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光纤通信原理技术

一、光纤
二、光缆
三、 光纤通信系统及其构成
四、光缆的种类和机械性能
一、光纤
1、概述

光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15mm~50mm，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8mm~10mm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。其结构如图1所示。

图1 光纤刨面结构示意

陆地上的光纤通常埋在地下1米处，有时会受到地下小动物的破坏。在靠近海岸的地方，越洋光纤外壳被埋在沟里。在深水中，它们处于底部，极有可能被鱼类咬坏或被渔船撞坏。

2、分类

光纤主要分以下两大类:

1）传输点模数类

传输点模数类分单模光纤(Single Mode Fiber)和多模光纤(Multi Mode Fiber)。单模光纤的纤芯直径很小,在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。与单模光纤相比,多模光纤的传输性能较差。

2)折射率分布类

折射率分布类光纤可分为跳变式光纤和渐变式光纤。跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。在纤芯和保护层的交界面,折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小,在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线。折射率分布类光纤光束传输如图2所示。

图2 光在折射率分布类光纤中的传输过程

3、连接方式

光纤有三种连接方式。首先，可以将它们接入连接头并插入光纤插座。连接头要损耗10%到20%的光，但是它使重新配置系统很容易。

第二，可以用机械方法将其接合。方法是将两根小心切割好的光纤的一端放在一个套管中，然后钳起来。可以让光纤通过结合处来调整，以使信号达到**。机械结合需要训练过的人员花大约5分钟的时间完成，光的损失大约为10%。

第三，两根光纤可以被融合在一起形成坚实的连接。融合方法形成的光纤和单根光纤差不多是相同的，但也有一点衰减。对于这三种连接方法，结合处都有反射，并且反射的能量会和信号交互作用。

4、发送和接收

有两种光源可被用作信号源：发光二极管LED(light-emitting diode)和半导体激光ILD(injection laser diode)。它们有着不同的特性，如下表。

项目

LED

半导体激光

数据速率

低

高

模式

多模

多模或单模

距离

短

长

生命期

长

短

温度敏感性

较小

较敏感

造价

低造价

昂贵

光纤的接收端由光电二极管构成，在遇到光时，它给出一个点脉冲。光电二极管的响应时间一般为1ns，这就是把数据传输速率限制在1Gb/s内的原因。热噪声也是个问题，因此光脉冲必须具有足够的能量以便被检测到。如果脉冲能量足够强，则出错率可以降到非常低的水平。

5、接口

目前使用的接口有两种。无源接口由两个街头熔于主光纤形成。接头的一端有一个发光二极管或激光二极管（用于发送）。另一端有一个光电二极管（用于接收）。接头本身是完全无源的，因而是非常可靠的。

另一种接口被称作有源中继器(active repeater)。输入光在中继器中被转变成电信号，如果信号已经减弱，则重新放大到*强度，然后转变成光再发送出去。连接计算机的是一根进入信号再生器的普通铜线。现在已有了纯粹的光中继器，这种设备不需要光电转换，因而可以以非常高的带宽运行。

　二、光缆

光导纤维是一种传输光束的细微而柔韧的媒质。光导纤维电缆由一捆纤维组成,简称为光缆。光缆是数据传输中*有效的一种传输介质,它有以下几个优点:

(1)频带较宽。
(2)电磁绝缘性能好。光纤电缆中传输的是光束,由于光束不受外界电磁干扰与影响,而且本身也不向外辐射信号,因此它适用于长距离的信息传输以及要求高度安全的场合。当然,抽头困难是它固有的难题,因为割开的光缆需要再生和重发信号。
(3)衰减较小。可以说在较长距离和范围内信号是一个常数。
(4)中继器的间隔较大,因此可以减少整个通道中继器的数目,可降低成本。根据贝尔实验室的测试,当数据的传输速率为420Mbps且距离为119公里无中继器时,其误码率为10—8,可见其传输质量很好。而同轴电缆和双绞线每隔几千米就需要接一个中继器。

在使用光缆互联多个小型机的应用中,必须考虑光纤的单向特性,如果要进行双向通信,那么就应使用双股光纤。由于要对不同频率的光进行多路传输和多路选择,因此在通信器件市场上又出现了光学多路转换器。

在普通计算机网络中安装光缆是从用户设备开始的。因为光缆只能单向传输。为了实现双向通信,光缆就必需成对出现,一个用于输入,一个用于输出。光缆两端接光学接口器。

安装光缆需格外谨慎。连接每条光缆时都要磨光端头,通过电烧烤或化学环氯工艺与光学接口连在一起,确保光通道不被阻塞。光纤不能拉得太紧,也不能形成直角。

光纤的类型由模材料(玻璃或塑料纤维)及芯和外层尺寸决定,芯的尺寸大小决定光的传输质量。常用的光纤缆有:

·8.3μm 芯、125μm 外层、单模。
·62.5μm 芯、125μm外层、多模。
·50μm 芯、125μm外层、 多模。
·100μm 芯、140μm外层、多模。

　三、 光纤通信系统及其构成
1、光纤通信系统

光纤通信系统是以光波为载体、光导纤维为传输媒体的通信方式,起主导作用的是光源、光纤、光发送机和光接收机。

·光源是光波产生的根源。
·光纤是传输光波的导体。
·光发送机的功能是产生光束,将电信号转变成光信号,再把光信号导入光纤。
·光接收机的功能负责接收从光纤上传输的光信号,并将它转变成电信号,经解码后再作相应处理。

2、组成

光纤通信系统的基本构成如图3所示:

图3 光纤通信系统的基本构成

光纤通信系统的主要优点有:

(1)传输频带宽,通信容量大。
(2)线路损耗低,传输距离远。
(3)抗干扰能力强,应用范围广。
(4)线径细,重量轻。
(5)抗化学腐蚀能力强。
(6)光纤制造资源丰富。

在网络工程中,一般用62.5μm/125μm规格的多模光纤,有时也用100μm/125μm和100μm/140μm规格的光纤。户外布线大于2公里时可选用单模光纤。在进行综合布线时需要了解的光纤的一些基本特性,现以AMP(安普)NG娱乐的光纤线缆产品为例说明。表1和表2分别为光纤性能指标和使用温度范围。

　表1 安普光纤线缆的特性

单模
(1310/1550nm)

多模50/125
(850/1300nm)

多模LSZH 50/125
(850/1300nm)

多模62.5/125
(850/1300nm)

多模扩展型
Grade 62.5/125
(850/1300nm)

室内光纤
**衰减值
典型衰减值
带宽(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

室外光纤
**衰减值
典型衰减值
带宽(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 安普光纤的温度适用范围

室内和阻燃型

低烟及无毒气性能(LSZH)

室内光纤
贮存
应用

-40ºC ~ +85ºC (-40ºF ~ +185ºF)
-20ºC ~ +85ºC (-4ºF ~ +185ºF)

-10ºC ~ +60ºC (+14ºF ~ +140ºF)
-10ºC ~ +60ºC (+14ºF ~ +140ºF)

标准光纤

LSZH及铝外衣

室外光纤
贮存
应用

-40ºC ~ +75ºC (-40ºF ~ +167ºF)
-40ºC ~ +75ºC (-4ºF ~ +167ºF)

-20ºC ~ +60ºC (-4ºF ~ +190ºF)
-20ºC ~ +60ºC (-40ºF ~ +190ºF)

为了便于阅读以下的表格,先对直径、重量、拉力、弯曲半径作如下解释:

·直径:单位用mm表示。
·重量:用kg/km表示。
·拉力:拉力单位用N(牛顿)。对拉力分两种情况说明:安装时**为2700N;安装后,即长期为440N;
·弯曲半径:指光缆安装拐弯时的弯曲半径。

四、光缆的种类和机械性能
1. 单芯互联光缆
(1) 应用范围

·跳线。
·内部设备连接。
·通信柜配线面板。
·墙上出口到工作站的连接。
·水平拉线,直接端接。
·适用于使用环氧树脂或LIGHTCRIMP连接头端接。

(2)性能优点

·高性能的单模和多模光纤符合所有的工业标准。
·900μm紧密缓冲外衣易于连接与剥除。
·Aramid抗拉线增强组织,提高了对光纤的保护。
·UL/CSA验证符合OFNR和OFNP性能要求。
·设计和测试均根据Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1标准。
·扩展级别62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995标准。

互联光缆单芯物理结构如图4所示。

图4 单芯光缆

2.双芯互联光缆
(1)应用范围

·交连跳线。
·水平走线直接端接。
·光纤到桌。
·通信柜配线面板。
·墙上出口到工作站的连接。
·适用于使用环氧树脂或LIGHTCRIMP连接头端接。

(2)性能与特点

·光纤之间易于区分。
·高性能的单模和多模光纤符合所有的工业标准。
·900μm紧密缓冲外衣易于连接与剥除。
·Aramid抗拉线增强组织提高了对光纤的保护。
·UL/CSA验证符合OFNR和OFNP性能要求。
·设计和测试均根据Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1标准。
·扩展级别62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995标准。

互联光缆双芯物理结构如图5所示。4芯光缆的物理结构如图6所示。互联光缆的机械性能如表3所示。

图5 双芯双套光缆

图6 四芯光缆

表3 互联光缆的机械性能
3.分布式光缆
(1)应用范围

·多点信息口水平布线。
·垂直布线。
·大楼内主干布线。
·从设备间到无源跳线间的连接。
·从主干分支到各楼层应用。
·适用于胶水型光纤连接头以及LIGHTCRIMP光纤头端接。

(2)性能与特点

·高性能的单模和多模光纤符合所有的工业标准。
·900μm紧密缓冲外衣易于连接与剥除。
·按照EZA标准色码标识。
·UL/CSA验证符合OFNR和OFNP性能要求。
·设计和测试均根据Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1标准。
·扩展级别62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995标准。
·防护网可抵挡尖锐物损伤。

分布式光缆分多单元分散型12芯光缆和多单元分散型24～72芯两种,其物理结构如图7所示。

图7 分布式光缆

分布式光缆的机械性能如表4所示。

表4 分布式光缆的机械性能
4.分散式光缆
(1)应用范围

·分散光缆组合。
·多根光纤交插连接,结构坚固。

·水平光纤到多站点出口,端接简单、直接。 ·适于环氧树脂光纤连接头以及LIGHTCRIMP光纤头直接端接。

(2)性能与特点

·高性能的单模和多模光纤符合所有的工业标准。
·900μm紧密缓冲外衣易于连接与剥除。
·2.4mm独立光纤辅单元,允许带套连接头端接。
·UL/CSA验证符合OFNR和OFNP性能要求。
·设计和测试均根据Bellcore GR-409-CORE及IEC793-1/794-1标准。
·扩展级别62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995标准。
·走线方式高度灵活。
·Aramid抗拉线增强组织提高了对光纤的保护。

分散式光缆有4芯、6芯、8芯、12芯。它的物理结构如图8所示，机械性能如表5所示。

图8 分散式光缆4～12芯

表5 分散式光缆的机械性能
5.室外光缆4～12芯铠 装型与全绝缘类型
(1)应用范围

·园区中楼宇之间的连接。
·长距离网络。
·主干线系统。
·本地环路和支路网络。
·严重潮湿、温度变化大的环境。
·架空连接(和悬缆线一起使用)、地下管道或直埋、悬吊缆/服务缆。

(2)性能与特点

·高性能的单模和多模光纤符合所有的工业标准。
·900μm紧密缓冲外衣易于连接与剥除。
·套管内具有独立TIA彩色编码的光纤。
·轻质的单通道结构节省了管内空间,管内灌注防水凝胶,以防止水渗入。
·设计和测试均根据Bellcore GR-20-CORE标准。
·扩展级别62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995标准。
·Aramid抗拉线增强组织提高了对光纤的保护。
·聚乙烯外衣对紫外线或恶劣的室外环境有保护作用。
·低磨擦的外皮使之可轻松穿过管道,完全绝缘或铠装结构,撕剥绳使剥离外表更方便。

室外光缆有4芯、6芯、8芯、12芯,又分铠装和全绝缘型,其物理结构如图9所示，其机械性能如表6所示。

图9 室外光缆

表6 室外光缆的机械性能
6.室外光缆24～144芯铠装类型与全绝缘类型
(1)应用范围

·园区中楼宇之间的连接。
·长距离网络。
·主干线系统。
·本地环路和支路网络。
·严重潮湿、温度变化大的环境。
·架空连接(和悬缆线一起使用)、地下管道或直埋。

(2)性能与特点

·高性能的单模和多模光纤符合所有的工业标准。
·绝缘结构可避免雷击。
·套管内具有独立TIA彩色编码的光纤。
·轻质的单通道结构节省了管内空间,管内灌注防水凝胶,以防止水渗入,注胶芯完全由聚脂带包裹。
·设计和测试均根据Bellcore GR-20-CORE标准。
·扩展级别62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995标准。
·Aramid抗拉线增强组织性能,提高对光纤的保护。
·聚乙烯外衣在紫外线或恶劣的室外环境下有保护作用。
·低磨擦的外皮使之可轻松穿过管道,完全绝缘或铠装结构,撕剥绳使剥离外表更方便。

室外光缆24～144芯光缆分全绝缘和铠装,规格有24、36、48、60、72、96、144芯7种,其物理结构如图10所示，其机械性能如表7所示。

图10 室外24～144芯光缆

表7 室外光缆24~144芯机械性能
7.单管全绝缘型室内/室外光缆
(1)应用范围

·在不需任何互联设备情况下,由户外延伸到户内,线缆具有阻燃特性。
·园区中楼宇之间的互连。
·本地线路和支路网络。
·严重潮湿、温度变化极大的环境。
·架空连接(和悬缆线一起使用时)。
·地下管道或直埋。
·悬吊缆/服务缆。

(2)性能与特点

·高性能的单模和多模光纤符合所有的工业标准。
·LSZH的设计符合低毒、无烟的要求。
·套管内具有独立TIA彩色编码的光纤。
·轻质的单通道结构节省了管内空间,管内灌注防水凝胶,以防止水渗入,注胶芯完全由聚脂带包裹。
·设计和测试均根据Bellcore GR-20-CORE标准。
·扩展级别62.5/125符合ISO/IEC 11801:1995标准。
·Aramid抗拉线增强组织提高对了光纤的保护。
·聚乙烯外衣在紫外线或恶劣的室外环境下有保护作用。
·低磨擦的外皮使之可轻松穿过管道,完全绝缘或铠装结构,撕剥绳使剥离外表更方便。

室内/室外光缆有4芯、6芯、8芯、12芯、24芯、32芯,其物理结构如图11所示，其机械性能如表8所示。

图11 室内/室外光缆