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光纖光纜簡介
光纖光纜是一種通信電纜,由兩個或多個玻璃或塑料光纖芯組成,這些光纖芯位于保護性的覆層內(nèi),由塑料PVC外部套管覆蓋。沿內(nèi)部光纖進行的信號傳輸一般使用紅外線。
優(yōu)點
光纖通信是現(xiàn)代信息傳輸?shù)闹匾绞街弧K哂腥萘看?、中繼距離長、保密性好、不受電磁干擾和節(jié)省銅材等優(yōu)點。
原理
光纖傳輸基于可用光在兩種介質(zhì)界面發(fā)生全反射的原理。突變型光纖,n1為纖芯介質(zhì)的折射率,n2為包層介質(zhì)的折射率,n1大于n2,進入纖芯的光到達纖芯與包層交界面(簡稱芯-包界面)時的入射角大于全反射臨界角θc時,就能發(fā)生全反射而無光能量透出纖芯,入射光就能在界面經(jīng)無數(shù)次全反射向前傳輸。原來當光纖彎曲時,界面法線轉(zhuǎn)向,入射角度小,因此一部分光線的入射角度變得小于θc而不能全反射。但原來入射角較大的那些光線仍可全反射,所以光纖彎曲時光仍能傳輸,但將引起能量損耗。通常,彎曲半徑大于50~100毫米時,其損耗可忽略不計。微小的彎曲則將造成嚴重的“微彎損耗”。
人們常用電磁波理論進一步研究光纖傳輸?shù)臋C制,由光纖介質(zhì)波導的邊界條件來求解波動方程。在光纖中傳播的光包含有許多模式,每一個模式代表一種電磁場分布,并與幾何光學中描述的某一光線相對應。光纖中存在的傳導模式取決于光纖的歸一化頻率ν值
光纖衰減
造成光纖衰減的因素有散射損耗、吸收損耗和微彎損耗等。散射損耗主要由瑞利散射產(chǎn)生,它是由玻璃的不規(guī)則分子結(jié)構(gòu)引起的微觀折射率波動所造成的,是光纖的固有損耗,也是光纖衰減的最低限。它與λ4成反比。在波長小于0.8微米時,瑞利散射損耗迅速上升,限制了光纖的使用。光纖基質(zhì)材料SiO2和摻雜氧化物分子的本征吸收損耗又使光纖的衰減,在波長大于1.7微米時,迅速增大。因此,這類光纖的使用波長就被限制在0.8~1.7微米范圍內(nèi)。在這一范圍內(nèi),衰減主要是石英玻璃中所含的雜質(zhì)Fe+ +、Cu+ + 等過渡金屬離子和OH-。的吸收損耗造成的。隨著純化工藝的改進,雜質(zhì)吸收損耗已被基本上消除,從而達到了瑞利散射損耗的極限。光纖的不規(guī)則微小彎曲引起模式耦合,造成微彎損耗,因此在加工和使用中應盡量避免光纖微彎。
光纖帶寬
光纖傳輸?shù)妮d波是光,雖然頻帶極寬,但并不能充分利用,這是由于光在光纖中傳輸有色散(模間色散、材料色散和波導色散)的緣故。它們在不同程度上影響光纖帶寬。
模間色散是由于不同模式的光線在芯- 包界面上的全反射角不同,曲折前進的路程長短不一。因而,一束光脈沖入射光纖后,它所含的各模式經(jīng)一定距離傳輸?shù)竭_終點的時間會有先后,因而引起脈沖展寬。它可使一束窄脈沖展寬達20納秒/公里左右,光纖的相應帶寬約為20兆赫·公里。
材料色散是一種模內(nèi)色散。光纖所傳輸?shù)墓饧词故羌す?,也包含有一定譜寬的不同波長的光分量。例如,GaAlAs半導體激光器發(fā)出的激光譜寬約為 2納米。光在介質(zhì)中的傳輸速度與折射率 n有關(guān),而石英介質(zhì)的折射率隨波長變化,因此當一束光脈沖入射光纖后,即使是同一模式,傳輸群速也會因光波長不同而有差異,致使到達終點后的脈沖展寬,這就是材料色散。在1.3微米附近,折射率隨波長的變化極小,因此,材料色散很?。ɡ?皮秒/公里·納米)。消除模間色散可使光纖帶寬大大提高。純石英在1.27微米波長上具有零色散特性。
波導色散也是一種模內(nèi)色散,是由于模式傳播常數(shù)隨波長變化引起群速差異而造成的。波導色散更小。在1.3微米波長附近,材料色散顯著減小,以致二者大致相同,并有可能相互抵消。 光纖的種類 按使用的材料分,有石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層光纖和塑料光纖等幾大類。其中石英光纖以高純SiO2玻璃作光纖材料,具有衰減低、頻帶寬等優(yōu)點,在研究及應用中占主要地位。如按纖芯折射率分類主要有突變型光纖和漸變型光纖。按傳輸光的模式分,有多模光纖和單模光纖。
光纜結(jié)構(gòu)
按照被覆光纖在光纜中所處的狀態(tài),光纜有緊結(jié)構(gòu)與松結(jié)構(gòu)兩類。骨架型光纜是一種典型的松結(jié)構(gòu)。光纖埋在骨架外周螺旋槽中,有活動余地。這種光纜隔離外力和防止微彎損耗的特性較好。絞合型光纜當使用緊包光纖時是一種典型的緊結(jié)構(gòu),被覆光纖被緊包于纜結(jié)構(gòu)中,但絞合型光纜使用松包光纖時,由于光纖在二次被覆塑料管中可以活動,仍屬松結(jié)構(gòu)。絞合型光纜的成纜工藝較為簡單,性能良好。此外,還有帶狀光纜、單芯光纜等結(jié)構(gòu)類型。
各種光纜中都有增強件,用以承載拉力。它由具有高彈性模量的高強度材料制成,常用的有鋼絲、高強度玻璃銅絲和高模量合成銅絲芳綸等。增強件使光纜在使用應力下只產(chǎn)生極低的伸長形變(例如小于0.5%),以保護光纖免受應力或只承受極低的應力,以防光纖斷裂。
光纜的護套結(jié)構(gòu)和材料視使用環(huán)境和要求而定,與同樣使用條件下的電纜基本相同。按照光纜的使用環(huán)境分,有架空光纜、直埋光纜、海底光纜、野戰(zhàn)光纜等。
發(fā)展概況
光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要革命。人類社會的信息化建設(shè)正在加速進行,即 使是在全球經(jīng)濟發(fā)展不景氣的情況下,通信和信息行業(yè)還十分火紅。光纖通信正朝高速、超高速、超大容量的光纖傳輸及全光網(wǎng)方向發(fā)展。我國在實現(xiàn)信息化進程中,“九五”期間中國電信 完成了“八縱八橫”的光纜干線敷設(shè)。一個以光纜為主體的骨干通信網(wǎng)逐步形成。四通八達的高容量光纜干線已成為我國的“信息通道”。隨著通信事業(yè)的不斷發(fā)展,從省到市、縣甚至鄉(xiāng)鎮(zhèn)也敷設(shè) 了光纜?!肮饫w到戶”的日期越來越臨近了。近年來,隨著技術(shù)的進步,電信體制的改革以及電 信市場的逐步全面開放,更由于IP業(yè)務的爆炸式發(fā)展所帶來的帶寬的巨大需求,光纖通信的發(fā)展又一次呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的新局面。