光纤分类 - 通信人家园 - Powered by Discuz!

光纤的种类很多，分类方法也是各种各样的。
从材料角度分
　　按照制造光纤所用的材料分类，有石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤等。
　　塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。
按传输模式分
　　按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。
　　多模光纤的纤芯直径为50~62.5μm，包层外直径125μm，单模光纤的纤芯直径为8.3μm，包层外直径125μm。光纤的工作波长有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85μm的损耗为2.5dB/km,1.31μm的损耗为0.35dB/km，1.55μm的损耗为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65μm以上的损耗趋向加大。由于OHˉ的吸收作用，0.90~1.30μm和1.34~1.52μm范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31μm。
多模光纤
　　多模光纤(MultiMode Fiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，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
　　单模光纤(SingleMode Fiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，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，但还存在着材料色散和波导色散，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。后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。
最佳传输窗口为依据
　　按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。
　　常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300μm。
　　色散位移型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300μm和1550μm。
　　我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽，那么如果让单模光纤工作在1.55μm波长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗？但是实际上并不是这么简单。常规单模光纤在1.31μm处的色散比在1.55μm处色散小得多。这种光纤如工作在1.55μm波长区，虽然损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造成严重影响。因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒介。
　　为了使光纤较好地工作在1.55μm处，人们设计出一种新的光纤，叫做色散位移光纤（DSF）。这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55μm附近。这种光纤又称为1.55μm零色散单模光纤，代号为G653。
　　G653光纤是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。
　　色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。为此，人们又研制了一种非零色散位移光纤即G655光纤，将光纤的零色散点移到1.55μm 工作区以外的1.60μm以后或在1.53μm以前，但在1.55μm波长区内仍保持很低的色散。这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。
　　还有一种单模光纤是色散平坦型单模光纤。这种光纤在1.31μm到1.55μm整个波段上的色散都很平坦，接近于零。但是这种光纤的损耗难以降低，体现不出色散降低带来的优点，所以目前尚未进入实用化阶段。
按折射率分布分
　　按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。
　　阶跃型：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯，比如：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。这是研究开发较早的一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。
　　为了解决阶跃光纤存在的弊端，人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤，简称渐变光纤。
　　渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播，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。渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射，进入低折射率层中去，因此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。同样的过程不断发生，直至光在某一折射率层产生全反射，使光改变方向，朝中心较高的折射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。在这以后。和上述完全相同的过程不断重复进行，由此实现了光波的传输。可以看出，光在渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目的地，这叫做自聚焦。
按工作波长分
　　按光纤的工作波长分类，有短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。
常用光纤规格
　　单模： 8/125μm，9/125μm， 10/125μm
　　多模： 50/125μm 欧洲标准 62.5/125μm 美国标准
　　工业，医疗和低速网络： 100/140μm， 200/230μm
　　塑料光纤：98/1000μm 用于汽车控制。
光纤制造
　　目前通信中所用的光纤一般是石英光纤。石英的化学名称叫二氧化硅（SiO2），它和我们日常用来建房子所用的砂子的主要成分是相同的。但是普通的石英材料制成的光纤是不能用于通信的。通信光纤必须由纯度极高的材料组成；不过，在主体材料里掺入微量的掺杂剂，可以使纤芯和包层的折射率略有不同，这是有利于通信的。
　　制造光纤的方法很多，目前主要有：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。但不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯线。光纤的制造要求每道工序都要相当精密，由计算机控制。在制造光纤的过程中，要注意：
　　①光纤原材料的纯度必须很高。
　　②必须防止杂质污染，以及气泡混入光纤。
　　③要正确控制折射率的分布；
　　④正确控制光纤的结构尺寸；
　　⑤尽量减小光纤表面的伤痕损害，提高光纤机械强度。
光缆的优点
　　光导纤维是一种传输光束的细微而柔韧的媒质。光导纤维电缆由一捆光纤组成,简称为光缆。光缆是数据传输中最有效的一种传输介质，它的优点和光纤的优点类似，主要有以下几个方面：
　　(1)频带较宽。
　　(2)电磁绝缘性能好。光纤电缆中传输的是光束，由于光束不受外界电磁干扰与影响，而且本身也不向外辐射信号，因此它适用于长距离的信息传输以及要求高度安全的场合。当然，抽头困难是它固有的难题，因为割开的光缆需要再生和重发信号。
　　(3)衰减较小。可以说在较长距离和范围内信号是一个常数。
　　(4)中继器的间隔较大，因此可以减少整个通道中继器的数目，可降低成本。根据贝尔实验室的测试，当数据的传输速率为420Mbps且距离为119公里无中继器时，其误码率为,传输质量很好。而同轴电缆和双绞线每隔几千米就需要接一个中继器。
如何安装
　　在使用光缆互联多个小型机的应用中，必须考虑光纤的单向特性，如果要进行双向通信，那么就应使用双股光纤。由于要对不同频率的光进行多路传输和多路选择，因此在通信器件市场上又出现了光学多路转换器。
　　在普通计算机网络中安装光缆是从用户设备开始的。因为光缆只能单向传输。为了实现双向通信，光缆就必需成对出现，一个用于输入，一个用于输出。光缆两端接光学接口器。
　　安装光缆需格外谨慎。连接每条光缆时都要磨光端头，通过电烧烤或化学环氯工艺与光学接口连在一起，确保光通道不被阻塞。光纤不能拉得太紧，也不能形成直角。
常用光缆
　　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。常用的光缆有：
　　·8.3μm 芯、125μm外层、单模。
　　·62.5μm 芯、125μm外层、多模。
　　·50μm芯、125μm外层、多模。
　　·100μm芯、140μm外层、多模。
敷设方式
　　通信光缆自70年代开始应用以来，现在已经发展成为长途干线、市内电话中继、水底和海底通信以及局域网、专用网等有线传输的骨干，并且已开始向用户接入网发展，由光纤到路边（FTTC）、光纤到大楼（FTTB）等向光纤到户（FTTH）发展。针对各种应用和环境条件等，通信光缆有架空、直埋、管道、水底、室内等敷设方式。
架空光缆
　　架空光缆是架挂在电杆上使用的光缆。这种敷设方式可以利用原有的架空明线杆路，节省建设费用、缩短建设周期。架空光缆挂设在电杆上，要求能适应各种自然环境。架空光缆易受台风、冰凌、洪水等自然灾害的威胁，也容易受到外力影响和本身机械强度减弱等影响，因此架空光缆的故障率高于直埋和管道式的光纤光缆。一般用于长途二级或二级以下的线路，适用于专用网光缆线路或某些局部特殊地段。
　　架空光缆的敷设方法有两种：
1. 吊线式：先用吊线紧固在电杆上，然后用挂钩将光缆悬挂在吊线上，光缆的负荷由吊线承载。
2. 自承式：用一种自承式结构的光缆，光缆呈“8”字型，上部为自承线，光缆的负荷由自承线承载。
直埋光缆
　　这种光缆外部有钢带或钢丝的铠装，直接埋设在地下，要求有抵抗外界机械损伤的性能和防止土壤腐蚀的性能。要根据不同的使用环境和条件选用不同的护层结构，例如在有虫鼠害的地区，要选用有防虫鼠咬啮的护层的光缆。
　　根据土质和环境的不同，光缆埋入地下的深度一般在0.8m至1.2m之间。在敷设时，还必须注意保持光纤应变要在允许的限度内。
管道光缆
　　管道敷设一般是在城市地区，管道敷设的环境比较好，因此对光缆护层没有特殊要求，无需铠装。
　　管道敷设前必须选下敷设段的长度和接续点的位置。敷设时可以采用机械旁引或人工牵引。一次牵引的牵引力不要超过光缆的允许张力。
　　制作管道的材料可根据地理选用混凝土、石棉水泥、钢管、塑料管等。
水底光缆
　　水底光缆是敷设于水底穿越河流、湖泊和滩岸等处的光缆。这种光缆的敷设环境比管道敷设、直埋敷设的条件差得多。水底光缆必须采用钢丝或钢带铠装的结构，护层的结构要根据河流的水文地质情况综合考虑。例如在石质土壤、冲刷性强的季节性河床，光缆遭受磨损、拉力大的情况，不仅需要粗钢丝做铠装，甚至要用双层的铠装。施工的方法也要根据河宽、水深、流速、河床、流速、河床土质等情况进行选定。
　　水底光缆的敷设环境条件比直埋光缆严竣得多，修复故障的技术和措施也困难得多，所以对水度光缆的可靠性要求也比直埋光缆高。
　　海底光缆也是水底电缆，但是敷设环境条件比一般水底光缆更加严竣，要求更高，对海底光缆系统及其元器件的使用寿命要求在25年以上。

海底光缆：结构与发展
　　1988年，在美国与英国、法国之间敷设了越洋的海底光缆（TAT-8）系统，全长6700公里。这条光缆含有3对光纤，每对的传输速率为280Mb／s，中继站距离为67公里。这是第一条跨越大西洋的通信海底光缆，标志着海底光缆时代的到来。1989年，跨越太平洋的海底光缆（全长13200公里）也建设成功，从此，海底光缆就在跨越海洋的洲际海缆领域取代了同轴电缆，远洋洲际间不再敷设海底电缆。
　　光纤的传输容量大，中继站间的距离长，适用于海底长距离的通信。用于海底光缆的光纤比陆地光缆所用的光纤有更高的要求；要求低损耗、高强度、制造长度长，光缆的中继距离长，一般都在50公里以上，在光纤的传输性能方面要求在25年以内不会变化。在海底光缆的结构方面：要求能经受强大的压力和拉力，特别是深海光缆（敷设在水深1000米以上海底的光缆），在敷设和维修作业中除了光缆本身的重量外，还要加上海浪加到光缆上的动态应力，在如此大的负荷条件下，光缆的应变要限制在0.7～0.8％之内；海底光缆的结构要求坚固、材料轻，但不能用轻金属铝，因为铝和海水会发生电化学反应而产生氢气，氢分子会扩散到光纤的玻璃材料中，使光纤的损耗变大。因此海底光缆既要防止内部产生氢气，同时还要防止氢气从外部渗入光缆。为此，在90年代初期，研制开发出一种涂碳或涂钛层的光纤，能阻止氢的渗透和防止化学腐蚀。光纤接头也要求是高强度的，要求接续保持原有光纤的强度和原有光纤的表面不受损伤。
　　按照上述要求和特点，海底光缆的基本结构是将经过一次或两次涂层处理后的光纤螺旋地绕包在中心加强构件（用钢丝制成）的周围。光纤设在螺旋形的U形槽塑料骨架中，槽内填满油膏或弹性塑料体形成纤芯。纤芯周围用高强度的钢丝绕包，在绕包过程中要把所有缝隙都用防水材料填满，再在钢丝周围绕包一层铜带并焊接搭缝，使钢丝和铜管形成一个抗压和抗拉的联合体，这个铜管还是传送远供电流的导体。在钢丝和铜管的外面还要再加一层聚乙烯护套。这样严密多层的结构是为了保护光纤、防止断裂以及防止海水的侵入，同时也是为了在敷设和回收修理时可以承受巨大的张力和压力。
　　即使是如此严密的防护，在80年代末还是发现过深海光缆的聚乙烯绝缘体被鲨鱼咬坏造成供电故障的实例。海缆系统的远程供电十分重要，海底电缆沿线的中继器，要靠登陆局远程供电工作。海底光缆用的数字中继器功能多，比海底电缆的模拟中继器的用电量要大好几倍，供电要求有很高的可靠性，不能中断。因此在有鲨鱼出没的地区，在海底光缆的外面还要加上钢带绕包两层和再加一层聚乙烯外护套。
　　进入90年代，海底光缆已经和卫星通信成为当代洲际通信的主要手段。我国自1989年开始到1998年底已经先后参与了18条国际海底光缆的建设与投资。其中第一个在中国登陆的国际海底光缆系统是1993年12月建成的中国——日本（C-J）海底光缆系统。1996年2月中韩海底光缆建成开通，分别在我国青岛和韩国泰安登陆，全长549公里；1997年11月，我国参与建设的全球海底光缆系统（FLAG）建成并投入运营，这是第一条在我国登陆的洲际光缆系统，分别在英国、埃及、印度、泰国、日本等12个国家和地区登陆，全长27000多公里，其中中国段为622公里；由中国电信和新加坡等地的电信公司共同发起的亚欧海底光缆系统，延伸段正在建设，该系统连接亚洲、欧洲和大洋洲，在33个国家和地区登陆，全长达38000公里，是世界上最长的海底光缆，采用先进的8波长波分复用技术，主干路由的设计容量高达40Gb／s，将在我国上海、汕头两地登陆，预计1999年底建成开通。
　　海底光缆承担的洲际通信业务量逐年上升，已经超过了卫星通信的业务量，成为现代洲际通信的主力。
最细的光纤
　　英国巴斯大学的物理学家们研究出世界上最细的用于通讯的光缆。每根光缆长为10公里，每个结仅有0.00000001毫米粗。
塑料光纤
　　很早以前人们就考虑过用塑料来制造光纤，但是由于塑料光纤的衰减太大、带宽太窄而没有考虑用于通信。近年来，通过日本、美国和欧洲一些国家的研究开发，降低了塑料光纤的衰减、增大了带宽，使它用于短距离的接入网成为可能。
　　塑料光纤最主要的优点是成本低、易于加工、重量轻、可挠性好、芯径和数值孔径都比较大，耦合效率较高，对施工和维护都比较方便。目前，塑料光纤大都用在短波长，GI结构。据报道，日本和美国研制出的塑料光纤在100m上可以达到吉比特级。目前其市场正逐步上升，年增长率约为20％，这很值得注意。
神鹰之目――导弹制导
　　用光纤制导导弹有些人可能迷惑不解。光纤细如蛛丝，高速飞行的导弹会不会拉断光纤呢？这的确是光纤制导中的一个关键问题。一般市场上出售的光纤的抗拉强度，远不能满足光纤制导的要求。而光纤制导用的光纤，是经过特殊加工的。这种光纤的外径只有300微米左右，可承受巨大的拉力，足以满足光纤制导的要求。
　　光纤制导就如同放风筝一样，制导导弹可从车辆和直升飞机上发射。操纵人员通过屏幕显示器观察导弹寻的器传来的信号，有如随同导弹一起飞向目标，当然其命中精度要高得多。导弹向前飞行时，从弹体内拉出一根细光纤。操纵手通过这根光纤向导弹发出控制指令。导弹就如同长“眼睛”一样盯住目标，直到击中为止。那么，光纤制导的导弹为什么能跟踪目标呢？原来这种导弹除了装有发动机、战斗部分和控制系统外，还在导弹头部安装“成像式寻的器”，如电视摄像机、红外线成像传感器等。它们起到眼睛的作用。实际上，导弹并不是瞄准目标发射，而是垂直发射的。当导弹飞到一定高度，寻的器“看”到地面情况，先将地物反射的光变换成电信号，再把电信号转变成一定波长的光信号，通过光纤下行传回发射装置，并在显示器上显示出图像来。操纵手根据显示的图像选择目标，发出指令并通过光纤上传送给导弹，将导弹导引到目标上。
　　这根纤细的光纤在导弹和发射装置之间，起着双向传输光信号的作用。那么，上行和下行的光信号能否产生干扰呢？如果上行和下行的光信号采用同一波长的光，肯定会产生干扰的。但是光纤制导的下行光信号是镓铝砷激光器发出的波长为850纳米的红外激光，而上行光信号是铟镓砷磷发光二级管发射的波长为1.06微米的红外光，由于这两束光的波长不同，所以在光纤中传播不会产生互相干扰，并且可以通过光纤两端的双向耦合器把两者分开。
　　光纤制导技术，由于光信号在光纤中传播，所以不受大气的影响，抗干扰的能力强，精度也高，由于光纤制导使用单根光纤，而红外有线制导使用两根导线，所以又具有体积小、重量轻的特点。这些优点使光纤制导具有广阔的发展前景。
白衣天使的新搭档
　　光纤在医学上的应用自然首推胃镜了。
　　自1869年德国医生库什莫尔（Kussmaul）首先制成第一台胃镜以来，胃镜经历了100多年的历史。由硬式而至半曲，由金属而至光学纤维胃镜。纤维胃镜的普及确定是30年来胃肠病学领域划时代的进展，纤细而可屈的镜身，灵活的操纵部，日益变广的视角，越来越大的弯曲度使食道、胃、十二指肠粘膜在胃镜视野内暴露无遗，从而使消化科医师对胃粘膜病变识别有如皮肤科医师对皮损的观察，清晰、形象而逼真，胃镜检查等于给医生装上了可深入病人体内的“望远镜”。对于一个熟练的操作者，也不再存在盲区。因此，胃镜对临床诊断及随访观察都提供了最佳的工具。加上闭路电视及录像装置的配备，使图像再现十分方便，使用胃镜可以准确而高效地诊断各种食道、胃、十二指肠疾病。