光纤知识及敷设标准

概述所谓光通信就是利用光波载送信息的通信.在载波技术方面,电磁波的通信已广泛应用于广播,电视等领域,本世纪末,随着数字技术的进步,出现了移动通信等数字无线电波技术.在另一方面,光波作为一种波长很短的无线电波,同样也得到技术突破,目前已成为新一代的有线通信载波.光通信技术的进步,推动了整个信息产业的飞速发展.光纤发展概况1960年,梅曼(T.H.Maiman)发明了红宝石激光器,产生了单色相干光,实现了高速的光调制.美国林肯实验室首先研制出利用氦氖激光器通过大气传输彩色电视,利用大气传输光信号具有以下的缺点:气候严重影响通信,如雾天;大气的密度不均匀,传输不稳定;传输设备之间要求没有阻隔利用大气传输光波的思想实际上是电磁波传输的技术,光波实质上是频率极高的电磁波(3×1014Hz),其通信的容量比一般的电磁波大万倍以上,如果光通信能够实现,它将具有划时代的意义.早期,为了避免大气对光传输的干扰,研制了透镜光波导的技术,利用管子进行光传输,在一定距离上设置聚焦透镜,汇聚散射光和诱导光转折,但振动和温度又严重影响了光传输.这种思想,被后来采用直至成功研制成光导纤维.1966年,英籍华人高锟(C.K.Kao)和Hockham实验证明利用玻璃可以制作光导纤维(Optic Fiber).但当时的玻璃衰减达1000dB/km,无法用于传输,后经过美国贝尔实验室主席Ian Ross,英国电信研究所(BTRL,BPO)和美国康宁玻璃公司(CORNING)的Maurer等合作,于1970年首先研制成功衰减为20 dB/km的光纤,取得重大突破.之后,各发达国家纷纷开展光纤通信研究,出现了多组成份玻璃光纤,塑料光纤,液芯光纤等,其中利用介质全反射原理导光的石英光纤被广泛采用.石英光纤衰减小,性能高,强度大要实现长距离的光纤通信,必须减少光纤的衰减.高锟指出降低玻璃内过度金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素,1974年,光纤衰减降低到2 dB/km.1976年通过研究发现降低玻璃内的OH离子含量就出现地衰减的长波长双窗口:1.3μm和1.55μm.在1980年,1.55μm波长光纤衰减达到0.2 dB/km,接近理论值.80年代中,又发现水分和潮气长期接触光纤会扩散到石英光纤内,从而使光纤衰减增大且强度降低.于是采用注入油膏于光纤套管中隔绝水气,制成品质完善的光缆用于工程.要实现大容量的通信,要求光纤有很宽的带宽.单模(SM:Single Mode)光纤的带宽最宽,是理想的传输介质.但是单模光纤纤芯很细,70年代工艺无法做到,因此,多模(MM:Multi Mode)光纤较早应用,光在多模光纤里各模式间存在光程差,造成输出的光信号带宽不宽.1976年日本研制成渐变型(又称自聚焦型,SELFCO)光纤,光纤的带宽达到KHz/km数量级.80年代,单模光纤研制成功,带宽增大到10 KHz/km,这一成就使大容量光通信成为可能,80年代中,零色散波长为1.55μm的光纤研制成功,光纤通信实现长距离超大容量传输.70年代,光纤的低衰减窗口在近红外区0.85μm的短光波,光源采用GaAlAs(镓铝砷)注入式半导体激光器(LD:Laser Diode)),但是寿命很短.直到研制成功可连续运行的GaAlAs双异质结注入式激光器(Hayashi等),同时也发展了GaAlAs发光二极管(LED:Burrus),LED寿命长,价格低,但谱线宽,速率低,功率笑,属于非相干光源.80年代,研究出了InGaAsP(铟镓砷磷)长波长激光器和LED,现已广泛应用.光检测器是光接收的主要器件,用于将光信号转变为电信号.主要有用于短波长的Si-PIN管和Si-APD雪崩光电二极管以及适用于长波长的InGaAs/InP的PIN管和APD管,还有Ge-APD 管.由于工程上的需要,各式各样的光无源器件和光仪表也相应出现.如:光活动连接器,光衰减器,光纤熔接机和光时域反射测试仪等.光纤通信1976年,美国首先在亚特兰大建成距离为10公里,码率为44Mbit/s的光纤通信系统,80年代,许多国家都建成商用的通信系统.在此中,发现利用激光器和多模光纤,当光纤机械振动则接收的光信号随机起伏,出现所谓"模式噪声",因此,用单模光纤的传输介质和激光器光源成为光纤通信的基本方式,80年代中,还发现FP型激光器不能维持单谱线相干性,使输出信号中带有"模分配噪声",从而使光纤的容量和传输距离受到限制,之后研究出动态单纵模激光器解决了此问题,如:分布反馈(DFB)激光器和更优良的量子阱激光器.这些技术的解决,使超过100km已上无中继,容量到达Gbit/s的光通信成为现实.目前,全世界广泛应用光纤通信网络,光纤用量超过2000万km,建成了横跨太平洋,大西洋的海底光缆线路,见图1-2,国际上565Mbit/s高速光纤通信系统(可传送7680路双向电话)已广泛使用,2.4Gbit/s超高速系统也付诸商用.70年代初,我国已开始光纤技术的研究.70年代末,制造出衰减为4dB/km,1.3μm波长的光纤,并能制造0.85μm的LED和LD以及Si-APD雪崩光电二极管,实验系统码率为8Mbit/s.80年代初,开始研制长波长多模光纤,长波长激光器和PIN-FET光电检测组件.82年在武汉建立了13多公里的短波长,长波长实用市内线路,码率为8Mbit/s和34 Mbit/s.80年代末,研制出单模光纤和140Mbit/s系统,88年在武汉建立了单模架空线路,距离为35公里.1991年在合肥和芜湖间建成单模直埋线路,全长150km,从水下跨越长江.现在,国内已广泛使用光纤通信,至今已敷设近60000km光缆.如北京-武汉-广州,北京-沈阳-哈尔滨国家干线光缆等,如图1-3所示.我国幅员广阔,光纤通信在不同的地理,气候环境中使用,在北方要求耐-40℃低温,在南方的架空光缆要抗台风与雷击,在西北沙漠地带,直埋光缆要防风沙的袭击,在华东经济发达地区,如在上海等建成了565Mbit/s的高速系统,在华中地区如武汉,则建成了跨长江的水下线路.我国现已有了一定规模的光纤通信产业,能生产光纤,光缆,光电器件,光端机和光仪表,国产光纤衰减能达到0.38 dB/km(1.3μm),其产量包括合资生产年约100000km,如侯马光缆厂,武汉长飞,成都西门子等.我国能生产少数国家才能生产的长波长激光器,PIN-FET和nGaAs/InP-PAD组件,寿命可达200000小时,满足商用要求.国产光端机的传输码率达到140Mbit/s,565Mbit/s(PDH系统),90年代随着SDH技术的发展,又相继推出了155Mbit/s,622Mbit/s甚至2.4Gbit/s的超高速系统,如"巨大中华"(巨龙,大唐,中兴和华为)等民族企业,其生产的光端机广泛应用于国家一级干线,二级干线(省级),本地网和市话网.随着接入网络(AN)技术的成熟,我国光纤通信技术将会更快速地发展.未来光纤接入网络到90年代,通信技术高速发展,移动通信,卫星传输和光纤通信,将通信演变为高速,大容量,数字化和综合的多媒体业务.在ITU-T的推动下,光纤通信的各种标准纷纷制定,如PDH,SDH,DWDM,AN和B-ISDN等.因此,美国首先提出建立国家信息高速公路的构想:国家信息基础建设(NII),之后各国纷纷制定计划,并推出全球的信息技术建设计划(GII).70年代,光纤网络主要用于市内等大容量业务区,80年代向市外长途干线发展,到90年代逐步向用户方向延伸,即所谓光纤道路边(FTTC),光纤到大楼(FTTB)直到光纤到家庭(FTTH).目前也有采用电缆到家庭(如:CABLE MODEM和ADSL技术)的经济方式,但也可实现光纤到公寓(FTTA),见图1-4.FTTA,B,C构成未来的光纤接入网络,用户可以采用BRI(2B+D)的ISDN设备实现电话,传真,数据和计算机等通信,利用PRI(30B+D)的B-ISDN设备则可以完成除Hi-Fi和TV外的所有业务包含在内,预计到2020年,交换中心局到远端模块带宽达到2.4Gbit/s,远端模块带宽到用户间带宽达到622Mbit/s后,电视信号由MPEG-1的34Mbit/s压缩到20 Mbit/s(MPEG-2),声音由64Kbit/s压缩到16 Kbit/s,这样,通信,计算机,广播电视和其它光通信将构成统一的4C网络光纤通信原理光纤通信系统如图2-1所示,电端机(交换机)将来自信号源的信号进行模/数转换,多路复用等处理(1.44Mbit/s或2Mbit/s,34Mbit/S和140Mbit/s等)送给发光端机,变成光信号,并按SDH的格式输入光纤,收光端机通过光检测器还原成电信号,放大,整形,恢复后输入到电端机(交换机或远端模块),完成通信.光端机间的传输距离在长波长达到100公里,超过距离则用中继器将光纤衰减和畸变后的弱光信号再生成,继续向前传输.将来,掺饵光发大器可实现全光中继.光纤通信可采用模拟和数字调制,由于激光器的线性不够理想,不能像电气中载波模拟调制和多路复用,只能用于模拟电视信号的多路复用,如光付载波调制技术.未来,包括电视在内的光纤通信将都是数字式的.在光端机中,对电信号有两种光调制方法:其一是在光源如激光器上调制,产生随电信号变化的光信号,此为直接调制.其二为外调制,利用电光晶体调制器在光源外部调制,调制速率高.所有的调制速率可达10~20Gbit/s,远远低于光纤的传输带宽(20000Gbit/s).要充分发挥光纤的超大容量的通信传输能力,必须采用光频复用的光纤通信系统,光频复用(FDM)又称光波复用(WDM),就是在光纤中同时采用许多不同波长的光进行传输,光频复用技术可在光纤中开发出100~200个光频道,每个频道可容纳10~20 Gbit/s的信息容量,目前以朗讯(LUCENT)为首的通信企业已成功开发了WDM产品,预计下一个世纪,随着通信需求的越来越大,WDM通信技术将会广泛应用.光波光波与通信用的无线电磁波一样,也是一种电波,光波的波长很短,或者说频率很高,达到1013～1014Hz,一般无线电磁波可用作广播电台,电视,移动通信的信号传输,光波也可以,而且是大容量,高速度,数字化和综合业务的通信传输,所不同的是:一般无线电波通过空气传输,而通信用光波是通过光纤(Optic Fiber)来实现的.是一种有线传输.光波在电磁波谱中的位置,可见光的波长在0.39μm到0.76μm,包括红,橙,黄,绿,蓝,靛,紫,混合而成白光.红光的波长长.比红光波长更长的光,即波长大于0.76μm,是不可见的红外光,在0.76μm~15μm的光波称为近红外波,在15μm~25μm称为中红外波,在25μm~300μm称为远红外波.比紫光波长更短的波为不可见的紫外光,紫外光的范围0.39μm~0.006μm,紫外光,可见光和红外光统称光波.利用大气传送的光源如氦氖激光器波长为0.6328μm,是可见的红外光;另一种CO2激光器波长为10.6μm,为不可见近红外光.当今通信用传输介质——石英光纤的低衰减"窗口"为0.6μm~1.6μm的波段范围,是属于可见红外光与不可见近红外光波段上.1,光波速度光波与电磁波在真空中的传输速度为c=3×105km/s.光在均匀介质中直线传播,速度与介质的折射率成反比,即:式中,n为介质光折射率,c为真空中的光速.以真空的光折射率为1,其它介质的折射率大于1,因此传输速度比真空中小.其中空气的折射率近视为1,而石英光纤的折射率为 1.458,则光波速度为v=2×105km/s.光波的波长(λ),频率(f)和速度之间的关系为:或2,光波的折射与反射光在同一均匀介质中是直线传播的,但在两种不同的介质的交界处会发生反射和折射现象,如图2-3所示.设MM’’’’为空气与玻璃的界面,NN’’’’为界面的法线,空气折射率n1包层的折射率n2,其折射率分布的数学式如下:光线①以光纤的轴心线平行射入,则直线向前传播.若光线以光纤端面入射角θ进入光纤,则在包层产生包层界面入射角.因为n1>n2,包层界面入射角的临界角M,与临界端面入射角θa的关系为:当θ≥θa时,则10dB/km),属于材料吸收为主,而通信中的衰减主要来自波导散射和材料散射. 如图2-9所示,光衰减与波长有关,从曲线可知,石英光纤由三个衰减区(又称作低率耗"窗口"),第一衰减区为0.6μm~0.9μm,为短波长低率耗区.第二和第三衰减区分别为1.0μm~1.35μm和1.45μm~1.8μm,为长波长低衰耗区.光纤弯曲衰减,微弯衰减和接头衰减一弯曲衰减:光纤可弯曲,如果曲率半径过小,光就会从包层泄漏,因此在光纤制成缆,现场铺设(管道转弯),光缆接头盒等场合可能出现弯曲衰减,描述为:其中,R为弯曲半径,A,B与光纤参数(纤芯半径a,光纤外径2b,相对折射率差Δ)有关的待定常数.二微弯衰减微弯是随机的,其曲率半径与光纤横截面尺寸相比拟的畸变.常发生在套塑,成蓝,周围温度变化.微弯衰减是光纤随机畸变的高次模与辐射模之间的耦合模所引起的光功率损耗.大小表示为:其中:N是随机微弯的个数;h是微弯凸起的高度;〈〉表示统计平均符号;E是涂层料的杨氏模量;Ef是光纤的杨氏模量;a为纤芯半径;b为光纤外半径;Δ微光纤的相对折射率差.三接头衰减光通信中两个中继站之间的长光纤,是由许许多多的短光纤连接起来的(一般每2km一段),采用熔接(≤0.05dB)或冷接(≤0.1dB)的技术,因此存在接头损耗,一般的熔接要求两根光纤的轴心偏移不超过10%.光纤的涂覆与套塑光纤的一次涂覆通用光纤的外径按ITU-T的规定为125μm,其中单模光纤纤芯在8μm ~25μm,多模光纤纤芯在15μm ~50μm.玻璃是脆性断裂材料,在空气中裸露会发生腐蚀,只要用100克左右的拉力就可以导致光纤断裂.为保护光纤的表面,提高抗拉强度和抗弯曲度,需要给光纤涂覆硅酮树脂或聚氨甲酸乙脂.通常采用两次涂覆,第一层用变性硅酮树脂,可吸收包层透过的光;第二层采用普通的硅酮树脂,涂层较厚有利于提高低温和抗微弯性能.紧套光纤:如跳线(jumper)和尾纤(pigtail),低温性能好,两次涂覆后光纤的外径为900μm.松套光纤:裸纤(bare fiber),涂料采用多种颜色的丙烯酸脂类材料,涂层为125μm.光纤的二次涂覆(被覆,套塑)为了便于操作和提高光纤成缆时的抗张力,在一次涂覆的基础上再套上尼龙,聚乙烯或聚酯等塑料.以保护光纤的一次涂覆,提高机械强度.松套在一次涂覆层的外面,再包上塑料套管,套管中注入防水油膏,塑料套管的膨胀系数比石英光纤大三个数量级,光纤的纤心到套管中心距离大于0.3mm,使光纤在套管收缩依旧可在管内滑动.紧套在一次涂覆层外再紧紧套上尼龙或聚乙烯等塑料,光纤不能自由活动.如图2-10.近几年,已开发出高弹性模量,低线胀系数的液晶聚酯套塑材料,是海底光缆高强度光纤和高寒地区光缆光纤的优秀套材料.光纤的连接光通信系统的构成,除了光源和光检测器件外,还有一些不用电源的光通路元器件——无源光器件.在安装任何光纤通信系统时,必须考虑以低损耗的方式把光纤连接起来,要求尽量减少在连接的地方出现的光的反射.光纤的连接有永久性和活动性两种,永久性连接的称固定街头,使用熔接(热接)或冷接(接续子);活动接头为或接头(机械接头),用砝琅盘,FC/PC,SC等活动连接器.光纤作为光波导遇到不连续点就产生损耗或反射,无论是固定接头或活动街头,都是特定的不连续点.对于固定接头,光波将产生较大的瑞利散射,对于活动接头,则是更大的菲涅尔反射. 光纤的连接原理两条光纤的几何位置,光纤的端面情况和光纤本身特性参数的不匹配,都会产生连续损耗.如图3-1所示,当两条光纤轴线平行,轴线横向或侧向偏移d;当两条光纤轴线平行,轴线纵向偏移s;当两条光纤轴线成角度,产生角度偏移θ时,产生连接损耗,其中横向偏移损耗最大最常见.设在横向偏移d,纤芯a之内的光功率分布完全均匀,端面上的数值孔径为常数,则发射光纤耦合到接收光纤的光功率与两个纤芯的公共面积成正比,可证明:对于阶跃光纤,其耦合效率等于公共面积与两根光纤的各自面积比:纵向偏移引起的损耗,发射光纤的光只有部分进入接收光纤,数值孔径角θc越大,距离s越大,则耦合损耗也越大.同样偏移角越大,则耦合损耗也越大.图3-2为几何偏移引入的损耗与偏移量大小的关系,其中横向偏移的损耗最大.因此,对于活动连接器,为了避免端面的摩擦而人为引入0.025mm~0.1mm的间距,如果光纤的纤芯为50μm的多模光纤,则插入损耗为0.8dB;如果为单模光纤,插入损耗一般在0.5dB.单模光纤在传导模场近似于高斯分布的条件下,其连接损耗为:式中:a为光纤间的轴偏移量;w为光纤模场半径.如模场半径w=4.9μm,如果轴偏移量a=1μm,则损耗为L=0.18 dB.除了几何偏移外,在制造中因为两根光纤几何特性和波导特性的差异,也产生耦合损耗.包括:光纤的芯径,纤芯的椭圆度,数值孔径,剖面折射率分布以及纤芯与包层的同心度等.连接两根光纤之前,必须准备光纤的端面,保证平滑与轴线垂直,防止连接点的偏转与散射.一般的方法有研磨,抛光与切割.研磨和抛光可得到较好的端面,但不用于现场,切割需要在光纤划一道刻痕,利用表面产生应力集中而折断,应力控制不好,将产生裂纹分叉.总之,光纤的连接可分为:光纤的永久连接光纤的熔接技术70年代初,已使用镍铬丝通电作为热源,对光纤进行熔接;中期开始采用电弧放电法,用微机机构和显微镜来控制光纤对正.80年代采用"预加热熔接法",通过电弧对光纤端面进行预热整形,然后再放电.这就是光纤熔接机的基本原理.目前最好的熔接机对单模光纤的平均损耗到达0.03dB.熔接的过程包括端面的准备,纤芯的对正,熔接和接头增强等.端面准备:使用切割刀,如simens的A8切割刀,谷河的1-2-3切割刀.纤芯对正:PAS技术通过CCD摄像和计算机处理,在X,Y,Z轴3个方向进行最佳对正,如simens 的L-PAS和LID系统,通过自身发射激光并检测最大的光功率来调整对正.熔接:让两根光纤保持几微米的间隙进行预熔.最后通过高温电弧使光纤熔接在一起,simens 的LID系统通过发射激光可以调节放电时间,达到最佳熔接效果.之后,用大约4牛顿的力进行拉力测试.目前的熔接机对正和熔接,拉力测试可全自动进行.接头增强:用热缩管对熔接点进行保护和增强.胶接法原理与熔接雷同.固定连接器技术图3-3为常用固定连接器外形.A为依靠毛细管定位的连接器,如3M的接续子,simence的camsplice;B,C,D为V型槽连接,V型槽角度一般为60度左右,如3M的接续子,simence的camsplice.固定连接器的损耗一般在1 dB左右.光纤的活动连接光纤的活动连接器可重复拆装,形似电缆连接器,但加工精度高,主要是保证插入损耗小,重复性好.光纤活动连接器广泛应用于传输线路,光配线架和光测试仪表中.光纤活动连接器种类按结构调心型和非调心型;按连接方式分对接耦合式和透镜耦合式;按光纤相互接触关系分平面接触式和球面接触式等.使用最多的是非调心型对接耦合式如平面对接式(FC),直接接触式(PC),矩形(SC)活动连接器.还有APC,ST等.FC型光纤活动连接器如图3-4,FC连接器由插针体a,插针体b与套筒等组成.插针体a装发射光纤,插针体b装接收光纤,将a,b同时插入套筒,再将螺旋拧紧,实现光纤的对接耦合.FC由于平面接触产生空隙,使光在石英玻璃和空气间产生菲涅尔反射.PC型光纤活动连接器对于FC的问题,PC将插针套筒端面磨成凸球面,使光纤能够直接接触,PC型连接器插入损耗小,反射损耗大(发射光少),性能定.PC的球面曲率直径为20mm,与模场直径为9μm左右的单模光纤相配.FC与PC基本上一样,习惯上称FC/PC,插针套筒核对中套筒采用不锈钢或陶瓷.不锈钢加工困难,陶瓷材料一般为氧化锆和氧化铝两种,氧化铝硬于氧化高,可用氧化铝作为插针套筒,用氧化锆作为对正套筒,但陶瓷易碎.SC型光纤活动连接器在计算机的FDDI光纤网络中,一般使用SC活动连接器,FC/PC通过旋转耦合,而SC属于插拔式,易于高密度安装.SC插针套筒为氧化锆整体型.3M的VF-45光纤活动连接器在最近,3M公司同样推出了用于光纤网络的VF-45连接器,大小如双绞线的RJ-45,也是插拨光缆的敷设光缆的敷设分为管道,架空和直埋三中.管道在城市中常采用的方式,一般在城市的街道上敷设,由于街道往往有拐弯与起伏,一般在转弯处设立一个人孔,以利于光缆的牵引,每段光缆长1km~2km,在两段光缆间的人孔完成接续,在接续的人孔里,光缆需预留8-10m,挂在人孔壁上.架空在省二级干线(市,地区的本地网络)常采用架空敷设,因为野外空旷.吊线托挂方式是国内最常用的一种,既采用在电杆上布钢丝吊线,用挂钩挂住光缆.架空光缆一般采用黑色外护套,已经受阳光的暴晒.一般在100m的间距竖立2根电杆,在电杆间安装5-10个挂钩,为了防止气候的变化,一般在杆下设置伸缩弯,在接续处也保留一定的预留.直埋在国家一级干线(部级干线)和二级干线(省一级干线)采用直埋方式,直埋时中继段往往大于70km,目前甚至到达140km,光缆段长度往往采用4米,缆购要求1.2m深,光缆段进行光纤接续后用接头盒蜜蜂,保证对地绝缘,防水,放蚁等检查后,直接埋入地下,进行回填土,一般在光缆的路由上每50m设置标石,在接续处有绝缘监测点.光纤的连接光缆从传输机房外的电杆或人孔进局,经布线室到机房的光缆终端盒或分配盒(ODP),与一个跳线进行热接冷接,光缆预留长度一般为15~20m,光纤在收容盘内还预留80cm.光跳线的FC/PC接头在ODF架上接在珐琅盘上.机房外光纤的连接采用熔接,过程是:准备接头盒,开缆,每段80cm,安装到接头盒,固定加强芯,除去松套管,防水油膏,准备光纤和热缩管,进行熔接,热缩,固定到收容盘,密封接头盒,安放接头盒.有关熔接机的技术在后面详细介绍.施工的测量光纤的连接器件和熔接头将增大光纤的衰耗,设计文件中将对整条光缆的衰减有严格的要求,一般机械接头的平均衰耗在0.5dB左右,而目前的熔接点也能达到0.1dB以下,甚至0.05dB以下,一般光端机发光在-5dB左右,而收光端机收光必须大于-30 dB.为了符合工程的要求,一般通过光时域反射测试仪(OTDR),在熔接后测量熔接点的衰减,符合单个熔接点的衰耗要求后再密封接头盒,利用光源和光功率计也能测试全程光衰耗,单OTDR可监测每一个事件点. OTDR的技术在后面详细讲.维护和抢修光缆的维护工作按一定的日期进行巡检,在光缆出现故障后,必须实施快速的抢修.维护一般在固定时间内用OTDR等进行监测,尽可能发现故障,老化等问题,预防通信终断,目前还可以采用网络的告警监测系统.抢修工具保证发生故障后可快速临时恢复系统.光缆敷设规范a、长度及整体性每条光缆长度要控制在800M以内，而且中间没有中继。