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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，以使信号达到最大。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。
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项目 |
LED |
半导体激光 |
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数据速率 |
低 |
高 |
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模式 |
多模 |
多模或单模 |
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距离 |
短 |
长 |
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生命期 |
长 |
短 |
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温度敏感性 |
较小 |
较敏感 |
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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，则重新放大到最强度，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。光缆是数据传输中最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)公司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
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|
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) |
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室内光纤
最大衰减值
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
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室外光纤
最大衰减值
典型衰减值
带宽(MHZ/km) |
0.5/0.4
0.4/0.3
--/--
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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
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表2 安普光纤的温度适用范围
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室内和阻燃型 |
低烟及无毒气性能(LSZH) |
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室内光纤
贮存
应用 |
-40ºC ~ +85ºC (-40ºF ~ +185ºF)
-20ºC ~ +85ºC (-4ºF ~ +185ºF)
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-10ºC ~ +60ºC (+14ºF ~ +140ºF)
-10ºC ~ +60ºC (+14ºF ~ +140ºF)
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标准光纤 |
LSZH及铝外衣 |
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室外光纤
贮存
应用 |
-40ºC ~ +75ºC (-40ºF ~ +167ºF)
-40ºC ~ +75ºC (-4ºF ~ +167ºF)
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-20ºC ~ +60ºC (-4ºF ~ +190ºF)
-20ºC ~ +60ºC (-40ºF ~ +190ºF)
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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:安装时最大为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。
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