光纖通信原理技術(shù)

一、光纖

1、概述

光纖和同軸電纜相似，只是沒(méi)有網(wǎng)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，大致與人的頭發(fā)的粗細(xì)相當(dāng)。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(nèi)。再外面的是一層薄的塑料外套，用來(lái)保護(hù)封套。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護(hù)。纖芯通常是由石英玻璃制成的橫截面積很小的雙層同心圓柱體，它質(zhì)地脆,易斷裂,因此需要外加一保護(hù)層。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

陸地上的光纖通常埋在地下1米處，有時(shí)會(huì)受到地下小動(dòng)物的破壞。在靠近海岸的地方，越洋光纖外殼被埋在溝里。在深水中，它們處于底部，極有可能被魚(yú)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(diǎn)模數(shù)類

傳輸點(diǎn)模數(shù)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(zhǎng)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(zhǎng)上,能以多個(gè)模式同時(shí)傳輸?shù)墓饫w。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(hù)層的折射率都是一個(gè)常數(shù)。在纖芯和保護(hù)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(guī)律減小,在纖芯與保護(hù)層交界處減小為保護(hù)層的折射率。纖芯的折射率的變化近似于拋物線。折射率分布類光纖光束傳輸如圖2所示。

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并插入光纖插座。連接頭要損耗10%到20%的光，但是它使重新配置系統(tǒng)很容易。

第二，可以用機(jī)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(gè)套管中，然后鉗起來(lái)。可以讓光纖通過(guò)結(jié)合處來(lái)調(diào)整，以使信號(hào)達(dá)到最大。機(jī)械結(jié)合需要訓(xùn)練過(guò)的人員花大約5分鐘的時(shí)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(jiān)實(shí)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(diǎn)衰減。對(duì)于這三種連接方法，結(jié)合處都有反射，并且反射的能量會(huì)和信號(hào)交互作用。

4、發(fā)送和接收

有兩種光源可被用作信號(hào)源：發(fā)光二極管LED(light-emitting diode)和半導(dǎo)體激光ILD(injection laser diode)。它們有著不同的特性，如下表。

光纖的接收端由光電二極管構(gòu)成，在遇到光時(shí)，它給出一個(gè)點(diǎn)脈沖。光電二極管的響應(yīng)時(shí)間一般為1ns，這就是把數(shù)據(jù)傳輸速率限制在1Gb/s內(nèi)的原因。熱噪聲也是個(gè)問(wèn)題，因此光脈沖必須具有足夠的能量以便被檢測(cè)到。如果脈沖能量足夠強(qiáng)，則出錯(cuò)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(wú)源接口由兩個(gè)街頭熔于主光纖形成。接頭的一端有一個(gè)發(fā)光二極管或激光二極管（用于發(fā)送）。另一端有一個(gè)光電二極管（用于接收）。接頭本身是完全無(wú)源的，因而是非�？煽康摹�

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(zhuǎn)變成電信號(hào)，如果信號(hào)已經(jīng)減弱，則重新放大到最強(qiáng)度，然后轉(zhuǎn)變成光再發(fā)送出去。連接計(jì)算機(jī)的是一根進(jìn)入信號(hào)再生器的普通銅線�，F(xiàn)在已有了純粹的光中繼器，這種設(shè)備不需要光電轉(zhuǎn)換，因而可以以非常高的帶寬運(yùn)行。

二、光纜

光導(dǎo)纖維是一種傳輸光束的細(xì)微而柔韌的媒質(zhì)。光導(dǎo)纖維電纜由一捆纖維組成,簡(jiǎn)稱為光纜。光纜是數(shù)據(jù)傳輸中最有效的一種傳輸介質(zhì),它有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)頻帶較寬。
(2)電磁絕緣性能好。光纖電纜中傳輸?shù)氖枪馐?由于光束不受外界電磁干擾與影響,而且本身也不向外輻射信號(hào),因此它適用于長(zhǎng)距離的信息傳輸以及要求高度安全的場(chǎng)合。當(dāng)然,抽頭困難是它固有的難題,因?yàn)楦铋_(kāi)的光纜需要再生和重發(fā)信號(hào)。
(3)衰減較小。可以說(shuō)在較長(zhǎng)距離和范圍內(nèi)信號(hào)是一個(gè)常數(shù)。
(4)中繼器的間隔較大,因此可以減少整個(gè)通道中繼器的數(shù)目,可降低成本。根據(jù)貝爾實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試,當(dāng)數(shù)據(jù)的傳輸速率為420Mbps且距離為119公里無(wú)中繼器時(shí),其誤碼率為10—8,可見(jiàn)其傳輸質(zhì)量很好。而同軸電纜和雙絞線每隔幾千米就需要接一個(gè)中繼器。

在使用光纜互聯(lián)多個(gè)小型機(jī)的應(yīng)用中,必須考慮光纖的單向特性,如果要進(jìn)行雙向通信,那么就應(yīng)使用雙股光纖。由于要對(duì)不同頻率的光進(jìn)行多路傳輸和多路選擇,因此在通信器件市場(chǎng)上又出現(xiàn)了光學(xué)多路轉(zhuǎn)換器。

在普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中安裝光纜是從用戶設(shè)備開(kāi)始的。因?yàn)楣饫|只能單向傳輸。為了實(shí)現(xiàn)雙向通信,光纜就必需成對(duì)出現(xiàn),一個(gè)用于輸入,一個(gè)用于輸出。光纜兩端接光學(xué)接口器。

安裝光纜需格外謹(jǐn)慎。連接每條光纜時(shí)都要磨光端頭,通過(guò)電燒烤或化學(xué)環(huán)氯工藝與光學(xué)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(zhì)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(tǒng)及其構(gòu)成

1、光纖通信系統(tǒng)

光纖通信系統(tǒng)是以光波為載體、光導(dǎo)纖維為傳輸媒體的通信方式,起主導(dǎo)作用的是光源、光纖、光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)。

·光源是光波產(chǎn)生的根源。
·光纖是傳輸光波的導(dǎo)體。
·光發(fā)送機(jī)的功能是產(chǎn)生光束,將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào),再把光信號(hào)導(dǎo)入光纖。
·光接收機(jī)的功能負(fù)責(zé)接收從光纖上傳輸?shù)墓庑盘?hào),并將它轉(zhuǎn)變成電信號(hào),經(jīng)解碼后再作相應(yīng)處理。

2、組成

光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖3所示:

光纖通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有:

(1)傳輸頻帶寬,通信容量大。
(2)線路損耗低,傳輸距離遠(yuǎn)。
(3)抗干擾能力強(qiáng),應(yīng)用范圍廣。
(4)線徑細(xì),重量輕。
(5)抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)。
(6)光纖制造資源豐富。

在網(wǎng)絡(luò)工程中,一般用62.5μm/125μm規(guī)格的多模光纖,有時(shí)也用100μm/125μm和100μm/140μm規(guī)格的光纖。戶外布線大于2公里時(shí)可選用單模光纖。在進(jìn)行綜合布線時(shí)需要了解的光纖的一些基本特性,現(xiàn)以AMP(安普)公司的光纖線纜產(chǎn)品為例說(shuō)明。表1和表2分別為光纖性能指標(biāo)和使用溫度范圍。

為了便于閱讀以下的表格,先對(duì)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(duì)拉力分兩種情況說(shuō)明:安裝時(shí)最大為2700N;安裝后,即長(zhǎng)期為440N;
·彎曲半徑:指光纜安裝拐彎時(shí)的彎曲半徑。

四、光纜的種類和機(jī)械性能
1. 單芯互聯(lián)光纜
  (1) 應(yīng)用范圍

·跳線。
·內(nèi)部設(shè)備連接。
·通信柜配線面板。
·墻上出口到工作站的連接。
·水平拉線,直接端接。
·適用于使用環(huán)氧樹(shù)脂或LIGHTCRIMP連接頭端接。

(2)性能優(yōu)點(diǎn)

·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
·900μm緊密緩沖外衣易于連接與剝除。
·Aramid抗拉線增強(qiáng)組織,提高了對(duì)光纖的保護(hù)。
·UL/CSA驗(yàn)證符合OFNR和OFNP性能要求。
·設(shè)計(jì)和測(cè)試均根據(jù)Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1標(biāo)準(zhǔn)。
·擴(kuò)展級(jí)別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標(biāo)準(zhǔn)。

互聯(lián)光纜單芯物理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

 
2.雙芯互聯(lián)光纜
  (1)應(yīng)用范圍

·交連跳線。
·水平走線直接端接。
·光纖到桌。
·通信柜配線面板。
·墻上出口到工作站的連接。
·適用于使用環(huán)氧樹(shù)脂或LIGHTCRIMP連接頭端接。

(2)性能與特點(diǎn)

·光纖之間易于區(qū)分。
·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
·900μm緊密緩沖外衣易于連接與剝除。
·Aramid抗拉線增強(qiáng)組織提高了對(duì)光纖的保護(hù)。
·UL/CSA驗(yàn)證符合OFNR和OFNP性能要求。
·設(shè)計(jì)和測(cè)試均根據(jù)Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1標(biāo)準(zhǔn)。
·擴(kuò)展級(jí)別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標(biāo)準(zhǔn)。

互聯(lián)光纜雙芯物理結(jié)構(gòu)如圖5所示。4芯光纜的物理結(jié)構(gòu)如圖6所示�；ヂ�(lián)光纜的機(jī)械性能如表3所示。

表3 互聯(lián)光纜的機(jī)械性能
3.分布式光纜
  (1)應(yīng)用范圍

·多點(diǎn)信息口水平布線。
·垂直布線。
·大樓內(nèi)主干布線。
·從設(shè)備間到無(wú)源跳線間的連接。
·從主干分支到各樓層應(yīng)用。
·適用于膠水型光纖連接頭以及LIGHTCRIMP光纖頭端接。

(2)性能與特點(diǎn)

·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
·900μm緊密緩沖外衣易于連接與剝除。
·按照EZA標(biāo)準(zhǔn)色碼標(biāo)識(shí)。
·UL/CSA驗(yàn)證符合OFNR和OFNP性能要求。
·設(shè)計(jì)和測(cè)試均根據(jù)Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1標(biāo)準(zhǔn)。
·擴(kuò)展級(jí)別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標(biāo)準(zhǔn)。
·防護(hù)網(wǎng)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(jié)構(gòu)如圖7所示。

分布式光纜的機(jī)械性能如表4所示。
表4 分布式光纜的機(jī)械性能
4.分散式光纜
  (1)應(yīng)用范圍

·分散光纜組合。
·多根光纖交插連接,結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。

·水平光纖到多站點(diǎn)出口,端接簡(jiǎn)單、直接。 ·適于環(huán)氧樹(shù)脂光纖連接頭以及LIGHTCRIMP光纖頭直接端接。

(2)性能與特點(diǎn)

·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
·900μm緊密緩沖外衣易于連接與剝除。
·2.4mm獨(dú)立光纖輔單元,允許帶套連接頭端接。
·UL/CSA驗(yàn)證符合OFNR和OFNP性能要求。
·設(shè)計(jì)和測(cè)試均根據(jù)Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1標(biāo)準(zhǔn)。
·擴(kuò)展級(jí)別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標(biāo)準(zhǔn)。
·走線方式高度靈活。
·Aramid抗拉線增強(qiáng)組織提高了對(duì)光纖的保護(hù)。

分散式光纜有4芯、6芯、8芯、12芯。它的物理結(jié)構(gòu)如圖8所示，機(jī)械性能如表5所示。

表5 分散式光纜的機(jī)械性能
5.室外光纜4～12芯鎧 裝型與全絕緣類型
  (1)應(yīng)用范圍

·園區(qū)中樓宇之間的連接。
·長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)。
·主干線系統(tǒng)。
·本地環(huán)路和支路網(wǎng)絡(luò)。
·嚴(yán)重潮濕、溫度變化大的環(huán)境。
·架空連接(和懸纜線一起使用)、地下管道或直埋、懸吊纜/服務(wù)纜。

(2)性能與特點(diǎn)

·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
·900μm緊密緩沖外衣易于連接與剝除。
·套管內(nèi)具有獨(dú)立TIA彩色編碼的光纖。
·輕質(zhì)的單通道結(jié)構(gòu)節(jié)省了管內(nèi)空間,管內(nèi)灌注防水凝膠,以防止水滲入。
·設(shè)計(jì)和測(cè)試均根據(jù)Bellcore GR-20-CORE標(biāo)準(zhǔn)。
·擴(kuò)展級(jí)別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標(biāo)準(zhǔn)。
·Aramid抗拉線增強(qiáng)組織提高了對(duì)光纖的保護(hù)。
·聚乙烯外衣對(duì)紫外線或惡劣的室外環(huán)境有保護(hù)作用。
·低磨擦的外皮使之可輕松穿過(guò)管道,完全絕緣或鎧裝結(jié)構(gòu),撕剝繩使剝離外表更方便。

室外光纜有4芯、6芯、8芯、12芯,又分鎧裝和全絕緣型,其物理結(jié)構(gòu)如圖9所示，其機(jī)械性能如表6所示。

表6 室外光纜的機(jī)械性能
6.室外光纜24～144芯鎧裝類型與全絕緣類型
  (1)應(yīng)用范圍

·園區(qū)中樓宇之間的連接。
·長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)。
·主干線系統(tǒng)。
·本地環(huán)路和支路網(wǎng)絡(luò)。
·嚴(yán)重潮濕、溫度變化大的環(huán)境。
·架空連接(和懸纜線一起使用)、地下管道或直埋。

(2)性能與特點(diǎn)

·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
·絕緣結(jié)構(gòu)可避免雷擊。
·套管內(nèi)具有獨(dú)立TIA彩色編碼的光纖。
·輕質(zhì)的單通道結(jié)構(gòu)節(jié)省了管內(nèi)空間,管內(nèi)灌注防水凝膠,以防止水滲入,注膠芯完全由聚脂帶包裹。
·設(shè)計(jì)和測(cè)試均根據(jù)Bellcore GR-20-CORE標(biāo)準(zhǔn)。
·擴(kuò)展級(jí)別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標(biāo)準(zhǔn)。
·Aramid抗拉線增強(qiáng)組織性能,提高對(duì)光纖的保護(hù)。
·聚乙烯外衣在紫外線或惡劣的室外環(huán)境下有保護(hù)作用。
·低磨擦的外皮使之可輕松穿過(guò)管道,完全絕緣或鎧裝結(jié)構(gòu),撕剝繩使剝離外表更方便。

室外光纜24～144芯光纜分全絕緣和鎧裝,規(guī)格有24、36、48、60、72、96、144芯7種,其物理結(jié)構(gòu)如圖10所示，其機(jī)械性能如表7所示。

表7 室外光纜24~144芯機(jī)械性能
7.單管全絕緣型室內(nèi)/室外光纜
  (1)應(yīng)用范圍

·在不需任何互聯(lián)設(shè)備情況下,由戶外延伸到戶內(nèi),線纜具有阻燃特性。
·園區(qū)中樓宇之間的互連。
·本地線路和支路網(wǎng)絡(luò)。
·嚴(yán)重潮濕、溫度變化極大的環(huán)境。
·架空連接(和懸纜線一起使用時(shí))。
·地下管道或直埋。
·懸吊纜/服務(wù)纜。

(2)性能與特點(diǎn)

·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
·LSZH的設(shè)計(jì)符合低毒、無(wú)煙的要求。
·套管內(nèi)具有獨(dú)立TIA彩色編碼的光纖。
·輕質(zhì)的單通道結(jié)構(gòu)節(jié)省了管內(nèi)空間,管內(nèi)灌注防水凝膠,以防止水滲入,注膠芯完全由聚脂帶包裹。
·設(shè)計(jì)和測(cè)試均根據(jù)Bellcore GR-20-CORE標(biāo)準(zhǔn)。
·擴(kuò)展級(jí)別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標(biāo)準(zhǔn)。
·Aramid抗拉線增強(qiáng)組織提高對(duì)了光纖的保護(hù)。
·聚乙烯外衣在紫外線或惡劣的室外環(huán)境下有保護(hù)作用。
·低磨擦的外皮使之可輕松穿過(guò)管道,完全絕緣或鎧裝結(jié)構(gòu),撕剝繩使剝離外表更方便。

室內(nèi)/室外光纜有4芯、6芯、8芯、12芯、24芯、32芯,其物理結(jié)構(gòu)如圖11所示，其機(jī)械性能如表8所示。

表8 市內(nèi)/室外光纜機(jī)械性能

在進(jìn)行綜合布線時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況,參考光纜的應(yīng)用范圍和機(jī)械性能指標(biāo),選擇合適的光纜產(chǎn)品。