与电缆相比,作为传输介质,光纤具有很多优点,但是普通通信用的石英光纤连接难度大、成本昂贵、安装维护费用高,不能广泛应用于短距离数据通信或桌面数据连接。塑料光纤不但具有光纤的优点,而且其直径一般在 0.3~3mm,大的直径宜于连接,光的耦合效率也较高,同时还兼有柔软、抗弯曲、耐震动、抗辐射、价格便宜、施工方便等优点,可在一定程度上代替传统的石英光纤及铜缆。因此塑料光纤通信系统非常适合于短距离(100m 左右)、中小容量(几 Kb/s 至 100Mb/s)、低成本(几十元)的桌面数据连接,以及设备之间、设备内部总线的数据连接。

 

塑料光纤传输系统的优势
采用塑料光纤通信系统取代电缆连接后,将会在以下几个方面提高设备的性能。

 

● 提高设备的抗电磁干扰和抗核辐射能力。

● 无串扰。使用光缆来传输信号,各路信号之间不会产生串扰。

● 减轻系统的重量。1500m 直径 1mm 的塑料光纤的重量只有不到 2kg。

● 抗雷击能力强。无金属的光缆本身是很好的绝缘体,即使暴露在室外,也不会引来雷电击坏设备。

 

塑料光纤通信的系统描述

塑料光纤通信系统的基本组成为:光发送器、光接收器、塑料光纤及一些无源器件。光发送器将电信号(如 TTL 电平的信号)转化为光信号,光信号被耦合到塑料光纤中,通过塑料光纤传输到光接收器,光接收器将光信号还原为电信号(如 TTL 电平的信号)。

 

塑料光纤通信系统侧重于短距离通信,低成本、简单易操作、高可靠性,因此在具体系统实现上,完全不同于石英光纤通信系统。

 

1 塑料光纤通信收发器

塑料光纤收通信发器是塑料光纤通信系统中核心部分,包含光发送器和光接收器。

 

图 1 是光发送器结构示意图,发光二极管(LED)是普通显示用的高亮度表面贴装发光二极管,驱动电流小于 20mA,中心波长 590nm(橙$光)。之所以选取 590nm 的发光二极管,是因为这种波长的发光二极管很廉价,而且在 590nm 波长处,塑料光纤的损耗值相对较低。发光二极管芯片尺寸选择在 1.0mm×1.0mm 左右,与塑料光纤的直径相当,容易将光信号耦合进入塑料光纤中。

 

图 1 是光发送器结构示意图

 

将外部输入的 TTL 电平信号进行 FSK 调频,把 TTL 电平信号转换成更适合塑料光纤传输的载波信号驱动 LED 发光。发光二极管(LED)输出的光信号直接耦合进入直径为 1.0mm 的玻璃棒,通过玻璃棒,再耦合进入直径为 1.0mm 的塑料光纤中。

 

图 2 是光接收器结构示意图,光探测器探测到光信号并产生感应电流,后经放大模块两级放大,输入到 FSK 解调模块由触发器进行解调。解调出的信号仍含有高频干扰,经滤波器模块进行滤波后,再由判决模块进行判决,即可还原成输入的 TTL 信号。

 

图 2 光接收器结构示意图

 

以上两种塑料光纤收发器方案均是针对点对点连接应用的。总线型塑料光纤通信系统的收发器应该是总线型的,在光电转换上,总线型塑料光纤通信收发器和点对点型的塑料光纤通信收发器相同,但总线型塑料光纤通信收发器是半双工方式工作的,它只有一个光信号输入输出端口,或者说它只有一个凹头塑料光纤活动连接器,此时,该凹头塑料光纤活动连接器中,与 LED 和 Si-PIN 相接的玻璃棒的端面不是垂直方式,而是 45°斜面方式,这样光束可以一分为二,一路到 Si-PIN,一路到 LED。图 3 为总线型塑料光纤通信收发器示意图。

 

图 3 总线型塑料光纤通信收发器

 

2 塑料光纤活动连接器

塑料光纤活动连接器用于塑料光纤收发器和塑料光纤的连接,通过它将光信号耦合进入塑料光纤中。和电缆连接器类似,分为凹头和凸头两种结构。凹头塑料光纤活动连接器和塑料光纤通信收发器是一体,凸头塑料光纤活动连接器连接塑料光纤。

 

塑料光纤活动连接器的机械结构可以有多种选择,因为塑料光纤纤芯直径较大,塑料光纤活动连接器和目前常用的石英光纤活动连接器可以完全不同,可以仿照目前电缆连接器的结构(如 SMA 结构),不但做到连接损耗小,而且可以使用夹线钳和电工刀片,很方便地在现场完成塑料光纤活动连接器散件组装。

 

3 塑料光纤固定连接器

塑料光纤固定连接器用于塑料光纤和塑料光纤的连接。采用 V 型槽结构,将两根塑料光纤放置在 V 型槽中,用金属材料固定塑料光纤好后,再用热缩套管封装好即完成了一个塑料光纤固定连接器的制作。V 型槽结构的方式可以达到快速、简便地制作塑料光纤固定连接器的目的,同时由于塑料光纤的直径较大(1mm),连接损耗也不会大。

 

4 塑料光纤总线分支器

塑料光纤总线分支器用于总线型塑料光纤通信系统。如图 4 所示,任何一个端口的光输入信号经过玻璃棒的全反射和玻璃棒端面的反射后,被均匀地分配到其他端口上。对塑料光纤总线分支器要求一是附加损耗低,二是各端口的均匀性好,三是结构简单、成本低。

 

图 4 塑料光纤总线分支器

 

5 塑料光纤光万用表

塑料光纤光万用表由一个光源、一个光功率计、一个微处理器及液晶显示器组成。采用 LED 作为光源,Si-PIN 作为探测器。它和目前常用的光纤光万用表类似,只是使用的光波长范围不同,成本也不同而已。

 

关键技术

1 低成本的塑料光纤通信收发器

塑料光纤通信收发器应是具有高灵敏度、突发性接收机和极低成本的光纤收发器。塑料光纤通信收发器的原理是较为简单的,但要求电路成本极低的同时,还要保证具有较高接收灵敏度、高可靠性、体积小。目前本系统已经实现发送端发送灵敏度 -10dBm,接收端接收灵敏度为 -40dBm(10E-9 误码率)。

 

2 塑料光纤活动连接器

塑料光纤活动连接器的关键技术在于制作简单、成本低,可以使用夹线钳和电工刀片等简单工具,很方便地在现场完成塑料光纤活动连接器散件的组装。其连接损耗要小于 1dB。

 

3 塑料光纤总线分支器

塑料光纤总线分支器是一个实现总线型塑料光纤通信系统的关键器件。任何一个端口的光输入信号,被均匀地分配到其他端口上。

 

它看似现在普遍采用的 1×N 光分支器,其实原理和功能皆不同。1×N 光分支器是将一个端口的光输入信号均匀地分配到其他端口上,或者是将 N 个端口的光输入信号集中到一个端口上;而塑料光纤总线分支器是要求任何一个端口的光输入信号,被均匀地分配到其他端口上。它是一个半双工器件,总线型塑料光纤通信系统在正常工作时,只有一个端口有光信号输出,其余端口是输入光信号。它配合总线型塑料光纤收发器使用,便可构成总线型塑料光纤通信系统。它不但要求结构简单,而且要求成本很低。