光纤的基本知识及应用.ppt

一 光纤的基本知识及应用 1 光纤理论与光纤结构 光及其特性 光的折射 反射和全反射因光在不同物质中的传播速度是不同的 所以光从一种物质射向另一种物质时 在两种物质的交界面处会产生折射和反射 而且 折射光的角度会随入射光的角度变化而变化 当入射光的角度达到或超过某一角度时 折射光会消失 入射光全部被反射回来 这就是光的全反射 不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的 即不同的物质有不同的光折射率 相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同 光纤通讯就是基于以上原理而形成的 2 光纤结构及种类 光纤结构 光纤裸纤一般分为三层 中心高折射率玻璃芯 芯径一般为50或62 5 m 中间为低折射率硅玻璃包层 直径一般为125 m 最外是加强用的树脂涂层 光纤的种类 A 按光在光纤中的传输模式可分为 单摸光纤和多模光纤 多模光纤 中心玻璃芯较粗 50或62 5 m 可传多种模式的光 但其模间色散较大 这就限制了传输数字信号的频率 而且随距离的增加会更加严重 例如 600MB KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了 因此 多模光纤传输的距离就比较近 一般只有几公里 单模光纤 中心玻璃芯较细 芯径一般为9或10 m 只能传一种模式的光 因此 其模间色散很小 适用于远程通讯 但其色度色散起主要作用 这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求 即谱宽要窄 稳定性要好 B 按折射率分布情况分 突变型和渐变型光纤 突变型 光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的 其成本低 模间色散高 适用于短途低速通讯 如 工控 但单模光纤由于模间色散很小 所以单模光纤都采用突变型 渐变型光纤 光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小 可使高模光按正弦形式传播 这能减少模间色散 提高光纤带宽 增加传输距离 但成本较高 现在的多模光纤多为渐变型光纤 3 常用光纤规格 单模 8 125 m 9 125 m 10 125 m多模 50 125 m 欧洲标准62 5 125 m 美国标准医疗等低速网络 100 140 m 200 230 m塑料 98 1000 m 用于汽车控制 4 光纤制造与衰减 A 光纤制造 现在光纤制造方法主要有 管内CVD 化学汽相沉积 法 棒内CVD法 PCVD 等离子体化学汽相沉积 法和VAD 轴向汽相沉积 法 B 光纤的衰减 造成光纤衰减的主要因素有 本征 弯曲 挤压 杂质 不均匀和对接等 本征 是光纤的固有损耗 包括 瑞利散射 固有吸收等 弯曲 光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉 造成的损耗 挤压 光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗 杂质 光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光 造成的损失 不均匀 光纤材料的折射率不均匀造成的损耗 对接 光纤对接时产生的损耗 如 不同轴 单模光纤同轴度要求小于0 8 m 端面与轴心不垂直 端面不平 对接心径不匹配和熔接质量差等 5 光纤通信的优点 通信容量大中继距离长保密性能好资源丰富光纤重量轻 体积小 通信容量大 从理论上讲 一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路 虽然目前远远未达到如此高的传输容量 但用一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功 它比传统的明线 同轴电缆 微波等要高出几十乃至上千倍以上 一根光纤的传输容量如此巨大 而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤 如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根 几十根光纤使用 其通信容量之大就更加惊人了 中继距离长 由于光纤具有极低的衰耗系数 目前商用化石英光纤已达0 19dB km以下 若配以适当的光发送与光接收设备 可使其中继距离达数百公里以上 这是传统的电缆 1 5km 微波 50km 等根本无法与之相比拟的 因此光纤通信特别适用于长途一 二级干线通信 用一根光纤同时传输24万个话路 100公里无中继的试验已经取得成功 此外 已在进行的光孤子通信试验 已达到传输120万个话路 6000公里无中继的水平 因此 在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的 保密性能好光波在光纤中传输时只在其芯区进行 基本上没有光 泄露 出去 因此其保密性能极好 资源丰富制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即石英 而石英在大自然界中几乎是取之不尽 用之不竭的 因此其潜在价格是十分低廉的 光纤重量轻 体积小 光缆的敷设方式方便灵活 既可以直埋 管道敷设 又可以水底和架空 6 光纤的应用 人类社会现在已发展到了信息社会 声音 图象和数据等信息的交流量非常大 以前的通讯手段已经不能满足现在的要求 而光纤通讯以其信息容量大 保密性好 重量轻体积小 无中继段距离长等优点得到广泛应用 其应用领域遍及通讯 交通 工业 医疗 教育 航空航天和计算机等行业 并正在向更广更深的层次发展 7 连接和检测 A 光缆的连接 方法主要有永久性连接 应急连接 活动连接 a 永久性光纤连接 又叫热熔 这种连接是用放电的方法将连根光纤的连接点熔化并连接在一起 一般用在长途接续 永久或半永久固定连接 其主要特点是连接衰减在所有的连接方法中最低 典型值为0 01 0 03dB 点 但连接时 需要专用设备 熔接机 和专业人员进行操作 而且连接点也需要专用容器保护起来 b 应急连接 又叫 冷熔 应急连接主要是用机械和化学的方法 将两根光纤固定并粘接在一起 这种方法的主要特点是连接迅速可靠 连接典型衰减为0 1 0 3dB 点 但连接点长期使用会不稳定 衰减也会大幅度增加 所以只能短时间内应急用 c 活动连接 活动连接是利用各种光纤连接器件 插头和插座 将站点与站点或站点与光缆连接起来的一种方法 这种方法灵活 简单 方便 可靠 多用在建筑物内的计算机网络布线中 其典型衰减为1dB 接头 B 光纤检测 光纤检测的主要目的是保证系统连接的质量 减少故障因素以及故障时找出光纤的故障点 检测方法很多 主要分为人工简易测量和精密仪器测量 a 人工简易测量 这种方法一般用于快速检测光纤的通断和施工时用来分辨所做的光纤 它是用一个简易光源从光纤的一端打入可见光 从另一端观察哪一根发光来实现 这种方法虽然简便 但它不能定量测量光纤的衰减和光纤的断点 b 精密仪器测量 使用光功率计或光时域反射仪 OTDR 对光纤进行定量测量 可测出光纤的衰减和接头的衰减 还可测出光纤的断点位置 这种测量可用来定量分析光纤网络出现故障的原因和对光纤网络产品进行评价 8 光纤跳线头的分类 光纤接口光纤接口是用来连接光纤线缆的物理接口 通常有SC ST LC FC等几种类型 对于10Base F连接来说 连接器通常是ST类型 另一端FC连的是光纤步线架 FC是FerruleConnector的缩写 其外部加强方式是采用金属套 紧固方式为螺丝扣 ST接口通常用于10Base F SC接口通常用于100Base FX和GBIC LC通常用于SFP LC FC FC LC LC LC LC LC SC FC SC FC SC LC SC LC LC SC SC SC SC SC SC ST ST SC ST ST ST ST ST LC LC ST ST SC 二 光缆的结构特点 种类及型号的命名方法 一 光缆结构的特点光缆的结构与电缆大致相同 但由于光纤材料的性质和传光特性 所以其结构与电缆又有不同之处 其特点如下 1 光缆中有加强件 抗张力元件 因光纤横截面积小 抗拉强度不高 抗张比较小 只能承受400 600g的拉力 为了便于施工 光缆中加有能承受较大张力的加强芯或抗张件 此抗张件一般用钢绞线或尼龙材料制成 可置于缆的中心或缆的外护层中 2 光缆有防止因温度变化而引起光缆传输特性变化的措施 因光纤是玻璃材料 其热胀冷缩系数要比光缆中其它材料要小 光纤的膨胀系数基本上接近于零 为5 10 7 OC 当环境温度下降时 光缆其它材料缩短 而光纤基本上不缩短故将出现弯曲 则光纤的弯曲值将增大 这种情况下摄氏零度以下很明显 另外 光纤在某点受横向压力时 也可能出现微弯曲而增大衰减值 3 光缆有防潮措施 这对具有长波长窗口的光纤非常重要 因为系统内部受潮后 在1 31 m波长处的衰减值将增大 防潮的方法有防水软膏 防水带 粉 和充气维护法 采用防水软膏时 防水效果较好 但连接时防水软膏的清除比较困难 采用防水带 粉 时 利用了防水带 粉 遇水膨胀的原理 防水效果较好 也不存在连接时防水材料清除困难的问题 采用充气维护法时 因光缆结构紧密气阻较大 故此种光缆内应有充气导管 目前已很少采用 二 光缆结构举例 由缆芯 加强元件和外护套组成层绞式 骨架式 束管式 带状式 层绞式光缆类似于传统的电缆结构方式 故又称之为古典式光缆 这种结构的光缆可采用电缆制造中已经成熟的加工方法和机械设备 在光纤通信发展的前期较普遍采用 它属于中心加强构件配置方式 中心加强构件采用塑料被覆的多股结合或实心钢丝和纤维增强塑料两种加强构件 纤维增强塑料其强度能满足光缆的要求 用于无金属光缆 层绞式结构光缆是由紧套或松套光纤在中心加强构件周围 用色带方式固定 然后根据管道 架空 直埋等不同要求选择外护套 直埋光缆还要增加皱绞钢带或钢丝铠装层 1 层绞式结构光缆 骨架式光缆是把光纤放置在塑料骨架的槽中 骨架的材料一般是低密度聚乙烯 加强芯为多股细钢丝或增强型塑料 现阶段骨架式光缆应用很普遍 这主要是由其自身的特点决定的 1 骨架结构对光纤有良好的保护性能 抗侧压强度好 对施工尤其是管道布放有利 2 它可以用一次涂覆光纤直接放置于骨架槽内 省去二次涂覆过程 但实际光缆用松套光纤有利于光缆连接 3 每个槽中可放1 4根一次涂覆光纤 这样根据光纤基本骨架可以组成不同光纤数量和性能的光缆 制造方便 2 骨架式结构光缆 从对光纤的保护方面来讲 束管式结构光缆是最合理的 光纤放在中间束管内 束管式光缆具有强度好 尤其耐侧压 能防止恶劣环境和可能出现的野蛮作业的影响 由于束管式结构的光纤与加强芯分开 因而提高了网络传输的稳定可靠性 同时束管式结构 由于直接将一次涂覆光纤放置于束管中 所以光缆的光纤数量灵活 3 束管式结构光缆 带状式结构光缆是先经过一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带 然后将几层光纤带放在一起构成光缆芯 它的优点是可容纳大量的光纤 一般在100芯以上 作为用户光缆可满足需要 同时带状光缆每个单元的接续可以一次完成 以适应大量光纤接续 安装的需要 4 带状式结构光缆 三 光缆的种类1 根据传输性能 距离和用途 光缆可分为市话光缆 长途光缆 海底光缆和用户光缆 2 按光纤种类 光缆可以分为多模光缆 单模光缆 按光纤套塑方法 光缆可分紧套光缆 松套光缆 束管式新型光缆和带状多芯单元光缆 2 按光纤芯数多少 光缆可以分为单芯光缆 双芯光缆 多芯光缆 4 按加强物件配置方法 光缆可以分为中心加强物件光缆 如层绞光缆 骨架光缆等 分散加强物件光缆 如束管式结构 护层加强物件光缆 5 按敷设方式 光缆可分为管道光缆 直埋光缆 架空光缆和水底光缆 6 按护层材料性质 光缆可分为普通光缆 阻燃光缆和防蚁防鼠光缆 7 按结构方式 光缆可分为扁平结构光缆 层绞结构光缆 铠装结构光缆和高密度用户光缆等 8 目前通信用光缆可分为 1 野外光缆 用于室外直埋 管道 槽道 隧道 架空及水下敷设光缆 2 软光缆 具有优良的曲挠性能的可移动光缆 3 局内光缆 用于室内布放的光缆 4 设备内光缆 用于设备内布放的光缆 5 海底光缆 用于跨越海洋敷设的光缆 6 特种光缆 除以上几类外 用作特殊用途的光缆 四 光缆型号的命名方法 一 光缆型号的构成光缆型号是由光缆的型式代号和光纤的规格代号两部分构成的 两者用一短横划线分开 二 光缆的型式光缆型式由五个部分构成 如下所示 各部分均用代号表示 1 分类的代号分类的代号有GY GJ GH GR GS GT 它们分别表示 GY 通信用室 野 外光缆 GR 通信用软光缆 GJ 通信用室 局 内光缆 GS 通信用设备内光缆 GH 通信用海底光缆 GT 通信用特殊光缆 2 加强构件的代号加强构件的代号有F G H和无符号4种 它们分别表示 无符号 金属加强构件 F 非金属加强构件 G 金属重型加强构件 H 非金属重型加强构件 3 派生特征的代号派生特征的代号有B Z T三种 它们分别表示 B 扁平形状 Z 自承式结构 T 填充式结构 注 当光缆型式兼有不同派生特征