光纖的通訊原理及其在儀表系統(tǒng)施工中的應(yīng)用

王建新

摘 要：本文以單模光纖為例，介紹光纖通訊的工作原理和光纖在施工中的應(yīng)用，包括光纖的安裝，OTDR檢測(cè)，熔接，，以及在光纖施工中應(yīng)該注意的問題。

關(guān)鍵詞：光纖通信;OTDR檢測(cè);光纖熔接;光纖施工

1、概述

光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要傳輸手段，是推動(dòng)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基本動(dòng)力之一，是現(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，光纖通信的發(fā)展依賴于光纖通信技術(shù)的進(jìn)步。目前，光纖通信技術(shù)已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，進(jìn)而大幅度提高了通信能力，并且光纖應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)越來越成熟。根據(jù)纖芯直徑的大小，傳輸信號(hào)的模式的不同，光纖分為單模光纖和多模光纖，單模光纖由于具有工作頻帶寬，傳送的信號(hào)頻率高，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

2、光纖通訊的基本原理

光纖通信就是利用光波作為載波來傳送信息，而以光纖作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，達(dá)到通信目的的一種最新通信技術(shù)。通信的發(fā)展過程是以不斷提高載波頻率來擴(kuò)大通信容量的過程，光頻作為載頻已達(dá)通信載波的上限，因?yàn)楣馐且环N頻率極高的電磁波 ，因此用光作為載波進(jìn)行通信容量極大，是以往通信方式的千百倍。

光纖作為傳輸媒介時(shí)，在兩端都要進(jìn)行光信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。光通信系統(tǒng)的組成主要有光源、光纖、光檢測(cè)器。 發(fā)端的光源在電信號(hào)的作用下，發(fā)出與之時(shí)應(yīng)的光信號(hào)，完成電/光轉(zhuǎn)換的任務(wù)。常用的光源有半導(dǎo)體激光二極管和半導(dǎo)體發(fā)光二極管。 接收端收到從發(fā)端經(jīng)過光纖送來的光載波時(shí)，首先由光檢測(cè)器把收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，再經(jīng)過放大均衡，還原成所需要的電信號(hào)。

3、光纖通訊的施工

光纖在實(shí)際應(yīng)用中以光纜的形式使用。與普通儀表電纜相比較，光纜具有重量輕，纖芯極細(xì)，易斷裂，并且在光纜的鋪設(shè)過程中，不同的鋪設(shè)工藝對(duì)光信號(hào)的影響是比較顯著的。光纜中的光纖一旦受到拉力的作用就會(huì)引起應(yīng)變，首先導(dǎo)致色散的增加，接著就會(huì)引起附加衰減。

一、光纜的敷設(shè)安裝

在實(shí)際工程中，根據(jù)不同的型號(hào)、規(guī)格和材質(zhì)，光纜的鋪設(shè)一般有架空和直埋兩種形式。光纜在地下敷設(shè)時(shí)，應(yīng)敷設(shè)在保護(hù)管內(nèi)，保護(hù)管和電纜井的布置和施工應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件的規(guī)定，且應(yīng)由土建專業(yè)完成。光纜敷設(shè)前，應(yīng)對(duì)保護(hù)管和電纜井內(nèi)進(jìn)行清理，達(dá)到清潔暢通。在道路狹窄操作空間小的時(shí)候，宜采用人工抬放敷設(shè)光纜。敷設(shè)時(shí)不允許光纜在地上拖拉，也不得出現(xiàn)急彎、扭轉(zhuǎn)、浪涌或牽引過緊等現(xiàn)象。光纜敷設(shè)完畢后，應(yīng)及時(shí)檢查光纜的外護(hù)套，如有破損等缺陷應(yīng)立即修復(fù);并測(cè)試其對(duì)地絕緣電阻。直埋光纜的接頭處、拐彎點(diǎn)或預(yù)留長(zhǎng)度處以及與其他地下管線交越處，應(yīng)設(shè)置標(biāo)志，以便今后維護(hù)檢修。標(biāo)志可以專制標(biāo)石，也可利用光纜路由附近的永久性建筑的特定部位，測(cè)量出距直埋光纜的相關(guān)距離，在有關(guān)圖紙上記錄，作為今后查考資料。架空敷設(shè)光纜在空中從電線桿到電線桿敷設(shè)，架空光纜可用鍍鋅鋼絞線作懸掛光纜的吊線。吊線與光纜要良好接地，要有防雷、防電措施，并有防震、防風(fēng)的機(jī)械性能。架空吊線與電力線的水平與垂直距離要2m以上，離地面最小高度為5m，離房頂最小距離為1.5m。架空光纜的掛式有3種：吊線托掛式、吊線纏繞式與自承式。自承式不用鋼絞吊線，光纜下垂，承受風(fēng)荷力較差，因此常用吊掛式。由于光纜的卷盤長(zhǎng)度比電纜長(zhǎng)得多，長(zhǎng)度可能達(dá)幾千米，故受到允許的額定拉力和彎曲半徑的限制，在施工中特別注意不能猛拉和發(fā)生扭結(jié)現(xiàn)象。一般光纜可允許的拉力約為150～200kg，光纜轉(zhuǎn)彎時(shí)彎曲半徑應(yīng)大于或等于光纜外徑的10～15倍，施工布放時(shí)彎曲半徑應(yīng)大于或等于20倍。為了避免由于光纜放置于路段中間，離電桿約20m處，向兩反方向架設(shè)，先架設(shè)前半卷，再把后半卷光纜從盤上放下來，按“8”字型方式放在地上，然后布放。

二.光纜的OTDR測(cè)試

光纜敷設(shè)完畢后需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，以檢測(cè)光纜敷設(shè)導(dǎo)致的信號(hào)衰減是否符合通訊的要求，以及在施工過程中是否對(duì)纖芯造成了損傷。通常的光纖檢測(cè)為OTDR測(cè)試。OTDR的英文全稱是Optical Time Domain Reflectometer，中文意思為光時(shí)域反射儀。OTDR是利用光線在光纖中傳輸時(shí)的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛應(yīng)用于光纜線路的維護(hù)、施工之中，可進(jìn)行光纖長(zhǎng)度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測(cè)量。OTDR測(cè)試是通過發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)，然后在OTDR端口接收返回的信息來進(jìn)行。當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)由于光纖本身的性質(zhì)，連接器，接合點(diǎn)，彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射，反射。其中一部分的散射和反射就會(huì)返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測(cè)器來測(cè)量，它們就作為光纖內(nèi)不同位置上的時(shí)間或曲線片斷。從發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間，再確定光在玻璃物質(zhì)中的速度，就可以計(jì)算出距離。通常情況下OTDR測(cè)試儀發(fā)射的光波波長(zhǎng)為1310nm和1550nm。

以M200型OTDR測(cè)試儀為例，測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

M200 型OTDR測(cè)試儀能夠顯示光纖類型，光波在光纖內(nèi)的折射率（光波在光纖內(nèi)的傳播速度低于光在真空或空氣中的傳播速度），光纜的長(zhǎng)度，以及OTDR測(cè)試儀發(fā)出的光波在光纖傳輸過程中的衰減。

三、光纖的熔接以及接頭處衰減的測(cè)試

光纜一經(jīng)定購(gòu)，其光纖自身的傳輸損耗也基本確定，而光纖接頭處的熔接損耗則與光纖的本身及現(xiàn)場(chǎng)施工有關(guān)。努力降低光纖接頭處的熔接損耗，則可增大光纖中繼放大傳輸距離和提高光纖鏈路的衰減裕量。

影響光纖熔接損耗的因素較多，大體可分為光纖本征因素和非本征因素兩類。

光纖本征因素是指光纖自身因素，主要有四點(diǎn)。

（1）光纖模場(chǎng)直徑不一致;

（2）兩根光纖芯徑失配;

（3）纖芯截面不圓;

（4）纖芯與包層同心度不佳。

影響光纖接續(xù)損耗的非本征因素即接續(xù)技術(shù)。

（1）軸心錯(cuò)位：?jiǎn)文９饫w纖芯很細(xì)，兩根對(duì)接光纖軸心錯(cuò)位會(huì)影響接續(xù)損耗。當(dāng)錯(cuò)位? ? ? ?1.2μm時(shí)，接續(xù)損耗達(dá)0.5dB。

（2）軸心傾斜：當(dāng)光纖斷面傾斜1°時(shí)，約產(chǎn)生0.6dB的接續(xù)損耗，如果要求接續(xù)損耗≤0.1dB，則單模光纖的傾角應(yīng)為≤0.3°。

（3）端面分離：活動(dòng)連接器的連接不好，很容易產(chǎn)生端面分離，造成連接損耗較大。當(dāng)熔接機(jī)放電電壓較低時(shí)，也容易產(chǎn)生端面分離，此情況一般在有拉力測(cè)試功能的熔接機(jī)中可以發(fā)現(xiàn)。

（4）端面質(zhì)量：光纖端面的平整度差時(shí)也會(huì)產(chǎn)生損耗，甚至氣泡。

（5）接續(xù)點(diǎn)附近光纖物理變形：光纜在架設(shè)過程中的拉伸變形，接續(xù)盒中夾固光纜壓力太大等，都會(huì)對(duì)接續(xù)損耗有影響，甚至熔接幾次都不能改善。

其他因素的影響。

接續(xù)人員操作水平、操作步驟、盤纖工藝水平、熔接機(jī)中電極清潔程度、熔接參數(shù)設(shè)置、工作環(huán)境清潔程度等均會(huì)影響到熔接損耗的值。

光纖熔接嚴(yán)禁在多塵及潮濕的環(huán)境中露天操作，光纜接續(xù)部位及工具、材料應(yīng)保持清潔，不得讓光纖接頭受潮，準(zhǔn)備切割的光纖必須清潔，不得有污物。切割后光纖不得在空氣中暴露時(shí)間過長(zhǎng)尤其是在多塵潮濕的環(huán)境中。熔接前，首先要準(zhǔn)備好剝纖鉗、切刀、熔接機(jī)、熱縮套管、酒精棉等必要操作設(shè)備、工具和必需材料，查看熔接機(jī)電源是否充裕夠用，各種材料是否齊全等，然后把要熔接的光纖外護(hù)套、鋼絲等視盤纖長(zhǎng)度去除，查找出需要熔接的相對(duì)應(yīng)的光纖，在做好前期充分準(zhǔn)備工作的前提下，按照制備端面、熔接光纖、盤纖整理、質(zhì)量檢查四個(gè)步驟逐一進(jìn)行。

熔接機(jī)的功能就是把兩根光纖熔接到一起，所以正確使用熔接機(jī)也是降低光纖接續(xù)損耗的重要措施。根據(jù)光纖類型正確合理地設(shè)置熔接參數(shù)、預(yù)放電電流、時(shí)間及主放電電流、主放電時(shí)間等，并且在使用中和使用后及時(shí)去除熔接機(jī)中的灰塵，特別是夾具、各鏡面和v型槽內(nèi)的粉塵和光纖碎末的去除。每次使用前應(yīng)使熔接機(jī)在熔接環(huán)境中放置至少十五分鐘，特別是在放置與使用環(huán)境差別較大的地方（如冬天的室內(nèi)與室外），根據(jù)當(dāng)時(shí)的氣壓、溫度、濕度等環(huán)境情況，重新設(shè)置熔接機(jī)的放電電壓及放電位置，以及使v型槽驅(qū)動(dòng)器復(fù)位等調(diào)整。

光纖熔接完畢后，需要使用OTDR測(cè)試儀檢查熔接點(diǎn)的衰減值，具體方法參見光纖安裝完畢后的OTDR測(cè)試方法。

光纖熔接和測(cè)試完畢后要進(jìn)行盤纖操作。正確的盤纖方法，不僅可以避免因擠壓造成的斷纖現(xiàn)象，使光纖布局合理、附加損耗小，能夠經(jīng)得住時(shí)間和惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，而且有利于以后的檢查維修。盤纖時(shí)，一般沿松套管或光纜分歧方向?yàn)閱卧M(jìn)行，每熔接和熱縮完一個(gè)或幾個(gè)松套管內(nèi)的光纖、或一個(gè)分支方向光纜內(nèi)的光纖后，盤纖一次，避免光纖松套管間或不同分支光纜間光纖的混亂，使之布局恰當(dāng)、易盤、易拆、易維護(hù)。也可以預(yù)留盤中熱縮管安放單元為單位盤纖，根據(jù)接續(xù)盒內(nèi)預(yù)留盤中某一小安放區(qū)域內(nèi)能夠安放的熱縮管數(shù)目進(jìn)行，依此避免由于安放位置不同而造成的同一束光纖參差不齊、難以盤纖和固定，甚至出現(xiàn)急彎、小圈等現(xiàn)象。

4、光纖施工中的注意問題

由于光纖通訊系統(tǒng)具有通訊工作頻帶寬，速率高，并且光纜的安裝和熔接工藝對(duì)于光纖的衰減影響比較大，所以在系統(tǒng)施工中應(yīng)該注意以下問題.

一、不允許超過各種類型光纜的拉力強(qiáng)度。如果在敷設(shè)光纜時(shí)違反了彎曲半徑和抗拉強(qiáng)度的規(guī)定，則會(huì)引起光纜內(nèi)光纖纖芯的石英玻璃斷裂，致使光纜不能使用。

二、光纖熔接時(shí)要求連接處的接觸面光滑平整，而且要求兩端光纖的接觸端中心完全對(duì)準(zhǔn)，其偏差極小，因此技術(shù)要求較高，要求有較高新技術(shù)的接續(xù)設(shè)備和相應(yīng)的技術(shù)力量，否則將使光纖產(chǎn)生較大的衰減而影響通信質(zhì)量。

三、光纖熔接后必須進(jìn)行接點(diǎn)光衰減的OTDR測(cè)試。確認(rèn)衰減在工程規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行接頭的封裝，注意防水，防污染處理，提高光纖通訊系統(tǒng)的可靠性。

本文對(duì)光纖通訊原理和施工過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了論述，其中的一些內(nèi)容是筆者在工作中的心得和總結(jié)，還懇請(qǐng)各位同事和專家指正。在以后的工作中，筆者將不斷的學(xué)習(xí)總結(jié)，以便提高個(gè)人工作能力和施工水平，更好的為公司的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。