基于一種新型有機物光纖的全光交換系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

引言
　　近年來，隨著Internet及信息技術的飛速發(fā)展，人們對通信
容量、傳輸速率提出了越來越高的要求，現(xiàn)在以電為基本傳輸媒
質(zhì)的物理層，在信息高速接入時受到電子器件的限制，產(chǎn)生了所
謂的“瓶頸效應”，同時隨著網(wǎng)絡不斷延伸，在特殊場所對網(wǎng)絡
的抗電磁干擾、抗輻射、安全保密性能也提出了更高要求，這些
使得主要采用雙絞線接入的現(xiàn)有網(wǎng)絡在多方面已不能適應用戶需
求，為解決這一問題，人們提出了采用光纖連接的“全光網(wǎng)
絡”，對石英光纖來說，傳輸帶寬和電磁兼容性完全能滿足使用
需要，且網(wǎng)絡技術成熟，但在短距離的局域網(wǎng)（LAN）接入中，石
英光纖存在器件成本高、熔接困難、柔韌性差、布線不方便等缺
點。所以在100米范圍內(nèi)傳輸帶寬可達數(shù)GHz、價格便宜、耐震
動、抗輻射、直徑較大易連接、柔韌性好的有機物光纖就成為短距離信息高速接入的理想媒介。基于有機
物光纖的全光交換系統(tǒng)的實現(xiàn)，將很好地解決布線復雜、電磁環(huán)境惡劣等特殊環(huán)境下短距離寬帶光接入問
題，在艦船內(nèi)部通信、工業(yè)控制網(wǎng)等方面具有廣泛的應用前景。
有機物光纖的特點
　　有機物光纖是采用高分子有機物聚合而成的一種新型光纖光纜材料，它具有傳輸帶寬高（1~3Gb/s），
能與石英光纖帶寬（2.5~1000Gb/s）相匹配，滿足接入網(wǎng)高速低耗的技術要求，而且保密性好，抗干擾能
力強，防雷擊，重量輕，韌性好，施工簡便，模量低，芯徑大（0.3~1.0mm），接續(xù)容易（可使用簡單的有
機物光纖連接器，即使是光纖接續(xù)中心對準產(chǎn)生30 m的偏差也不會影響耦合損耗），光源便宜（650nm激光
光源約1~2元/個），綜合成本低等特點，可以廣泛應用于信息通信網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，國防和國家安全
網(wǎng)絡，軍事通信網(wǎng)絡，辦公、小區(qū)局域網(wǎng)，機、車載通信網(wǎng)絡，工業(yè)控制網(wǎng)絡等領域，是短距離寬帶，多
接點通信網(wǎng)絡理想傳輸介質(zhì)。
系統(tǒng)功能結構
　　系統(tǒng)按功能結構可分為4大部分，如圖1所示。
　　交換控制部分完成網(wǎng)絡交換、管理控制功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡信息的快速交換，這部分也是設計的重點難
點。
　　網(wǎng)絡接口部分主要是同時提供一個（或兩個）石英光纖上行接口和多個（8、16、或24等）650nm有機
物光纖下行接口，通過上行接口與外部網(wǎng)絡相連，用戶通過下行光接口接入系統(tǒng)。
　　中繼轉(zhuǎn)換部分主要是光纖中繼放大器、波長轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器。光纖中繼放大器用來完成光纖信號
中繼接收放大轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)較遠距離的信息傳輸；波長轉(zhuǎn)換器完成石英光纖和有機物光纖上傳輸?shù)牟煌?br /> 波長之間的轉(zhuǎn)換；光電轉(zhuǎn)換器完成的電信號與可在650nm光纖上傳輸?shù)墓庑盘栔g的轉(zhuǎn)換。 用戶終端部分
主要是終端光網(wǎng)卡終端接入設備，為計算機等終端設備提供網(wǎng)絡接入接口。
網(wǎng)絡實現(xiàn)方案
　　在該方案中，網(wǎng)絡的主干部分——工作組交換機之間采用石英光纖連接，以保證傳輸距離和帶寬，工
作組與用戶之間，采用有機物光纖連接，實現(xiàn)整個局域網(wǎng)內(nèi)全部采用光來傳遞信息。網(wǎng)絡結構如圖2所示。
系統(tǒng)由中心路由交換機、網(wǎng)絡服務器、有機物光纖交換機、波長轉(zhuǎn)換器、650nm光纖中繼器、650nm光電轉(zhuǎn)
換器、適用于計算機等終端設備的650nm光網(wǎng)卡組成。并在網(wǎng)絡服務器上采用千兆有機物光纖網(wǎng)卡，與中心
交換機的千兆口相連，使服務器的訪問速度達到千兆。
有機物光纖交換機
　　此交換機為工作組級的交換設備。可以提供多個以太網(wǎng)絡光纖端口。可在工作組之間或工作組內(nèi)部提
供高帶寬、高性能的光纖連接，讓用戶能快速存取整個網(wǎng)絡資源。解決計算機與工作組交換機之間網(wǎng)絡帶
寬的瓶頸。交換機同時提供一個（或兩個）1550nm、1310nm或850nm石英光纖（這里用的是1310nm）上行接
口和多個（8、16、或24等）650nm有機物光纖下行接口（用作計算機等終端設備接入網(wǎng)絡），很多廠商均
能提供這種技術成熟的光纖收發(fā)器，交換機的設計完全符合常規(guī)以太網(wǎng)交換機的技術指標。
波長轉(zhuǎn)換器
　　它是一個波長轉(zhuǎn)換設備，提供一個650nm光纖端口及一個自適應石英光纖連接端口。用于石英光纖上傳
輸?shù)墓庠矗?550nm、1310nm或850nm）和650nm光源之間的轉(zhuǎn)換。
中繼器
　　650nm中繼器完成信號接收再放大傳輸?shù)墓δ埽黾有畔鬏數(shù)木嚯x，由于技術和工藝上的原因，現(xiàn)在
生產(chǎn)的650nm有機物光纖的衰耗比較大，還不能滿足較遠距離的信息傳輸（一般100m以內(nèi)不需要中繼設
備）。
光網(wǎng)卡
　　具有以太網(wǎng)有機物光纖接口的計算機PCI網(wǎng)卡，采用標準SC接口，符合IEEE802.3標準，支持即插即
用，全雙工1000Mbps傳輸速率。
光電轉(zhuǎn)換器
　　650nm光電轉(zhuǎn)換器是以太網(wǎng)光纖接口至RJ45接口的轉(zhuǎn)換器。它提供一個650nm光纖端口以及一個RJ45連
接口的雙絞線端口。它將以太網(wǎng)網(wǎng)絡的電信號轉(zhuǎn)換為可在650nm光纖上傳輸?shù)墓庑盘枺环粗嗳唬?50nm光
電轉(zhuǎn)換器也可作為一個獨立設備為無光纖接口的以太網(wǎng)絡設備提供接口轉(zhuǎn)換。
性能分析
傳輸速率及帶寬
　　該方案采用光纖交換機和光網(wǎng)卡，避免了多次電/光、光/電轉(zhuǎn)換，保證了網(wǎng)絡信息傳輸?shù)母咚俾屎透?br /> 帶寬，網(wǎng)絡設備均采用千兆以太網(wǎng)設備，傳輸速率最高可達1000Mbps，特別是采用了低損耗、高帶寬的有
機物光纖連接各終端設備，大大提高了終端設備的網(wǎng)絡訪問速率，“最后一公里”問題在這里也可以得到
解決。
經(jīng)濟性
　　有機物光纖由高分子有機物聚合而成，生產(chǎn)成本較低，現(xiàn)在國內(nèi)對這種光纖材料的研究已經(jīng)有了重大
突破，價格已基本與石英光纖持平，隨著材料技術的提高和規(guī)模生產(chǎn)，相信在不久的將來它的價格可能會
比雙絞線還便宜。雖然現(xiàn)在有機物光纖網(wǎng)絡設備的價格較高，但隨著它的大量應用和規(guī)模生產(chǎn)，還有很大
的降價空間。
安全性、保密性
　　該方案全部采用光傳輸媒質(zhì)，具有很強的抗電磁干擾能力，即使在最惡劣的電磁環(huán)境下也能正常工
作，不會像五類雙絞線一樣，一旦遭到強電磁干擾，就無法工作。同時，電傳輸時會產(chǎn)生電磁輻射，可能
會導致泄密，而該方案線路上傳輸?shù)娜枪獠ǎ粫a(chǎn)生電磁輻射，網(wǎng)絡具有很好的安全性和保密性。這
在軍事通信上具有極高的價值。
網(wǎng)絡的開放性和升級能力
　　網(wǎng)絡采用標準的千兆以太網(wǎng)協(xié)議，其協(xié)議和設備均符合國際標準，確保了網(wǎng)絡的先進性和開放性，同
時也使得網(wǎng)絡具有良好的擴充和升級能力，采用星型拓撲結構和結構化布線，可以方便地通過交換機級
聯(lián)、堆疊等方式增加網(wǎng)絡工作站。
應用前景
　　有機物光纖作為短距離高速接入網(wǎng)絡的理想傳輸介質(zhì)，在未來家庭智能化、辦公自動化、工控網(wǎng)絡
化、車載機載通信網(wǎng)、軍事通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中將具有廣泛的應用前景。該方案利用有機物光纖很好地解
決了短距離寬帶光接入問題，特別是電磁環(huán)境惡劣等特殊環(huán)境下的寬帶接入。該方案在安全性、保密性上
的優(yōu)勢，使得其在軍事通信領域?qū)⒕哂袕V泛的應用前景。