基于有机物光纤的全光交换系统设计

何如龙，吴学智，戚玉华

引言
近年来，随着Internet及信息技术的飞速发展，人们对通信容量、传输速率提出了越来越高的要求，现在以电为基本传输媒质的物理层，在信息高速接入时受到电子器件的限制，产生了所谓的“瓶颈效应”，同时随着网络不断延伸，在特殊场所对网络的抗电磁干扰、抗辐射、安全保密性能也提出了更高要求，这些使得主要采用双绞线接入的现有网络在多方面已不能适应用户需求，为解决这一问题，人们提出了采用光纤连接的“全光网络”，对石英光纤来说，传输带宽和电磁兼容性完全能满足使用需要，且网络技术成熟，但在短距离的局域网（LAN）接入中，石英光纤存在器件成本高、熔接困难、柔韧性差、布线不方便等缺点。

所以在100米范围内传输带宽可达数GHz、价格便宜、耐震动、抗辐射、直径较大易连接、柔韧性好的有机物光纤就成为短距离信息高速接入的理想媒介。基于有机物光纤的全光交换系统的实现，将很好地解决布线复杂、电磁环境恶劣等特殊环境下短距离宽带光接入问题，在舰船内部通信、工业控制网等方面具有广泛的应用前景。

有机物光纤的特点
有机物光纤是采用高分子有机物聚合而成的一种新型光纤光缆材料，它具有传输带宽高（1~3Gb/s），能与石英光纤带宽（2.5~1000Gb/s）相匹配，满足接入网高速低耗的技术要求，而且保密性好，抗干扰能力强，防雷击，重量轻，韧性好，施工简便，模量低，芯径大（0.3~1.0mm），接续容易（可使用简单的有机物光纤连接器，即使是光纤接续中心对准产生30m的偏差也不会影响耦合损耗），光源便宜（650nm激光光源约1~2元/个），综合成本低等特点，可以广泛应用于信息通信网络，数据通信网络，国防和国家安全网络，军事通信网络，办公、小区局域网，机、车载通信网络，工业控制网络等领域，是短距离宽带，多接点通信网络理想传输介质。

系统功能结构
系统按功能结构可分为4大部分，交换控制部分完成网络交换、管理控制功能，实现网络信息的快速交换，这部分也是设计的重点难点。

网络接口部分主要是同时提供一个（或两个）石英光纤上行接口和多个（8、16、或24等）650nm有机物光纤下行接口，通过上行接口与外部网络相连，用户通过下行光接口接入系统。

中继转换部分主要是光纤中继放大器、波长转换器、光电转换器。光纤中继放大器用来完成光纤信号中继接收放大转发功能，实现较远距离的信息传输；波长转换器完成石英光纤和有机物光纤上传输的不同波长之间的转换；光电转换器完成的电信号与可在650nm光纤上传输的光信号之间的转换。用户终端部分主要是终端光网卡终端接入设备，为计算机等终端设备提供网络接入接口。

网络实现方案
在该方案中，网络的主干部分——工作组交换机之间采用石英光纤连接，以保证传输距离和带宽，工作组与用户之间，采用有机物光纤连接，实现整个局域网内全部采用光来传递信息。网络结构如图2所示。系统由中心路由交换机、网络服务器、有机物光纤交换机、波长转换器、650nm光纤中继器、650nm光电转换器、适用于计算机等终端设备的650nm光网卡组成。并在网络服务器上采用千兆有机物光纤网卡，与中心交换机的千兆口相连，使服务器的访问速度达到千兆。

有机物光纤交换机
此交换机为工作组级的交换设备。可以提供多个以太网络光纤端口。可在工作组之间或工作组内部提供高带宽、高性能的光纤连接，让用户能快速存取整个网络资源。解决计算机与工作组交换机之间网络带宽的瓶颈。交换机同时提供一个（或两个）1550nm、1310nm或850nm石英光纤（这里用的是1310nm）上行接口和多个（8、16、或24等）650nm有机物光纤下行接口（用作计算机等终端设备接入网络），很多厂商均能提供这种技术成熟的光纤收发器，交换机的设计完全符合常规以太网交换机的技术指标。

波长转换器
它是一个波长转换设备，提供一个650nm光纤端口及一个自适应石英光纤连接端口。用于石英光纤上传输的光源（1550nm、1310nm或850nm）和650nm光源之间的转换。

中继器
650nm中继器完成信号接收再放大传输的功能，增加信息传输的距离，由于技术和工艺上的原因，现在生产的650nm有机物光纤的衰耗比较大，还不能满足较远距离的信息传输（一般100m以内不需要中继设备）。

光网卡
具有以太网有机物光纤接口的计算机PCI网卡，采用标准SC接口，符合IEEE802.3标准，支持即插即用，全双工1000Mbps传输速率。

光电转换器
650nm光电转换器是以太网光纤接口至RJ45接口的转换器。它提供一个650nm光纤端口以及一个RJ45连接口的双绞线端口。它将以太网网络的电信号转换为可在650nm光纤上传输的光信号；反之亦然，650nm光电转换器也可作为一个独立设备为无光纤接口的以太网络设备提供接口转换。

性能分析
传输速率及带宽
该方案采用光纤交换机和光网卡，避免了多次电/光、光/电转换，保证了网络信息传输的高速率和高带宽，网络设备均采用千兆以太网设备，传输速率最高可达1000Mbps，特别是采用了低损耗、高带宽的有机物光纤连接各终端设备，大大提高了终端设备的网络访问速率，“最后一公里”问题在这里也可以得到解决。

经济性
有机物光纤由高分子有机物聚合而成，生产成本较低，现在国内对这种光纤材料的研究已经有了重大突破，价格已基本与石英光纤持平，随着材料技术的提高和规模生产，相信在不久的将来它的价格可能会比双绞线还便宜。虽然现在有机物光纤网络设备的价格较高，但随着它的大量应用和规模生产，还有很大的降价空间。

安全性、保密性
该方案全部采用光传输媒质，具有很强的抗电磁干扰能力，即使在最恶劣的电磁环境下也能正常工作，不会像五类双绞线一样，一旦遭到强电磁干扰，就无法工作。同时，电传输时会产生电磁辐射，可能会导致泄密，而该方案线路上传输的全是光波，不会产生电磁辐射，网络具有很好的安全性和保密性。这在军事通信上具有极高的价值。

网络的开放性和升级能力
网络采用标准的千兆以太网协议，其协议和设备均符合国际标准，确保了网络的先进性和开放性，同时也使得网络具有良好的扩充和升级能力，采用星型拓扑结构和结构化布线，可以方便地通过交换机级联、堆叠等方式增加网络工作站。

应用前景
有机物光纤作为短距离高速接入网络的理想传输介质，在未来家庭智能化、办公自动化、工控网络化、车载机载通信网、军事通信网的数据传输中将具有广泛的应用前景。该方案利用有机物光纤很好地解决了短距离宽带光接入问题，特别是电磁环境恶劣等特殊环境下的宽带接入。该方案在安全性、保密性上的优势，使得其在军事通信领域将具有广泛的应用前景。