光纤及其分类

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1、概述
  v1 ~$ `* Z8 n* D2 _　　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15μm~50μm，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8μm~10μm。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。
( R" E! _' B7 c- _8 p
" ?/ ^# I+ P  K: H5 C3 V　　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。
; S: g5 b; y( r* @　　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。
" D6 I: T# m4 ^8 V$ N　　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。

4 Z) ^( U4 F" F! h* u$ P& V" `# ]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。
: x0 R* M2 w2 I- s2 o　　4、发送和接收
  K6 v, l( j2 B3 k: ^　　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
  Y3 J/ k$ p+ I  l　　多模
　　多模或单模
$ a5 t& @6 m5 J( o- D! {, f9 h　　距离
　　短
2 U* C/ m7 X: j0 [  [- h- C0 U　　长
" Y# n; F0 F8 B8 J　　生命期
　　长
- _6 |' p1 _& t3 k& k　　短
　　温度敏感性
  b1 G) K. o! _& t, ^% k　　较小
. Q7 Y( [0 A3 K* l2 K2 [　　较敏感
　　造价
　　低造价
0 n& G$ x, V$ l, y　　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。
3 Z5 ?- }5 U! Q* M# b& Q" A+ p符合ITU-T G.652.A规定的普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展，光中继距离和单一波长信道容量增大,G.652.A光纤的性能还有可能进一步优化，表现在1550nm区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合ITU-T G.654规定的截止波长位移单模光纤和符合G.653规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。G.653光纤虽然可以使光纤容量有所增加，但是，原本期望得到的零色散因为不能抑制四波混频，反而变成了采用波分复用技术的障碍。
' l% t# n% W4 q$ f6 o  Q6 v$ A% Z为了取得更大的中继距离和通信容量，采用了增大传输光功率和波分复用、密集波分复用技术，此时，传输容量已经相当大的G.652普通单模光纤显得有些性能不足，表现在偏振模色散（PMD）和非线性效应对这些技术应用的限制。在10Gb／s及更高速率的系统中，偏振模色散可能成为限制系统性能的因素之一。光纤的PMD通过改善光纤的圆整度和／或采用“旋转”光纤的方法得到了改善，符合ITU-T G.652.B规定的普通单模光纤的PMDQ通常能低于0.5ps／km1/2，这意味着STM-64系统的传输距离可以达到大约400km。G.652.B光纤的工作波长还可延伸到1600nm区。G.652.A和G.652.B光纤习惯统称为G.652光纤。
& {6 m2 Q9 U4 W/ D$ A  z光纤的非线性效应包括受激布里渊散射、受激拉曼散射、自相位调制、互相位调制、四波混频、光孤子传输等。为了增大系统的中继距离而提高发送光功率，当光纤中传输的光强密度超过光纤的阈值时则会表现出非线性效应，从而限制系统容量和中继距离的进一步增大。通过色散和光纤有效芯面积对非线性效应影响的研究，国际上开发出满足ITU-T G.655规定的非零色散位移单模光纤。利用低色散对四波混频的抑制作用，使波分复用和密集波分复用技术得以应用，并且使光纤有可能在第四传输窗口1600nm区（1565nm-1620nm）工作。目前，G.655光纤还在发展完善，已有TrueWave、LEAF、大保实、TeraLight、PureGuide、MetroCor等品牌问世，它们都力图通过对光纤结构和性能的细微调整，达到与传输设备的最佳组合，取得最好的经济效益。
为了在一根光纤上开放更多的波分复用信道，国外开发出一种称为“全波光纤”的单模光纤，它属于ITU-T 652.C规定的低水吸收峰单模光纤。在二氧化硅系光纤的谱损曲线上，在第二传输窗口1310nm区（1280nm-1325nm）和第三传输窗口1550nm区（1380nm-1565nm）之间的1383nm波长附近，通常有一个水吸收峰。通过新的工艺技术突破，全波光纤消除了这个水吸收峰，与普通单模光纤相比，在水峰处的衰减降低了2／3，使有用波长范围增加了100nm，即打开了第五个传输窗口1400nm区（即1350nm-1450nm区），使原来分离的两个传输窗口连成一个很宽的大传输窗口，使光纤的工作波长从1280nm延伸到1625nm。
为了提高光缆传输密度，国外开发了一种多芯光纤。据报道，一种四芯光纤的玻璃体部分呈四瓣梅花状，涂覆层外形为圆形，其外径与普通单芯光纤相同（见图1a）。光纤的折射率分布采用突变型时，光纤的平均衰减在1310nm波长上为0.375±0.01dB／km；在1550nm波长上为0.225±0.01dB／km。这种光纤的接头采用硅棒加热可缩套管的方法（见图1b），其接头损耗的平均值为0.17dB，标准偏差为0.10dB。
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:
1 n1 J- V: h: B·8.3μm 芯、125μm 外层、单模。
·62.5μm 芯、125μm外层、多模。
·50μm 芯、125μm外层、 多模。
( X. n0 r% H$ w·100μm 芯、140μm外层、多模。