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光纤应用新技术及标准

Date Added:2018-10-08 Views: 来源:

    70年代后期,光纤技术开始进入商业领域,光纤的一些固有特性优点(如不受噪声干扰以及较高的传输带宽等)使它成为了各种应用领域中的理想传输介质。高传输速率系统的垂直干线用光纤来实现已经成为了网络设计者们的首选设计方案。对这些垂直主干上的光电器件的投资通常可在带宽和保密性方面得到补偿。但是,在水平工作区,光纤的应用长期被忽视。八十年代初,终端用户开始将光缆安装到工作站的信息出口,希望在将来会有经济实用的光纤产品问世,但是大多数用户所安装的水平光缆是在“黑暗”模式下工作的,这是因为系统光电器件不能达到要求的带宽,并且价格太高。
    由于没有经济实用的光纤产品,用户对光纤水平区布线失去了兴趣。近来,由于布线标准的改变以及光电器件、光缆、连接器技术的发展和应用带宽的逐步升级,很多用户开始重新考虑用“光纤到桌面”来替代水平布线系统中的铜缆方案。下面我们将对一些与此相关的技术问题和标准加以讨论。
光纤连接器技术的发展

    近几年,光纤连接器、光缆和光电器件等光纤技术得到了长足的发展。光纤连接器的物理尺寸和外形(如ST、SC接口)的改变一直被产品开发者和最终用户们所关注。由于许多局域网中的应用只要求使用两根光纤(一根用于发射,另一根用于接收),所以在大多数情况下需要使用双芯光纤连接器。双芯光纤连接器的尺寸总是比用于非屏蔽双绞线(UTP)布线系统的RJ45插座的尺寸要大得多,考虑到配线架上连接器的密度,非屏蔽双绞线(UTP)布线系统将更有吸引力。在工作站信息出口,双芯光纤连接器也存在着严重的空间问题——在一个单孔美标安装盒上,很难设计出能支持2个以上双芯光纤连接器的面板和模块。
    为了解决这个问题,几个生产商开发出了小尺寸的双芯光纤连接器,使光纤连接器可以在尺寸上与RJ45连接器竞争。这些连接器中有几种在设计上很有创意,且大大减少了光纤端接所需的时间。一些厂商还和光电器件生产厂商结成伙伴关系,来生产相同外形尺寸的耦合器以安排LED/PIN 对,支持了新型光纤连接器的生产。然而,当前EIA/TIA TR41.8 建议中规定,在工作站一端仍然把SC 双芯光纤连接器作为标准光纤连接器,而在电信间一端则可以使用任何光纤连接器。不管TR41.8 如何看待这一问题,小尺寸光纤连接器的开发已使得光纤连接器和UTP 连接器的尺寸基本相当。

光纤技术的发展

    短波长是指850nm,而长波长则是指1300nm 。表1 给出了多模光纤两个波段的独立工作窗口。这些工作窗口是由光纤的衰减特性决定的。然而,1996年以后,由于光纤制造技术的进步,光纤衰减特性得到了改善,使得光纤在整个 720nm~1370nm的波段内都可以使用。这对波分复用(WDM)系统的开发是很重要的。
    表2给出了62.5nm和50nm光纤在特定波段的特性比较。两种纤芯尺寸都可用于局域网。从表2中可以明显看出,50nm光纤的带宽与波长无关,这是50nm光纤的一大优点,然而,由于其纤芯尺寸与常用的62.5nm光纤有差异,使用50nm光纤会产生3dB的能量衰减。如果能量大到在最坏的链路情况下能容纳这3dB的衰减,那么它所增加的带宽就可以支持更多的应用了(如千兆位以太网),并有很大的带宽余量。
    既然62.5nm光纤的信号衰减在820nm至920nm波段内是最大的,那么为什么它仍工作在这一波段呢?很简单,这是因为光电器件(LED和PIN)与相应的长波长器件比较价格很低,只有其价格的30% 左右,因此使用短波长光电器件是非常重要的。

光纤器件的发展

    发光二极管(LED)和PIN 光电二极管是短波长多模光纤中最常用的光源和光检测器。LED 可以支持的数据速率高达125Mbps。普通PIN受噪声影响较大,为了减少噪声的影响,在PIN封装中增加了一个互阻抗放大器,这种光检测器就是PIN-FET组件。这种器件的优点是造价较低,但LED 可支持的传输速率较低,难以将其应用在高速数据传输的场合中。
    激光器(laser)和雪蹦光电二极管(APD)是另一类用于光纤系统的光源和探测器。这些器件可支持极高的数据传输速率。APD有很高的量子效率,这使其非常适合于“弱光”应用。然而,这两种器件都很复杂,要保持它们稳定地工作对电子和温度的控制要求都很高。正是这种复杂性使得它们的应用费用相当高,因而限制了使用。
    “激光原则”的一个例外是工作于短波长波段的垂直腔表面发射激光(VCSEL)。它与LED相比的优点是——它是一种半导体激光,可支持高达2Gbps的传输速率。而且,它的驱动电流小,输出光功率可达1mW(0dBm),光谱宽度小于0.5nm。更重要的是它对电路的要求较低,从而大大地简化了设计要求,同时也降低了器件造价。VCSEL在封装上也优于 LED ,它不需要棱镜,几个VCSEL 可以在同一个基片上组成一个阵列,这使其非常适合于带状光纤和WDM应用。上述优点使得VCSEL成为理想的光源。VCSEL优越的带宽性能使多模光纤成为千兆以太网应用的理想选择之一。表3 给出了LED和VCSEL的比较。

光纤标准

    用户和网络设计者们越来越关心电磁干扰/射频干扰(EMI/RFI)、带宽、链路距离、数据安全性和网络故障等问题。能同时满足上述各项指标要求的唯一介质就是光纤。1995年,TIA/EIA TSB-72 标准的出台和1998年TIA 光纤局域网小组(FOLS)短波长联盟的形成就是最好的证明。
    TSB-72是一种集中式光纤布线系统的标准。TSB-72允许光纤布线的距离为300米,使网络设计者可以利用长传输距离去将网络电子设备(如路由器、集线器和交换机等)集中到一个设备间内。这种结构给用户提供了一个由当前共享带宽环境过渡到交换环境的途径。集中式网络结构增加了网络的灵活性,简化了网络的扩充、移动、变更和管理,减少了网络的故障时间,最重要的是它显著地减少了安装费用。
    100Mbps快速以太网是增长速度最快的一种局域网应用。1995年IEEE802.3u 100BASE-FX 标准定义了光纤介质的快速以太网标准。100BASE-FX 标准采用FDDI标准的信号编码(4B5B编码)方式和物理介质信号部分。它使用长波长(1300nm)光电器件,而长波长(1300nm)光电器件的价格比短波长(850nm)光电器件的价格高许多(前面已介绍过)。因此,IEEE 目前正在制定一个新标准——100BASE-SX。一些相关的厂商也在1998年1季度成立了短波长联盟。它的任务就是制订采用低成本短波长光纤器件的快速以太网标准。注意,这是非常重要的。它的短期目标是:
    1. 降低成本,即采用普通的光电器件,通过使用已开发出的短波长光电器件(LED和PIN)达到降低成本的目的。
    2. 100BASE-SX标准将与10BASE-FL标准兼容。
    3. 可采用连接器。
    4. 易于升级到100Mbps。

介质转换

    完整地考虑一个光纤到桌面的解决方案,不仅要有光纤信息出口(ST、SC、平直或倾斜等)和光纤配线箱(ST、SC、墙面安装型、机柜安装型、可抽拉式等),还需要考虑光纤直接到桌面后计算机网卡及集线器等设备的问题。
    因此,在众多的光纤到桌面解决方案中,很多技术人员会碰到网络设备的造价将会提高很多这样一个很现实的问题,即我们平常使用的计算机网卡将被换成光纤网卡,普通集线器的RJ45出口也不能再使用了,而是被纯光纤出口的集线器所取代。由于光纤网卡及光出口的集线器价格非常昂贵,致使整个系统造价上升,所以光纤到桌面现在在国内还基本上只是纸上谈兵。
    一种非常实用的实现光纤到桌面的方法是使用介质转换器(即光电转换器)。这种器件使局域网的升级非常简单,且可以保护铜缆LAN设备的投资。

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