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应用领域
用于短距离数据传输的塑料光纤
作者：Olaf Ziemann，Hans Poisel，Sebastian Randel，Jeffrey Lee
王亚辉 译
1. 前言
近几年来对塑料光纤应用于数据通信和传感器的兴趣得到了快速增长。这有几个原因，一个最重要的原因就是宽带接入的增加和需要高质量的实时VIDEO服务。
本篇文章总结了POF的最近的技术进展和传输能力的改进，第二部分描述了市场和标准化问题，主要的难点在于找到成本和最好的技术方案之间的平衡。我们的建议是大规模的市场应用PMMA-SI-POF系统，然后下一代应用是大带宽的POF系统。
2. 光网络的发展
没有太多的人知道，塑料和石英光纤都是早在上世纪60年代末期同时发展起来的，那时我们还没想到石英光纤的传输能力可以达到25 Tbit/s (OFC’2007)，差不多没有传输距离的限制。另一方面近10年来塑料光纤由于特别容易连接和低的成本也得到了适合的应用，但POF在传输速度和距离上收到了限制。对于POF来说，增加其带宽和降低连接成本为塑料光纤在短距离数据传输中打开了新的应用领域。图1中我们列出了短距离数据传输系统的一些应用。
图1 光网络的进展设想
目前POF已经应用于自动化和汽车网络，POF在家庭网络的应用有着巨大的潜力。一些制造商提供了大于100Mbp/s的快速以太网链路， Gbit/s的收发器也制造出来了，有源器件（低负荷的光电二极管，VCSEL和快速 LED）和改进的调制技术（离散多音频DMT，多级编码multi level coding）提供了较快速和低价的系统。
最近十年已经开发了多种折射率和芯层材料的POF，最为人知的光纤是 1 mm直径的PMMA 的折射率突变型（SI - POF）POF，数值孔径为 0.50 ，经常被称为标准的POF。这种 POF被应用于汽车网络、工业总线系统和现有的快速以太网家用产品。根据国际标准定义的具有不同参数的POF见表1。
参 数 | 单 位 | A4a | A4d | A4e | A4f | A4g | A4h |
芯径 | µm | - | - | ≥500 | 200±10 | 120±10 | 62.5 |
皮径 | µm | 1000±60 | 1000±60 | 750±20 | 490±10 | 490±10 | 240±5 |
外径(护套) | µm | 2.2±0.1 | 2.2±0.1 | 2.2±0.1 | - | - | - |
衰减(650nm) | dB/km | ≤400 | ≤400 | ≤400 | ≤400 | ≤400 | - |
衰减(850nm) | dB/km | - | - | - | ≤40 | ≤33 | ≤33 |
带宽(650nm) | MHz.100m | ≥10 | ≥100 | ≥200 | ≥800 | ≥800 | - |
带宽(850nm) | MHz.100m | - | - | - | 1500-4000 | 1880-5000 | 1880-5000 |
弯曲损耗 | dB/10 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤1.25 | ≤0.6 | ≤0.25 |
NA | 0.50±0.15 | 0.50±0.15 | 0.30±0.05 | 0.25±0.07 | 0.19±0.015 | 0.19±0.015 | 0.19±0.015 |
目前A4a类的POF占塑料光纤应用比例超过90%，汽车网络都采用A4a类，自动化方面和家庭网络也基于这种类型的POF。A4d类的POF推荐用于50~100米的链路。其它的多芯的和多层的SI-POF具有更快的传输速率和更多的优点，像改善了弯曲性能。全氟的GI-POF在超过200米时的速率甚至可以到达10Gbit/s，但是这些POF在市场成功应用中受到了限制。除了A4a类的POF都很昂贵，主要原因是产量低。对未来的几年来说最重要的问题是要选择合适的塑料光纤，下面的表2给出了三种可能的方案：
方案 | 标准POF | 大带宽PMMA-POF | 全氟GI-POF |
生产厂家 | 3家日本公司 | 三菱：MSI-POF Optimedia：GI-POF Asahi Chemical：MC-POF | Asahi glass Nexans Chomis |
类型和参数 | 光纤直径: 1000μm NA: 0.48 ± 0.02 带宽: 40 MHz·100m 衰减: 130 dB/km (650 nm) 衰减: 90 dB/km (520 nm) | 光纤直径: 750 μm NA: 0.40 ± 0.02 带宽: 500 MHz·100m 衰减160dB/km (650nm) | 光纤直径: 120 μm NA: 0.22 带宽: 5000 MHz·100m 衰减: 30 dB/km (850 nm) 衰减: 20 dB/km (1300 nm) |
价格 | 10ct. (瑞士法郎)/m | 接近标准的POF |
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主要议题是POF要进入大规模的市场应用是用标准的POF还是等级较高的POF，德国的器件制造公司和日本的三个光纤公司总结如下：
(1)确定一个新的等级的具有改进的参数的A4a*“通信级”POF （损耗160 dB/km 在650 nm，NA：0.48±0.02，带宽40 MHz 100m）。
(2)多芯的GI-POF能够作为替代物，如果它们是与标准的POF并存的。
(3) PF-GI-POF被推荐用于较远距离和CATV信号的传输。
(4)允许使用所有的常用的基于快速以太网产品的LED 和可以安装在用户房间里的连接器。
下一个很重要的问题将在下一部分回答，这个光纤是准备为了下一代Gbit/s传输。
4. POF的真正的能力（容量）是什么？
现在讨论POF的最大能力，比特率将通过简单地加倍3dB带宽来计算（典型地是在EMD条件下）。图2表示了长度和能力之间的关系，带宽估算为10 MHz·100m （A4a）a和40 MHz·100m （A4*）。不同的点代表是POF-AC和Siemens Munich 做的实验。（[1], [5]）。
图2 A4a* 的SI-POF的能力（基于3d带宽和实验室条件）
事实上SI-POF在几十米的距离传输1Gbit/s是可能的，通过简单的被动补偿，应用DMT （Discrete Multi Tone）调制方法。在100m大于1Gbit/s 已经通过红色激光器实现，大于1.4 Gbit/s是用蓝光LED 实现了短距离传输。
5. 总结
为了使POF更快和更可行地进入大规模的市场应用，我们建议应用标准的1mm的POF （A4a*），主要的应用范围是快速以太网连接和家庭网络（例如IPTV）。我们还论证了POF进行1 Gbit/s从25 m 到50 m的传输是容易的，甚至可以使用LED的收发器。
如果大芯的塑料光纤结合了很低成本（和很低工作功率）的LED光源，极易操作（小的弯曲半径和好的机械性能）和安装，那么POF也就成为网络连接方案的完美候选。（例如内部设备，板载和高速晶片连接）。
