我国塑料光纤应用的新进展——基于塑料光纤的FTTH解决方案

1.引言

FTTH凭着接入带宽宽、可靠性高等优势是公认的接入网发展的长远目标和最终解决方案。近年来，我国光纤接入市场正进入一个前所未有的高速增长期，全国各地的FTTH商用工程更是如雨后春笋般涌现，部署规模和部署速度与往年相比有很大的飞跃。烽火科技集团总工程师毛谦在“2008年FTTH发展战略咨询会”上透露，江苏等省份将全面停止ADSL铺设，全面实行光纤到户。武汉市政府已下发文件，确定2007年实现光纤到户5万户，2008年达10万户，2010年达50万户。广东、安徽、北京等地的光纤到户发展速度也异常迅猛。上海市定于2012年全部实现FTTH。FTTH这种光纤接入方式需要的光纤约为城域网的5-10倍，为光缆干线的25-50倍。但在FTTH建设中，石英光纤存在着连接难度大、生产成本高、系统安装及维护费用高等问题，大大提高了FTTH的建设成本，增加了用户的负担，阻碍了FTTH的进一步推广。为了解决这个问题，业界一直没有停止过对其它材料光纤的研发，其中对塑料光纤（POF）的研发是目前业界最热门的研究领域之一。POF以其芯径大、柔韧性好、可塑性强、质量轻、价格低廉等优点而受到国际上的普遍关注。因此利用通信用POF配合石英光纤，在FTTH的末端（家庭综合布线）将发挥很大效用，可以解决“最后几百米”的接入难题。通信用POF具有芯径粗、易耦合、不用熔接或者焊接、重量轻、柔性好可弯曲、防腐蚀、防潮湿、防震防爆，无电磁干扰和辐射、保密性、安全性及抗干扰能力强以及衰减为恒量，不随传输状态变化等特点，因此，通信用POF是铜缆的有力竞争者乃至替代品。显然，通信用POF的应用将可推进我国FTTH加速发展的步伐。

2009年我国FTTH将进入超常规发展阶段，至2010年预计我国FTTH用户可达到5000万户，如每户家庭布线平均用100米通信用POF，每米1元计就是50亿元的市场规模，如再加上配套用有源、无源器件、模块、系统设备将可达到100亿元的市场规模。可见塑料光纤布线的应用前景十分看好。

2. 塑料光纤布线系统解决方案

光纤到户接入技术作为未来的宽带接入解决方案，在日本和美国已得到广泛应用，在我国也得到了越来越多的关注。在与用户沟通和提供解决方案的过程中，发现阻碍我国FTTH发展的最大障碍是投资成本过高。我们认为，正确选择适合我国国情的FTTH接入技术，开发低成本FTTH接入系统是发展FTTH的关键。

采用塑料光纤的综合布线系统可作为智能大厦、计算机网络传输的解决方案。该布线系统自产生后就得到了普遍应用，该系统把一栋建筑内的或一个计算机网络内的电脑网络终端，通过塑料光纤互相连线，形成一个完整的网络。根据其各部分在建筑中位置及功能的不同，可划分为几个子模块系统：

塑料光纤的综合布线解决方案中，垂直干线一般采用传统的石英光纤如多模光缆。塑料光纤主要应用在连接点众多的水平系统中，用于解决水平方向上从网络交换机到各个工作区电脑的大数据量传输的需求。水平方向的数据连接，即光纤通讯工作间到桌面的连接，由于连接数目多，采用传统的石英光纤无论在成本、工程，还是管理维护方面均较难实现普遍应用。而塑料光纤的直径大，很易于实现光纤的端接、耦合以及布放施工，对线缆最小弯曲半径、安装环境要求也低。所以在高档的全光布线系统、千兆网络系统中以及防干扰、防信号泄漏的布线系统工程，可以比其它类型的传输线路更具优势。

3.塑料光纤智能化综合布线系统

在100Mbps信息速率下用塑料光纤传输距离可达60米以上，为光纤到桌面的局域网传输接入提供了新的解决方案。

塑料光纤传输系统包括650nm光以太网交换机、650nm光网卡、光波长转换器(1310nm／650nm光波长转换)、光波长转换器(1 5 5 0 n m／6 5 0 n m光波长转换)、光波长转换器(850nm／650nm光波长转换)、650nm光电转换器、650nm光中继器、650nm塑料光纤光缆和塑料光纤连接器、USB接口等十个产品。

650nm光以太网交换机是组成网络系统的核心设备，是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品。交换机的组成包括：两块以交换芯片为核心的主控板，它们通过介质独立接口之间的相互连接，并联起来应用，构成一个24路的交换系统。交换机可以提供多种网络互联功能。交换机能为每个工作点提供更大的带宽，协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中。交换机直接使用650nm塑料光纤、与之配套使用的光中继器、光电转换器、光转换器和光网卡，而不必作高层的硬件升级。

光波长转换器的组成包括：介质转换芯片、光纤收发模块、供电模块、晶振电路等。 介质转换芯片是一个低功耗、高性能的CMOS芯片。它具有符合IEEE802．3u标准的全部物理层功能，主要包括物理编码子层(PCS)，适用于光纤模板的PECL兼容接口，能够自动选择全双工／半双工工作模式等，实现不同波长光信号到650rim光信号的转换，既可以提供与双绞线(五类线)线缆在100Base-TX快速以太网的直接接口，也可以通过PECL接口连接外部的光纤收发器。该光波长转换器以两片交换芯片为核心组成的光波长转换系统。它们分别通过V25806石英光纤接口电路和光纤接口电路，连接到850nm、1310nm、1550nm石英光纤和650nm塑料光纤。

650nm光中继器由两端光收发模快、DC／DC变换器和AC／DC变换器以及电源指示发光二极管组成。光中继器的核心部件是两个光收发模块，它将光信号的收发电路集成一体，其中包括了光／电转换电路、电信号整形电路、电／光转换电路，它能可靠的将-22dBm-0dBm范围的光信号变换为标准的PECL电平的电信号，同时将其变换为-7dBm- -3dBm的光信号。

光电转换器的组成包括：介质转换芯片、光纤收发模块、供电模块、晶振电路等。 介质转换芯片是一个低功耗、高性能的CMOS芯片，它具有符合IEEE802．3u标准的全部物理层功能，主要包括物理编码子层(PCS)，适用于光纤模块的PECL兼容接口，能够自动选择全双工／半双工工作模式等，实现不同波长光信号到650hm光信号的转换。既可以提供与双绞线(五类线)线缆在100Base-TX快速以太网的直接接口，也可以通过PECL接口连接外部的光纤收发器。该光电转换器是以两片介质转换芯片为核心组成的光电转换系统。它们分别通过ST8861 6五类线的TP电接口电路和光纤接口电路，连接到普通五类线电缆和650nm塑料光纤。

光网卡的组成包括：主控芯片是以太网介质接入控制器芯片、+3．3V电压变换模块、晶振电路等。． 网卡是32位PCI总线插槽中、用于收发不同的信帧，以实现数据通迅的集成电路卡。以太网介质接入控制器芯片是一个低功耗、高性能的CMOS芯片，它具有符合IEEE802．3u标准的全部物理层功能，主要包括收发DMA逻辑控制电路、分别为2K字节的收发先入先出存储区、介质接入控制模块等核心单元。

塑料光纤光缆采用塑料光纤纤芯直径980um、包层厚度10um、聚乙烯护套，护套壁厚0.6mm、塑料光缆外径2.2mm.塑料光纤连接器可根据不同型号的光模块设计相对应。

3．1系统性能指标

100Mbps全双工传输速度；

一台光交换机可分别实现8、1 6、24端口光交换；

实现650nm与850nm、1310nm、1550nm等波长的转换；

实现以太网端口与650nm光端口之间的转换；

光网卡使用方便，在计算机操作上与普通网卡无异；

650nm光发送功率：不小于-8dBm

650nm光接收灵敏度：优于-22dBm

传输距离：大于60 m(无中继)

3．2 光以太网交换机性能指标

光中心波长：650nm±4％

光发射功率：≥一8dBm

光接收灵敏度：≤一22dBm

光口信息速率：100Mbps

内部交换速率：2.0Gbps

供电及功耗：输入交流180-260V，功耗小于30W

3．3 光波长转换器技术性能指标

光接口的指标应能满足以下要求：

平均发送光功率：≥-4dBm(光波长为1550nm)

≥-16dBm(光波长为1310nm)

≥-11dBm(光波长为850nm)

≥-8dBm(光波长为650nm)

光接收灵敏度：≤-33dBm(光波长为．1550nm)

≤-33dBm(光波长为1310nm)

≤-17dBm(光波长为850mm)

≤-22dBm(光波长为650nm)

中心波长：1430nm～1576nm(光波长为1550nm)

1290nm∽1330nm(光波长为1310nm)

770nm∽860nm(光波长为850nm)

光谱宽：≤2．5nm(光波长为1550nm)

≤4nm(光波长为1310nm)

≤1nm(光波长为850nm)

波长隔离度：≥20dB(波长1 550nm／650nm)

≥20dB(波长1310nm／650nm)

≥20dB(波长850rim／650nm)

3．4 光中继器性能指标

光口发射光中心波长：650nm±4％

光口发射光功率：≥-9dBm

光口接收灵敏度：≤-22dBm.

信息传输速率：全双工100Mbps.

供电及功耗：输入交流100-260V,功耗<2W.

3．5 光电转换器技术性能指标

光口发射光中心波长：650nm±4％

光口发射光功率：≥-9dBm-

光口接收灵敏度：≤-22dBm

信息传输速率：全双工100Mbps

供电及功耗：输入交流100-260V，功耗小于3W

3．6 光网卡技术性能指标如下：

光中心波长：650nm±4％

发射光功率：≥一8dBm

光接收灵敏度：≤-22dBm

信息传输速率：全双工1 00Mbps

PCI接口时钟：25M-33M ，

3．7 650nm塑料光纤技术性能指标如下：

纤芯直径：980μm±50μm

包层直径：1000μm±50μm

包层不圆度：≤6％

衰减：≤200dB/km

总带宽：≥600Mb／s

拉伸屈服强度：≥56MPa

拉伸屈服伸长率：≥4％

工作波长：650nm

3．8 650nm塑料光纤光缆技术性能指标如下：

双芯护套外径：4.4mm±0．1mm

光纤光缆工作温度： -50℃∽70℃

工作波长：650nm

衰减：≤200dB/km

挤压残余附加损耗：≤0．2dB

冲击残余附加损耗：≤0．2dB

卷绕残余附加损耗：≤0．2dB

扭曲残余附加损耗：≤0．2dB

塑料光纤传输系统采用聚合物光纤作为传输介质，具有频带宽、保密性能好、抗干扰能力强的优点。

a)带宽高、传输质量好。该系统可达到100Mbps的传输速率，可以通过光波长转换器，将宽带远距离传输的石英光纤与宽带短距离传输的塑料光纤相连接，组成全光网，使信息传输的速率、质量均优于目前的光电混合网。

b)保密性、抗干扰性好。采用光纤通信，可以克服铜线铜缆所存在的电磁辐射、电磁干扰、防雷击等问题，因此更加适合于国防和国家安全网络、军事通信网络通信等领域。

c)维护方便。塑料光纤因其重量轻、韧性好、接口容易、光源便宜等特点，加上650nm波长为可见光，便于施工布设和日常维护。

d)成本低。目前，信息传输网络基本采用金属铜为导体的五类线或超五类线作为信息传输介质，铜是一种有限的矿业资源，国际上的铜价总的处于上升趋势。达标五类线或超五类线目前市场上的最低价格也在2元／米左右。塑料光纤主要原材料采用的是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的普通化工产品。终端设备采用国内外成熟的电子元器件，质量可靠、价格低廉。650nm塑料光纤传输系统不仅解决了信息传输领域带宽、保密、抗干扰等诸多问题，而且还可以为国家节约大量的有色金属铜，为政府和企业减少大量的费用。

4.国产塑料光纤产业化及其网络设备

江西大圣塑料光纤有限公司(前身为深圳大圣光电技术有限公司)在中科院物化所及国内著名院校的协助下，于2006年底开始小批量生产塑料光纤，2007年开始加大生产设备的研发制造，从2007年年初的单一生产线，到2008年年底已经完成了第三条生产线的安装调试工作，产能从过去日产12万米PMMA光纤光缆，到现在的日产40万米。全部的生产设备都是企业自身研发的，该生产线成功解决了高纯度光纤级PMMA模塑料、高速生产线自动化控制等技术，掌握了通信级塑料光纤生产和装备制造两大核心技术，打破了外国企业对该产业的垄断，不受国外垄断厂家的控制，完全拥有该产业自己的全部知识产权。产业化生产，使光纤质量稳定，其衰减系数一直在180dB／km至190dB／km，带宽稳定在100Mb／s以上，可以用来搭建全塑料光纤用户网络。

国外的知名网络设备公司Firecomms已经与江西大圣塑料光纤有限公司达成战略合作伙伴协议，将其网络产品以生产许可的方式引入中国，并协助中方的设计、生产及测试，早日国产化，共同开启中国市场，以达到双赢的目的。

网络器件与设备国产化后，以规模化、产业化生产，其成本会很快降下来，预测在FTTH中望料光纤部分，每户600至800元左右，这就为普及光纤到户创造了条件，使FTTH离我们越来越近，最终将成为现实。

5.塑料光纤网络解决方案

此方案为塑料光纤网络系统应用在住宅或办公大厦内为例，也可为传统光电混合结构局域网中五类双绞线改造为塑料光纤网络系统作参考，其他类型的方案可依此类推。注意，本方案中，除注明为石英光纤外，其它所有光纤皆指PMMA通信用双纤型塑料光纤。

塑料光纤网络解决方案示意图





塑料光网络系统一般由五部分组成

5.1塑料光纤网络布线

首先我们要定义的是：光纤是双芯型的，每芯为外径2．2mm光纤芯径lmm,使用此类光纤的好处是，光通讯时，接收和发射互不干扰，最大段距离可达100m。

塑料光纤的网络布线分为水平部分和垂直部分。水平部分是以每层楼为单位进行布线。根据楼层网络用户的数量，确定水平网络的根数。每根的长度是从楼层的弱电井沿建筑物表面到达用户点。

垂直部分的布线是从楼宇弱电控制室到每层楼层弱电室(井)，垂直光纤的数量由楼层数决定，建议多留几根作为故障备用。

5.2网络接入及转换

城域网的石英光纤可通过电信部门，从其端局末端节点接到大厦的主弱电室，将石英光纤中波长1550nm、1310nm光信号作为输入接到一个带有光波转换器功能的光路由器输入端，转换后的650nm波长的光信号由光路由器输出口输出。

5.3主控制设备

主控制设备是由一台或多台光交换机组成。光交换机输出一般分8口或24口的，我们可以按楼层数量用8口或24口的交换机自由组合，保证每层有一个输出口，最好多两个口备用。

主控设备的输入与光路由器输出用双芯塑料光纤跳线(短线)相连，主控设备的输出口对应连接通向各楼层的塑料光纤。

5.4楼层接入设备

每楼层的弱电井需要安装一个光交换机，其输出口的数量由楼层用户决定。住户楼宇一般可用一个输出为八口的交换机。交换机的输入端口连接来自主控设备的对应塑料光纤，输出端口连接通往用户的对应塑料光纤。

5.5用户设备部分

每一根用户塑料光纤在指定的地点与相应墙面的光缆耦合(连接)盒相连。用户使用一根双芯塑料光缆跳线(一般1～5m)，一端与墙面光缆盒连接，另一端与具有光网卡的网络设备相连，网络设备就可上网了。如果网络设备上没有光网卡，只有普通的网卡，比如像笔记本电脑，可利用一个光纤收发器，将塑料光纤一端与墙面光缆盒连接，另一端与光收发器光口相连，收发器的另一端带有RJ 45标准以太网的网络接头，用户可直接插入到自己带有标准网络接口的网络设备上。

以此方案为基础，江西大圣塑料光纤有限公司利用自产光纤已经组成了全塑料光纤局域网，网络中包括IPTV电视节目，VOIP网络电话，小区流媒体服务器(可向用户提供点播的高清电视节目)，ipcam网络数字监控，网络HiFi音响，internet互联网等，网络用户可点播服务器上的教育节目、音乐、游戏及高清电视节目等。网络中所有段距离都是100m。并于2009年4月在上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的长三角3T带宽全光网系统中建立了塑料光纤示范网络系统， 2009年7月江西井冈山市实验学校中建立了塑料光纤校园网络系统，取得了较好的效果。