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光纤光缆的基础知识

2019-10-10
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  光  纤  



光纤,完整名称叫做光导纤维,英文名是OPTIC FIBER。



它是一种由玻璃或塑料制成的纤维,可作为光传导工具。


光纤的主要用途,是通信。目前通信用的光纤,基本上是石英系光纤,其主要成分是高纯度石英玻璃,即二氧化硅(SiO2) 。



光纤通信系统,就是利用光纤来传输携带信息的光波,以达到通信的目的。



▎光纤通信的发展历史


1880年,亚历山大·贝尔Alexander Graham Bell发明了“光话机”。

1887年,英国科学家Charles Vernon Boys在实验室里拉出了第一条光纤。

1938年,美国Owens Illinois Glass公司与日本日东纺绩公司开始生产玻璃长纤维。

1951年,光物理学家Brian O’Brian提出了包层的概念。

1956年,密歇根大学的一位学生制作了第一个玻璃包层光纤,他用一个折射率低的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。

1960年,Theodore Maiman 向人们展示了第一台激光器。这燃起了人们对光通信的兴趣,激光看起来是很有前途的通信方式,可以解决传输带宽问题,很多实验室开始了实验。

1966年,英籍华裔学者高锟指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径,奠定了现代光通信——光纤通信的基础。

1970 年,美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20dB/km的石英光纤。

1973 年,美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩,光纤损耗降低到2.5dB/km。

1976 年,日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2μm)。


▎光纤通信的特点


  • 通信容量巨大

从理论上讲,一根光纤可以同时传输100亿个话路,目前同时传输50万个话路的试验已经成功,比传统同轴电缆、微波等高出几千乃至几十万倍。

  • 中继距离长

光纤具有极低的衰耗系数,配以适当的光发送、光接收设备、光放大器、前向纠错与RZ编码调制技术等,可使其中继距离达数千公里以上,而传统电缆只能传送1.5km,微波50km,根本无法与之相比拟。

  • 保密性能好

  • 适应能力强

具有不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀等优点

  • 体积小、重量轻

  • 原材料来源丰富、价格低廉



▎光纤的构造


光纤的典型结构是多层同轴圆柱体,主要由纤芯包层涂覆层组成。


  • 纤芯

位于光纤的中心部位,成分为高纯度的二氧化硅,掺有极少量掺杂剂。纤芯的折射率比包层稍高,损耗比包层更低,光能量主要在纤芯内传输。


  • 包层

位于纤芯的周围,其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。包层为光的传输提供反射面和光隔离,并起一定的机械保护作用。


  • 涂覆层

光纤的最外层,由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成。涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。 


▎光纤的工作原理


  • 全反射原理

若使光束从光密媒质射向光疏媒质时,则折射角大于入射角,如图所示。



如果不断增大θ0可使折射角θ1达到90°, 这时的θ1称为临界角。  

当光线从光密媒质射向光疏媒质, 且入射角大于临界角时, 就会产生全反射现象。



光纤就是利用这种全反射来传输光信号的。




▎光纤的色散


  • 光纤色散的原因


在光纤中,光信号是由很多不同的成分组成的,由于信号的各频率成分或各模式成分的传播速度不同,经过光纤传输一段距离后,不同成分之间出现时延差,引起传输信号波形失真,脉冲展宽,这种现象称为光纤色散。 


  • 光纤色散的影响


光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变和展宽,从而产生码间干扰。为了保证通信质量,必须增大码间间隔,即降低信号的传输速率,这就限制了光纤系统的通信容量和传输距离。


  • 光纤色散的分类


按照色散产生的原因,光纤色散可分为模式色散,材料色散、波导色散和极化色散。


▎光纤的电磁波频谱



▎光纤的损耗


光纤的损耗是指:光信号经光纤传输后,由于吸收、散射等原因引起光功率的减小。


光纤损耗的分类


普通单模光纤的衰减随波长变化示意图


▎光纤的分类



  • 阶跃光纤

在纤芯与包层区域内,折射率的分布分别是均匀的,分别为n1和n2,在纤芯与包层的边界处,其折射率的变化是阶跃的(n2<n1) 。



  • 渐变光纤

光纤轴心处的折射率最大(n1),但随横截面径向的增加而逐渐减小,到纤芯与包层的边界处,正好降到与包层区域的折射率n2。


  • 多模光纤(MMF,multimode fiber)

可传多种模式的光。但其模间色散较大,这就限制了传输数字信号的频率,而且随距离的增加会更加严重。


  • 单模光纤(SMF, single-mode fiber)

只能传一种模式的光,因此其模间色散很小,适用于远程通讯。



多模光纤和单模光纤的对比


多模光纤和单模光纤的应用


▎光纤的接口


光纤接口有以下几种 :

  • FC  圆型带螺纹(配线架上用的最多)

  • ST  卡接式圆型

  • SC  卡接式方型(路由器交换机上用的最多)

  • LC  接头与 SC 接头形状相似,较 SC 接头小一些

  • MT-RJ 方型,一头双纤收发一体 

  • MPO/MTP型

  • BFOC型

  • DIN型

  • FDDI型

  • MU型



常见的表示方法,如“FC/PC”,“SC/PC”,“SC/APC”什么含义?


“/”前面部分,表示尾纤的连接器型号,FC,SC如前所述,从略;

“/”后面部分,表示光纤接头截面工艺,即研磨方式。


  • “PC:Physical Contact”:

其接头截面是平的,实际上是微球面研磨抛光,在电信运营商的设备中应用得最为广泛。


  • “APC”:

呈8度角并做微球面研磨抛光,在广电和早期的CATV中应用较多的是型号,其尾纤头采用了带倾角的端面,可以改善电视信号的质量,主要原因是电视信号是模拟光调制,当接头耦合面是垂直的时候,反射光沿原路径返回。


  • “UPC”:

衰耗比“PC”要小,一般用于有特殊需求的设备,一些国外厂家ODF架内部跳纤用的就是FC/UPC,主要是为提高ODF设备自身的指标。



▎光纤模块


光模块,全称叫光收发一体模块(optical transceiver),是光纤通信系统中的重要器件。


一般在网络设备中包括以下种类:


SFP(Small Form-factor Pluggable transceiver ): 

小封装可插拔收发器 (LC 接口),SFP 支持的速率有 100M、 155M、 622M、1000M、1250M、2500M。


GBIC (GigaBit Interface Converter):

千兆以太网接口转换器(SC 接口)


XFP(10-Gigabit small Form-factor Pluggable transceiver ): 

万兆以太网接口小封装可插拔收发器(LC 接口)


XENPAK(10 Gigabit EtherNet Transceiver PAcKage ): 

万兆以太网接口收发器集合封装(SC 接口)



▎光纤的熔接


融接是利用电极棒之间放电产生的热能使光纤融化为一体的接线技术,分为以下两类:


  • 光纤芯调芯方式 


这是在显微镜下观察光纤的芯线,通过图像处理进行定位,使芯线的中心轴一致,然后进行放电的融接方式。采用配置双向观察摄影机的融接机从两个方向进行定位。


光纤熔接机



  • 固定V型槽调芯方式 


这是采用高精度V型槽排列光纤,利用融化光纤时的表面张力所产生的调芯效果进行外径调芯的融接方式。最近,由于制造技术的发展使光纤芯位置等的尺寸精度得到提高,因此,可以实现低损耗接线。

本方式主要用于多芯一次性接线。





  光  缆  



光缆:用适当的材料和缆结构,对通信光纤进行收容保护,使光纤免受机械和环境的影响和损害,适应不同场合使用。 



▎光缆的结构


光缆是以一根或多根光纤或光纤束制成符合化学、机械和环境特性的结构。不论何种结构形式的光缆,基本上都是由缆芯、加强元件和护层三部分组成。


  • 缆芯


缆芯结构应满足一下基本要求:

① 使光纤在缆内处于最佳位置和状态,保证光纤传输性能稳定。在光缆受到一定打拉、侧压等外力时,光纤不应承受外力影响。

② 缆芯中的加强元件应能经受允许拉力。

③ 缆芯截面应尽可能小,以降低成本。缆芯内有光纤、套管或骨架和加强元件,在缆芯内还需填充油膏,具有可靠的防潮性能,防止潮气在缆芯中扩散。


  • 护层


光缆的护层只要是对已成缆的光纤芯起保护作用,避免受外界机械力和环境损坏,使光纤能适应于各种敷设场合,因此要求护层具有耐压力、防潮、温度特性好、重量轻、耐化学浸蚀和阻燃等特点。


光缆的护层可分为内护层和外护层。内护层一般采用聚乙烯或聚氯乙烯等,外护层可根据敷设条件而定,采用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。


  • 加强元件


加强元件主要是承受敷设安装时所加的外力。光缆加强元件的配置方式一般分为“中心加强元件”方式和“外周加强元件”方式。


一般层绞式和骨架式光缆的加强元件均处于缆芯中央,属于“中心加强元件”(加强芯);中心管式光缆的加强元件从缆芯移到护层,属于“外周加强元件”。


加强元件一般有金属钢线和非金属玻璃纤维增强塑料(FRP)。使用非金属加强元件的非金属光缆能有效地反之雷击。



▎光缆的典型结构


常用的光缆结构有层绞式、骨架式、中心束管式和带状四种。



层绞式光缆结构图


骨架式光缆结构图


中心束管式光缆结构图


带状式光缆结构图



▎光缆的分类


  • 室外光缆

主用于干线和城域网的直埋、管道、架空建设。



  • 带状光缆

主用于大芯数高度密集的城域骨干网络的建设。




  • “8”字光缆

该光缆将缆芯部分和钢丝吊线集成到一个“8”字形的PE护套内,形成自承式结构,在敷设过程中无需架设吊线和挂钩,施工效率高,施工费用低。可以十分简单地实现电杆与电杆之间、电杆与楼宇之间、楼宇与楼宇之间等的架空敷设。



  • 室内光缆

主要用于楼宇内局域网建设,楼内垂直布线




▎光缆的型号


根据ITU-T的有关建议,目前光缆的型号是由光缆的型式代号和光纤的规格代号两部分构成,中间用一短横线分开。


光缆的型式代号由分类、加强构件、派生特征、护套和外乎层5个部分组成。



  • 光缆分类的代号及其意义

GY:通信用室(野)外光缆

GM:通信用移动式光缆

GJ:通信用室(局)内光缆

GS:通信用设备内光缆

GH:通信用海底光缆

GT:通信用特殊光缆


  • 加强构件的代号及其意义

无符号:金属加强构件

 F:非金属加强构件


  • 派生特征的代号及其意义

光缆结构特征应能表示出缆芯的主要类型和光缆的派生结构。当光缆型式有几个结构特征需要注明时,可用组合代号表示,其组合代号按下列相应的各代号自上而下顺序排列。


D:光纤带结构

无符号:光纤松套被覆结构

J:光纤紧套被覆结构

无符号:层绞结构

G:骨架槽结构

X:中心束管结构

T:油膏填充式结构

Z:自承式结构

B:扁平形状

Z:阻燃


  • 护套的代号及其意义

Y:聚乙烯护套

V:聚氯乙烯护套

U:聚氨酯护套

A:铝-聚乙烯粘结护套(A护套)

S:钢-聚乙烯粘结护套(S护套)

W:夹带平行钢丝的钢-聚乙烯粘结护套(W护套)

L:铝护套

G:钢护套

Q:铅护套


  • 外护层代号及其意义

外护层是指铠装层及铠装层外边的外被层。




(全文完)



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