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應用領域
用于短距離數據傳輸的塑料光纖
作者：Olaf Ziemann，Hans Poisel，Sebastian Randel，Jeffrey Lee
王亞輝 譯
1. 前言
近幾年來對塑料光纖應用于數據通信和傳感器的興趣得到了快速增長。這有幾個原因，一個最重要的原因就是寬帶接入的增加和需要高質量的實時VIDEO服務。
本篇文章總結了POF的最近的技術進展和傳輸能力的改進，第二部分描述了市場和標准化問題，主要的難點在于找到成本和最好的技術方案之間的平衡。我們的建議是大規模的市場應用PMMA-SI-POF系統，然後下一代應用是大帶寬的POF系統。
2. 光網絡的發展
沒有太多的人知道，塑料和石英光纖都是早在上世紀60年代末期同時發展起來的，那時我們還沒想到石英光纖的傳輸能力可以達到25 Tbit/s (OFC’2007)，差不多沒有傳輸距離的限制。另一方面近10年來塑料光纖由于特別容易連接和低的成本也得到了適合的應用，但POF在傳輸速度和距離上收到了限制。對于POF來說，增加其帶寬和降低連接成本爲塑料光纖在短距離數據傳輸中打開了新的應用領域。圖1中我們列出了短距離數據傳輸系統的一些應用。
圖1 光網絡的進展設想
目前POF已經應用于自動化和汽車網絡，POF在家庭網絡的應用有著巨大的潛力。一些制造商提供了大于100Mbp/s的快速以太網鏈路， Gbit/s的收發器也制造出來了，有源器件（低負荷的光電二極管，VCSEL和快速 LED）和改進的調制技術（離散多音頻DMT，多級編碼multi level coding）提供了較快速和低價的系統。
最近十年已經開發了多種折射率和芯層材料的POF，最爲人知的光纖是 1 mm直徑的PMMA 的折射率突變型（SI - POF）POF，數值孔徑爲 0.50 ，經常被稱爲標准的POF。這種 POF被應用于汽車網絡、工業總線系統和現有的快速以太網家用産品。根據國際標准定義的具有不同參數的POF見表1。
參 數 | 單 位 | A4a | A4d | A4e | A4f | A4g | A4h |
芯徑 | μm | - | - | ≥500 | 200±10 | 120±10 | 62.5 |
皮徑 | μm | 1000±60 | 1000±60 | 750±20 | 490±10 | 490±10 | 240±5 |
外徑(護套) | μm | 2.2±0.1 | 2.2±0.1 | 2.2±0.1 | - | - | - |
衰減(650nm) | dB/km | ≤400 | ≤400 | ≤400 | ≤400 | ≤400 | - |
衰減(850nm) | dB/km | - | - | - | ≤40 | ≤33 | ≤33 |
帶寬(650nm) | MHz.100m | ≥10 | ≥100 | ≥200 | ≥800 | ≥800 | - |
帶寬(850nm) | MHz.100m | - | - | - | 1500-4000 | 1880-5000 | 1880-5000 |
彎曲損耗 | 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類的POF占塑料光纖應用比例超過90%，汽車網絡都采用A4a類，自動化方面和家庭網絡也基于這種類型的POF。A4d類的POF推薦用于50~100米的鏈路。其它的多芯的和多層的SI-POF具有更快的傳輸速率和更多的優點，像改善了彎曲性能。全氟的GI-POF在超過200米時的速率甚至可以到達10Gbit/s，但是這些POF在市場成功應用中受到了限制。除了A4a類的POF都很昂貴，主要原因是産量低。對未來的幾年來說最重要的問題是要選擇合適的塑料光纖，下面的表2給出了三種可能的方案：
方案 | 標准POF | 大帶寬PMMA-POF | 全氟GI-POF |
生産廠家 | 3家日本公司 | 三菱：MSI-POF Optimedia：GI-POF Asahi Chemical：MC-POF | Asahi glass Nexans Chomis |
類型和參數 | 光纖直徑: 1000μm NA: 0.48 ± 0.02 帶寬: 40 MHz·100m 衰減: 130 dB/km (650 nm) 衰減: 90 dB/km (520 nm) | 光纖直徑: 750 μm NA: 0.40 ± 0.02 帶寬: 500 MHz·100m 衰減160dB/km (650nm) | 光纖直徑: 120 μm NA: 0.22 帶寬: 5000 MHz·100m 衰減: 30 dB/km (850 nm) 衰減: 20 dB/km (1300 nm) |
價格 | 10ct. (瑞士法郎)/m | 接近標准的POF |
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主要議題是POF要進入大規模的市場應用是用標准的POF還是等級較高的POF，德國的器件制造公司和日本的三個光纖公司總結如下：
(1)確定一個新的等級的具有改進的參數的A4a*“通信級”POF （損耗160 dB/km 在650 nm，NA：0.48±0.02，帶寬40 MHz 100m）。
(2)多芯的GI-POF能夠作爲替代物，如果它們是與標准的POF並存的。
(3) PF-GI-POF被推薦用于較遠距離和CATV信號的傳輸。
(4)允許使用所有的常用的基于快速以太網産品的LED 和可以安裝在用戶房間裏的連接器。
下一個很重要的問題將在下一部分回答，這個光纖是准備爲了下一代Gbit/s傳輸。
4. POF的真正的能力（容量）是什麽？
現在討論POF的最大能力，比特率將通過簡單地加倍3dB帶寬來計算（典型地是在EMD條件下）。圖2表示了長度和能力之間的關系，帶寬估算爲10 MHz·100m （A4a）a和40 MHz·100m （A4*）。不同的點代表是POF-AC和Siemens Munich 做的實驗。（[1], [5]）。
圖2 A4a* 的SI-POF的能力（基于3d帶寬和實驗室條件）
事實上SI-POF在幾十米的距離傳輸1Gbit/s是可能的，通過簡單的被動補償，應用DMT （Discrete Multi Tone）調制方法。在100m大于1Gbit/s 已經通過紅色激光器實現，大于1.4 Gbit/s是用藍光LED 實現了短距離傳輸。
5. 總結
爲了使POF更快和更可行地進入大規模的市場應用，我們建議應用標准的1mm的POF （A4a*），主要的應用範圍是快速以太網連接和家庭網絡（例如IPTV）。我們還論證了POF進行1 Gbit/s從25 m 到50 m的傳輸是容易的，甚至可以使用LED的收發器。
如果大芯的塑料光纖結合了很低成本（和很低工作功率）的LED光源，極易操作（小的彎曲半徑和好的機械性能）和安裝，那麽POF也就成爲網絡連接方案的完美候選。（例如內部設備，板載和高速晶片連接）。
