淺談通信傳輸中的光纖知識(shí)

河南有線三門峽分公司網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部 鄭文祺

1.引言

我們的生活離開了光，惡劣的后果簡(jiǎn)直不可想象。光是如此重要，又如此奇妙，令人感嘆不已。它到底是粒子還是波，這個(gè)問題至今仍未解決?？茖W(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為光有兩重性，既是粒子又是波。對(duì)此，我們?cè)谶@里也就不多做討論。

隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展，光信號(hào)的傳輸，目前在通信與廣播電視傳輸系統(tǒng)中，已可與電信號(hào)分庭抗禮，占據(jù)半壁江山。光纖通信成為了一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及光學(xué)，微電子學(xué)，信號(hào)與系統(tǒng)，機(jī)械，計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制，材料以及它們之間的交叉，集成和綜合，此外還有光網(wǎng)設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化，成本核算等軟層面上的工作，比如設(shè)計(jì)一個(gè)單信道光纖通信系統(tǒng)，將系統(tǒng)粗略地劃分為發(fā)射-信道-接收三部分，需要考慮的諸多因素如圖1所示。

由上述可知，光纖作為光信號(hào)的傳輸介質(zhì)，其重要性自是不言而喻。在這里，我們僅淺談下光纖的分類，連接，衰減，檢測(cè)。

2.光纖的分類

2.1 光纖是什么

什么是光纖呢？光纖，光導(dǎo)纖維(Optical Fiber)的簡(jiǎn)稱.它是由石英玻璃或塑料形成的很細(xì)的纖維狀物質(zhì)，呈圓柱形，直徑約9-50微米。日常應(yīng)用中，光纖由纖芯、包層與涂敷層三大部分組成。

纖芯位于光纖的中心部位，直徑4-50μm，纖芯的成分是高純度二氧化硅(目前石英系光纖、多組分玻璃光纖、全塑料光纖、氟化物光纖也得到廣泛應(yīng)用)，此外，還摻有極少量的摻雜劑(如二氧化鍺，五氧化二磷)，其作用是適當(dāng)提高纖芯對(duì)光的折射率，用于傳輸光信號(hào)。

包層位于纖芯周圍，直徑為125μm，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。在這里，摻雜劑(如三氧化二硼)的作用是適當(dāng)降低包層對(duì)光的折射率，使之略低于纖芯的折射率，即纖芯的折射率大于包層的折射率(這是光纖結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵)，它使得光信號(hào)封閉在纖芯中傳輸。

光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層、緩沖層和二次涂覆層。一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料；緩沖層一般為性能良好的填充油膏；二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。涂覆層的作用是保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，從而延長(zhǎng)光纖壽命。

一般涂敷后的光纖外徑約2.5毫米。由于纖芯的折射率設(shè)計(jì)得略大于包層，故激光信號(hào)在全反射波導(dǎo)狀態(tài)下被封閉在纖芯內(nèi)傳播，光纖的結(jié)構(gòu)見圖2。

2.2 光纖的分類

光纖的分類方法有很多，若按制造光纖所用材料分，可分為石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖、氟化物光纖；按照光的傳輸模式可分為多模光纖(Multi-mode Fiber)和單模光纖(Single-mode Fiber)；按光纖的工作波長(zhǎng)可分為短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖、超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖；若按最佳傳輸頻率窗口分類可分為常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖；按折射率分布情況可分為階躍型和漸變型光纖。在這里只重點(diǎn)討論單模光纖和多模光纖。

圖1 單信道通信簡(jiǎn)圖

圖2 光纖的結(jié)構(gòu)

圖3 a.切割準(zhǔn)確；b.切割后產(chǎn)生了裂縫；c.切割不平，產(chǎn)生了邊唇。

(1)單模光纖：?jiǎn)文９饫w中心玻璃芯很細(xì)(芯徑一般為9或10μm)，在給定波長(zhǎng)上只能以單一模式傳輸，優(yōu)點(diǎn)是傳輸頻帶寬、容量大；因?yàn)橹荒軅饕环N模式的光，所以其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散，因此單模光纖對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來又發(fā)現(xiàn)在1.31μm波長(zhǎng)處，單模光纖的材料色散和波導(dǎo)色散一為正、一為負(fù)，大小也正好相等。這就是說在1.31μm波長(zhǎng)處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1.31μm處正好是光纖的一個(gè)低損耗窗口。這樣，1.31μm波長(zhǎng)區(qū)就成了光纖通信的一個(gè)很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1.31μm常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU－T在G.652建議中確定的，因此這種光纖又稱G.652光纖。

(2)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。多模傳輸時(shí)由于不同模式的光沿線傳輸?shù)乃俣炔煌瑫?huì)產(chǎn)生相位差將導(dǎo)致傳輸失真因而使其傳輸頻帶受限。中心玻璃芯較粗(50或62.5μm)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。因此與單模光纖相比，多模光纖的傳輸性能較差。例如：600MB/KM的光纖在2KM時(shí)則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。

單模光纖和多模光纖可以從纖芯的尺寸大小來簡(jiǎn)單地判別。一般的情況下，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，短波光模塊使用多模光纖，長(zhǎng)波光模塊使用單模光纖。單模光纖的跳線一般用黃色表示，接頭和保護(hù)套為藍(lán)色或綠色；多模光纖的跳線一般用橙色表示，也有的用灰色表示，接頭和保護(hù)套用米色或者黑色。光纖跳線兩端的光模塊的收發(fā)波長(zhǎng)必須一致，也就是說光纖的兩端必須是相同波長(zhǎng)的光模塊，簡(jiǎn)單的區(qū)分方法是光模塊的顏色要一致。

3.光纖的衰減

造成光纖衰減的主要因素有：本征，雜質(zhì)，不均勻和彎曲，擠壓，對(duì)接等。

本征：即光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

雜質(zhì)：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。

圖4 光纖熱熔接簡(jiǎn)圖

圖5 光纖冷接簡(jiǎn)圖

不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。

彎曲：光纖彎曲時(shí)部分光纖內(nèi)的光會(huì)因散射而損失掉，造成的損耗。

擠壓：光纖受到擠壓時(shí)產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。

對(duì)接：光纖對(duì)接時(shí)產(chǎn)生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm)，端面與軸心不垂直，端面不平，對(duì)接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。

前三個(gè)因素是由光纖自身因素和生產(chǎn)工藝造成，很難克服。后三個(gè)因素則主要是在使用中，因人為因素造成。所以，光纖在使用時(shí)，要避免過度彎曲和繞環(huán)；在熔接時(shí)，要盡量保證切割端面的平整，這樣可降低光在傳輸過程中，人為因素造成的衰減。另外，光纖跳線使用后，也必須用保護(hù)套將光纖接頭保護(hù)起來，否則灰塵和油污會(huì)損害光纖的耦合，造成信號(hào)急劇衰減。如圖3。

4.光纖的連接

光纖的連接方法大致可分為：永久性連接、應(yīng)急連接、活動(dòng)連接。

(1)永久性光纖連接(又叫熱熔)

這種連接是用放電的方法將連根光纖的連接點(diǎn)熔化并連接在一起。一般用在長(zhǎng)途接續(xù)、永久或半永久固定連接。其主要特點(diǎn)是連接衰減在所有的連接方法中最低，典型值為0.01-0.03dB/點(diǎn)。但連接時(shí)，需要專用設(shè)備(熔接機(jī))和專業(yè)人員進(jìn)行操作，而且連接點(diǎn)也需要專用容器保護(hù)起來。如圖4

(2)應(yīng)急連接(又叫)冷熔

應(yīng)急連接主要是用機(jī)械和化學(xué)的方法，將兩根光纖固定并粘接在一起。這種方法的主要特點(diǎn)是連接迅速可靠，連接典型衰減為0.1～0.3dB/點(diǎn)。但連接點(diǎn)長(zhǎng)期使用會(huì)不穩(wěn)定，衰減也會(huì)大幅度增加，所以只能短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急用。如圖5。

圖6 光纖成端樣圖

(3)成端活動(dòng)連接

成端活動(dòng)連接是利用各種光纖連接器件(插頭和插座)，將站點(diǎn)與站點(diǎn)或站點(diǎn)與光纜連接起來的一種方法。這種方法靈活、簡(jiǎn)單、方便、可靠，多用在前端機(jī)房?jī)?nèi)的網(wǎng)絡(luò)布線中。其典型衰減為1dB/接頭。如圖6。

5.光纖的檢測(cè)

光纖檢測(cè)的主要目的是保證系統(tǒng)連接的質(zhì)量，減少故障因素以及故障時(shí)找出光纖的故障點(diǎn)。檢測(cè)方法很多，主要分為人工簡(jiǎn)易測(cè)量和精密儀器測(cè)量。

(1)人工簡(jiǎn)易測(cè)量：這種方法一般用于快速檢測(cè)光纖的通斷和施工時(shí)用來分辨所做的光纖。它是用一個(gè)簡(jiǎn)易光源從光纖的一端打入可見光，從另一端觀察哪一根發(fā)光來實(shí)現(xiàn)。這種方法雖然簡(jiǎn)便，但它不能定量測(cè)量光纖的衰減和光纖的斷點(diǎn)。

(2)精密儀器測(cè)量：使用光功率計(jì)或光時(shí)域反射圖示儀(OTDR)對(duì)光纖進(jìn)行定量測(cè)量，可測(cè)出光纖的衰減和接頭的衰減和光纖大致的斷點(diǎn)位置。這種測(cè)量，可用來定量分析光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的原因或?qū)饫w產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)。

6.結(jié)束語(yǔ)

通過上面的介紹，我們知道由于單根光纖的強(qiáng)度很低，不便敷設(shè)，因此單根光纖外面包再加一層薄的塑料外套用來保護(hù)封套。封裝好后的光纖，按不同規(guī)格扎成束，就成為易于施工鋪設(shè)的光纜。

[1]楊淑雯.全光光纖通信網(wǎng)[M].科學(xué)出版社,2004.

[2]樂孜純譯.光網(wǎng)絡(luò)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]陳才和.光纖通信[M].電子工業(yè)出版社,2004.