光纤光缆
。使用最广泛的介质材料是石英玻璃(SiO2)。内层介质称为纤芯,
其折射率高于外层介质(称为包层)。通过在石英玻璃中掺锗、磷
、氟、硼等杂质的方法调节纤芯或包层的折射率。通信用光纤的传
输波长主要为0.8~1.7微米的近红外光。光纤的芯径因类型而异,通
常为数微米到100微米,外径大多数约为 125微米。它的外面有塑料
被覆层。光缆(图2)由单根或多根光纤组合并加以增强和保护制成
。光缆可以在各种环境下使用。光缆的制造方法与电缆相似。
光纤光缆
光纤通信是现代信息传输的重要方式之一。它具有容量大、中继距
离长、保密性好、不受电磁干扰和节省铜材等优点。
编辑本段
发展概况
在3G网络建设、FTTH(光纤到户)实施、三网融合试点、西部村村通
工程、“光进铜退”等多重利好驱动下,中国光纤光缆行业发展势
头较好,我国成为了全球最主要的光纤光缆市场和全球最大的光纤
光缆制造国,并取得了引人瞩目的成就。
据《2013-2017年 中国光纤光缆行业产品需求潜力分析报告》[1]数
据显示,2011年,中国光纤光缆行业规模以上企业共有149家,比上
年减少21家;实现工业总产值688.02亿元;实现销售收入643.10亿元
,同比增长24.68%;创造利润65.54亿元,同比增长47.39%。
前瞻网认为,随着我国FTTH及FTTC系统的采用、三网融合以及大规
模3G建设的持续,市场对光纤光缆的需求量依然很大,为我国光纤
光缆行业发展提供了强劲动力,行业前景大好。
随着光纤光缆行业竞争的不断加剧,大型光纤光缆企业间并购整合
与资本运作日趋频繁,国内优秀的光纤光缆生产企业愈来愈重视对
行业市场的研究,特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深
入研究。正因为如此,一大批国内优秀的光纤光缆品牌迅速崛起,
逐渐成为光纤光缆行业中的翘楚!
光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。人类社会的信
息化建设正在加速进行,即 使是在全球经济发展不景气的情况下,
通信和信息行业还十分火红。光纤通信正朝高速、超高速、超大容
量的光纤传输及全光网方向发展。我国在实现信息化进程中,“九
五”期间中国电信 完成了“八纵八横”的光缆干线敷设。一个以光
缆为主体的骨干通信网逐步形成。四通八达的高容量光缆干线已成
为我国的“信息通道”。随着通信事业的不断发展,从省到市、县
甚至乡镇也敷设 了光缆。“光纤到户”的日期越来越临近了。近几
年来,随着技术的进步,电信体制的改革以及电 信市场的逐步全面
开放,更由于IP业务的爆炸式发展所带来的带宽的巨大需求,光纤
通信的发展又一次呈现出蓬勃发展的新局面。
用玻璃纤维传光已有30多年。初期的光纤应用仅限于某些光学机械
和医疗设备(如灯光导引及胃镜等),传输的是可见光,衰减高达
1000分贝/公里。1966年,高锟首先提出用石英基玻璃纤维进行长距
离光信息传输的设想。1970年在美国用化学气相沉积法制成了高纯
石英光纤,其衰减降为20分贝/公里,从而使长距离传输成为现实。
其后,光纤的衰减迅速下降,到70年代后期已降至0.2分贝/公里的
理论极限水平。光纤的带宽不断增加,到80年代初带宽达到数百吉
赫·公里的单模光纤已可供实用。已研制成中继距离超过100公里,
容量达数百兆比/秒的光纤通信系统。光纤通信设备制造已经发展成
为一个新兴的工业部门。光纤中光波强度和相位随温度、电场、磁
场等物理量的改变而变化的特点,已被用于高灵敏度的遥测传感器
。[2]
编辑本段
基本原理
光纤传输基于可用光在两种介质界面发生全反射的原理。突变型光
纤,n1为纤芯介质的折射率,n2为包层介质的折射率,n1大于n2,进
入纤芯的光到达纤芯与包层交界面(简称芯-包界面)时的入射角大
于全反射临界角θc时,就能发生全反射而无光能量透出纤芯,入射
光就能在界面经无数次全反射向前传输。原来
当光纤弯曲时,界面法线转向,入射角度小,因此一部分光线的入
射角度变得小于θc而不能全反射。但原来入射角较大的那些光线仍
可全反射,所以光纤弯曲时光仍能传输,但将引起能量损耗。通常
,弯曲半径大于50~100毫米时,其损耗可忽略不计。微小的弯曲则
将造成严重的“微弯损耗”。
人们常用电磁波理论进一步研究光纤传输的机制,由光纤介质波导
的边界条件来求解波动方程。在光纤中传播的光包含有许多模式,
每一个模式代表一种电磁场分布,并与几何光学中描述的某一光线
相对应。光纤中存在的传导模式取决于光纤的归一化频率ν值
公式
式中NA为数值孔径,它与纤芯和包层介质的折射率有关。ɑ为纤芯半
径,λ为传输光的波长。光纤弯曲时,发生模式耦合,一部分能量
由传导模转入辐射模,传到纤芯外损耗掉。
性能:光纤的主要参数有衰减、带宽等。
编辑本段
光纤衰减
造成光纤衰减的因素有散射损耗、吸收损耗和微弯损耗等。散射损
耗主要由瑞利散射产生,它是由玻璃的不规则分子结构引起的微观
折射率波动所造成的,是光纤的固有损耗,也是光纤衰减的最低限
。它与λ4成反比。在波长小于0.8微米时,瑞利散射损耗迅速上升,
限制了光纤的使用。光纤基质材料SiO2和掺杂氧化物分子的本征吸
收损耗又使光纤的衰减,在波长大于1.7微米时,迅速增大。因此,
这类光纤的使用波长就被限制在0.8~1.7微米范围内。在这一范围
内,衰减主要是石英玻璃中所含的杂质Fe+ +、Cu+ + 等过渡金属离
子和OH-。的吸收损耗造成的。随着纯化工艺的改进,杂质吸收损耗
已被基本上消除,从而达到了瑞利散射损耗的极限。光纤的不规则
微小弯曲引起模式耦合,造成微弯损耗,因此在加工和使用中应尽量
避免光纤微弯。
编辑本段
光纤带宽
光纤传输的载波是光,虽然频带极宽,但并不能充分利用,这是由于
光在光纤中传输有色散(模间色散、材料色散和波导色散)的缘故
。它们在不同程度上影响光纤带宽。
模间色散是由于不同模式的光线在芯- 包界面上的全反射角不同,
曲折前
光纤光缆
进的路程长短不一。因而,一束光脉冲入射光纤后,它所含的各模式
经一定距离传输到达终点的时间会有先后,因而引起脉冲展宽。它
可使一束窄脉冲展宽达20纳秒/公里左右,光纤的相应带宽约为20兆
赫·公里。
材料色散是一种模内色散。光纤所传输的光即使是激光,也包含有
一定谱宽的不同波长的光分量。例如,GaAlAs半导体激光器发出的
激光谱宽约为 2纳米。光在介质中的传输速度与折射率 n有关,而
石英介质的折射率随波长变化,因此当一束光脉冲入射光纤后,即
使是同一模式,传输群速也会因光波长不同而有差异,致使到达终
点后的脉冲展宽,这就是材料色散。在1.3微米附近,折射率随波长
的变化极小,因此,材料色散很小(例如3皮秒/公里·纳米)。消除
模间色散可使光纤带宽大大提高。纯石英在1.27微米波长上具有零
色散特性。
波导色散也是一种模内色散,是由于模式传播常数随波长变化引起
群速差异而造成的。波导色散更小。在1.3微米波长附近,材料色散
显著减小,以致二者大致相同,并有可能相互抵消。 光纤的种类
按使用的材料分,有石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤
和塑料光纤等几大类。其中石英光纤以高纯SiO2玻璃作光纤材料,
具有衰减低、频带宽等优点,在研究及应用中占主要地位。如按纤
芯折射率分类主要有突变型光纤和渐变型光纤。按传输光的模式分
,有多模光纤和单模光纤。
编辑本段
光线分类
突变型
纤芯部分折射率不变,而在芯-包界面折射率突变。纤芯中光线轨迹
呈锯齿形折线。这种光纤模间色散大,带宽只有几十兆赫·公里。
常做成大芯径,大数值孔径(例如芯径为100微米,NA为0.30)光纤
,以提高与光源的耦合效率,适用于短距离、小容量的通信系统。
渐变型
纤芯折射率分布如图4。纤芯中心折射率最高,沿径向按下式渐变:
n(r)=n1【1-2墹(r/ɑ)α】1/2 (2)
式中α为折射率分布指数。可以把这种光纤的纤芯分割成多层突变
型光纤来分析
光纤光缆
其传输原理。在分析中可近似地认为各层内折射率均匀。当入射角
为θ0的光线入射纤芯后,在各层界面依次折射。按折射定律,折射
角θ1逐渐增大,直到大于全反射临界角θc;发生全反射后,即折
向纤芯中心。然后,经各层时折射角又逐渐减小,到达中心时仍为
θ0。结果光线呈正弦形轨迹。高次模即入射角较大的光线处于靠近
包层的区域,这里折射率较小,光速较大,因此虽然路程较长,传
输时间仍有可能与处于中心区的低次模接近或一致,即各模式的光
线轨迹可聚焦于一点,使模间色散大大减小。当折射率分布接近抛
物线(α=2)时,模间色散最小,带宽可达吉赫·公里的水平。
单模光纤
当光纤的归一化频率ν<2.41时,光纤中只允许单一模式(基模)传
输,就成为单模光纤。根据式(2),这种光纤芯径和数值孔径必然很
小,一般芯径只有数微米,因此连接耦合难度大。由于是单模传输,
消除了模间色散,在波长1.3微米附近材料色散又趋近于零,因此带
宽极大(可达数百吉赫·公里)。单模光纤被视为今后大容量长途
干线通信的主要传输线。
玻璃光纤
组成光纤的玻璃成分以SiO2为主,约占百分之几十,此外还含有碱
金
光纤光缆
属、碱土金属、铅硼等的氧化物。它的特点是熔点低(1400摄氏度
以下),可用传统的坩埚法拉丝,适于制做大芯径、大数值孔径光
纤。这种光纤尚处于研制阶段,故应用不多。
包层光纤
这是一种以高纯石英作纤芯、塑料(如有机硅)作包层的突变型多
模光纤。芯径和数值孔径较大,例如芯径大于200微米,NA大于0.3
。这种光纤便于连接和耦合,适于短距离小容量系统使用。
塑料光纤
光纤材料主要是特制的高透明度的有机玻璃、聚苯乙烯等塑料,可
做成突变型或渐变型多模光纤,光纤衰减已从初期的500~1000分贝
/公里降低到数十分贝/公里,但仍须进一步降低。它的特点是柔软、
加工方便、芯径和数值孔径大。
被覆光纤
裸光纤脆而易断,这是因为玻璃光纤表面总是存在随机分布的微裂
纹,在潮气、尘
光纤光缆
埃和应力作用下迅速增殖而导致破坏。在光纤拉丝的同时立即涂覆
一层塑料护层,制成一次被覆光纤,可保证光纤的高强度和长寿命
。但为了进一步提高其耐压和抗弯折等机械性能,便于成缆和使用
,往往在表面上再挤覆一层较厚的塑料层,这就是二次被覆光纤,也
称被覆光纤。它的外径一般为 1毫米左右。按照光纤在二次被覆护
层中的松动状态,还可分为松包光纤和紧包光纤两类。
编辑本段
光缆结构
按照被覆光纤在光缆中所处的状态,光缆有紧结构与松结构两类。
骨架型光缆是一种
光纤光缆
典型的松结构。光纤埋在骨架外周螺旋槽中,有活动余地。这种光
缆隔离外力和防止微弯损耗的特性较好。图2b的绞合型光缆当使用
紧包光纤时是一种典型的紧结构,被覆光纤被紧包于缆结构中,但
绞合型光缆使用松包光纤时,由于光纤在二次被覆塑料管中可以活
动,仍属松结构。绞合型光缆的成缆工艺较为简单,性能良好。此
外,还有带状光缆、单芯光缆等结构类型。
各种光缆中都有增强件,用以承载拉力。它由具有高弹性模量的高
强度材料制成,常用的有钢丝、高强度玻璃纤维和高模量合成纤维
芳纶等。增强件使光缆在使用应力下只产生极低的伸长形变(例如
小于0.5%),以保护光纤免受应力或只承受极低的应力,以防光纤断
裂。
光缆的护套结构和材料视使用环境和要求而定,与同样使用条件下
的电缆基本相同。按照光缆的使用环境分,有架空光缆、直埋光缆
、海底光缆、野战光缆等。
编辑本段
新型介绍
用于长途通信的新型大容量长距离光纤光缆
主要是一些大有效面积、低色散维护的新型G.655光纤光缆,其PMD
值极低,可以使现有传输系统的容量方便地升级至10~40Gbit/s,
并便于在光纤光缆上采用分布式拉曼效应放大,使光信号的传输距
离大大延长。
用于城域网通信的新型低水峰光纤光缆
城域网设计中须要考虑简化设备和降低成本,还须要考虑非波分复
用技能(CWDM)运用的可能性。低水峰光纤光缆在1360~1460nm的
延伸波段使带宽被大大扩展,使CWDM系统被极大地优化,增大了传
输信道、增长了传输距离。一些城域网的设计可能不仅要求光纤光
缆的水峰低,还要求光纤光缆具有负色散值,一方面可以抵消光源
光器件的正色散,另一方面可以组合运用这种负色散光纤光缆与
G.652光纤光缆或G.655标准光纤光缆,运用它来做色散补偿,从而
防止复杂的色散补偿设计,节约成本。如果将来在城域网光纤光缆
中采用拉曼放大技能,这种网络也将具有明显的优势。但是毕竟城
域网的规范还不是很成熟,所以城域网光纤光缆的规格将会随着城
域网模式的变化而不断变化。
用于局域网的新型多模光纤光缆
由于局域网和用户驻地网的高速发展,大量的综合布线系统也采用
了多模光纤光缆来代替数字电缆,因此多模光纤光缆的市场份额会
逐渐加大。之所以选用多模光纤光缆,是因为局域网传输距离较短
,虽然多模光纤光缆比单模光纤光缆价格贵50%~100%,但是它所配
套的光器件可选用发光二极管,价格则比激光管便宜很多,而且多
模光纤光缆有较大的芯径与数值孔径,容易连接与耦合,相应的连
接器、耦合器等元器件价格也低得多。ITU-T至今未接受62.5/125μ
m型多模光纤光缆标准,但由于局域网发展的须要,它仍然得到了广
泛运用。而ITU-T推选的G.651光纤光缆,即50/125μm的标准型多模
光纤光缆,其芯径较小、耦合与连接相应困难一些,虽然在部分欧
洲国家和日本有一些运用,但在北美及欧洲大多数国家很少采用。
针对这些疑问,目前有的公司已执行了改良,研制出新型的5O/125
μm光纤光缆渐变型(G1)光纤光缆,区别于传统的50/125μm光纤
光缆纤芯的梯度折射率分布,它将带宽的正态分布执行了调整,以
配合850nm和1300nm两个窗口的运用,这种改良可能会为50/125pm光
纤光缆在局域网运用找到新的市场。
前途未卜的空芯光纤光缆
据报道,美国一些公司及大学研究所正在开发一种新的空芯光纤光
缆,即光是在光纤光缆的空气够传输。从理论上讲,这种光纤光缆
没有纤芯,减小了衰耗,增长了通信距离,防止了色散导致的干扰
现象,可以支持更多的波段,并且它允许较强的光功率注入,估计
其通信能力可达到光纤光缆的100倍。欧洲和日本的一些业界人士也
十分关注这一技能的发展,越来越多的研究证明空芯光纤光缆似有
可能。如果真能实用,就能处理现有光纤光缆系统长距离传输的疑
问,并大大降低光通信的成本。但是,这种光纤光缆运用起来还会
遇到许多棘手的疑问,比如光纤光缆的稳定性、侧压性能及弯曲损
耗的增大等。因此,对于这种光纤光缆的现场运用还需做进一步的
探讨。
编辑本段
参考要点
光纤光缆的选用除了根据光缆芯数和光纤种类,还要根据光纤的使
用来选择光缆的外护套,在选用时要注意以下几点:
1.户外用光缆直埋时,宜选铠装光缆,架空时,可选用两根或多根
加强筋的黑色塑料外护套的光缆。
2.建筑物内用的光缆在选用时应该注意其阻燃,毒和烟的特性,一
般在管道中和强制通风处,可选用阻燃和有烟的类型,暴露的环境
中应选用阻燃、无烟和无毒的类型。
3楼内垂直布线时,可选用层绞是光缆;水平布线式,可选用分支光
缆。
4.传输距离在2kg以内的可选用多模光缆;超过2kg可选用中继或单
模光缆。
以上是单从应用方面考虑应该主义的几个问题,实施时候还需要灵
活掌握,其实,布线环境复杂多样,各种问题都可能随时出现,这
就需要我们在规划和施工时严格按照布线标准实施,遇到问题,灵
活分析,就会圆满解决。
单模光纤,只传输主模,也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输,
由于完全避免了模式射散使得单模光纤的传输频带很宽,因而适用
于大容量,长距离的光纤通讯,单模光纤使用的光波长1310nm或
1550nm。
多模光纤,在一定的工作波长下,有多个模式在光纤中传输,这种
光纤称之为多模光纤,由于色散或像差,因此这种光纤传输性能较
差频带比较窄,传输容量比较小,距离也比较短。
光纤光缆的选择要点
1、光缆芯数的选定
在施工方便的条件下,尽量选择盘长较大的光缆。选择光缆芯数时
,要把效益和长期规划结合起来,充分考虑扩容的可能性;根据“
建设一条线服务一大片”的指导思想,充分考虑沿途各大单位的通
信需要。
2、光缆结构程式的选择
长途干线光缆应采用波长1310nm窗口,并能在1550nm窗口使用的单
模光纤;光纤筛选张力应不小于5N(牛顿);采用无金属线对光缆
,在雷击严重或强电影响地段可采用非金属构件加强芯光缆,光缆
芯采用充油膏结构。
光缆护层结构选择的规定:架空和管道光缆(简易塑料管管道)为
防潮层+PE外护层;直埋光缆为防潮层+PE内护层+钢带铠装层+PE外
护层;水底光缆为防潮层+PE内护层+粗钢丝铠装层+PE外护层。
光缆的机械性能应符合表1.1所规定。光缆承受短期允许张力或侧压
力,在张力或侧压力解除后光纤衰减不变化,光纤延伸率不大于
0.15%;光缆在承受长期允许张力或侧压力时,光纤衰减不变化,光
缆延伸率不大于0.2%,光前没有应变。
3、水底光缆的选用
通航机动船、帆船、木筏较多的主要航运河流,应采用钢丝铠装光
缆;河水流速特别急、河道变化较大时,应采用双层钢丝铠装光缆
;河宽(两堤或自然岸间)大于150m的平原河流,宜采用钢丝铠装
光缆;有的河宽虽小于150m,但流速较大(3m/s以上)、河床土质
松散、两岸易受冲刷塌方、河底坎坷不平或为石质河床、大卵石河
床,应才用刚丝铠装的水底光缆;有的河宽虽不大于150m,但河床
土质稳定,流速很小,河道顺直又无冲刷现象,可不采用刚丝铠装
的水底光缆;山区河流,应根据河床土质、流速、流量的大小、冲
刷程度以及上游水文等情况确定。备用水底光缆的设置,综合考虑
的因素有:特大的河流;河床稳定性能很差的较大河流;有其他特
殊要求;限于自然地形和施工条件,光缆的安全程度较差或抢修很
困难。
阅读(188) | 评论(0) | 转发(0) |