，只有一颗米粒那么大， 并且可以用电流控制激光的强度，这就为光通信的实现创造了条件。 与研究激光器的同年代里，科学家们也在为寻求传导光的介质而努力。1 9 6 6 年，英国 标准电信研究所的英藉华人高锟( k c k a o ) 发表了具有历史意义的论文，论述了光学纤 维传输光3 1 的前景。当时光学玻璃纤维的传输损耗在每公里1 0 0 0 分贝以上，且居高不下。 这篇论文分析了造成损耗的主要原因，并通过理论分析认为，如果除去玻璃中的杂质，就 有可能把损耗降低到每公里2 0 分贝左右。许多国家的科学工作者受到这篇论文的鼓舞， 开始了低损耗光学纤维的研究。 在1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司的三位研究人员马瑞尔( m a u r e r ) 、卡普隆( k a p r o n ) 和凯克( k e c k ) ，首先研制成功了传输损耗只有每公里2 0 分贝的光纤。在室温下连续工 作的半导体激光器和低损耗光纤h 1 是技术上的重大突破，使光纤通信立刻受到各国电信 技术人员的重视，全面地开展研究工作，光纤通信终于得到了实现。1 9 7 0 年，也因此而 被称为“光纤通信元年”。1 9 7 7 年，在美国芝加哥和圣塔摩尼卡( s a n t am o n i e a ) 之间首次 开通了商用的光纤通信系统u 1 ，许多人惊奇地看n - 一对只有头发丝粗细的玻璃丝( 直 径0 8 5 微米) ，竟然能同时开通8 0 0 0 路电话( 传输速率达4 5 兆比秒) 。这一成果震惊了 世界。但是到现在，这样容量的光纤通信系统已经不足为奇了。 光通信或是光纤通信的通信容量、或是光纤通信传送信息的速率发展之快是十分惊人 西安j e _ r - 大学硕士学位论文 的，现在已经实际应用的光纤通信系统容量或传输速率，已经比1 9 7 7 年的那个系统提高 了2 0 0 0 多位。而且还有更大的容量可以开发，光纤通信以其无可比拟的超大容量，从8 0 年代开始已经逐渐替代电线和电缆成为现代电信网硒1 的骨干。在信息量爆炸性增长的信 息社会里，光纤通信成为信息传递的主力。到2 0 0 0 年，全世界8 0 以上的信息传送业务 都要由光纤通信来完成。 以太网技术由施乐公司( x e r o x ) 于1 9 7 3 年提出并实现，当时的传输速率达到3 m b p s ， 之后在施乐、d i g i t a l 、i n t e l 的共同努力下于1 9 8 0 年推出了1 0 m b p sd i x 以太网标准。1 9 8 3 年，以太网技术( 8 0 2 3 ) 、令牌总线( 8 0 2 4 ) 、令牌环( 8 0 2 5 ) 共同成为局域网领域的三 大标准。在此之后，以太网技术的应用获得了长足的发展，全双工以太网、百兆以太网技 术相继出现。1 9 9 5 年，i e e e 正式通过了8 0 2 3 u 快速以太网标准，以太网技术实现了第一 次飞跃，传输速率的提升反过来又极大程度地促进了应用的发展，用户对网络容量的需求 也得到了进一步激发，9 0 年代以太网得到了前所未有的规模应用，大部分新建和改造的 网络都采用了这一技术，百兆成为局域网的新潮流，进而又带动了以太网的进一步发展。 1 1 2 光纤通信的现状 光纤通信具有传输容量大、中继距离长、传输损耗小等特点。自问世3 0 多年来，光 纤通信已逐渐成为现代传输网的主体。现在，世界上大约有6 0 的通信业务经光纤传输， 不久将达到8 5 。1 9 9 9 年底累计的全世界光纤用量已经达到3 亿公里。在信息社会，骨 干传输网的容量几乎每9 个月就要翻一番。大容量、宽带化以及全光网络技术的应用是未 来光通信技术的发展方向。 当今光纤通信技术的发展速度远远超过人们的预料，光纤已经成为通信网的重要传输 媒介。在国外，光通信产品制造业已经实现了集约化、规模化生产。美国康宁公司、北电 网络、朗讯科技、阿尔卡特等在光通信方面都拥有雄厚的实力。在1 9 9 9 年的光纤市场中， 康宁公司、朗讯科技、阿尔卡特三大企业的生产量已经达到了世界总产量的6 3 。在1 9 9 9 年的光传输设备市场中，北电网络、朗讯科技、阿尔卡特3 家占据了5 4 市场份额。 从目前光通信发展的整体水平来看，全球仍处于初级发展阶段。因为光纤通信的巨大 潜力还没有完全开发出来，许多光通信设备企业受到了投资者的青睐。近一段时间以来， 最受美国股市投资者追捧的投资热点之一就是以光纤设备为代表的光通信行业个股。目 前，全球数据业务量几乎半年左右就翻一番，这亟需新的技术以支持新的需求。现在，通 信技术正在从电路交换向包交换的方向转移。随着时间的推移，包交换也将受到处理器打 包速率等瓶颈的限制，光交换技术将逐步上场。近两年，光交换技术订1 发展非常快，未 来通信网络的核心层可能会首先采用光交换，而接入层仍将采用以a t m 或i p 路由器硒1 为主的包交换方式1 9 1 当前，通信业务特别是i p 业务的爆炸式增长，使国际通信业正在发生前所未有的重 2 第一章绪论 大变革。这场变革几乎遍及通信的每个领域，对光通信的影响更为重大。通信业务膨胀的 直接后果就是对通信速率和带宽需求的膨胀，而且通信变革的总体趋势是向着“多业务、 多速率接入、一体化”的方向发展，这也对带宽和透明性提出了要求。目前，光通信领域 各种新技术层出不穷，如复用技术1 1 0 光交换技术、全光标签分组交换技术、光交叉连 接n 等。在2 l 世纪，光通信将面临前所未有的发展契机，同时也将面临巨大的技术挑 战。 未来是光通信的世界。近年，全球各界对光通信的发展一直给予了很高的评价。美国 商务部1 9 9 9 年指出：“9 0 年代，全世界的光子产业以比微电子产业高得多的速度发展， 谁在光电子产业方面取得主动权，谁就将在2 1 世纪的尖端科技较量中夺魁”。日本呼声 月刊评论： 2 1 世纪具有代表意义的主导产业，第一是光电子产业，第二是信息通信产业， 第三是健康和福利产业美国t e l e c o m m u n i c a t i o n ) ) 杂志每年都要评选一次本年度在 电信领域的十大热门技术，1 9 9 9 年评出的十大电信技术是业务斡旋1 1 2 城域密集波分复 用1 1 3 1o c 7 6 8s o n e t 、h d s l 2 、统一传信、基于策略的管理、多协议标记交换1 1 4 1 智 能天线1 1 5 1 光交换及无线定位技术们等。最近评出的2 0 0 0 年十大热门技术是：光孤子 1 1 7 1 、无源光网 1 8 1d s l 传话音、时分双工t 1 9 1 可调谐激光器、光域业务互连、同步、 m 虚拟专用网、1 0 千兆以太网和甚短距光设备。我们可以看到，在两年里有近一半的热 门话题都与光通信技术有关。 我们可以断言，光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命。如果 说微电子技术推动了以计算机、因特网、光纤通信等为代表的信息技术的高速发展，改变 了人们的生活方式，使得知识经济初见端倪，那么随着信息技术的发展，大容量光纤通信 网络的建设和光电子技术在信息传输上将起到越来越重要的作用。巨大的市场需求驱动了 光通信产业的高速发展，2 0 世纪末通信领域发生的最大变革就是从电子向光子的转移。 光网络的发展情况： 目前，全球信息化进程加快，数据业务量几乎半年左右就翻一番，这就需要新的技术 支持新的需求。现在，电路交换正在向包交换的方向转移。随着时间的推移，包交换也将 受到处理器打包速率等瓶颈的限制，光交换将逐步上场。近两年，光交换技术发展非常快， 未来通信网络的核。干层可能会首先采用光交换；而接入层仍将采用a t m 或路由器等技 术为主的包换方式1 2 0 1 。 如果说微电子技术推动了以计算机、因特网、光纤通信等为代表的信息技术的高速发 展，改变了人们的生活方式，使得知识经济初见端倪。那么随着信息技术的发展，大容量 光纤通信网络的建设，光电子技术将起到越来越重要的作用。巨大的市场需求驱动了光通 信产业的高速发展，2 0 世纪末，通信领域发生的最大变革莫过于从电子向光子的转移， 其影响已经逐渐显现出来。 美国商务部1 9 9 9 年指出：“9 0 年代，全世界的光子产业以比微电子产业高得多的速度 发展，谁在光电子产业方面取得主动权，谁就将在2 1 世纪的尖端科技较量中夺魁”。日本 3 西安理工大学硕士学位论文 呼声月刊评论：“2 1 世纪具有代表意义的导产业，第一是光电子产业，第二信息通信 产业，第三是健康和福利业等等”。可以断言，光电子技术将继微电子技术之后再次推动 人类科学技术的革命。 当前，通信业务特别是p 业务的“爆炸式”发展，使国际通信信息业正在发生前所未 有的重大变革；这场变革几乎遍及通信的每个领域，对光通信的影响更为重大。通信业务 膨胀的直接后果就是对通信速率和带宽需求的膨胀，而且通信变革的总体趋势是向着“多 业务、多速率接入、一体化”的方向发展。这也对带宽和透明性提出了要求。可以这么认 为，2 1 世纪的光通信将面临前所未有的发展契机，同时也将面临巨大的技术上的挑战和 困难，目前，在光通信领域各种新技术层出不穷，如：复用技术、光交换技术、全光标签 分组交换技术、光交叉连接等。 1 。1 。3 国内光通信发展趋势 网络光化趋势将持续向用户端延伸，姗2 普及只是时间问题。n g n 业务特别是 高速数据业务是推动下一代光网络产品和技术发展的根本动力。下一代光网络应该是覆盖 了从接入到传输乃至交换各个领域的通信平台，涵盖众多新技术，比如a s o n 、m s t p 、 p o n 等。 网络设备投资仍将以光城域网和接入网为主，长途骨干网的建设将相对滞后。目前， 运营商市场在整体光网络设备中占据了绝大部分的份额。其中宽带业务仍将是目前和未来 几年内的主要业务增长点，电信运营商在未来光网络设备投资仍将以光城域网为主，并逐 步转向光接入层面。此外，经过多年的发展之后，随着语音和多媒体数据业务的快速增长， 国内主要运营商的骨干网光纤带宽利用率直线上升，已经接近饱和，为此，各大运营商也 正着手对自己的长途骨干网进行改造升级。 光网络设备市场竞争加剧，技术和服务成为众多制造企业制胜法宝。与无线通信和数 据通信领域相比，中国当前的光通信设备市场的竞争更为激烈，技术实力和服务水平已经 成为设备企业参与市场竞争的“敲门砖”。那些仅靠成本价格优势，只能在低端领域占据市 场份额而无技术创新的企业已经缺乏持续竞争力，面临着被市场淘汰的严峻考验。特别是 在u l h 、d w d m 、a s o n 和m s t p 这三大领域，技术创新已经成为企业参与竞争的最重 要砝码。 光模块的发展趋势是小型化、低成本、低功耗、远距离、高速率和热插拔e 2 2 1 。未来 光器件的热点主要集中在三大块，广域网、接入( p o n ) 网络以及l a n s a n 晒1 的网络市场， 基于m s a 模块以及p o n 网络中的有源器件将是一个非常火爆的市场，同时随着城域接 入和数据通信的迅速增长，s f p 和x f p 器件蹦1 也将成为供应商卖得最火的产品。 光纤光缆市场将进行大范围的整合和洗牌。我国的光纤光缆市场目前处于竞争无序的 状态；光纤企业众多，产能远远大于需求，价格战愈演愈烈，而且产品质量参差不齐。前 4 第一章绪论 一段时问搞得沸沸扬扬的“光纤反倾销案”也没根本改变这一现状。中国的光纤光缆产业要 想持续健康发展，市场整合势在必行。应该通过各种合理的方式来削减光纤企业的数量， 压缩产能。 1 2p o f 的发展及前景 数据通信的高速增长和网络的发展需要传输介质具有高的数据通信能力。c c i t t 已将 b i s d n 的用户网络接1 ：3 速率规定为15 5 m b i f f s 和6 2 2 m b i t s 。v e s a 开展家庭网络标准化【驯 作业，分析表明入户网络必须具备1 0 0m b w s 以上的数据传送速率。若采用双绞铜线或同 轴电缆，由于带宽的限制，传送距离短，电缆重( 7 0 9 m ) ，价格高；更重要的是噪声很大， 在1 0 0m b i t s 以上的传送速率下，电磁辐射噪声远超过f c c 的规定值。石英光纤”具有 带宽宽，衰减低等特点，是长距离通信干线的理想的传输介质但在光纤入户时却遇到巨 大困难。其芯径细( 8 “2 5 u r n ) ，在光纤耦合，互接中需要高精密度对准，几微米的连接偏差 就会引起很大的耦合损耗，连接器件成本和安装费用大大增加了系统的建价。而聚合物光 纤p o f ( p o l y m e ro p t i c a lf i b e r ) 由于其较粗的芯径( o 3 - 3 r a m ) 和良好的柔韧性，所以连接 方便，耦合效率“”高，更适合各种布线情况，从而解决了上述石英光纤遇到的困难。同 时具有高带宽、耐震动、抗辐射、价格便宜、施工方便的优点，成为未来光纤入户工程中 的首选材料之一。随着研究的深入，已经有许多p o f 商用产品面世，现已广泛应用于汽 车、c d 播放机、工业电子系统、传感器、小型光盘系统和个人计算机中。 p o f 构成光纤的芯与包层都是聚合物材料。与大芯径5 0 1 2 0 9 m 和6 25 1 2 5 t a m 的石英 玻璃多模光纤相比，p o f 的芯径高达2 0 0 1 0 0 0 1 x m ( 图1 1 ) ，数值孔径n a ( n u m e r i c a l a p e r t u r e ) 大约为o3 - - 05 ，较普通单模石英光纤( o l 一02 ) 高，其接续时可使用不带光 纤定位套筒的聚合物连接器，即便是光纤接续中，芯对准产生3 0 9 m 偏差都不会影响耦 舍损耗。正是p o f 结构赋予了其旌工快捷，接续成本低等优点。另外，芯径1 0 0 l u n 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。 图卜1 普通石英光纤与p o f 的结构对比 f i g l lc o m p 唧s t r l l c t b r eb e t w e e ns i l i c a f i b e ra n dp o f 西安理工大学硕士学位论文 p o f 的优点：具有透光性好，光学均匀、折射率调整便利等；以单体存在时通过 减压蒸馏方法就可以提纯；形成光纤的能力强；加工和化稳性好以及价格便宜等。光 纤性能：石英玻璃光纤性能的研究重点自始至终定位在衰减、色散、偏振模色散、非线性 效应等；而p o f 的性能研究重点则是衰减、色散t 2 7 1 热稳定性等。衰减：不吸收水分， 故潮湿程度不会明显影响其衰减变化。带宽：p o f 从选择低色散的材料出发，再以优化的 梯度折射率分布手段，从而抑制模间色散k 2 8 1 控制出射光波相对于入射光波展宽的效果， 进而可制得传输带宽高达几百m h z k m 至1 0 g t - i z k m 的梯度折射率分布的p o f 。机械特 性：与石英玻璃光纤相比，因为塑料延展性更好、刚性更小，所以p o f 的最小弯曲半径更 小，所以非常适合于接入网应用中f t r h 的楼宇内安装。制造工艺：制造p o f 的两种方法： 挤压法和界面凝胶法都是由塑料生产加工工艺演变而来的。技术工艺较石英制造工艺简 单。 p o f 的应用也十分广泛： p o f 在局域网中的应用；t 孕p o f 在家庭网络中的应用； p o f 在工业控制中的应用； p o f 在汽车工业中的应用；p o f 在国防军事中的应用； p o f 在传感方面的应用；p o f 在传感方面的应用；p o f 在灯饰装潢方面的应用； p o f 在特殊现实领域的应用； 1 2 1 p o f 技术的发展情况： 1 2 1 1 国际发展及现状 1 9 6 0 s 中期美国d u p o n t ( 杜邦) 公司推出了全反射型牌号为c r o f o n 的p o f ，1 9 6 8 年前苏 联报道了预制棒拉制p o f 法；1 9 7 2 年，杜邦公司又研究成功能传输近红外光的 “c r o f o n - - r x ”型p o f ，1 9 7 0 s 末，该公司又开发了p f x 型p o f ，其传输距离比以往的p o f 增加了l 倍，从1 9 7 0 s 到1 9 8 0 s ，前苏联、日本、德国、法国和韩国等纷纷投入大量资金 进行p o f 研究和开发，现在许多国家皆有p o f 研究机构和生产基地，如日本三菱r a y o n 公司、日本旭化成公司、日本旭硝子玻璃公司、日本东丽公司等，其它研究机构包括日本 k e i o 大学，澳大利亚悉尼大学，澳大利亚n e ws o u t hw a l e s ( 新南威尔逊) 大学，相关p o f 协会有美国的p o f t o 、法国的p o fc l u b 、日本的p o f 协会、韩国政府最近组织的p o f 协会以及德国p o f 应用中一t 二, ( p o f a c ) 。1 9 8 2 年三菱r a y o n 公司用数亿日元收购了美国 d u p o n t 公司e s k a ( 爱思卡) 和s u p e re s k a 两种牌号的p o f 及电缆技术后，成为世界上实力 雄厚的p o f 生产研究公司，日本现己成为p o f 研究生产中心。1 9 9 2 年6 b 欧洲通信与网 络学会在法国巴黎召开了首届p o f 国际会议，2 0 0 0 年在澳大利亚召开了第一届亚太p o f 研讨会，2 0 0 3 年1 月在香港召开了二年一度的第二届亚太p o f 研讨会。 美国和日本在p o f 和接入网的研发计划中投入巨额资金，企图在国际日趋激烈的知 识经济竞争中占据有利的位置。从1 9 9 4 年起，日美相继成立了p o f 合作组织：p a c k a r d h u g h e s 、波音、波士顿光纤、h o n e y w e l l 等公司参加的美国高速p o f 网财团由a r p a 资 6 第一章绪论 助6 0 0 0 万美金，1 9 9 7 年以光纤微网络计划( o m n e t ) ，由美国政府和工业界再次资助 6 0 0 0 万美元。日本p o f 由n e c 、三菱一人造丝、朝阳化工、东丽等公司参加合作研究与 开发，并且在折射率阶跃型p o f 产业化方面在全世界处于领先地位。日本计划在2 0 1 5 年 实现光纤到家庭( 册) 计划。1 9 9 4 年日本n e c 公司采用p o f 连网，成功地演示了1 0 0 m b s 的快速以太网系统；1 9 9 8 年日本n e c 公司等单位用梯度折射率眩”型p o f 成功地进行了 2 5 g b s 数据2 0 0 米链路传输实验。日本旭硝子公司和庆应大学开发的1 0 g b s p o f 商品将 正式上市。1 9 9 9 年美国的贝尔实验室用氟化梯度p o f 实现8 3 0 r i m 和1 3 u r n 波长l l g b p s 的p o f 链路传输实验，工作距离超过1 0 0 m 。在2 0 0 0 年o f c 会议上，日本a s a h ig l a s s 公司报道了氟化梯度p o f 衰减系数在8 5 0 n m 为4 1 d b k m ，在1 3 0 0 n m 为3 3 d b k m ，带宽 已达1 0 0 m h z k m 。用这种光纤成功地进行了5 0 m ，2 5 g b i f f s 的高速传输试验和7 0 摄氏度 长期热老化试验，实验结论为氟化梯度p o f 3 0 1 完全能满足短距离的通信使用要求。 近几年来，美欧日等国的公司研制成的p o f ，光损耗率已降到2 5 - 9 分贝公里。其 工作波长已扩展到8 7 0 微米( 近红外光) ，接近石英玻璃光纤的实用水平。但是p o f 一直在 传输距离和传输速度上受到限制。直到最近，采用p m m a 光纤，传输速度超过每秒4 0 0 兆比特，传输距离超过5 0 米的设备已经商用，这可以基本满足工业和消费类电子产品的 要求。新的折射率梯度光纤使传输速率超过1 g b f f s 成为可能。这将适合于诸如吉比特以 太网和数字视频交互。在传输距离方面，一种新的氟化物光纤损耗在6 5 0 - - 一1 3 0 0 n m 波长 范围内可以达到2 5 d b k m ，并有可能减d , n1 0d b k m 。另外，氟化物光纤可以制成梯度 折射率光纤，传输带宽可以达到4 g h z 1 0 0 m 。此外，美国麻省波士顿光纤公司研制的 o p t i g i g a p o f 更是引人注目，它不仅比玻璃轻、柔性更好、成本更低，而且可在1 0 0 米 内以每秒3 兆比特的速度传输数据。这种光纤还可以利用光的折射或光在纤维内的跳跃方 式来达到较高的传输速度。 1 2 i 2 国内发展及现状 而在中国，p o f 的研究始于1 9 8 0 s 初期，1 9 8 0 s 中期，南京玻纤院的聚苯乙烯p s 芯p o f 的研制成功并实现了工业化，p s 芯p o f 在工艺品及广告应用逐渐扩展，国外相关p o f 研究 进展的报道不断地影响我国的科技界，p o f 逐渐受到光纤行业的关注，进入1 9 9 0 s 末期， 对p o f 关注的中国高校越来越多，不再仅仅是中科院西安光机所、南京玻纤院和中科院化 学所和理化所等研究机构，进行p o f 研究的高校包括香港理工大学、香港城市大学、中国 科技大学、西安交通大学、上海交通大学、燕山大学、浙江大学和东南大学等，从而使中 国p o f 的研究水平达到了新的高度，缩短了国内夕b p o f 研究水平的差距。 中国科技大学开展了近十年的功能p o f 与器件的研究，研制了聚合光纤特征参数，谱 损、折射率分布等参数系列测试仪器，光纤端面抛磨设备以及p o f 链路传输系统t 3 1 1 0 中 科院化学研究所利用在高分子及相关学科的综合优势，目前已通过实验得到了一条经济和 技术均合理可行的g i 型p o f 的制备工艺1 3 2 1 并成功地制备了梯度折射率p o f ，并通过多 7 西安理工大学硕士学位论文 媒体信息传输。采用折射率分布制备新技术不同于现有专利和文献的报导。中科院理化所 从9 6 年开展高带宽低衰减渐变折射率p o f 的研制，实验室拉出可在8 5 0 c 下工作的光纤。南 京玻璃纤维设计院开展了以装潢为主要目的p o f 的研究，但尚未用于通信领域。中科院西 安光机所以p m m a 为纤芯研究生产的p o f 。武汉邮电科学研究院以p s 为纤芯，p m m a 为包 层，对p o f 也做了大量的研究。 1 2 1 3p o f 市场前景 近年来，随着信息技术的日益发展，p o f 以其成本低廉、重量轻、曲扰性好、耐震动、 芯径大、数值孔径高1 3 3 1 , 操作方便等特点在短距离通信中备受关注，不仅如此它在综合 布线、工业控制、军工系统、灯饰照明、汽车、光学传感等行业显示出巨大的市场潜力和 广阔的应用前景。主要表现在下面几个方面：工业控制市场汽车工业市场消费电子 市场通信网络市场等等。 1 2 2 影响p o f 发展的因素 影响p o f 发展的因素主要有一下几个因素，第一，欧洲汽车制造商广泛采用p o f ， 主要是基于m o s t ，b y 陀f l i g h t , i d b 1 3 9 4 等协议，进行汽车内部信息传输。第二，p o f 技术的成熟和进一步发展，包括渐变折射率光纤，氟化物光纤及其配件。第三，以太网络 的飞速发展，消费者开始认可并接受这一高速网络，从而家庭，办公室，工厂对这一网络 的需求巨大。第四，就是针对p o f 的诸多标准化协议，正在建立和完善起来。以上这些 因素都促使p o f 的需求市场非常巨大p o f 的消费市场主要集中于短距离的高速数据通 讯。 1 3 本文的研究内容 从上面的分析可知，塑料光纤的优点使其必然在局域网中大显伸手，而数据接入网技 术是现有高速通信技术中发展的前沿之一，实现塑料光纤和现有家庭p c 的接入也成为关 键技术之一。我们本文的目的就是通过高速电路设计，直接实现塑料光纤和现有网卡的对 接。我们的设计主要包括两部分：电路原理图高速布线；最终实现百兆塑料光纤以太 网传输和现有p c 适配器的对接。 8 第二章转换器工作设计环境分析 2 光电电光转换器工作环境分析 在本课题设计中，我们设计目的是：光电转换器，要求输入端与6 5 0 i m 光纤系统相 接，另外一边与普通计算机网卡相接，而供电系统我们为了尽可能方便简洁，则考虑使用 计算机u s b 供电，所以我们需要对6 5 0 n m 光口参数、传输码型、计算机网卡工作原理、 砌4 5 水晶头( 网卡外接口) 工作参数、内部码型、u s b 工作原理及其电性能、以及我们 设计的模块需要遵循的8 0 2 3 u 通信协议等等细节进行详细分析。以便在我们的设计中遵 循这些规则，设计出合理的、工作性能协调的器件、模块。 2 1 光电转换模块在系统中的地位 图2 1 模块应用示恿图 f i g 2 1s k e t c ho f m o d e la p p l i c a t i o n 光电转换模块的地位也就是设计它的主要目的，它的用途。从上面图2 。1 中，我们可 以直观地看到它的作用及它在实际当中的应用。即它是实现三网( 数据、视频、语音) 合 一的重要器件。其中的数据设备对于家庭网络来说现阶段和以后相当长一段时间主要指的 是家庭或局域网计算机；而语音设备指高速视频v o d 和家庭电视( 现阶段主要指数字电视 和模拟电视) ；而语音设备指电话系统。 我们设计的光电转换模块，它的主要作用是：用于将适合塑料光纤传输的6 5 0 n m 波长 的光信号和适合双绞线传输的电信号进行相互转换，把仍在使用的现有各种规格以太网适 配器的计算机连接到6 5 0 n m 的塑料光纤传输系统，并通过光网络获得很高的信息传送速率， 并能使6 5 0 n t o 塑料光纤传输系统与公用信息网有效互通。 9 西安理工太学硕士学位论文 22 网卡工作分析 设计的转换模块要实现转换首先就要与计算机网卡接1 3 ，那么我们必须了解网卡的内 部工作原理，接口类型，编码类型，数据传输要求。 下面我们就来简单分析一下常用的网卡。 网卡也叫网络适配器，英文全称为n e t w o r k i n t e r f a c e c a r d ，简称n i c 。网卡是局域网中最基本的部 件之一，它是连接计算机与网络的硬件设备，负责将 用户要传递的数据转换为网绍上其它设备能够识别的 格式，通过网络介质传输。它的主要技术参数为带宽、 总线方式、电气接1 3 方式等。它的基本功能为：从并 行到串行的数据转换，包的装配和拆装，网络存取控 圉2 - 2 常用网卡示意图 f i 9 2 - 2s k e t c ho f g e n e r a l n i c 制数据缓存和网络信号。无论是双绞线连接、同轴电缆连接还是光纤连接，都必须借助 于网卡才能实现数据的通信。是电脑与局域网相互连接的设各。网卡必须具备两大技术： 网卡驱动程序和t j o 技术。驱动程序使网卡和网络操作系统兼容，实现p c 机与网络的通 信。i o 技术可以通过数据总线实现p c 和网卡之间的通信。 21 1 网卡工作原理 网卡的主要工作原理是整理计算机上发往网线上的数据，井将数据分解为适当大小的 数据包之后向网络上发送出去。对于网卡而言，每块网卡都有一个唯一的网络节点地址 它是网卡生产厂家在生产时烧入r o m ( 只读存储芯片) 中的，我们把它叫做m a c 地址 ( 物理地址) ，且保证绝对不会重复。对于物理地址的详细内容我们还要在后面的章节中 进行详细的讲解，因为在设计中要对我们模块的物理地址进行详细的配置，所以在后面的 章节中我们详细叙述。 212 网卡的数据传输及特点 电脑之间在进行相互通讯时，数据不是以流而是以帧的方式进行传输的。我们可以把 帧看做是一种数据包，在数据包中不仅包含有数据信息，而且还包含有数据的发送地、接 收地信息和数据的校验信息。 块网卡包括o s i 模型的两个层一物理层和数据链路层。 物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电 路等并向数据链路层设备提供标准接口。数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、 数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。 网卡的数据传输功能主要有两个：一是将电脑的数据封装为帧，井通过网线( 对无线网 第二章转换器工作设计环境分析 络来说就是电磁波) 将数据发送到网络上去；二是接收网络上其它设备传过来的帧，并将帧 重新组合成数据，发送到所在的电脑中。网卡能接收所有在网络上传输的信号，但正常情 况下只接受发送到该电脑的帧和广播帧，将其余的帧丢弃。然后，传送到系统c