光纖、光纜

一、光纖
1、概述

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/155616.htm

光纖和同軸電纜相似，只是沒有網狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。在多模光纖中，芯的直徑是15mm~50mm，大致與人的頭髮的粗細相當。而單模光纖芯的直徑為8mm~10mm。芯外面包圍著一層折射率比芯低的玻璃封套，以使光纖保持在芯內。再外面的是一層薄的塑料外套，用來保護封套。光纖通常被紮成束，外面有外殼保護。纖芯通常是由石英玻璃製成的橫截面積很小的雙層同心圓柱體，它質地脆,易斷裂,因此需要外加一保護層。其結構如圖1所示。

　

圖1 光纖刨面結構示意

陸地上的光纖通常埋在地下1米處，有時會受到地下小動物的破壞。在靠近海岸的地方，越洋光纖外殼被埋在溝裡。在深水中，它們處於底部，極有可能被魚類咬壞或被漁船撞壞。

2、分類

光纖主要分以下兩大類:

1）傳輸點模數類

傳輸點模數類分單模光纖(Single Mode Fiber)和多模光纖(Multi Mode Fiber)。單模光纖的纖芯直徑很小,在給定的工作波長上只能以單一模式傳輸,傳輸頻帶寬,傳輸容量大。多模光纖是在給定的工作波長上,能以多個模式同時傳輸的光纖。與單模光纖相比,多模光纖的傳輸性能較差。

2)折射率分布類

折射率分布類光纖可分為跳變式光纖和漸變式光纖。跳變式光纖纖芯的折射率和保護層的折射率都是一個常數。在纖芯和保護層的交界面,折射率呈階梯型變化。漸變式光纖纖芯的折射率隨著半徑的增加按一定規律減小,在纖芯與保護層交界處減小為保護層的折射率。纖芯的折射率的變化近似於拋物線。折射率分布類光纖光束傳輸如圖2所示。

　

圖2 光在折射率分布類光纖中的傳輸過程

3、連接方式

光纖有三種連接方式。首先，可以將它們接入連接頭並插入光纖插座。連接頭要損耗10%到20%的光，但是它使重新配置系統很容易。

第二，可以用機械方法將其接合。方法是將兩根小心切割好的光纖的一端放在一個套管中，然後鉗起來。可以讓光纖通過結合處來調整，以使信號達到最大。機械結合需要訓練過的人員花大約5分鐘的時間完成，光的損失大約為10%。

第三，兩根光纖可以被融合在一起形成堅實的連接。融合方法形成的光纖和單根光纖差不多是相同的，但也有一點衰減。對於這三種連接方法，結合處都有反射，並且反射的能量會和信號交互作用。

4、發送和接收

有兩種光源可被用作信號源：發光二極體LED(light-emitting diode)和半導體雷射ILD(injection laser diode)。它們有著不同的特性，如下表。

項目	LED	半導體雷射
數據速率	低	高
模式	多模	多模或單模
距離	短	長
生命期	長	短
溫度敏感性	較小	較敏感
造價	低造價	昂貴

光纖的接收端由光電二極體構成，在遇到光時，它給出一個點脈衝。光電二極體的響應時間一般為1ns，這就是把數據傳輸速率限制在1Gb/s內的原因。熱噪聲也是個問題，因此光脈衝必須具有足夠的能量以便被檢測到。如果脈衝能量足夠強，則出錯率可以降到非常低的水平。

5、接口

目前使用的接口有兩種。無源接口由兩個街頭熔於主光纖形成。接頭的一端有一個發光二極體或雷射二極體（用於發送）。另一端有一個光電二極體（用於接收）。接頭本身是完全無源的，因而是非常可靠的。

另一種接口被稱作有源中繼器(active repeater)。輸入光在中繼器中被轉變成電信號，如果信號已經減弱，則重新放大到最強度，然後轉變成光再發送出去。連接計算機的是一根進入信號再生器的普通銅線。現在已有了純粹的光中繼器，這種設備不需要光電轉換，因而可以以非常高的帶寬運行。

　

二、光纜

光導纖維是一種傳輸光束的細微而柔韌的媒質。光導纖維電纜由一捆纖維組成,簡稱為光纜。光纜是數據傳輸中最有效的一種傳輸介質,它有以下幾個優點:

(1)頻帶較寬。
(2)電磁絕緣性能好。光纖電纜中傳輸的是光束,由於光束不受外界電磁幹擾與影響,而且本身也不向外輻射信號,因此它適用於長距離的信息傳輸以及要求高度安全的場合。當然,抽頭困難是它固有的難題,因為割開的光纜需要再生和重發信號。
(3)衰減較小。可以說在較長距離和範圍內信號是一個常數。
(4)中繼器的間隔較大,因此可以減少整個通道中繼器的數目,可降低成本。根據貝爾實驗室的測試,當數據的傳輸速率為420Mbps且距離為119公裡無中繼器時,其誤碼率為10—8,可見其傳輸質量很好。而同軸電纜和雙絞線每隔幾千米就需要接一個中繼器。

在使用光纜互聯多個小型機的應用中,必須考慮光纖的單向特性,如果要進行雙向通信,那麼就應使用雙股光纖。由於要對不同頻率的光進行多路傳輸和多路選擇,因此在通信器件市場上又出現了光學多路轉換器。

在普通計算機網絡中安裝光纜是從用戶設備開始的。因為光纜只能單向傳輸。為了實現雙向通信,光纜就必需成對出現,一個用於輸入,一個用於輸出。光纜兩端接光學接口器。

安裝光纜需格外謹慎。連接每條光纜時都要磨光端頭,通過電燒烤或化學環氯工藝與光學接口連在一起,確保光通道不被阻塞。光纖不能拉得太緊,也不能形成直角。

光纖的類型由模材料(玻璃或塑料纖維)及芯和外層尺寸決定,芯的尺寸大小決定光的傳輸質量。常用的光纖纜有:

·8.3μm 芯、125μm 外層、單模。
·62.5μm 芯、125μm外層、多模。
·50μm 芯、125μm外層、 多模。
·100μm 芯、140μm外層、多模。

　

三、 光纖通信系統及其構成
1、光纖通信系統

光纖通信系統是以光波為載體、光導纖維為傳輸媒體的通信方式,起主導作用的是光源、光纖、光發送機和光接收機。

·光源是光波產生的根源。
·光纖是傳輸光波的導體。
·光發送機的功能是產生光束,將電信號轉變成光信號,再把光信號導入光纖。
·光接收機的功能負責接收從光纖上傳輸的光信號,並將它轉變成電信號,經解碼後再作相應處理。

2、組成

光纖通信系統的基本構成如圖3所示:

　

圖3 光纖通信系統的基本構成

光纖通信系統的主要優點有:

(1)傳輸頻帶寬,通信容量大。
(2)線路損耗低,傳輸距離遠。
(3)抗幹擾能力強,應用範圍廣。
(4)線徑細,重量輕。
(5)抗化學腐蝕能力強。
(6)光纖製造資源豐富。

在網絡工程中,一般用62.5μm/125μm規格的多模光纖,有時也用100μm/125μm和100μm/140μm規格的光纖。戶外布線大於2公裡時可選用單模光纖。在進行綜合布線時需要了解的光纖的一些基本特性,現以AMP(安普)公司的光纖線纜產品為例說明。表1和表2分別為光纖性能指標和使用溫度範圍。

　

表1 安普光纖線纜的特性

	單模 (1310/1550nm)	多模50/125 (850/1300nm)	多模LSZH 50/125 (850/1300nm)	多模62.5/125 (850/1300nm)	多模擴展型 Grade 62.5/125 (850/1300nm)
室內光纖 最大衰減值 典型衰減值 帶寬(MHZ/km)	0.7/0.7 0.5/0.5 --/--	3.5/2.0 2.6/1.1 400/400	3.5/2.0 2.6/1.1 400/800	3.5/1.0 2.9/0.9 160/500	3.5/1.0 2.9/0.9 200/600
室外光纖 最大衰減值 典型衰減值 帶寬(MHZ/km)	0.5/0.4 0.4/0.3 --/--	3.5/2.0 2.6/1.1 400/400	3.5/2.0 2.6/1.1 400/800	3.5/1.0 2.9/0.9 160/500	3.5/1.0 2.9/0.9 200/600

表2 安普光纖的溫度適用範圍

	室內和阻燃型	低煙及無毒氣性能(LSZH)
室內光纖 貯存 應用	-40ºC ~ +85ºC (-40ºF ~ +185ºF) -20ºC ~ +85ºC (-4ºF ~ +185ºF)	-10ºC ~ +60ºC (+14ºF ~ +140ºF) -10ºC ~ +60ºC (+14ºF ~ +140ºF)
	標準光纖	LSZH及鋁外衣
室外光纖 貯存 應用	-40ºC ~ +75ºC (-40ºF ~ +167ºF) -40ºC ~ +75ºC (-4ºF ~ +167ºF)	-20ºC ~ +60ºC (-4ºF ~ +190ºF) -20ºC ~ +60ºC (-40ºF ~ +190ºF)

為了便於閱讀以下的表格,先對直徑、重量、拉力、彎曲半徑作如下解釋:

·直徑:單位用mm表示。
·重量:用kg/km表示。
·拉力:拉力單位用N(牛頓)。對拉力分兩種情況說明:安裝時最大為2700N;安裝後,即長期為440N;
·彎曲半徑:指光纜安裝拐彎時的彎曲半徑。

四、光纜的種類和機械性能
1. 單芯互聯光纜
(1) 應用範圍

·跳線。
·內部設備連接。
·通信櫃配線面板。
·牆上出口到工作站的連接。
·水平拉線,直接端接。
·適用於使用環氧樹脂或LIGHTCRIMP連接頭端接。

(2)性能優點

·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業標準。
·900μm緊密緩衝外衣易於連接與剝除。
·Aramid抗拉線增強組織,提高了對光纖的保護。
·UL/CSA驗證符合OFNR和OFNP性能要求。
·設計和測試均根據Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1標準。
·擴展級別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標準。

互聯光纜單芯物理結構如圖4所示。

　

圖4 單芯光纜

2.雙芯互聯光纜
(1)應用範圍

·交連跳線。
·水平走線直接端接。
·光纖到桌。
·通信櫃配線面板。
·牆上出口到工作站的連接。
·適用於使用環氧樹脂或LIGHTCRIMP連接頭端接。

(2)性能與特點

·光纖之間易於區分。
·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業標準。
·900μm緊密緩衝外衣易於連接與剝除。
·Aramid抗拉線增強組織提高了對光纖的保護。
·UL/CSA驗證符合OFNR和OFNP性能要求。
·設計和測試均根據Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1標準。
·擴展級別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標準。

互聯光纜雙芯物理結構如圖5所示。4芯光纜的物理結構如圖6所示。互聯光纜的機械性能如表3所示。

　

圖5 雙芯雙套光纜


圖6 四芯光纜


表3 互聯光纜的機械性能
3.分布式光纜
(1)應用範圍

·多點信息口水平布線。
·垂直布線。
·大樓內主幹布線。
·從設備間到無源跳線間的連接。
·從主幹分支到各樓層應用。
·適用於膠水型光纖連接頭以及LIGHTCRIMP光纖頭端接。

(2)性能與特點

·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業標準。
·900μm緊密緩衝外衣易於連接與剝除。
·按照EZA標準色碼標識。
·UL/CSA驗證符合OFNR和OFNP性能要求。
·設計和測試均根據Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1標準。
·擴展級別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標準。
·防護網可抵擋尖銳物損傷。

分布式光纜分多單元分散型12芯光纜和多單元分散型24～72芯兩種,其物理結構如圖7所示。

　

圖7 分布式光纜