新型设计拓展聚合物光纤的传输距离

　　新型调制技术和新型聚合物设计的发展使聚合物光纤（POF）受益匪浅。目前聚合物的数据传输速率已经高达100Gbit/s，应用于光纤传感器、数据中心互连和宽带接入网中的POF的性能也大为提升。

　　POF是一个由纤芯和聚合物覆层组成的光波导。相比于石英光纤光缆，POF光缆具有更大的灵活性和更强的硬度。POF已经成功应用在短距离中速率通信系统中，新型调制技术和聚合物设计将其应用进一步拓展到消费网络的长距离通信与互联，以及光纤传感器领域。

　　常见的POF是阶跃折射率POF（SI-POF），它是一种以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为基础的光纤，其折射率呈阶梯状分布。标准POF的纤芯直径为1mm，数值孔径（NA）为0.50，这一标准由国际电工委员会（IEC）制定。IEC是一个非盈利、非政府的国际标准化组织，它编写和出版国际电气、电子以及相关技术的国际标准。SI-POF在650nm波长（红光）时损耗小于180dB/km，在520nm（绿色）波长时损耗约为110dB/km。

　　由于POF的折射率呈阶梯状分布，因此不同模式之间的传播时间具有很大差异。对于直径为1mm的SI-POF，其模式数目高达250万个，因此POF的带宽被限制在40MHz?100m，只适合于短距离应用。基于PMMA的POF具有较大的损耗，其损耗来源于碳氢键对光的吸收。利用重原子替代氢原子是大幅降低POF损耗的办法[1]。日本Asahi Glass公司首次提出利用透明的氟聚合物材料降低POF的损耗，其研发的Lucina光纤在1300nm时损耗低至10dB/km。这类氟化渐变折射率聚合物光纤（PF-GI-POF）的芯径为50～200μm，具体值取决于实际应用要求。渐变折射率剖面降低了不同模式之间的延时差，因而极大地增加了POF的带宽。

　　传感器

　　玻璃光纤传感器具有广泛的应用，可以实现对许多物理参数（包括温度、机械应力、化学物品浓度等）的高灵敏度探测，其传感距离高达几十公里，且不受电磁场和辐射的干扰。玻璃光纤传感器具有强度较低和施工复杂的缺点，同时加上数据采集技术较为复杂，这使其应用受到了一定的限制。

　　相比于玻璃光纤传感器，POF传感器的灵敏度和传感距离都较小，但是其低廉的成本和较高的透射率，使其非常适合应用在某些特定场合。研究人员已经开发出一种以POF为基础的液位传感器，通过检测光通过弯曲光纤后强度的变化来监测液位（见图1）。[2]该传感器的检测原理基于空气和液体的折射率差，可以检测容器中炸药或易燃液体的含量。在该传感器中，几十根光纤排列成束，每一根光纤在不同的高度具有极小弯曲。如果弯曲部分暴露在空气中，光通过光纤将发生全内反射。如果弯曲部分完全浸入液体中，全内反射条件不满足，光通过光纤后强度将急剧下降。

　　图1. 光纤液位传感器（左）的原理基于光在空气与液体中具有不同的折射率。该传感器由一束光纤（右下）组成，光源为红光发光二极管（LED），低成本CCD相机用于测量通过每根光纤后的光强度，计算机显示液体的位置（右上）。

　　数据通信

　　POF有趣的消费类应用是短距离数据传输系统。目前大约55种不同型号的汽车都配备了以光纤为基础的媒体导向传输系统（MOST），该系统使用POF连接汽车内的音频、视频、通信和导航设备。这种总线架构使用红色发光二极管（LED）作为光源，SI-POF作为连接电子元件（如CD播放机、视频屏幕和司机辅助设备）的传输介质。当连接长度小于10m时，数据传输率超过50Mbit/s。下一代MOST系统将使用相同的光源和光纤元件，数据速率将提高到150Mbit/s。

　　速率达12Mbit/s的MOST系统可用在自动化现场总线系统中。现场总线是应用于自动化和控制领域的串行数据传输总线。在总线系统中利用POF已经有二十多年的历史，连接长度通常为70m。对于速率为125Mbit/s的采用工业以太网技术的总线系统，如果要求更长的传输距离，玻璃/聚合物复合光纤是一种不错的选择。

　　POF的潜在应用是宽带入户网。在许多工业国家，宽带入户的比例大于50％。目前，宽带入户网的典型速率小于10Mbit/s。电力线和无线局域网（WLAN）是宽带入户网的技术。电力线通信（PLC）使用已有的供电电缆传输数字信号，在频率低于30MHz时，速率高达85Mbit/s。IEEE 802.11标准指出，无线局域网（LAN）是一个以无线电为基础的短距离通信技术，在2.4GHz和5.4GHz频段，速率高达360Mbit/s。

　　图2. 100Mbit/s的以太网小型可插拔（SFP）芯片贴装收发器，该收发器是一种常见的用于宽带入户网的商用设备，收发器内部的单一POF具有完全双向运行特性。

　　应用于光纤到户（FTTH）的玻璃光纤接入线路在今后几年中将成为占主导地位的技术，相应的速率为100～1000Mbit/s。新的高质量的视频服务，需要极其稳定和可靠的连接，许多设备采用无线连接，同时也需要以光缆为基础的骨干网络。POF是宽带入户网的材料，它的大直径和施工方便的特性，使其相对其他宽带媒体可以快速安装。利用小型可插拔（SFP）收发器，可在一个标准的网络设备中安装POF。目前许多制造商已经采用SI-POF的快速以太网技术，图2是一个标准的收发器产品。[3]

　　SI-POF是否可以应用在速率高达1000Mbit/s（1Gbit/s）的通信系统中呢？欧盟支持的一下代低成本闪电链路（POF-ALL）项目研究了通过POF进行高速传输的可能性。[4]若采用非归零（NRZ）码调制技术，当传输速率为1bit/s时，系统带宽为0.5Hz。采用标准POF传输100m时，传输速度只有80Mbit/s。和其他典型的传输技术类似，若采用模拟或数字信号处理，潜在的容量至少可提高一个数量级。采用无源均衡技术、多载波技术（如离散多载波（DMT）调制技术），以及前馈/判定反馈均衡器（FF/DFE）数字滤波技术，将有可能实现远远高于1Gbit/s的速率（图3）。[5][ 6]

　　图3. 阶跃折射率POF的数据传输结果，来源于8月美国加州大学圣克拉拉分校召开的POF国际会议。

　　在DMT调制中，可用的频率范围被分成几个载波，根据信噪比的不同采用不同的正交幅度调制（QAM）技术，从而可以有效地利用通道容量。数字滤波器如FF/DFE通过估计真正的通道反应重建数据信号。利用POF可以补偿传输延时差异导致的模间色散。

　　对于一个以LED为基础的采用DMT的传输线，若采用POF，速率为1.5Gbit/s时传输距离可达50m。[7]使用LED光源可以实现更简单、更可靠的突发模式操作收发器。该发射机只在实际数据传输时打开，因而可以降低功耗。在100m SI-POF上实现超过1Gbit/s的数据传输，证明了A4a.2 SI-POF用于未来宽带入户网的可行性。目前，速率为1Gbit/s的一些宽带入户网络产品已经实现了商业化。下一代直径为1mm、具有梯度折射率或多芯结构的PMMA-POF，其传输速率将进一步提高，同时还将继续保持安装方便、以及与低成本LED光源相集成的优点。

　　POF用于光互联

　　在不久的将来，POF的另一个主要应用是数据互连。单通道速率高达100Gbit/s的长途波分复用（WDM）系统、高速率超级计算机和大型数据中心将需要新的高速互联解决方案。

　　佐治亚理工学院的研究人员首次演示了利用PF-GI-POF传输超过100m的40Gbit/s系统。[8]该系统中，基于GI-POF的光缆将POF易于耦合的优点和光缆的高强度特性结合起来，可用于短距离和中等距离（小于100m）的高速互联。[9]

　　预计下一代光纤收发器每链路的数据传输速度至少为1Gbit/s。低成本收发器、LED光源和PF-GI-POF为可靠的、低能耗的、速率高达100Gbit/s的通信系统铺平了道路。