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目录
第一章绪论1
1.1聚合物光纤的发展史1
1.2聚合物光纤在短距离通信中的应用3
1.2.1聚合物光纤在家庭网络中的应用3
1.2.2聚合物光纤汽车网络5
1.2.3聚合物光纤在工业控制中的应用6
1.2.4聚合物光纤的其他应用7
1.2.5信息家电8
1.2.6波分复用技术8
1.3聚合物光纤在未来的发展9
第二章聚合物光纤局域网传输系统研究14
2.1聚合物光纤局域网传输系统14
2.2聚合物光纤收发器14
2.3聚合物光纤波长转换器和中继器16
2.4聚合物光纤交换机18
第三章聚合物光纤技术的发展及应用20
3.1聚合物光纤的传输特性20
3.1.1传输损耗20
3.1.2传输带宽23
3.1.3聚合物光纤的色散25
3.2局域网络的应用25
第四章聚合物光纤光栅的研究进展及应用前景27
4.1聚合物光纤光栅的制作27
4.2聚合物光纤光栅的传感机理30
4.3聚合物光纤光栅的应用32
第五章结束语34
参考文献35
第一章绪论
1.1聚合物光纤的发展史
80年代以来,随着经济的发展,人们对信息的需求不断增长,对信息传输速率的要求不断提高。
迅猛发展的软件和显示技术推动了Internet、电视会议、可视电话、视频点播等多媒体通信的发展。
这不仅使用户对通信带宽的需求激增,还需要在短距离内构成连接密集的网络.
可提供宽带业务的传输媒质包括对称电缆、同轴电缆、石英光纤和聚合物光纤.单模石英光纤能完全满足带宽和电磁兼容性的要求,但其芯径很小(5-l0μm),连接中要求较高的对准精度,从而给连接带来诸多不便,成本高是阻碍其在短距离通信网络中应用的主要因素。
因此,在短距离的通信网络中通常使用电缆.对称电缆的成本较低,但带宽小、损耗大、电磁兼容性差,因而远远不能满足室内联网的要求。
同轴电缆的成本较高,带宽和电磁兼容性能优于对称电缆,但随着带宽的增大,损耗显著增大、电磁兼容性变差。
聚合物光纤(POF)在高速短距离通信网络中具有显著竞争力,它在100--1000m范围内带宽可达数GHz,而成本与对称电缆相当。
聚合物光纤的芯径大(0.3-3mm),连接时不必苛求精确对准,且其数值孔径大(0.3-0.5mm),连接时易于对准,可以使用廉价的注塑连接器,因而聚合物光纤的连接简便且成本较低。
另外,聚合物光纤的重量轻,可挠性好,易于在狭窄的空间内铺设。
因此,聚合物光纤是短距离通信理想的传输媒质。
POF最初是在1964年由美国杜邦公司开始研究,并向市场推出以聚甲基丙烯酸甲酷(PMMA)为纤芯的聚合物光纤。
日本东丽公司也在1972年推出了以聚苯乙烯(PS)作为纤芯的聚合物光纤。
早期的POF由于受到制作工艺和生产条件的限制,其损耗较大,一般都在1000dB/km以上,因此其应用受到了限制。
为此,早期POF研究的重点之一就是降低损耗。
1977年,杜邦公司采用氖化的PMMA作为纤芯,获得了损耗为180dB/km(690nm)的光纤。
到1981年,日本电信电报公司就已经开发出了以PMMA作为纤芯的低损耗聚合物光纤,其在568nm处损耗为55dB/km。
经过近30多年的研究,通过提高聚合物纯度、采用新型的聚合物材料和生产工艺等技术手段,已将聚合物光纤的损耗大大降低,目前已经商品化的POF的损耗一般也已达到了100-200dBkm.而日本ASAHIGLASS公司于2000年7月宣布,该公司己经将庆应大学的梯度型聚合物光纤(GI-POF)的技术商品化,采用全氟化环状聚合物CYTOP制造GI-POF,商品名为Lucina,在1300nm处的损耗更低达16dB/km。
全氟GI-POF的损耗理论极限在1300nm处为0.25dB/km,在1500nm处为0.1dB/km,几乎与石英光纤相当,因此在减小传输损耗方面,POF还有很大的开发潜力。
伴随着POF损耗的降低,它在光纤通讯中的实用性能也引起了各国研究者的极大兴趣.美国和日本都在POF和接入网的研发计划中投入了巨额的资金,以期在激烈的竞争中处于有利地位.从1994年起,日美相继成立了POF合作组织:
PackardHughes、波音、波士顿光纤、Honeywell等公司参加的美国高速POF网财团由ARPA资助6000万美金,1997年以光纤微网络计划(OMNET),由美国政府和工业界再次资助6000万美元,开发氟化GI-POF。
日本POF由NEC,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聚合物光纤(SI-POF)产业化方面在全世界处于领先地位。
日本计划在2015年实现光纤到家庭(FTTH)计划.1995年,日本三菱人造丝和NEC公司采用POF联网,成功演示了156Mb/s快速以太网系统,基于此系统,后来制定了POF传输的IEEE1394标准。
同年,T.Ishigure等人用650nm波长高速LD在GIPOF上的2.5Gbi/s100m的数据传输实验.1997年H.Imai在1300nm波长用氟化聚合物GIPOF实现2.5Gbit/s200m传输实验1121。
1999年美国的贝尔实验室用氟化GI-POF实现830nm和1.3μm波长11Gbps的POF链路传输实验,工作距离超过100m.在2000年OFC会议上,日本SAHIGLASS公司报道T氟化GI-POF衰减系数在850nm为41dB/km,在1300nm为33dB/km,带宽已达100MHz.km.用这种光纤成功地进行了高速传输试验和70摄氏度长期热老化试验。
实验结论为氟化GI-POF完全能满足短距离的通信使用要求.利用绿光LED及POF的520nm低损耗窗口通信实验也有报道。
这些研究显示了POF带宽及通信性能的巨大潜力。
国内中国科技大学开展了十年的功能聚合物光纤与器件的研究,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聚合物光纤链路传输系统。
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GI型POF的制备工艺,并成功地制备了梯度折射率聚合物光纤,并通过多媒体信息传输。
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96年开展高带宽低衰减渐变折射率POF的研制,实验室拉出可在850C下工作的光纤.南京玻璃纤维设计院开展了以装演为主要目的POF的研究,但尚未用于通信领域。
此外,还有许多其他院校和研究所相应开展了聚合物光纤和器件的研究工作。
根据我国国情,对于目前普遍较为集中居住条件而言,发展高性能、低成本的入户聚合物光纤网络,具有巨大的经济和社会效益;
同时对于要求高度保密性的军事接入网和需要尽可能减轻重量的航空航天事业的发展,也具有极其重要意义。
1.2聚合物光纤在短距离通信中的应用
1.2.1聚合物光纤在家庭网络中的应用
对于未来的家庭网络,交换式的因特网服务可以实现在线购物、转帐、储备和投资、电子邮件、可视邮件、IP电话以及在线电视会议,家庭网路、在线医疗、在线教育、数字高清晰度广播、网络娱乐游戏等。
所有这些需要高速的家庭网络系统(lOM/100M)1Gbps。
在FTTH的应用方面,很多国家已经取得重大进展。
2003年,美国的FTTH敷设量增长了200%以上。
截止到2004年2月,美国共有%个地区约18万个家庭将FTTH用光纤铺设到家。
在2004年底使用FTTH服务用户数将达到100万,在2005年底前用户数升至300万。
FTTH在日本的应用也取得了一定的成绩。
2003年底,日本FTTH用户数已达100万,预计2004年底将达到340万,2005年底发展至580万。
韩国在FTTH方面也并不落后.尽管韩国通信(KTCorp.)到2003年11月才开始进行实地试验,但KT首席执行官兼总裁LeeYong-Kyung在“OFC2004”上演讲中表示,“韩国通信正在为2006年内开通FTTH商用服务进行准备,计划在2010年使FTTH的家庭普及率超过70%。
中国武汉光谷FTTH试点是国内目前最大规模的FTTH工程。
它标志着中国的FTTH建设进入实质阶段。
武汉FTTH工程的开通拉开了国内FTTH建设的序幕,FTTH的建设热潮开始逐渐形成,国内各大运营商都开始计划进行FTTH的试点工程的建设,随着时间的进展,运营商将会进行选型工作,进行小批量的建设。
随着设备价格的逐步下降,建设量将会逐步加大,预计在2-3内成为主要的接入手段。
HDTV和点播电视将等高带宽业务的逐步发展,将会加快FTTH的建设步伐,而Fill这种能够提供高带宽的接入方式反过来亦会为以上业务的开展提供高品质的服务支持,这是其他接入方式所无法比拟的。
塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质,一旦发展到了FTTH(光纤到家庭),塑料光纤凭借其塑料光纤在高速短距离通信传输中成本也对称电缆相当,在100米范围内传输带宽可达数GHz,且易连接,可挠性好、易于弯曲等优势,在全光网络中的用户接入方面的将具有广泛的前景。
通过塑料光纤,我们可实现智能家电(家用PC,HDTV、电话、数字成象设备、家庭安全设番、空调、冰箱、音响系统、厨用电器等)的联网,达到家庭自动化和远程控制管理,提高生活质量;
通过塑料光纤,我们可实现办公设备的联网,如计算机联网可以实现计算机并行处理,办公设备间数据的高速传输可大大提高工作效率,实现远
程办公等。
图1.1基于IEEE1394标准的聚合物光纤家庭网络
1.2.2聚合物光纤汽车网络
随着时代的发展,汽车作为交通工具的功能也大大的扩展了,现代的汽车已进化为个人生活和工作的空间,应具有信息娱乐系统、移动办公系统和辅助驾驶的功能,因此,车载设备的数量也大大增加。
1979年,典型的车载设备只有收音机和功放,到了1998年,典型的车载设备增加到7个,包括收音机、功放、CD、车载电话、麦克风、紧急电话和导航系统,2002年又增加了个人数据处理系统(PDA)接口、电视调谐器、DVD、显示器、耳机等5个设备,共12个设备。
各设备互联的可能性从2个增加到66个,大大提高了数据传输速率的要求。
使用目前的金属线束时,数据传输速度一旦超过5OOkbps,就会产生电磁噪音问题,而POF不存在这个问题,POF可以轻而易举的在100米长度上实现50mbps的传输速率,而且,POF以光波来传递信号,其他电磁噪音不会对它产生干扰。
图1.2聚合物光纤汽车网络
使用POF布线还有价格便宜、重量轻的优点。
以CD、车载电话、收音机与集线器管理接口的互联为例,使用传统的金属线连接,线缆总数为6根,12米,总长为重量为1700g,成本为5.64美元;
而使用POF布线,线缆总数为总长为4根,9米,重量为123g,成本为2.25美元。
可见,使用光纤布线可以节省成本,降低车身重量。
1.2.3聚合物光纤在工业控制中的应用
随着计算机和自动控制技术的高速发展,工业自动化水平提高到一个崭新的高度。
工业自动化根据其特点和使用方向可分为过程控制自动化、面向生产和制造业的自动化以及自动化测量系统(工业测量仪表)。
这些工业自动化系统的建立和发展都有一个共同特点,即由直接控制系统向集散型控制系统发展,而这种集散型控制系统的发展都是以各种工业网络为基础.通过这些形形色色的工业总线系统,各种工业设备构成一个既分散又统一的整体。
对POF来说,工业控制总线系统是其最稳定和最大的市场之一。
通过转换器,POF可以与RS232,RS422,1OOMbps以太网、令牌网等标准协议接口相连,从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路,高速传输工业控制信号和指令,避免了因使用全属电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的危险。
图1.3用于工业控制的聚合物光纤收发电路
图1.4POF-RS232转换器
1.2.4聚合物光纤的其他应用
1.聚合物光纤在传感方面的应用
POF传感器可测量许多不同的参数,如距离、位置、形状、颜色、亮度、透明度、粒子浓度、流量、折射率、半径、密度和浊度等,强度型POF光纤束传感器的测量传感基本原理如下:
光纤束由入射光纤和接收光纤束组成,接收光纤输出光强随外界物理量的扰动而变化,反射接收光强随反射体位移而变化.采用对称分布的光纤束接收反射光强,可提高接收光的效率和灵敏度,增大动态范围,有效解决动态范围与灵敏度成反比的矛盾。
现今我国已研制出电压电流检测POF传感器、转速传感器、浓度传感器和桥梁传感器等。
2.聚合物光纤在传光、传像方面的应用
国内已有多家单位从事聚合物光纤在传光、传像方面的研究与开发工作,包括南京玻璃纤维研究院、深圳市春华达光导纤维有限有公司、北京通元光谷科技有限公司和四川汇源光通信股份有限公司等。
POF工艺品
经过20年的发展,中国实现了PS芯PMMA皮POF的规模化生产,这一发展的重要原因在于这种POF在工艺品中的应用从仿制,小规模生产,到现在的POF圣诞树大量出口,已形成POF的一个产业,这是因为POF有较好的柔软性、易于排片、叠片、粘接、固定、热成形、染色和剪裁,易于POF工艺品的设计制作。
POF圣诞树仅2001年一年间,POF的实际使用量是3000多吨,并保持一个较快的发展速度,相关产品的出口达数亿美元,成为新兴的产业10POF装饰装演
1.2.5信息家电
IEEE1394原先是作为个人计算机的外部总线的接日标准,由Apple公司开发出来的。
作为传递媒体,采用的是STP,传输速度为100Mbit/s,传递距离为4.5m,这些指标己不能满足需要。
现在,IEEE1394作为连接家庭内信息家用电器间通用的网络接日,比起计算机的外部连接接日更受关注。
对于家庭内信息家用电器进行网络连接来说,4.5m的传递距离是短了。
日本电了机械工业会自1995年5月就成立了标准化委员会,建立用POF进行400Mbit/s或者更高速、更远距离传输接日国际标准。
与铜线相比,POF具有高速远距离传递的优点;
而与石英光纤相比,又具有价格低、使用连接方便及折弯性好等优点。
这一点对于家庭来说尤其重要。
因此在信息家电领域,POF有很大的优势和发展前景。
1.2.6波分复用技术
如何发挥光纤的大容量特性,建立最佳和最经济的网络结构,是人们十分关心的问题。
在POF上实现无源公共总线要比在铜线上容易得多,后者必须解决在分支点处引起的阻抗匹配问题,而这是很困难的。
将光纤无源公共总线网络和波分复用技术相结合,可以形成一个统一综合的光纤传输网,只要采用这种系统结构,就能将某一个波长的IEEE1394和另一个波长的USB及再一个波长的内部信息通信网络(也可称为LAN)这样的多种网络载到一个共用的光纤上。
PMMAOF在可见光域,特别是从黄色到蓝色领域具有良好的通透性,因此可以使用波分复用技术。
图1.5为4波长多路复用技术的试验系统。
实验中发光器件选用470nm(蓝)、520nm(绿)、575nm(黄)、650nm(红),信息为3路视频信号(20Mbit/s)1路带RS232C接日的控制信号,采用芯径为1mm的SI型POF将各路信号组合在一起,通过塑料包层光纤(PCF)传输到1km外的另一端。
图1.5波氏多路复川技术的实例
1.3聚合物光纤在未来的发展
1.POF工艺品
经过20年的发展,中国实现了PS芯PMMA皮POF的规模化生产。
这一发展的重要原因是POF有较好的柔软性、易于排片、叠片、粘接、固定、热成形、染色和剪裁,易于制作一POF工艺品从仿制、小规模生产到现在的POF圣诞树大量出口,己形成一个产业。
从
1990年至2000年,我国有关POF工艺品实用新型和外观设计专利己有多个,这包括旋转式彩虹灯具、POF盆景、光纤工艺鱼缸、浮雕光纤uui、组合光纤喷泉、光纤灯、光纤佛豁、光纤工艺门铃和光纤夜光帽等,这些工艺品外观不仅栩栩如生,在接通电源后还具有丰富多彩的色彩变化。
现有一种POFDIY尤其适合于制作POF装饰u,这种DIY是山150根直径2m,长为0.75mm的POF组LED,寿命长,故障低,亮度高其它POF工艺品还有POF花篮、POF孔雀,3,和POF圣诞树等,其中POF圣诞树仅2001年一年阳J,POF的实际使用量为3000多吨,保持一个较快的发展速度,相关产品的出口额达数亿美元。
2.POF广告灯箱和显示牌
采用POF制作的广告灯箱和显示牌具有在一点连续不间断变色的多元一体化特征,图案画而可大可小,可简单可复杂,这是霓虹灯灯箱广告所没有的特性,其原因在于POF传光特性所特有的光视觉效果。
POF广告灯箱和显示牌主要山而板、箱体、POF传光变色系统组成,POF可选用PS芯和PMMA芯两种,多用直径在0.4mm以上的POF,在需要用POF装饰的图案或文字都采用点阵式勾勒文字幽而的轮廓。
图3为用于人文馆和科学宫的星座显示牌,其中银河选用直径0.5mm的POF,星座(如北斗七星)轮廓选用直径0.75mm的POF,星座中的亮星选用多根直径为0.3mm的POF集束点显示。
光源选用寿命长、噪音小和功耗低的高亮度LED,当按卜某一星座键时,显示牌上相应的星座亮起,这样,观赏者较为方便识别某一星座。
3.POF传像束
就是将多根一定长度和一定直径的POF有规则地排列起来,光纤两端按一一对应的关系紧密排列集合成束,使每根POF的输入和输出端在几何上一一对应,每一根光纤传递一个像元,从而起到传像作用。
最旱的传像束是用玻璃光纤制备的,POF传像束可制备成工业或医用内窥镜,用于道路信号传输、工业和军用大屏幕显示。
POF传像束可选用兹径小的GI型或SI型POF。
日木二菱Rayon公司开发了山1500根POF组成的传像束。
美国Nanoptics公司了山数千根POF构成的光纤束,是医学史上第一个POF内窥镜生产公司。
制备大尺寸POF显示屏可增大显示端POF间的距离。
其工艺过程如卜:
通过张力控制系统的POF从放兹架均速放出,再经过一泞轨牵引头送入等间距定位槽,透明POF定位槽可做成略突出的球而,有利于光的扩散及显示而板光的均匀。
POF的另一端采用快速固化胶粘剂将POF粘接成片材,再将POF片材依次桑加粘接成传像束。
采用这一方法的优点是POF显示屏可以做得较大,显示屏上POF间的距离可调节。
POF显示屏上的图像可通过一投影仪输出。
4.POF短距离数据传输
POF另一重点应用是在100m短距离范围内进行数据传输。
POF可实现高级音响功放与音箱之间的连接、DVD中音频视频的光纤输出、计算机与打印机和扫描仪及其它计算机之间的连接等。
这些应用是山POF固有损耗和非固有损耗以及传输带宽决定的。
目前国内POF生产销售量在逐年增加,它是采用PMMA芯POF制备的.广泛值孔径大,柔软,祸合连接方便,重量轻,价格低廉,可使用廉价的LED及LD,是入户工程中的首选材料,通常在70℃以上使用,使用寿命约10年。
根据我国国情,发展高性能、低成木的入户POF网络,具有巨大的经济和社会效益;
同时对于要求高度保密性的军事接入网和需要尽可能减轻重量的航空航人领域,POF通信应用也具有重要意义。
2000年开始,国内有许多大学和研究机构进行了用于短距离通信的GIPOF及其应用研究。
2001年中国科学技术大学明海等人申请了中国专利“聚合物光纤通信转换器”,专利号为ZL01266690.4,这是国内首次申报的POF100Mb/s通信链路系统,该系统采用基带通信技术,研制成功POF通信转换器,在传输距离为100m时,传输速率达125Mb/s图1.6是山POF实现两台计算机多媒体信传输的双向传输演示装景,图1.7是该系统的眼图。
POF通信原理,虚框内是采用高速通信电子芯片实现100BaseTX信号到100BaseFX信号转换的POF通信转换器,包括通信接口电路和650nm红光
图1.6聚合物光纤链路系统眼图
图1.7POF通信原理装置图
的发射器TX和接收器RXPOF通过特制的卡口与发射器和接收器相连接,山计算机PC1发出信号通过POF转换器,调制650nm的POF发射器,通过POF传输到另一端PIN管接收,再经过POF转换器将信号解调后送入另一计算机PC2整个系统通信是双工的,100Mb/s基带信号双工传输需要两根POF,其电子芯片采用集成化的贴片封装。
该链路还可实现计算机与中继集线器的连接,POF转换器还可以与高速计算机网卡集成一体,研制成POF通信网卡(POF-网卡),直接插到计算机的PCI插槽中.该POF网卡与外界连接可直接通过标准的POF插入式接口,实现光信号直接与计算机连接。
中科大还进行了POF集线器的研究开发,实现多路POF传输的光信交换,这是POF短距.离信号传输的重要器件,具体工作原理
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