光纖理論與光纖結構

第一部分光纖理論與光纖結構光及其特性：光是一種電磁波。可見光部分波長范圍是：390?760nm（毫微米）.大于760nm部分是紅外光，小于390nm部分是紫外光。光纖中應用的是：850，1300，1550三種。光的折射，反射和全反射。因光在不同物質中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質射向另一種物質時，在兩種物質的交界面處會產(chǎn)生折射和反射。而且，折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。當入射光的角度達到或超過某一角度時，折射光會消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。不同的物質對相同波長光的折射角度是不同的（即不同的物質有不同的光折射率），相同的物質對不同波長光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。光纖結構及種類：光纖結構：光纖裸纖一般分為三層：中心高折射率玻璃芯（芯徑一般為50或62.5》m）,中間為低折射率硅玻璃包層（直徑一般為125》m）,最外是加強用的樹脂涂層。數(shù)值孔徑：入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。光纖的數(shù)值孔徑大些對于光纖的對接是有利的。不同廠家生產(chǎn)的光纖的數(shù)值孔徑不同（AT&TCORNING）。光纖的種類：按光在光纖中的傳輸模式可分為：單摸光纖和多模光纖。多模光纖：中心玻璃芯教粗（50或62.5》m）,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)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如:600MB/KM的光纖在2KM時則只有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：中心玻璃芯教細（芯徑一般為9或10》m），只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。按最佳傳輸頻率窗口分：常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖。常規(guī)型：光纖生產(chǎn)長家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上，如1300》m。色散位移型：光纖生產(chǎn)長家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個波長的光上，如：1300卩m和1550|Jm。按折射率分布情況分：突變型和漸變型光纖。突變型：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的。其成本低，模間色散高。適用于短途低速通訊，如：工控。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。漸變型光纖：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高模光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。常用光纖規(guī)格：單模：8/125Jm， 9/125Jm， 10/125Jm多模：50/125Jm 歐洲標準，62.5/125Jm 美國標準。工業(yè)，醫(yī)療和低速網(wǎng)絡：100/140Jm， 200/230Jm塑料：98/1000Jm用于汽車控制。光纖制造與衰減：光纖制造：現(xiàn)在光纖制造方法主要有：管內(nèi)CVD（化學汽相沉積）法，棒內(nèi)CVD法,PCVD（等離子體化學汽相沉積）法和VAD（軸向汽相沉積）法.光纖的衰減：造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質，不均勻和對接等。本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。彎曲：光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉，造成的損耗。擠壓：光纖受到擠壓時產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。雜質：光纖內(nèi)雜質吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。對接：光纖對接時產(chǎn)生的損耗，如：不同軸（單模光纖同軸度要求小于0.8Jm）,端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質量差等。光纖的優(yōu)點：光纖的通頻帶很寬.理論可達30億兆赫茲。無中繼段長.幾十到100多公里，銅線只有幾百米。3不受電磁場和電磁輻射的影響。重量輕，體積小。例如：通2萬1千話路的900對雙絞線，其直徑為3英寸，重量8噸/KM。而通訊量為其十倍的光纜直徑為0.5英寸，重量450P/KM。光纖通訊不帶電，使用安全可用于易燃，易暴場所。使用環(huán)境溫度范圍寬?；瘜W腐蝕，使用壽命長。第二部分光纜光纜的制造：光纜的制造過程一般分以下幾個過程：光纖的篩選：選擇傳輸特性優(yōu)良和張力合格的光纖。光纖的染色：應用標準的全色譜來標識，要求高溫不退色不遷移。二次擠塑：選用高彈性模量，低線脹系數(shù)的塑料擠塑成一定尺寸的管子，將光纖納入并填入防潮防水的凝膠，最后存放幾天（不少于兩天）。光纜絞合：將數(shù)根擠塑好的光纖與加強單元絞合在一起。擠光纜外護套：在絞合的光纜外加一層護套。光纜的種類：按敷設方式分有：自承重架空光纜，管道光纜，鎧裝地埋光纜和海底光纜。按光纜結構分有：束管式光纜，層絞式光纜，緊抱式光纜，帶式光纜，非金屬光纜和可分支光纜。按用途分有：長途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內(nèi)用光纜。光纜的施工：多年來，做光纜施工使得我們已有了一套成熟的方法和經(jīng)驗。（一）光纜的戶外施工：較長距離的光纜敷設最重要的是選擇一條合適的路徑。這里不一定最短的路徑就是最好的，還要注意土地的使用權，架設的或地埋的可能性等。必須要有很完備的設計和施工圖紙，以便施工和今后檢查方便可靠。施工中要時時注意不要使光纜受到重壓或被堅硬的物體扎傷。光纜轉彎時，其轉彎半徑要大于光纜自身直徑的20倍。戶外架空光纜施工：吊線托掛架空方式，這種方式簡單便宜，我國應用最廣泛，但掛鉤加掛、整理較費時。吊線纏繞式架空方式，這種方式較穩(wěn)固，維護工作少。但需要專門的纏扎機。自承重式架空方式，對線干要求高，施工、維護難度大，造價高，國內(nèi)目前很少采用。架空時，光纜引上線干處須加導引裝置，并避免光纜拖地。光纜牽引時注意減小摩擦力。每個干上要余留一段用于伸縮的光纜。要注意光纜中金屬物體的可靠接地。特別是在山區(qū)、高電壓電網(wǎng)區(qū)和多地區(qū)一般要每公里有3個接地點，甚至選用非金屬光纜。戶外管道光纜施工：施工前應核對管道占用情況，清洗、安放塑料子管，同時放入牽引線。計算好布放長度，一定要有足夠的預留長度。詳見下表：自然彎曲增加長度（m/km）人孔內(nèi)拐彎增加長度（m/孔）接頭重疊長度（m/側）局內(nèi)預留長度（m）注5 0.5~1 8~10 15~20其它余留安設計預留一次布放長度不要太長（一般2KM）,布線時應從中間開始向兩邊牽引。布纜牽引力一般不大于120kg，而且應牽引光纜的加強心部分，并作好光纜頭部的防水加強處理。光纜引入和引出處須加順引裝置，不可直接拖地。管道光纜也要注意可靠接地。直接地埋光纜的敷設：直埋光纜溝深度要按標準進行挖掘，標準見下表：不能挖溝的地方可以架空或鉆孔預埋管道敷設。溝底應保正平緩堅固，需要時可預填一部分沙子、水泥或支撐物。敷設時可用人工或機械牽引，但要注意導向和潤滑。敷設完成后，應盡快回土覆蓋并夯實。建筑物內(nèi)光纜的敷設：垂直敷設時，應特別注意光纜的承重問題，一般每兩層要將光纜固定一次。光纜穿墻或穿樓層時，要加帶護口的保護用塑料管，并且要用阻燃的填充物將管子填滿。在建筑物內(nèi)也可以預先敷設一定量的塑料管道，待以后要敷射光纜時再用牽引或真空法布光纜。光纜的選用：光纜的選用除了根據(jù)光纖芯數(shù)和光纖種類以外，還要根據(jù)光纜的使用環(huán)境來選擇光纜的外護套。戶外用光纜直埋時，宜選用鎧裝光纜。架空時，可選用帶兩根或多根加強筋的黑色塑料外護套的光纜。建筑物內(nèi)用的光纜在選用時應注意其阻燃、毒和煙的特性。一般在管道中或強制通風處可選用阻燃但有煙的類型(Plenum),暴露的環(huán)境中應選用阻燃、無毒和無煙的類型(Riser)。3.樓內(nèi)垂直布纜時，可選用層絞式光纜(DistributionCables)；水平布線時，可選用可分支光纜(BreakoutCables)。4?傳輸距離在2km以內(nèi)的，可選擇多模光纜，超過2km可用中繼或選用單模光纜。直埋光纜埋深標準敷設地段或土質埋深(m)備注TOC\o"1-5"\h\z普通土(硬土) $1.2半石質(沙礫土、風化石) $1.0全石質$0.8 從溝底加墊10cm細土或沙土流沙 $0.8市郊、村鎮(zhèn)$1.2市內(nèi)人行道$1.0穿越鐵路、公路$1.2距道渣底或距路面溝、渠、塘$1.2農(nóng)田排水溝$0.8第三部分連接和檢測光纜的連接：方法主要有永久性連接、應急連接、活動連接。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熔化并連接在一起。一般用在長途接續(xù)、永久或半永久固定連接。其主要特點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。但連接時，需要專用設備（熔接機）和專業(yè)人員進行操作，而且連接點也需要專用容器保護起來。2.應急連接（又叫）冷熔：應急連接主要是用機械和化學的方法,將兩根光纖固定并粘接在一起。這種方法的主要特點是連接迅速可靠，連接典型衰減為0.1?0.3dB/點。但連接點長期使用會不穩(wěn)定，衰減也會大幅度增加，所以只能短時間內(nèi)應急用。3.活動連接：活動連接是利用各種光纖連接器件（插頭和插座），將站點與站點或站點與光纜連接起來的一種方法。這種方法靈活、簡單、方便、可靠，多用在建筑物內(nèi)的計算機網(wǎng)絡布線中。其典型衰減為1dB/接頭。光纖檢測：光纖檢測的主要目的是保證系統(tǒng)連接的質量，減少故障因素以及故障時找出光纖的故障點。檢測方法很多，主要分為人工簡易測量和精密儀器測量。1.人工簡易測量：這種方法一般用于快速檢測光纖的通斷和施工時用來分辨所做的光纖。它是用一個簡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)光來實現(xiàn)。這種方法雖然簡便，但它不能定量測量光纖的衰減和光纖的斷點。2.精密儀器測量：使用光功率計或光時域反射圖示儀（OTDR）對光纖進行定量測量，可測出光纖的衰減和接頭的衰減，甚至可測出光纖的斷點位置。這種測量可用來定量分析光纖網(wǎng)絡出現(xiàn)故障的原因和對光纖網(wǎng)絡產(chǎn)品進行評價。第四部分光纖的應用及系統(tǒng)設計一.光纖的應用：人類社會現(xiàn)在已發(fā)展到了信息社會，聲音、圖象和數(shù)據(jù)等信息的交流量非常大。以前的通訊手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的要求，而光纖通訊以其信息容量大、保密性好、重量輕體積小、無中繼段距離長等優(yōu)點得到廣泛應用。其應用領域遍及通訊、交通、工業(yè)、醫(yī)療、教育、航空航天和計算機等行業(yè)，并正在向更廣更深的層次發(fā)展。光及光纖的應用正給人類的生活帶來深刻的影響與變革。二.光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)設計：光纖系統(tǒng)的設計一般遵循以下步驟：1.首先弄清所要設計的是什么樣的網(wǎng)絡，其現(xiàn)狀如何，為什么要用光纖。2.根據(jù)實際情況選擇合適是光纖網(wǎng)絡設備、光纜、跳線及連接用的其它物品。選用時應以可用為基礎，然后再依據(jù)性能、價格、服務、產(chǎn)地和品牌來確定。按客戶的要求和網(wǎng)絡類型確定線路的路由，并繪制布線圖。路線較長時則需要核算系統(tǒng)的衰減余量，核算可按下面公式進行：衰減余量=發(fā)射光功率-接受靈敏度-線路衰減-連接衰減（dB）其中線路衰減=光纜長度X單位衰減；單位衰減與光纖質量有很大關系，一般單模為0.4?0.5dB/km；多模為2?4dB/km。連接衰減包括熔接衰減接頭衰減，熔接衰減與熔接手段和人員的素質有關，一般熱熔為0.01?0.3dB/點；冷熔0.1?0.3dB/點；接頭衰減與接頭的質量有很大關系，一般為ldB/點。系統(tǒng)衰減余量一般不少于4dB。核算不合格時，應視情況修改設計，然后再核算。這種情況有時可能會反復幾次。設計實例：1.北航部分校園網(wǎng)的改造：根據(jù)其情況，在已有細纜網(wǎng)的一邊使用一臺LANart的三口中繼器（雙絞線-光纖-細纜），另一邊使用一臺LANart的帶光纖主干的雙絞線HUB。中間用架空或地埋勻可的束管式4芯室外多模光纜再經(jīng)過熔接為帶ST頭的室內(nèi)跳線（因設備的光纖接口為ST型）。衰減核算：（一般多模設備在2km范圍內(nèi)不用核算，這里只做個例子）發(fā)射功率：-16dBm接收靈敏度：-29.5dBm線路衰減：1.5kmX3.5dB/km=5.25dB連接衰減：接頭2個衰減為：2點X1dB/點=2dB熔接兩個點為：2點X0.07dB/點=0.14dB衰減余量=-16dBm-（-29.5dBm）-5.25dB-0.14dB-2dB=6.11（dB）經(jīng)過上面的計算，可以看出系統(tǒng)容量大于4dB,以上選擇可以滿足要求。2.福建校園網(wǎng)：它是14座樓要用光纖連接起來，每座樓內(nèi)均要有各自的子網(wǎng)（10Mbps以太網(wǎng)），相臨每座樓之間的間距都小于2km?？紤]用FDDI雙環(huán)做主干，在每座樓中放一臺FR2100FDDI/以太網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)橋，再用6芯室外管道光纜將它們連起來。每座樓內(nèi)均采用熔接的方法，將6芯室外光纜轉接成帶三條FDDI標準的MIC頭跳線，以便連接FDDI網(wǎng)橋。這樣每座樓內(nèi)要熔接6個點，同時需要一個一進八出的光纖終端盒，14座樓總共需要21條MIC跳線，14個終端盒，84個熔接點，14段6芯室外光纜和14臺FDDI/以太網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)橋。由于樓間距都較?。ㄐ∮?km），所以一般不用核算衰減余量。四、收發(fā)器測試方法1、測試設備兩臺PC機，各裝一個10/100自適應、半/全雙工的以太網(wǎng)卡，兩臺收發(fā)器（分單/多模,10/100M）,兩根光跳線，絞接雙絞線2、安裝設置將網(wǎng)卡裝在計算機上，做好設置，如收發(fā)器是10M的，可將網(wǎng)卡一個設成自適應，一個設成10M。給收發(fā)器接上電源，應嚴格按照說明書的要求接電源。用雙絞線把計算機和收發(fā)器連接起來兩根雙絞線均應為絞接線；用光跳線把兩個收發(fā)器連接起來，如收發(fā)器為單模，跳線也應用單模的。光跳線連接時，一端接RX,另一端接TX,如此交叉連接。從指示燈的狀態(tài)來看，接上電源，電源燈（POWER）應該亮，接上雙絞線，線路燈（LINK）應該亮，接上光纖，輸入輸出光信號燈（RX、TX）應該亮。如果只有電源燈亮，說明網(wǎng)卡設置不對，查設置軟件。線路燈不亮，可能是接上了直通線（直通線用于收發(fā)器和HUB之間的連接）或未插牢，光信號燈不亮，可能是光纖接反了，隨便調(diào)換兩口即可；或是光纖接口太臟，用酒精擦干凈；或是沒接牢，重新插拔。CISCO的100MHUB使用時需設成全雙工，否則燈正常但是不通，LANCAST6318-75、6318-76有重新插拔電源后不通的現(xiàn)象，10M/100M自適應HUB（或交換機）有網(wǎng)管口，可用專用的連線和計算機連接，可通過WIN95的直接電纜連接和超級終端進行控制（由客戶自行設置）此時收發(fā)器應接通，否則是收發(fā)器有故障3、收發(fā)器指示燈狀態(tài)收發(fā)器A，收發(fā)器B接上電源：A，B電源燈亮接上光纖：A端TX接B端RX時B端前LINK燈亮接上雙絞線：后端LINK燈亮正常狀態(tài)：前后LINK燈一起亮，以下為不同故障下的指示燈狀態(tài)A收發(fā)器B收發(fā)器斷路部位光線端雙絞線端光纖端雙絞線端LINKRXLINKRXLINKR