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          光纖通信原理技術

          發布日期:2014-07-25

          光纖通信原理技術


          一、光纖
          二、光纜
          三、 光纖通信系統及其構成
          四、光纜的種類和機械性能
          一、光纖
          1、概述

          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,大致與人的頭發的粗細相當。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。光纖通常被扎成束,外面有外殼保護。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里。在深水中,它們處于底部,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于拋物線。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,然后鉗起來。可以讓光纖通過結合處來調整,以使信號達到**。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。對于這三種連接方法,結合處都有反射,并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:發光二極管LED(light-emitting diode)和半導體激光ILD(injection laser diode)。它們有著不同的特性,如下表。

          項目

          LED

          半導體激光

          數據速率

          模式

          多模

          多模或單模

          距離

          生命期

          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管構成,在遇到光時,它給出一個點脈沖。光電二極管的響應時間一般為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,因此光脈沖必須具有足夠的能量以便被檢測到。如果脈沖能量足夠強,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于主光纖形成。接頭的一端有一個發光二極管或激光二極管(用于發送)。另一端有一個光電二極管(用于接收)。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*強度,然后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*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,因此它適用于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范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公里無中繼器時,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,那么就應使用雙股光纖。由于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,一個用于輸入,一個用于輸出。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,并將它轉變成電信號,經解碼后再作相應處理。

          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)抗干擾能力強,應用范圍廣。
          (4)線徑細,重量輕。
          (5)抗化學腐蝕能力強。
          (6)光纖制造資源豐富。

          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。戶外布線大于2公里時可選用單模光纖。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范圍。

           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
          **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
          **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范圍

           

          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)

          為了便于閱讀以下的表格,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**為2700N;安裝后,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) 應用范圍

          ·跳線。
          ·內部設備連接。
          ·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緊密緩沖外衣易于連接與剝除。
          ·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。
          ·適用于使用環氧樹脂或LIGHTCRIMP連接頭端接。

          (2)性能與特點

          ·光纖之間易于區分。
          ·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業標準。
          ·900μm緊密緩沖外衣易于連接與剝除。
          ·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)應用范圍

          ·多點信息口水平布線。
          ·垂直布線。
          ·大樓內主干布線。
          ·從設備間到無源跳線間的連接。
          ·從主干分支到各樓層應用。
          ·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

          ·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業標準。
          ·900μm緊密緩沖外衣易于連接與剝除。
          ·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


          分布式光纜的機械性能如表4所示。

          表4 分布式光纜的機械性能
          4.分散式光纜
          (1)應用范圍

          ·分散光纜組合。
          ·多根光纖交插連接,結構堅固。

          ·水平光纖到多站點出口,端接簡單、直接。 ·適于環氧樹脂光纖連接頭以及LIGHTCRIMP光纖頭直接端接。

          (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緊密緩沖外衣易于連接與剝除。
          ·2.4mm獨立光纖輔單元,允許帶套連接頭端接。
          ·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。
          ·走線方式高度靈活。
          ·Aramid抗拉線增強組織提高了對光纖的保護。

          分散式光纜有4芯、6芯、8芯、12芯。它的物理結構如圖8所示,機械性能如表5所示。

           

          圖8 分散式光纜4~12芯

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

          ·園區中樓宇之間的連接。
          ·長距離網絡。
          ·主干線系統。
          ·本地環路和支路網絡。
          ·嚴重潮濕、溫度變化大的環境。
          ·架空連接(和懸纜線一起使用)、地下管道或直埋、懸吊纜/服務纜。

          (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緊密緩沖外衣易于連接與剝除。
          ·套管內具有獨立TIA彩色編碼的光纖。
          ·輕質的單通道結構節省了管內空間,管內灌注防水凝膠,以防止水滲入。
          ·設計和測試均根據Bellcore GR-20-CORE標準。
          ·擴展級別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標準。
          ·Aramid抗拉線增強組織提高了對光纖的保護。
          ·聚乙烯外衣對紫外線或惡劣的室外環境有保護作用。
          ·低磨擦的外皮使之可輕松穿過管道,完全絕緣或鎧裝結構,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,其物理結構如圖9所示,其機械性能如表6所示。

           

          圖9 室外光纜

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

          ·園區中樓宇之間的連接。
          ·長距離網絡。
          ·主干線系統。
          ·本地環路和支路網絡。
          ·嚴重潮濕、溫度變化大的環境。
          ·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

          ·高性能的單模和多模光纖符合所有的工業標準。
          ·絕緣結構可避免雷擊。
          ·套管內具有獨立TIA彩色編碼的光纖。
          ·輕質的單通道結構節省了管內空間,管內灌注防水凝膠,以防止水滲入,注膠芯完全由聚脂帶包裹。
          ·設計和測試均根據Bellcore GR-20-CORE標準。
          ·擴展級別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標準。
          ·Aramid抗拉線增強組織性能,提高對光纖的保護。
          ·聚乙烯外衣在紫外線或惡劣的室外環境下有保護作用。
          ·低磨擦的外皮使之可輕松穿過管道,完全絕緣或鎧裝結構,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,規格有24、36、48、60、72、96、144芯7種,其物理結構如圖10所示,其機械性能如表7所示。

           

          圖10 室外24~144芯光纜

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

          ·在不需任何互聯設備情況下,由戶外延伸到戶內,線纜具有阻燃特性。
          ·園區中樓宇之間的互連。
          ·本地線路和支路網絡。
          ·嚴重潮濕、溫度變化極大的環境。
          ·架空連接(和懸纜線一起使用時)。
          ·地下管道或直埋。
          ·懸吊纜/服務纜。

          (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。
          ·LSZH的設計符合低毒、無煙的要求。
          ·套管內具有獨立TIA彩色編碼的光纖。
          ·輕質的單通道結構節省了管內空間,管內灌注防水凝膠,以防止水滲入,注膠芯完全由聚脂帶包裹。
          ·設計和測試均根據Bellcore GR-20-CORE標準。
          ·擴展級別62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995標準。
          ·Aramid抗拉線增強組織提高對了光纖的保護。
          ·聚乙烯外衣在紫外線或惡劣的室外環境下有保護作用。
          ·低磨擦的外皮使之可輕松穿過管道,完全絕緣或鎧裝結構,撕剝繩使剝離外表更方便。

          室內/室外光纜有4芯、6芯、8芯、12芯、24芯、32芯,其物理結構如圖11所示,其機械性能如表8所示。

           

          圖11 室內/室外光纜

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